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矿用汽车发动机动力输出PTO装置的研究与制造

发布时间:2012-09-11 | 来源: | 作者:河北汇工机械设备有限公司 杨钟胜

  【内容摘要】通过对国内、外矿用汽车发动机动力输出PTO装置(以下简称PTO装置)的研究,详细介绍了PTO装置的构成和工作原理。同时将本人长期从事矿用汽车养、用、管、修的实践经验,融入PTO装置制造的全过程。对生产出可靠性高、使用寿命长的优质PTO装置起到了重要的作用。结合长期的养、用、管、修、造五位一体的实践经验,详细的论述了PTO装置在制造和安装中的注意事项,使国内同行从中获益,不走和少走我们曾走过的弯路。在工作中,有很好的借鉴和参考价值。

  【关键词】PTO装置的组成工作原理及作用制造及安装中的注意事项

  Researchingandmanufacturingabouttheenginepowertake-offofminingtrucks

  HebeiHuiMachineEquipmentCo.,Ltdyangzhongsheng

  【Abstract】Idefinethestructureandprincipleabouttheenginepowertake-off(hereaftercalledPTO)afterresearchingthemonlargenumbersofminingtrucksdomesticandoverseas.Meanwhile,Iputmyexperiencesonmaintain,using,managementandrepairoftrucksintothewholePTOmanufacturingprocess.ThisisimportantforproductionofhighreliabilityandlonglifePTO.Withthereferencetoexperiencesthatintegratedmaintain,using,repair,managementandmanufactureIdiscussthemattersneedattentionduringPTOproductionandinstallationindetails.Domesticcraftbrothercanbenefitfromitandavoidorfewtouchthedetoursthatwehaveevertracked.Itisreferencedandlearnableinwork.

  【Keywords】structureofPTO;serviceprinciple;mattersneedattentionduringPTOproductionandinstallation

  发动机动力输出PTO装置(以下简称PTO)是现代矿用汽车十分重要的传递动力装置,随着矿用汽车的快速发展,对PTO的需求也随之增长。我单位为了适应市场的需要,在充分消化吸收进口PTO的基础上,成功的开发和生产了PTO,先后从设计、制造、安装到使用维修的全过程,进行了深入系统的研究和分析,为生产出高质量的PTO,奠定了坚实的基础。

  现将这一过程总结成《矿用汽车发动机动力输出PTO装置的研究与制造》一文,并将此文奉献给国内矿用汽车的设计、使用、维修单位的同行,以供工作中参考。

  一、PTO的组成及其工作原理

  1.PTO的组成,见图1、表1所示。

  图1发动机动力输出PTO装置分解图

  表1PTO装置的组成一览表

  2.PTO的工作原理,见图2所示。

  图2发动机动力输出PTO装置工作原理图

  连接盘小端的止口和PTO止口相配,连接盘大端的止口和飞轮壳的止口相配,通过安装螺钉分别将PTO紧固在连接盘和飞轮壳上。弹性联轴器分别由外圈和内圈组成,外圈通过螺钉固定在发动机的飞轮上。内圈上的止口和法兰盘的止口相配,并通过螺钉将法兰盘紧固在内圈上。外圈和内圈之间由弹性元件——优质合成橡胶制成的胶圈,用压力机将其压入其内,通过足够的摩擦力将外圈和内圈连成一体。法兰盘内花键和PTO驱动轴外花键相连接,只要发动机在运转,弹性联轴器就随着飞轮的转动而转动,发动机的动力首先经过弹性元件的作用和传递,再到PTO驱动轴将动力输出。在发动机和PTO之间,通过弹性联轴器的弹性元件变成了弹性连接。利用弹性元件的弹性变形来补偿轴向、径向、角向不同程度的偏斜和位移,传递发动机的动力和转矩,同时对发动机的扭震具有较高的阻尼减震和缓冲作用,改善了雷竞技raybet平台系统的工作性能。

  3.PTO的作用:

  (1)实现动力输出,见图2所示

  发动机的动力由PTO的驱动轴输出。

  (2)实现动力分动,见图2所示。

  PTO内两个从动ray雷竞技app与主动ray雷竞技app相啮合,通过两个从动ray雷竞技app的内花键分别和油泵的外花键轴相配,随着从动ray雷竞技app的转动带动油泵工作,实现动力分动。

