楊昊東，任富強(qiáng)，劉 斌，楊軍寶，魏理林

(1.蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050) (2.青海華鼎齒輪箱有限責(zé)任公司，青海 西寧 810016)

行星傳動(dòng)作為機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中的減速或增速的主要傳動(dòng)形式，因具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比大、承載能力強(qiáng)、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、礦山設(shè)備、機(jī)器人和武器裝備等領(lǐng)域。行星輪軸承是承受最大載荷的構(gòu)件，用來(lái)支撐行星輪在公轉(zhuǎn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)。

傳統(tǒng)的行星輪支撐結(jié)構(gòu)主要分為采用滾動(dòng)軸承的行星輪支撐結(jié)構(gòu)[1]和采用滑動(dòng)軸承的行星輪支撐結(jié)構(gòu)。其中，采用滾動(dòng)軸承的行星輪支撐結(jié)構(gòu)中所用的滾動(dòng)軸承主要有雙列調(diào)心滾子軸承、角接觸球軸承、雙列圓錐滾子軸承和滾針軸承。這種支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是較大的支撐間距能夠減小由軸承徑向游隙引起的行星輪的偏斜角；缺點(diǎn)是整個(gè)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，軸向尺寸有所增大。采用滑動(dòng)軸承的行星輪支撐結(jié)構(gòu)中，滑動(dòng)軸承[2]具有較強(qiáng)的抗沖擊和振動(dòng)的能力，工作較平穩(wěn)，徑向尺寸較小，制造容易、安裝方便；缺點(diǎn)是啟動(dòng)摩擦力矩較大，非液體摩擦滑動(dòng)軸承的摩擦損失較大，軸向尺寸也較大。

馬福文等[3]設(shè)計(jì)了一種行星輪內(nèi)孔與行星軸直接配合的新型行星傳動(dòng)裝置，省略了滾動(dòng)體，使行星輪的內(nèi)圈與行星輪軸的外圈直接接觸，由線接觸摩擦變?yōu)槊娼佑|摩擦。王慧[4]提出了一種用于風(fēng)電齒輪箱的無(wú)外圈集成圓柱滾子軸承方案，行星輪的內(nèi)圓柱面作為圓柱滾子軸承的外圈，提升了整個(gè)行星輪系統(tǒng)的剛度。通過(guò)比較以上的方案發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)有行星減速器中行星輪軸承軸向和徑向尺寸都大，不適用空間受限的高空救援車回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)行星減速器中。因此，本文提出了一種新的行星輪軸承一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

1 行星輪軸承一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

作為高空救援車回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的重要組成部分，為了盡可能減小回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的有效尺寸，在不影響傳動(dòng)性能和滿足軸承承載能力的要求下，通過(guò)減小行星輪軸承徑向尺寸能夠最大限度地減小裝置的體積，因此本文設(shè)計(jì)了一種特殊的行星輪軸承一體化結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 行星輪軸承一體化結(jié)構(gòu)示意圖

具體結(jié)構(gòu)為：行星輪的內(nèi)圓柱面作為軸承的外滾道，行星輪軸的外圓柱面作為軸承的內(nèi)滾道，采用滿滾子的排列形式，省去了保持架。采用止推墊對(duì)圓柱滾子進(jìn)行軸向定位，同時(shí)起到密封的作用。行星輪軸左端設(shè)計(jì)出一個(gè)軸肩與行星架的孔相配合，用于左端定位；右端使用卡簧實(shí)現(xiàn)行星輪軸的軸向定位。

1.2 圓柱滾子設(shè)計(jì)

圓柱滾子是軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)承受負(fù)載的元件，支撐著行星軸和行星輪，是軸承中最薄弱的部分，因此圓柱滾子的制造精度和質(zhì)量對(duì)軸承的性能有很大的影響。

