無軌膠輪車濕式制動(dòng)驅(qū)動(dòng)橋關(guān)鍵技術(shù)研究

趙海興

(1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西 太原 030006)

煤礦無軌膠輪車被國(guó)家煤礦安監(jiān)局確定為安全生產(chǎn)先進(jìn)適用推廣技術(shù)裝備，國(guó)安監(jiān)技裝[2018]39號(hào)文要求：井工煤礦無軌膠輪車須使用濕式制動(dòng)系統(tǒng)。人員運(yùn)輸和載荷5t以下的膠輪車采用地面汽車底盤，將原驅(qū)動(dòng)橋或轉(zhuǎn)向橋車輪邊蹄鼓式制動(dòng)器棄除，重新設(shè)計(jì)多盤濕式制動(dòng)器形成行駛系；載荷5t以上(含5t)的膠輪車車架由不同厚度鋼板焊接而成，通過擺架或懸架裝置將非道路用濕式制動(dòng)驅(qū)動(dòng)橋固定在車架上組成行駛系。以上無軌膠輪車制動(dòng)系統(tǒng)均采用全液壓制動(dòng)方式，可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)行車和駐車制動(dòng)功能；具有運(yùn)行速度快和安全性高的特點(diǎn)。

為了使載荷5t以上(含5t)的膠輪車在煤礦大傾角、長(zhǎng)距離巷道工況下具有較強(qiáng)的爬坡能力，設(shè)計(jì)為雙橋四輪驅(qū)動(dòng)[1]，同時(shí)要使變速箱和傳動(dòng)軸不承受過大轉(zhuǎn)矩，應(yīng)將盡可能大的傳動(dòng)比分配給驅(qū)動(dòng)橋，由此非道路用濕式制動(dòng)驅(qū)動(dòng)橋由一級(jí)弧齒錐齒輪主減速器組合單級(jí)或多級(jí)行星齒輪輪邊減速器，將輸入動(dòng)力方向改變90°后輸出。在驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)比一定時(shí)，須使各級(jí)傳動(dòng)比分配合理，既要使驅(qū)動(dòng)橋的外形尺寸容易設(shè)計(jì)布置在車輛上，又要保證齒輪嚙合傳動(dòng)的可靠性和高效率。

1 濕式制動(dòng)驅(qū)動(dòng)橋技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)外濕式制動(dòng)驅(qū)動(dòng)橋生產(chǎn)企業(yè)主要有德納Dana、凱斯勒Kessler、康邁爾Comer和艾科泰AxleTech等，5～10t系列化無軌膠輪車主要采用前三個(gè)制造商生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)橋。驅(qū)動(dòng)橋輪邊減速器設(shè)計(jì)為單級(jí)行星齒輪減速機(jī)構(gòu)，具有傳動(dòng)比范圍寬和轉(zhuǎn)矩傳遞能力強(qiáng)的特點(diǎn)；驅(qū)動(dòng)橋多盤濕式制動(dòng)器布置在橋殼中央或輪邊，有自然冷卻和強(qiáng)制冷卻兩種。

國(guó)內(nèi)濕式制動(dòng)驅(qū)動(dòng)橋生產(chǎn)企業(yè)主要有江西分宜、徐州科源、徐州美馳和鄭州宇通重工等，多盤濕式制動(dòng)器為自然冷卻，設(shè)計(jì)布置在輪邊[2]。進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)濕式制動(dòng)驅(qū)動(dòng)橋主要技術(shù)性能對(duì)比見表1。

從表1可知，Dana濕式制動(dòng)驅(qū)動(dòng)橋的技術(shù)性能更利于無軌膠輪車設(shè)計(jì)，為縮短驅(qū)動(dòng)橋的采購(gòu)周期，降低整車成本，國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的無軌膠輪車研發(fā)企業(yè)對(duì)德納123驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)化研制，下文就其傳動(dòng)原理進(jìn)行了分析研究，詳細(xì)闡述了主減速器和輪邊減速器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)、驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)組成和外形尺寸。

