CN103982591A

CN103982591A - 重载齿轮箱

Info

Publication number: CN103982591A
Application number: CN201410235907.6A
Authority: CN
Inventors: 林智昊
Original assignee: Boneng Transmission Suzhou Co Ltd
Current assignee: Boneng Transmission Suzhou Co Ltd
Priority date: 2014-05-30
Filing date: 2014-05-30
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2034-05-30
Also published as: CN103982591B

Abstract

本发明公开了一种传动轴系呈折线布置的重载齿轮箱，包括配装有输入法兰座、边盖、输出端盖、箱盖和可选的补偿油箱的机体；机体内部安装有输入轴、二级齿轮轴、三级齿轮轴和输出轴，所述二级齿轮轴、三级齿轮轴和输出轴采用折线布置。上述结构使得齿轮箱在相同体积下，传动中心距加大，承载能力更强。传动齿轮的材料为经过深冷处理的合金材料，具有较好的抗冲击能力、减少点蚀和咬合现象。由于使用联合改性的油封材料，使油封片寿命得到很大提高。

Description

重载齿轮箱

技术领域

本发明属于传动设备领域，涉及一种重载齿轮箱，尤其涉及一种传动轴系呈折线布置的重载齿轮箱。

背景技术

在机械传动基础件中，齿轮箱占有非常重要的地位，作为传递动力的主要装置，广泛用于冶金、矿山、起重运输，电力、能源、建筑材料、轻工、交通等工业部门。其产品水平和质量对机械产品有着重大的影响。特别是在需要较大扭矩和较大功率的各种传动中，齿轮箱有着巨大的市场和应用价值。然而就老式的直交重载齿轮箱来说，因齿轮油填满机体时，随着运行时间的推移，齿轮箱内压力会越来越高，从而导致齿轮油泄露和温升高等问题，影响了实际操作中的性能发挥，其使用性能还需要进一步的改进。

CN202690951U公开了一种增速齿轮箱，包括箱体、输入轴、主动齿轮、输出轴、从动齿轮、带离合器的传动齿轮、油泵，液压控制部件；所述输入轴设置在箱体内部的下方，所述主动齿轮设置在输入轴上，所述输出轴设置在箱体内部的上方，所述从动齿轮和带离合器的传动齿轮设置在输出轴，所述油泵设置在箱体外部右侧；所述箱体内部的前方设置有油泵传动轴，所述油泵转动轴上设置有油泵传动齿轮，所述油泵传动齿轮与所述主动齿轮相啮合，所述油泵传动轴与所述箱体外油泵相连接。

CN201636322U公开了一种输出轴密封装置。该密封装置在输出轴上装有骨架油封和无骨架油封，骨架油封和无骨架油封之间用隔套隔开，在骨架油封、无骨架油封之间及隔套的下方有油腔，在骨架油封、无骨架油封和隔套的外部装有通盖，通盖的中间有进油孔，通盖的顶部装有压注油杯，无骨油封的一端装有压盖，压盖用螺栓固定在通盖上。

CN202833992U公开了一种变速器用油封结构，包括设置在导油环和变速器后壳上的回油孔和设置在输出轴后端盖前端的回油道，所述导油环上的回油孔、变速器后壳上的回油孔和输出轴后端盖前端的回油道连通，所述输出轴后端盖与输出轴之间设置有双油封结构。

US5207436A公开了一种组合密封件，该密封件将如下组件集成在一起：2个嵌套的钢套, PTFE盘（该盘的两个边与其中一个钢套密封接触）, 和弹性密封件。PTFE 盘提供低摩擦密封阻挡体。弹性密封件提供另外两个阻挡体，使得刚性 PTFE盘更易于顺应轴凸出和径向偏心。