研究表明[5]，滾動(dòng)軸承的接觸應(yīng)力狀況對(duì)其壽命有很大的影響，接觸應(yīng)力大小與疲勞壽命呈反比關(guān)系，因此“邊緣效應(yīng)”產(chǎn)生的邊界應(yīng)力集中使得滾動(dòng)軸承滾子兩端出現(xiàn)早期的疲勞失效，降低滾動(dòng)軸承的使用壽命[6]。為了降低滾動(dòng)體邊緣應(yīng)力集中的影響，滾子邊緣選用對(duì)數(shù)曲線凸型[7]，如圖2所示，中間部分為直線，邊角為對(duì)數(shù)曲線，使?jié)L子接觸應(yīng)力分布合理。

此行星輪軸承采用滿滾子結(jié)構(gòu)，圓柱滾子均勻分布在行星輪軸外圓柱面，如圖3所示，總共23個(gè)。

圖2 對(duì)數(shù)曲線凸型的滾子結(jié)構(gòu) 圖3 圓柱滾子徑向分布圖

在加工工藝方面，考慮到與常見(jiàn)的軸承不同，此行星輪軸承內(nèi)圈(行星軸)不轉(zhuǎn)動(dòng)，外圈(行星輪)轉(zhuǎn)動(dòng)，因此會(huì)加劇圓柱滾子磨損，為滿足行星輪軸承承載能力強(qiáng)、傳動(dòng)精度高等要求，滾子材料選擇GCr15鋼，接觸表面做滲碳淬火處理，硬度HRC 58～63，滾子精度需達(dá)到Ⅱ級(jí)滾子的加工要求[8]。圓柱滾子接觸表面粗糙度Ra≤0.16 μm，端面粗糙度Ra≤0.25 μm，圓度誤差小于0.5 μm。

1.3 行星輪設(shè)計(jì)

行星齒輪不僅能夠繞行星齒輪軸自轉(zhuǎn)，而且能隨著行星架繞太陽(yáng)輪的軸線公轉(zhuǎn)。本文設(shè)計(jì)的行星輪如圖4所示，該行星輪不僅可以傳遞扭矩，而且其內(nèi)圓柱面作為行星軸承的外圈，可以支撐和引導(dǎo)圓柱滾子旋轉(zhuǎn)，減小運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦力，并保證旋轉(zhuǎn)精度。

圖4 行星輪結(jié)構(gòu)圖

行星輪內(nèi)圓柱面作為行星輪軸承的外圈，其加工工藝和精度對(duì)減速器的高效、安全運(yùn)行至關(guān)重要。行星輪材質(zhì)為20Cr2Ni4A，接觸表面滲碳淬火，接觸面硬度為HRC 58～62。接觸表面粗糙度Ra≤0.4 μm，波紋度不小于5，圓柱度誤差小于0.5 μm。為借助止推墊做軸向固定，端面的技術(shù)要求需滿足：粗糙度Ra≤0.4 μm，端面跳動(dòng)不大于0.01 μm。為了減小3個(gè)行星輪之間的尺寸差異，必須將同一個(gè)行星輪系中3個(gè)行星輪組合起來(lái)同時(shí)加工。

該行星輪設(shè)計(jì)了3個(gè)均勻分布的導(dǎo)油孔，如圖3所示。此導(dǎo)油孔從齒根處通向行星輪孔壁，潤(rùn)滑時(shí)，為了潤(rùn)滑油的流入順暢，不產(chǎn)生阻塞，鉆孔后需要進(jìn)行磨孔處理，使其形成渦狀結(jié)構(gòu)，以達(dá)到修形的效果。

導(dǎo)油孔工作原理：行星輪在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，會(huì)帶動(dòng)減速器齒輪箱中的潤(rùn)滑油通過(guò)導(dǎo)油孔到達(dá)圓柱滾子，起到潤(rùn)滑行星輪軸承的作用。圓柱滾子兩側(cè)的止推墊可以防止?jié)櫥蛷膱A柱滾子的軸向流出，起到密封的作用，確保圓柱滾子在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中有足夠的潤(rùn)滑油。

