综合传动装置汇流行星排改进研究

刘宇键， 陈 漫， 郑长松， 侯 锐， 王 成

(1.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081；2.陆军装备部驻湘潭地区某军事代表室，湘潭411100)

按照功率流划分，传动方式主要分为单流传动和双流传动.双流传动中发动机的功率经由直驶变速分路与转向分路传输，两路功率经过分流机构分流后处于并联状态[1].在该机构中通常采用行星排进行汇流，因此称之为汇流行星排.汇流行星排一旦出现严重问题，履带车辆将无法按照预定轨迹进行行驶.但是汇流行星排问题发展阶段，驾驶员很难通过车辆状态判断其工作状态.因此，提高汇流行星排的可靠性是传动装置可靠性提高的关键一环，对履带车辆的安全性能具有重要意义.

国内外学者对履带车辆的行星传动装置进行了一定程度的研究.杜秀菊[2]通过ATV工具箱建立了仿真行星传动装置实验平台，并在此基础之上获取各行星装置零件的动态载荷，由此进行疲劳寿命预测.陈漫[3]提出一种汇流行星排故障诊断方法，以Hilbert边际谱提取出故障的特征值并对各种故障状态以模糊识别方法进行分类，对汇流行星排可靠性的提高提供了监测方法.MengXiangliang[4]通过搭建污染阈值测试平台，研究润滑油在不同的污染程度下行星轮的磨损和振动规律以及故障原因.上述学者分别从疲劳寿命、润滑污染、在线监测等方面对含有行星排的机构进行了分析，但在综合传动装置中，汇流行星排的失效不仅与其自身磨损有关，还受到整体结构的影响，例如密封、安装等设计都会导致故障发生，因此从汇流行星排整个机构的角度进行可靠性分析具有重要意义.

本研究将从某型号综合传动装置汇流行星排在使用中的失效情况进行分析，探究在工程应用中的故障发生的原因，分析故障机理，在此基础之上提出改进方案以提高装置的可靠性，并对改进后的结构进行试验分析，为设计提供数值依据.

1 综合传动装置故障统计

综合传动装置系统构成框图如图1所示.该装置由盖斯林格弹性联轴器、变速机构、左右汇流排、液压转向机构、液压系统及操纵电控系统等部件组成.

变速机构由液力变矩器、前传动、换挡离合器机构和齿轮传动等部件组成.在左右输出汇流排上，通过弹性支撑与车体弹性联接，减少车辆行驶过程中对动力传动的振动冲击[5].动力通过左右汇流排的齿套内花键齿轮经传动半轴向车辆左右侧减速器输出.转向泵经过变速机构的齿轮驱动，通过调节马达的转速，经过零轴及两侧的齿轮驱动两侧汇流排的太阳轮，与变速机构驱动的汇流排齿圈汇流，实现左右两侧动力的差速输出，实现车辆的转向功能.其中左右汇流排采用零差速式结构，将直驶功率和转向功率流汇流后输出，配合直驶和转向功率流，实现中心转向和无级转向[6].

图1 综合传动装置示意图

通过对某型号综合传动装置自定型试验以来发生的故障进行收集整理，形成了各子系统故障发生频次统计表，如表1所示.

表1 某型号综合传动装置各子系统故障发生频次统计表

汇流行星排在以往故障统计中总计18次，占整个故障的比例为28.57%.该故障主要是综合传动装置返厂维修时发现和定型试验分解鉴定时发现.汇流行星排作为关键传动装置，承受载荷较大，运行过程中工况恶劣，在驾驶过程中发生故障的频率较高；并且由于其汇流特性，在失效之前的问题很难进行识别.一旦发生故障，车辆难以按照预定轨迹直线行驶或转向，对驾驶人员的安全产生巨大威胁.

2 汇流行星排故障机理分析

从故障分析可见，汇流行星排的故障主要分为机械故障和密封故障两类.其中机械故障主要集中在挡圈的早期磨损与滚针轴承的损坏，最终导致汇流行星排的烧蚀.

