自卸車輪邊減速器差速失效情況下的受載分析

邱增華 袁廣忠 何颶 徐長友 趙明磊 褚立慶 杜宇飛

摘要： 電動輪自卸車的輪邊減速器運行約4000小時后，由于差速失效引起兩驅(qū)動輪受載不同，導致齒輪較長時間過載運行以致?lián)p壞出現(xiàn)嚴重斷齒現(xiàn)象。對輪邊減速器在差速失效情況下進行不同工況的受載分析，并對減速器進行靜強度校核和壽命分析以及差速調(diào)整分析，提出減速器在差速失效情況下的對策。

Abstract： After the wheel-side reducer of the electric wheel-tipper operated for about 4000 hours， the two driving wheels were loaded differently due to the differential failure， which resulted in the gear running overload for a long time and resulted in serious tooth breakage.This paper analyzes the load of the wheelie reducer in different working conditions under the condition of differential failure， and analyzes the static strength， life and differential adjustment of the reducer， and puts forward the countermeasures under the condition of differential failure of the reducer.

關鍵詞： 電動輪自卸車;輪邊減速器;差速失效;受載分析

Key words： electric wheel dump truck;wheel-side reducer;differential failure;analysis of the load

中圖分類號：TH134 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）03-0035-03

0 ?引言

電動輪自卸車是礦山運輸?shù)闹饕ぞ撸覈陔妱虞喿孕盾噰a(chǎn)化程度越來越高[1-2]，電動輪自卸車的輪邊減速器，其電機軸通過花鍵套與太陽輪軸連接，太陽輪驅(qū)動雙聯(lián)行星齒輪轉(zhuǎn)動，最后通過內(nèi)齒圈輸出，帶動輪轂轉(zhuǎn)動。輪邊減速器在采用交流電機驅(qū)動，運行2000小時后，經(jīng)抽取輪邊減速器中的齒輪潤滑油進行金屬含量檢查，發(fā)現(xiàn)合金元素的含量明顯增加。運行約4000小時后，出現(xiàn)嚴重斷齒現(xiàn)象[3]。

當電動輪自卸車在不平路面上或轉(zhuǎn)彎行駛時，為了保證兩側(cè)的驅(qū)動輪作純滾動，必須使左右驅(qū)動輪以不同的轉(zhuǎn)速滾動[4-6]，達到減小車輪磨損和功率循環(huán)的目的。若輪邊減速器沒有安裝差速器，兩驅(qū)動輪差速沒有調(diào)整好，輪邊減速箱承受的載荷則不同，很容易造成承受較大載荷的驅(qū)動輪上齒輪因較長時間過載運行而損壞，此為自卸車輪邊減速器差速失效情況。對電動輪自卸車的輪邊減速器在差速失效情況下進行受載分析，計算得出工作壽命，提出解決方法以提高輪邊減速器的使用壽命[7]。

1 ?輪邊減速器失效損壞情況

通過現(xiàn)場查看輪邊減速器齒輪損壞情況，在出現(xiàn)差速失效情況的減速器中，大行星輪表面出現(xiàn)了類似點蝕及塑性變形的情況。經(jīng)分析齒輪的接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度均滿足要求，因此在嚙合時不可能出現(xiàn)錘擊塑變的情況，但在齒輪斷齒的時候，由于慣性造成的沖擊，會在齒輪的表面出現(xiàn)這種錘擊塑變的情況，因此個別輪齒表面出現(xiàn)錘擊塑變是由二次損壞造成的沖擊導致的。

2 ?差速失效情況下的受載分析

在轉(zhuǎn)彎時，兩驅(qū)動輪應實現(xiàn)差速，如果兩驅(qū)動輪差速失效，其輪邊減速箱承受的載荷則不同。重點分析自卸車在差速失效的情況下轉(zhuǎn)彎時兩輪邊減速器的載荷分布

情況[8-9]。

2.1 平直路上行駛受力分析

圖1所示，為車輛在平直路面上行駛時的受力，后輪驅(qū)動，前輪從動，前輪受向后的摩擦力，驅(qū)動輪（后輪）相對地面運動趨勢向后，受向前的驅(qū)動力。

后輪驅(qū)動力：Nq=μ·Gq（Gq：后輪承受的車重）

前輪受的阻力F=μ·GF：（GF：前輪承受的車重）

車重G=Gq+GF，μ為地面與車胎的靜摩擦系數(shù)。0<μ<μ0，μ0為輪胎與地面的最大靜摩擦系數(shù)，正常行駛時，如果不計車輛機械傳動阻力，則有Nq=F。

2.2 轉(zhuǎn)彎道路上車輪不打滑行駛時受力分析

汽車轉(zhuǎn)彎時，正常行駛，路面不打滑，前輪的受力方向改變。一方面，前輪的靜摩擦力提供一部分向心力，供車輛轉(zhuǎn)彎，一部分在轉(zhuǎn)彎半徑的切向方向上，其合力大小與平直路面上相同，方向由徑向力和切向力合成，合力的大小，不會變化，有：F=μ·GF：

