摘要：行星齿轮变速箱具有结构刚度大、齿间负荷小、传动比大、结构紧凑、载荷容量大、传动效率高、便于实现动力或自动换档等优点,目前在大、中型工程机械中得到广泛应用。行星齿轮变速箱由基本行星排通过连接件组成的动力传动元件,通过换档离合器组成换档操纵元件实现换档。对行星变速箱分析就是对已知的传动方案进行运动和动力分析,作为进一步齿轮、轴以及轴承等零件设计的基础。
关键词：行星齿轮；变速箱；设计
引言：
在现代汽车、坦克、自行火炮、工程机械和履带车辆等机械传动设备中已较广泛地应用了行星齿轮变速箱。行星齿轮变速箱与普通齿轮变速箱相比较，它的优点是结构紧凑，尺寸小、重量轻，传动比大，传动效率高，承载能力大，换档轻便、迅速，容易实现自动换档等。行星齿轮变速箱一般是由控制元件和行星齿轮变速机构等组成。
1 行星变速箱最佳传动方案的评价标准和设计要求
(1)能较准确地实现各档传动比。
(2)传动效率要高,特别是常用档。前进档传动效率应不低于0.95,后退档传动效率应不低于0.87。
(3)各构件转速和轴承相对转速不应过高,特别是闭锁离合器、行星齿轮的相对转速不得超过允许值。
(4)行星排特性参数α的值应在4/3≤α≤4下列范围之内。相邻行星排的α值不要相差太大,以利变速箱结构设计。
(5)结构比较简单,外形尺寸要小。对构件连接的要求是:相邻行星排同名构件连接最好;其次是行星架与齿圈连接,太阳轮与行星架的连接;齿圈与太阳轮的连接最不好,应力求避免。
2二自由度行星变速箱最佳方案设计
(1)确定变速箱自由度,决定行星排数和操纵件数。
(2)判断每个行星排的构成和行星排参数α。组合行星排并废除不能实现全部传动比的行星排组合。有n个非直接档,就需要n个行星排组成一个传动方案,在剩下的行星排中任选n个为一组,然后列表分析,废除不能实现全部传动比的行星排组合。
(4)对每一方案的行星排合理地排列顺序,并绘出行星排构件的连接图。
(5)布置直接档离合器,并对每一方案进行结构评比。从简图上定性地按外形尺寸、套轴层数、构件形状、诸行星排α值接近程度等方面进行列表比较。
(6)进行传动比效率、转速、转矩等分析,结果列表。
根据以上分析从结构工艺性、运动学、动力学等方面进行分析评价,选择最佳传动方案。
3对行星变速箱分析
对行星变速箱分析就是对已知的传动方案进行运动和动力分析作为进一步齿轮、轴以及轴承等零件设计的基础。具体地对变速箱分析的任务有:
(1)自由度分析,目的是分析实现一个确定的传动比,需要结合几个操纵元件。
(2)档位分析,求可能实现的档位数和各档传动比。
(3)转速分析,求变速箱各档工作时,各旋转构件和操纵元件的空转相对转速,从而得知变速箱工作过程中旋转构件的最高转速和结合元件最高相对空转转速。
(4)扭矩分析,求变速箱各档工作时,行星排的组成元件及操纵元件的传递扭矩。
4行星差动变速箱
行星差动变速箱以 ZK － H 型行星齿轮传动为主，采用无径向支承的鼓形齿联轴器的太阳轮浮动，实现行星轮间的均载作用。它具有 2 个自由度，可用于作业动作的组合和分解。
行星差动变速箱通过 2 个不同的输入端输入动力，利用差动功能包将功率分配到海陆侧卷筒上，差动变速箱的陆侧端通过万向节作横行同步连接。根据不同的作业工况，工作时，由起升、开闭电机输入动力到差动变速箱的太阳轮带动行星架驱动卷筒，实现起升或开闭动作;由行走电机输入动力到大齿圈带动行星架驱动卷筒，实现小车运行。
