杨昊东，任富强，刘 斌，杨军宝，魏理林
(1.兰州理工大学机电工程学院，甘肃 兰州 730050) (2.青海华鼎齿轮箱有限责任公司，青海 西宁 810016)
行星传动作为机械传动系统中的减速或增速的主要传动形式，因具有结构紧凑、传动比大、承载能力强、传动效率高等优点被广泛应用于工程机械、矿山设备、机器人和武器装备等领域。行星轮轴承是承受最大载荷的构件，用来支撑行星轮在公转的同时实现自转。
传统的行星轮支撑结构主要分为采用滚动轴承的行星轮支撑结构[1]和采用滑动轴承的行星轮支撑结构。其中，采用滚动轴承的行星轮支撑结构中所用的滚动轴承主要有双列调心滚子轴承、角接触球轴承、双列圆锥滚子轴承和滚针轴承。这种支撑结构的优点是较大的支撑间距能够减小由轴承径向游隙引起的行星轮的偏斜角；
缺点是整个机构的结构较复杂，轴向尺寸有所增大。采用滑动轴承的行星轮支撑结构中，滑动轴承[2]具有较强的抗冲击和振动的能力，工作较平稳，径向尺寸较小，制造容易、安装方便；
缺点是启动摩擦力矩较大，非液体摩擦滑动轴承的摩擦损失较大，轴向尺寸也较大。
马福文等[3]设计了一种行星轮内孔与行星轴直接配合的新型行星传动装置，省略了滚动体，使行星轮的内圈与行星轮轴的外圈直接接触，由线接触摩擦变为面接触摩擦。王慧[4]提出了一种用于风电齿轮箱的无外圈集成圆柱滚子轴承方案，行星轮的内圆柱面作为圆柱滚子轴承的外圈，提升了整个行星轮系统的刚度。通过比较以上的方案发现：现有行星减速器中行星轮轴承轴向和径向尺寸都大，不适用空间受限的高空救援车回转机构行星减速器中。因此，本文提出了一种新的行星轮轴承一体化结构设计方案。
1.1 总体设计
作为高空救援车回转机构的重要组成部分，为了尽可能减小回转机构的有效尺寸，在不影响传动性能和满足轴承承载能力的要求下，通过减小行星轮轴承径向尺寸能够最大限度地减小装置的体积，因此本文设计了一种特殊的行星轮轴承一体化结构，如图1所示。
图1 行星轮轴承一体化结构示意图
具体结构为：行星轮的内圆柱面作为轴承的外滚道，行星轮轴的外圆柱面作为轴承的内滚道，采用满滚子的排列形式，省去了保持架。采用止推垫对圆柱滚子进行轴向定位，同时起到密封的作用。行星轮轴左端设计出一个轴肩与行星架的孔相配合，用于左端定位；
右端使用卡簧实现行星轮轴的轴向定位。
1.2 圆柱滚子设计
圆柱滚子是轴承旋转时承受负载的元件，支撑着行星轴和行星轮，是轴承中最薄弱的部分，因此圆柱滚子的制造精度和质量对轴承的性能有很大的影响。
研究表明[5]，滚动轴承的接触应力状况对其寿命有很大的影响，接触应力大小与疲劳寿命呈反比关系，因此“边缘效应”产生的边界应力集中使得滚动轴承滚子两端出现早期的疲劳失效，降低滚动轴承的使用寿命[6]。为了降低滚动体边缘应力集中的影响，滚子边缘选用对数曲线凸型[7]，如图2所示，中间部分为直线，边角为对数曲线，使滚子接触应力分布合理。
此行星轮轴承采用满滚子结构，圆柱滚子均匀分布在行星轮轴外圆柱面，如图3所示，总共23个。
图2 对数曲线凸型的滚子结构 图3 圆柱滚子径向分布图
在加工工艺方面，考虑到与常见的轴承不同，此行星轮轴承内圈(行星轴)不转动，外圈(行星轮)转动，因此会加剧圆柱滚子磨损，为满足行星轮轴承承载能力强、传动精度高等要求，滚子材料选择GCr15钢，接触表面做渗碳淬火处理，硬度HRC 58～63，滚子精度需达到Ⅱ级滚子的加工要求[8]。圆柱滚子接触表面粗糙度Ra≤0.16 μm，端面粗糙度Ra≤0.25 μm，圆度误差小于0.5 μm。
1.3 行星轮设计
行星齿轮不仅能够绕行星齿轮轴自转，而且能随着行星架绕太阳轮的轴线公转。本文设计的行星轮如图4所示，该行星轮不仅可以传递扭矩，而且其内圆柱面作为行星轴承的外圈，可以支撑和引导圆柱滚子旋转，减小运动过程中的摩擦力，并保证旋转精度。
图4 行星轮结构图
行星轮内圆柱面作为行星轮轴承的外圈，其加工工艺和精度对减速器的高效、安全运行至关重要。行星轮材质为20Cr2Ni4A，接触表面渗碳淬火，接触面硬度为HRC 58～62。接触表面粗糙度Ra≤0.4 μm，波纹度不小于5，圆柱度误差小于0.5 μm。为借助止推垫做轴向固定，端面的技术要求需满足：粗糙度Ra≤0.4 μm，端面跳动不大于0.01 μm。为了减小3个行星轮之间的尺寸差异，必须将同一个行星轮系中3个行星轮组合起来同时加工。
该行星轮设计了3个均匀分布的导油孔，如图3所示。此导油孔从齿根处通向行星轮孔壁，润滑时，为了润滑油的流入顺畅，不产生阻塞，钻孔后需要进行磨孔处理，使其形成涡状结构，以达到修形的效果。
导油孔工作原理：行星轮在转动的过程中，会带动减速器齿轮箱中的润滑油通过导油孔到达圆柱滚子，起到润滑行星轮轴承的作用。圆柱滚子两侧的止推垫可以防止润滑油从圆柱滚子的轴向流出，起到密封的作用，确保圆柱滚子在旋转的过程中有足够的润滑油。