2.3 轉(zhuǎn)彎道路上車輪打滑行駛時受力分析（彎道外側(cè)打滑）

轉(zhuǎn)彎時車輪打滑，后輪如果無差速裝置，并假定轉(zhuǎn)彎時外側(cè)車輪打滑，則外側(cè)車輪受路面的鉗制，外側(cè)車輪按傳動約束走過和內(nèi)側(cè)彎道一樣的路程，而外側(cè)彎道路程大于內(nèi)側(cè)彎道路程，車輪與地面產(chǎn)生滑動，摩擦系數(shù)由滾動狀態(tài)陡然達到滑動狀態(tài)，摩擦系數(shù)變?yōu)樽畲笾郸?。外側(cè)摩擦力向后。此時，內(nèi)側(cè)后輪驅(qū)動車輛，需要增加克服外側(cè)車輪受到向后的摩擦阻力，受力大小為：

這是極限情形，當R=L時，θ=45°，q=0.707，說明減速器差速失效情況下。轉(zhuǎn)彎時內(nèi)側(cè)阻力增幅至少增加70%，是原來直線行駛時的1.7倍。如果對車輛前后輪載荷分配進行調(diào)整，一般為使車輛具備較大的驅(qū)動力，駕駛方向容易，系數(shù)K2會比K1大很多，從式（5）可以分析出，其比值可以達到1，也就是說轉(zhuǎn)彎阻力可以增加100%。

根據(jù)上述推導，可發(fā)現(xiàn)，兩內(nèi)后側(cè)的驅(qū)動輪受力差在差速失效的情況下，且后外側(cè)輪不打滑時，受力差最大。后內(nèi)側(cè)外輪滑滾，在轉(zhuǎn)彎時，載荷全部集中到后內(nèi)側(cè)輪，后內(nèi)側(cè)輪承受整車的瞬間沖擊力可達到牽引力的兩倍。

3 ?靜強度校核和壽命計算

通過載荷譜，在上坡時的最大牽引力為6619N·m，因此設置輸入轉(zhuǎn)矩為13238N·m，輸入轉(zhuǎn)速224rpm。對輪邊減速器進行靜強度校核，靜強度的安全系數(shù)均大于1，能滿足靜強度的條件[10]。

如果由于沒有差速，內(nèi)后側(cè)輪在上坡時長期承受兩倍牽引力載荷的沖擊，需在該載荷下，計算輪邊減速器的壽命。

根據(jù)《機械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊》[11]第三章3.8節(jié)材料20CrMnTiAH的接觸疲勞S-N曲線，彎曲疲勞特性S-N曲線，42CrMo的接觸S-N曲線，42CrMo的彎曲S-N曲線。

根據(jù)《機械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊》[11]第三章3.8節(jié)內(nèi)容，20CrMnTiAH在破壞概率0.05時接觸疲勞應力S與壽命N的函數(shù)關系：

在上坡時，如果驅(qū)動輪沒有差速，內(nèi)后側(cè)輪可能承受整車牽引力的沖擊載荷，也就是最大承受的沖擊力為上最大坡的整車的牽引力，在該沖擊力下，減速箱能滿足靜強度校核，但此時齒輪工作的時間則非常短，其中小行星輪的壽命只有4.98小時。

4 ?減速器差速調(diào)整精度分析

當電動輪自卸車在不平路面或轉(zhuǎn)彎行駛時，為了保證兩側(cè)的驅(qū)動輪作純滾動，必須使左右驅(qū)動輪以不同的轉(zhuǎn)速滾動，達到減小車輪磨損和功率循環(huán)的目的。在控制策略和控制方法上必須保證各個驅(qū)動輪之間的協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)，以達到兩后輪的輪邊減速器不承受過大的載荷，從而保證輪邊減速器的使用壽命。

小行星齒輪的接觸疲勞強度最薄弱，現(xiàn)按照小行星齒輪接觸疲勞強度進行校核。

通過理論計算，差速控制精度為38.27%的情況下，輪邊減速器的工作時間可以達到16000小時。

5 ?減速器差速失效時建議與對策

①改良兩驅(qū)動后輪的差速調(diào)節(jié)精度，精度不應小于38.27%，如果沒有差速調(diào)節(jié)，應該增加差速調(diào)節(jié)。

②設計能承受較大載荷的輪邊減速箱。

③在轉(zhuǎn)彎行駛時，尤其轉(zhuǎn)彎上坡時，應盡量降低車速，使后外側(cè)輪滑滾的時間縮短，以使后內(nèi)側(cè)輪邊減速器受到的沖擊載荷更小。

④改善輪邊減速器的冷卻條件，控制變速箱溫升，或采用潤滑性能更好的潤滑油，或優(yōu)化齒輪的修形，能適當延長減速箱的壽命。

6 ?總結(jié)

①自卸車在平直道路上行駛以及在轉(zhuǎn)彎道路上車輪打滑行駛時，如果輪邊減速器差速失效，減速器不會出現(xiàn)過載的情況，也不會影響車輛正常行駛。

②輪邊減速器差速失效情況下，自卸車在不打滑轉(zhuǎn)彎時，且后外側(cè)輪不打滑時，兩內(nèi)后側(cè)的驅(qū)動輪受力差最大。后內(nèi)側(cè)外輪滑滾，在轉(zhuǎn)彎時，載荷全部集中到后內(nèi)側(cè)輪，后內(nèi)側(cè)輪承受整車的瞬間沖擊力可達到上坡牽引力的兩倍，齒輪磨損嚴重，降低減速器壽命。

③在差速控制精度為38.27%的情況下，輪邊減速器的工作時間可以達到16000小時，可正常運行。

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