JP2010159786 A公开了一种齿轮装置，具有：轴承保持孔，其形成在齿轮箱的侧壁上；轴承，其嵌入并安装在该轴承保持孔中，将齿轮轴支承为旋转自如；轴承盖，其从外侧盖住所述轴承保持孔；以及间隙调整用衬垫，其夹设在该轴承盖与所述轴承之间，所述齿轮装置的特征在于，在所述轴承保持孔的外端侧形成有基准面，所述轴承盖安装在比该基准面靠外侧的位置。

《船舶力学》,“大功率船用齿轮箱系统热弹耦合分析”，朱才朝等，2011，15(8)一文研究了利用热弹耦合方法，建立了某大型重载船用齿轮箱齿轮一轴一轴承一箱体耦合系统有限元模型。研究齿轮系统热平衡过程,结合齿轮传动的传热学、摩擦学及啮合原理确定边界条件，对系统进行了数值仿真，得到了系统耦合应力场及温度场。

然而，在现有的齿轮箱中，传动轴通常为直线布置，中心传动距离偏小，承载力较差，难以实现重载，另外齿轮件仍然采用传统的热处理工艺进行加工，力学性能、断裂韧性和抗疲劳强度均难以满足目前的重载要求，而且目前的油封结构也与重载要求不相匹配。因此，现有技术中需要一种能够满足重载要求的综合性能得到改善的齿轮箱。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明人经过深入研究，提出了如下技术方案：

一种重载齿轮箱，其特征在于，包括配装有输入法兰座、边盖、输出端盖、箱盖和可选的补偿油箱的机体，机体内部安装有输入轴、二级齿轮轴、三级齿轮轴和输出轴，输入轴一端在机体内安装有小螺旋锥齿轮，另一端穿过输入法兰座、输入端盖，通过联轴器与驱动设备连接；二级齿轮轴、三级齿轮轴和输出轴轴体两端分别通过轴承安装在机体的两侧面上，二级齿轮轴上安装有大螺旋锥齿轮，三级齿轮轴和输出轴上分别安装有二级大齿轮和输出大齿轮；小螺旋锥齿轮与大螺旋锥齿轮相啮合，二级齿轮轴上的齿轮部位与二级大齿轮相啮合，三级齿轮轴上的齿轮部位与输出大齿轮相啮合。

本发明的齿轮箱特别有效地用于重载柴油发动机车辆以及船用。

在一个优选实施方案中，所述二级齿轮轴、三级齿轮轴和输出轴为折线布置，其布置方式是：沿齿轮箱纵截面方向，三级齿轮轴轴心不在二级齿轮轴轴心和输出轴轴心的连接直线上，而是偏离该连接直线。通过该折线布置，使得齿轮箱在相同体积下，传动中心距加大，承载能力更强，更加适合重载应用。

优选地，三级齿轮轴轴心和二级齿轮轴轴心的连接直线与二级齿轮轴轴心和输出轴轴心的连接直线所成的夹角为α，三级齿轮轴轴心和输出轴轴心二级齿轮轴轴心的连接直线与二级齿轮轴轴心和输出轴轴心的连接直线所成的夹角为β，α为15-45°，β为10-40°，且2°≤α-β≤5°。

本发明人出乎意料地发现，所述α和β必须在规定范围内，且必须满足特定的关系。经过大量实验发现，只有当α为15-45°，β为10-40°时才能够在不降低传动效率的情况下提高承载力，同时还必须满足2°≤α-β≤5°，即α稍大于β，推测其原因，可能是与三级齿轮轴在齿轮箱中的位置和各自的作用具有密切关系。这样的特定折线设置方式在现有技术中没有记载，现有技术中也没有给出相应的技术启示和教导，是需要付出创造性劳动才可以做到的。