2.1 机械故障机理

图2为汇流行星排结构.从故障机理来分析，滚针轴承的损坏主要原因来源于润滑系统的油液污染以及行星排上几个滚针轴承所受的径向力不一致，亦即行星排的均载问题.而挡圈的磨损亦与润滑和滚针轴承所受的径向力所致.

图2 汇流行星排结构

综合传动装置的行星排都为直齿传动.行星齿轮分别和齿圈、太阳轮啮合，理论上在传递力的过程中，行星齿轮不承受轴向力.但由于制造加工及装配的影响，在使用过程中两个挡圈承受轴向力，挡圈和与行星架、行星齿轮之间的装配间隙，决定了挡圈和行星齿轮端部的润滑状况.目前挡圈的结构为平面结构，而挡圈与行星齿轮端面的配合间隙很小，致使滚针腔内的润滑油液泄漏少，端面润滑不充分，并且由于油液污染的影响，使得磨损颗粒在滚针腔内淤积，影响滚针轴承的润滑与散热[7].

行星轮和行星轮轴之间通过滚针轴承进行连接，本装置中4个行星轮轴平均分布在行星架上.动力从齿圈输入，经行星轮传递给滚针轴承，继而传递给行星轮轴，最后由行星架输出，而行星架通过滑动轴承与三轴浮动支撑连接，径向载荷的非均匀力则由双金属轴承(滑动轴承)承受.行星轮轴之间如果没有采取均载措施，载荷的分布会很不均匀，即使采取了一定的均载措施，在误差等情况的影响下，行星轮间也会产生一定的不均匀载荷[8].载荷不均主要由制造误差和安装误差导致，制造误差主要包括太阳轮、行星架、行星轮和内齿轮中心轴线的制造误差，行星轮轴承和太阳轮轴承的内孔轴线制造误差以及齿厚误差；安装误差主要包括太阳轮、行星架、行星轮和内齿轮中心的安装误差[9].

2.2 密封故障机理

综合传动装置的单侧输出端结构如图3所示.目前出现的油封漏油故障主要是在油封唇口和输出轴套结合处.润滑油液经球轴承进入右侧，在右侧挡片的作用下，主要的润滑油液经球轴承左侧回油，少量经挡片外缘进入油封唇口处，并且由于箱内有一定的压力，在高速旋转下，如果油封唇口处进入微小的外来颗粒，导致油封唇口损坏而密封不严，出现油封渗油现象；或者是油封唇口和输出轴套的粗糙度不能按照图纸保证，在高速旋转下，粗糙的输出轴套很容易破坏油封唇口，导致油封渗油.

图3 综合传动输出端结构图

3 汇流行星排改进研究

3.1 挡圈结构改进

如图2所示，针对挡圈与行星齿端面间隙很小而导致润滑不充分的问题，进行如图4所示的结构改进.具体改进措施如下：

1)在保持挡圈厚度和径向尺寸不变的条件下，改变挡圈端面结构形状.在挡圈端面上设置凹槽是综合对比下最合适的方法.针对凹槽的数量、深度等变量与摩擦系数间的关系，将在第4章通过试验验证.

2)装配后挡圈与框架侧板、框架轴的间隙为0.1～0.2 mm，太阳轮和行星齿轮的啮合间隙调整为0.15～0.25 mm，且相互之间的啮合间隙的极限差值为0.05 mm，允许选配行星齿轮或太阳轮以保证间隙.调整后的间隙可以使得轴承内的磨损颗粒跟随润滑油流到轴承外部，在一定程度上提高了轴承的可靠性.

3)将框架轴上安装4个行星轮轴的安装孔φ26 mm位置度提高0.015 mm.位置度的提高可以改善行星轮轴承上载荷不均的情况，将综合传动装置中轴承的寿命进一步提高.

图4 挡圈结构

3.2 输出端密封改进

油封渗油泄露的问题，主要原因是唇口密封处不严导致油液泄露与外部微小颗粒进入密封系统内部.改进方案如图5所示。具体改进措施如下：

1)改进挡油环结构，直径由原108 mm增加为109.5 mm，并在顶部增加60°倒角.挡油环直径的增加减少了轴承润滑油从此处向外部泄露的油量，降低油液从内部向外渗透的风险.

