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一体式行星轮轴承组件（PLANET PAC）：通过集成提高行星轮系功率密度和性能

　　作者：Douglass Lucas　供稿：铁姆肯公司

　　摘要：行星轮系一般都配有跨式安装的行星惰轮，它们由行星架的销轴支承。这些行星架有整体式或两片式的设计。传统上，很多额定功率较高的行星齿轮系统都使用了圆柱滚子轴承。本文意欲证明，在一个集成化的组件内，使用预载的圆锥滚子轴承对于这种应用而言应该是优先选择。它能增加轴承的承载能力、提高功率密度、延长疲劳寿命。根据 DIN281-4 的计算，在不改变行星轮空间尺寸的情况下，采用了整体集成专利技术 [1] 的轴承寿命可高达非集成技术的 6 倍，超出半集成技术的1.5 倍之多。
　　前言——行星轮系的设计挑战
　　行星轮系特别适合在一个紧凑的空间里达到较高的减速比。图1所示为圆柱滚子轴承在一个典型的跨装行星惰轮中的应用。
　　由于功率密度较高，行星轮系被设计人员广为使用，整合到各类设备中，包括汽车变速箱、路外设备主减速器、风力涡轮机齿轮箱和水泥立磨齿轮箱等等。
　　正如任何其它形式的功率传动系统那样，在设计阶段工程师为了确保系统的高可靠性，面临着很多分析层面的挑战。如果是行星轮系，由于公转和自转零部件传递功率时存在复杂的相互作用，将使这个问题更为复杂，更具挑战性。

　　然而对于所有设备而言，出于经济因素的考虑，提高功率密度和可靠性是一个永恒的话题。PLANET PAC 一体式行星轮轴承组件的使用能在进一步利用现有设计的基础上增强设备可靠性，使设计更改的费用Z小化。另一方面，其更高的功率密度可以使设计变得更为紧凑，从而减少成本和重量。
　　什么是一体式行星轮轴承组件（PLANET PAC）？
　　传统的高功率行星齿轮组包含有一个齿轮、两个外圈、两个内圈、两列滚动体，两个保持架和一个行星架销轴。有些场合下，还可含带隔圈或开口环。多数情况下，使用 99% 可靠性或 L1 疲劳寿命来计算齿轮的寿命，而支承齿轮的轴承则使用 90% 可靠性、L10 疲劳寿命来计算。
　　有些齿轮箱制造商已经在他们的行星轮系中半集成了轴承。图2展示了半集成的解决方案，这种技术就是将轴承的外圈和齿轮做成一体。该设计的指导原则是将推荐的齿轮轮缘厚度定义为齿轮模数的一个比例，比如说是齿轮模数的三倍。通过改变这个比例值，可以增大轴承的节圆直径和滚子直径，从而提高轴承的承载能力和疲劳寿命。

　　利用现代轴承技术的优势和进一步零部件的集成化，就可能实现极高功率密度的设计。如图 3 所示，这样的集成包括齿轮同轴承外圈的集成以及行星架销轴同轴承内圈的集成。满装的滚子采用了一种专利涂层 ES300，以防止滚子之间的金属粘结。这就是一体式行星轮轴承组件。在这种特殊的设计中，行星架必须是两片式的，由螺栓固定在一起以完成系统的组装。这样的设计免去了两个轴承的内外圈、一个隔圈和四个接触表面。没有了这些接触面，也就避免了潜在磨擦腐蚀以及对轴承游隙设定的影响，而这种影响会导致轴承的过早失效。该设计还将一个附加的挡圈集成到组件内，用于控制轴承游隙的设定。此外，该组件还可加入强制油润滑等附加特性。

　　有些齿轮箱制造商可能采用整体式行星架。这种设计所使用行星架的侧壁与两片式的类似，但它们是不可分离的。齿轮只能在两个固定的侧壁之间滑动。有一根销轴穿过轴承的内圈将轴承和齿轮固定到位。如图4所示，在该情况下， Planet Pac无法将销轴和内圈做成一体。然而，可集成一个挡圈来设定轴承的游隙，并满装采用ES300涂层的滚子以增加轴承组件

