一种无支撑轴承的行星传动机构设计

陈庆贺

1中国煤炭科工集团太原研究院有限公司 山西太原 030006

2山西天地煤机装备有限公司 山西太原 030006

在 零件材料和力学性能、制造精度、工作条件 等均相同时，与普通齿轮传动相比，行星齿轮具有较多突出优点，常用于减速器、增速器、差速器、换向等传动机构[1-2]。常规的行星齿轮传动为行星轴与行星架固定，行星轮在双列轴承的支撑下绕行星轴转动，行星轴与行星轮在双列轴承支撑下一起转动，如图 1、2 所示。

图1 行星轮与行星轴轴承连接方式

图2 行星轴与行星架轴承连接方式

随着时代发展及科技进步，矿井采、掘、运等机械设备向大功率、大转矩方向发展，而受到矿井巷道尺寸制约，在机械设备功率和转矩增大的情况下，减速器体积不增大、向小型化方向发展。因轴承占用了行星传动内部空间，随输出功率及转矩的不断增大，行星传动各元部件尺寸均不同程度增加，在有限空间内同时保证行星结构强度及轴承寿命，必须寻求对新工艺、新方法的技术突破。笔者对矿井减速器新型行星传动进行了研究。

1 无支撑轴承行星传动机构设计

无支撑轴承行星传动机构即为去除支撑轴承，变轴承滚动为行星轴和行星轮间滑动，行星轮、行星轴与行星架间直接连接，改轴承结构或去除轴承内外圈，增大行星轴直径，提高行星轴强度，在同等外形尺寸工况下可实现更大功率和转矩的传递。

1.1 结构设计

无支撑轴承行星传动机构如图 3 所示。为装配及拆卸方便，采用行星轴与行星架键连接的方式进行定位配合，而行星轴与行星轮保持相对旋转，为防止行星轮旋转时左右滑移，在行星轮两侧各设置 1 个耐磨铜套。因行星轮与行星轴间为滑移运动，为使其配合间隙内形成可润滑油膜[3]，分别在行星轴轴向开设长槽油道并在行星轮齿间预留油液通道，如图 4 所示。

图3 无支撑轴承行星传动机构

图4 行星轮、行星轴油道示意

1.2 配合公差值选取及校核

行星轴分别与行星架和行星轮连接，根据加工工艺与经济性，行星轴和行星架采用基孔制配合，基本偏差代号为 H；行星轴和行星轮采用基轴制配合，基本偏差代号为 h。行星轴与行星架键连接，无相对运动，采用常规间隙配合；铜套与行星架为过盈配合、与行星轴间隙配合；行星轴与行星轮间相互转动，轮孔较行星轴尺寸大，为间隙配合，而间隙值需选择合理，过大或过小均会影响行星传动机构寿命。依据滑动轴承配合公差取值及行星传动工况，配合公差为 F7/h6。

为确保行星轮与行星轴滑移运动的可用性，对配合公差值校核计算：

(1) 实际可形成的最小油膜厚度[4-6]

式中：Δ 为直径间隙，即间隙最大值；e为轴心偏心距，mm；φ为相对间隙，φ=Δ/d；χ为偏心率，χ=e/δ。

(2) 许可的最小油膜厚度

式中：S为相对偏心距；R1、R2分别为行星轴、行星轮孔表面粗糙度十点高度，mm；y为行星轴挠度，mm；e为行星轴轴心偏心距，mm。

本设计中行星轴直径为φ50 h6，行星轮孔直径为φ50 F7，结合上述公式计算得hmin≥[hmin]，满足设计要求。

2 行星轴材料选取

根据行星轴和行星轮滑移传动的特点，经过计算得出，行星轴力学性能[7]的抗拉强度Sb不小于 1 010 MPa，屈服强度σs不小于 850 MPa，延伸率δ不小于 4.6%，硬度不小于 30HRC。

铍青铜是含铍铜基的一种综合性能极好的青铜合金，铍含量约 0.2%～2.5%，加入微量稀有金属元素，时效处理后，其硬度极限约 38～43HRC，最大抗拉强度为 1 300～1 450 MPa；且时效处理后，铍青铜仍有较好的塑形，易于加工成形，具有很高的硬度、弹性、疲劳极限和耐磨性。选铍青铜 QBe1.7 作为行星轴材料，其力学性能试验结果如表 1 所列。

表1 铍青铜 QBe1.7 力学性能试验结果

经对铍青铜 QBe1.7 在不同温度下淬火时效处理，试验 3 的力学性能值符合行星轴材料要求。

3 结论

(1) 该结构设计已成功应用于首套 JM340 型掘锚机组行走减速器，在用设备数十台，无行走减速器行星传动机构损坏故障，无支撑轴承行星传动机构有效解决了低速状况下功率及转矩增大而体积不随之变化的问题，是对小型化行星机构传递大功率大转矩的有效解决途径；

(2) 因行星轴与行星轮为滑移运动，为保证行星传动机构的使用寿命，行星轴与行星轮实时浸泡在油液中，便于油膜形成；

(3) 无支撑轴承行星传动机构适用于大负载、低转速及小体积的设计，在矿用机械设备领域具有广泛的应用前景。