齒輪功率分流傳動技術(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技術(shù)。齒輪功率分流傳動系統(tǒng)具有終級減速比大、傳動級數(shù)少、傳動效率高、使用可靠、噪聲小和重量輕等特點，在直升機傳動系統(tǒng)和艦船傳動裝置等領(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、齒輪功率分流傳動研究現(xiàn)狀
根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，齒輪功率分流傳動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，其國內(nèi)外研究現(xiàn)狀如下。
平行軸齒輪功率分流傳動
平行軸齒輪功率分流傳動是一種輸入軸和輸出軸的軸線平行的傳動方式，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具有系統(tǒng)穩(wěn)定性強、噪聲低、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、傳動末端具有較高的減速比以及能降低能量損耗等優(yōu)點。
Majid等對具有平衡梁的齒輪分流系統(tǒng)進行了數(shù)學(xué)建模，研究了其動態(tài)特性。Kubur等建立了平行軸斜齒輪傳動的動力學(xué)模型，研究了軸尺寸、軸承剛度等參數(shù)對動力學(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系統(tǒng)的動力學(xué)誤差分析模型，研究了幾何參數(shù)對動態(tài)傳動誤差的影響規(guī)律。Douglas等對轉(zhuǎn)矩分流式齒輪的設(shè)計進行了探討，確定了齒輪材料強度、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系統(tǒng)應(yīng)用于軍用直升機 CH-53K，并進行了彈性扭轉(zhuǎn)軸傳動系統(tǒng)的靜、動態(tài)均載特性等方面的實驗。
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際嚙合過程進行了仿真。楊振等采用集中質(zhì)量法，分析了平行軸分流齒輪傳動系統(tǒng)的運動學(xué)和動力學(xué)性能，得到了其固有模態(tài)和外部激勵響應(yīng)。趙天宇等建立了多平行軸式人字齒輪功率分流傳動系統(tǒng)的非線性動力學(xué)模型，并對動態(tài)誤差波動、齒輪動態(tài)嚙合力和齒輪中心運動軌跡等參數(shù)進行了分析。
行星齒輪功率分流傳動
行星齒輪傳動一般為多個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結(jié)構(gòu)。行星齒輪功率分流傳動的特點是體積小、質(zhì)量輕、承載能力強、結(jié)構(gòu)緊湊，每個齒輪承受載荷較小，適用于傳動比較大的工況。
Kahraman建立了行星齒輪傳動系統(tǒng)的平移-扭轉(zhuǎn)耦合模型，研究了在時變嚙合剛度、嚙合誤差、齒側(cè)間隙和阻尼等因素下，中心構(gòu)件的浮動對系統(tǒng)振動以及齒輪的嚙合和安裝誤差對系統(tǒng)動態(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態(tài)均載行為，提出了考慮工況條件下行星齒輪箱設(shè)計的建議。
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行了研究，采用遺傳算法對 2K-H 行星齒輪傳動進行了動態(tài)優(yōu)化設(shè)計，對功率分流不均衡進行了改善。Zhang等分析了行星齒輪傳動系統(tǒng)的均載特性，推導(dǎo)了其平均載荷系數(shù)的計算公式。Xu等分析了多浮動部件行星齒輪系統(tǒng)的支承剛度、齒輪位置誤差、外部輸入負載等因素對動載荷分配的影響。張麗娜以單級和二級行星齒輪傳動系統(tǒng)為研究對象，分析了系統(tǒng)的動態(tài)特性。
星型齒輪功率分流傳動
在發(fā)動機中，多采用星型齒輪系統(tǒng)來實現(xiàn)功率分流。星型齒輪功率分流傳動采用多個星輪進行負載分配，具有體積小、重量輕、承載能力強、運動平穩(wěn)、抗沖擊和振動性能好等優(yōu)點。
Krantz對 Comanche直升機中一種雙路星型分流減速器進行了均載試驗，分析了系統(tǒng)的均載性能，并進行了實驗驗證。吉野正信等對星型齒輪系統(tǒng)的浮輪自定中心運動軌跡及其與輸入扭矩之間的關(guān)系進行了理論和試驗研究，闡明了自定心軌跡、施加的力矩與軌跡的關(guān)系。Jarchow 等實測了星型齒輪傳動中所有構(gòu)件的浮動支承，對比分析了不同支承類型的均載系數(shù)。Singh對星型輪系進行了動力學(xué)建模，并對其載荷分配特性進行了分析，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)與動力學(xué)特性的齒輪模型，得出了系統(tǒng)的耦合振動特征。莫帥等分析了渦扇發(fā)動機星型齒輪傳動系統(tǒng)及二級星型齒輪傳動系統(tǒng)的載荷分配機理，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各部件的偏心誤差和安裝誤差對系統(tǒng)負載特性的影響，發(fā)現(xiàn)基本構(gòu)件的浮動有利于星輪間的負載分配。
相交軸齒輪功率分流傳動
相交軸齒輪功率分流傳動主要包括錐齒輪功率分流傳動以及面齒輪功率分流傳動兩類。
錐齒輪功率分流傳動具有結(jié)構(gòu)尺寸小、承載能力高、傳動平穩(wěn)和傳遞功率大等特點，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方面研究的文獻非常少，尤其是國外的公開文獻更是鮮見。谷建功等對不同工作狀態(tài)下的功率分流傳動系統(tǒng)進行了研究，提出了一種新型弧齒錐齒輪功率分流傳動系統(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系統(tǒng)的負載均衡分析方法，為分析齒輪傳動閉環(huán)功率流的負載分布提供了一種新途徑。
面齒輪功率分流傳動在直升機傳動系統(tǒng)中具有獨特的優(yōu)越性，美國軍方在其主導(dǎo)的 ART、TRP、ERDS 和 RDS-21計劃中均開發(fā)了相應(yīng)的面齒輪分流傳動系 統(tǒng)。此外，Pias等設(shè)計了一種包含多個輸入軸、具有獨立的均載機構(gòu)的面齒輪分流傳動系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可靠性和壽命。Gmirya等也設(shè)計了一種含有多個輸入軸的面齒輪分支傳動系統(tǒng)，其二級面齒輪副包含4個同軸安裝的面齒輪和2個小輪，可實現(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的扭矩分配精度可達 99%。Heath 等開展了面齒輪分流傳動的驗證研究，結(jié)果表明面齒輪分流傳動系統(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系統(tǒng)的多級傳動、多自由度、精細化快速建模及其動態(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系統(tǒng)，尤其是面齒輪分流傳動系統(tǒng)，其均載機理和均載設(shè)計研究亟待深入，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技術(shù)后續(xù)的研究工作提供一定的參考作用。
參考文獻略.