劉宇鍵， 陳 漫， 鄭長(zhǎng)松， 侯 銳， 王 成

(1.北京理工大學(xué)機(jī)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(dòng)方式主要分為單流傳動(dòng)和雙流傳動(dòng).雙流傳動(dòng)中發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)構(gòu)分流后處于并聯(lián)狀態(tài)[1].在該機(jī)構(gòu)中通常采用行星排進(jìn)行匯流，因此稱之為匯流行星排.匯流行星排一旦出現(xiàn)嚴(yán)重問題，履帶車輛將無法按照預(yù)定軌跡進(jìn)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(dòng)裝置可靠性提高的關(guān)鍵一環(huán)，對(duì)履帶車輛的安全性能具有重要意義.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)履帶車輛的行星傳動(dòng)裝置進(jìn)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(dòng)裝置實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并在此基礎(chǔ)之上獲取各行星裝置零件的動(dòng)態(tài)載荷，由此進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè).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(duì)各種故障狀態(tài)以模糊識(shí)別方法進(jìn)行分類，對(duì)匯流行星排可靠性的提高提供了監(jiān)測(cè)方法.MengXiangliang[4]通過搭建污染閾值測(cè)試平臺(tái)，研究潤(rùn)滑油在不同的污染程度下行星輪的磨損和振動(dòng)規(guī)律以及故障原因.上述學(xué)者分別從疲勞壽命、潤(rùn)滑污染、在線監(jiān)測(cè)等方面對(duì)含有行星排的機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析，但在綜合傳動(dòng)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(jì)都會(huì)導(dǎo)致故障發(fā)生，因此從匯流行星排整個(gè)機(jī)構(gòu)的角度進(jìn)行可靠性分析具有重要意義.

本研究將從某型號(hào)綜合傳動(dòng)裝置匯流行星排在使用中的失效情況進(jìn)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(jī)理，在此基礎(chǔ)之上提出改進(jìn)方案以提高裝置的可靠性，并對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)分析，為設(shè)計(jì)提供數(shù)值依據(jù).

1 綜合傳動(dòng)裝置故障統(tǒng)計(jì)

綜合傳動(dòng)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(jī)構(gòu)、左右匯流排、液壓轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)及操縱電控系統(tǒng)等部件組成.

變速機(jī)構(gòu)由液力變矩器、前傳動(dòng)、換擋離合器機(jī)構(gòu)和齒輪傳動(dòng)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(duì)動(dòng)力傳動(dòng)的振動(dòng)沖擊[5].動(dòng)力通過左右匯流排的齒套內(nèi)花鍵齒輪經(jīng)傳動(dòng)半軸向車輛左右側(cè)減速器輸出.轉(zhuǎn)向泵經(jīng)過變速機(jī)構(gòu)的齒輪驅(qū)動(dòng)，通過調(diào)節(jié)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過零軸及兩側(cè)的齒輪驅(qū)動(dòng)兩側(cè)匯流排的太陽(yáng)輪，與變速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的匯流排齒圈匯流，實(shí)現(xiàn)左右兩側(cè)動(dòng)力的差速輸出，實(shí)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(shí)現(xiàn)中心轉(zhuǎn)向和無級(jí)轉(zhuǎn)向[6].

圖1 綜合傳動(dòng)裝置示意圖

通過對(duì)某型號(hào)綜合傳動(dòng)裝置自定型試驗(yàn)以來發(fā)生的故障進(jìn)行收集整理，形成了各子系統(tǒng)故障發(fā)生頻次統(tǒng)計(jì)表，如表1所示.

表1 某型號(hào)綜合傳動(dòng)裝置各子系統(tǒng)故障發(fā)生頻次統(tǒng)計(jì)表

匯流行星排在以往故障統(tǒng)計(jì)中總計(jì)18次，占整個(gè)故障的比例為28.57%.該故障主要是綜合傳動(dòng)裝置返廠維修時(shí)發(fā)現(xiàn)和定型試驗(yàn)分解鑒定時(shí)發(fā)現(xiàn).匯流行星排作為關(guān)鍵傳動(dòng)裝置，承受載荷較大，運(yùn)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(jìn)行識(shí)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(duì)駕駛?cè)藛T的安全產(chǎn)生巨大威脅.

