矿用自卸车驱动桥主减速器优化设计

胡兴宇 杨桂英

1．南宁银象房地产开发有限责任公司 广西南宁 530000

2．山东双一科技股份有限公司 山东德州 253000

1 矿用自卸车概述

矿山自卸车是非公路自卸车。它们是用于在大型露天煤矿和水利工程等非公路户外场所运输煤矿和砂岩的自卸卡车。在土木工程中，常与挖掘机、装载机、带式输送机等施工机械联合作业，形成装卸生产线，并对土方、砾石、散料等进行装卸作业。2005年，国际矿用汽车市场容量约1300辆，总载重约20亿吨。

自矿用电动轮自卸车1963年发明以来，经过30多年的不断改进和采用大量的新技术、新材料和新工艺,重型矿山电动轮自卸卡车作为汽车中的新品种已发展成熟，及其装载质量从第一辆车的77吨上升到目前的317．5吨。

此外，不是越大的车辆吨位越好。根据澳大利亚专业统计，露天自卸车的吨位从220吨到240吨是最好的。在此范围内，单位运输成本最低。

2 矿用自卸车驱动桥主减速器的作用

矿用自卸车驱动桥减速器的主要功能是降低车速，增加扭矩，以满足车辆工作和行驶的需要。因此，更适合采用螺旋锥齿轮传动。锥齿轮的主要特点：齿啮合多，齿间压力分布好，啮合平稳，噪音低。此外，由于可以使小齿轮的齿数变少，在大齿轮相同外径的情况下可以得到较大的传动轴传动比，即在相同的传动轴传动比下可以减小传动轴的尺寸。

3 矿用自卸车驱动桥主减速器优化设计

Romax软件是世界上比较完整的轴承、变速箱和机械传动系统仿真和产品设计分析软件。它可以用于齿轮传动系统的建模和分析，也可以用于详细的部件(轴、齿轮、轴承、箱体的强度和可靠性分析、行星载体等)，也可以用于传动系统的振动和噪声分析。本文以大型矿用电动轮驱动桥减速器的齿轮参数优化为目标。利用RoMax软件建立了系统模型。在不同工况下，考虑了系统各弹性部分的变形对齿轮啮合的影响。对齿形进行修正，得到理想的齿形数据，显著提高了齿轮接触和弯曲安全系数。

3.1 驱动桥减速器的建模与加载

驱动桥减速器传动系统采用两级行星传动（第二级为定轴齿轮系）。由于其传动方式和特性与行星传动相似，只有行星载体和行星轴是固定的。本文介绍行星传动，第一级有3个行星齿轮，第二级有4个行星齿轮，主要由齿轮副、轴承、传动轴、行星载体和箱体组成。输入是由一个电动马达驱动,功率流是传送到第一级航母C1和第一阶段的内圈通过一期太阳齿轮的啮合齿轮R1S1和第一级行星齿轮P1和第一阶段的航母C1传播阶段的太阳齿轮S2。二级太阳齿轮S2与二级行星齿轮P2啮合，并传送给二级环齿轮R2。第二行星载体C2固定，第一内环齿轮R1与第二内环齿轮R2同时输出。

（1）驱动桥减速器的建模。Romax软件用于模型系统,轴的几何模型、行星架、轴承和齿轮分别建立,根据定义的相互位置关系是每个轴上的齿轮和轴承的安装位置和联系承运人和销的位置。定义行星载体的空间坐标位置。在第一级太阳齿轮与电机轴的交界处设置一个输入功率负载，在第二环齿轮上设置一个输出功率负载。在两个环形齿轮与轮辋连接的地方，各设一个。在Pro/Engineer中创建一个包含两个行星载体、两个盒子和两个环形齿轮弹性轴的三维实体模型，导入Hypermesh中定义的材料属性，进行有限元网格划分，然后划分网格模型导入Romax。

（2）计算参数的定义和加载。首先，对于模型的齿轮参数展开设置，包含各齿轮的材质、有关几何参数与性能参数、采用系数的计算、温度、润滑剂、粗糙度、精度等级、测量准则等。接着有适当设置轴承的间隙。于电压情况之下，作为要用作测量的每个条件设立了特定的设置。本文以此全负荷当作典型工况起展开计算分析，仿真各齿轮于该典型工况之下的工况，测量该工况之下齿轮的安全系数。跨轴减速器的设计寿命剧情为5年，装载制动为5%的工作时间（比例大，但是负荷小，对于齿轮寿命冲击最为小），乃测量2160h。该工况匹配的转矩为25．9，功率作为350r/min。

3.2 齿轮修形

全负荷制动工况模拟分析表明，于这种典型工况之下，二次太阳齿轮齿面于齿宽方向的偏置更为严重。此时认识安全系数作为1．047，弯曲安全性。系数是1。41。于装载起动条件之下，考量到其它工作条件，齿轮是齿形的。齿形修正之后，齿轮的最为小单位线载荷显著增大，改由原来的1540N/mm增大到1279N/mm，位置改由齿边行进到齿心，承载面积亦比较完美。认识安全系数作为1．203，弯曲。安全系数作为2．107。

3.3 试验验证

改进设计师完工之后，研磨安装的两台驱动桥减速器于试验台之上背靠背展开试验，并且依据设计师之中研究的载荷谱读取(装载开启、装载失速、伞兵等)。对于效率、振荡、噪声、油温等余项试验数据的测试表明，该跨轴减速器全然符合设计要求。试验完，拆解驱动桥减速器，查看驱动桥减速器内部的齿轮啮合情况，啮合区域的蓝油(组装时，在齿面涂抹蓝油)在齿轮啮合过程中被去除，只有四周的齿轮啮合非接触区域剩下少许蓝油，可以看出齿轮的啮合区域与仿真计算吻合。

3.4 结语

该驱动桥减速器中共有11只齿轮，18只轴承，2只行星架，7只行星销，2只箱体，受到的工况和载荷比较复杂，用传统的方法很难分析系统的变形及其对齿轮啮合的影响。通过应用Romax仿真分析软件建立模型，并根据载荷谱，综合考虑驱动桥减速器的系统变形对齿轮啮合的影响，并对齿轮的齿向和齿廓进行修形，得到理想的齿轮修形数据，明显提高齿轮接触、弯曲安全系数。该软件还可以对模型中的轴承、轴等受力件进行计算和分析，对导入其中的有限元模型进行强度计算等。通过样机的型式试验验证，试验结果与仿真结果吻合，说明用此方法进行大型驱动桥减速器的优化设计是比较可靠的。