齒輪功率分流傳動(dòng)技術(shù)是指將輸入功率分成若干條支路傳遞，并在末端匯流、輸出的一種齒輪傳動(dòng)技術(shù)。齒輪功率分流傳動(dòng)系統(tǒng)具有終級減速比大、傳動(dòng)級數(shù)少、傳動(dòng)效率高、使用可靠、噪聲小和重量輕等特點(diǎn)，在直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)和艦船傳動(dòng)裝置等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文梳理國內(nèi)外齒輪功率分流傳動(dòng)技術(shù)的研究現(xiàn)狀，指出其未來發(fā)展方向。
1、齒輪功率分流傳動(dòng)研究現(xiàn)狀
根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，齒輪功率分流傳動(dòng)主要分為平行軸齒輪、行星齒輪、星型齒輪和相交軸齒輪四類齒輪功率分流傳動(dòng)，其國內(nèi)外研究現(xiàn)狀如下。
平行軸齒輪功率分流傳動(dòng)
平行軸齒輪功率分流傳動(dòng)是一種輸入軸和輸出軸的軸線平行的傳動(dòng)方式，通常由多組平行的直齒輪或斜齒輪構(gòu)成。平行軸齒輪功率分流傳動(dòng)具有系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)、噪聲低、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、傳動(dòng)末端具有較高的減速比以及能降低能量損耗等優(yōu)點(diǎn)。
Majid等對具有平衡梁的齒輪分流系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，研究了其動(dòng)態(tài)特性。Kubur等建立了平行軸斜齒輪傳動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型，研究了軸尺寸、軸承剛度等參數(shù)對動(dòng)力學(xué)特性的影響。Kartik等基于偏轉(zhuǎn)模型的齒輪嚙合接觸分析方法，建立了轉(zhuǎn)矩分流多級齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)誤差分析模型，研究了幾何參數(shù)對動(dòng)態(tài)傳動(dòng)誤差的影響規(guī)律。Douglas等對轉(zhuǎn)矩分流式齒輪的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，確定了齒輪材料強(qiáng)度、齒輪模數(shù)、輪齒寬度對效率的影響。Yuriy等將多路齒輪分流傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用于軍用直升機(jī) CH-53K，并進(jìn)行了彈性扭轉(zhuǎn)軸傳動(dòng)系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)均載特性等方面的實(shí)驗(yàn)。
國內(nèi)的馬輝提出了一種平行軸系齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)有限元建模方法，分析了平行軸系齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在多種模態(tài)耦合下的固有特性。董皓等建立了兩路功 率分流系統(tǒng)的靜力學(xué)模型，采用輪齒幾何接觸分析和承載接觸分析方法對齒輪副實(shí)際嚙合過程進(jìn)行了仿真。楊振等采用集中質(zhì)量法，分析了平行軸分流齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能，得到了其固有模態(tài)和外部激勵(lì)響應(yīng)。趙天宇等建立了多平行軸式人字齒輪功率分流傳動(dòng)系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)模型，并對動(dòng)態(tài)誤差波動(dòng)、齒輪動(dòng)態(tài)嚙合力和齒輪中心運(yùn)動(dòng)軌跡等參數(shù)進(jìn)行了分析。
行星齒輪功率分流傳動(dòng)
行星齒輪傳動(dòng)一般為多個(gè)行星輪與中心齒輪相嚙合，是一種典型的、應(yīng)用廣泛的齒輪功率分流傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。行星齒輪功率分流傳動(dòng)的特點(diǎn)是體積小、質(zhì)量輕、承載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊，每個(gè)齒輪承受載荷較小，適用于傳動(dòng)比較大的工況。
Kahraman建立了行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的平移-扭轉(zhuǎn)耦合模型，研究了在時(shí)變嚙合剛度、嚙合誤差、齒側(cè)間隙和阻尼等因素下，中心構(gòu)件的浮動(dòng)對系統(tǒng)振動(dòng)以及齒輪的嚙合和安裝誤差對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響。Kim 等根據(jù)行星輪系的載體針孔位置誤差，分析了輸入載荷對行星齒輪均載的影響。Kim 等通過試驗(yàn)研究了行星齒輪箱轉(zhuǎn)矩對行星齒輪載荷分布的影響，結(jié)果表明增大行星齒輪箱的扭矩能夠改善嚙合負(fù)載系數(shù)。Götz等在不同太陽輪轉(zhuǎn)速的情況下考察了不同載荷下的動(dòng)態(tài)均載行為，提出了考慮工況條件下行星齒輪箱設(shè)計(jì)的建議。
國內(nèi)的袁茹等針對浮體支撐剛度對行星齒輪功率分流平衡的影響進(jìn)行了研究，采用遺傳算法對 2K-H 行星齒輪傳動(dòng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對功率分流不均衡進(jìn)行了改善。Zhang等分析了行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的均載特性，推導(dǎo)了其平均載荷系數(shù)的計(jì)算公式。Xu等分析了多浮動(dòng)部件行星齒輪系統(tǒng)的支承剛度、齒輪位置誤差、外部輸入負(fù)載等因素對動(dòng)載荷分配的影響。張麗娜以單級和二級行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)為研究對象，分析了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。
星型齒輪功率分流傳動(dòng)