  (3)实现弹性连接,改善雷竞技raybet平台系统的工作性能。

  通过弹性元件的变形,来补偿两轴的偏斜和位移,传递发动机的动力和转矩,同时弹性元件具有较高的缓冲和减震能力,实现弹性连接,改善雷竞技raybet平台系统的工作性能。

  二、PTO壳体的加工及注意事项

  (一)PTO壳体的加工工艺:

  1.PTO的技术要求

  ①PTO表面应平整,不允许有锈蚀、粘砂、多肉及浇冒口等痕迹缺陷。

  ②PTO上共有三个轴线和两个必须确保的中心距,PTO座止口和驱动轴轴承孔的同轴度不大于φ0.025;同一轴线上各孔的同轴度不大于φ0.025;另外两个轴线对PTO座止口的不平行度不大于0.04;油泵安装平面的垂直度不大于0.04。

  ③为确保孔系同轴,PTO座与盖打入定位销后镗孔。

  2.PTO盖的加工工艺

  铸造毛坯→彻底清砂→人工时效去应力→钳(划线)→用专用工装在铣床上按划线找正,在铣床上分别铣PTO盖上的上、中、下三个平面→平面磨磨PTO盖上的上、中、下三个平面至尺寸要求→钻盖上有关孔。

  3.PTO座的加工工艺

  铸造毛坯→彻底清砂→人工时效去应力→钳(划线)→半精车,车止口和止口端面及内孔→在铣床上,利用专用工装和PTO座止口相配定心,止口端面相配轴向定位,装夹固定,铣PTO座的上平面。→平面磨:用专用工装磨PTO座的上平面至尺寸要求→钻座上各有关孔分别攻丝、铰孔至要求。

  4.PTO盖和座组装后的粗、精镗孔工艺

  在数控立铣上,利用专用工装通过工装上的止口和PTO座止口相配定心,止口端面相配轴向定位,通过打入二个锥销,将PTO盖固定在PTO座上,然后安装螺钉进行紧固,分别按要求粗、精镗各孔至尺寸要求。

  (二)PTO壳体加工中的注意事项:

  1.与轴承外圈相配内孔的加工

  PTO壳体内共有三根轴线上的六个轴承孔需要加工,其配合性质和孔的加工尺寸非常关键。按K6过渡配合设计和加工时,当轴承外径为Φ120时,其公差为:Φ120+0.004-0.018。若按这一公差加工,将导致轴承跑外圈的机率大增。根据我们的实践经验,对过渡配合的原公差作了相应的技术处理,即Φ1200-0.02。显著地增大了过渡配合中的过盈配合率。对轴承的正常使用没有任何影响。这样一来,由于有足够的紧固力度,可有效的防止轴承跑外圈的弊端,在生产实践中取得了很好的使用效果。

  2.与唇形油封外圆相配内孔的加工

  为了确保唇形油封的外圆在安装后有足够的紧固力度,对相配内孔的加工公差一般要求选用H级,不得大于H8。根据我单位的经验:内孔公称尺寸的加工公差按H6~H7为宜;内孔表面粗糙度为Ra1.6~3.2;内孔的表面硬度无要求。

  3.与唇形油封外圆相配内孔孔口导入倒角的加工

  在PTO壳体上,为了便于唇形油封的装配,与唇形油封外圆相配的内孔孔口应加工有导入的倒角。在倒角表面上,不允许有毛刺、飞边,孔口倒角的表面粗糙度为Ra=(1.6~3.2),孔口导入倒角的加工要求见表2所示。

  表2孔口导入倒角(mm)

  4.加工后对PTO壳体的清洗

  PTO壳体全部加工完毕之后,清洗工作十分重要,尤其是对PTO座上的盲螺纹孔的清洗一定要彻底,以免留下铁屑和沙粒及污垢等,污染油质,留下后患。

  三、驱动轴的加工及注意事项

  (一)驱动轴的加工

  1.驱动轴的三种加工工艺简介

  (1)驱动轴是典型的花键轴类零件,可用以下三种工艺加工:

