綜合傳動裝置匯流行星排改進研究

劉宇鍵， 陳 漫， 鄭長松， 侯 銳， 王 成

(1.北京理工大學(xué)機械與車輛學(xué)院，北京 100081；2.陸軍裝備部駐湘潭地區(qū)某軍事代表室，湘潭411100)

按照功率流劃分，傳動方式主要分為單流傳動和雙流傳動.雙流傳動中發(fā)動機的功率經(jīng)由直駛變速分路與轉(zhuǎn)向分路傳輸，兩路功率經(jīng)過分流機構(gòu)分流后處于并聯(lián)狀態(tài)[1].在該機構(gòu)中通常采用行星排進行匯流，因此稱之為匯流行星排.匯流行星排一旦出現(xiàn)嚴重問題，履帶車輛將無法按照預(yù)定軌跡進行行駛.但是匯流行星排問題發(fā)展階段，駕駛員很難通過車輛狀態(tài)判斷其工作狀態(tài).因此，提高匯流行星排的可靠性是傳動裝置可靠性提高的關(guān)鍵一環(huán)，對履帶車輛的安全性能具有重要意義.

國內(nèi)外學(xué)者對履帶車輛的行星傳動裝置進行了一定程度的研究.杜秀菊[2]通過ATV工具箱建立了仿真行星傳動裝置實驗平臺，并在此基礎(chǔ)之上獲取各行星裝置零件的動態(tài)載荷，由此進行疲勞壽命預(yù)測.陳漫[3]提出一種匯流行星排故障診斷方法，以Hilbert邊際譜提取出故障的特征值并對各種故障狀態(tài)以模糊識別方法進行分類，對匯流行星排可靠性的提高提供了監(jiān)測方法.MengXiangliang[4]通過搭建污染閾值測試平臺，研究潤滑油在不同的污染程度下行星輪的磨損和振動規(guī)律以及故障原因.上述學(xué)者分別從疲勞壽命、潤滑污染、在線監(jiān)測等方面對含有行星排的機構(gòu)進行了分析，但在綜合傳動裝置中，匯流行星排的失效不僅與其自身磨損有關(guān)，還受到整體結(jié)構(gòu)的影響，例如密封、安裝等設(shè)計都會導(dǎo)致故障發(fā)生，因此從匯流行星排整個機構(gòu)的角度進行可靠性分析具有重要意義.

本研究將從某型號綜合傳動裝置匯流行星排在使用中的失效情況進行分析，探究在工程應(yīng)用中的故障發(fā)生的原因，分析故障機理，在此基礎(chǔ)之上提出改進方案以提高裝置的可靠性，并對改進后的結(jié)構(gòu)進行試驗分析，為設(shè)計提供數(shù)值依據(jù).

1 綜合傳動裝置故障統(tǒng)計

綜合傳動裝置系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示.該裝置由蓋斯林格彈性聯(lián)軸器、變速機構(gòu)、左右匯流排、液壓轉(zhuǎn)向機構(gòu)、液壓系統(tǒng)及操縱電控系統(tǒng)等部件組成.

變速機構(gòu)由液力變矩器、前傳動、換擋離合器機構(gòu)和齒輪傳動等部件組成.在左右輸出匯流排上，通過彈性支撐與車體彈性聯(lián)接，減少車輛行駛過程中對動力傳動的振動沖擊[5].動力通過左右匯流排的齒套內(nèi)花鍵齒輪經(jīng)傳動半軸向車輛左右側(cè)減速器輸出.轉(zhuǎn)向泵經(jīng)過變速機構(gòu)的齒輪驅(qū)動，通過調(diào)節(jié)馬達的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過零軸及兩側(cè)的齒輪驅(qū)動兩側(cè)匯流排的太陽輪，與變速機構(gòu)驅(qū)動的匯流排齒圈匯流，實現(xiàn)左右兩側(cè)動力的差速輸出，實現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向功能.其中左右匯流排采用零差速式結(jié)構(gòu)，將直駛功率和轉(zhuǎn)向功率流匯流后輸出，配合直駛和轉(zhuǎn)向功率流，實現(xiàn)中心轉(zhuǎn)向和無級轉(zhuǎn)向[6].