在發(fā)動(dòng)機(jī)中，多采用星型齒輪系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)功率分流。星型齒輪功率分流傳動(dòng)采用多個(gè)星輪進(jìn)行負(fù)載分配，具有體積小、重量輕、承載能力強(qiáng)、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、抗沖擊和振動(dòng)性能好等優(yōu)點(diǎn)。
Krantz對 Comanche直升機(jī)中一種雙路星型分流減速器進(jìn)行了均載試驗(yàn)，分析了系統(tǒng)的均載性能，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。吉野正信等對星型齒輪系統(tǒng)的浮輪自定中心運(yùn)動(dòng)軌跡及其與輸入扭矩之間的關(guān)系進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究，闡明了自定心軌跡、施加的力矩與軌跡的關(guān)系。Jarchow 等實(shí)測了星型齒輪傳動(dòng)中所有構(gòu)件的浮動(dòng)支承，對比分析了不同支承類型的均載系數(shù)。Singh對星型輪系進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模，并對其載荷分配特性進(jìn)行了分析，推導(dǎo)出了存在位置誤差情況下預(yù)測星輪載荷分配行為的封閉形式的方程。
國內(nèi)的Jing等建立了基于多級星型輪系尺寸結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)特性的齒輪模型，得出了系統(tǒng)的耦合振動(dòng)特征。莫帥等分析了渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)星型齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)及二級星型齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的載荷分配機(jī)理，得出了不同誤差對系統(tǒng)載荷分配均勻性的影響。魏靜等研究了柔性銷軸式人字齒星型輪系的均載特性，得出了不同柔性軸銷結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)工況參數(shù)對系統(tǒng)均載性能的影響規(guī)律。Hao等分析了二級星型齒輪傳動(dòng)各部件的偏心誤差和安裝誤差對系統(tǒng)負(fù)載特性的影響，發(fā)現(xiàn)基本構(gòu)件的浮動(dòng)有利于星輪間的負(fù)載分配。
相交軸齒輪功率分流傳動(dòng)
相交軸齒輪功率分流傳動(dòng)主要包括錐齒輪功率分流傳動(dòng)以及面齒輪功率分流傳動(dòng)兩類。
錐齒輪功率分流傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)尺寸小、承載能力高、傳動(dòng)平穩(wěn)和傳遞功率大等特點(diǎn)，用于轉(zhuǎn)速較高或結(jié)構(gòu)緊湊的場合，在汽車、航空及船舶方面應(yīng)用廣泛。國內(nèi)外在錐齒輪功率分流傳動(dòng)方面研究的文獻(xiàn)非常少，尤其是國外的公開文獻(xiàn)更是鮮見。谷建功等對不同工作狀態(tài)下的功率分流傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，提出了一種新型弧齒錐齒輪功率分流傳動(dòng)系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)在各安裝誤差作用下的功率分流情況。Du等在功率流閉環(huán)特性的基礎(chǔ)之上，提出了一種新型螺旋錐齒輪功率分流傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載均衡分析方法，為分析齒輪傳動(dòng)閉環(huán)功率流的負(fù)載分布提供了一種新途徑。
面齒輪功率分流傳動(dòng)在直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中具有獨(dú)特的優(yōu)越性，美國軍方在其主導(dǎo)的 ART、TRP、ERDS 和 RDS-21計(jì)劃中均開發(fā)了相應(yīng)的面齒輪分流傳動(dòng)系 統(tǒng)。此外，Pias等設(shè)計(jì)了一種包含多個(gè)輸入軸、具有獨(dú)立的均載機(jī)構(gòu)的面齒輪分流傳動(dòng)系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可靠性和壽命。Gmirya等也設(shè)計(jì)了一種含有多個(gè)輸入軸的面齒輪分支傳動(dòng)系統(tǒng)，其二級面齒輪副包含4個(gè)同軸安裝的面齒輪和2個(gè)小輪，可實(shí)現(xiàn)功率的多路徑分流。Litvin等通過有限元分析，表明了面齒輪分流傳動(dòng)的扭矩分配精度可達(dá) 99%。Heath 等開展了面齒輪分流傳動(dòng)的驗(yàn)證研究，結(jié)果表明面齒輪分流傳動(dòng)系統(tǒng)可有效改善系統(tǒng)的功重比、重量、可靠性。國內(nèi)的靳廣虎等分析了雙輸入面齒輪-圓柱齒輪兩級分流系統(tǒng)的均載特性、固有頻率。付學(xué)中等建立了一般性面齒輪分流傳動(dòng)系統(tǒng)的靜力學(xué)扭矩分配模型，分析了安裝誤差、輸入載荷等因素對均載特性的影響。
2、未來研究展望
雖然國內(nèi)外在平行軸齒輪、行星齒輪、星型齒輪和相交軸齒輪功率分流傳動(dòng)方面取得了相當(dāng)可觀的研究成果，但仍然有如下研究工作有待于開展：
(1)對于包含人字齒輪平行軸分流傳動(dòng)系統(tǒng)的多級傳動(dòng)、多自由度、精細(xì)化快速建模及其動(dòng)態(tài)均載特性的研究還有所欠缺。
(2)目前行星、星型齒輪功率分流傳動(dòng)系統(tǒng)的研究主要是圍繞單級展開的，而對于多級式分流行星、星型齒輪的研究較少。
(3)相交軸齒輪功率分流傳動(dòng)系統(tǒng)，尤其是面齒輪分流傳動(dòng)系統(tǒng)，其均載機(jī)理和均載設(shè)計(jì)研究亟待深入，已成為應(yīng)用中的主要障礙。
3、結(jié)論
本文總結(jié)了國內(nèi)外平行軸、行星、星型和相交軸四類齒輪功率分流傳動(dòng)技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并針對現(xiàn)有研究不足提出了未來研究方向。本文工作可為齒輪功率分流傳動(dòng)技術(shù)后續(xù)的研究工作提供一定的參考作用。
參考文獻(xiàn)略.