劉志新

摘要：電動(dòng)叉車靠蓄電池作為能源輸入，因電池自身特性及容量的不同，最大限度地提高叉車的續(xù)航能力，提升各部件效率迫在眉睫。電動(dòng)叉車的能量消耗除了電機(jī)自身的發(fā)熱、起重系統(tǒng)中油液熱量產(chǎn)生的能量損失等，傳動(dòng)系統(tǒng)減速器的系統(tǒng)阻力不容忽視。本文基于對(duì)減速器系統(tǒng)阻力的主要影響因素分析，從齒輪、軸承、潤(rùn)滑等方面探討了降低系統(tǒng)阻力的解決方案。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)阻力;傳動(dòng)效率;減速器

1? 減速箱系統(tǒng)阻力的主要影響因素及分析

電動(dòng)叉車減速器用于牽引電機(jī)與驅(qū)動(dòng)橋之間，主要由殼體、齒輪、軸承、傳動(dòng)軸及密封件等構(gòu)成。減速器的作用是減速增扭，滿足車輛的行駛需求。

系統(tǒng)阻力直接決定傳動(dòng)效率，傳動(dòng)效率的影響主要體現(xiàn)在能量傳遞上，減速箱的傳動(dòng)效率越高，傳遞的能量損失的越少。電動(dòng)叉車減速器能量損失主要有軸承傳動(dòng)摩擦力矩?fù)p失和齒輪攪油帶來(lái)的摩擦損失。

1.1 軸承傳動(dòng)摩擦力矩?fù)p失

1.1.1 軸承傳動(dòng)摩擦力矩?fù)p失理論分析

軸承用以支撐定位回轉(zhuǎn)的軸類，被普遍應(yīng)用在各種機(jī)械傳動(dòng)中。軸承傳動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力矩，是考慮各種要素，對(duì)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)期間形成的阻力矩，影響了軸承的功率損耗、發(fā)熱量，最終決定軸承壽命。目前對(duì)軸承摩擦力矩的研究與分析，主要采取試驗(yàn)與理論相結(jié)合的方式，使用最普遍的是Harris TA經(jīng)驗(yàn)公式。

Harris TA的經(jīng)驗(yàn)公式分為兩部分：不受載荷影響的M0與受載荷影響的Ml。其中M0主要取決于軸承的類型、潤(rùn)滑劑的運(yùn)動(dòng)粘度及軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)速等因素，而Ml主要與軸承類型、所受載荷等有關(guān)。

1.1.2 影響軸承傳動(dòng)摩擦力矩?fù)p失主要因素

根據(jù)以上分析得知，軸承的摩擦力矩?fù)p失主要影響因素為軸承的類型、潤(rùn)滑劑的運(yùn)動(dòng)粘度、轉(zhuǎn)速及所受載荷等。

1.2 齒輪攪油損失

1.2.1 齒輪攪油損失理論分析

攪油損失，指齒輪及其附屬件，因浸油回轉(zhuǎn)，須擺脫油液的束縛，而出現(xiàn)的功率損耗。只要與潤(rùn)滑油發(fā)生接觸的回轉(zhuǎn)部件（如軸、齒輪等）就會(huì)存在攪油損失。

對(duì)其產(chǎn)生影響的因素主要有：油的運(yùn)動(dòng)粘度大小、轉(zhuǎn)速快慢、系統(tǒng)溫度高低、旋轉(zhuǎn)件尺寸及浸油深度等。一般來(lái)說(shuō)，功率損失跟隨齒輪轉(zhuǎn)速的提升、浸油深度的變大而變大。有關(guān)試驗(yàn)研究表示，齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，高速端產(chǎn)生的攪油損失幾乎能占據(jù)齒輪傳動(dòng)累計(jì)產(chǎn)生的總功率損失的一半左右。

1.2.2 影響齒輪攪油損失主要因素

由公式（7）可知，減速器攪油損失主要影響因素為潤(rùn)滑油的粘度v、攪油齒輪的分度圓直徑D和浸油因子fg，輸入轉(zhuǎn)速n對(duì)攪油損失也產(chǎn)生較大影響。

①潤(rùn)滑油粘度v。轉(zhuǎn)速n和溫度T保持不變，隨潤(rùn)滑油流動(dòng)粘度v的遞增，攪油損失P加大，進(jìn)而功率損失更多。

②齒輪的分度圓直徑D。由公式（7）可得，當(dāng)其它因素一定時(shí)，分度圓直徑D越大，攪油損失越大。

③浸油因子fg。浸油因子fg范圍在0-1之間，其計(jì)算公式為：

式中，d為旋轉(zhuǎn)齒輪的齒頂徑，h為齒輪的浸油深度。

由計(jì)算公式（8）得知，對(duì)于同一個(gè)齒輪，浸油深度h越大，浸油因子fg越大，攪油產(chǎn)生的損失越大，進(jìn)而產(chǎn)生的功率損失更多。

2? 減速器優(yōu)化設(shè)計(jì)

本節(jié)將對(duì)影響減速器傳動(dòng)效率的主要原因-軸承摩擦損失、齒輪攪油損失兩方面優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 軸承摩擦損失優(yōu)化設(shè)計(jì)

軸承摩擦損失指軸承工作時(shí)，滾子和內(nèi)外圈軌道、滾子和保持器之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦而引起的損失。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮安裝軸的轉(zhuǎn)速、受力情況及載荷性質(zhì)，合理選擇軸承的類型。