1.4 行星輪軸設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的行星輪軸如圖5所示，此行星輪軸被固定在行星架上傳遞扭矩，并且其外圓柱面被用作行星軸承的內(nèi)圈，以支撐圓柱滾子的旋轉(zhuǎn)，從而減小了旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的摩擦力，并確保了其旋轉(zhuǎn)精度。

圖5 行星輪軸結(jié)構(gòu)圖

行星輪軸外圓柱面作為該特殊行星軸承的內(nèi)圈，其工藝過(guò)程與加工精度對(duì)減速器的高效安全運(yùn)行至關(guān)重要。行星輪軸材料采用20CrMnMo，接觸表面滲碳淬火，接觸面硬度HRC 58～62；接觸表面粗糙度Ra≤0.4 μm，端面跳動(dòng)小于0.01 μm。行星輪軸表面波紋度不小于5，圓柱度誤差小于0.5 μm。

1.5 加工工藝對(duì)比

本文設(shè)計(jì)的行星輪軸承在實(shí)際加工過(guò)程中，對(duì)行星輪齒面、行星輪內(nèi)圓柱孔面和行星輪軸外圓柱面采用局部淬火的熱處理方式，比常規(guī)的軸承加工工藝要求更高，因此具有較高的精度和可靠性。

2 軸承壽命計(jì)算

研究表明[9]，內(nèi)外圈和滾動(dòng)體表面的疲勞點(diǎn)蝕是滾動(dòng)軸承最基本和常見(jiàn)的失效形式之一，也是計(jì)算滾動(dòng)軸承壽命的依據(jù)。滾動(dòng)軸承的壽命是指軸承的滾動(dòng)體或內(nèi)外圈首次出現(xiàn)點(diǎn)蝕之前相對(duì)應(yīng)的工作時(shí)間，以軸承的轉(zhuǎn)數(shù)或相應(yīng)的運(yùn)轉(zhuǎn)小時(shí)數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

本文設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的原型為圓柱滾子軸承，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的創(chuàng)新設(shè)計(jì)為：去除保持架，采用滿滾子結(jié)構(gòu)。由于圓柱滾子直徑較小，因此在軸承的壽命校核中，將其看作滾針軸承進(jìn)行計(jì)算。

滾動(dòng)軸承壽命Lh的計(jì)算公式為[5]：

(1)

研究表明，影響滾動(dòng)軸承壽命的因素有很多，最主要的影響因素有可靠性、材料、潤(rùn)滑、清潔度、溫度和載荷。為了更好反映各種影響因素對(duì)軸承壽命的影響，將影響因素轉(zhuǎn)化為實(shí)際參數(shù)引入軸承壽命計(jì)算公式，建立軸承壽命的計(jì)算模型[5]。使計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工況基本一致，改進(jìn)的軸承壽命計(jì)算公式為[5]：

(2)

式中：A1為失效概率系數(shù)；A2為材料系數(shù)；A3L為潤(rùn)滑系數(shù)；A3K為游隙，即負(fù)荷系數(shù)；A4為清潔系數(shù)；fT為溫度系數(shù)。

1)影響因素參數(shù)選取。

①失效概率系數(shù)A1。

標(biāo)準(zhǔn)軸承的額定壽命指標(biāo)可靠性為90%，此時(shí)對(duì)應(yīng)的系數(shù)值是A1=1，調(diào)整后的A1為：

(3)