1.4 行星轮轴设计
本文设计的行星轮轴如图5所示，此行星轮轴被固定在行星架上传递扭矩，并且其外圆柱面被用作行星轴承的内圈，以支撑圆柱滚子的旋转，从而减小了旋转过程中的摩擦力，并确保了其旋转精度。
图5 行星轮轴结构图
行星轮轴外圆柱面作为该特殊行星轴承的内圈，其工艺过程与加工精度对减速器的高效安全运行至关重要。行星轮轴材料采用20CrMnMo，接触表面渗碳淬火，接触面硬度HRC 58～62；
接触表面粗糙度Ra≤0.4 μm，端面跳动小于0.01 μm。行星轮轴表面波纹度不小于5，圆柱度误差小于0.5 μm。
1.5 加工工艺对比
本文设计的行星轮轴承在实际加工过程中，对行星轮齿面、行星轮内圆柱孔面和行星轮轴外圆柱面采用局部淬火的热处理方式，比常规的轴承加工工艺要求更高，因此具有较高的精度和可靠性。
研究表明[9]，内外圈和滚动体表面的疲劳点蚀是滚动轴承最基本和常见的失效形式之一，也是计算滚动轴承寿命的依据。滚动轴承的寿命是指轴承的滚动体或内外圈首次出现点蚀之前相对应的工作时间，以轴承的转数或相应的运转小时数为评价指标。
本文设计结构的原型为圆柱滚子轴承，对结构进行的创新设计为：去除保持架，采用满滚子结构。由于圆柱滚子直径较小，因此在轴承的寿命校核中，将其看作滚针轴承进行计算。
滚动轴承寿命Lh的计算公式为[5]：
(1)
研究表明，影响滚动轴承寿命的因素有很多，最主要的影响因素有可靠性、材料、润滑、清洁度、温度和载荷。为了更好反映各种影响因素对轴承寿命的影响，将影响因素转化为实际参数引入轴承寿命计算公式，建立轴承寿命的计算模型[5]。使计算结果与实际工况基本一致，改进的轴承寿命计算公式为[5]：
(2)
式中：A1为失效概率系数；
A2为材料系数；
A3L为润滑系数；
A3K为游隙，即负荷系数；
A4为清洁系数；
fT为温度系数。
1)影响因素参数选取。
①失效概率系数A1。
标准轴承的额定寿命指标可靠性为90%，此时对应的系数值是A1=1，调整后的A1为：
(3)
式中：R为轴承可靠度；
a,b为修正系数。
R取85%，同时取a= 4.482 8,b= 3/2，经计算得A1=12.698 6。
②材料系数A2。
材料系数A2与材料的性能、成分、洁净度、熔炼方法及其热处理质量有关。由于滚子进行了渗碳淬火处理，因此取A2=0.8。
③负荷系数A3K。
游隙，即负荷系数，是滚动轴承配合的重要技术参数，它直接影响轴承的载荷分布、振动、噪声、磨损、温升、使用寿命和机械运转精度等技术性能。查表得A3K=0.67。
④润滑系数A3L。
润滑系数主要由油膜厚度和表面粗糙度决定，查表[5]得A3L=1.63。
⑤清洁系数A4。
圆柱滚子轴承耐久试验数据证实了颗粒污染对轴承疲劳寿命的影响。良好的润滑剂过滤可以显著地延长寿命，但过滤水平小于3 μm后对寿命的改进就不再显著，即存在一个过滤极限。
查表[5]得A4=1.012。
⑥温度系数fT。
轴承一般均在工作温度低于120 ℃的条件下使用，对于工作温度高于120 ℃的轴承需引入温度系数。因为该机构在常温下运行，所以取温度系数fT=1。
2)当量动载荷和基本额定动载荷的确定。
行星轮传动中，为了确定各构件上所受的作用力和转矩，需要从运动输入件开始进行受力分析[1]。已知中心轮所传递的输入转矩Ta=300 N·m，行星轮数目np=3，则行星轮上所承受的输入转矩T1为：
(4)
经计算得T1=100 N·m。
直齿圆柱齿轮的切向力Ft为：
(5)
直齿圆柱齿轮径向力Fr为：
Fr=Fttanα
(6)
式中：d1为齿轮分度圆直径；
α为分度圆压力角。
已知d1=36.75 mm，α=20°。经计算得齿轮径向力Fr=1 980.79 N，即滚动轴承的当量动载荷P=Fr=1 980.79 N，经查表得，滚动轴承的基本额定动载荷C=8.512 kN。
将以上参数代入式(2)，计算得到轴承的寿命Lh=150 890.37 h，能够满足回转机构减速器的使用需求。
本文设计的行星轮轴承结构已在高空救援回转机构减速器行星传动中使用，年产2 000台，都已交付用户使用。从用户反馈可知，现阶段该机构运行良好，无故障发生，说明该设计方案获得成功，可在类似工况的机械设备中使用。
相比于传统轴承结构，此行星轮轴承一体化机构的加工制造成本略微有所提升，但其具有装配简单、体积小、质量轻等优点，可适用于体积受限的工作环境中。
本文设计的新型行星轴承一体化机构传动装置，行星轮的内圆柱面作为行星轴承的外圈，行星轮轴兼具轴及轴承的功能，能够传递较大扭矩。该装置减小了行星传动装置的体积，提高了功率密度比，扩大了回转机构的适用范围。工程实践表明：这种新的设计方案适用于低速和尺寸受限的高空救援车回转机构减速器，具有较高的经济实用性。
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