變矩器與變速箱萬向傳動聯接結構分析

陳昌尾 何 柳 黃新源 解 放

(中國船舶重工集團公司第七一一研究所, 上海 201108)

0 引言

在設計通過萬向傳動節兩端與變矩器輸出軸、變速箱輸入相連接的聯軸節時，不僅要考慮兩者之間傳動連接尺寸的要求，還要知道萬向節與聯軸節安裝工藝的特定要求，才能設計好聯軸節與輸入、輸出軸的安裝結構。

1 問題描述

在設計SD7液力機械變矩器性能試驗的工裝中，將原出廠試驗臺架輸入端的皮帶輪改為聯軸節，借用皮帶輪安裝結構中的平鍵和螺栓及壓板，聯軸節與輸入軸為固定安裝結構，如圖1所示。聯軸節再與萬向節固定連接，萬向節另一端聯軸節與傳感器輸出端的接盤固定連接。

當開始做性能試驗，電機以每分鐘兩千轉的速度帶動SD7液力機械變矩器旋轉時，幾十秒后，試驗臺架輸入端就冒出青煙，馬上停車，檢查蓋很燙，輸入軸轉不動，蓋和環咬住了。等蓋冷卻后，擰下蓋的螺栓，蓋和環還是卡在一起，要拆開萬向節，由于此處萬向節兩端聯軸節都是固定安裝結構，拆卸很不方便，試驗臺架必須移開點距離才拆下萬向節。再拆下蓋和環看里面軸承，還算好，及時停車，軸承沒壞。只需將咬毛的環外圓車光還可安裝使用。

當再安裝時，輸入軸上的聯軸節不用螺栓和壓板壓住，使聯軸節與輸入軸的安裝結構變為滑動安裝結構，這樣安裝萬向節就方便，不用移動試驗臺架。再做性能試驗，試驗臺架輸入端一點也不發燙了，性能試驗順利完成。

為什么改變了聯軸節與輸入軸的安裝結構，由固定改為滑動后，就排除了故障隱患，試驗臺架的輸入端就不再發燙、冒青煙了？

2 分析原因

在推土機用液力變矩器的輸出端或輸入端，都用萬向節來做傳動聯接。分析推土機中萬向節兩端聯軸節與輸入、輸出軸的安裝結構，了解推土機中液力變矩器、變速箱和萬向節的安裝工藝，有助于找到以上問題的原因。

圖1 試驗臺架輸入端聯軸節安裝結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the installation structure of the coupling end of the test bench

2.1 推土機中萬向節兩端聯軸節與輸入、輸出軸的不同安裝結構

TY220推土機中用萬向節將液力變矩器輸出端與變速箱輸入端連接起來，液力變矩器輸出端聯軸節與輸出軸的安裝結構如圖2所示，聯軸節的內花鍵插進輸出軸的外花鍵，到安裝位置后，還可向里移動10毫米，聯軸節與輸出軸是滑動安裝結構。變速箱輸入端的聯軸節與輸入軸的安裝結構是固定安裝結構，在輸入軸端面用螺栓和壓板壓住聯軸節。所以萬向節兩端聯軸節與輸入、輸出軸的安裝結構是不同的，一端是固定安裝結構，另一端是滑動安裝結構。萬向節兩端聯軸節的不同安裝結構與推土機中變速箱和萬向節的裝配工藝密切相關。

圖2 聯軸節滑動安裝結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of sliding joint installation structure

2.2 變速箱和萬向節的裝配工藝

萬向節兩端聯軸節的不同安裝結構取決于推土機的裝配工藝，在安裝固定好發動機和液力變矩器后，為保證變速箱輸入軸軸線與液力變矩器輸出軸軸線同軸度的安裝要求，先確定變速箱安裝的位置，保證兩端聯軸節中間距離有萬向節的安裝寬度，再校調變速箱輸入軸軸線與液力變矩器輸出軸軸線的同軸度在φ0.5毫米之內，固定好變速箱后，再安裝連接變矩器輸出端和變速箱輸入端的萬向節。

在安裝萬向節時，萬向節兩端的液力變矩器和變速箱都已是安裝固定好不能再移動的，如果兩端的聯軸節也都是固定安裝結構的話，由于聯軸節上止口臺階高出安裝平面4毫米，允許萬向節裝入兩聯軸節中間的寬度比萬向節的安裝寬度小了8毫米，萬向節無法裝入兩固定的聯軸節中。只有一端的聯軸節是滑動安裝結構，并可向液力變矩器內移動8毫米以上，萬向節才能裝入兩聯軸節中。萬向節裝入兩聯軸節中后，聯軸節再移回來，萬向節鑲嵌進兩端聯軸節的止口定位中，再擰緊螺栓。這就是萬向節的安裝過程和裝配的特定要求。

