一種新型的負(fù)載換擋機(jī)構(gòu)—行星齒輪增扭器

盧彥峰 劉 娟

（陜西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 寶雞 721001）

引言

煤礦井下常發(fā)生煤塵、瓦斯爆炸、火災(zāi)、透水與冒頂?shù)葹?zāi)害，以瓦斯爆炸最為常見，危害亦最大，這極大地凸顯了煤礦井下安全運(yùn)輸?shù)闹匾?。長(zhǎng)期以來，我國(guó)一直對(duì)煤炭工業(yè)的持續(xù)發(fā)展給予高度重視，致力于生產(chǎn)技術(shù)水平的提高以及安全生產(chǎn)的加強(qiáng)。而煤礦井下車輛由于工作環(huán)境惡劣，對(duì)車輛的動(dòng)力性能提出了更高的要求[1]。隨著礦井輔助運(yùn)輸技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，一種在巷道底板上運(yùn)行的專業(yè)運(yùn)輸工具——防爆無軌膠輪車以高效能、多用途與機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)[2]逐漸在煤礦工業(yè)，尤其是大型煤礦集團(tuán)中得到普及。防爆膠輪車可做到舉升自卸，極其適用于矸石與散裝物料，與一些低污染車輛相較，該車還具有安全防爆，爬坡力強(qiáng)，牽引力大及適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，故大規(guī)模應(yīng)用于井下作業(yè)的運(yùn)輸。

膠輪車整車由兩部分組成：牽引車（前部）與承載車（后部），兩部分由機(jī)架鉸接系統(tǒng)連接為一個(gè)整體。膠輪車動(dòng)力源通常采用柴油機(jī)或蓄電池，另外，還存在較少的拖電纜膠輪車（梭車），以柴油機(jī)為動(dòng)力源的膠輪車在全部膠輪車總量中的占比約為85%[3]。當(dāng)前，我國(guó)很多柴油發(fā)動(dòng)機(jī)仍采用手動(dòng)或有級(jí)式傳動(dòng)裝置，利用同步器、嚙合套或滑動(dòng)齒輪執(zhí)行換擋操作。當(dāng)膠輪車在質(zhì)地不均勻的井下工作時(shí)，易出現(xiàn)阻力增大的問題，如果發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力無法對(duì)這一增大的阻力予以克服，就需換到有更大牽引力的工作擋，以避免發(fā)動(dòng)機(jī)熄火現(xiàn)象；當(dāng)增大的阻力消失之后，為保持原有動(dòng)力，發(fā)動(dòng)機(jī)又需恢復(fù)至原有工作擋。但是，普通有級(jí)式變速箱在換擋時(shí)必須先松開離合器，再移動(dòng)齒輪或嚙合套掛擋，然后接合離合器，至此完成換擋工作。這一過程中發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力會(huì)被切斷，如果阻力過大，機(jī)組便會(huì)停止前進(jìn)，這時(shí)就需要重新起步并加速，當(dāng)阻力過大致使起步困難時(shí)，還需提起運(yùn)輸物料并倒車，然后重新掛擋起步[4]。這樣會(huì)極大地降低膠輪車用發(fā)動(dòng)機(jī)的工作質(zhì)量?；诖?，文章進(jìn)行一種新型負(fù)載換擋機(jī)構(gòu)——行星齒輪增扭器的傳動(dòng)與優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的研究，保證膠輪車用發(fā)動(dòng)機(jī)可以在動(dòng)力不中斷或中斷時(shí)間較短的前提下順利通過阻力突然變大的作業(yè)區(qū)。

1 增扭器結(jié)構(gòu)形式與典型傳動(dòng)方案

為改善發(fā)動(dòng)機(jī)操縱性能，提高使用效率，可在發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪變速箱前增設(shè)一種可負(fù)載換擋（又稱功率流不中斷換擋）的增扭器。當(dāng)前，學(xué)者與業(yè)界人士已研發(fā)的增扭器有多種結(jié)構(gòu)形式，現(xiàn)就幾種常見形式進(jìn)行簡(jiǎn)要分析（如圖1所示）。