圖1 綜合傳動裝置示意圖

通過對某型號綜合傳動裝置自定型試驗以來發(fā)生的故障進行收集整理，形成了各子系統(tǒng)故障發(fā)生頻次統(tǒng)計表，如表1所示.

表1 某型號綜合傳動裝置各子系統(tǒng)故障發(fā)生頻次統(tǒng)計表

匯流行星排在以往故障統(tǒng)計中總計18次，占整個故障的比例為28.57%.該故障主要是綜合傳動裝置返廠維修時發(fā)現(xiàn)和定型試驗分解鑒定時發(fā)現(xiàn).匯流行星排作為關(guān)鍵傳動裝置，承受載荷較大，運行過程中工況惡劣，在駕駛過程中發(fā)生故障的頻率較高；并且由于其匯流特性，在失效之前的問題很難進行識別.一旦發(fā)生故障，車輛難以按照預(yù)定軌跡直線行駛或轉(zhuǎn)向，對駕駛?cè)藛T的安全產(chǎn)生巨大威脅.

2 匯流行星排故障機理分析

從故障分析可見，匯流行星排的故障主要分為機械故障和密封故障兩類.其中機械故障主要集中在擋圈的早期磨損與滾針軸承的損壞，最終導(dǎo)致匯流行星排的燒蝕.

2.1 機械故障機理

圖2為匯流行星排結(jié)構(gòu).從故障機理來分析，滾針軸承的損壞主要原因來源于潤滑系統(tǒng)的油液污染以及行星排上幾個滾針軸承所受的徑向力不一致，亦即行星排的均載問題.而擋圈的磨損亦與潤滑和滾針軸承所受的徑向力所致.

圖2 匯流行星排結(jié)構(gòu)

綜合傳動裝置的行星排都為直齒傳動.行星齒輪分別和齒圈、太陽輪嚙合，理論上在傳遞力的過程中，行星齒輪不承受軸向力.但由于制造加工及裝配的影響，在使用過程中兩個擋圈承受軸向力，擋圈和與行星架、行星齒輪之間的裝配間隙，決定了擋圈和行星齒輪端部的潤滑狀況.目前擋圈的結(jié)構(gòu)為平面結(jié)構(gòu)，而擋圈與行星齒輪端面的配合間隙很小，致使?jié)L針腔內(nèi)的潤滑油液泄漏少，端面潤滑不充分，并且由于油液污染的影響，使得磨損顆粒在滾針腔內(nèi)淤積，影響滾針軸承的潤滑與散熱[7].

行星輪和行星輪軸之間通過滾針軸承進行連接，本裝置中4個行星輪軸平均分布在行星架上.動力從齒圈輸入，經(jīng)行星輪傳遞給滾針軸承，繼而傳遞給行星輪軸，最后由行星架輸出，而行星架通過滑動軸承與三軸浮動支撐連接，徑向載荷的非均勻力則由雙金屬軸承(滑動軸承)承受.行星輪軸之間如果沒有采取均載措施，載荷的分布會很不均勻，即使采取了一定的均載措施，在誤差等情況的影響下，行星輪間也會產(chǎn)生一定的不均勻載荷[8].載荷不均主要由制造誤差和安裝誤差導(dǎo)致，制造誤差主要包括太陽輪、行星架、行星輪和內(nèi)齒輪中心軸線的制造誤差，行星輪軸承和太陽輪軸承的內(nèi)孔軸線制造誤差以及齒厚誤差；安裝誤差主要包括太陽輪、行星架、行星輪和內(nèi)齒輪中心的安裝誤差[9].