  ①用低碳低合金钢或低碳高合金钢加工,经渗碳淬火+低温回火而成,最后通过磨削花键来消除热处理变形。

  ②用中碳或中碳低合金钢加工,经整体淬火+低温回火而成,最后通过磨削花键来消除热处理变形。

  ③用中碳或中碳低合金钢加工,采用高、中频感应淬火+低温回火而成。

  (2)三种工艺的对比分析:

  ①关于驱动轴的渗碳淬火

  主要因渗碳淬火硬化层较浅,满足不了驱动轴工作上的要求。其次,驱动轴的一端是1:8的锥齿根渐开线外花键,其根径在花键磨削中无法加工,因而无法通过机加工消除热处理的变形,这一工艺在应用中已不多见。

  ②关于驱动轴的整体淬火

  驱动轴是典型的受弯曲和扭转为主的轴类零件,其表面应力最大,向心部逐渐减小,到心部为零。由于驱动轴整体淬火时形成的硬化层和对驱动轴的强化要求以及受力状况不一致。因此,没有必要进行整体淬火,目前这一工艺在国内外行业中已很少应用。

  ③关于驱动轴的高、中频淬火

  a、采用高频淬火,由于硬化层过浅,齿根处没有淬硬,过渡层的拉应力与该处的应力集中叠加在一起,导致发生严重的裂纹。如硬化层终止在退刀槽处,由于同样的原因会导致早期疲劳断裂。

  b、驱动轴经中频淬火后,由于硬化层深,不但能显著提高疲劳强度,而且没有氧化和脱碳等缺陷,同时又因工件心部还处于低温状态,强度较高,因此热处理变形大为减少。经中频感应淬火的驱动轴不需要磨花键就可以满足使用上的要求。

  目前国内、外对花键轴类的加工,中频感应淬火的工艺已经得到了日益广泛的应用,并且随着技术进步逐渐成为主导工艺。

  2.驱动轴的加工工艺

  锻造毛坯→正火→粗车→预备热处理(调质)→半精车→滚花键→中频淬火+低温回火→磨轴承位外圆→修锉毛刺、飞边→检验入库。

  3.对驱动轴工况的分析

  ①驱动轴在工作中,通过轴的旋转主要承受弯曲疲劳和传递扭矩。因此应具有高的抗弯曲、扭转和疲劳强度,以及足够的冲击韧性、塑性和耐磨性。

  ②驱动轴是典型的受弯曲和扭转为主的轴类零件,其表面应力最大,向心部逐渐减小,到心部为零。

  (二)驱动轴中频淬火中的注意事项:

  1.驱动轴全长上的淬火要求在一次中频淬火中完成

  驱动轴表面由3段外花键组成,只允许一次中频淬火而成,以防止产生软带出现断轴的恶性事故。

  2.硬化层深度的要求

  驱动轴的静扭强度还与硬化层的深度有关,硬化层越深,则静扭强度越大。在感应表面淬火中,由于中频感应淬火淬硬层较深,所以对驱动轴来说,以中频感应淬火为佳。

  淬硬层的深度可按驱动轴直径的10%~20%计算,当轴的直径大于40(mm)时,硬化层的深度可取轴直径的10%;当轴的直径小时,就按轴直径的20%计算。(这一计算方法同时适用于花键轴类的硬化层计算)

  3.硬化层分布的要求:

  驱动轴硬化层的分布不仅对疲劳强度有影响,对弯曲扭转强度也有很大的影响。因此对驱动轴全长要求在一次中频淬火之中完成。硬化层必须有足够大的深度,硬化层应连成一个整体,形成一个完整的均匀分布的硬化层,不允许出现硬化层中断。为了得到均匀分布的硬化层,最好的办法是在中频感应淬火中,要求实现驱动轴旋转,并实行连续感应加热表面淬火,驱动轴边旋转,感应器边上升。

  4.对中频感应设备和感应器的要求

  要求中频感应淬火机床转动平稳,感应器制造精确。驱动轴与感应器保持良好的同心度(感应器上升平稳)。

  在采用连续感应加热表面淬火时,为获得较深的硬化层,最好选用2.5~3千赫的中频设备。

  (三)驱动轴轴承位的加工

  为了防止轴承内圈与轴运转时产生相对滑动,必须选择正确的安装配合。轴与内圈一般采用适当的紧配合,是防止轴与内圈相对滑动的最简单的而有效的方法,用适当的紧配合可使轴承内圈在运转时受力均匀,使轴承的承载能力得到充分的发挥。但是轴承的配合又不能太紧,因内圈的弹性膨胀和外圈的收缩,而使轴承内部游隙减小以至完全消除,从而影响正常运转。

