蔡軍

（龍工（福建）橋箱有限公司，福建 龍巖 364000）

驅動橋作為裝載機底盤傳動系統(tǒng)的重要組成部分，近年來，其故障率一直居高不下，故障主要表現(xiàn)在輪邊減速器齒輪易出現(xiàn)斷齒，裝載機作業(yè)區(qū)域較廣且分散，若出現(xiàn)齒輪故障，其維修成本較大，售后費用較大，因此故障改進對公司的效益提升有重要意義。

1 故障現(xiàn)象及分析

輪邊齒輪故障主要表現(xiàn)在行星輪、太陽輪斷齒，具體如圖1。

圖1 輪邊齒輪故障現(xiàn)象

故障分析：通過分析故障件齒輪材料、熱處理及其金相組織未發(fā)現(xiàn)有異常現(xiàn)象，從故障照片可發(fā)現(xiàn)，齒斷裂均發(fā)生在齒根部位，分析原因為齒根彎曲強度不足，在遇到重載工況時在齒根部位形成微裂紋，最終齒輪斷裂。

2 改進措施

根據故障圖片分析，故障主要因齒輪彎曲強度不能滿足重載工況的要求，經分析，在不改變齒輪安裝尺寸前提下提升齒輪彎曲強度方法有：（1）采用性能更優(yōu)的齒輪材質；（2）增大齒輪的壓力角；（3）優(yōu)化齒輪加工工藝參數，提高齒面和齒根部粗糙度；（4）優(yōu)化齒輪加工刀具參數，設計非標滾刀，采用單圓弧滾刀加工。

根據以上方案，分析如下：（1）目前輪邊齒輪材料采用20CrMnTi，若選用更好材料，如22CrMo、20CrNi3 時，成本增加很多且改進效果不明顯；（2）目前齒輪采用20°壓力角，ZF 部分工程驅動橋采用24°壓力角，理論上壓力角增大可提高齒輪彎曲疲勞壽命，但是壓力角變化，齒輪整個參數需要重新設計，驗證周期長，暫不考慮；（3）優(yōu)化齒輪加工工藝參數，提高齒面和齒根粗糙度，可以避免前期齒輪形成微裂紋的風險，該方案可行。（4）目前輪邊行星輪和太陽輪采用滾剃齒工藝，滾刀采用國家標準的設計，根據國家標準普通滾刀采用雙圓弧設計，該設計齒根圓角較小，按照0.2 的齒根圓角系數，在重型汽車為了增加齒輪強度，通常采用單圓弧滾刀設計。為此我司聯(lián)合刀具廠家進行重新設計刀具，改進前滾刀齒頂R 角R1.3，改進后滾刀齒頂R 角3.893，用該滾刀加工可大大增大齒輪根部圓角，減小齒輪根部應力。

圖2 改進前滾刀齒形

圖3 改進后滾刀齒形

行星輪齒根圓角增大時還要考慮與其嚙合的內齒圈的齒根過渡曲線干涉問題，解決該問題可通過幾種方案解決：（1）采用瑞士Kisssoft 齒輪設計軟件進行干涉檢查，該軟件可將齒輪刀具參數輸入生成齒形，再通過干涉檢查模塊進行分析檢查，為使齒輪正常粘合，保證重合度不小于1 的前提下，通過調整齒頂高系數，增大齒頂圓直徑，確保齒根過渡曲線不干涉，該方案直觀，通過軟件可從模型中檢查是否干涉；（2）應用理論計算，確保齒輪重合度，增大內齒圈齒頂圓直徑，避免輪邊齒輪運轉時內齒圈齒頂干涉到行星輪齒根過渡曲線，這種方法更簡單，可直接計算結果。這里我們采用第二種方案。根據齒輪設計手冊，為保證內嚙合傳動為避免過渡曲線干涉，內齒圈齒頂高根據如下公式計算：ha=（ha*-Δha*）m，式中Δ，經計算Δha*=0.095，ha=（0.8-0.095）×6.5=4.5825，根據齒頂高計算公式，計算可得優(yōu)化后的內齒圈齒頂高系數為0.7。

原輪邊總成齒輪參數：太陽輪、行星輪、內齒圈齒數分別為15、18、51。模數6.5，壓力角20，齒頂高系數均為0.8，齒根高系數1.1，行星輪和內齒圈重合度1.56。優(yōu)化后內齒圈齒頂高由0.8 更改為0.7，優(yōu)化后行星輪和內齒圈重合度1.42。

為驗證其改進效果，利用ansysworkbench 有限元分析軟件進行分析優(yōu)化前后的齒輪齒根應力情況結果。模型生成后導入到ansysworkbench 進行分析，工況條件按照太陽輪輸入3000N.m。分析如下：

圖4 分析狀態(tài)

圖5 太陽輪優(yōu)化前分析結果

圖6 行星輪優(yōu)化前分析結果

圖7 太陽輪優(yōu)化后分析結果

圖8 行星輪優(yōu)化后分析結果

經分析，優(yōu)化后太陽輪齒根應力下降9.3%，行星輪齒根彎曲應力下降6.3%，實際應用因齒根圓角粗糙度的提升，疲勞壽命提升25%以上，產品全部切換改進后，經過兩年多的市場驗證，未發(fā)現(xiàn)一起因行星輪、太陽輪引起的輪邊齒輪損壞故障，改進效果明顯，現(xiàn)已針對驅動橋齒輪進行全部切換單圓弧齒根工藝。

3 結語

本文介紹了5 噸裝載機驅動橋故障情況，通過充分分析其故障原因，從工藝、設計、過程控制等方面，針對差速器齒輪及輪邊減速器齒輪進行故障改進，改進優(yōu)化后，改善明顯。