行走马达 RV减速装置的研制
2015-06-12眭小利
□ 眭小利
常州轻工职业技术学院 江苏常州 213164
工程机械液压挖掘机是靠一对行走马达装置驱动行走的,而行走马达是集液压马达、RV(Rotate Vector)减速装置、液压阀、停车制动装置于一体的高度集成化和小型化的走行驱动装置,其中RV减速装置为行走马达产品的关键部件。RV减速装置结构紧凑,采用行星齿轮及RV摆线针轮减速机构,具有非常好的抗冲击性和回转精度,减速比大,使用寿命长。
RV减速装置属于高端技术产品,被国内挖掘机生产厂家广泛采用,并逐渐应用到更广泛的机械设备领域,但目前国内还不能提供性能可靠的RV减速装置产品,主要依赖进口。为了适应我国工程机械行业的快速发展,利用国内某公司的技术优势,对行走马达RV减速装置进行开发具有重要的现实意义。
1 主要技术参数
行走马达RV减速装置的主要技术参数为:①环境温度-10~+45℃;② 最大输出扭矩34 300 N·m;③最高输出速度60 r/min;④ 速比44.87;⑤ 制动扭矩398 N·m。
2 工作原理及结构特点
RV减速装置结构如图1所示,核心为RV传动机构,由渐开线圆柱齿轮行星减速机构(第一减速部)和摆线针轮行星减速机构(第二减速部)两部分组成。它对液压马达的高速低转矩回转进行减速,变换成低速大转矩,使链轮毂回转,带动链轮旋转,从而通过履带传动来驱动整机走行。RV传动作为一种新型的二级封闭式、少齿差行星传动,从结构上看有如下特点。
(1)传动机构可置于行星架的支撑组架内,故传动的轴向尺寸可以大大缩小。
(2)采用二级减速机构,处于低速级的摆线针轮行星传动更加平稳,同时由于转臂轴承个数的增多且内外环相对转速的下降,其寿命将大大提高。
(3)只要设计合理,保证制造和装配精度,就可以获得很高的运动精度和很小的回差。
(4)扭转刚度大,RV传动的输出机构是采用两端支承的尽可能大的刚性圆盘类零件,其扭转刚度远大于一般摆线减速器的输出机构 (多为悬臂梁结构);摆线针轮是硬齿面的多齿啮合,针齿不用两或三支点,而用半埋齿圆柱面,因而啮合刚度大,抗冲击性能也会大大提高。
(5)传动比大,即使摆线轮齿数不变,只要改变渐开线啮合齿轮的齿数,也可以得到多级传动比。
(6)传动效率高,通常可达到85%~92%。
3 关键技术
由文献[1]可知,曲轴的偏心误差、摆线轮上轴承孔的偏心误差、摆线轮周节累积误差、链轮毂上针齿销孔位置累积误差等因素对传动误差的影响较大。由文献[2]可知,不同误差的组合方式对RV减速装置传动精度的灵敏度影响也不尽相同,因此,研制RV减速装置时对关键零件的设计、加工工艺和装配工艺要重点考虑。
3.1 摆线轮的设计与制造
▲图1 RV减速装置结构图
摆线轮为带有3个轴承孔、3个工艺孔和多个外摆线齿的盘类零件,厚度薄,渗碳淬火热处理后的有效硬化层较深,表面硬度较高,但热处理变形控制难度较大。同时成对组装的两个摆线轮有较为严格的错位位置要求,制造难度较大,需研制专用工装和制定合理的加工工艺。
根据机构误差分析得出的 “相对杆长误差应同向分布”结论,一对摆线轮上3个轴承孔的相对位置精度(即杆长误差)对运动精度的影响较大,而不是每个零件的绝对位置精度。因此,加工时,先将摆线轮的3个轴承孔加工好,然后依此为基准,加工摆线齿和行星组架零件上相对应的3个轴承孔,从而可以有效保证齿形精度和对应组孔的相对位置精度。
摆线轮齿形修形采用负等距与负移距组合方法,加工时,重点控制摆线轮齿的相邻周节和周节累积误差,采用专用工装将由数控成形磨床加工好的3个轴承孔中的2个孔进行定位装夹,由夹具保证定位精度;摆线齿形成对加工,并做好相应标记,组装时成对使用。成品经专用检测设备检测,符合设计要求。
3.2 曲轴的设计与制造
曲轴为带有偏心挡和渐开线外花键的轴类零件,其偏心距、偏心部相位、偏心部平行度、轴径处同轴度、渐开线花键与同侧偏心部的位置对应关系要求都很高。同时,根据相对杆长误差应同向分布原则,在曲轴加工过程中,一定要保证3个同侧偏心部轴颈的偏心距公差在符合设计要求的同时,还要保证其偏心距偏差应为同向分布。
曲轴加工工艺难度非常大,制造难点为:① 热处理过程外花键变形及尺寸稳定性控制;②外花键一齿槽应与靠近花键端偏心部位的最低处位置对应一致,角度偏差≤1′;③两个偏心挡偏心位置相差180°±1′。采用进口专用曲轴磨床磨削,外花键磨齿后采用中心孔双顶尖装夹,专用工装定位,利用渐开线花键齿槽球针定位和在线检测技术,一次完成磨削两个曲轴偏心挡及两端轴承挡,保证曲轴偏心部的相位精度及一致性、外花键与同侧偏心部的位置对应关系。