2)连接齿轮与油封接合部位处由原“镀铬，铬层厚度(15～20)μm”改为“圆柱面要求横向进给研磨，或做其它无向性处理”.油封由原“FB80×110×10”改为“FB80×120×12”，油封由原改性PTFE油封改为氢化丁晴橡胶油封.对结合处的表面处理和油封材料的更改可以降低唇口和轴套的摩擦系数，保证高速旋转下轴套不会导致密封唇口的破坏.

3)轴承座在原设计基础上增加回油槽结构.减少油液在轴承座和油封盖附近油液的积累，使得油液可以顺利地流回.

图5 综合传动输出端结构改进对比图

4 轴向挡圈摩擦特性试验分析

轴向挡圈方案在进行改进之后，其摩擦特性和润滑特性需要经过试验进行分析，从而确定安装在综合传动箱内部挡圈的凹槽数量与形状.为探究在相同径向宽度、槽宽比和槽深的情况下，油槽数量的变化对摩擦特性的影响,选用的油槽数量分别为0、2、4、8、12，试样均为径向直线槽、内径33 mm，外径50 mm，槽宽比为0.3(无槽试样除外)，槽深20 μm(无槽试样除外)，试样件如图6所示.

图6 不同槽数的轴向支承

试验选用MMU-5微机控制电液伺服液压缸执行系统摩擦磨损试验机，采用滑动摩擦形式，在可变润滑条件下，实现环-环摩擦形式.如图7(a)所示，试验机由主轴及其驱动系统、加载系统、摩擦副及力矩测量系统、润滑系统及操作控制系统5部分组成.本试验机能自动控制试验加载力、转速、加热温度，并进行实时跟踪显示[10].

图7 MMU-5摩擦磨损试验现场及试验机主轴结构

试验施加轴向载荷为200 N，转速范围200～3 000 r/min.试验得到5种不同槽数轴向支承摩擦系数的变化规律如图8(a)所示.除无槽试样外，其它4种试样摩擦系数曲线均呈现较明显的Stribeck曲线特征，即从低速到高速先后经历了混合润滑和流体动力润滑不同状态；相同转速下，随着槽数的减少，摩擦系数变得越来越大，说明槽数越少摩擦损耗越大.图8(b)是图8(a)相同条件下的理论曲线.通过比较可知：试验摩擦系数随转速变化的总体规律趋势和理论值变化趋势有着较好的一致性，除了摩擦系数随转速升高而增大外，相同转速下，也是槽数越少摩擦系数越大.图9为不同槽数时的摩擦功率试验值，图中表明，试样槽数越少，其摩擦损失越大.

图8 不同槽数的轴向支承摩擦系数变化

图9 不同槽数的轴向支撑摩擦功率损失

5 结 论

在综合传动装置的定型和实际使用中，汇流行星排的故障率较高并占总故障的28.57%，主要分为机械故障和密封故障两类.对汇流行星排中故障机理进行了理论分析，提出改进了方案，并对改进方案进行试验分析与评估.主要结论如下：

1)挡圈与齿轮端面间隙过小引起的油液污染、载荷不均引起的滚针损坏以及密封不严是汇流行星排发生故障的主要原因.更改挡圈结构、调整挡圈与齿端面的间隙、提高制造装配精度可以有效解决油液污染与滚针损坏问题.增大挡油环直径、改变结合处表面处理工艺、增设回油槽结构可以有效改善密封问题.

2)通过摩擦磨损试验机，对改进后的轴向挡圈的摩擦特性进行分析，相同转速下，随着槽数的减少，摩擦系数变得越来越大，说明槽数越少摩擦损耗越大.对于槽数的具体选择需要根据轴向力去确定，而轴向方向上的力与载荷的均匀性等因素有关，具体关于槽数与形状的设定会在后续进行.