裝載機(jī)驅(qū)動(dòng)橋輪邊齒輪故障分析及優(yōu)化

蔡軍

（龍工（福建）橋箱有限公司，福建 龍巖 364000）

驅(qū)動(dòng)橋作為裝載機(jī)底盤傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，近年來(lái)，其故障率一直居高不下，故障主要表現(xiàn)在輪邊減速器齒輪易出現(xiàn)斷齒，裝載機(jī)作業(yè)區(qū)域較廣且分散，若出現(xiàn)齒輪故障，其維修成本較大，售后費(fèi)用較大，因此故障改進(jìn)對(duì)公司的效益提升有重要意義。

1 故障現(xiàn)象及分析

輪邊齒輪故障主要表現(xiàn)在行星輪、太陽(yáng)輪斷齒，具體如圖1。

圖1 輪邊齒輪故障現(xiàn)象

故障分析：通過(guò)分析故障件齒輪材料、熱處理及其金相組織未發(fā)現(xiàn)有異?，F(xiàn)象，從故障照片可發(fā)現(xiàn)，齒斷裂均發(fā)生在齒根部位，分析原因?yàn)辇X根彎曲強(qiáng)度不足，在遇到重載工況時(shí)在齒根部位形成微裂紋，最終齒輪斷裂。

2 改進(jìn)措施

根據(jù)故障圖片分析，故障主要因齒輪彎曲強(qiáng)度不能滿足重載工況的要求，經(jīng)分析，在不改變齒輪安裝尺寸前提下提升齒輪彎曲強(qiáng)度方法有：（1）采用性能更優(yōu)的齒輪材質(zhì)；（2）增大齒輪的壓力角；（3）優(yōu)化齒輪加工工藝參數(shù)，提高齒面和齒根部粗糙度；（4）優(yōu)化齒輪加工刀具參數(shù)，設(shè)計(jì)非標(biāo)滾刀，采用單圓弧滾刀加工。

根據(jù)以上方案，分析如下：（1）目前輪邊齒輪材料采用20CrMnTi，若選用更好材料，如22CrMo、20CrNi3 時(shí)，成本增加很多且改進(jìn)效果不明顯；（2）目前齒輪采用20°壓力角，ZF 部分工程驅(qū)動(dòng)橋采用24°壓力角，理論上壓力角增大可提高齒輪彎曲疲勞壽命，但是壓力角變化，齒輪整個(gè)參數(shù)需要重新設(shè)計(jì)，驗(yàn)證周期長(zhǎng)，暫不考慮；（3）優(yōu)化齒輪加工工藝參數(shù)，提高齒面和齒根粗糙度，可以避免前期齒輪形成微裂紋的風(fēng)險(xiǎn)，該方案可行。（4）目前輪邊行星輪和太陽(yáng)輪采用滾剃齒工藝，滾刀采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)普通滾刀采用雙圓弧設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)齒根圓角較小，按照0.2 的齒根圓角系數(shù)，在重型汽車為了增加齒輪強(qiáng)度，通常采用單圓弧滾刀設(shè)計(jì)。為此我司聯(lián)合刀具廠家進(jìn)行重新設(shè)計(jì)刀具，改進(jìn)前滾刀齒頂R 角R1.3，改進(jìn)后滾刀齒頂R 角3.893，用該滾刀加工可大大增大齒輪根部圓角，減小齒輪根部應(yīng)力。

圖2 改進(jìn)前滾刀齒形

圖3 改進(jìn)后滾刀齒形

行星輪齒根圓角增大時(shí)還要考慮與其嚙合的內(nèi)齒圈的齒根過(guò)渡曲線干涉問(wèn)題，解決該問(wèn)題可通過(guò)幾種方案解決：（1）采用瑞士Kisssoft 齒輪設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行干涉檢查，該軟件可將齒輪刀具參數(shù)輸入生成齒形，再通過(guò)干涉檢查模塊進(jìn)行分析檢查，為使齒輪正常粘合，保證重合度不小于1 的前提下，通過(guò)調(diào)整齒頂高系數(shù)，增大齒頂圓直徑，確保齒根過(guò)渡曲線不干涉，該方案直觀，通過(guò)軟件可從模型中檢查是否干涉；（2）應(yīng)用理論計(jì)算，確保齒輪重合度，增大內(nèi)齒圈齒頂圓直徑，避免輪邊齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)內(nèi)齒圈齒頂干涉到行星輪齒根過(guò)渡曲線，這種方法更簡(jiǎn)單，可直接計(jì)算結(jié)果。這里我們采用第二種方案。根據(jù)齒輪設(shè)計(jì)手冊(cè)，為保證內(nèi)嚙合傳動(dòng)為避免過(guò)渡曲線干涉，內(nèi)齒圈齒頂高根據(jù)如下公式計(jì)算：ha=（ha*-Δha*）m，式中Δ，經(jīng)計(jì)算Δha*=0.095，ha=（0.8-0.095）×6.5=4.5825，根據(jù)齒頂高計(jì)算公式，計(jì)算可得優(yōu)化后的內(nèi)齒圈齒頂高系數(shù)為0.7。

原輪邊總成齒輪參數(shù)：太陽(yáng)輪、行星輪、內(nèi)齒圈齒數(shù)分別為15、18、51。模數(shù)6.5，壓力角20，齒頂高系數(shù)均為0.8，齒根高系數(shù)1.1，行星輪和內(nèi)齒圈重合度1.56。優(yōu)化后內(nèi)齒圈齒頂高由0.8 更改為0.7，優(yōu)化后行星輪和內(nèi)齒圈重合度1.42。

為驗(yàn)證其改進(jìn)效果，利用ansysworkbench 有限元分析軟件進(jìn)行分析優(yōu)化前后的齒輪齒根應(yīng)力情況結(jié)果。模型生成后導(dǎo)入到ansysworkbench 進(jìn)行分析，工況條件按照太陽(yáng)輪輸入3000N.m。分析如下：

圖4 分析狀態(tài)

圖5 太陽(yáng)輪優(yōu)化前分析結(jié)果

圖6 行星輪優(yōu)化前分析結(jié)果

圖7 太陽(yáng)輪優(yōu)化后分析結(jié)果

圖8 行星輪優(yōu)化后分析結(jié)果

經(jīng)分析，優(yōu)化后太陽(yáng)輪齒根應(yīng)力下降9.3%，行星輪齒根彎曲應(yīng)力下降6.3%，實(shí)際應(yīng)用因齒根圓角粗糙度的提升，疲勞壽命提升25%以上，產(chǎn)品全部切換改進(jìn)后，經(jīng)過(guò)兩年多的市場(chǎng)驗(yàn)證，未發(fā)現(xiàn)一起因行星輪、太陽(yáng)輪引起的輪邊齒輪損壞故障，改進(jìn)效果明顯，現(xiàn)已針對(duì)驅(qū)動(dòng)橋齒輪進(jìn)行全部切換單圓弧齒根工藝。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了5 噸裝載機(jī)驅(qū)動(dòng)橋故障情況，通過(guò)充分分析其故障原因，從工藝、設(shè)計(jì)、過(guò)程控制等方面，針對(duì)差速器齒輪及輪邊減速器齒輪進(jìn)行故障改進(jìn)，改進(jìn)優(yōu)化后，改善明顯。