偏航齿轮箱输出轴部套轴向预紧及评估方法优化

重庆齿轮箱有限责任公司，重庆 402263

1 偏航齿轮箱输出轴结构分析

偏航齿轮箱是用于驱动偏航大齿轮的减速增扭装置，目前大多数偏航驱动齿轮箱输出轴采用悬臂支撑，如图1所示。悬臂支撑的齿轮副啮合状况（尤其是齿宽方向）与输出轴轮齿部位挠度偏差值密切相关。在传递载荷、输出轴材料、几何尺寸、轴承型号及支撑位置均无法进一步优化的情况下，优化轴承游隙可降低挠度偏差值，从而减小轮齿齿向补偿修形，避免过度补偿修形引起齿宽方向齿厚及齿面硬度差异过大，如图2所示。然而轴承游隙与轴承运行寿命有着密切关系，不合理的游隙会大幅降低轴承使用寿命，设计时需要在保证使用寿命的前提下尽量降低轮齿补偿修形量，以此减轻齿面过度修形带来的负面影响[1]。

图1 偏航驱动输出轴支撑型式

图2 游隙与齿向偏差变量

目前公司偏航齿轮箱输出轴支撑方式为悬臂支撑，两端为背靠背的配对圆锥滚子轴承。为了获得足够轴向负游隙以保证输出轴部件刚度，要求预紧后输出轴轴向游隙为-0.1～0mm，通过采用拧紧圆螺母对输入端轴承进行轴向预紧来实现，对圆螺母（规格M150及以下）拧紧力矩为1000～1300N·m，对圆螺母（规格M150以上）拧紧力矩为1700～2000N·m。

由图1可知，输出轴部件轴向游隙为0时，轴承寿命和轮齿两端偏差值均可进一步优化，-0.1～0mm并不是最佳轴向游隙范围；由于圆螺母扭矩系数未知，同时无法通过测量轴向窜动量（测量正游隙采用方法之一）检测实际轴向游隙值，仅靠规定圆螺母拧紧力矩无法保证有效的轴向负游隙范围，存在轴承过紧的风险,需要有效的手段评估预紧效果[2]。

2 偏航驱动输出轴部件轴向游隙的运算

为了获得偏航驱动输出轴部件最佳轴向游隙，需要结合输出轴工作环境和条件，评估轴承寿命对各环境条件的敏感程度，轴承自身耐久应力极限和滚子与滚道接触应力外,其使用寿命还与环境因素相关，常用寿命修正系数aISO[3]衡量，其关系可表达如下：

式中：e0为污染系数；cu为疲劳载荷极限,N；P为压强,kPa；κ为黏度比。

具体函数关系跟轴承滚子类型和κ有关，其中，κ为黏度比，由润滑油实际运动黏度ν与参考运动黏度ν1比值确定。

结合偏航驱动输出轴工作条件和公式（1）可得出κ范围，具体数值如表1所示。

表1 偏航驱动齿轮箱输出轴工作条件

从不同κ对应的计算公式和对应曲线图表可以看出：当κ＜0.1时，润滑剂污染系数和滚子接触应力对修正系数影响可忽略不计，如图3所示。

图3 径向滚子轴承aISO变化趋势

偏航驱动输出轴工作转速极低，润滑剂清洁度等级变化、润滑油脂黏度变化对轴承寿命影响可以忽略不计，轴承寿命主要取决滚子接触应力。在载荷和输出轴部件本构关系确定后，轴承游隙变化可引起滚子接触应力变化，进而得出控制轴承游隙来优化轴承使用寿命的方法是准确可靠的。

在轴承预紧过程中，拧紧圆螺母产生的轴向力需要克服轴承内圆与轴颈过盈产生压力和轴承变形产生的轴向力。各扭矩级输出轴按照规定力矩拧紧圆螺母可获得轴向负游隙范围如表2所示，按照规定力矩拧紧圆螺母，所获得负游隙总体偏小且波动范围较大。同时，克服过盈量所需的轴向力、用于轴承产生负游隙的预紧力、轴承获得的轴向负游隙等参数如表3所示。

表2 不同力矩下拧紧圆螺母所获轴向游隙

表3 不同力矩下克服过盈量所需轴向力、轴承产生负游隙预紧力、轴承所获轴向负游隙

3 偏航驱动输出轴负游隙的调节

为了能够较为准确地评估预紧后输出轴部件所获得的轴向负游隙，现拟采用测量空载时输出轴部件启动力矩的方式来评估轴向负游隙范围。其原理为输出轴启动扭矩等于油封的摩擦扭矩Mseal和轴承摩擦扭矩Mbearing之和。摩擦扭矩Mseal计算公式如下：

式中：dsh为轴颈直径，mm。

针对无密封圈轴承，轴承摩擦力矩Mbearing的计算公式如下：

式中：Mrr为滚动摩擦扭矩，N·m；Msl为滑动摩擦扭矩，N·m；Mdarg为拖拽、搅动、飞溅导致的摩擦扭矩，N·m。

在给定轴向负游隙值情况下，结合轴承几何参数和所承载当量载荷及润滑环境可计算出输出轴启动所需摩擦扭矩。在实际生产时，则通过测量启动力矩评估输出轴部件所获得的轴向负游隙。

输出轴部件轴向负游隙为0.2～0.3mm，不同输出部套零件空载时的摩擦扭矩如表4所示，不同力矩下滑动摩擦扭矩、拖拽摩擦扭矩、总摩擦扭矩如表5所示。

表4 不同输出部套零件空载时的摩擦扭矩

表5 不同力矩下滑动摩擦扭矩、拖拽摩擦扭矩、总摩擦扭矩

由表4、表5可知，在生产执行过程时可以不再考虑圆螺母拧紧力矩与拧紧系数的关系和波动问题，只需调节拧紧力矩使输出轴部套的启动摩擦扭矩处于一定范围便可保证输出轴所处的负游隙范围，具有操作性好、直观性强等特点。

4 结束语

尽管文章提出了偏航输出轴部套最佳轴向负游隙值及其较为直观、操作性强的评估方法，然而由于圆螺母扭矩系数波动范围较大，按照同一范围扭矩值拧紧圆螺母也会导致轴向预紧不足或过预紧，因此需要反复调节圆螺母扭矩值和测量摩擦扭矩。由于偏航齿轮箱属于大批量、流水线生产，因此摩擦扭矩测量势必会增加检测工位，上述两种因素均会导致生产节拍减缓。为了减少装配过程中圆螺母力矩值调整次数、摩擦扭矩的测量数，需要采取相应措施，如贴应变片测量圆螺母拧紧力矩与轴向力的关系，明确公司特定条件下圆螺母扭矩系数的范围，并采取一定改善措施，如螺纹涂抹，以此缩小扭矩系数的变化范围，从而缩小圆螺母预紧误差范围以加快生产进度。