萬向節兩端聯軸節與輸入、輸出軸設計成不同的安裝結構，是為了滿足裝配中的兩個必要條件：

① 向節兩邊變矩器和變速箱是不可移動的；

② 萬向節與聯軸節止口定位連接的結構，決定了萬向節裝入兩聯軸節的寬度要比其安裝寬度大8毫米以上。

所以萬向節兩端聯軸節與輸入、輸出軸的安裝結構要設計成一端固定、另一端滑動的組合安裝結構。

2.3 試驗臺架輸入端發燙、冒煙的原因分析

有一種意見認為：是由于萬向節兩端輸出軸和輸入軸安裝不同心，萬向節旋轉后造成輸入軸偏心，環與蓋之間的間隙小于偏心才產生摩擦，造成試驗臺架的輸入端發燙、冒青煙，與軸承無關，只要將環的外圓車小1毫米，就不再會發生這種故障。實際這種出廠試驗臺架共制造了5臺，4臺都已用在出廠試驗臺上，應該說，皮帶拉動皮帶輪產生輸入軸的偏心比萬向節不同心旋轉產生的偏心量要更大，根據已用于出廠試驗的4臺試驗臺架的輸入端都未出現發燙、冒青煙的情況，可以判斷這種原因發生的概率不大。更有道理的原因應該是：萬向節兩端聯軸節與輸入、輸出軸的安裝結構，由兩端都固定，改為一端固定一端滑動，才使這種故障不再發生。以下來分析萬向節兩端聯軸節與輸入、輸出軸都是固定安裝結構時，安裝萬向節的過程和細節。

在安裝萬向節時，由于萬向節兩端聯軸節與輸入、輸出軸都是固定安裝結構，為滿足萬向節裝入兩聯軸節的寬度要比其安裝寬度大8毫米以上的必要條件，萬向節兩邊的試驗臺架和傳感器底座，就必須有一邊是可移動的。由于傳感器與電動機聯成一體是不可移動的，只好移動試驗臺架。

在萬向節裝入兩邊聯軸節之中后，必須移動試驗臺架靠近萬向節，由于萬向節在中間，試驗臺架不可能正好移到安裝位置，還差點距離就移不動了，這時擰緊萬向節和聯軸節的連接螺栓，靠螺栓擰緊的拉力，將聯軸節拉到安裝位置，同時聯軸節和輸入軸通過軸承也要拉試驗臺架到安裝位置，由于試驗臺架和變矩器整體非常重，靠螺栓擰緊的拉力很難拉動到位，此時試驗臺架中的軸承就處于很大的軸向拉力之中。由于軸向拉力與旋轉方向垂直，在檢查時不用多少力就可轉動萬向節，這樣以為安裝沒問題，就安裝固定好試驗臺架。

當開始做性能試驗，電機以每分鐘兩千轉的速度帶動變矩器旋轉時，試驗臺架里處于很大軸向拉力之中的軸承很快就發熱，由于環是鋁的，熱漲系數大，當軸承發熱時，環受熱膨脹，再加上萬向節不同心旋轉產生的偏心量，環與蓋就發生摩擦，冒出了青煙。還算好，及時停車，軸承沒壞。

從以上萬向節安裝過程和故障發生過程的分析，萬向節兩端聯軸節與輸入、輸出軸都是固定安裝結構的設計，存在著隱患。由于安裝時未注意消除軸承上的軸向拉力，致使旋轉時，軸承發熱，這是造成這次故障的主要原因。所以當再安裝時，輸入軸上的聯軸節不再用螺栓和壓板壓住，使聯軸節與輸入軸的安裝結構變為滑動安裝結構。這樣輸入軸上的軸承不再受到軸向拉力的影響，恢復到自然狀態，因此，再做性能試驗時，試驗臺架的輸入端就一點也不發燙了，保證了試驗順利完成。

3 結論

常用萬向節兩端聯軸節與輸入、輸出軸的安裝結構有三種。

第一種是兩端都固定的安裝結構。這種結構的缺點有兩條。第一條，安裝、拆卸不方便，必須整體移動萬向節某一端的設備。第二條，如果安裝不當，會使輸入、輸出軸上的軸承處于軸向拉力之中。當輸入、輸出軸旋轉時，軸承會很快發熱，如果潤滑不及時就會燒壞軸承，即使潤滑及時，也會加快軸承磨損，減少軸承使用壽命。

第二種是兩端都滑動的安裝結構。這種結構雖然安裝方便，但萬向節會在中間來回竄動，會加快磨損、加大噪音。

第三種是一端固定另一端滑動的組合安裝結構。這種結構滿足了萬向節特定結構的安裝要求，不會影響萬向節兩端物體的安裝位置，也不會影響兩端物體中軸承的可靠性和使用壽命。一般設計萬向節兩端聯軸節與輸入、輸出軸的安裝結構就應該選擇這種一端固定另一端滑動的組合安裝結構。

以上雖然是從分析變矩器中萬向節的結構、安裝工藝和設計試驗工裝中得到的經驗，但這種經驗對工程機械產品中設計同類型萬向節兩端聯軸節與輸入、輸出軸的安裝結構也有很好的借鑒意義。