偏航齒輪箱輸出軸部套軸向預(yù)緊及評(píng)估方法優(yōu)化

重慶齒輪箱有限責(zé)任公司，重慶 402263

1 偏航齒輪箱輸出軸結(jié)構(gòu)分析

偏航齒輪箱是用于驅(qū)動(dòng)偏航大齒輪的減速增扭裝置，目前大多數(shù)偏航驅(qū)動(dòng)齒輪箱輸出軸采用懸臂支撐，如圖1所示。懸臂支撐的齒輪副嚙合狀況（尤其是齒寬方向）與輸出軸輪齒部位撓度偏差值密切相關(guān)。在傳遞載荷、輸出軸材料、幾何尺寸、軸承型號(hào)及支撐位置均無(wú)法進(jìn)一步優(yōu)化的情況下，優(yōu)化軸承游隙可降低撓度偏差值，從而減小輪齒齒向補(bǔ)償修形，避免過(guò)度補(bǔ)償修形引起齒寬方向齒厚及齒面硬度差異過(guò)大，如圖2所示。然而軸承游隙與軸承運(yùn)行壽命有著密切關(guān)系，不合理的游隙會(huì)大幅降低軸承使用壽命，設(shè)計(jì)時(shí)需要在保證使用壽命的前提下盡量降低輪齒補(bǔ)償修形量，以此減輕齒面過(guò)度修形帶來(lái)的負(fù)面影響[1]。

圖1 偏航驅(qū)動(dòng)輸出軸支撐型式

圖2 游隙與齒向偏差變量

目前公司偏航齒輪箱輸出軸支撐方式為懸臂支撐，兩端為背靠背的配對(duì)圓錐滾子軸承。為了獲得足夠軸向負(fù)游隙以保證輸出軸部件剛度，要求預(yù)緊后輸出軸軸向游隙為-0.1～0mm，通過(guò)采用擰緊圓螺母對(duì)輸入端軸承進(jìn)行軸向預(yù)緊來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)圓螺母（規(guī)格M150及以下）擰緊力矩為1000～1300N·m，對(duì)圓螺母（規(guī)格M150以上）擰緊力矩為1700～2000N·m。

由圖1可知，輸出軸部件軸向游隙為0時(shí)，軸承壽命和輪齒兩端偏差值均可進(jìn)一步優(yōu)化，-0.1～0mm并不是最佳軸向游隙范圍；由于圓螺母扭矩系數(shù)未知，同時(shí)無(wú)法通過(guò)測(cè)量軸向竄動(dòng)量（測(cè)量正游隙采用方法之一）檢測(cè)實(shí)際軸向游隙值，僅靠規(guī)定圓螺母擰緊力矩?zé)o法保證有效的軸向負(fù)游隙范圍，存在軸承過(guò)緊的風(fēng)險(xiǎn),需要有效的手段評(píng)估預(yù)緊效果[2]。

2 偏航驅(qū)動(dòng)輸出軸部件軸向游隙的運(yùn)算

為了獲得偏航驅(qū)動(dòng)輸出軸部件最佳軸向游隙，需要結(jié)合輸出軸工作環(huán)境和條件，評(píng)估軸承壽命對(duì)各環(huán)境條件的敏感程度，軸承自身耐久應(yīng)力極限和滾子與滾道接觸應(yīng)力外,其使用壽命還與環(huán)境因素相關(guān)，常用壽命修正系數(shù)aISO[3]衡量，其關(guān)系可表達(dá)如下：

式中：e0為污染系數(shù)；cu為疲勞載荷極限,N；P為壓強(qiáng),kPa；κ為黏度比。

具體函數(shù)關(guān)系跟軸承滾子類型和κ有關(guān)，其中，κ為黏度比，由潤(rùn)滑油實(shí)際運(yùn)動(dòng)黏度ν與參考運(yùn)動(dòng)黏度ν1比值確定。

結(jié)合偏航驅(qū)動(dòng)輸出軸工作條件和公式（1）可得出κ范圍，具體數(shù)值如表1所示。

表1 偏航驅(qū)動(dòng)齒輪箱輸出軸工作條件

從不同κ對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式和對(duì)應(yīng)曲線圖表可以看出：當(dāng)κ＜0.1時(shí)，潤(rùn)滑劑污染系數(shù)和滾子接觸應(yīng)力對(duì)修正系數(shù)影響可忽略不計(jì)，如圖3所示。

圖3 徑向滾子軸承aISO變化趨勢(shì)

偏航驅(qū)動(dòng)輸出軸工作轉(zhuǎn)速極低，潤(rùn)滑劑清潔度等級(jí)變化、潤(rùn)滑油脂黏度變化對(duì)軸承壽命影響可以忽略不計(jì)，軸承壽命主要取決滾子接觸應(yīng)力。在載荷和輸出軸部件本構(gòu)關(guān)系確定后，軸承游隙變化可引起滾子接觸應(yīng)力變化，進(jìn)而得出控制軸承游隙來(lái)優(yōu)化軸承使用壽命的方法是準(zhǔn)確可靠的。

