偏航齒輪箱輸出軸部套軸向預緊及評估方法優化

重慶齒輪箱有限責任公司，重慶 402263

1 偏航齒輪箱輸出軸結構分析

偏航齒輪箱是用于驅動偏航大齒輪的減速增扭裝置，目前大多數偏航驅動齒輪箱輸出軸采用懸臂支撐，如圖1所示。懸臂支撐的齒輪副嚙合狀況（尤其是齒寬方向）與輸出軸輪齒部位撓度偏差值密切相關。在傳遞載荷、輸出軸材料、幾何尺寸、軸承型號及支撐位置均無法進一步優化的情況下，優化軸承游隙可降低撓度偏差值，從而減小輪齒齒向補償修形，避免過度補償修形引起齒寬方向齒厚及齒面硬度差異過大，如圖2所示。然而軸承游隙與軸承運行壽命有著密切關系，不合理的游隙會大幅降低軸承使用壽命，設計時需要在保證使用壽命的前提下盡量降低輪齒補償修形量，以此減輕齒面過度修形帶來的負面影響[1]。

圖1 偏航驅動輸出軸支撐型式

圖2 游隙與齒向偏差變量

目前公司偏航齒輪箱輸出軸支撐方式為懸臂支撐，兩端為背靠背的配對圓錐滾子軸承。為了獲得足夠軸向負游隙以保證輸出軸部件剛度，要求預緊后輸出軸軸向游隙為-0.1～0mm，通過采用擰緊圓螺母對輸入端軸承進行軸向預緊來實現，對圓螺母（規格M150及以下）擰緊力矩為1000～1300N·m，對圓螺母（規格M150以上）擰緊力矩為1700～2000N·m。

由圖1可知，輸出軸部件軸向游隙為0時，軸承壽命和輪齒兩端偏差值均可進一步優化，-0.1～0mm并不是最佳軸向游隙范圍；由于圓螺母扭矩系數未知，同時無法通過測量軸向竄動量（測量正游隙采用方法之一）檢測實際軸向游隙值，僅靠規定圓螺母擰緊力矩無法保證有效的軸向負游隙范圍，存在軸承過緊的風險,需要有效的手段評估預緊效果[2]。

2 偏航驅動輸出軸部件軸向游隙的運算

為了獲得偏航驅動輸出軸部件最佳軸向游隙，需要結合輸出軸工作環境和條件，評估軸承壽命對各環境條件的敏感程度，軸承自身耐久應力極限和滾子與滾道接觸應力外,其使用壽命還與環境因素相關，常用壽命修正系數aISO[3]衡量，其關系可表達如下：

式中：e0為污染系數；cu為疲勞載荷極限,N；P為壓強,kPa；κ為黏度比。

具體函數關系跟軸承滾子類型和κ有關，其中，κ為黏度比，由潤滑油實際運動黏度ν與參考運動黏度ν1比值確定。

結合偏航驅動輸出軸工作條件和公式（1）可得出κ范圍，具體數值如表1所示。

表1 偏航驅動齒輪箱輸出軸工作條件

從不同κ對應的計算公式和對應曲線圖表可以看出：當κ＜0.1時，潤滑劑污染系數和滾子接觸應力對修正系數影響可忽略不計，如圖3所示。

圖3 徑向滾子軸承aISO變化趨勢

偏航驅動輸出軸工作轉速極低，潤滑劑清潔度等級變化、潤滑油脂黏度變化對軸承壽命影響可以忽略不計，軸承壽命主要取決滾子接觸應力。在載荷和輸出軸部件本構關系確定后，軸承游隙變化可引起滾子接觸應力變化，進而得出控制軸承游隙來優化軸承使用壽命的方法是準確可靠的。

在軸承預緊過程中，擰緊圓螺母產生的軸向力需要克服軸承內圓與軸頸過盈產生壓力和軸承變形產生的軸向力。各扭矩級輸出軸按照規定力矩擰緊圓螺母可獲得軸向負游隙范圍如表2所示，按照規定力矩擰緊圓螺母，所獲得負游隙總體偏小且波動范圍較大。同時，克服過盈量所需的軸向力、用于軸承產生負游隙的預緊力、軸承獲得的軸向負游隙等參數如表3所示。

表2 不同力矩下擰緊圓螺母所獲軸向游隙

表3 不同力矩下克服過盈量所需軸向力、軸承產生負游隙預緊力、軸承所獲軸向負游隙

3 偏航驅動輸出軸負游隙的調節

為了能夠較為準確地評估預緊后輸出軸部件所獲得的軸向負游隙，現擬采用測量空載時輸出軸部件啟動力矩的方式來評估軸向負游隙范圍。其原理為輸出軸啟動扭矩等于油封的摩擦扭矩Mseal和軸承摩擦扭矩Mbearing之和。摩擦扭矩Mseal計算公式如下：

式中：dsh為軸頸直徑，mm。

針對無密封圈軸承，軸承摩擦力矩Mbearing的計算公式如下：

式中：Mrr為滾動摩擦扭矩，N·m；Msl為滑動摩擦扭矩，N·m；Mdarg為拖拽、攪動、飛濺導致的摩擦扭矩，N·m。

在給定軸向負游隙值情況下，結合軸承幾何參數和所承載當量載荷及潤滑環境可計算出輸出軸啟動所需摩擦扭矩。在實際生產時，則通過測量啟動力矩評估輸出軸部件所獲得的軸向負游隙。

輸出軸部件軸向負游隙為0.2～0.3mm，不同輸出部套零件空載時的摩擦扭矩如表4所示，不同力矩下滑動摩擦扭矩、拖拽摩擦扭矩、總摩擦扭矩如表5所示。

表4 不同輸出部套零件空載時的摩擦扭矩

表5 不同力矩下滑動摩擦扭矩、拖拽摩擦扭矩、總摩擦扭矩

由表4、表5可知，在生產執行過程時可以不再考慮圓螺母擰緊力矩與擰緊系數的關系和波動問題，只需調節擰緊力矩使輸出軸部套的啟動摩擦扭矩處于一定范圍便可保證輸出軸所處的負游隙范圍，具有操作性好、直觀性強等特點。

4 結束語

盡管文章提出了偏航輸出軸部套最佳軸向負游隙值及其較為直觀、操作性強的評估方法，然而由于圓螺母扭矩系數波動范圍較大，按照同一范圍扭矩值擰緊圓螺母也會導致軸向預緊不足或過預緊，因此需要反復調節圓螺母扭矩值和測量摩擦扭矩。由于偏航齒輪箱屬于大批量、流水線生產，因此摩擦扭矩測量勢必會增加檢測工位，上述兩種因素均會導致生產節拍減緩。為了減少裝配過程中圓螺母力矩值調整次數、摩擦扭矩的測量數，需要采取相應措施，如貼應變片測量圓螺母擰緊力矩與軸向力的關系，明確公司特定條件下圓螺母扭矩系數的范圍，并采取一定改善措施，如螺紋涂抹，以此縮小扭矩系數的變化范圍，從而縮小圓螺母預緊誤差范圍以加快生產進度。