余鹏，张海军*，张艺轩，芦新华，张佳琳，侯易铭
南京农业大学工学院，江苏 南京 210031
摘要：液压机械无级变速器（HMCVT）可以实时输出不同的转速、转矩，尤其适用于大马力拖拉机载荷频繁变换的复杂作业工况，而斜齿轮作为HMCVT中的核心传动零件，其强度校核和结构优化对整机的传动性能起到非常重要的作用。由于利用KISSsoft软件能够获得理想的齿轮设计结果，因此根据设定的齿轮基本参数，利用KISSsoft软件对斜齿轮进行设计计算与强度校核。同时，为了提高斜齿轮使用的安全裕量并降低传递误差、减少闪温温度，对其部分参数设置一定的变动范围，利用软件中精细计算模块对设计目标进行优化设计，进一步提升了齿轮副的设计质量。
关键词：HMCVT； KISSsoft软件；液压机械无级变速器；斜齿轮；优化设计
齿轮作为重要的机械传动零件,其在工业生产中应用非常广泛。虽然人们对齿轮的研究已相当成熟，但随着计算机技术的不断发展，已经突破了人们靠经验总结来研究齿轮的阶段，特别是一些齿轮专用软件的出现，使齿轮的设计和分析更加简便快捷、准确可靠[1]。KISSsoft软件拥有非常友好的操作界面，强大的计算分析能力[2]，在优化齿形时能够根据设定自动生成优化参数值，从而省去了大量的计算。
本文通过对斜齿轮进行初步设计与校核，进而对齿轮参数进行适当变动，通过计算，从齿轮最大接触温度、传递误差、最大接触应力方面分析，对齿轮进行结构优化设计，从而达到优化齿轮啮合性能的目的，为解决HMCVT斜齿轮的设计计算与结构优化问题提供理论依据。
1 基于KISSsoft的斜齿轮设计与校核
1.1斜齿轮设计参数的确定
（1）基本参数的确定
进入KISSsoft齿轮参数初步确定的界面，在Basic data里面确定齿轮材料类型、润滑油、润滑方式、模数、齿数、中心距、螺旋角、变位系数等参数。
针对此处的斜齿轮，选用的材料牌号为20MnCr5，其芯部硬度为25HRC，采取硬化处理后表面硬度为62HRC。对于油品的选用参考ISO-VG 220，选择的润滑方式为浸油润滑，箱体内设置的温度为70℃。参考市场上大部分农机变速器的精度等级，本方案中的齿轮选择的是8级精度。
在KISSsoft里面可以对齿轮预先进行进行挖槽设置。选择两边挖环槽方式，根据经验推荐环槽顶部与齿根圆的距离为8-12mm，一边挖深为3~5mn。
（2）齿廓参数设置
对于基本齿形计算，根据理论计算选择了齿轮基准轮廓为齿形。根据ISO 53：1998轮廓A的标注设置齿根高系数为1.25、齿根圆角半径系数为0.38、齿顶高系数为1。
（3）载荷谱设置
由于是设计阶段，无法对变速器载荷谱进行测量，根据文献[3]以及拖拉机的工作特性，将载荷谱设置成理想的二项分布，中间功率使用最多。
（4）强度计算方法选择
在此采取的强度计算方法是参考ISO6336-2006中的方法B、校核计算方法是参考ISO/TS 6336-20/21、微点蚀计算方法是参考ISO TR 15144。
（5）其他设置
当设置完计算方法、齿廓、基础设置、载荷谱设置后，需要确定输入功率、转矩、转速三个变量，考虑到变速器用于样机实验测试，工况系数KA选择1.2。其余动载荷系数、表面载荷系数等都会自动根据之前设置完成相应设置。完成这些数据设置后，可以得到基本满足校核设计的齿轮数据。
1.2 齿轮的精细化设计
将这些参数设定好后，代入到精细化设计模块。在精细化设置Condition1中确定传动比与传动比允许偏差范围。在KISSsoft中设定齿轮的传递比浮动范围在-0.2~0.2之间，模数浮动范围在2.5~4.5mm，计算间隔步长为0.25，压力角保持不变，螺旋角选择12~20°，计算间隔步长为1°。变位系数在-0.6~0.6之间浮动。小齿轮最小分度圆设置为0。齿轮的齿宽设置是在初步设置中完成，在精细化计算项目中保持不变。最后设定最大计算步数为1000。在Condition2中可以设置齿根高、齿根圆、齿根高参数变动代入计算中，考虑到实际加工对这些项目不进行设置，保留原有输入。在Condition3中进行的是计算方式与对不良结果的一定筛选，在计算方式上仅计算齿轮齿形与强度计算，筛选齿顶厚不合格的与齿数过少的因子。在KISSsoft里面完成精细化计算设置后得到计算结果。
