某特種車輛的雙動力傳動箱總體結(jié)構(gòu)及超越離合器設(shè)計

韓濤，李澤強(qiáng)，高飛，李繼鋒

（1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039）

通用車輛的空調(diào)系統(tǒng)一般由發(fā)動機(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)工作，當(dāng)發(fā)動機(jī)停機(jī)時，空調(diào)系統(tǒng)將無法運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，為了保證在停車時空調(diào)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行，發(fā)動機(jī)應(yīng)保持怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，造成高油耗并污染環(huán)境。而一些特種車輛，如野外作業(yè)車、警用執(zhí)勤車等，要求停車情況下發(fā)動機(jī)仍需進(jìn)行工作，為滿足設(shè)備儀器對工作環(huán)境溫度的要求和工作人員的舒適性需求，采用了一種能夠自動切換動力的雙動力傳動箱，實現(xiàn)發(fā)動機(jī)停機(jī)后，空調(diào)系統(tǒng)可由電動機(jī)驅(qū)動進(jìn)行工作。針對某特種車輛工作中出現(xiàn)的雙動力傳動箱失效問題，進(jìn)行了故障分析、總體結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化、超越離合器結(jié)構(gòu)改進(jìn)以及試驗驗證，從而確保車載空調(diào)系統(tǒng)正常工作。

1 雙動力傳動箱結(jié)構(gòu)及故障分析

1.1 雙動力傳動箱功能

特種車輛空調(diào)系統(tǒng)雙動力傳動工作原理如圖1所示，傳動箱主要是實現(xiàn)發(fā)動機(jī)與電動機(jī)對壓縮機(jī)的動力傳遞及切換功能，發(fā)動機(jī)和電動機(jī)可單獨(dú)工作，驅(qū)動壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)工作。電動機(jī)可由發(fā)動機(jī)驅(qū)動，也可接外部電源。

圖1 雙動力傳動工作原理Fig.1 Working principle of dual-power transmission

1.2 傳動箱結(jié)構(gòu)

傳動箱結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由聯(lián)軸器、殼體、轉(zhuǎn)軸、從動輪、驅(qū)動輪、超越離合器及相關(guān)附件組成。其中從動輪帶有懸臂軸，驅(qū)動輪及組件安裝于其懸臂軸上，驅(qū)動輪和從動輪集成為帶輪總成。轉(zhuǎn)軸一端帶有花鍵，從動輪和驅(qū)動輪中各安裝一套結(jié)構(gòu)相同、安裝方向相反的外星輪式滾柱超越離合器，超越離合器1的內(nèi)圈帶花鍵與轉(zhuǎn)軸花鍵端聯(lián)接，超越離合器2的內(nèi)圈安裝在從動輪懸臂軸上，外星輪式滾柱超越離合器結(jié)構(gòu)如圖3所示，由外星輪、內(nèi)輪及15個滾柱和異形壓縮彈簧組成。

圖2 傳動箱結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of transmission device

圖3 外星輪式滾柱超越離合器Fig.3 Alien wheel roller overrunning clutch

工作時聯(lián)軸器與發(fā)動機(jī)相連接，驅(qū)動輪和從動輪分別通過皮帶輪與電動機(jī)和壓縮機(jī)連接。當(dāng)使用發(fā)動機(jī)驅(qū)動時，聯(lián)軸器帶動轉(zhuǎn)軸，超越離合器1接合驅(qū)動從動輪，從動輪通過皮帶驅(qū)動壓縮機(jī)進(jìn)行工作，此時超越離合器2處于超越狀態(tài)，不傳遞動力，驅(qū)動輪不隨動。

當(dāng)發(fā)動機(jī)停止工作使用電動機(jī)驅(qū)動時，驅(qū)動輪中的超越離合器2接合并帶動從動輪，從而驅(qū)動壓縮機(jī)進(jìn)行工作，此時從動輪的超越離合器1處于超越狀態(tài)，不傳遞動力。

1.3 故障模式

在傳動箱隨車試驗過程中，產(chǎn)生如下故障：

1）在發(fā)動機(jī)驅(qū)動時，從動輪沒有轉(zhuǎn)動，即從動輪未能正常傳遞動力驅(qū)動壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；

2）傳動箱中帶輪總成在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中發(fā)生晃動現(xiàn)象。

1.4 原因分析

通過對傳動箱進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)從動輪超越離合器1中多數(shù)彈簧發(fā)生嚴(yán)重壓縮并斷裂、外星輪個別過梁出現(xiàn)斷裂及轉(zhuǎn)軸花鍵發(fā)生壓潰現(xiàn)象。超越離合器1中彈簧、外星輪及轉(zhuǎn)軸花鍵壓潰失效狀態(tài)分別如圖4～圖6所示。