表1 進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)濕式制動(dòng)驅(qū)動(dòng)橋主要技術(shù)性能對(duì)比

2 驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)原理及主要技術(shù)參數(shù)

驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)原理如圖1所示，主減速器被動(dòng)齒輪與差速器設(shè)計(jì)為一體；差速器由十字軸、半軸錐齒輪、行星錐齒輪和左右兩組摩擦片式離合器組成，為被動(dòng)限滑式差速器。行車和駐車多盤濕式制動(dòng)器設(shè)計(jì)布置在主減速器和輪邊減速器之間，驅(qū)動(dòng)橋傳遞轉(zhuǎn)矩只經(jīng)過主減速器放大，由此在制動(dòng)器摩擦片數(shù)量一定的情況下，摩擦片的徑向尺寸小，橋殼中央的直徑較小、軸向尺寸較大。驅(qū)動(dòng)橋主要技術(shù)性能參數(shù)見表2。

圖1 濕式制動(dòng)驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)原理簡(jiǎn)圖

表2 驅(qū)動(dòng)橋主要技術(shù)性能參數(shù)

3 驅(qū)動(dòng)橋減速器設(shè)計(jì)

為了降低整車車身和重心高度，同時(shí)保證驅(qū)動(dòng)橋殼的離地間隙，將驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)為兩級(jí)減速，即螺旋錐齒輪嚙合的主減速器組合單排圓柱行星齒輪的輪邊減速器，在輪輞直徑一定時(shí)，使輪邊減速器的傳動(dòng)比盡可能大，以盡量降低主減速器的傳動(dòng)比，減小橋殼中央直徑。

3.1 輪邊減速器設(shè)計(jì)

輪邊減速器采用太陽輪外嚙合、3個(gè)公用行星輪和齒圈內(nèi)嚙合的行星齒輪減速機(jī)構(gòu)[3，4]；太陽輪為主動(dòng)件與半軸相連，被動(dòng)件為與車輪連接為一體的行星架，齒圈固定不動(dòng)與橋殼相連，可用較小的輪廓尺寸獲得較大的傳動(dòng)比。

輪邊減速器結(jié)構(gòu)如圖2所示，為了改善太陽輪與行星輪的嚙合條件，半軸外端上的太陽輪在行星輪系中不加徑向支承，完全浮動(dòng)，太陽輪總能處于外作用力的平衡點(diǎn)，確保行星輪系的載荷均勻。

圖2 輪邊減速器結(jié)構(gòu)

3.1.1 輪邊減速器傳動(dòng)比確定

由單級(jí)行星齒輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律特性可得出輪邊減速器傳動(dòng)比計(jì)算如下：

式中，i1為輪邊減速器傳動(dòng)比；z1為齒圈齒數(shù)；z2為太陽輪齒數(shù)。

在設(shè)計(jì)單級(jí)圓柱行星齒輪機(jī)構(gòu)時(shí)，首先要考慮齒圈、太陽輪和行星輪之間的安裝條件，行星齒輪機(jī)構(gòu)中各齒輪分度圓直徑之間的關(guān)系如下：

m1z1=m1z2+2m1z3，即z1-z2=2z3

(2)

式中，z3為行星輪齒數(shù)。

由式(2)可知：齒圈和太陽輪的齒數(shù)應(yīng)該同為奇數(shù)或同為偶數(shù)；同時(shí)為使行星齒輪能夠均勻地分布在通過行星齒輪軸中心線的圓周上，保證齒圈和太陽輪的同心條件[5，6]，齒數(shù)選擇還要滿足如下條件：

(3)