2 斜齿轮的选取标准
经过精细化计算后的齿轮项目较多，需要从不同方面对斜齿轮参数的选取进行考虑。比如变位系数分配对齿轮的影响、不同参数齿轮的传递误差、齿轮最大接触温度、齿轮最大赫兹接触应力等。齿轮的不同参数之间会相互影响，根据对齿轮性能的要求需要采取一定的取舍。
2.1变位系数影响
变位系数可以影响齿轮的重合度、优化传动比、减少接触应力、提高齿轮刚度，降低传递误差。齿轮的变位系数在选用过程中有一定的限制：
1）保证齿面有最大接触强度，正变位越大，接触强度越大。
2）正变位越大，越有利于提高小齿轮齿面接触安全系数与齿根弯曲疲劳安全系数。
3）提高齿轮正变位有利于提高齿轮重合度，从而降低齿轮噪音。
4）齿轮正变位系数增大有利于提高齿轮滑动率，降低齿轮胶合。
5）对于设计一般大功率齿轮箱中，经常以降低齿轮滑动率作为标准，对齿轮进行适当的正变位以保证齿轮较小的滑动率。
2.2齿轮的闪温理论
由于HMCVT变速器内部输出速度变化频繁、加工及装配精度不够高、离合器密封性不佳、工作环境恶劣等的综合影响，导致齿轮相互啮合过程中出现严重挤压乃至齿面油膜破损，甚至发生齿面胶合现象。在KISSsoft里面计算齿面胶合失效是基于接触疲劳强度理论。根据该理论的阐述：当齿轮进入啮合区域后，受到变载荷等因素影响，使得齿轮油膜变小乃至破损，此时齿轮接触温度急剧上升，该温升就成为闪温温度，此时接触温度为闪温温度与齿轮本体温度之和。
2.3传递误差
理论上，从动轮的转角应等于主动轮的转角。由于齿轮间隙、制造误差和安装误差，使从动轮的转角小于主动轮的转角，这个角度叫做传递误差。齿轮刚度越大，传动误差越小，齿轮噪声越小。
2.4斜齿轮参数确定
经过KISSsoft精细化设计模块计算，确定了斜齿轮的参数。因为KISSsoft精细计算结果较多，篇幅较长，所以以一对齿轮为例来分析精细计算的优点。根据上文介绍的多个参量，判断选取KISSsoft精细计算后选取的最佳项目。齿轮初始设定计算与KISSsoft精细计算后齿轮参数对比（见表1）。
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在进行精细计算后斜齿轮性能有了较大的提升，但是还应该从传递误差、最大接触温度、最大接触应力等方面再进行对比。这样可以保证选取得的项目有较明显的性能提升。
从齿轮最大接触温度来看，采用KISSsoft精细计算结果降低了3℃；从齿轮传递误差来看，采用KISSsoft精细计算减少了0.7幅度；从齿轮最大接触应力来看，采用KISSsoft精细计算结果降低了94.6N/mm。因此，KISSsoft精细计算在这些方面都有了一定的提升。
3 总结
基于KISSsoft软件完成了齿轮的初步设计与校核，得到了较为理想的计算结果；通过对螺旋角、变位系数、传动比等参数的适当变动，对该齿轮进行了结构优化设计。在满足齿轮齿形与校核要求的前提下，采用KISSsoft精细计算模块从齿轮传递误差、最大接触温度、最大接触应力方面分析了优化后齿轮性能的提升效果。
参考文献：
[1] 史朋真. 基于KISSsoft斜齿轮的修形与仿真[D].太原科技大学,2018.
[2] 朱孝录.齿轮传动设计手册[M]．北京：化学工业出版社，2005 :295．
[3] 李晋善.拖拉机的载荷谱及应用[J].山东工程学院学报，1999(01):24-27.