的功率密度。

　　要提高轴承的承载能力，有三种方法：增加滚子数量，增大滚子尺寸或是轴承的节圆直径。这种设计和结构上的创新能在径向和轴向上增强行星齿轮系统的功率密度。
　　通过将内圈集成到轴上，位于滚子下方轴的截面将相应增加，应力则会降低。此外，行星架的销轴直径能保持原有尺寸，所以弯曲和剪切应力不会增加。然而，这种集成方式会在销轴和行星架接触面处形成直角。这就要求按照ANSI/AGMA 6001-D97[2]进行应力集中系数的分析，必要情况下，则需调整销轴的直径。
　　如前所述，两种设计都在内圈上集成了一个能拆除的大型挡圈，该挡圈位于右列滚子的右侧（如图3和图4）。对于圆锥滚子轴承，厂家能利用这种挡圈非常精确地设定轴承的游隙。这样，行星齿轮制造商就无需再对轴承预加负荷；而预载所带来的麻烦就是很多齿轮箱制造商使用圆柱或球面滚子轴承的一个原因。当负荷过大时，同时采用压配合和焊接的方法能确保足够的支撑力和韧性。
　　E S 3 0 0 是一种类似钻石结构的专利涂层（DLC），它能用来防止满装滚子轴承中的粘结磨损。试验表明，这种涂层特别适用于满装滚子轴承。
　　此外，在润滑剂供应出现间断的场合，该涂层能有效地消除滚子与滚道之间的粘结磨损。
　　预载的圆锥滚子轴承 —— 一体式行星轮轴承组件（Planet Pac）的优先选择
　　虽然一体式行星轮轴承组件（Planet Pac）能够采用圆柱滚子轴承、滚针轴承和其它形式的轴承，但是预载的圆锥滚子轴承仍然是优先选择。分析表明，和其它具有较大径向游隙量的轴承形式相比，预载的圆锥滚子轴承拥有多项优势，特别是当轴承在齿轮接触有偏斜的情况下运行时。
　　这个结论已经在 Flamang 和 Clement[3] 所写的文章中得以证实。增加功率密度的一个关键因素是改善轴承和齿轮内载荷的分配。在该篇文章中表明，对于同类的圆柱滚子轴承设计而言，圆锥滚子轴承是优先选择的解决方案。在圆锥滚子轴承的设计中，应力更低，其预期的疲劳寿命也要高出两倍；其原因在于圆锥滚子轴承具有较宽的支撑距离以及预加负荷、自动对中和自我调节的作用。
　　本文未将重点放在为何圆锥滚子轴承是Z佳轴承的问题上，因为此论点已在 Flamang 和 Clement 的文章中予以阐明。本文仅以他方观点为基础开展论述。
　　各种集成方案的比较
　　比较表明，集成化程度越高，则功率密度也能相应更高。该结论是基于以下假设：行星架采用的是一个对分的两片式结构，使用的轴承材料是不变的，ISO281材料系数恒等于1.1。不论轴承额定载荷值如何，轴承的预紧力不变。此外，轴承的速度和材料的纯净度ISO 15/12也是不变的。Z后，所有集成方案中所采用的行星齿轮的尺寸不能大于非集成设计的。
　　对比分析中所使用的齿轮载荷是由齿轮箱制造商确定。众所周知，偏置载荷会在轴承上形成不均匀的载荷分布。在分析中，假设齿轮载荷的施加是不对中的。图5表明，这种方式施加的载荷会在轴承上产生倾覆力矩。这种受力条件是Z苛刻的，会导致轴承承载的增加和预期疲劳寿命的降低。
　　行星架的扭转将使齿轮的接触以及轴承轴线发生偏斜。虽然对齿轮面的修形有助于消除这种对齿轮接触的影响，但却不能纠正轴承的偏斜。此外，修形也有助于减少轮齿接触部位的边界载荷，然而接触区域的移动与齿轮制造商的公差和工艺的控制有关。中度偏斜的齿轮啮合条件下，会重新将载荷不均匀地分配到轴承的各列上，大大降低承载较重那列的疲劳寿命。遗憾的是，轴承供应商往往不太考虑此处所讨论的偏斜值和齿轮接触区域的移动。通过轴承和齿轮传动制造商之间更密切合作，就能对这样的系统进行更透彻的分析，考虑这些问题和更多类似于“齿轮扭曲”的现象。

　　首先，我们对非集成的设计进行评价。在分析中，使用了 ISO 圆锥滚子轴承 32248，这是同其它方案作比较的基准，也是多数制造商在齿轮箱中的基本设计。如图6中所示，外圈是被压入齿轮内的。对于风力涡轮机的应用，按照 AGM46006-A03[4] 的规定，齿轮轮缘的厚度等于3倍的模数。

　　接着，把轴承的外圈和行星齿轮进行集成，如图7 所示。在这个过程中，要求保持集成后的轮缘厚度和非集成设计的一致。因为内圈的表面是锥形，故使用平均外滚道直径来计算轮缘的厚度。这样，就能增加滚子的数量和长度以及轴承的节圆直径。从而，也就提高了轴承的额定载荷、功率密度和预期的 L10 寿命。