2 匯流行星排故障機(jī)理分析

從故障分析可見，匯流行星排的故障主要分為機(jī)械故障和密封故障兩類.其中機(jī)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(jī)械故障機(jī)理

圖2為匯流行星排結(jié)構(gòu).從故障機(jī)理來分析，滾針軸承的損壞主要原因來源于潤(rùn)滑系統(tǒng)的油液污染以及行星排上幾個(gè)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(rùn)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(dòng)裝置的行星排都為直齒傳動(dòng).行星齒輪分別和齒圈、太陽(yáng)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(gè)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(rùn)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(rùn)滑油液泄漏少，端面潤(rùn)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(rùn)滑與散熱[7].

行星輪和行星輪軸之間通過滾針軸承進(jìn)行連接，本裝置中4個(gè)行星輪軸平均分布在行星架上.動(dòng)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(dòng)軸承與三軸浮動(dòng)支撐連接，徑向載荷的非均勻力則由雙金屬軸承(滑動(dòng)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(huì)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(huì)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(jī)理

綜合傳動(dòng)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(rùn)滑油液經(jīng)球軸承進(jìn)入右側(cè)，在右側(cè)擋片的作用下，主要的潤(rùn)滑油液經(jīng)球軸承左側(cè)回油，少量經(jīng)擋片外緣進(jìn)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(jìn)入微小的外來顆粒，導(dǎo)致油封唇口損壞而密封不嚴(yán)，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?qǐng)D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(dòng)輸出端結(jié)構(gòu)圖

3 匯流行星排改進(jìn)研究

3.1 擋圈結(jié)構(gòu)改進(jìn)

如圖2所示，針對(duì)擋圈與行星齒端面間隙很小而導(dǎo)致潤(rùn)滑不充分的問題，進(jìn)行如圖4所示的結(jié)構(gòu)改進(jìn).具體改進(jìn)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(duì)比下最合適的方法.針對(duì)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(yàn)驗(yàn)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(yáng)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(yáng)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(rùn)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(gè)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(dòng)裝置中軸承的壽命進(jìn)一步提高.

圖4 擋圈結(jié)構(gòu)

3.2 輸出端密封改進(jìn)

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

1)改進(jìn)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(rùn)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(xiǎn).

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(jìn)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(duì)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(huì)導(dǎo)致密封唇口的破壞.

3)軸承座在原設(shè)計(jì)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(dòng)輸出端結(jié)構(gòu)改進(jìn)對(duì)比圖

4 軸向擋圈摩擦特性試驗(yàn)分析

軸向擋圈方案在進(jìn)行改進(jìn)之后，其摩擦特性和潤(rùn)滑特性需要經(jīng)過試驗(yàn)進(jìn)行分析，從而確定安裝在綜合傳動(dòng)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(duì)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(yàn)選用MMU-5微機(jī)控制電液伺服液壓缸執(zhí)行系統(tǒng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，采用滑動(dòng)摩擦形式，在可變潤(rùn)滑條件下，實(shí)現(xiàn)環(huán)-環(huán)摩擦形式.如圖7(a)所示，試驗(yàn)機(jī)由主軸及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、摩擦副及力矩測(cè)量系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)及操作控制系統(tǒng)5部分組成.本試驗(yàn)機(jī)能自動(dòng)控制試驗(yàn)加載力、轉(zhuǎn)速、加熱溫度，并進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤顯示[10].

圖7 MMU-5摩擦磨損試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及試驗(yàn)機(jī)主軸結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)施加軸向載荷為200 N，轉(zhuǎn)速范圍200～3 000 r/min.試驗(yàn)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(rùn)滑和流體動(dòng)力潤(rùn)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(yàn)?zāi)Σ料禂?shù)隨轉(zhuǎn)速變化的總體規(guī)律趨勢(shì)和理論值變化趨勢(shì)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(shí)的摩擦功率試驗(yàn)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(dòng)裝置的定型和實(shí)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(jī)械故障和密封故障兩類.對(duì)匯流行星排中故障機(jī)理進(jìn)行了理論分析，提出改進(jìn)了方案，并對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行試驗(yàn)分析與評(píng)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(yán)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(yàn)機(jī)，對(duì)改進(jìn)后的軸向擋圈的摩擦特性進(jìn)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(duì)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(huì)在后續(xù)進(jìn)行.