一種無支撐軸承的行星傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳慶賀

1中國煤炭科工集團(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

在 零件材料和力學(xué)性能、制造精度、工作條件 等均相同時，與普通齒輪傳動相比，行星齒輪具有較多突出優(yōu)點(diǎn)，常用于減速器、增速器、差速器、換向等傳動機(jī)構(gòu)[1-2]。常規(guī)的行星齒輪傳動為行星軸與行星架固定，行星輪在雙列軸承的支撐下繞行星軸轉(zhuǎn)動，行星軸與行星輪在雙列軸承支撐下一起轉(zhuǎn)動，如圖 1、2 所示。

圖1 行星輪與行星軸軸承連接方式

圖2 行星軸與行星架軸承連接方式

隨著時代發(fā)展及科技進(jìn)步，礦井采、掘、運(yùn)等機(jī)械設(shè)備向大功率、大轉(zhuǎn)矩方向發(fā)展，而受到礦井巷道尺寸制約，在機(jī)械設(shè)備功率和轉(zhuǎn)矩增大的情況下，減速器體積不增大、向小型化方向發(fā)展。因軸承占用了行星傳動內(nèi)部空間，隨輸出功率及轉(zhuǎn)矩的不斷增大，行星傳動各元部件尺寸均不同程度增加，在有限空間內(nèi)同時保證行星結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及軸承壽命，必須尋求對新工藝、新方法的技術(shù)突破。筆者對礦井減速器新型行星傳動進(jìn)行了研究。

1 無支撐軸承行星傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

無支撐軸承行星傳動機(jī)構(gòu)即為去除支撐軸承，變軸承滾動為行星軸和行星輪間滑動，行星輪、行星軸與行星架間直接連接，改軸承結(jié)構(gòu)或去除軸承內(nèi)外圈，增大行星軸直徑，提高行星軸強(qiáng)度，在同等外形尺寸工況下可實(shí)現(xiàn)更大功率和轉(zhuǎn)矩的傳遞。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無支撐軸承行星傳動機(jī)構(gòu)如圖 3 所示。為裝配及拆卸方便，采用行星軸與行星架鍵連接的方式進(jìn)行定位配合，而行星軸與行星輪保持相對旋轉(zhuǎn)，為防止行星輪旋轉(zhuǎn)時左右滑移，在行星輪兩側(cè)各設(shè)置 1 個耐磨銅套。因行星輪與行星軸間為滑移運(yùn)動，為使其配合間隙內(nèi)形成可潤滑油膜[3]，分別在行星軸軸向開設(shè)長槽油道并在行星輪齒間預(yù)留油液通道，如圖 4 所示。

圖3 無支撐軸承行星傳動機(jī)構(gòu)

圖4 行星輪、行星軸油道示意

1.2 配合公差值選取及校核

行星軸分別與行星架和行星輪連接，根據(jù)加工工藝與經(jīng)濟(jì)性，行星軸和行星架采用基孔制配合，基本偏差代號為 H；行星軸和行星輪采用基軸制配合，基本偏差代號為 h。行星軸與行星架鍵連接，無相對運(yùn)動，采用常規(guī)間隙配合；銅套與行星架為過盈配合、與行星軸間隙配合；行星軸與行星輪間相互轉(zhuǎn)動，輪孔較行星軸尺寸大，為間隙配合，而間隙值需選擇合理，過大或過小均會影響行星傳動機(jī)構(gòu)壽命。依據(jù)滑動軸承配合公差取值及行星傳動工況，配合公差為 F7/h6。

為確保行星輪與行星軸滑移運(yùn)動的可用性，對配合公差值校核計(jì)算：

(1) 實(shí)際可形成的最小油膜厚度[4-6]

式中：Δ 為直徑間隙，即間隙最大值；e為軸心偏心距，mm；φ為相對間隙，φ=Δ/d；χ為偏心率，χ=e/δ。

(2) 許可的最小油膜厚度

式中：S為相對偏心距；R1、R2分別為行星軸、行星輪孔表面粗糙度十點(diǎn)高度，mm；y為行星軸撓度，mm；e為行星軸軸心偏心距，mm。

本設(shè)計(jì)中行星軸直徑為φ50 h6，行星輪孔直徑為φ50 F7，結(jié)合上述公式計(jì)算得hmin≥[hmin]，滿足設(shè)計(jì)要求。

2 行星軸材料選取

根據(jù)行星軸和行星輪滑移傳動的特點(diǎn)，經(jīng)過計(jì)算得出，行星軸力學(xué)性能[7]的抗拉強(qiáng)度Sb不小于 1 010 MPa，屈服強(qiáng)度σs不小于 850 MPa，延伸率δ不小于 4.6%，硬度不小于 30HRC。

鈹青銅是含鈹銅基的一種綜合性能極好的青銅合金，鈹含量約 0.2%～2.5%，加入微量稀有金屬元素，時效處理后，其硬度極限約 38～43HRC，最大抗拉強(qiáng)度為 1 300～1 450 MPa；且時效處理后，鈹青銅仍有較好的塑形，易于加工成形，具有很高的硬度、彈性、疲勞極限和耐磨性。選鈹青銅 QBe1.7 作為行星軸材料，其力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如表 1 所列。

表1 鈹青銅 QBe1.7 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)對鈹青銅 QBe1.7 在不同溫度下淬火時效處理，試驗(yàn) 3 的力學(xué)性能值符合行星軸材料要求。

3 結(jié)論

(1) 該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用于首套 JM340 型掘錨機(jī)組行走減速器，在用設(shè)備數(shù)十臺，無行走減速器行星傳動機(jī)構(gòu)損壞故障，無支撐軸承行星傳動機(jī)構(gòu)有效解決了低速狀況下功率及轉(zhuǎn)矩增大而體積不隨之變化的問題，是對小型化行星機(jī)構(gòu)傳遞大功率大轉(zhuǎn)矩的有效解決途徑；

(2) 因行星軸與行星輪為滑移運(yùn)動，為保證行星傳動機(jī)構(gòu)的使用壽命，行星軸與行星輪實(shí)時浸泡在油液中，便于油膜形成；

(3) 無支撐軸承行星傳動機(jī)構(gòu)適用于大負(fù)載、低轉(zhuǎn)速及小體積的設(shè)計(jì)，在礦用機(jī)械設(shè)備領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。