在构成材料方面，大螺旋锥齿轮（8）、二级大齿轮（11）和输出大齿轮（20）均可以采用20Cr₂Ni₄A齿轮钢制成且经过回火-深冷处理。20Cr₂Ni₄A齿轮钢是本领域中常用的齿轮钢，其处理方法一般采用热处理工艺进行，例如：正火（温度可以为880℃），然后油冷（温度可以为300℃），再接着进行空冷（温度可以为110℃）。然而，这样的处理方法使齿轮的机械性能例如断裂韧性和抗疲劳裂纹扩展的改善受到严重限制。本发明人经过大量研究以及和科研机构合作，采用一种全新的回火-深冷复合循环处理方法，所述回火-深冷复合循环处理可以包括如下依次步骤：

步骤（1）：将齿轮件进行回火处理；步骤（2）：将齿轮件进行深冷处理；步骤（3）：将齿轮件进行再次回火处理；和步骤（4）：将齿轮件进行再次深冷处理；其中：

步骤（1）的回火处理为低温回火，处理温度为85～155℃，处理时间为1～6h，优选2～4h；步骤（2）的深冷处理温度为-30℃～-85℃，处理时间为10min～6h，优选30min～1h；步骤（3）的回火处理为高温回火，处理温度为500～700℃，处理时间为1～6h，优选2-4h；步骤（4）的深冷处理温度为-180℃～-230℃，处理时间为10min～5h，优选20min～1h；

并且其中：在步骤（2）的深冷处理后，控制齿轮件回温至室温，升温速率为5～10℃/ min；在步骤（4）的深冷处理后，控制齿轮件回温至室温，升温速率为1～3℃/ min；并且重复上述步骤（1）至（4）至少3个循环，优选4个以上的循环。

在上述方法中，通过先进行低温回火和低温深冷、再进行高温回火和更低温度深冷这样的有机协同组合，有效克服了材料组织结构可能由于温差较大而劣化的可能。同时，通过大量繁复的试验，仔细、严格选择并控制低温回火、低温深冷、高温回火和更低温度深冷所采用的温度，以及每次深冷处理后回温至室温的速率，既有效、充分地减少了残余奥氏体，使残余应力得到更好的消除从而改善尺寸稳定性，析出超细微碳化物，硬度增加，提高耐磨损性能，而且还由于低温回火和低温深冷与高温回火和更低温度深冷的有机协同作用和多个循环，非常有效地控制了金属件的第二类残余应力和第三类残余应力，避免使金属件中发生残余内应力的松弛，极大提高冲击韧性并有效避免了宏观裂纹等缺陷。

同时，本发明人经过大量研究还发现，必须仔细控制步骤（2）和步骤（4）深冷处理后金属件回温至室温的升温速率在上述适当范围内，以及控制步骤（4）深冷处理后金属件回温至室温的升温速率小于步骤（2）深冷处理后金属件回温至室温的升温速率，只有如此才能够获得部件耐磨性、冲击韧性和强度的良好改善。步骤（2）和步骤（4）深冷处理后金属件回温至室温的升温速率优选呈直线升温形式。

另外，优选地，输出部分的轴封采用双油封密封设计。

所述双油封材料可以为改性聚四氟乙烯材料，该改性聚四氟乙烯材料为玻璃纤维、纳米材料和聚合物联合改性的聚四氟乙烯材料，基于改性聚四氟乙烯材料的总重量计，包含玻璃纤维2-5 wt.%，纳米材料1-3 wt.%和聚合物4-6 wt.%，所述纳米材料为纳米碳纤维，所述聚合物为聚硅氧烷。

