某重型特種汽車發(fā)動機后取力器潤滑及其改進

霍裕蓉，郭帥

(泰安航天特種車有限公司,山東泰安 271000)

0 引言

在軍用特種汽車底盤設(shè)計過程中，由于車輛上裝設(shè)備改裝的要求，通常從底盤動力系統(tǒng)中進行取力，為上裝設(shè)備提供動力輸出，取力器作為車輛底盤與上裝設(shè)備之間傳遞動力的關(guān)鍵零部件，以保證車輛上裝各設(shè)備正常工作[1-2]。對于特種汽車而言，上裝設(shè)備多，因此對底盤取力器的數(shù)量及性能提出更高的要求。作為上裝設(shè)備動力輸入的關(guān)鍵零部件，底盤取力器使用性能與可靠性顯得尤為重要。本文作者以某特種汽車發(fā)動機后全功率取力器為例，對發(fā)動機后取力器在使用過程中出現(xiàn)的問題進行分析與優(yōu)化，經(jīng)實際裝車驗證，改進后的取力器滿足設(shè)計使用要求。

1 問題概述

某特種汽車由于上裝設(shè)備使用與空間要求特殊，需在發(fā)動機后側(cè)飛輪殼10點鐘方向設(shè)置一全功率取力器，為上裝取力發(fā)電機提供動力。取力器最大輸出功率不小于20 kW，通過取力傳動軸驅(qū)動帶輪，再通過帶輪驅(qū)動取力發(fā)電機，以滿足上裝取力發(fā)電機工作需要。發(fā)動機后取力器安裝位置示意如圖1所示。

已交付用戶的某特種汽車執(zhí)行某任務后，對車輛進行例行檢查時發(fā)現(xiàn)發(fā)動機后側(cè)10點方向取力器與上裝取力傳動軸連接法蘭盤側(cè)的油封處有油跡。經(jīng)現(xiàn)場售后人員檢查，取力口內(nèi)部的潤滑脂在油封唇口處有流出痕跡，如圖2所示。

圖1 發(fā)動機取力器安裝位置(發(fā)動機飛輪殼隱藏)

圖2 發(fā)動機取力器滲油位置示意

對取力器進行進一步檢查，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部潤滑脂已稀化，顏色為黑色(正常潤滑脂顏色為淺褐色)，黏度明顯下降，如圖3所示。

圖3 潤滑脂狀態(tài)

2 原因分析

2.1 設(shè)計結(jié)構(gòu)分析

取力器結(jié)構(gòu)示意如圖4所示，該取力器內(nèi)部使用圓柱滾子軸承及雙列深溝球軸承支撐傳動軸，前端與后端設(shè)有油封，并在取力器上部設(shè)置有滑脂嘴，便于向取力器內(nèi)部補充潤滑脂。

取力器最大輸出驅(qū)動功率按不小于25 kW設(shè)計，前端斜齒輪與發(fā)動機內(nèi)部的輪系進行嚙合，后端法蘭盤與上裝取力傳動軸連接，用于驅(qū)動上裝取力發(fā)電機工作。取力器轉(zhuǎn)速與發(fā)動機轉(zhuǎn)速速比為1.46∶1(升速)，經(jīng)計算取力器轉(zhuǎn)速范圍為950～3 360 r/min，取力器內(nèi)部采用長城T221(NB/SH/T0459-2014)潤滑脂[3-4]。

經(jīng)計算，以取力器最大扭矩為275 N·m、額定扭矩為180 N·m(1 500 r/min)進行復核復算，取力器內(nèi)部軸承、軸等機械零部件均滿足設(shè)計使用要求：T221潤滑脂允許溫度范圍為-50～150 ℃，一般不超過120 ℃[3-5]；取力器允許最高轉(zhuǎn)速不超過2 800 r/min，短時不超過3 000 r/min；取力器軸承允許最高溫度不超過120 ℃，溫升不超過65 ℃[5]。

圖4 取力器原結(jié)構(gòu)示意

由于取力器僅設(shè)置一個滑脂嘴，未設(shè)置通氣帽，取力口持續(xù)在中高速轉(zhuǎn)速下運行，導致潤滑脂變稀、潤滑效果下降。同時由于溫度上升，部分潤滑脂分子被氣化，取力口沒有設(shè)置通氣塞，取力口內(nèi)部壓力升高，潤滑脂易從取力口油封處溢出，氣體分子溢出后，隨氣溫下降凝固，故顯現(xiàn)出取力口滲油現(xiàn)象。