式中，N1為行星輪個(gè)數(shù)，取3。

由于整車輪輞直徑為490mm，考慮輪輞和驅(qū)動(dòng)橋拆裝的扳手空間，驅(qū)動(dòng)橋輪邊減速器的行星架外殼直徑不能大于300mm；輪胎安裝螺栓的分布圓直徑不能大于400mm。由以上計(jì)算分析可得：輪邊減速器各齒輪主要技術(shù)參數(shù)見表3，傳動(dòng)比i1=6。

表3 輪邊減速器嚙合齒輪主要技術(shù)參數(shù)

3.1.2 輪邊減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，輪邊減速器由1個(gè)太陽輪、3個(gè)行星輪、1個(gè)齒圈、1個(gè)行星架、3個(gè)行星輪軸、6個(gè)滾針軸承等零件組成。輪邊減速器太陽輪和齒圈之間裝有行星輪，齒盤與齒圈嚙合，擋圈將齒盤軸向定位，齒盤通過8條雙頭螺栓與驅(qū)動(dòng)橋殼固定在一起；行星輪通過滾針軸承和行星輪軸支撐在行星架上，行星架通過球面螺母及螺栓與輪轂和輪胎聯(lián)接在一起。

輪邊減速器齒輪采用 20CrMnTi鋼等離子滲氮，表面硬度HRC58～63，淬硬層深6～8mm，芯部硬度HRC30～35。半軸承受了較大的扭力矩，調(diào)質(zhì)硬度高達(dá) HB280～300[7]。輪轂骨架油封和半軸油封采用粘接結(jié)構(gòu)，截面型式為裝配式旋轉(zhuǎn)軸唇型密封圈，裝入的彈簧必須涂防銹油。

3.2 主減速器設(shè)計(jì)

3.2.1 主減速器傳動(dòng)比計(jì)算

傳動(dòng)比是主減速器設(shè)計(jì)的基本依據(jù)，為了實(shí)現(xiàn)大傳動(dòng)比，主減速器采用弧齒錐齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)平穩(wěn)。主減速器傳動(dòng)比、輪邊減速器傳動(dòng)比和車輛傳動(dòng)系統(tǒng)總傳動(dòng)比由整車動(dòng)力性能計(jì)算確定，為了使無軌膠輪車獲得足夠的功率儲(chǔ)備，根據(jù)車輛最高車速35km/h，其主減速器傳動(dòng)比[8]為：

式中，i2為主減速器傳動(dòng)比；R為車輪的滾動(dòng)半徑，取0.51m；N為柴油機(jī)達(dá)到最大功率時(shí)的轉(zhuǎn)速，取2300r/min；V為車輛的最高車速，取35km/h；ib為變速器的最高擋傳動(dòng)比，取1；i1為初步確定的輪邊減速比，取6。

計(jì)算得i2的范圍為2.10～2.62。

3.2.2 主減速齒輪計(jì)算載荷的確定

主減速器齒輪的計(jì)算載荷是主減速器設(shè)計(jì)的另一項(xiàng)重要參數(shù)，由于車輛行駛時(shí)傳動(dòng)載荷的不穩(wěn)定性，主減速器從動(dòng)齒輪上的轉(zhuǎn)矩有兩種計(jì)算方法[8]，具體如下：

T1=T0k0i0kη1/N2

(5)

式中，T1為柴油機(jī)最大轉(zhuǎn)矩以變速器最低擋傳動(dòng)到主減速器從動(dòng)齒輪上時(shí)的轉(zhuǎn)矩，N·m；T2為驅(qū)動(dòng)輪在路面上開始打滑時(shí)作用在主減速器從動(dòng)齒輪上的轉(zhuǎn)矩，N·m；T0為柴油機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩，取550N·m；k0為變矩器變矩系數(shù)，取2.05；i0為柴油機(jī)至主減速器從動(dòng)齒輪間傳動(dòng)系最低擋傳動(dòng)比，取4.22和i2的乘積；k為產(chǎn)生沖擊載荷時(shí)的超載系數(shù)，取1；η1為柴油機(jī)至主減速器從動(dòng)齒輪間傳動(dòng)系傳動(dòng)效率，取0.9；N2為驅(qū)動(dòng)橋數(shù)量，取2；G1為車輛滿載時(shí)單個(gè)驅(qū)動(dòng)橋?qū)λ降孛娴淖畲筘?fù)荷，取110000N；φ為輪胎對(duì)地面的附著系數(shù)，取0.75；η2為主減速器從動(dòng)齒輪至驅(qū)動(dòng)輪間的傳動(dòng)效率，取0.95。

