礦用自卸車驅(qū)動(dòng)橋主減速器優(yōu)化設(shè)計(jì)

胡興宇 楊桂英

1．南寧銀象房地產(chǎn)開發(fā)有限責(zé)任公司 廣西南寧 530000

2．山東雙一科技股份有限公司 山東德州 253000

1 礦用自卸車概述

礦山自卸車是非公路自卸車。它們是用于在大型露天煤礦和水利工程等非公路戶外場(chǎng)所運(yùn)輸煤礦和砂巖的自卸卡車。在土木工程中，常與挖掘機(jī)、裝載機(jī)、帶式輸送機(jī)等施工機(jī)械聯(lián)合作業(yè)，形成裝卸生產(chǎn)線，并對(duì)土方、礫石、散料等進(jìn)行裝卸作業(yè)。2005年，國(guó)際礦用汽車市場(chǎng)容量約1300輛，總載重約20億噸。

自礦用電動(dòng)輪自卸車1963年發(fā)明以來，經(jīng)過30多年的不斷改進(jìn)和采用大量的新技術(shù)、新材料和新工藝,重型礦山電動(dòng)輪自卸卡車作為汽車中的新品種已發(fā)展成熟，及其裝載質(zhì)量從第一輛車的77噸上升到目前的317．5噸。

此外，不是越大的車輛噸位越好。根據(jù)澳大利亞專業(yè)統(tǒng)計(jì)，露天自卸車的噸位從220噸到240噸是最好的。在此范圍內(nèi)，單位運(yùn)輸成本最低。

2 礦用自卸車驅(qū)動(dòng)橋主減速器的作用

礦用自卸車驅(qū)動(dòng)橋減速器的主要功能是降低車速，增加扭矩，以滿足車輛工作和行駛的需要。因此，更適合采用螺旋錐齒輪傳動(dòng)。錐齒輪的主要特點(diǎn)：齒嚙合多，齒間壓力分布好，嚙合平穩(wěn)，噪音低。此外，由于可以使小齒輪的齒數(shù)變少，在大齒輪相同外徑的情況下可以得到較大的傳動(dòng)軸傳動(dòng)比，即在相同的傳動(dòng)軸傳動(dòng)比下可以減小傳動(dòng)軸的尺寸。

3 礦用自卸車驅(qū)動(dòng)橋主減速器優(yōu)化設(shè)計(jì)

Romax軟件是世界上比較完整的軸承、變速箱和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)仿真和產(chǎn)品設(shè)計(jì)分析軟件。它可以用于齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的建模和分析，也可以用于詳細(xì)的部件(軸、齒輪、軸承、箱體的強(qiáng)度和可靠性分析、行星載體等)，也可以用于傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲分析。本文以大型礦用電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)橋減速器的齒輪參數(shù)優(yōu)化為目標(biāo)。利用RoMax軟件建立了系統(tǒng)模型。在不同工況下，考慮了系統(tǒng)各彈性部分的變形對(duì)齒輪嚙合的影響。對(duì)齒形進(jìn)行修正，得到理想的齒形數(shù)據(jù)，顯著提高了齒輪接觸和彎曲安全系數(shù)。

3.1 驅(qū)動(dòng)橋減速器的建模與加載

驅(qū)動(dòng)橋減速器傳動(dòng)系統(tǒng)采用兩級(jí)行星傳動(dòng)（第二級(jí)為定軸齒輪系）。由于其傳動(dòng)方式和特性與行星傳動(dòng)相似，只有行星載體和行星軸是固定的。本文介紹行星傳動(dòng)，第一級(jí)有3個(gè)行星齒輪，第二級(jí)有4個(gè)行星齒輪，主要由齒輪副、軸承、傳動(dòng)軸、行星載體和箱體組成。輸入是由一個(gè)電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng),功率流是傳送到第一級(jí)航母C1和第一階段的內(nèi)圈通過一期太陽齒輪的嚙合齒輪R1S1和第一級(jí)行星齒輪P1和第一階段的航母C1傳播階段的太陽齒輪S2。二級(jí)太陽齒輪S2與二級(jí)行星齒輪P2嚙合，并傳送給二級(jí)環(huán)齒輪R2。第二行星載體C2固定，第一內(nèi)環(huán)齒輪R1與第二內(nèi)環(huán)齒輪R2同時(shí)輸出。

