重載齒輪箱的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種傳動軸系呈折線布置的重載齒輪箱，包括配裝有輸入法蘭座、邊蓋、輸出端蓋、箱蓋和可選的補償油箱的機體；機體內(nèi)部安裝有輸入軸、二級齒輪軸、三級齒輪軸和輸出軸，所述二級齒輪軸、三級齒輪軸和輸出軸采用折線布置。上述結構使得齒輪箱在相同體積下，傳動中心距加大，承載能力更強。傳動齒輪的材料為經(jīng)過深冷處理的合金材料，具有較好的抗沖擊能力、減少點蝕和咬合現(xiàn)象。由于使用聯(lián)合改性的油封材料，使油封片壽命得到很大提高。
【專利說明】重載齒輪箱
[0001]
【技術領域】
[0002]本發(fā)明屬于傳動設備領域，涉及一種重載齒輪箱，尤其涉及一種傳動軸系呈折線布置的重載齒輪箱。
[0003]【背景技術】
[0004]在機械傳動基礎件中，齒輪箱占有非常重要的地位，作為傳遞動力的主要裝置，廣泛用于冶金、礦山、起重運輸，電力、能源、建筑材料、輕工、交通等工業(yè)部門。其產(chǎn)品水平和質(zhì)量對機械產(chǎn)品有著重大的影響。特別是在需要較大扭矩和較大功率的各種傳動中，齒輪箱有著巨大的市場和應用價值。然而就老式的直交重載齒輪箱來說，因齒輪油填滿機體時，隨著運行時間的推移，齒輪箱內(nèi)壓力會越來越高，從而導致齒輪油泄露和溫升高等問題，影響了實際操作中的性能發(fā)揮，其使用性能還需要進一步的改進。
[0005]CN202690951U公開了一種增速齒輪箱，包括箱體、輸入軸、主動齒輪、輸出軸、從動齒輪、帶離合器的傳動齒輪、油泵，液壓控制部件；所述輸入軸設置在箱體內(nèi)部的下方，所述主動齒輪設置在輸入軸上，所述輸出軸設置在箱體內(nèi)部的上方，所述從動齒輪和帶離合器的傳動齒輪設置在輸出軸，所述油泵設置在箱體外部右側；所述箱體內(nèi)部的前方設置有油泵傳動軸，所述油泵轉動軸上設置有油泵傳動齒輪，所述油泵傳動齒輪與所述主動齒輪相嚙合，所述油泵傳動軸與所述箱體外油泵相連接。
[0006]CN201636322U公開了一種輸出軸密封裝置。該密封裝置在輸出軸上裝有骨架油封和無骨架油封，骨架油封和無骨架油封之間用隔套隔開，在骨架油封、無骨架油封之間及隔套的下方有油腔，在骨架油封、無骨架油封和隔套的外部裝有通蓋，通蓋的中間有進油孔，通蓋的頂部裝有壓注油杯，無骨油封的一端裝有壓蓋，壓蓋用螺栓固定在通蓋上。
[0007]CN202833992U公開了一種變速器用油封結構，包括設置在導油環(huán)和變速器后殼上的回油孔和設置在輸出軸后端蓋前端的回油道，所述導油環(huán)上的回油孔、變速器后殼上的回油孔和輸出軸后端蓋前端的回油道連通，所述輸出軸后端蓋與輸出軸之間設置有雙油封結構。
[0008]US5207436A公開了一種組合密封件，該密封件將如下組件集成在一起:2個嵌套的鋼套，PTFE盤(該盤的兩個邊與其中一個鋼套密封接觸)，和彈性密封件。PTFE盤提供低摩擦密封阻擋體。彈性密封件提供另外兩個阻擋體，使得剛性PTFE盤更易于順應軸凸出和徑向偏心。
[0009]JP2010159786 A公開了一種齒輪裝置，具有:軸承保持孔，其形成在齒輪箱的側壁上；軸承，其嵌入并安裝在該軸承保持孔中，將齒輪軸支承為旋轉自如；軸承蓋，其從外側蓋住所述軸承保持孔；以及間隙調(diào)整用襯墊，其夾設在該軸承蓋與所述軸承之間，所述齒輪裝置的特征在于，在所述軸承保持孔的外端側形成有基準面，所述軸承蓋安裝在比該基準面靠外側的位置。
[0010]《船舶力學》，“大功率船用齒輪箱系統(tǒng)熱彈耦合分析”，朱才朝等，2011，15(8)—文研究了利用熱彈耦合方法，建立了某大型重載船用齒輪箱齒輪一軸一軸承一箱體耦合系統(tǒng)有限元模型。研究齒輪系統(tǒng)熱平衡過程，結合齒輪傳動的傳熱學、摩擦學及嚙合原理確定邊界條件，對系統(tǒng)進行了數(shù)值仿真，得到了系統(tǒng)耦合應力場及溫度場。