由式(5)和式(6)計(jì)算得轉(zhuǎn)矩分別為：T1=5515N·m和T2=7873N·m；考慮到整車滿載前、后驅(qū)動(dòng)橋的載荷不同，由此產(chǎn)生的附著力不同，需求的轉(zhuǎn)矩大小不等，由此取兩者中的較大值作為計(jì)算載荷。

3.2.3 主減速器齒輪基本參數(shù)的確定

確定了驅(qū)動(dòng)橋的主減速器傳動(dòng)比i2的計(jì)算值及計(jì)算載荷后，即可選擇主減速器齒輪的主要參數(shù)。

1)主從、動(dòng)齒輪齒數(shù)的選擇。依據(jù)傳動(dòng)比i2的計(jì)算值，考慮驅(qū)動(dòng)橋裝車后的離地間隙要求，同時(shí)使齒輪磨合均勻并獲得理想的齒面重疊系數(shù)[8]，最終選取主動(dòng)弧齒錐齒輪齒數(shù)為z4=13，從動(dòng)弧齒錐齒輪齒數(shù)為z5=32，主減速器傳動(dòng)比確定為i2=2.4615。該驅(qū)動(dòng)橋主減速器采用了美國(guó)“格里森”制弧齒錐齒輪，高速旋轉(zhuǎn)噪聲和振動(dòng)小。

2)端面模數(shù)的確定。從動(dòng)錐齒輪的大端端面模數(shù)：

式中，km為模數(shù)系數(shù)，取0.4。

計(jì)算可得模數(shù)m2為7.95，考慮主減速器齒輪的變位和裝配尺寸，最終確定模數(shù)m2=8.28；兩齒輪分度圓直徑分別為：d1=m2z4=107.64mm和d2=m2z5=264.96mm。主減速器齒輪的技術(shù)參數(shù)見表4。

表4 主減速器齒輪主要技術(shù)參數(shù)

3.2.4 主減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)主減速器圓弧錐齒輪的螺旋方向時(shí)，應(yīng)該保證無軌膠輪車在大多時(shí)間(前進(jìn)方向)錐齒輪嚙合的軸向力處于將兩齒輪推開的狀態(tài)，由此齒輪旋向見表4。主動(dòng)錐齒輪由兩軸承 “懸臂式”支承，為了減小懸臂式支承結(jié)構(gòu)的懸臂長(zhǎng)度和增加兩支承距離，以改善支承剛度，應(yīng)使兩軸承圓錐滾子的大端朝外，使作用在齒輪上離開錐頂?shù)妮S向力由靠近齒輪的軸承承受，而反向軸向力則由另一軸承承受，如圖3所示。懸臂支承距離設(shè)計(jì)為106mm，錐齒輪懸臂長(zhǎng)度30mm，兩個(gè)距離的比值為3.5，大于一般要求2.5倍；另外靠近齒輪的軸徑50mm，大于齒輪懸臂長(zhǎng)度[9，10]；主動(dòng)弧齒錐齒輪的安裝距為135mm，被動(dòng)弧齒錐齒輪的安裝距為75mm。被動(dòng)錐齒輪與差速器的外殼安裝在一起，差速器錐齒輪采用直齒錐齒輪[11]，由于差速器行星輪上承受的力較大，由此設(shè)計(jì)為十字架與四個(gè)行星輪裝配在一起。