2.2 密封故障機理

綜合傳動裝置的單側(cè)輸出端結(jié)構(gòu)如圖3所示.目前出現(xiàn)的油封漏油故障主要是在油封唇口和輸出軸套結(jié)合處.潤滑油液經(jīng)球軸承進入右側(cè)，在右側(cè)擋片的作用下，主要的潤滑油液經(jīng)球軸承左側(cè)回油，少量經(jīng)擋片外緣進入油封唇口處，并且由于箱內(nèi)有一定的壓力，在高速旋轉(zhuǎn)下，如果油封唇口處進入微小的外來顆粒，導(dǎo)致油封唇口損壞而密封不嚴，出現(xiàn)油封滲油現(xiàn)象；或者是油封唇口和輸出軸套的粗糙度不能按照圖紙保證，在高速旋轉(zhuǎn)下，粗糙的輸出軸套很容易破壞油封唇口，導(dǎo)致油封滲油.

圖3 綜合傳動輸出端結(jié)構(gòu)圖

3 匯流行星排改進研究

3.1 擋圈結(jié)構(gòu)改進

如圖2所示，針對擋圈與行星齒端面間隙很小而導(dǎo)致潤滑不充分的問題，進行如圖4所示的結(jié)構(gòu)改進.具體改進措施如下：

1)在保持擋圈厚度和徑向尺寸不變的條件下，改變擋圈端面結(jié)構(gòu)形狀.在擋圈端面上設(shè)置凹槽是綜合對比下最合適的方法.針對凹槽的數(shù)量、深度等變量與摩擦系數(shù)間的關(guān)系，將在第4章通過試驗驗證.

2)裝配后擋圈與框架側(cè)板、框架軸的間隙為0.1～0.2 mm，太陽輪和行星齒輪的嚙合間隙調(diào)整為0.15～0.25 mm，且相互之間的嚙合間隙的極限差值為0.05 mm，允許選配行星齒輪或太陽輪以保證間隙.調(diào)整后的間隙可以使得軸承內(nèi)的磨損顆粒跟隨潤滑油流到軸承外部，在一定程度上提高了軸承的可靠性.

3)將框架軸上安裝4個行星輪軸的安裝孔φ26 mm位置度提高0.015 mm.位置度的提高可以改善行星輪軸承上載荷不均的情況，將綜合傳動裝置中軸承的壽命進一步提高.

圖4 擋圈結(jié)構(gòu)

3.2 輸出端密封改進

油封滲油泄露的問題，主要原因是唇口密封處不嚴導(dǎo)致油液泄露與外部微小顆粒進入密封系統(tǒng)內(nèi)部.改進方案如圖5所示。具體改進措施如下：

1)改進擋油環(huán)結(jié)構(gòu)，直徑由原108 mm增加為109.5 mm，并在頂部增加60°倒角.擋油環(huán)直徑的增加減少了軸承潤滑油從此處向外部泄露的油量，降低油液從內(nèi)部向外滲透的風(fēng)險.

2)連接齒輪與油封接合部位處由原“鍍鉻，鉻層厚度(15～20)μm”改為“圓柱面要求橫向進給研磨，或做其它無向性處理”.油封由原“FB80×110×10”改為“FB80×120×12”，油封由原改性PTFE油封改為氫化丁晴橡膠油封.對結(jié)合處的表面處理和油封材料的更改可以降低唇口和軸套的摩擦系數(shù)，保證高速旋轉(zhuǎn)下軸套不會導(dǎo)致密封唇口的破壞.

3)軸承座在原設(shè)計基礎(chǔ)上增加回油槽結(jié)構(gòu).減少油液在軸承座和油封蓋附近油液的積累，使得油液可以順利地流回.

