某特種車輛的雙動力傳動箱總體結構及超越離合器設計

韓濤，李澤強，高飛，李繼鋒

（1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南 洛陽 471039）

通用車輛的空調系統一般由發動機驅動壓縮機工作，當發動機停機時，空調系統將無法運轉。因此，為了保證在停車時空調系統仍能正常運行，發動機應保持怠速運轉，造成高油耗并污染環境。而一些特種車輛，如野外作業車、警用執勤車等，要求停車情況下發動機仍需進行工作，為滿足設備儀器對工作環境溫度的要求和工作人員的舒適性需求，采用了一種能夠自動切換動力的雙動力傳動箱，實現發動機停機后，空調系統可由電動機驅動進行工作。針對某特種車輛工作中出現的雙動力傳動箱失效問題，進行了故障分析、總體結構改進優化、超越離合器結構改進以及試驗驗證，從而確保車載空調系統正常工作。

1 雙動力傳動箱結構及故障分析

1.1 雙動力傳動箱功能

特種車輛空調系統雙動力傳動工作原理如圖1所示，傳動箱主要是實現發動機與電動機對壓縮機的動力傳遞及切換功能，發動機和電動機可單獨工作，驅動壓縮機運轉，實現空調系統工作。電動機可由發動機驅動，也可接外部電源。

圖1 雙動力傳動工作原理Fig.1 Working principle of dual-power transmission

1.2 傳動箱結構

傳動箱結構如圖2所示，主要由聯軸器、殼體、轉軸、從動輪、驅動輪、超越離合器及相關附件組成。其中從動輪帶有懸臂軸，驅動輪及組件安裝于其懸臂軸上，驅動輪和從動輪集成為帶輪總成。轉軸一端帶有花鍵，從動輪和驅動輪中各安裝一套結構相同、安裝方向相反的外星輪式滾柱超越離合器，超越離合器1的內圈帶花鍵與轉軸花鍵端聯接，超越離合器2的內圈安裝在從動輪懸臂軸上，外星輪式滾柱超越離合器結構如圖3所示，由外星輪、內輪及15個滾柱和異形壓縮彈簧組成。

圖2 傳動箱結構Fig.2 Structure of transmission device

圖3 外星輪式滾柱超越離合器Fig.3 Alien wheel roller overrunning clutch

工作時聯軸器與發動機相連接，驅動輪和從動輪分別通過皮帶輪與電動機和壓縮機連接。當使用發動機驅動時，聯軸器帶動轉軸，超越離合器1接合驅動從動輪，從動輪通過皮帶驅動壓縮機進行工作，此時超越離合器2處于超越狀態，不傳遞動力，驅動輪不隨動。

當發動機停止工作使用電動機驅動時，驅動輪中的超越離合器2接合并帶動從動輪，從而驅動壓縮機進行工作，此時從動輪的超越離合器1處于超越狀態，不傳遞動力。

1.3 故障模式

在傳動箱隨車試驗過程中，產生如下故障：

1）在發動機驅動時，從動輪沒有轉動，即從動輪未能正常傳遞動力驅動壓縮機運轉；

2）傳動箱中帶輪總成在運轉過程中發生晃動現象。

1.4 原因分析

通過對傳動箱進行拆解，發現從動輪超越離合器1中多數彈簧發生嚴重壓縮并斷裂、外星輪個別過梁出現斷裂及轉軸花鍵發生壓潰現象。超越離合器1中彈簧、外星輪及轉軸花鍵壓潰失效狀態分別如圖4～圖6所示。

圖4 彈簧扭曲變形或斷裂Fig.4 Spring deformation or fracture

圖5 外星輪失效狀態Fig.5 Alien wheel failure state

圖6 轉軸花鍵壓潰失效狀態Fig.6 The splines on the shaft failure by crushing

經分析，導致上述現象的主要原因有：

1）傳動箱在發動機驅動的啟停瞬間存在極大的慣性沖擊，尤其是發動機停機瞬間，帶輪在慣性力下仍會保持旋轉，此時超越離合器中的滾柱對彈簧的瞬間沖擊很大，在頻繁的慣性力沖擊下，彈簧發生塑性變形和疲勞，最終導致彈簧斷裂失效；

2）當彈簧失效后，滾柱在慣性力作用下會直接沖擊外星輪的過梁，致使其發生斷裂，最終造成超越離合器1完全失效，導致從動輪未能正常傳遞動力；

3）由于帶輪總成與轉軸通過花鍵聯接，其處于懸臂狀態，皮帶對帶輪的徑向拉力會在轉軸的花鍵部分產生彎矩，彎矩產生的支反力會在花鍵齒頂面產生較大壓應力，從動輪中支承軸承與轉軸花鍵的接觸面積較小，帶輪總成在發動機驅動下進行高速旋轉，系統產生的振動由支承軸承傳遞到花鍵，由于軸承內圈的硬度比花鍵高，長時間的沖擊振動會造成花鍵產生塑性變形，配合間隙增大，支承軸承無法準確定位，從而造成帶輪總成出現晃動。

2 結構優化與分析

為解決傳動箱在使用過程中出現的故障，提高可靠性，對其結構進行優化。

2.1 總體結構優化

主要從以下2方面對總體結構進行改進：

1）將帶輪總成的懸臂結構改為2個帶輪同聯軸器安裝在同一個轉軸上，聯軸器與驅動輪通過超越離合器與轉軸連接，從動輪通過對稱的雙平鍵與轉軸連接，使得總體結構更加簡單緊湊，同時便于安裝和拆卸；