圖3 主減速器結(jié)構(gòu)(mm)

主減速器齒輪采用 40CrNiMo(A)氮化齒輪鋼，表面硬度HRC58～63，淬硬層深6～8mm，芯部硬度HRC30～45。主減速器殼體由球鐵鑄造而成，左邊封閉，右邊的調(diào)整螺母座與主減速器殼體通過O型密封圈配合。被動(dòng)弧齒錐齒輪左右兩側(cè)分別設(shè)計(jì)有調(diào)整螺母，通過擰緊或松開調(diào)整螺母來保證主動(dòng)和被動(dòng)錐齒輪的嚙合間隙；調(diào)整螺母由限位螺釘Ⅰ和限位螺釘Ⅱ來定位。主動(dòng)弧齒錐齒輪油封采用粘接結(jié)構(gòu)，截面型式為外露骨架唇型密封圈，外露骨架部分整體采用防腐性可靠的涂層進(jìn)行保護(hù)。

4 驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)組成及外形尺寸

驅(qū)動(dòng)橋主要包括橋殼總成、主減速器、差速器、濕式制動(dòng)器、半軸、輪邊減速器等。濕式制動(dòng)器設(shè)計(jì)在驅(qū)動(dòng)橋主減速器和輪邊減速器之間，通過螺旋彈簧和碟簧兩種執(zhí)行機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)行車制動(dòng)和駐車制動(dòng)功能[12，13]，如圖4所示。差速器和輪邊減速器的連接半軸采用全浮式支承，半軸只承受轉(zhuǎn)矩，從而提高了承載能力，也方便維修[14]。

圖4 制動(dòng)器結(jié)構(gòu)組成

驅(qū)動(dòng)橋外形如圖5所示，長(zhǎng)度為1980mm，安裝距a=900mm，橋殼中央外直徑?322mm，輸入法蘭端面距離驅(qū)動(dòng)橋軸向中心線b=365mm，輪邊減速器殼體外直徑?280.8mm，輪胎安裝螺栓的分布圓直徑?335mm；驅(qū)動(dòng)橋質(zhì)量525kg。驅(qū)動(dòng)橋的橋殼直徑和軸向中心線到輸入法蘭面的距離均比國(guó)產(chǎn)驅(qū)動(dòng)橋的尺寸小，由此驅(qū)動(dòng)橋被批量應(yīng)用到四輪驅(qū)動(dòng)的無軌膠輪車上，整車離地間隙大、軸距短，通過能力強(qiáng)。

圖5 驅(qū)動(dòng)橋外形圖

5 臺(tái)架試驗(yàn)及裝車使用

驅(qū)動(dòng)橋按《工程機(jī)械驅(qū)動(dòng)橋測(cè)試技術(shù)指標(biāo)》(JB/T 5927—1991)在國(guó)家拖拉機(jī)質(zhì)量檢驗(yàn)中心強(qiáng)度試驗(yàn)室進(jìn)行了垂直彎曲疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)，在最大載荷為3倍額定橋荷工況下完成了25×104次疲勞壽命測(cè)試未損壞。驅(qū)動(dòng)橋連續(xù)滿負(fù)荷運(yùn)行24h，主減速器和輪邊減速器噪聲85dB(A)，潤(rùn)滑油溫度80℃。

研制完成的前、后驅(qū)動(dòng)橋裝用到5t無軌膠輪車上，滿載在水平干硬路面以20km/h初速度進(jìn)行緊急制動(dòng)測(cè)試，數(shù)據(jù)見表5；在最大油門開度時(shí)分別以Ⅰ檔、Ⅱ檔和Ⅲ檔速度完成行車制動(dòng)距離測(cè)試[15]，數(shù)據(jù)見表6。

表5 5t無軌膠輪車滿載緊急制動(dòng)距離

表6 5t無軌膠輪車滿載行車制動(dòng)距離

同時(shí)5t無軌膠輪車滿載連續(xù)運(yùn)行2h，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋不同部位最高表面溫度進(jìn)行了測(cè)試，具體數(shù)據(jù)見表7。

