電動叉車減速器系統(tǒng)阻力研究與優(yōu)化設計

劉志新

摘要：電動叉車靠蓄電池作為能源輸入，因電池自身特性及容量的不同，最大限度地提高叉車的續(xù)航能力，提升各部件效率迫在眉睫。電動叉車的能量消耗除了電機自身的發(fā)熱、起重系統(tǒng)中油液熱量產(chǎn)生的能量損失等，傳動系統(tǒng)減速器的系統(tǒng)阻力不容忽視。本文基于對減速器系統(tǒng)阻力的主要影響因素分析，從齒輪、軸承、潤滑等方面探討了降低系統(tǒng)阻力的解決方案。

關鍵詞：系統(tǒng)阻力;傳動效率;減速器

1? 減速箱系統(tǒng)阻力的主要影響因素及分析

電動叉車減速器用于牽引電機與驅(qū)動橋之間，主要由殼體、齒輪、軸承、傳動軸及密封件等構成。減速器的作用是減速增扭，滿足車輛的行駛需求。

系統(tǒng)阻力直接決定傳動效率，傳動效率的影響主要體現(xiàn)在能量傳遞上，減速箱的傳動效率越高，傳遞的能量損失的越少。電動叉車減速器能量損失主要有軸承傳動摩擦力矩損失和齒輪攪油帶來的摩擦損失。

1.1 軸承傳動摩擦力矩損失

1.1.1 軸承傳動摩擦力矩損失理論分析

軸承用以支撐定位回轉(zhuǎn)的軸類，被普遍應用在各種機械傳動中。軸承傳動時產(chǎn)生的摩擦力矩，是考慮各種要素，對軸承運轉(zhuǎn)期間形成的阻力矩，影響了軸承的功率損耗、發(fā)熱量，最終決定軸承壽命。目前對軸承摩擦力矩的研究與分析，主要采取試驗與理論相結合的方式，使用最普遍的是Harris TA經(jīng)驗公式。

Harris TA的經(jīng)驗公式分為兩部分：不受載荷影響的M0與受載荷影響的Ml。其中M0主要取決于軸承的類型、潤滑劑的運動粘度及軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)速等因素，而Ml主要與軸承類型、所受載荷等有關。

1.1.2 影響軸承傳動摩擦力矩損失主要因素

根據(jù)以上分析得知，軸承的摩擦力矩損失主要影響因素為軸承的類型、潤滑劑的運動粘度、轉(zhuǎn)速及所受載荷等。

1.2 齒輪攪油損失

1.2.1 齒輪攪油損失理論分析

攪油損失，指齒輪及其附屬件，因浸油回轉(zhuǎn)，須擺脫油液的束縛，而出現(xiàn)的功率損耗。只要與潤滑油發(fā)生接觸的回轉(zhuǎn)部件（如軸、齒輪等）就會存在攪油損失。

對其產(chǎn)生影響的因素主要有：油的運動粘度大小、轉(zhuǎn)速快慢、系統(tǒng)溫度高低、旋轉(zhuǎn)件尺寸及浸油深度等。一般來說，功率損失跟隨齒輪轉(zhuǎn)速的提升、浸油深度的變大而變大。有關試驗研究表示，齒輪運轉(zhuǎn)時，高速端產(chǎn)生的攪油損失幾乎能占據(jù)齒輪傳動累計產(chǎn)生的總功率損失的一半左右。

1.2.2 影響齒輪攪油損失主要因素

由公式（7）可知，減速器攪油損失主要影響因素為潤滑油的粘度v、攪油齒輪的分度圓直徑D和浸油因子fg，輸入轉(zhuǎn)速n對攪油損失也產(chǎn)生較大影響。

①潤滑油粘度v。轉(zhuǎn)速n和溫度T保持不變，隨潤滑油流動粘度v的遞增，攪油損失P加大，進而功率損失更多。

②齒輪的分度圓直徑D。由公式（7）可得，當其它因素一定時，分度圓直徑D越大，攪油損失越大。

③浸油因子fg。浸油因子fg范圍在0-1之間，其計算公式為：

式中，d為旋轉(zhuǎn)齒輪的齒頂徑，h為齒輪的浸油深度。

由計算公式（8）得知，對于同一個齒輪，浸油深度h越大，浸油因子fg越大，攪油產(chǎn)生的損失越大，進而產(chǎn)生的功率損失更多。

2? 減速器優(yōu)化設計

本節(jié)將對影響減速器傳動效率的主要原因-軸承摩擦損失、齒輪攪油損失兩方面優(yōu)化設計。

2.1 軸承摩擦損失優(yōu)化設計

軸承摩擦損失指軸承工作時，滾子和內(nèi)外圈軌道、滾子和保持器之間有相對運動產(chǎn)生摩擦而引起的損失。在產(chǎn)品的設計中，應考慮安裝軸的轉(zhuǎn)速、受力情況及載荷性質(zhì)，合理選擇軸承的類型。