在軸承預(yù)緊過(guò)程中，擰緊圓螺母產(chǎn)生的軸向力需要克服軸承內(nèi)圓與軸頸過(guò)盈產(chǎn)生壓力和軸承變形產(chǎn)生的軸向力。各扭矩級(jí)輸出軸按照規(guī)定力矩?cái)Q緊圓螺母可獲得軸向負(fù)游隙范圍如表2所示，按照規(guī)定力矩?cái)Q緊圓螺母，所獲得負(fù)游隙總體偏小且波動(dòng)范圍較大。同時(shí)，克服過(guò)盈量所需的軸向力、用于軸承產(chǎn)生負(fù)游隙的預(yù)緊力、軸承獲得的軸向負(fù)游隙等參數(shù)如表3所示。

表2 不同力矩下擰緊圓螺母所獲軸向游隙

表3 不同力矩下克服過(guò)盈量所需軸向力、軸承產(chǎn)生負(fù)游隙預(yù)緊力、軸承所獲軸向負(fù)游隙

3 偏航驅(qū)動(dòng)輸出軸負(fù)游隙的調(diào)節(jié)

為了能夠較為準(zhǔn)確地評(píng)估預(yù)緊后輸出軸部件所獲得的軸向負(fù)游隙，現(xiàn)擬采用測(cè)量空載時(shí)輸出軸部件啟動(dòng)力矩的方式來(lái)評(píng)估軸向負(fù)游隙范圍。其原理為輸出軸啟動(dòng)扭矩等于油封的摩擦扭矩Mseal和軸承摩擦扭矩Mbearing之和。摩擦扭矩Mseal計(jì)算公式如下：

式中：dsh為軸頸直徑，mm。

針對(duì)無(wú)密封圈軸承，軸承摩擦力矩Mbearing的計(jì)算公式如下：

式中：Mrr為滾動(dòng)摩擦扭矩，N·m；Msl為滑動(dòng)摩擦扭矩，N·m；Mdarg為拖拽、攪動(dòng)、飛濺導(dǎo)致的摩擦扭矩，N·m。

在給定軸向負(fù)游隙值情況下，結(jié)合軸承幾何參數(shù)和所承載當(dāng)量載荷及潤(rùn)滑環(huán)境可計(jì)算出輸出軸啟動(dòng)所需摩擦扭矩。在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，則通過(guò)測(cè)量啟動(dòng)力矩評(píng)估輸出軸部件所獲得的軸向負(fù)游隙。

輸出軸部件軸向負(fù)游隙為0.2～0.3mm，不同輸出部套零件空載時(shí)的摩擦扭矩如表4所示，不同力矩下滑動(dòng)摩擦扭矩、拖拽摩擦扭矩、總摩擦扭矩如表5所示。

表4 不同輸出部套零件空載時(shí)的摩擦扭矩

表5 不同力矩下滑動(dòng)摩擦扭矩、拖拽摩擦扭矩、總摩擦扭矩

由表4、表5可知，在生產(chǎn)執(zhí)行過(guò)程時(shí)可以不再考慮圓螺母擰緊力矩與擰緊系數(shù)的關(guān)系和波動(dòng)問題，只需調(diào)節(jié)擰緊力矩使輸出軸部套的啟動(dòng)摩擦扭矩處于一定范圍便可保證輸出軸所處的負(fù)游隙范圍，具有操作性好、直觀性強(qiáng)等特點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

盡管文章提出了偏航輸出軸部套最佳軸向負(fù)游隙值及其較為直觀、操作性強(qiáng)的評(píng)估方法，然而由于圓螺母扭矩系數(shù)波動(dòng)范圍較大，按照同一范圍扭矩值擰緊圓螺母也會(huì)導(dǎo)致軸向預(yù)緊不足或過(guò)預(yù)緊，因此需要反復(fù)調(diào)節(jié)圓螺母扭矩值和測(cè)量摩擦扭矩。由于偏航齒輪箱屬于大批量、流水線生產(chǎn)，因此摩擦扭矩測(cè)量勢(shì)必會(huì)增加檢測(cè)工位，上述兩種因素均會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)節(jié)拍減緩。為了減少裝配過(guò)程中圓螺母力矩值調(diào)整次數(shù)、摩擦扭矩的測(cè)量數(shù)，需要采取相應(yīng)措施，如貼應(yīng)變片測(cè)量圓螺母擰緊力矩與軸向力的關(guān)系，明確公司特定條件下圓螺母扭矩系數(shù)的范圍，并采取一定改善措施，如螺紋涂抹，以此縮小扭矩系數(shù)的變化范圍，從而縮小圓螺母預(yù)緊誤差范圍以加快生產(chǎn)進(jìn)度。