圖1 常見形式增扭器

1.1 離合器式增扭器（圖1a所示）

由兩對(duì)傳動(dòng)比不同的嚙合齒輪與兩個(gè)多片離合器共同組成。2、4套于輸出軸上，并與離合器主動(dòng)部分連接為一體。3以滑動(dòng)花鍵的形式套于輸出軸上。對(duì)離合器進(jìn)行控制之時(shí)可以對(duì)液壓活塞缸予以采用。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)下，3會(huì)在液壓力作用下運(yùn)行至主動(dòng)部分，與其進(jìn)行結(jié)合。換擋操作會(huì)對(duì)先前接合的離合器產(chǎn)生反向液壓力，使其發(fā)生分離，直到傳動(dòng)效率減小到零為止。之后，分離的離合器又會(huì)逐漸接合，傳動(dòng)效率亦開始增加，這一過程會(huì)在主從動(dòng)離合器部件充分結(jié)合時(shí)結(jié)束。離合器式增扭器可保證換擋的平順性，換擋環(huán)節(jié)不會(huì)出現(xiàn)功率流中斷的情況。

1.2 離合器-自由輪式增扭器（圖1b所示）

由兩對(duì)傳動(dòng)比大于1的嚙合齒輪、1個(gè)離合器以及1個(gè)自由輪共同組成。3位于齒輪輪轂與輸出軸之間，具有單向傳遞增扭性特征。在滾子式自由輪中，若齒輪輪轂與輸出軸的旋轉(zhuǎn)方向都是順時(shí)針的，且前者轉(zhuǎn)速大于后者，自由輪中的滾子會(huì)被楔住進(jìn)行扭矩的傳遞，此時(shí)，前者會(huì)帶動(dòng)后者以同一轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)；若前者轉(zhuǎn)速低于或等于后者，自由輪會(huì)允許后者進(jìn)行自由旋轉(zhuǎn)，這不能實(shí)現(xiàn)扭矩的傳遞。

1.3 離合器-自由輪-行星齒輪機(jī)構(gòu)式增扭器（圖1c所示）

3位于行星架4與殼體之間，4只可正轉(zhuǎn)，不可反轉(zhuǎn)。2結(jié)合時(shí)，4與1會(huì)連接為一體，行星齒輪不會(huì)自轉(zhuǎn)，整個(gè)行星齒輪機(jī)構(gòu)會(huì)同其他部件同時(shí)旋轉(zhuǎn)。經(jīng)過離合器、行星架以及從動(dòng)太陽(yáng)輪，輸入軸的動(dòng)力最終直接傳遞給輸出軸。若有增扭需要，需分離離合器主從動(dòng)部件，扭矩經(jīng)太陽(yáng)齒輪、雙行星齒輪與從動(dòng)太陽(yáng)輪反作用于行星齒輪齒上，在行星架反轉(zhuǎn)過程中，自由輪的作用會(huì)被封鎖，這會(huì)將行星齒輪機(jī)構(gòu)變成定軸傳動(dòng)減速器，實(shí)現(xiàn)增扭傳動(dòng)。

膠輪車用發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的橫向布置應(yīng)是緊湊的，縱向又需對(duì)最小離地間隙予以滿足。在進(jìn)行增扭器設(shè)計(jì)之時(shí)，必須考慮結(jié)構(gòu)空間的問題，以橫向尺寸的最大程度減小為前提滿足縱向尺寸要求?；诤?jiǎn)便與精確的操縱要求，增扭器半自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)以液壓控制系統(tǒng)為支撐，按照駕駛員的實(shí)際操控，在液壓結(jié)構(gòu)作用下進(jìn)行工作擋位的選擇。液壓控制系統(tǒng)包括動(dòng)力源、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與控制機(jī)構(gòu)，其中，動(dòng)力源是由增扭器輸入軸驅(qū)動(dòng)的油泵，它不僅提供壓力油于控制與執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使其完成換擋工作，還能提供潤(rùn)滑油供行星齒輪變速器使用?？刂茩C(jī)構(gòu)中主要包括主油路、換擋閥以及安全閥等系統(tǒng)[5]。經(jīng)過換擋分析，低擋制動(dòng)與高檔離合是雙軸式齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與行星齒輪機(jī)構(gòu)兩個(gè)必要的換擋控制元件，若采用固定傳動(dòng)方式，需在軸向擁有兩對(duì)嚙合齒輪，與液壓操控結(jié)合的話會(huì)增大增扭器的橫向尺寸，不利于傳動(dòng)系統(tǒng)的布置，故應(yīng)以行星齒輪的選擇為佳。