圖4 彈簧扭曲變形或斷裂Fig.4 Spring deformation or fracture

圖5 外星輪失效狀態(tài)Fig.5 Alien wheel failure state

圖6 轉(zhuǎn)軸花鍵壓潰失效狀態(tài)Fig.6 The splines on the shaft failure by crushing

經(jīng)分析，導(dǎo)致上述現(xiàn)象的主要原因有：

1）傳動箱在發(fā)動機(jī)驅(qū)動的啟停瞬間存在極大的慣性沖擊，尤其是發(fā)動機(jī)停機(jī)瞬間，帶輪在慣性力下仍會保持旋轉(zhuǎn)，此時超越離合器中的滾柱對彈簧的瞬間沖擊很大，在頻繁的慣性力沖擊下，彈簧發(fā)生塑性變形和疲勞，最終導(dǎo)致彈簧斷裂失效；

2）當(dāng)彈簧失效后，滾柱在慣性力作用下會直接沖擊外星輪的過梁，致使其發(fā)生斷裂，最終造成超越離合器1完全失效，導(dǎo)致從動輪未能正常傳遞動力；

3）由于帶輪總成與轉(zhuǎn)軸通過花鍵聯(lián)接，其處于懸臂狀態(tài)，皮帶對帶輪的徑向拉力會在轉(zhuǎn)軸的花鍵部分產(chǎn)生彎矩，彎矩產(chǎn)生的支反力會在花鍵齒頂面產(chǎn)生較大壓應(yīng)力，從動輪中支承軸承與轉(zhuǎn)軸花鍵的接觸面積較小，帶輪總成在發(fā)動機(jī)驅(qū)動下進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)產(chǎn)生的振動由支承軸承傳遞到花鍵，由于軸承內(nèi)圈的硬度比花鍵高，長時間的沖擊振動會造成花鍵產(chǎn)生塑性變形，配合間隙增大，支承軸承無法準(zhǔn)確定位，從而造成帶輪總成出現(xiàn)晃動。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與分析

為解決傳動箱在使用過程中出現(xiàn)的故障，提高可靠性，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 總體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

主要從以下2方面對總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)：

1）將帶輪總成的懸臂結(jié)構(gòu)改為2個帶輪同聯(lián)軸器安裝在同一個轉(zhuǎn)軸上，聯(lián)軸器與驅(qū)動輪通過超越離合器與轉(zhuǎn)軸連接，從動輪通過對稱的雙平鍵與轉(zhuǎn)軸連接，使得總體結(jié)構(gòu)更加簡單緊湊，同時便于安裝和拆卸；

2）傳動箱中超越離合器和支承軸承的結(jié)構(gòu)部分均設(shè)計了注脂孔，便于對離合器和軸承進(jìn)行定期的維護(hù)保養(yǎng)，提高了傳動箱的使用壽命。

改進(jìn)后的傳動箱結(jié)構(gòu)如圖7所示，主要由聯(lián)軸器、楔塊式超越離合器、殼體、轉(zhuǎn)軸、從動輪、驅(qū)動輪及相關(guān)附件組成。

圖7 優(yōu)化后的傳動箱結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of transmission device after optimizing

結(jié)構(gòu)改進(jìn)后傳動箱的工作原理：

1）當(dāng)使用發(fā)動機(jī)驅(qū)動時，聯(lián)軸器中的超越離合器1接合帶動轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸通過平鍵帶動從動輪，從動輪通過皮帶驅(qū)動壓縮機(jī)進(jìn)行制冷工作，此時驅(qū)動輪中的超越離合器2處于超越狀態(tài)不傳遞動力；

2）當(dāng)發(fā)動機(jī)停止工作使用電動機(jī)驅(qū)動時，驅(qū)動輪中的超越離合器2接合帶動轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸通過平鍵帶動從動輪，從動輪通過皮帶驅(qū)動壓縮機(jī)進(jìn)行工作，此時聯(lián)軸器中的超越離合器1處于超越狀態(tài)不傳遞動力。

實現(xiàn)了不需要手動操控，自動完成發(fā)動機(jī)與電動機(jī)的動力切換，且各驅(qū)動單獨(dú)運(yùn)行時不會產(chǎn)生相互干涉和能量損失，提高了傳動效率。

2.2 超越離合器結(jié)構(gòu)改進(jìn)與分析

該傳動箱主要通過2套方向相反的超越離合器來實現(xiàn)動力傳遞和切換功能，在該傳動箱中超越離合器起關(guān)鍵作用。

2.2.1 超越離合器結(jié)構(gòu)改進(jìn)

由于原結(jié)構(gòu)未考慮到?jīng)_擊載荷，造成外星輪式滾柱超越離合器發(fā)生過載沖擊失效。為滿足使用要求，設(shè)計了一種防翻轉(zhuǎn)型楔塊超越離合器，其結(jié)構(gòu)如圖8所示，由17個中凸型楔塊和1根彈簧組成，轉(zhuǎn)軸外徑作為內(nèi)滾道，聯(lián)軸器和驅(qū)動輪的內(nèi)孔作為外滾道使用，楔塊超越離合器主要參數(shù)見表1。