2.2 制造、裝配過程復查

對取力器總成中各零部件如油封、齒輪、花鍵軸、軸承等均審驗其生產(chǎn)制造廠家的合格證，同時對各零部件進行外觀目測檢查，確保各零部件外觀無損傷、銹蝕、毛刺、加工不平整的不良現(xiàn)象后方可進入裝配線。裝配完成后，檢驗人員對該位置進行檢查檢驗，取力口各零部件安裝到位，并在出廠調(diào)試跑車磨合試驗過程中運轉(zhuǎn)良好，未出現(xiàn)問題。

同時，現(xiàn)場對取力器處各零部件進行檢查，取力器外觀良好、未有磕碰、劃傷、異物等異常現(xiàn)象，取力器油封唇口完好、未發(fā)現(xiàn)油封唇口損傷。服務人員更換完取力器內(nèi)部潤滑脂后，對發(fā)動機取力器進行連續(xù)取力近4 h試驗，取力器工作正常，取力器溫升處于合理限值內(nèi)，未再次出現(xiàn)取力口滲油現(xiàn)象。

經(jīng)初步分析，該特種汽車取力器潤滑脂溢出問題定位于取力器結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。

3 優(yōu)化改進

結(jié)合該型特種汽車發(fā)動機后取力器的使用工況，重新設(shè)計取力器結(jié)構(gòu)。由于取力器前端為左旋斜齒輪，在運轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生向后(法蘭盤側(cè))的軸向力，故將原有的圓柱滾子軸承、雙列角接觸球軸承改為圓錐滾子軸承背靠背安裝，用于承受中間軸的軸向力及徑向力。經(jīng)對軸、軸承進行載荷、壽命計算，軸承與軸等相關(guān)零部件均滿足設(shè)計使用要求。

考慮到取力器最高轉(zhuǎn)速已超過3 300 r/min，為提高取力器潤滑與散熱效果，將取力器潤滑脂更改為潤滑油。在取力器側(cè)壁上增加加油口及溢油口，在取力器后部設(shè)置放油口，便于取力器內(nèi)部潤滑油更換與保養(yǎng)。由于潤滑油流動性比潤滑脂強，故將取力器前端和后端使用的單油封密封更改為雙道油封密封，保證取力器內(nèi)部潤滑油密封可靠性；取力器前端齒輪與軸、后端輸出法蘭盤與軸采用花鍵連接，在齒輪和法蘭盤端面固定壓蓋設(shè)置有內(nèi)外兩個O形密封圈，保證密封可靠性。優(yōu)化后的取力器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 取力器新結(jié)構(gòu)示意

相比于原潤滑脂潤滑，采用潤滑油對取力器內(nèi)部軸承進行潤滑，可以適用于更寬的轉(zhuǎn)速范圍和輕、中、重載荷，同時可根據(jù)不同溫度選用不同牌號的潤滑油。當取力器內(nèi)部氣壓過高時，可通過取力器上部的通氣帽向外排氣，保證取力器內(nèi)部壓力保持在合理范圍內(nèi)，可有效延長密封件的使用壽命。

在對取力器進行維護保養(yǎng)時，直接將取力器后部放油螺塞拆下，即可將取力器內(nèi)部的潤滑油放出，并在加注新潤滑油時對取力器內(nèi)部進行適當沖洗，直至取力器放油口流出新潤滑油，此時緊固放油螺塞，加注新潤滑油至溢油口，完成更換潤滑油的工作。取力器維護保養(yǎng)工作簡單、操作方便。

對新結(jié)構(gòu)的取力器進行實際裝配帶載磨合驗證，取力器工作正常、取力器溫升在合理范圍內(nèi)、噪聲正常、工作運轉(zhuǎn)良好；經(jīng)裝車連續(xù)上裝取力發(fā)電工作驗證，取力器工作正常，未再次出現(xiàn)取力器滲油現(xiàn)象。

4 結(jié)論

對該特種汽車發(fā)動機后取力器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及潤滑方式進行簡要分析，并結(jié)合實際工況對發(fā)動機取力器進行改進設(shè)計。經(jīng)實際裝車磨合驗證，優(yōu)化后的發(fā)動機后取力器工作正常，滿足設(shè)計使用要求，并為其他類似取力器結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一種思路。