　　Z后，将轴承的内圈集成到行星齿轮轴（见图8）。在这个过程中，轴承的平均外滚道直径没有增加，但满装的滚子采用了 ES300 涂层。同半集成设计相比，滚子的直径会更大而长度近似。轴承的节圆直径稍大于非集成设计，但比半集成的设计小。

　　在图9 中可看出非集成设计和半集成设计的比较。非集成的解决方案为阴影部分，半集成设计的解决方案为轮廓线部分。很容易看出，半集成的设计拥有更高的疲劳寿命。

　　由图10可看出全集成设计和半集成设计的比较。半集成设计解决方案用阴影表示，全集成设计的解决

方案为轮廓线部分。可以看出，内圈角度减小，滚子直径增加，而长度保持相对不变。

　　下列表 1中所示为三种集成设计的轴承额定载荷、轴承节圆直径和平均外滚道直径的比例关系。该表的目的在于表明轴承的额定载荷会随着集成程度的增加而提高。

　　如同表 2 所示，理论寿命和 DIN281-4 应力调节寿命增加的比例是相同的。而从 DIN281-4 系数调节寿命来看，半集成设计的轴承寿命将大大增加；而且，只有采用了全集成设计，才能将轴承的作用极致发挥。

　　此外，还采用了铁姆肯公司的专利程序 SYSx 对轴承进行分析。分析过程中同时考虑了齿轮的扭曲，即由于载荷的作用，齿轮的轮缘会弯曲成椭圆形。该程序能推算出承载区调整系数 L10a3K，类似于DIN281-4 应力调节算法中的系数。按照 SYSx，对于非集成、半集成和全集成的设计，它们的 L10a 轴承寿命的全调整系数分别是 1.0，7.4 和 13.5。
　　虽然 DIN281-4 足以用于比较不同轴承制造商的设计，但经 Kotzalas 和 Fox[6] 证实，制造商自己研发的轴承分析软件，如铁姆肯公司的 SYSx，在预测其生产的轴承的寿命上更为精确。基于这个认识，全集成设计的疲劳寿命将是半集成设计的1.8倍，是非集成设计的 14.5 倍之多，显著展示了功率密度的效应。

　　总的来说，L10轴承寿命越高，轴承可靠性也越高。表3和公式（1）所示，当可靠性为 90%、轴承寿命是100, 000小时；那么当要求 99%可靠性时，此刻的 L10 寿命将是 90%可靠性轴承寿命的 4.79 倍，即479,000小时。

　　在不改变现有行星齿轮系统空间尺寸的条件下，有可能达到 99% 可靠性的轴承疲劳寿命，以同齿轮的疲劳计算相匹配。我们可以使用 DIN281-4 方法或轴承专用分析软件（例如 SYSx）来做。
　　此外，由铁姆肯公司SYSx程序计算的接触应力来看，对于所有三种设计而言，接触应力都低于疲劳极限1500 MPa。然而，半集成和全集成设计的应力分别为非集成设计的89%和84%。
　　一体式行星轮轴承组件的可选附加特性
　　功率密度并不仅仅取决于轴承的集成程度。通过以下途径，亦可改变轴承，使疲劳寿命延长，轴承性能增强。

　　增强表面处理
　　通过增强表面处理，采用更纯净、抗疲劳性更高的钢材，亦能改善轴承性能。光滑的表面能提高lambda比值。滚子和轴承滚道的光洁度可通过磨削、珩磨或其他表面处理方法来改进。
　　材料处理
　　例如，通过采用 MAP 钢材能将轴承的额定载荷提高 23%。根据轴承寿命的公式，当轴承承载能力增