本发明人发现，在使用改性聚四氟乙烯制备油封材料中，存在改性剂单一的问题，难以发挥改性剂的协同作用。在本申请中，通过玻璃纤维、纳米材料和聚合物的联合使用，使油封材料的性能得到极大改善。使得油封材料具有耐高温、使用寿命长的优点。玻璃纤维、纳米碳纤维的加入使得在PTFE层状结构中形成网状节点，从而提高刚度、导热性、抗蠕变性及耐磨性，使密封寿命大大延长，试验过程中发现，在PTFE中加入5 wt.%的玻璃纤维细粉和2 wt.%的纳米碳纤维，使油封片的耐磨性相比于不加入所述填料可以提高很多，例如提高600倍。然而仅仅加入所述材料会使材料的硬度增大，弹性降低，柔韧性变差，因此本发明尝试向油封片中引入聚硅氧烷，使密封片唇口在工作时表面渗出硅油，帮助唇口润滑，从而延长唇口的使用寿命。所述聚硅氧烷优选为支化的聚硅氧烷，更优选为环氧改性的支化聚硅氧烷。所述支化的聚硅氧烷可以通过使式(a)表示的具有硅-氢键的硅氧烷，与式(b)表示的不对称线性硅氧烷反应来进行制备：

其中n表示10-30的整数，

其中X表示任意卤素，m表示2或3的整数，

反应条件可以包括：在有机溶剂中将(a)和(b)二者混合，在氮气气氛下搅拌过夜，所述混合可以采用滴加方式，例如将式(b)表示的不对称线性硅氧烷滴加到式(a)表示的具有硅-氢键的硅氧烷中。

油封中所用的油封片可以通过包括如下步骤的方法由所述油封材料制成：将聚四氟乙烯料和玻璃纤维进行高剪切混合，得混合物A，再将纳米材料和聚合物混合，得到混合物B，然后将混合物A和B进行混合、压制、烧结和切削加工。通过上述混合顺序，可以实现各组分的均匀混合，避免了在所有组分同时混合时，玻璃纤维和纳米材料如纳米碳纤维之间由于缠结而附聚。

油封中所用的油封片表面优选涂覆有一层弹性体，所述弹性体为氟烃弹性体。

弹性体的厚度可以为0.1mm-1.0mm。本发明人发现，如果弹性体层厚度小于0.1mm，则不能实现有效防摩擦效果，如果厚度大于1.0mm，则密封强度不够。

最优选地，弹性体的表面涂有润滑剂组合物，该润滑剂组合物中含有用以改善氟烃弹性体层与润滑剂组合物的相容性的添加剂，该添加剂为油可溶的钛络合物。优选地，所述钛络合物不含卤素。更优选地，其化学结构式可以为：

R¹、R²、R³和R⁴可以独立地为直链烷基或直链烷氧基，并且R¹、R²、R³和R⁴中的至少两个彼此独立地是C₂-C₃₀饱和的羧酸阴离子。

通过本发明润滑剂系统的使用，减轻甚至消除了在齿轮箱中设置补偿油箱的需要。

附图说明

图1是根据本发明的齿轮箱的局部横向剖视示意图。

图2是现有技术的齿轮箱传动轴直线布置方式的纵向剖视示意图。

图3是根据本发明的齿轮箱传动轴折线布置方式的纵向剖视示意图。

图4是齿轮采用根据本发明一个实施方案的处理方法进行3次循环与采用常规处理方法相比的尺寸稳定性对比结果，其中横坐标是尺寸测量位置编号，纵坐标是尺寸变化百分比。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

如图1所示，一种带补偿油箱润滑的直交重载齿轮箱包括输入轴1、油封2、输入端盖3、输入法兰座4、轴承5、机体6、小螺旋锥齿轮7、大螺旋锥齿轮8、二级齿轮轴9、轴承10、二级大齿轮11、轴承12、挡板13、边盖14、三级齿轮轴15、输出端盖16、油封17、轴承18、输出轴19、输出大齿轮20、支架21、补偿油箱22、油箱盖23、通气帽24、油镜25，齿轮箱外部为箱盖26。

