綜合傳動裝置轉向機構可靠性分析與改進

馬 彪，王 赫，鄭長松，陽仁奇

（1.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081；2.陸軍裝備部駐湘潭地區某軍事代表室，湖南 湘潭 411100）

1 引言

綜合傳動裝置的可靠性不僅直接決定了坦克裝甲車輛的動力性能，而且對車輛任務執行、戰場發揮和車內人員安全保障等具有至關重要的作用［1］。因此，對綜合傳動裝置進行可靠性分析，保障車輛能夠在設計工況下穩定正常的運行，是進行軍事裝備設計與升級改進的重要任務目標［2］。

目前對綜合傳動裝置的可靠性分析采用多種方法綜合的技術手段，其目的是在系統角度全面評估裝置使用性能，使得裝置能夠在維修、更換成本、故障影響等因素盡量低的條件下，滿足在各種工況下的使用需求。可靠性分析的首要任務是可靠性建模、分配、預計［3］，其分配方法可分為無約束條件的分配方法，如評分分配法、AGREE 分配法［4］、工程加權分配法等，以及有約束條件的分配方法，如直接尋找法、拉格朗日乘數法［5］、最小成本分配法和動態規劃法［6］等。

國內外相關學者對綜合傳動裝置的可靠性開展了大量研究。文獻［7］基于油液光譜分析，分別以最少維護成本、最大可用度為目標建立了裝置的維護決策模型。郭少偉以可用度為目標約束條件，建立了綜合傳動裝置可靠性維修分配模型。文獻［8］基于GO法對復雜系統的可靠性進行建模、分析、分配和評估。文獻［9］采用改進的層次分析法對綜合傳動裝置進行可靠性分配的方法，對準則層到方案層的分配引入等級評價規則，并對不同等級分配相應的分度值。文獻［10］針對綜合傳動裝置中的液壓控制系統，利用模糊數學模型完成可靠性分配。文獻［11］利用有限元對綜合傳動裝置懸置支撐的可靠性進行評估，并結合拓撲優化實現懸架輕量化設計。

綜合傳動裝置作為多種傳動部件的高度集成系統，對其進行全面的可靠性分析是復雜且艱巨的任務。這里聚焦于某型綜合傳動裝置中的轉向機構，根據其在定型試驗和日常使用中的出現的故障問題，對其進行綜合可靠性分析，并針對主要問題做出優化與改進，同時通過實驗驗證改進后的轉向機構可靠性。

2 基本結構與工作原理

某型綜合傳動裝置系統結構框圖，如圖1所示。主要分為變速機構、轉向機構及匯流排、液壓系統與操縱電控系統等部分。其與發動機飛輪殼體對接相連，可實現動力傳動裝置整體吊裝。動力由飛輪經彈性聯軸器傳至變速機構中，并通過左右匯流排的齒套內花鍵齒輪經傳動半軸向車輛左右側減速器輸出。轉向泵由一軸齒輪驅動，將動力傳至太陽輪后與匯流排齒圈匯流。

圖1 某綜合傳動裝置結構示意圖Fig.1 Schematic Diagram of PSST

轉向機構是綜合傳動裝置中傳遞轉向功率流以實現液壓無級轉向性能的部件，通過調節變量馬達排量進行兩側主動輪的轉速調節，完成車輛的轉向功能。其原理，如圖2所示。

圖2 轉向機構液壓系統原理圖Fig.2 Schematic Diagram of the Hydraulic System of Steering Mechanism

轉向機構作為綜合傳動裝置中的關鍵部件，對車輛轉向與行駛動力性起著至關重要的作用，其使用壽命與工作的可靠程度直接影響到車輛整體的可靠性。在產品的定型試驗與日常使用中，轉向機構存在一定程度的可靠性問題，其故障率占綜合傳動裝置總故障的11.11%。這一故障發生頻率明顯較高，制約到整車可靠性的提高，因此，有必要對綜合傳動裝置中的轉向機構進行可靠性分析，并針對已知問題進行改進和試驗驗證。

3 轉向機構可靠性分析

可靠性建模、分配、預計是裝備可靠性通用要求的三個重要工作項目，對于該型綜合傳動裝置而言，其采用了模塊化設計，各組別既是功能模塊也是結構模塊，因此各個組別作為最小可更換單元。可靠性建模包括可靠性框圖和相應的數學模型。就該型綜合傳動裝置來說，其可靠性框圖是全串聯模型，具體框圖，如圖3所示。