2 行星齒輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

行星齒輪應(yīng)具有結(jié)構(gòu)緊湊，軸向尺寸小，質(zhì)量輕，輪齒受力小等特征，在太陽(yáng)輪四周，數(shù)個(gè)相同行星輪需均勻分布，形成慣性力平衡，保證傳動(dòng)平穩(wěn)性，抗沖擊與振動(dòng)能力以及傳動(dòng)效率。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)前的行星齒輪有單級(jí)式與復(fù)級(jí)式的劃分，單個(gè)行星排可實(shí)現(xiàn)4個(gè)前進(jìn)擋與1個(gè)倒擋[6]，文章以此為基本單元建立描述行星傳動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，包括2個(gè)自由度與3個(gè)基本原件，基本原件為太陽(yáng)輪a、行星架x、齒圈b。工作狀態(tài)下，低擋離合器與高擋制動(dòng)器不能同時(shí)結(jié)合，液壓油對(duì)其結(jié)合進(jìn)行控制。低擋離合器結(jié)合時(shí)，輪系自鎖，進(jìn)而形成直接傳動(dòng)；高擋制動(dòng)器結(jié)合時(shí)，太陽(yáng)輪為制動(dòng)，行星架為動(dòng)力輸入，齒圈為動(dòng)力輸出，形成同向增速傳動(dòng)。與直接傳動(dòng)相比，增速傳動(dòng)輸出動(dòng)力的轉(zhuǎn)速約提高15%。

增扭器的整體結(jié)構(gòu)需要對(duì)太陽(yáng)輪制動(dòng)器的布置方式以及太陽(yáng)輪與行星架離合器的連接方式進(jìn)行把握[7]。由于布置的現(xiàn)實(shí)狀況以及相關(guān)自動(dòng)變速器摩擦元件較難事前確定，文章選擇在行星架右側(cè)進(jìn)行制動(dòng)器與離合器的設(shè)置。圖2所示為行星齒輪增扭器的組成示意圖。

圖2 增扭器組成示意圖

2.2 傳動(dòng)比計(jì)算

若行星架x被制動(dòng)，則a太陽(yáng)輪輸出，b齒圈輸入，兩者相對(duì)轉(zhuǎn)速之比應(yīng)等于它們齒數(shù)的反比，有：

式中：p表示單級(jí)行星傳動(dòng)的特性系數(shù)，za、zb分別為太陽(yáng)輪與齒圈的齒數(shù)，i為傳動(dòng)比。

在一擋，需對(duì)離合器進(jìn)行閉合，不同構(gòu)件之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生，此時(shí)有na=nb=nx，由此得到傳動(dòng)比為===1；而在二擋，中心輪a被制動(dòng)，這時(shí)有na=0，此狀態(tài)下的傳動(dòng)比為：

考慮行星輪安裝于滾動(dòng)軸承上的方便性問題，行星傳動(dòng)的尺寸應(yīng)較小，通常p的取值應(yīng)在1.5～5.0之間。

2.3 配齒計(jì)算

根據(jù)傳動(dòng)比計(jì)算公式，當(dāng)中心輪a固定時(shí)，可得單級(jí)行星齒輪的傳動(dòng)特性參數(shù)：

p與既定傳動(dòng)比ip具有相關(guān)性，通過上式，有：

若選定最小齒數(shù)za，可知內(nèi)齒輪b的齒數(shù)zb。針對(duì)文章設(shè)計(jì)的傳動(dòng)裝置，若p＞3，則中心輪a的齒數(shù)最小，若p≤3，則行星輪c的齒數(shù)最少。

