摘要：航空航天发动机发展水平是一国综合国力、工业基础和科技水平的集中体现，它的研制集中了现代工业最尖端的技术、最先进的工业成果。而在航空发动机的不断完善中，航空发动机的材料问题至关重要，其中发动机的齿轮接触与修形是现今研究较多的一个方向，通常齿轮的接触和修形方面的研究更是对于航空发动机的完善有着重要的意义，对于我国的航空发动机的使用技术有着很大的影响，基于此，下面，本文将会分析航空发动机齿轮接触分析与修形研究。
关键词：航空设备；发动机；齿轮接触；齿轮修形；分析研究
一、航空发动机齿轮
1.齿轮的作用与分类
齿轮在机械中占有极其重要的作用。第一个利用齿轮做成的机械装置就是钟表，事实上，它只不过是用了一系列的齿轮。对于它可以在严格的条件下的广泛使用，在齿轮上做了大量的学习和研究。相比过去，它们现在必须在更高的速度下传递更重的负荷。工程师和机器操纵工人都认为齿轮在几乎所有的机器的零件中占有首要的因素。主要分为两大类，如下：
1.1.直齿圆柱齿轮
直齿圆柱齿轮用于平行轴之间传递力和回转运动，轮齿被切制成与安装齿轮的轴之轴线相平行。两啮合齿轮中较小的叫小齿轮，大的习惯上叫齿轮，在大多数情况下，小齿轮是主动轮，大齿轮叫从动轮。
1.2.斜齿圆柱齿轮
斜齿圆柱齿轮具有特定的优点，比如，当连接平行轴的用相同刀具切削出来的并齿数相同的斜齿轮比直齿轮具有较高的承载能力。斜齿轮也能用于连接相互成任意角度的非平行轴。
斜齿轮也能用于连接相互成任意角度的非平行轴。
2.航空发动机齿轮研究问题
航空发动机通常采用薄壁结构，所以当一对齿轮啮合时，容易产生热变形和受载变形等问题，引起振动和噪声。齿轮修形是减振、降噪的有效手段。齿轮修形不改变齿轮的几何尺寸，是通过改善轮齿的啮合部位和啮合过程来提高齿轮传动的强度和可靠性，在一定程度上，可以补偿弹性变形、制造误差和安装误差引起的冲击，进而提高传动的平稳性，减小齿轮啮入和啮出冲击，降低噪声。目前，确定修形曲线、修形量等的方法尚未统一，关于高精度、低成本、工艺适应性强的齿轮修形技术的研究还在进行中。
二、航空发动机齿轮修形
在齿轮的修形研究中，首先需要分析齿轮的工况，不同的工况采取不同的修形方法。由于航空发动机齿轮在高速重载的环境下工作，齿轮在运转过程中会出现因受力而导致的受载变形和因温度升高而产生的热变形，通过齿轮的变形量确定齿轮的最大修形量。
1.基于受载变形的齿廓最大修形量
根据H．Sigg公式计算齿轮的最大修形量［8］：Δma=4+0.05t/b）±4．（式中Ft/b为单位齿宽上所受的圆周力。
2.基于热变形的齿廓最大修形量
根据齿轮啮合原理，每个轮齿所受载荷是波动的。双齿啮合区中每齿承载可以简化为总载荷的50%，单齿啮合区为总载荷的100%；若考虑轮齿的变形，则双齿啮合区中轮齿承载由总载荷的40%逐渐上升到60%，这样轮齿转到啮合区时，所受载荷可以按照40%—60%—100%—60%—40%的规律计算。
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3.确定修形曲线
修形曲线分为直线型和曲线型，修形指数1≤β≤2．当β=1时，修形曲线为直线型；当1＜β≤2时，修形曲线为曲线型，渐开线齿廓修形曲线方程［10］：Δ=Δmax（x/l）β．（3）式中：l为双齿啮合长度B1C或DB2；Δmax为最大修形量；x为啮合点位置坐标（原点在单、双齿啮合的交替处，亦称界点，航空发动机齿轮在运转过程中，高速和重载是影响齿轮工作的两个主要因素，只考虑其中某一个因素确定齿轮的修形曲线是不科学的．若将基于热变形确定的修形量和基于受载变形确定的修形量取平均值，确定修形曲线，这样虽然综合考虑了两个因素，但仍然不是最佳的修形曲线，因为高速和重载对齿轮的影响并不一定是均等的。