圖3 綜合傳動裝置可靠性框圖Fig.3 Reliability Block Diagram of PSST

根據其可靠性框圖可建立以下數學模型：

式中：λi—某一行駛里程下各部件故障概率；λS—傳動裝置總故障率；MTBFS—平均無故障行駛里程；RS—隨使用時間變化的部件出現故障的概率。

根據產品特點，這里選擇故障率參數法進行可靠性分配。為提高可靠性分配結果的合理性和可行性，主要考慮復雜度、技術發展水平、重要度、使用環境條件這四種因素。用此方法分配給每個產品組成部分的故障率為：

式中：Ci—第i個產品組成部分的評分數；—產品規定的故障率指標。

式中：ωi—第i個產品組成部分的評分數；ω—產品的評分數。

式中：rij—第i個產品組成部分，第j個因素的評分數：j=1代表復雜度；j=2代表技術發展水平；j=3代表重要度；j=4代表使用環境條件。

式中：i=1，2，…，n—產品數。

根據統計可獲得轉向機構可靠性指標分配。在進行可靠性分配的同時，還應對轉向機構故障模式、影響及危害性進行分析（即FMECA）［12］，該方法用于分析潛在的缺陷和薄弱環節，以便采取相應措施改進。故障模式產生的影響可用嚴酷度類別進行定性的描述，根據GJB∕Z 1391-2006以及結合綜合傳動自身工作特性，對其嚴酷度類別定義，如表1所示。

表1 綜合傳動裝置嚴酷度類別與定義Tab.1 Severity Category and Definition of PSST

在FMECA的基礎上，對轉向機構進行危害性分析（CA）。首先需要確定故障影響概率β，該概率是指轉向機構在某種故障模式下導致“初始約定層次”出現某嚴酷度等級的條件概率（如0.5）。根據GB 7826和GJB∕Z 1391-2006的推薦值以及綜合傳動裝置在裝甲車輛中使用的具體情況，確定了綜合傳動裝置故障影響概率β，如表2所示。

表2 故障影響概率Tab.2 Probability of the Failure Influence

根據表1提供的嚴酷度類別以及表2提供的故障影響概率β，最終可確定轉向機構可靠性評價，如表3所示。根據表3數據，可計算轉向機構故障模式的危害度，其公式如下：

式中：λp—轉向機構在規定工作里程內的故障率；s—規定工作里程（km），根據任務要求，轉向機構工作里程為10000km。Cm(j)—規定工作里程內轉向機構發生第j類嚴酷度類別的故障次數，上式各項參數計算后，如表3所示。

由表3可知，轉向泵、轉向馬達、連接體等零（部）件的可靠性對轉向機構的影響較大，這三種部件之中任何一個部件失效，都可直接導致整車喪失轉向性能，造成Ⅱ類故障。因此，對這三種部件的選型與設計應該認真謹慎、考慮周全，保證有較高的可靠性。由于轉向機構故障的嚴酷度和故障影響概率均較高，出現故障對整車影響較為嚴重，因此轉向機構的可靠性亟待提高。

4 可靠性改進與試驗研究

使用過程表明，轉向機構的故障現象主要為轉向連接體漏油，并導致車輛失去轉向能力的嚴重后果。經過仔細排查和探究，發現問題出現的原因主要有兩點：（1）轉向時壓力過大；（2）連接體密封件失效。該型綜合傳動裝置是借用原基礎型綜合傳動裝置的變速及轉向機構，由于設計定型時基礎型綜合傳動裝置主要裝備的裝甲輸送車戰斗全重為17.8t，而該型綜合傳動裝置裝備的通用戰斗底盤戰斗全重為（20～22）t，重量的增加致使在困難路面上原位轉向時泵馬達的壓力值過高（達（46～48）MPa），瞬時能超過48MPa，此時轉向泵進入壓力保護狀態并泄壓，致使車輛不能轉向。

另外，O 型密封圈壓縮變形量在緊固螺栓力不一致的條件下，會出現一定程度的小變形量，導致局部密封壓力低，結果導致在高壓的沖擊下O型密封圈出現損壞，并致使連接體漏油。連接體漏油的可靠性改進有賴于密封結構的改進和裝配工藝、加工質量的提高。為使綜合傳動裝置滿足22t裝甲車輛的轉向需求及相關的戰技指標要求，同時解決原綜合傳動裝置泵馬達連接體漏油問題，在保證與原綜合傳動轉向傳動齒輪互換性的條件下，轉向傳動機構做出如下更改設計，如圖4所示。