圖5 綜合傳動輸出端結(jié)構(gòu)改進對比圖

4 軸向擋圈摩擦特性試驗分析

軸向擋圈方案在進行改進之后，其摩擦特性和潤滑特性需要經(jīng)過試驗進行分析，從而確定安裝在綜合傳動箱內(nèi)部擋圈的凹槽數(shù)量與形狀.為探究在相同徑向?qū)挾取⒉蹖挶群筒凵畹那闆r下，油槽數(shù)量的變化對摩擦特性的影響,選用的油槽數(shù)量分別為0、2、4、8、12，試樣均為徑向直線槽、內(nèi)徑33 mm，外徑50 mm，槽寬比為0.3(無槽試樣除外)，槽深20 μm(無槽試樣除外)，試樣件如圖6所示.

圖6 不同槽數(shù)的軸向支承

試驗選用MMU-5微機控制電液伺服液壓缸執(zhí)行系統(tǒng)摩擦磨損試驗機，采用滑動摩擦形式，在可變潤滑條件下，實現(xiàn)環(huán)-環(huán)摩擦形式.如圖7(a)所示，試驗機由主軸及其驅(qū)動系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、摩擦副及力矩測量系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)及操作控制系統(tǒng)5部分組成.本試驗機能自動控制試驗加載力、轉(zhuǎn)速、加熱溫度，并進行實時跟蹤顯示[10].

圖7 MMU-5摩擦磨損試驗現(xiàn)場及試驗機主軸結(jié)構(gòu)

試驗施加軸向載荷為200 N，轉(zhuǎn)速范圍200～3 000 r/min.試驗得到5種不同槽數(shù)軸向支承摩擦系數(shù)的變化規(guī)律如圖8(a)所示.除無槽試樣外，其它4種試樣摩擦系數(shù)曲線均呈現(xiàn)較明顯的Stribeck曲線特征，即從低速到高速先后經(jīng)歷了混合潤滑和流體動力潤滑不同狀態(tài)；相同轉(zhuǎn)速下，隨著槽數(shù)的減少，摩擦系數(shù)變得越來越大，說明槽數(shù)越少摩擦損耗越大.圖8(b)是圖8(a)相同條件下的理論曲線.通過比較可知：試驗?zāi)Σ料禂?shù)隨轉(zhuǎn)速變化的總體規(guī)律趨勢和理論值變化趨勢有著較好的一致性，除了摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速升高而增大外，相同轉(zhuǎn)速下，也是槽數(shù)越少摩擦系數(shù)越大.圖9為不同槽數(shù)時的摩擦功率試驗值，圖中表明，試樣槽數(shù)越少，其摩擦損失越大.

圖8 不同槽數(shù)的軸向支承摩擦系數(shù)變化

圖9 不同槽數(shù)的軸向支撐摩擦功率損失

5 結(jié) 論

在綜合傳動裝置的定型和實際使用中，匯流行星排的故障率較高并占總故障的28.57%，主要分為機械故障和密封故障兩類.對匯流行星排中故障機理進行了理論分析，提出改進了方案，并對改進方案進行試驗分析與評估.主要結(jié)論如下：

1)擋圈與齒輪端面間隙過小引起的油液污染、載荷不均引起的滾針損壞以及密封不嚴是匯流行星排發(fā)生故障的主要原因.更改擋圈結(jié)構(gòu)、調(diào)整擋圈與齒端面的間隙、提高制造裝配精度可以有效解決油液污染與滾針損壞問題.增大擋油環(huán)直徑、改變結(jié)合處表面處理工藝、增設(shè)回油槽結(jié)構(gòu)可以有效改善密封問題.

2)通過摩擦磨損試驗機，對改進后的軸向擋圈的摩擦特性進行分析，相同轉(zhuǎn)速下，隨著槽數(shù)的減少，摩擦系數(shù)變得越來越大，說明槽數(shù)越少摩擦損耗越大.對于槽數(shù)的具體選擇需要根據(jù)軸向力去確定，而軸向方向上的力與載荷的均勻性等因素有關(guān)，具體關(guān)于槽數(shù)與形狀的設(shè)定會在后續(xù)進行.