3.3 链轮毂的设计与制作
链轮毂为RV减速装置传动输出的主体,属于薄壁铸件,外形尺寸相对较大,为了保证24-φ23 mm针齿销孔和2-φ355 mm主轴承孔的机械加工精度要求,故加工工艺难度较大。
由于24-φ23 mm针齿销孔不足半圆,正常加工时刀具振动较大,精度难以保证,故毛坯设计为完整孔加工,并留出余量,以保证完整孔加工精度。主要工序用加工中心加工,采用定中心后用钻、镗、铰工艺加工出完整的针齿销孔,然后采用线切割加工,最后可得到符合图纸针齿销孔孔径、圆度、垂直度、孔中心位置度、表面粗糙度等设计要求的半圆孔,各个工序间注意消除组织内应力。上、下端部2-φ355 mm主轴承孔采用一次装夹精镗加工,可保证轴承孔间的同轴度要求。
▲图2 进口RV机构与试制部件组装后试验温度时间曲线
▲图3 试制RV机构与进口部件组装后试验温度时间曲线
▲图4 进口产品试验温度时间曲线
▲图5 试制产品试验温度时间曲线
链轮毂针齿销孔表面采用离子喷涂MoS2+Sb2O3涂层膜,厚度15~20 μm。喷涂前预处理,以保证涂层与基体材料的密接性和粘结强度,且耐油性较好。其中MoS2涂层膜是一种综合性能很好的固体润滑膜,作为固体润滑剂,它不仅摩擦因数小、承载能力大、耐磨性好,而且还具有与基材的黏附力强、蒸发率低、耐辐射等优点[3],但是随着温度升高,MoS2会发生氧化,而加入Sb2O3就是为了提高MoS2的抗氧化性。同时Sb2O3对于MoS2还具有良好增效作用,能提高MoS2涂层膜的抗摩擦与磨损性能[4]。
3.4 曲轴几何稳定性控制
曲轴零件在服役过程中的尺寸变化会导致RV减速装置回差精度下降,接触应力上升。通过系统设计曲轴零件的预备热处理工艺、淬火工艺和深冷工艺,确保控制残余奥氏体含量≤1%,从而可有效保证零件全寿命周期内的尺寸稳定性,同时提高曲轴基体硬度、疲劳强度和耐磨性,有效保证零件全寿命周期内高精度运行的功能稳定性。
4 组装与试验
4.1 组装及试验方法
对研制成功的行走马达RV减速装置,为了能够与进口产品进行有效的比对分析,制定组装及试验方案为:分别对试制产品与进口产品进行空载型式试验,将试制产品与进口产品的关键部件互换组装后再进行空载型式试验。
4.2 试验目的
为确保研发产品的可靠性,在组装好后,需要按照试验大纲要求对其各项性能进行空载型式试验,合格后才能装车考核,目的是为了试验轴承和齿轮润滑状态的好坏、密封的可靠性、轴承的温升、噪声等。
4.3 试验结果
产品的空载型式试验在专用液压试验台上进行,采用整机实际使用工况时的转速,其中图2、图3分别为试制的RV机构与进口产品互换后再试验的温度时间曲线,图4、图5分别为进口产品和试制产品试验后的温度时间曲线。
对上述不同组装后产品的试验结果进行分析比对可知,4种组装方案产品型式试验过程中,RV减速装置运行平稳,温升、噪声指标正常,密封可靠,润滑良好,总体性能良好,各项指标均符合设计要求。对试制产品与进口产品的空载型式试验结果进行比较分析可知,在相同的试验条件及要求下,两者的温度时间曲线非常接近,温升基本相同。
2012年10月,两台样机产品装车使用,截至目前,行走马达RV减速装置使用情况良好,没有发现其它异常情况,完全满足了产品设计和液压挖掘机的使用要求。
5 结论
(1)通过误差分析与制造工艺研究,掌握了摆线轮、曲轴、链轮毂关键零件设计与制造的关键技术,有效保证了行走马达RV减速装置的成功研制。
(2)型式试验、装机考核及实际应用表明,研制的行走马达RV减速装置,运行平稳,密封可靠,噪声及轴承温升正常,完全满足了设计及使用要求。
[1] 刘玉婷.RV减速器的传动误差分析 [D].大连:大连交通大学,2012.
[2] 竹振旭,董海军,韩林山,等.误差组合方式对RV型减速机传动精度的灵敏度分析 [J].机械设计,2008,25(10):69-72.
[3] 陈焘,郭等柱,万志华,等.掺杂Sb2O3/Au对MoS2溅射膜抗氧化性能的影响 [J].真空与低温,2000(4):195-200.
[4] 张延帅,周晖,万志华,等.靶功率对射频磁控溅射制备MoS2-Sb2O3复合薄膜结构和性能的影响[J].润滑与密封,2011,36(7):70-74.