2）傳動箱中超越離合器和支承軸承的結構部分均設計了注脂孔，便于對離合器和軸承進行定期的維護保養，提高了傳動箱的使用壽命。

改進后的傳動箱結構如圖7所示，主要由聯軸器、楔塊式超越離合器、殼體、轉軸、從動輪、驅動輪及相關附件組成。

圖7 優化后的傳動箱結構Fig.7 Structure of transmission device after optimizing

結構改進后傳動箱的工作原理：

1）當使用發動機驅動時，聯軸器中的超越離合器1接合帶動轉軸，轉軸通過平鍵帶動從動輪，從動輪通過皮帶驅動壓縮機進行制冷工作，此時驅動輪中的超越離合器2處于超越狀態不傳遞動力；

2）當發動機停止工作使用電動機驅動時，驅動輪中的超越離合器2接合帶動轉軸，轉軸通過平鍵帶動從動輪，從動輪通過皮帶驅動壓縮機進行工作，此時聯軸器中的超越離合器1處于超越狀態不傳遞動力。

實現了不需要手動操控，自動完成發動機與電動機的動力切換，且各驅動單獨運行時不會產生相互干涉和能量損失，提高了傳動效率。

2.2 超越離合器結構改進與分析

該傳動箱主要通過2套方向相反的超越離合器來實現動力傳遞和切換功能，在該傳動箱中超越離合器起關鍵作用。

2.2.1 超越離合器結構改進

由于原結構未考慮到沖擊載荷，造成外星輪式滾柱超越離合器發生過載沖擊失效。為滿足使用要求，設計了一種防翻轉型楔塊超越離合器，其結構如圖8所示，由17個中凸型楔塊和1根彈簧組成，轉軸外徑作為內滾道，聯軸器和驅動輪的內孔作為外滾道使用，楔塊超越離合器主要參數見表1。

圖8 楔塊超越離合器結構示意圖Fig.8 Structure of sprag overrunning clutch

表1 主要參數Tab.1 Main parameters

在內、外滾道之間滿裝楔塊，每個楔塊中部設有通孔，由1根彈簧通過通孔串聯，彈簧首尾相連。楔塊兩側具有凸緣，凸緣在過載沖擊條件下使楔塊互相連接，形成一個不能翻轉的整體結構，其傳遞扭矩大，可靠性高；內外滾道均為圓柱面，工藝性好，適于批量生產，容易裝配。

2.2.2 自鎖條件驗證

楔塊離合器的楔合狀態要求楔塊鎖緊，達到該狀態的要求：1）不依賴外加壓力造成摩擦力而形成鎖緊狀態；2）在承受很大載荷時不會出現打滑［1-3］。

楔塊在楔合狀態下的受力示意圖如圖9所示，Ne，Ni分別為楔塊在外接觸點C和內接觸點D處的徑向力；Fe，Fi分別為楔塊在外接觸點C和內接觸點D處楔塊受到的摩擦力。

圖9 受力示意圖Fig.9 Stress diagram

要使楔塊與滾道之間形成自鎖，必須保證楔塊在接觸點所受的切向力小于滾道能夠提供的最大靜摩擦力，在外滾道接觸點C處必須滿足 Netanα＜μNe，即

式中：α為楔塊外楔角；μ為楔塊與滾道之間的摩擦因數。

同理，楔塊與內環之間要滿足自鎖條件，即

式中：β為楔塊內楔角。

楔塊與內外滾道的接觸靜摩擦因數＝0.1～0.2，額定載荷下楔塊內、外楔角分別為αn＝3.3°和βn＝2.3°，tanαn＝0.04，tanβn＝0.05均小于0.1，因此，超越離合器在額定載荷下滿足自鎖條件。

2.2.3 額定扭矩驗證分析

根據使用要求，傳動箱的傳動扭矩要求為T＝110 N·m，最大轉矩倍數為1.5，故傳動箱的扭矩為

Tc＝1.5T＝165 N·m，

楔塊式超越離合器額定扭矩為［4］

式中：［σ］為許用接觸應力；ν為材料泊松比；E為彈性模量。

額定扭矩Mt＞Tc，因此，超越離合器的額定扭矩滿足傳遞扭矩的使用要求。

而原外星輪式滾柱超越離合器的額定扭矩Mt1＝227 N·m，優化后的超越離合器能夠傳遞更大的扭矩。

3 試驗驗證

為驗證優化后超越離合器和傳動箱的功能，設計了傳動箱功能試驗臺，如圖10所示，將傳動箱固定在試驗臺底板上，通過切換發動機來模擬發動機和電動機，驗證傳動箱的旋向及運轉情況。

圖10 傳動箱功能試驗臺Fig.10 Function test device of transmission device

為驗證改進后傳動箱帶負載的工作情況，在用戶廠家完成了傳動箱帶載試驗，試驗裝置如圖11所示，主要由空調系統、雙動力傳動箱及電動機組成。

圖11 傳動箱帶載試驗臺Fig.11 Load test device of transmission device

結構優化后的傳動箱進行了2 000 km隨車試驗，試驗結果如下：

1）通過24 h的功能試驗，傳動箱旋向正確、切換靈活；

2）經過48 h的帶載試驗，空調系統及傳動箱均運行正常；

3）在隨車試驗過程中車輛空調系統運行正常，發動機和電動機切換靈活，沒有出現異常情況。

4 結束語

通過對特種車輛空調雙動力傳動箱在使用過程中出現的故障進行分析，并對其總體結構及超越離合器進行了改進設計，消除了原結構的故障隱患。對結構改進設計后的傳動箱進行了功能試驗及隨車試驗，結果表明結構改進后的傳動箱運行良好，滿足使用要求。