加 23%时，疲劳寿命将会是原来的 2 倍。铁姆肯公司的 Duraspexx TMPower Rating 系列就是一个典范

[7]。
　　抗杂质特性
　　如果润滑剂中存在杂质问题，则预期的轴承疲劳寿命能够用不同等级的 ISO 纯净度来计算，倘若 ISO的标准不适用，则可根据现场情况 [8,9]，对实际的轴承表面进行测绘，调整轴承的寿命。轴承的疲劳寿命还能根据一段时期内累积的杂质损伤来调整[10]。
　　对于严重存在杂质问题的路外车辆，上述方法已经付诸实施，并且铁姆肯公司已经应用了其抗杂质轴承（DRB）技术 [11]，以限制杂质对轴承疲劳寿命的影响。
　　抗杂质密封
　　如果采用带有适当过滤特性的强制润滑方法去润滑行星齿轮轴承，那么对一体式行星轮轴承组件（Planet Pac）的密封将有助于消除齿轮箱油槽中的碎屑杂质和对行星轴承的损伤。此外，通过将润滑孔加工到轮齿的根部，能改进太阳和行星齿轮接触面的润滑。
　　预加油脂和密封
　　行星齿轮组的很多应用采用油润滑；而在某些情况下，行星齿轮的润滑通路可能受到限制。因此，多数一体式行星轮轴承组件（Planet Pac）设计采用强制油润滑。然而，对于有些方便再润滑的行星齿轮而言，Planet Pac可设计成预润滑，并密封且方便日后周期性再润滑的结构形式。在采用油槽的润滑系统中，行星轴承的密封和脂润滑能降低油面，这将有助于减少与高油面相关的搅动损耗，从而降低运行温度，并增加轴承和齿轮的疲劳寿命。
　　优势和特性
　　（1）可用于改型现有的行星齿轮设计，无论行星架是整体式或两片式。
　　（2）零部件的集成能提高功率密度，增加轴承的寿命，可无需轴承带保持架。
　　（3）不论有无涂层，满装滚子都可增加轴承的承载能力和寿命。
　　（4）轴承制造商可对轴承游隙精确地控制，以延长其疲劳寿命并控制齿轮的定位以及行星轮的变形。
　　（5）能减少零部件数量，提高可靠性。
　　（6）无需行星齿轮的配件。
　　（7）没有了紧配合的外圈，从而能避免因其产生的磨损、碎屑和轴承游隙量过大。
　　（8）能够加入其它可选择的特性，例如：针对行星轮拆卸的液压辅助结构，用于强制油润滑的油孔和便于拆卸的锥孔轴承设计。
　　（9）通过使用铁姆肯公司的DuraspexxTM Power Rating系列或抗杂质轴承（DRB）技术制造的行星轮轴承，能提高恶劣工况下的疲劳寿命。
　　结论
　　一体式行星轮轴承组件（Planet Pac）是一种全集成的行星齿轮和轴承组件，是行星齿轮系统设计领域的一个必然的进步。它给设计者提供有效改进系统可靠性和功率密度的方法，同时保持设计的成本效率。当把这样的轴承组件装入现有空间后，轴承能达到99%的可靠性，与齿轮可靠性相匹配。
　　参考文献
　　[1]   Patent US 6,770,007 B2 - Epicyclic Drive with Unified Planet Assemblies
　　[2]   ANSI/AGMA 6001-D97 (1997), Design and Selection of Components for Enclosed Gear Drives.
　　[3]   Flamang, P., Clement, P."Stresses and Load Distribution Factors in Bearings:  A Tool to Compare Bearing Alternatives". Dresdner Maschinenelemente Kol oquium 2003
　　[4]   ANSI/AGMA/AWEA 6006-A03 (2003), Design and Specification of Gearboxes for Wind Turbines.
　　[5]   DIN ISO 281 Beiblatt 4 (April, 2003), Rolling Bearings – Dynamic Load Ratings and Rating Life - Methods for Calculation of the Modified Reference Rating Life for Universally Loaded Roling Bearings.
　　[6]   Kotzalas, M. and Fox, G. (2004),"Comparison of Din 281 Bearing Fatigue Life Predictions with Test Data,"Presented at the Global Windpower Conference2004. Chicago, IL., USA
    ［7]  Timken Internet Site for DuraSpexxTM. http:// products/www.timken.com/products/bearings/spexx/duraspexx.asp
　　[8]   Nixon, H. and Cogdell, J. (1998),"Debris Signature AnalysisSM: A Method for Assessing the Detrimental Effect of Specific Debris Contaminated Lubrication Environments,"SAE Technical Paper #981478.
　　[9]   Nixon, H., Ai, X., Cogdell, J., and Fox, G. (1999),"Accessing and Predicting the Performance of Bearings in Debris Contaminated Lubrication Environment,"SAE Technical Paper #1999-01- 2791.
　　[10] Fox, G, Martens, M., and Nixon, H. (1999),"A Bearing Life Prediction Method for Utilizing Progressive Functional Surface Damage Analysis from a Debris Contaminated Lubrication Environment,"SAE Technical Paper #1999-01-2793.
　　[11] Timken Internet Site for Debris Resistant Bearings. http://www.timken.com/products/ bearings/products/debris.asp

发布时间:2009-10-10