在壳体内部安装有输入轴1、二级齿轮轴9、三级齿轮轴15和输出轴19，输入轴1一端在机体6内安装有小螺旋锥齿轮7，另一端穿过输入法兰座4、输入端盖3；二级齿轮轴9、三级齿轮轴15和输出轴19轴体两端分别通过轴承10、12、18安装在机体6的两侧面上，二级齿轮轴9上安装有大螺旋锥齿轮8，三级齿轮轴15和输出轴19上分别安装有二级大齿轮11和输出大齿轮20。小螺旋锥齿轮7与大螺旋锥齿轮8相啮合，二级齿轮轴9上的齿轮部位与二级大齿轮11相啮合，三级齿轮轴15上的齿轮部位与输出大齿轮20相啮合。所述二级齿轮轴9、三级齿轮轴15和输出轴19为折线布置，其布置方式是：沿齿轮箱纵截面方向，三级齿轮轴15轴心不在二级齿轮轴9轴心和输出轴19轴心的连接直线上，而是偏离该连接直线。三级齿轮轴15轴心和二级齿轮轴9轴心的连接直线与二级齿轮轴9轴心和输出轴19轴心的连接直线所成的夹角为α，三级齿轮轴15轴心和输出轴19轴心二级齿轮轴9轴心的连接直线与二级齿轮轴9轴心和输出轴19轴心的连接直线所成的夹角为β，α为30°，β为25°。

对比例1

该齿轮箱轴与实施例1基本相同，不同之处仅在于α为30°，β为30°。

通过将实施例1和对比例1的齿轮箱的轴输出扭矩进行对比，在相同输入扭矩的情况下，实施例1的齿轮箱的输出扭矩比对比例1的的齿轮箱的输出扭矩提高5%。

实施例2

将齿轮部件进行如下处理（1）回火处理，（2）深冷处理，步骤（3）再次回火处理，和步骤（4）再次深冷处理，其中步骤（1）的回火处理为低温回火，处理温度为100℃，处理时间为4h，步骤（2）的深冷处理温度为约-70℃，处理时间为4h，步骤（3）的回火处理为高温回火，处理温度为600℃，处理时间为4h，步骤（4）的深冷处理温度为约-200℃，处理时间为1h，在步骤（2）的深冷处理后，控制金属件回温至室温，升温速率为8℃/ min，在步骤（4）的深冷处理后，控制金属件回温至室温，升温速率为2℃/ min，重复上述步骤（1）至（4）共3个循环。

将处理前后的部件在多个位置进行尺寸测量，计算出各个位置的尺寸变化率，结果见图3。

对比例2

将齿轮部件按照本领域的常规方法进行处理，即正火处理，温度为880℃，然后油冷，油冷温度为200℃，再接着进行空冷，空冷温度为110℃。

实施例3

双油封材料：该材料为改性聚四氟乙烯材料，包含玻璃纤维3 wt.%，纳米材料2 wt.%和聚合物5 wt.%，所述纳米材料为市售纳米碳纤维，所述聚合物为市售聚硅氧烷，玻璃纤维也可市售获得，其通过将聚四氟乙烯料和玻璃纤维进行高剪切混合，和将纳米材料和聚合物混合，然后再将二者进行混合、压制、烧结和切削加工而制得。

对比例3

双油封材料：该材料为改性聚四氟乙烯材料，仅包含玻璃纤维10 wt.%，其通过将聚四氟乙烯料和玻璃纤维进行高剪切混合，然后再进行压制、烧结和切削加工而制得。

将实施例3和对比例3的双油封材料制成的油封片在油封台架实验中以相同的重载使用条件下进行测试，要求试验结束后，油封轴颈上的磨损部位的凹陷深度不得大于0.05mm，油封唇部最大磨损宽度不得大于0.80mm。发现实施例3的油封片的寿命高达2200小时，而对比例3的油封片的寿命为1500小时，本发明的联合改性方法使油封片的寿命提高47%。

本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域技术人员能够制造和使用本发明。本发明的可授予专利的范围由权利要求书限定，且可以包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这种其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果这种其它实例包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这种其它实例旨在处于权利要求书的范围之内。在不会造成不一致的程度下，通过参考将本文中参考的所有引用之处并入本文中。