2.1.1 軸承的降阻優(yōu)化

因電動叉車對噪聲要求較高，減速器的齒輪通常采用斜齒輪，其傳動更平穩(wěn)。而斜齒輪因存在螺旋角，在動力傳遞時會有軸向力存在，通常采用圓錐滾子軸承承。因圓錐滾子軸承使用特性要保證合理的軸承負游隙，即適當預緊使軸承承載角擴大，有更多的滾子參與承載，最大接觸應力減小，能夠提高軸承壽命。但是這樣會使系統(tǒng)的啟動摩擦力矩增加。

分析滾動軸承的使用特點，一般的向心球軸承，使用時通常不用調(diào)整軸向游隙，僅作軸向固定，四點接觸球軸承就是其中之一。四點接觸球軸承能一并承擔軸向和徑向的合成負荷，還能承擔雙向軸向負荷，對雙向位移給予定位，允許轉(zhuǎn)速非常高且軸向位移小。采用四點接觸球軸承來替代圓錐滾子軸承，可以減少軸承摩擦損失。

2.1.2 軸承的摩擦損失計算

下面以圓錐滾子軸承32915與四點接觸球軸承6215為例理論分析。

四點接觸球軸承的當量載荷P0，計算公式為：

P0=Fr+0.58Fa? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（9）

四點接觸球軸承摩擦系數(shù)f1，計算公式為：

f1=0.001（P0/C0）0.33? ? ? ? ? ? ? ? ? （10）

式中，C0為額定靜載荷。

根據(jù)Harris TA經(jīng)驗公式見式（1）～式（6），并結合公式（9）與式（10）粗略計算結果如表1。相關系數(shù)的選取可查閱軸承手冊。

根據(jù)表1，從軸承選型上可以降低摩擦功率損失，因此對于同樣的使用工況，潤滑劑類型、載荷已定，軸承的選型方面可以有降阻的空間。

2.2 攪油損失優(yōu)化設計

減速器攪油損失的影響要素主要有油的流動粘度v、齒輪的分度圓直徑D和浸油因子fg。潤滑油粘度和浸油因子的改善主要在潤滑油油品和油量方面，對于齒輪分度圓直徑方面，對旋轉(zhuǎn)件進行輕量化、小型化設計，以達到減速攪油損失的目的。

2.2.1 潤滑油油品類型及油量優(yōu)化

叉車減速器通常選用重載車輛齒輪油潤滑，相當于美國API的GL-5。選擇潤滑油要考慮齒輪類型、負載、最低工作溫度及系統(tǒng)運行最高溫度等，在滿足粘度要求的前提下，盡量選擇粘度牌號低的潤滑油，粘度牌號過高會導致系統(tǒng)阻力大。

不同牌號的潤滑油油品類型及特性不同，粘度較大的油品，其油液中的磨粒懸浮在油液中，不僅容易造成齒輪的齒面磨粒磨損，同時油液粘度過大，齒輪運轉(zhuǎn)時攪油的阻力會變大，導致摩擦生熱，而使功率消耗相應增加，進而使傳動的效率降低，一般情況，每當油品的粘度等級增加一個型號，因其產(chǎn)生的能耗就會相繼增加約1-5%不等，因此合理選擇潤滑油的類型對提升傳動效率有重要的意義。

油量的選擇也會影響到攪油阻力。油量多時，齒輪旋轉(zhuǎn)帶動大量油液會不停地攪動，增加齒輪轉(zhuǎn)動的扭矩，同時還伴有熱量產(chǎn)生，使傳動系統(tǒng)的效率降低。

2.2.2 小型化設計

從攪油損失影響因素可知，齒輪運轉(zhuǎn)攪油產(chǎn)生的損失與其分度圓直徑D呈正比關系，所以在產(chǎn)品設計時盡量減小旋轉(zhuǎn)件的尺寸，減小攪油損失。

3? 結語

本文主要對減速器的系統(tǒng)阻力進行了理論研究分析，對傳動效率提升提供參考意見。首先分析了影響系統(tǒng)阻力的主要因素，并從軸承摩擦力矩損失、齒輪攪油損失兩方面研究并優(yōu)化。軸承方面，軸承的摩擦力矩損失主要影響因素為軸承的類型、潤滑劑的運動粘度、轉(zhuǎn)速及所受載荷等，對于同樣的使用工況，轉(zhuǎn)速、載荷已定，可以從軸承的選型與潤滑劑類型方面降阻設計。

齒輪攪油損失方面，主要對潤滑油加注油量、油品粘度、旋轉(zhuǎn)件尺寸提供降阻優(yōu)化方案，在滿足使用要求的前提下，盡可能選擇粘度牌號低的潤滑油、選擇合理的加注油量，并且建議產(chǎn)品設計時進行小型化、輕量化設計，可減少不必要的能量損失。

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