[0011]然而，在現(xiàn)有的齒輪箱中，傳動軸通常為直線布置，中心傳動距離偏小，承載力較差，難以實現(xiàn)重載，另外齒輪件仍然采用傳統(tǒng)的熱處理工藝進行加工，力學性能、斷裂韌性和抗疲勞 強度均難以滿足目前的重載要求，而且目前的油封結構也與重載要求不相匹配。因此，現(xiàn)有技術中需要一種能夠滿足重載要求的綜合性能得到改善的齒輪箱。
[0012]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]為解決現(xiàn)有技術中存在的上述問題，本發(fā)明人經(jīng)過深入研究，提出了如下技術方案:
一種重載齒輪箱，其特征在于，包括配裝有輸入法蘭座、邊蓋、輸出端蓋、箱蓋和可選的補償油箱的機體，機體內(nèi)部安裝有輸入軸、二級齒輪軸、三級齒輪軸和輸出軸，輸入軸一端在機體內(nèi)安裝有小螺旋錐齒輪，另一端穿過輸入法蘭座、輸入端蓋，通過聯(lián)軸器與驅(qū)動設備連接；二級齒輪軸、三級齒輪軸和輸出軸軸體兩端分別通過軸承安裝在機體的兩側面上，二級齒輪軸上安裝有大螺旋錐齒輪，三級齒輪軸和輸出軸上分別安裝有二級大齒輪和輸出大齒輪；小螺旋錐齒輪與大螺旋錐齒輪相嚙合，二級齒輪軸上的齒輪部位與二級大齒輪相嚙合，三級齒輪軸上的齒輪部位與輸出大齒輪相嚙合。
[0014]本發(fā)明的齒輪箱特別有效地用于重載柴油發(fā)動機車輛以及船用。
[0015]在一個優(yōu)選實施方案中，所述二級齒輪軸、三級齒輪軸和輸出軸為折線布置，其布置方式是:沿齒輪箱縱截面方向，三級齒輪軸軸心不在二級齒輪軸軸心和輸出軸軸心的連接直線上，而是偏離該連接直線。通過該折線布置，使得齒輪箱在相同體積下，傳動中心距加大，承載能力更強，更加適合重載應用。
[0016]優(yōu)選地，三級齒輪軸軸心和二級齒輪軸軸心的連接直線與二級齒輪軸軸心和輸出軸軸心的連接直線所成的夾角為α，三級齒輪軸軸心和輸出軸軸心二級齒輪軸軸心的連接直線與二級齒輪軸軸心和輸出軸軸心的連接直線所成的夾角為β，α為15-45°，β為10-40°，且 2° ≤ α-β ≤ 5°。
[0017]本發(fā)明人出乎意料地發(fā)現(xiàn)，所述α和β必須在規(guī)定范圍內(nèi)，且必須滿足特定的關系。經(jīng)過大量實驗發(fā)現(xiàn)，只有當α為15-45°，β為10-40°時才能夠在不降低傳動效率的情況下提高承載力，同時還必須滿足2° ^ α-β ^5°，即α稍大于β，推測其原因，可能是與三級齒輪軸在齒輪箱中的位置和各自的作用具有密切關系。這樣的特定折線設置方式在現(xiàn)有技術中沒有記載，現(xiàn)有技術中也沒有給出相應的技術啟示和教導，是需要付出創(chuàng)造性勞動才可以做到的。
[0018]在構成材料方面，大螺旋錐齒輪(8)、二級大齒輪(11)和輸出大齒輪(20)均可以采用20Cr2Ni4A*輪鋼制成且經(jīng)過回火-深冷處理。20Cr2Ni4A齒輪鋼是本領域中常用的齒輪鋼，其處理方法一般采用熱處理工藝進行，例如:正火(溫度可以為880°C)，然后油冷(溫度可以為300°C)，再接著進行空冷(溫度可以為110°C)。然而，這樣的處理方法使齒輪的機械性能例如斷裂韌性和抗疲勞裂紋擴展的改善受到嚴重限制。本發(fā)明人經(jīng)過大量研究以及和科研機構合作，采用一種全新的回火-深冷復合循環(huán)處理方法，所述回火-深冷復合循環(huán)處理可以包括如下依次步驟:
步驟(I):將齒輪件進行回火處理；步驟(2):將齒輪件進行深冷處理；步驟(3):將齒輪件進行再次回火處理；和步驟(4):將齒輪件進行再次深冷處理；其中:
步驟(I)的回火處理為低溫回火，處理溫度為85?155°C，處理時間為I?6h，優(yōu)選2?4h ;步驟(2)的深冷處理溫度為-30°C?_85°C，處理時間為IOmin?6h，優(yōu)選30min?Ih ；步驟(3)的回火處理為高溫回火，處理溫度為500?700°C，處理時間為I?6h，優(yōu)選2_4h ；步驟(4)的深冷處理溫度為_180°C?_230°C，處理時間為IOmin?5h，優(yōu)選20min?Ih ；并且其中:在步驟(2)的深冷處理后，控制齒輪件回溫至室溫，升溫速率為5?10°C /min ;在步驟(4)的深冷處理后，控制齒輪件回溫至室溫，升溫速率為I?:TC / min ;并且重復上述步驟(I)至(4 )至少3個循環(huán)，優(yōu)選4個以上的循環(huán)。
[0019]在上述方法中，通過先進行低溫回火和低溫深冷、再進行高溫回火和更低溫度深冷這樣的有機協(xié)同組合，有效克服了材料組織結構可能由于溫差較大而劣化的可能。同時，通過大量繁復的試驗，仔細、嚴格選擇并控制低溫回火、低溫深冷、高溫回火和更低溫度深冷所采用的溫度，以及每次深冷處理后回溫至室溫的速率，既有效、充分地減少了殘余奧氏體，使殘余應力得到更好的消除從而改善尺寸穩(wěn)定性，析出超細微碳化物，硬度增加，提高耐磨損性能，而且還由于低溫回火和低溫深冷與高溫回火和更低溫度深冷的有機協(xié)同作用和多個循環(huán)，非常有效地控制了金屬件的第二類殘余應力和第三類殘余應力，避免使金屬件中發(fā)生殘余內(nèi)應力的松弛，極大提高沖擊韌性并有效避免了宏觀裂紋等缺陷。
[0020]同時，本發(fā)明人經(jīng)過大量研究還發(fā)現(xiàn)，必須仔細控制步驟(2)和步驟(4)深冷處理后金屬件回溫至室溫的升溫速率在上述適當范圍內(nèi)，以及控制步驟(4)深冷處理后金屬件回溫至室溫的升溫速率小于步驟(2)深冷處理后金屬件回溫至室溫的升溫速率，只有如此才能夠獲得部件耐磨性、沖擊韌性和強度的良好改善。步驟(2)和步驟(4)深冷處理后金屬件回溫至室溫的升溫速率優(yōu)選呈直線升溫形式。
[0021]另外，優(yōu)選地，輸出部分的軸封采用雙油封密封設計。
[0022]所述雙油封材料可以為改性聚四氟乙烯材料，該改性聚四氟乙烯材料為玻璃纖維、納米材料和聚合物聯(lián)合改性的聚四氟乙烯材料，基于改性聚四氟乙烯材料的總重量計，包含玻璃纖維2-5 wt.%,納米材料1-3 wt.%和聚合物4-6 wt.%,所述納米材料為納米碳纖維，所述聚合物為聚硅氧烷。
[0023]本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在使用改性聚四氟乙烯制備油封材料中，存在改性劑單一的問題，難以發(fā)揮改性劑的協(xié)同作用。在本申請中，通過玻璃纖維、納米材料和聚合物的聯(lián)合使用，使油封材料的性能得到極大改善。使得油封材料具有耐高溫、使用壽命長的優(yōu)點。玻璃纖維、納米碳纖維的加入使得在PTFE層狀結構中形成網(wǎng)狀節(jié)點，從而提高剛度、導熱性、抗蠕變性及耐磨性，使密封壽命大大延長，試驗過程中發(fā)現(xiàn)，在PTFE中加入5 wt.%的玻璃纖維細粉和2 wt.%的納米碳纖維，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。然而僅僅加入所述材料會使材料的硬度增大，彈性降低，柔韌性變差，因此本發(fā)明嘗試向油封片中引入聚硅氧烷，使密封片唇口在工作時表面滲出硅油，幫助唇口潤滑，從而延長唇口的使用壽命。所述聚硅氧烷優(yōu)選為支化的聚硅氧烷，更優(yōu)選為環(huán)氧改性的支化聚硅氧烷。所述支化的聚硅氧烷可以通過使式(a)表示的具有硅-氫鍵的硅氧烷，與式(b)表示的不對稱線性硅氧烷反應來進行制備:
【權利要求】
1.一種重載齒輪箱，其特征在于，包括配裝有輸入法蘭座(4)、邊蓋(14)、輸出端蓋(16)、箱蓋(26)和可選的補償油箱(22)的機體(6)，機體(6)內(nèi)部安裝有輸入軸(I)、二級齒輪軸(9 )、三級齒輪軸(15 )和輸出軸(19 )，輸入軸(I) 一端在機體(6 )內(nèi)安裝有小螺旋錐齒輪(7)，另一端穿過輸入法蘭座(4)、輸入端蓋(3)，通過聯(lián)軸器與驅(qū)動設備連接；二級齒輪軸(9)、三級齒輪軸(15)和輸出軸(19)軸體兩端分別通過軸承(10，12，18)安裝在機體(6)的兩側面上，二級齒輪軸(9 )上安裝有大螺旋錐齒輪(8 )，三級齒輪軸(15 )和輸出軸(19 )上分別安裝有二級大齒輪(11)和輸出大齒輪(20);小螺旋錐齒輪(7)與大螺旋錐齒輪(8)相嚙合，二級齒輪軸(9)上的齒輪部位與二級大齒輪(11)相嚙合，三級齒輪軸(15)上的齒輪部位與輸出大齒輪(20)相嚙合。