式中：R為軸承可靠度；a,b為修正系數(shù)。

R取85%，同時(shí)取a= 4.482 8,b= 3/2，經(jīng)計(jì)算得A1=12.698 6。

②材料系數(shù)A2。

材料系數(shù)A2與材料的性能、成分、潔凈度、熔煉方法及其熱處理質(zhì)量有關(guān)。由于滾子進(jìn)行了滲碳淬火處理，因此取A2=0.8。

③負(fù)荷系數(shù)A3K。

游隙，即負(fù)荷系數(shù)，是滾動(dòng)軸承配合的重要技術(shù)參數(shù)，它直接影響軸承的載荷分布、振動(dòng)、噪聲、磨損、溫升、使用壽命和機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)精度等技術(shù)性能。查表得A3K=0.67。

④潤(rùn)滑系數(shù)A3L。

潤(rùn)滑系數(shù)主要由油膜厚度和表面粗糙度決定，查表[5]得A3L=1.63。

⑤清潔系數(shù)A4。

圓柱滾子軸承耐久試驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)了顆粒污染對(duì)軸承疲勞壽命的影響。良好的潤(rùn)滑劑過(guò)濾可以顯著地延長(zhǎng)壽命，但過(guò)濾水平小于3 μm后對(duì)壽命的改進(jìn)就不再顯著，即存在一個(gè)過(guò)濾極限。

查表[5]得A4=1.012。

⑥溫度系數(shù)fT。

軸承一般均在工作溫度低于120 ℃的條件下使用，對(duì)于工作溫度高于120 ℃的軸承需引入溫度系數(shù)。因?yàn)樵摍C(jī)構(gòu)在常溫下運(yùn)行，所以取溫度系數(shù)fT=1。

2)當(dāng)量動(dòng)載荷和基本額定動(dòng)載荷的確定。

行星輪傳動(dòng)中，為了確定各構(gòu)件上所受的作用力和轉(zhuǎn)矩，需要從運(yùn)動(dòng)輸入件開(kāi)始進(jìn)行受力分析[1]。已知中心輪所傳遞的輸入轉(zhuǎn)矩Ta=300 N·m，行星輪數(shù)目np=3，則行星輪上所承受的輸入轉(zhuǎn)矩T1為：

(4)

經(jīng)計(jì)算得T1=100 N·m。

直齒圓柱齒輪的切向力Ft為：

(5)

直齒圓柱齒輪徑向力Fr為：

Fr=Fttanα

(6)

式中：d1為齒輪分度圓直徑；α為分度圓壓力角。

已知d1=36.75 mm，α=20°。經(jīng)計(jì)算得齒輪徑向力Fr=1 980.79 N，即滾動(dòng)軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷P=Fr=1 980.79 N，經(jīng)查表得，滾動(dòng)軸承的基本額定動(dòng)載荷C=8.512 kN。

將以上參數(shù)代入式(2)，計(jì)算得到軸承的壽命Lh=150 890.37 h，能夠滿足回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器的使用需求。

3 實(shí)例應(yīng)用

本文設(shè)計(jì)的行星輪軸承結(jié)構(gòu)已在高空救援回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器行星傳動(dòng)中使用，年產(chǎn)2 000臺(tái)，都已交付用戶使用。從用戶反饋可知，現(xiàn)階段該機(jī)構(gòu)運(yùn)行良好，無(wú)故障發(fā)生，說(shuō)明該設(shè)計(jì)方案獲得成功，可在類似工況的機(jī)械設(shè)備中使用。

相比于傳統(tǒng)軸承結(jié)構(gòu)，此行星輪軸承一體化機(jī)構(gòu)的加工制造成本略微有所提升，但其具有裝配簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，可適用于體積受限的工作環(huán)境中。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的新型行星軸承一體化機(jī)構(gòu)傳動(dòng)裝置，行星輪的內(nèi)圓柱面作為行星軸承的外圈，行星輪軸兼具軸及軸承的功能，能夠傳遞較大扭矩。該裝置減小了行星傳動(dòng)裝置的體積，提高了功率密度比，擴(kuò)大了回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的適用范圍。工程實(shí)踐表明：這種新的設(shè)計(jì)方案適用于低速和尺寸受限的高空救援車回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器，具有較高的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。