因此，在确定修形曲线时，需要对齿轮的最大修形量进行修正，引入修形系数a和b，提出渐开线圆柱齿轮的修形曲线方程：Δ'=aΔ'max（x/l）1.5+bΔ″max（x/l）1.5（4）式中Δ'max和Δ″max分别是基于热变形和受载变形确定的齿轮最大修形量；0＜a＜1，0＜b＜1，a+b=1．a与b的取值根据高速重载的工作情况而定，如果齿轮运转速度很高，而载荷虽超过齿轮的重载标准，但不是很显著，则a值可以取大一些，b值取小一些；如果齿轮所受载荷很大，而相比之下，速度的影响不显著，则a值取小一些，b值取大一些可以通过经验先估算出a和b的值，然后再通过ANSYS分析法或者实验的方法进行修正，寻求最佳修形曲线
三、渐开线齿轮接触分析
1.计算
计算标准渐开线直齿圆柱齿轮的接触应力，为验证修形齿轮的修形效果作依据根据热弹分析计算出的热变形量，用式计算齿廓最大修形量为0.01899，则主动轮的修形曲线方程：Δ1=0.01899×x（）6.0191.5从动轮的最大修形量为0.01929，则从动轮的修形曲线方程Δ2=0.01929×x（）6.0191.5根据齿轮啮合的受载情况，用式（1）计算齿廓最大修形量为0.028125，建立修形曲线方程：Δ3=0.028125×x（）6.0191.5；综合考虑温度和载荷的影响，采用修形系数修正齿轮的最大修形量，依据上述式子，建立修形曲线方程，假设高速和重载对齿轮运转的影响是均等的，即a=b=0.5，则主动轮的修形曲线方程：Δ'1=aΔ'max（x/l）1.5+bΔ″max（x/l）1.5=0.5×0.01899×（x/6.0191.+0.5×0.028125×（x/6.019）1.5；从动轮的修形曲线方程：Δ'2=aΔ'max（x/l）1.5+bΔ″max（x/l）1.5=0.5×0.01929×（x/6.019）1.5+0.5×0.028125×（x/6.019）1.5。建立修形齿轮接触分析模型，可以得出不同修形量的修形齿轮的最大接触应力值。从接触分析结果可以看出，修形齿轮的接触应力小于标准渐开线齿轮的接触应力；采用曲线修形的修形齿轮与采用直线修形的修形齿轮相比，接触应力小；综合考虑温度和载荷两方面因素，采用修正的修形曲线对齿轮修形，接触应力进一步减小，修形效果更好。
2.结论
因此，可以通过修形系数a和b来调整修形量，确定修形曲线，为寻求最佳修形曲线提供了新思路在实际的齿廓修形设计中，如果渐开线圆柱齿轮正常运转，齿轮的转速和齿面的负荷均超过了高速重载的底线，而速度对齿轮运转的影响显著，则修形系数a要大于b；同理，如果载荷对齿轮运转影响显著，则修形系数a要小于b．a和b按照此原则取值，可以快速确定修形量，生成最佳修形曲线。
结束语：通过上述本文分析可知，中国航空发动机工业还在发展之中，一些长期存在问题让西方对其发展是不屑一顾，这些问题包括航空发动机的齿轮接触与修形等问题，航空发动机的齿轮在发动机的完善过程中占着重要的地位，对于它的研究是需要不断创新与进步的，而这些都需要航空发动机工业上下继续努力，共同探讨航空发动机齿轮以及其它材料的适用问题，不断的提升材料的使用质量，提高发动机的使用水平，为中国航空发动机早日追上世界先进水平而努力。
参考文献：
[1]程勇，廖明夫，王俨剀.航空发动机齿轮传动系统动力学特性研究[J].科学技术与工程，2014，14（14）：98-106.
[2]王丹，陆瑞成，闫玉涛，孙志礼.航空发动机齿轮接触分析与修形研究[J].东北大学学报（自然科学版），2013，34（08）：1171-1174.
论文作者:白兆宏,董雪莲,李桂花
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第6期
论文发表时间:2018/7/5
标签：齿轮论文; 曲线论文; 载荷论文; 航空发动机论文; 轮齿论文; 渐开线论文; 方程论文; 《建筑模拟》2018年第6期论文;