圖8 楔塊超越離合器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Structure of sprag overrunning clutch

表1 主要參數(shù)Tab.1 Main parameters

在內(nèi)、外滾道之間滿裝楔塊，每個楔塊中部設(shè)有通孔，由1根彈簧通過通孔串聯(lián)，彈簧首尾相連。楔塊兩側(cè)具有凸緣，凸緣在過載沖擊條件下使楔塊互相連接，形成一個不能翻轉(zhuǎn)的整體結(jié)構(gòu)，其傳遞扭矩大，可靠性高；內(nèi)外滾道均為圓柱面，工藝性好，適于批量生產(chǎn)，容易裝配。

2.2.2 自鎖條件驗證

楔塊離合器的楔合狀態(tài)要求楔塊鎖緊，達(dá)到該狀態(tài)的要求：1）不依賴外加壓力造成摩擦力而形成鎖緊狀態(tài)；2）在承受很大載荷時不會出現(xiàn)打滑［1-3］。

楔塊在楔合狀態(tài)下的受力示意圖如圖9所示，Ne，Ni分別為楔塊在外接觸點(diǎn)C和內(nèi)接觸點(diǎn)D處的徑向力；Fe，F(xiàn)i分別為楔塊在外接觸點(diǎn)C和內(nèi)接觸點(diǎn)D處楔塊受到的摩擦力。

圖9 受力示意圖Fig.9 Stress diagram

要使楔塊與滾道之間形成自鎖，必須保證楔塊在接觸點(diǎn)所受的切向力小于滾道能夠提供的最大靜摩擦力，在外滾道接觸點(diǎn)C處必須滿足 Netanα＜μN(yùn)e，即

式中：α為楔塊外楔角；μ為楔塊與滾道之間的摩擦因數(shù)。

同理，楔塊與內(nèi)環(huán)之間要滿足自鎖條件，即

式中：β為楔塊內(nèi)楔角。

楔塊與內(nèi)外滾道的接觸靜摩擦因數(shù)＝0.1～0.2，額定載荷下楔塊內(nèi)、外楔角分別為αn＝3.3°和βn＝2.3°，tanαn＝0.04，tanβn＝0.05均小于0.1，因此，超越離合器在額定載荷下滿足自鎖條件。

2.2.3 額定扭矩驗證分析

根據(jù)使用要求，傳動箱的傳動扭矩要求為T＝110 N·m，最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為1.5，故傳動箱的扭矩為

Tc＝1.5T＝165 N·m，

楔塊式超越離合器額定扭矩為［4］

式中：［σ］為許用接觸應(yīng)力；ν為材料泊松比；E為彈性模量。

額定扭矩Mt＞Tc，因此，超越離合器的額定扭矩滿足傳遞扭矩的使用要求。

而原外星輪式滾柱超越離合器的額定扭矩Mt1＝227 N·m，優(yōu)化后的超越離合器能夠傳遞更大的扭矩。

3 試驗驗證

為驗證優(yōu)化后超越離合器和傳動箱的功能，設(shè)計了傳動箱功能試驗臺，如圖10所示，將傳動箱固定在試驗臺底板上，通過切換發(fā)動機(jī)來模擬發(fā)動機(jī)和電動機(jī)，驗證傳動箱的旋向及運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

圖10 傳動箱功能試驗臺Fig.10 Function test device of transmission device

為驗證改進(jìn)后傳動箱帶負(fù)載的工作情況，在用戶廠家完成了傳動箱帶載試驗，試驗裝置如圖11所示，主要由空調(diào)系統(tǒng)、雙動力傳動箱及電動機(jī)組成。

圖11 傳動箱帶載試驗臺Fig.11 Load test device of transmission device

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的傳動箱進(jìn)行了2 000 km隨車試驗，試驗結(jié)果如下：

1）通過24 h的功能試驗，傳動箱旋向正確、切換靈活；

2）經(jīng)過48 h的帶載試驗，空調(diào)系統(tǒng)及傳動箱均運(yùn)行正常；

3）在隨車試驗過程中車輛空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行正常，發(fā)動機(jī)和電動機(jī)切換靈活，沒有出現(xiàn)異常情況。

4 結(jié)束語

通過對特種車輛空調(diào)雙動力傳動箱在使用過程中出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析，并對其總體結(jié)構(gòu)及超越離合器進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，消除了原結(jié)構(gòu)的故障隱患。對結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計后的傳動箱進(jìn)行了功能試驗及隨車試驗，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的傳動箱運(yùn)行良好，滿足使用要求。