（1）驅(qū)動(dòng)橋減速器的建模。Romax軟件用于模型系統(tǒng),軸的幾何模型、行星架、軸承和齒輪分別建立,根據(jù)定義的相互位置關(guān)系是每個(gè)軸上的齒輪和軸承的安裝位置和聯(lián)系承運(yùn)人和銷的位置。定義行星載體的空間坐標(biāo)位置。在第一級(jí)太陽齒輪與電機(jī)軸的交界處設(shè)置一個(gè)輸入功率負(fù)載，在第二環(huán)齒輪上設(shè)置一個(gè)輸出功率負(fù)載。在兩個(gè)環(huán)形齒輪與輪輞連接的地方，各設(shè)一個(gè)。在Pro/Engineer中創(chuàng)建一個(gè)包含兩個(gè)行星載體、兩個(gè)盒子和兩個(gè)環(huán)形齒輪彈性軸的三維實(shí)體模型，導(dǎo)入Hypermesh中定義的材料屬性，進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，然后劃分網(wǎng)格模型導(dǎo)入Romax。

（2）計(jì)算參數(shù)的定義和加載。首先，對(duì)于模型的齒輪參數(shù)展開設(shè)置，包含各齒輪的材質(zhì)、有關(guān)幾何參數(shù)與性能參數(shù)、采用系數(shù)的計(jì)算、溫度、潤(rùn)滑劑、粗糙度、精度等級(jí)、測(cè)量準(zhǔn)則等。接著有適當(dāng)設(shè)置軸承的間隙。于電壓情況之下，作為要用作測(cè)量的每個(gè)條件設(shè)立了特定的設(shè)置。本文以此全負(fù)荷當(dāng)作典型工況起展開計(jì)算分析，仿真各齒輪于該典型工況之下的工況，測(cè)量該工況之下齒輪的安全系數(shù)。跨軸減速器的設(shè)計(jì)壽命劇情為5年，裝載制動(dòng)為5%的工作時(shí)間（比例大，但是負(fù)荷小，對(duì)于齒輪壽命沖擊最為小），乃測(cè)量2160h。該工況匹配的轉(zhuǎn)矩為25．9，功率作為350r/min。

3.2 齒輪修形

全負(fù)荷制動(dòng)工況模擬分析表明，于這種典型工況之下，二次太陽齒輪齒面于齒寬方向的偏置更為嚴(yán)重。此時(shí)認(rèn)識(shí)安全系數(shù)作為1．047，彎曲安全性。系數(shù)是1。41。于裝載起動(dòng)條件之下，考量到其它工作條件，齒輪是齒形的。齒形修正之后，齒輪的最為小單位線載荷顯著增大，改由原來的1540N/mm增大到1279N/mm，位置改由齒邊行進(jìn)到齒心，承載面積亦比較完美。認(rèn)識(shí)安全系數(shù)作為1．203，彎曲。安全系數(shù)作為2．107。

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

改進(jìn)設(shè)計(jì)師完工之后，研磨安裝的兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)橋減速器于試驗(yàn)臺(tái)之上背靠背展開試驗(yàn)，并且依據(jù)設(shè)計(jì)師之中研究的載荷譜讀取(裝載開啟、裝載失速、傘兵等)。對(duì)于效率、振蕩、噪聲、油溫等余項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)試表明，該跨軸減速器全然符合設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)完，拆解驅(qū)動(dòng)橋減速器，查看驅(qū)動(dòng)橋減速器內(nèi)部的齒輪嚙合情況，嚙合區(qū)域的藍(lán)油(組裝時(shí)，在齒面涂抹藍(lán)油)在齒輪嚙合過程中被去除，只有四周的齒輪嚙合非接觸區(qū)域剩下少許藍(lán)油，可以看出齒輪的嚙合區(qū)域與仿真計(jì)算吻合。

3.4 結(jié)語

該驅(qū)動(dòng)橋減速器中共有11只齒輪，18只軸承，2只行星架，7只行星銷，2只箱體，受到的工況和載荷比較復(fù)雜，用傳統(tǒng)的方法很難分析系統(tǒng)的變形及其對(duì)齒輪嚙合的影響。通過應(yīng)用Romax仿真分析軟件建立模型，并根據(jù)載荷譜，綜合考慮驅(qū)動(dòng)橋減速器的系統(tǒng)變形對(duì)齒輪嚙合的影響，并對(duì)齒輪的齒向和齒廓進(jìn)行修形，得到理想的齒輪修形數(shù)據(jù)，明顯提高齒輪接觸、彎曲安全系數(shù)。該軟件還可以對(duì)模型中的軸承、軸等受力件進(jìn)行計(jì)算和分析，對(duì)導(dǎo)入其中的有限元模型進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算等。通過樣機(jī)的型式試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合，說明用此方法進(jìn)行大型驅(qū)動(dòng)橋減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)是比較可靠的。