2.1.1 軸承的降阻優(yōu)化

因電動(dòng)叉車對(duì)噪聲要求較高，減速器的齒輪通常采用斜齒輪，其傳動(dòng)更平穩(wěn)。而斜齒輪因存在螺旋角，在動(dòng)力傳遞時(shí)會(huì)有軸向力存在，通常采用圓錐滾子軸承承。因圓錐滾子軸承使用特性要保證合理的軸承負(fù)游隙，即適當(dāng)預(yù)緊使軸承承載角擴(kuò)大，有更多的滾子參與承載，最大接觸應(yīng)力減小，能夠提高軸承壽命。但是這樣會(huì)使系統(tǒng)的啟動(dòng)摩擦力矩增加。

分析滾動(dòng)軸承的使用特點(diǎn)，一般的向心球軸承，使用時(shí)通常不用調(diào)整軸向游隙，僅作軸向固定，四點(diǎn)接觸球軸承就是其中之一。四點(diǎn)接觸球軸承能一并承擔(dān)軸向和徑向的合成負(fù)荷，還能承擔(dān)雙向軸向負(fù)荷，對(duì)雙向位移給予定位，允許轉(zhuǎn)速非常高且軸向位移小。采用四點(diǎn)接觸球軸承來(lái)替代圓錐滾子軸承，可以減少軸承摩擦損失。

2.1.2 軸承的摩擦損失計(jì)算

下面以圓錐滾子軸承32915與四點(diǎn)接觸球軸承6215為例理論分析。

四點(diǎn)接觸球軸承的當(dāng)量載荷P0，計(jì)算公式為：

P0=Fr+0.58Fa? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（9）

四點(diǎn)接觸球軸承摩擦系數(shù)f1，計(jì)算公式為：

f1=0.001（P0/C0）0.33? ? ? ? ? ? ? ? ? （10）

式中，C0為額定靜載荷。

根據(jù)Harris TA經(jīng)驗(yàn)公式見(jiàn)式（1）～式（6），并結(jié)合公式（9）與式（10）粗略計(jì)算結(jié)果如表1。相關(guān)系數(shù)的選取可查閱軸承手冊(cè)。

根據(jù)表1，從軸承選型上可以降低摩擦功率損失，因此對(duì)于同樣的使用工況，潤(rùn)滑劑類型、載荷已定，軸承的選型方面可以有降阻的空間。

2.2 攪油損失優(yōu)化設(shè)計(jì)

減速器攪油損失的影響要素主要有油的流動(dòng)粘度v、齒輪的分度圓直徑D和浸油因子fg。潤(rùn)滑油粘度和浸油因子的改善主要在潤(rùn)滑油油品和油量方面，對(duì)于齒輪分度圓直徑方面，對(duì)旋轉(zhuǎn)件進(jìn)行輕量化、小型化設(shè)計(jì)，以達(dá)到減速攪油損失的目的。

2.2.1 潤(rùn)滑油油品類型及油量?jī)?yōu)化

叉車減速器通常選用重載車輛齒輪油潤(rùn)滑，相當(dāng)于美國(guó)API的GL-5。選擇潤(rùn)滑油要考慮齒輪類型、負(fù)載、最低工作溫度及系統(tǒng)運(yùn)行最高溫度等，在滿足粘度要求的前提下，盡量選擇粘度牌號(hào)低的潤(rùn)滑油，粘度牌號(hào)過(guò)高會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)阻力大。

不同牌號(hào)的潤(rùn)滑油油品類型及特性不同，粘度較大的油品，其油液中的磨粒懸浮在油液中，不僅容易造成齒輪的齒面磨粒磨損，同時(shí)油液粘度過(guò)大，齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)攪油的阻力會(huì)變大，導(dǎo)致摩擦生熱，而使功率消耗相應(yīng)增加，進(jìn)而使傳動(dòng)的效率降低，一般情況，每當(dāng)油品的粘度等級(jí)增加一個(gè)型號(hào)，因其產(chǎn)生的能耗就會(huì)相繼增加約1-5%不等，因此合理選擇潤(rùn)滑油的類型對(duì)提升傳動(dòng)效率有重要的意義。

油量的選擇也會(huì)影響到攪油阻力。油量多時(shí)，齒輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)大量油液會(huì)不停地?cái)噭?dòng)，增加齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的扭矩，同時(shí)還伴有熱量產(chǎn)生，使傳動(dòng)系統(tǒng)的效率降低。

2.2.2 小型化設(shè)計(jì)

從攪油損失影響因素可知，齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)攪油產(chǎn)生的損失與其分度圓直徑D呈正比關(guān)系，所以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)盡量減小旋轉(zhuǎn)件的尺寸，減小攪油損失。

3? 結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)減速器的系統(tǒng)阻力進(jìn)行了理論研究分析，對(duì)傳動(dòng)效率提升提供參考意見(jiàn)。首先分析了影響系統(tǒng)阻力的主要因素，并從軸承摩擦力矩?fù)p失、齒輪攪油損失兩方面研究并優(yōu)化。軸承方面，軸承的摩擦力矩?fù)p失主要影響因素為軸承的類型、潤(rùn)滑劑的運(yùn)動(dòng)粘度、轉(zhuǎn)速及所受載荷等，對(duì)于同樣的使用工況，轉(zhuǎn)速、載荷已定，可以從軸承的選型與潤(rùn)滑劑類型方面降阻設(shè)計(jì)。

齒輪攪油損失方面，主要對(duì)潤(rùn)滑油加注油量、油品粘度、旋轉(zhuǎn)件尺寸提供降阻優(yōu)化方案，在滿足使用要求的前提下，盡可能選擇粘度牌號(hào)低的潤(rùn)滑油、選擇合理的加注油量，并且建議產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行小型化、輕量化設(shè)計(jì)，可減少不必要的能量損失。

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