作业的1个工作循环是:空抓斗从料斗上方移动到船舱上方－抓斗下降抓料－抓斗带料上升－移动到料斗上方放料。可以看出，作业时陆侧的起升开闭钢丝绳受力要大于海侧的钢丝绳。抓斗在船舱抓料后，开闭绳是松弛的，海陆侧起升绳受力提起抓斗，在到达一定高度后，陆侧起升和开闭绳受力，拉动主小车移到料斗上方。但实际上，根据电气上的PLC设置，陆侧起升开闭绳受力是不同步的，开闭绳要落后于起升绳，使陆侧开闭绳初始受力远小于陆侧起升绳。抓斗从船舱起升到额定高度后移往料斗去时，这一瞬间受力最大，导致陆侧起升绳受力远大于其余3根绳。这种情况的出现，使装在后大梁尾部的测力滑轮组上的2个过载保护传感器之一起升滑轮组的传感器频频动作，而不得不将其设定值调得比开闭滑轮组的大。从这几年的钢丝绳更换记录也可以看出，在同样的作业条件下，陆侧起升绳平均更换周期为300万t，而其余3根可以达到400～450万t。
但是在设计时，为了保证差动变速箱的通用性，通常以起升开闭绳同时受力进行计算，对上述情况没有考虑或者考虑不足，这是导致起升变速箱陆侧差动功能包容易损坏的原因。
进一步分析可知，该故障的始发点最有可能是在高速轴上的太阳轮的两端，即接手和另一端轴承:
(1)太阳轮支撑轴承先破坏，因为此轴承与孔是间隙配合，工作时有可能走外圈或受径向冲击，导致轴承外壳碎裂，碎片掉入功能包内。
(2)与太阳轮连接的联轴节在交变应力作用下产生疲劳开裂，有小块金属脱落，脱落的金属块卡到功能包内。
以上2种情况都会导致内太阳轮与行星轮之间卡死，破坏不断扩大，齿面剧烈碰撞使得大齿圈产生了很大的内应力，在拆下一个端盖时，整个大齿圈裂开。
5行星差动变速箱的改造
(1)在满足强度要求、改动最小的前提下，对接手齿形联轴节外形尺寸 B = 254(mm，下同)不做改动，将联轴节内齿的尺寸 A 由219 缩小到189，齿套的壁厚由19 增大到32． 5，内齿宽75 不变，尺寸 C 由 112 增大到 127，D 由 126 增大到 141。
(2)内齿接手齿数和配套的太阳轮的外齿数相应地由 34 改为 30，并改进热处理工艺。考虑到材料 42CrMo 含碳量较高，将其调质硬度由 HB230 ～250 改为 HB270 ～ 290，表面淬火 HRC50 ～ 55，有效硬化深度为 1． 8 ～2． 5 mm。再提高齿面硬度和增大外啮合角的角度变位，并将齿顶由平直形改为圆弧形，以提高齿形联轴节传动的承载能力。经过分期分批对 UL5 ～ UL7 的内齿接手的齿形联轴节及太阳轮进行改造，并对改造后的支持变速箱行星齿轮齿面进行不定期的检查，使用 3 年多来，再没有发生类似的故障，证明此改造是成功的。
结束语：
本文介绍的行星齿轮变速箱分析方法及应用,通用性强,可对工程机械及各种工程车辆常用的行星变速箱进行分析,对于开发新产品以及对现有产品的分析评价都有一定的指导意义。
参考文献：
[1]尹明,钟毅芳.行星变速箱换档过程模拟方法研究[J].车辆与动力技术.2017(04)
[2]杜秀菊,王兴贵.基于行驶仿真试验的行星减速机动力学仿真[J].机械传动.2016(01)
[3]饶振纲.行星齿轮变速箱的设计研究[J].传动技术.2015(03)
论文作者:王军
论文发表刊物:《基层建设》2018年第36期
论文发表时间:2019/2/28
标签：行星论文; 变速箱论文; 齿轮论文; 传动比论文; 抓斗论文; 转速论文; 太阳论文; 《基层建设》2018年第36期论文;