2.權利要求1所述的重載齒輪箱，其特征在于，所述二級齒輪軸(9)、三級齒輪軸(15)和輸出軸(19)為折線布置，其布置方式是:沿齒輪箱縱截面方向，三級齒輪軸(15)軸心不在二級齒輪軸(9)軸心和輸出軸(19)軸心的連接直線上，而是偏離該連接直線。
3.權利要求1或2所述的重載齒輪箱，其特征在于，三級齒輪軸(15)軸心和二級齒輪軸(9)軸心的連接直線與二級齒輪軸(9)軸心和輸出軸(19)軸心的連接直線所成的夾角為α，三級齒輪軸(15)軸心和輸出軸(19)軸心二級齒輪軸(9)軸心的連接直線與二級齒輪軸(9)軸心和輸出軸(19)軸心的連接直線所成的夾角為β，α為15-45°，β為10_40°，且2° ≤ α -β ≤ 5°。
4.前述權利要求中任一項所述的重載齒輪箱，大螺旋錐齒輪(8)、二級大齒輪(11)和輸出大齒輪(20)均采用20Cr2Ni4A齒輪鋼制成且經(jīng)過回火-深冷復合循環(huán)處理，其中所述回火-深冷復合循環(huán)處理包括如下依次步驟: 步驟(1):將齒輪件進行回火處理；步驟(2):將齒輪件進行深冷處理；步驟(3):將齒輪件進行再次回火處理；和步驟(4):將齒輪件進行再次深冷處理；其中: 步驟(1)的回火處理為低溫回火，處理溫度為85~155°C，處理時間為I~6h，優(yōu)選2~4h ;步驟(2)的深冷處理溫度為-30°C~_85°C，處理時間為IOmin~6h，優(yōu)選30min~Ih ；步驟(3)的回火處理為高溫回火，處理溫度為500~700°C，處理時間為I~6h，優(yōu)選2_4h ；步驟(4)的深冷處理溫度為_180°C~_230°C，處理時間為IOmin~5h，優(yōu)選20min~Ih ； 并且其中:在步驟(2)的深冷處理后，控制齒輪件回溫至室溫，升溫速率為5~10°C /min ;在步驟(4)的深冷處理后，控制齒輪件回溫至室溫，升溫速率為I~:TC / min ;并且重復上述步驟(1)至(4 )至少3個循環(huán)，優(yōu)選4個以上的循環(huán)。
5.前述權利要求中任一項所述的重載齒輪箱，其特征在于，輸出部分的軸封采用雙油封密封設計。
6.權利要求5所述的重載齒輪箱，其特征在于，所述雙油封材料為改性聚四氟乙烯材料，該改性聚四氟乙烯材料為玻璃纖維、納米材料和聚合物聯(lián)合改性的聚四氟乙烯材料，基于改性聚四氟乙烯材料的總重量計，包含玻璃纖維2-5 wt.%,納米材料1-3 wt.%和聚合物4-6 wt.%，所述納米材料為納米碳纖維，所述聚合物為聚硅氧烷。
7.權利要求6所述的重載齒輪箱，其特征在于，油封中所用的油封片通過包括如下步驟的方法由所述油封材料制成:將聚四氟乙烯料和玻璃纖維進行高剪切混合，得混合物A，再將納米材料和聚合物混合，得到混合物B，然后將混合物A和B進行混合、壓制、燒結和切削加工。
8.權利要求6或7所述的重載齒輪箱，油封中所用的油封片表面涂覆有一層彈性體，所述彈性體為氟烴彈性體。
9.權利要求6-8中任一項所述的重載齒輪箱，其中彈性體的厚度為0.lmm-1.0mm。
10.權利要求8或9所述的重載齒輪箱，其中彈性體的表面涂有潤滑劑組合物，該潤滑劑組合物中含有用以改善氟烴彈性體層與潤滑劑組合物的相容性的添加劑，該添加劑為油可溶的鈦絡合物。
【文檔編號】F16H57/023GK103982591SQ201410235907
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月30日 優(yōu)先權日:2014年5月30日
【發(fā)明者】林智昊 申請人:博能傳動(蘇州)有限公司