圖4 轉向機構傳動簡圖Fig.4 Transmission Diagram of Steering Mechanism

（1）將馬達輸出齒輪齒數由17齒改為16齒；

（2）將零軸齒輪齒數由25齒改為26齒；

（3）將左右匯流齒輪齒數由17齒改為16齒。

同時，為提高連接件的可靠性，提高密封件的承載能力，從連接體安裝時受力的均勻性、泵馬達安裝時連接面的垂直性等方面考慮，在設計時將原來的O型圈改為矩形圈，并改善其裝配工藝，徹底防止出現連接密封件的損壞問題，從根本上防止出現漏油現象。具體更改內容：（1）泵、馬達與箱體之間的密封由原紙墊密封更改為O型圈密封，相應更改原箱體接合位置倒角；（2）連接體與泵馬達之間的密封由原O型圈密封改為矩形圈密封，相應更改連接體密封槽接口尺寸。（3）增加安裝螺釘的防松平墊，改進擰緊工藝。

改進前后的泵馬達連接體結構圖，如圖5所示。

圖5 泵馬達連接體結構Fig.5 Pump Motor Connecting Structure

圖6 泵馬達可靠性摸底強化試驗臺Fig.6 Reliability of Pump Motor Test Bench

針對改進后的泵馬達轉向機構進行可靠性摸底試驗和強化試驗。摸底試驗主要針對泵馬達在不同工況下連續運轉能力進行試驗，試驗內容包括性能試驗、循環載荷沖擊試驗等內容；強化試驗則主要針對泵馬達在超速、高溫工況下連續運行性能進行試驗。共計開展了30h可靠性摸底試驗，100h可靠性強化試驗。具體試驗內容與結果如下：

（1）可靠性摸底試驗：在保持互換性的條件下將原O型圈改為矩形圈，增加了密封面積，有效的提高了密封的可靠性。后續試驗進行30h，此故障未再次出現。

（2）可靠性強化試驗：可靠性強化試驗的試驗時間為100h。試驗內容包性能試驗、循環載荷沖擊試驗等內容，如表4所示。

表4 泵馬達可靠性強化試驗載荷表Tab.4 Pump Motor Reliability Test Load Table

該型綜合傳動裝置的泵、馬達為外購件，在定型試驗和正常使用的故障統計中，發現轉向機構可靠性問題主要在于泵馬達連接體O型圈損壞導致的漏油。在本次可靠性改進中，主要調整轉向機構的傳動比，降低轉向工作壓力，同時提高密封元件的可靠性。試驗過程中，未出現漏油現象。通過對矩形圈等薄弱環節的部件進行拆檢分析，結果表明其表面磨損狀態正常。

泵馬達開展可靠性臺架試驗中出現的問題都已經發現原因，并找到相應的解決措施，相關更改落實到圖樣等技術文件中，改進設計在后續試驗中未發現問題，證明改進技術措施有效。

5 結論

針對某型綜合傳動裝置中的轉向機構，根據其在定型試驗與日常中出現的故障問題，對其進行全面的可靠性分析，確定轉向機構故障原因，并針對故障問題提出改進措施。改善方案經試驗驗證通過，為裝甲車輛可靠性增長提供了一個較為典型的案例。這里的主要結論：（1）轉向機構在已有的綜合傳動裝置總體故障統計中故障率為11.11%，根據FMECA方法得到的轉向機構部件最高故障度為Ⅱ類，故障影響概率β最大達0.9。這一故障率和影響程度較高，可靠性亟待改進。（2）轉向機構的故障現象主要為轉向連接體漏油。由于底盤重量增加致使轉向機構中的轉向泵壓力過高，瞬時超過48MPa后進入壓力保護狀態并泄壓，致使車輛不能轉向。另外，緊固螺栓力不一致也會導致壓力過高時O型密封圈出現損壞，影響車輛的轉向功能。（3）在本次可靠性增長方案中，主要調整轉向機構的傳動比，降低轉向泵馬達工作壓力，同時將O型密封圈更改為矩形密封圈，并改善其裝配工藝。在改進后的泵馬達轉向機構可靠性和耐久性試驗中，未出現故障問題，證明轉向機構可靠性已滿足要求，改進技術措施有效。