表7 前、后驅(qū)動(dòng)橋不同部位最高表面溫度 ℃

以上制動(dòng)距離測(cè)試與進(jìn)口驅(qū)動(dòng)橋相當(dāng)，符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，且連續(xù)多次制動(dòng)均無滲油和漏油現(xiàn)象；不同部位的最高表面溫度比進(jìn)口驅(qū)動(dòng)橋平均高3℃，主要原因是國(guó)產(chǎn)驅(qū)動(dòng)橋比進(jìn)口驅(qū)動(dòng)橋齒輪傳動(dòng)效率低且國(guó)產(chǎn)驅(qū)動(dòng)橋殼比進(jìn)口橋殼散熱能力差；驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)合理。

裝用該驅(qū)動(dòng)橋的鉸接式物料運(yùn)輸無軌膠輪車已批量應(yīng)用到全國(guó)各大煤礦，有中煤平朔安家?guī)X一礦巷道傾角13°～16°、長(zhǎng)度420m；陜西彬長(zhǎng)集團(tuán)大佛寺煤礦巷道傾角8°、長(zhǎng)度3000m；山西陽泉新元煤礦巷道傾角7°、長(zhǎng)度3500m；陜西郭家河煤礦巷道傾角6°～8°、長(zhǎng)度6000m。無軌膠輪車在井下經(jīng)常雙向行駛，驅(qū)動(dòng)橋主減速器圓弧錐齒輪順、逆時(shí)針傳遞轉(zhuǎn)矩，使用12個(gè)月無故障。

6 結(jié)論及展望

6.1 結(jié)論

1)煤礦井下巷道傾角大、距離長(zhǎng)，無軌膠輪車須具有爬坡能力強(qiáng)和運(yùn)行速度快的特點(diǎn)，由此設(shè)計(jì)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中防爆柴油機(jī)、變矩器、變速箱和驅(qū)動(dòng)橋等關(guān)鍵元部件既要易于在整車上排布、不增大整車的質(zhì)量和外形尺寸，又要保證各項(xiàng)技術(shù)性能參數(shù)的匹配滿足整車運(yùn)行工況需求。

2)驅(qū)動(dòng)橋輪邊減速器和主減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要增大左右懸架的安裝中心距，提高整車的穩(wěn)定性；同時(shí)又要使驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)緊湊、傳遞轉(zhuǎn)矩大和承載能力強(qiáng)，盡量提高整車的離地間隙。

3)驅(qū)動(dòng)橋輪邊減速器和主減速器兩者傳動(dòng)比的分配要利于多盤濕式制動(dòng)器的設(shè)計(jì)，且制動(dòng)系統(tǒng)安全系數(shù)設(shè)計(jì)要有裕度，由此來提高無軌膠輪車在大傾角、長(zhǎng)距離巷道下坡運(yùn)行時(shí)的制動(dòng)可靠性。

6.2 展望

該驅(qū)動(dòng)橋的雙級(jí)減速器結(jié)構(gòu)原理和傳動(dòng)路線同煤礦巷道快速掘進(jìn)國(guó)產(chǎn)成套裝備中掘錨機(jī)的運(yùn)輸減速器、連采機(jī)截割減速器和梭車的行走減速器，均為弧齒錐齒輪和行星齒輪系雙級(jí)傳動(dòng)，文中論述的設(shè)計(jì)計(jì)算方法及測(cè)試試驗(yàn)條件通用。當(dāng)前，全球供應(yīng)鏈緊張引發(fā)了進(jìn)口配件高端開發(fā)新機(jī)遇，該濕式制動(dòng)驅(qū)動(dòng)橋的研制成功，提升了國(guó)產(chǎn)煤礦機(jī)械減速器的設(shè)計(jì)能力和制造水平。