  根据我单位的经验,驱动轴轴承位外径尺寸按m5的要求加工。当轴承内径的公称尺寸为Φ55时,其公差为Φ55+0.024+0.011,经实践验证,效果比较理想。

  四、主、从动ray雷竞技app的加工及注意事项

  (一)主、从动ray雷竞技app的加工

  1.主、从动ray雷竞技app的技术要求:

  ①TEREX原版图中规定,内花键齿面和ray雷竞技app齿面渗碳淬火硬化层深1.0~1.4(成品渗层深度)。

  ②内花键齿面和ray雷竞技app齿面的表面硬度为58~62HRC。

  ③ray雷竞技app齿部的心部硬度当材料为20CrNiMoA时33~38HRC。当材料为20Cr2Ni4A时38~45HRC。

  ④其它要求详见标准图。

  2.主、从动ray雷竞技app的加工工艺:

  锻造毛坯→等温正火→粗车→预备热处理(调质)→半精车→拉内花键→以锥度花键心轴和拉后内花键孔相配,双顶心轴→半精车ray雷竞技app各相关表面→滚齿→钳(热前倒棱)→渗碳淬火+低温回火→强化喷丸→磨(基准孔和基准端面)→磨齿→钳(倒棱)→质检,入库。

  3.对主、从动ray雷竞技app内花键的工况分析

  内花键传递扭矩的同时,还要承受一定的冲击和振动,内外花键在结合中键侧壁还存在摩擦和磨损。因此内花键具有足够的强度和硬度,才能满足工作时的需要。

  (二)主、从动ray雷竞技app渗碳淬火中的注意事项

  1.问题的提出:

  主、从动ray雷竞技app在渗碳淬火中内花键孔的畸变——产生椭圆和锥度是我单位在质量上存在的主要问题。既影响生产效率和成本,又影响ray雷竞技app的精度和强度。一直以来,内花键的畸变是国内ray雷竞技app行业所关注的技术难题和通病之一。

  2.对主、从动ray雷竞技app内花键在热处理中的畸变分析

  ①内花键结构上不对称也是导致产生畸变的主要原因之一

  内花键热处理畸变与热处理前的精度对称度和刚度有直接的关系,精度越高,对称度越高,热处理畸变越小。通常对称度高的内花键加热和冷却过程及组织转变的过程中,热传递和组织转变对称度高,产生的热应力和组织应力分布对称度也高,所导致的畸变也小;另一方面对称度高的结构抵抗内应力畸变的能力也强。

  ②结构上内花键壁厚不一,也是导致畸变的主要原因之一。

  ③变形无规律,变形量多少不一。

  内花键在检测M值时发现,椭圆和锥度上变形大。总的趋势渗碳淬火后,M值和热前孔相比缩小最为多见,但每一炉的变形量多少不一,呈现无规律状态。

  ④根据我单位的生产实践,主动ray雷竞技app由于内花键结构上处于对称状态,因此其变形比从动ray雷竞技app要小。

  3.减少内花键孔热处理后畸变的工艺措施:

  (1)减少内应力,从而减少内花键畸变的工艺原则:

  ①改变加热和冷却工艺,尽量保证在热处理过程中,加热和冷却速度缓慢,ray雷竞技app表面温度及其变化率均匀。

  ②改进加热和冷却工艺,尽量减少ray雷竞技app的内外温度梯度。

  ③减少热处理过程的次数。

  ④改进锻造工艺,保证锻造加工时ray雷竞技app各表面塑性变形量和变形速度均匀。

  ⑤改进装夹和切削工艺,减少夹紧力和切削力。

  (2)提高ray雷竞技app的刚性,减少变形的工艺原则:

  ①粗加工和半精加工阶段采用心轴装夹。

  ②精加工采用高精度心轴装夹。

  ③渗碳及其后续热处理工艺改为空心心轴,提高刚度。

  ④提高ray雷竞技app关键表面的加工精度。

  (3)渗碳中应控制ray雷竞技app加热时的温差

  渗碳加热不容忽视,采取合理装夹、加热时采用预热、阶梯升温方式,以尽量减小ray雷竞技app各部位加热时的温差。

  (4)淬火中尽可能控制ray雷竞技app冷却均匀

  淬火是影响变形的主要环节,采取合适的夹具,合理的装夹摆放,根据结构形状,采用平衡补偿块、垫圈等;冷却介质尽量用热油,尽可能的使ray雷竞技app各部冷却均匀。

  (三)用推刀消除或减小热后主、从动ray雷竞技app内花键畸变的工艺方法

  对热处理后的变形量小于0.1(mm)的内花键,根据我单位的经验,用推刀通过压力机上加压进行切削,可减少或消除部分变形的方法简单、易行、效果明显。

  五、雷竞技raybet平台叉头的加工及注意事项

  1.与唇形油封内孔相配的雷竞技raybet平台叉头轴颈的加工

  雷竞技raybet平台叉头轴颈的加工公差一般要求选用h级,不得大于h11级;根据我单位的经验:轴颈公称尺寸的加工公差按h7~h8为宜。轴颈表面粗糙度为Ra0.2~0.8。

  2.雷竞技raybet平台叉头轴端导入倒角的加工

  与唇形油封配合的雷竞技raybet平台叉头的轴端导入倒角的加工,倒角上不应有毛刺,尖角和粗糙的机加工痕迹。以免划伤唇形油封上的主、副唇边。表面粗糙度Ra=(0.2~0.63),轴端导入倒角的加工要求见表3所示。

 

  表3轴端导入倒角(mm)

  注:①若轴端采用倒圆倒入导角,则倒圆的圆角半径不小于表中的d1-d2之值。

  3.对雷竞技raybet平台叉头上与唇形油封配合面的硬度要求:

  由于在运行过程中,唇形油封不停地在雷竞技raybet平台叉头上与其相配的表面上擦移,唇形油封与雷竞技raybet平台叉头配合面的硬度低,则不耐磨。根据国内、外的先进经验和推荐值,该硬度要求在30~50HRC为宜。

  六、在PTO制造中对关键配套件的选择与优化措施

  (一)对关键配套件的选择

  PTO的最终制造质量,不仅取决于加工件的质量,同时也取决于配套件的质量,如轴承、唇形油封等的质量。因此,对配套件如何把关进行筛选,是一项十分重要的工作。

  1.轴承的选择

  选择进口、纯正、国际知名品牌的SKF轴承,经实践验证,选用SKF轴承的实际效果、经济效益收效显著。

  2.唇形油封的选择

  选用进口、纯正、国际知名品牌的SKF径向轴用密封。选CP或CR径向轴用密封。

  P——聚丙烯酸酯胶

  R——丁腈橡胶

  P比R的适用性更好。

  经实践验证,在密封可靠性方面赢得了用户的信赖和好评。

  3.润滑油的选择

  选美孚HD80W/90润滑油,其各项技术指标能满足PTO工况的需要,经实践验证,使用效果比较理想。

  (二)在保证润滑油油质纯净度方面进行的优化措施

  由于PTOray雷竞技app和轴承的润滑是靠飞溅润滑,所以油质的纯净度至关重要。为了确保油质的纯净度,我们先后采取了以下优化措施:

  ①呼吸器改为有滤网的C型空气滤清器,可有效的防止在长期工作中,灰尘砂粒混入而污染油质。

  ②放油油堵改为磁性油堵,在工作中一旦有毛刺、飞边等金属颗粒脱落混入油中,则可吸附在磁性油堵上,不在参加循环润滑,保证了油质的纯净度。

  通过优化措施的落实,润滑油油质纯净度得到了有效的控制,对轴承的正常润滑发挥了应有的作用。

  七、安装中的技术要求及注意事项:

  (一)安装中的技术要求

  1.PTO各ray雷竞技app应转动灵活、运转平稳,不得有窜动、冲击异常噪声和阻滞现象。

  2.PTO满载时的噪声值不得大于85dB(A)。

  3.PTO润滑油不得有渗漏现象。

  4.PTO与发动机连接螺栓的强度等级不得低于8.8级。

  5.PTO在正常装配、使用和保养的条件下,首次大修期的寿命应不低于5000小时。

  (二)安装中的注意事项

  1.唇形油封的安装。

  由于唇形油封的安装不当引起泄漏过大,破坏密封效果屡见不鲜,足以可见安装的重要性。

  ①安装前对唇形油封应检查其规格、型号、配合尺寸,检查主、副唇上有无碰坏、变形、裂纹等现象,合格后方可投入使用。

  ②检查雷竞技raybet平台叉头上与唇形油封相配合的轴颈表面以及导入倒角的表面上有无毛刺、沟痕及碰伤等。如发现有毛刺及碰伤,应及时修平打光,然后用汽油清洗,不允许有灰尘、铁屑等杂质粘附在零件的表面上。装配前,在雷竞技raybet平台叉头配合面上,涂适量洁净的机械油,以便装配。

  ③检查驱动轴的轴向窜动量和径向跳动量是否符合制造及安装精度要求,以防止唇形油封内孔偏磨。

  ④安装与装配过程中应保持清洁,保证主、副唇上不被划伤碰坏。不允许用工具敲打唇形油封。

  ⑤不要用不干净的布或棉纱清洗唇形油封,应用干净而柔软的纱布或脱脂棉之类的东西擦洗。

  ⑥在唇形油封沿主、副唇的圆周上涂上10号机械油或透平油,以便装配。

  2.滚动轴承的安装。

  ①确保作业场地以及所用的设备工具,擦拭和润滑材料,轴承本身及相配零件的清洁。

  ②由于SKF轴承出厂前涂有防护油脂,安装前不要清洗轴承。防护油脂在投入运行后,能充分和润滑油融为一体,并参与正常的润滑,没有任何负面的影响。同时在没有投入运行前,在库房存放期间,由于防护油脂的作用,仍有可靠的防护作用。因此,对用户的使用非常方便。

  ③轴承安装前,应对轴承及相配件进行仔细检查,发现问题及时排除,否则不能安装。

  ④轴承安装时,应根据轴承的配合性质,合理选择装配方式:冷装或热装。

  ⑤安装轴承时,应尽量使用压力机和各种拉器等专用拆装工具,尽量避免用铜棒或手锤直接敲击。加力时,压力必须均匀的分布在套圈四周,方向与套圈端面垂直。

  ⑥安装轴承时,安装压力应加力于紧配合的套圈上。如果加力于非紧配合的套圈上,压力就要通过滚动体传到紧配合的套圈上,必然在轴承工作表面产生凹痕,引起轴承的早期损坏。

  ⑦安装轴承时必须仔细进行,避免轴承损伤。保持架最容易变形,注意安装中尽量不让保持架受力。

  ⑧确保轴承的安装精度。要严格按照技术条件的要求,保证轴承与相配件的配合精度和相互位置精度及轴承游隙,安装后应进行检查和调整

  3.PTO座和盖之间密封垫圈的安装。

  该密封垫采用航空垫子材料加工而成,在PTO座和盖两平面之间起密封作用。安装时用密封胶分别涂在PTO座和盖两个平面上,要求在涂胶时尽量做到胶层厚薄均匀一致,沿两平面的宽度上均匀涂胶。避免在结合面有局部无密封胶的现象。

  4.所有紧固螺栓应按规定的力矩,用力矩扳手上紧,其标准详见表4所示。

  《螺栓拧紧力矩标准》

 

  表4

  表4(续)

  

 

        参考资料

  1.《机械设计手册》闻邦椿主编

  北京机械工业出版社2010年1月

  2.《密封设计与实用数据速查》崔建昆编著

  北京机械工业出版社2010年9月

  3.AllisonTransmissions(维修手册)

  PrintedinU.S.A

  4.《矿用自卸车驱动桥轮边减速器的研究与制造》杨钟胜

  《矿用汽车》杂志2010年第3期

  5.《ray雷竞技app材料和热处理》陈国民主编

  郑州机械研究所2009年5月

  6.《美国卡特彼勒公司CATERPILLARIE标准汇编》

  机械工业部天津工程机械研究所主编1997年6月

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