2.4 傳動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.4.1 設(shè)定目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)是指以設(shè)計(jì)變量表示所要追求的某種性能指標(biāo)的解析表達(dá)式[8]。此處的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)應(yīng)為太陽(yáng)輪a與行星齒輪c體積之和，目標(biāo)函數(shù)中，行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的全部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)變量均應(yīng)有所涉及。

式中：da與dc分別表示太陽(yáng)輪與行星輪的分度圓直徑；φd=為齒寬系數(shù)；行星輪的個(gè)數(shù)為n。

2.4.2 明確約束條件

為了滿足實(shí)際所需，結(jié)合行星齒輪傳動(dòng)要求及其裝置設(shè)計(jì)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，該行星機(jī)構(gòu)需對(duì)齒面接觸強(qiáng)度、齒輪彎曲強(qiáng)度以及相關(guān)約束條件（傳動(dòng)比、相鄰、同心、安裝等）予以滿足：

根據(jù)齒面接觸強(qiáng)度條件，應(yīng)有：

式中：K=KAVVKβ，即載荷系數(shù)，KHp為行星齒輪之間的載荷不均勻系數(shù)，Ta表示太陽(yáng)輪a的傳遞力矩，+、-分別表示外、內(nèi)嚙合。

根據(jù)齒輪彎曲強(qiáng)度條件，應(yīng)有：

式中：YF為齒形系數(shù)，YS為應(yīng)力修正系數(shù)，δFp為允許齒根彎曲應(yīng)力。

根據(jù)傳動(dòng)比條件，應(yīng)有：

根據(jù)相鄰條件，應(yīng)有：

式中：rac與dac分別為行星輪c的齒頂圓半徑及直徑，Lc為相鄰兩個(gè)行星輪的中心距，aac為中心輪a與行星輪c的中心距，np為行星輪的個(gè)數(shù)。

綜合以上各條件，行星齒輪配齒比例關(guān)系表示如下：

3 編程實(shí)現(xiàn)與參數(shù)確定

3.1MATLAB編程實(shí)現(xiàn)

基于MATLAB數(shù)學(xué)運(yùn)算軟件，進(jìn)行行星傳動(dòng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化程序的編寫，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)行星傳動(dòng)與運(yùn)用目標(biāo)函數(shù)確定最優(yōu)方案的功能，圖3所示為其程序流程圖。

3.2 fmincon函數(shù)求解

根據(jù)以上非線性約束條件，利用SQP進(jìn)行體積最小化優(yōu)化計(jì)算，在Matlab優(yōu)化工具箱中，fmincon函數(shù)可對(duì)優(yōu)化目標(biāo)予以實(shí)現(xiàn)，具體調(diào)用格式為：

[x，fval，exitflag，output]=f min con（@opt1，x0，A，b，□，□，Ib，□，@opt2）

輸出參數(shù)：fval為目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)解，exitflag為終止標(biāo)志，output表示一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

輸入?yún)?shù)：@opt1表示目標(biāo)函數(shù)程序名，@opt2表示約束函數(shù)程序名，x0為優(yōu)化程序初始迭代量，A，b為線性約束不等式矩陣。

由此，得到參數(shù)的計(jì)算結(jié)果，做出最終的優(yōu)化選擇。

圖3 程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

為了簡(jiǎn)化煤礦井下作業(yè)中的換擋操作，提高作業(yè)效率，降低駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度，文章進(jìn)行了一種新型負(fù)載換擋機(jī)構(gòu)——行星齒輪增扭器傳動(dòng)與優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的研究，并就其MATLAB編程實(shí)現(xiàn)與fmincon函數(shù)求解作了相應(yīng)的探討。當(dāng)前，我國(guó)煤礦機(jī)械及膠輪車用發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)技術(shù)全面提升的時(shí)代已經(jīng)到來[9]，所面臨的技術(shù)臺(tái)階更高，行業(yè)必須盡快調(diào)整，面向高科技與精工業(yè)方向轉(zhuǎn)型，各功率機(jī)型生產(chǎn)企業(yè)均應(yīng)致力于科技攻關(guān)規(guī)劃的制定，實(shí)現(xiàn)全部部件工藝水平與加工精度的提升。

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