Claims

1.一种重载齿轮箱，其特征在于，包括配装有输入法兰座（4）、边盖（14）、输出端盖（16）、箱盖（26）和可选的补偿油箱（22）的机体（6），机体（6）内部安装有输入轴（1）、二级齿轮轴（9）、三级齿轮轴（15）和输出轴（19），输入轴（1）一端在机体（6）内安装有小螺旋锥齿轮（7），另一端穿过输入法兰座（4）、输入端盖（3），通过联轴器与驱动设备连接；二级齿轮轴（9）、三级齿轮轴（15）和输出轴（19）轴体两端分别通过轴承（10，12，18）安装在机体（6）的两侧面上，二级齿轮轴（9）上安装有大螺旋锥齿轮（8），三级齿轮轴（15）和输出轴（19）上分别安装有二级大齿轮（11）和输出大齿轮（20）；小螺旋锥齿轮（7）与大螺旋锥齿轮（8）相啮合，二级齿轮轴（9）上的齿轮部位与二级大齿轮（11）相啮合，三级齿轮轴（15）上的齿轮部位与输出大齿轮（20）相啮合。

2.权利要求1所述的重载齿轮箱，其特征在于，所述二级齿轮轴（9）、三级齿轮轴（15）和输出轴（19）为折线布置，其布置方式是：沿齿轮箱纵截面方向，三级齿轮轴（15）轴心不在二级齿轮轴（9）轴心和输出轴（19）轴心的连接直线上，而是偏离该连接直线。

3.权利要求1或2所述的重载齿轮箱，其特征在于，三级齿轮轴（15）轴心和二级齿轮轴（9）轴心的连接直线与二级齿轮轴（9）轴心和输出轴（19）轴心的连接直线所成的夹角为α，三级齿轮轴（15）轴心和输出轴（19）轴心二级齿轮轴（9）轴心的连接直线与二级齿轮轴（9）轴心和输出轴（19）轴心的连接直线所成的夹角为β，α为15-45°，β为10-40°，且2°≤α-β≤5°。

4.前述权利要求中任一项所述的重载齿轮箱，大螺旋锥齿轮（8）、二级大齿轮（11）和输出大齿轮（20）均采用20Cr₂Ni₄A齿轮钢制成且经过回火-深冷复合循环处理，其中所述回火-深冷复合循环处理包括如下依次步骤：

5.前述权利要求中任一项所述的重载齿轮箱，其特征在于，输出部分的轴封采用双油封密封设计。

6.权利要求5所述的重载齿轮箱，其特征在于，所述双油封材料为改性聚四氟乙烯材料，该改性聚四氟乙烯材料为玻璃纤维、纳米材料和聚合物联合改性的聚四氟乙烯材料，基于改性聚四氟乙烯材料的总重量计，包含玻璃纤维2-5 wt.%，纳米材料1-3 wt.%和聚合物4-6 wt.%，所述纳米材料为纳米碳纤维，所述聚合物为聚硅氧烷。

7.权利要求6所述的重载齿轮箱，其特征在于，油封中所用的油封片通过包括如下步骤的方法由所述油封材料制成：将聚四氟乙烯料和玻璃纤维进行高剪切混合，得混合物A，再将纳米材料和聚合物混合，得到混合物B，然后将混合物A和B进行混合、压制、烧结和切削加工。

8.权利要求6或7所述的重载齿轮箱，油封中所用的油封片表面涂覆有一层弹性体，所述弹性体为氟烃弹性体。

9.权利要求6-8中任一项所述的重载齿轮箱，其中弹性体的厚度为0.1mm-1.0mm。

10.权利要求8或9所述的重载齿轮箱，其中弹性体的表面涂有润滑剂组合物，该润滑剂组合物中含有用以改善氟烃弹性体层与润滑剂组合物的相容性的添加剂，该添加剂为油可溶的钛络合物。