一體式行星輪軸承組件（PLANET PAC）：通過集成提高行星輪系功率密度和性能
2009-10-10 作者：Douglass Lucas 供稿：鐵姆肯公司
摘要：行星輪系一般都配有跨式安裝的行星惰輪，它們由行星架的銷軸支承。這些行星架有整體式或兩片式的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)上，很多額定功率較高的行星齒輪系統(tǒng)都使用了圓柱滾子軸承。本文意欲證明，在一個(gè)集成化的組件內(nèi)，使用預(yù)載的圓錐滾子軸承對于這種應(yīng)用而言應(yīng)該是優(yōu)先選擇。它能增加軸承的承載能力、提高功率密度、延長疲勞壽命。根據(jù) DIN281-4 的計(jì)算，在不改變行星輪空間尺寸的情況下，采用了整體集成專利技術(shù) [1] 的軸承壽命可高達(dá)非集成技術(shù)的 6 倍，超出半集成技術(shù)的1.5 倍之多。
前言——行星輪系的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
行星輪系特別適合在一個(gè)緊湊的空間里達(dá)到較高的減速比。圖1所示為圓柱滾子軸承在一個(gè)典型的跨裝行星惰輪中的應(yīng)用。
由于功率密度較高，行星輪系被設(shè)計(jì)人員廣為使用，整合到各類設(shè)備中，包括汽車變速箱、路外設(shè)備主減速器、風(fēng)力渦輪機(jī)齒輪箱和水泥立磨齒輪箱等等。
正如任何其它形式的功率傳動(dòng)系統(tǒng)那樣，在設(shè)計(jì)階段工程師為了確保系統(tǒng)的高可靠性，面臨著很多分析層面的挑戰(zhàn)。如果是行星輪系，由于公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)零部件傳遞功率時(shí)存在復(fù)雜的相互作用，將使這個(gè)問題更為復(fù)雜，更具挑戰(zhàn)性。
前言——行星輪系的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
行星輪系特別適合在一個(gè)緊湊的空間里達(dá)到較高的減速比。圖1所示為圓柱滾子軸承在一個(gè)典型的跨裝行星惰輪中的應(yīng)用。
由于功率密度較高，行星輪系被設(shè)計(jì)人員廣為使用，整合到各類設(shè)備中，包括汽車變速箱、路外設(shè)備主減速器、風(fēng)力渦輪機(jī)齒輪箱和水泥立磨齒輪箱等等。
正如任何其它形式的功率傳動(dòng)系統(tǒng)那樣，在設(shè)計(jì)階段工程師為了確保系統(tǒng)的高可靠性，面臨著很多分析層面的挑戰(zhàn)。如果是行星輪系，由于公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)零部件傳遞功率時(shí)存在復(fù)雜的相互作用，將使這個(gè)問題更為復(fù)雜，更具挑戰(zhàn)性。
然而對于所有設(shè)備而言，出于經(jīng)濟(jì)因素的考慮，提高功率密度和可靠性是一個(gè)永恒的話題。PLANET PAC 一體式行星輪軸承組件的使用能在進(jìn)一步利用現(xiàn)有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上增強(qiáng)設(shè)備可靠性，使設(shè)計(jì)更改的費(fèi)用Z小化。另一方面，其更高的功率密度可以使設(shè)計(jì)變得更為緊湊，從而減少成本和重量。
什么是一體式行星輪軸承組件（PLANET PAC）？
傳統(tǒng)的高功率行星齒輪組包含有一個(gè)齒輪、兩個(gè)外圈、兩個(gè)內(nèi)圈、兩列滾動(dòng)體，兩個(gè)保持架和一個(gè)行星架銷軸。有些場合下，還可含帶隔圈或開口環(huán)。多數(shù)情況下，使用 99% 可靠性或 L1 疲勞壽命來計(jì)算齒輪的壽命，而支承齒輪的軸承則使用 90% 可靠性、L10 疲勞壽命來計(jì)算。
有些齒輪箱制造商已經(jīng)在他們的行星輪系中半集成了軸承。圖2展示了半集成的解決方案，這種技術(shù)就是將軸承的外圈和齒輪做成一體。該設(shè)計(jì)的指導(dǎo)原則是將推薦的齒輪輪緣厚度定義為齒輪模數(shù)的一個(gè)比例，比如說是齒輪模數(shù)的三倍。通過改變這個(gè)比例值，可以增大軸承的節(jié)圓直徑和滾子直徑，從而提高軸承的承載能力和疲勞壽命。
什么是一體式行星輪軸承組件（PLANET PAC）？
傳統(tǒng)的高功率行星齒輪組包含有一個(gè)齒輪、兩個(gè)外圈、兩個(gè)內(nèi)圈、兩列滾動(dòng)體，兩個(gè)保持架和一個(gè)行星架銷軸。有些場合下，還可含帶隔圈或開口環(huán)。多數(shù)情況下，使用 99% 可靠性或 L1 疲勞壽命來計(jì)算齒輪的壽命，而支承齒輪的軸承則使用 90% 可靠性、L10 疲勞壽命來計(jì)算。
有些齒輪箱制造商已經(jīng)在他們的行星輪系中半集成了軸承。圖2展示了半集成的解決方案，這種技術(shù)就是將軸承的外圈和齒輪做成一體。該設(shè)計(jì)的指導(dǎo)原則是將推薦的齒輪輪緣厚度定義為齒輪模數(shù)的一個(gè)比例，比如說是齒輪模數(shù)的三倍。通過改變這個(gè)比例值，可以增大軸承的節(jié)圓直徑和滾子直徑，從而提高軸承的承載能力和疲勞壽命。
利用現(xiàn)代軸承技術(shù)的優(yōu)勢和進(jìn)一步零部件的集成化，就可能實(shí)現(xiàn)極高功率密度的設(shè)計(jì)。如圖 3 所示，這樣的集成包括齒輪同軸承外圈的集成以及行星架銷軸同軸承內(nèi)圈的集成。滿裝的滾子采用了一種專利涂層 ES300，以防止?jié)L子之間的金屬粘結(jié)。這就是一體式行星輪軸承組件。在這種特殊的設(shè)計(jì)中，行星架必須是兩片式的，由螺栓固定在一起以完成系統(tǒng)的組裝。這樣的設(shè)計(jì)免去了兩個(gè)軸承的內(nèi)外圈、一個(gè)隔圈和四個(gè)接觸表面。沒有了這些接觸面，也就避免了潛在磨擦腐蝕以及對軸承游隙設(shè)定的影響，而這種影響會導(dǎo)致軸承的過早失效。該設(shè)計(jì)還將一個(gè)附加的擋圈集成到組件內(nèi)，用于控制軸承游隙的設(shè)定。此外，該組件還可加入強(qiáng)制油潤滑等附加特性。
有些齒輪箱制造商可能采用整體式行星架。這種設(shè)計(jì)所使用行星架的側(cè)壁與兩片式的類似，但它們是不可分離的。齒輪只能在兩個(gè)固定的側(cè)壁之間滑動(dòng)。有一根銷軸穿過軸承的內(nèi)圈將軸承和齒輪固定到位。如圖4所示，在該情況下， Planet Pac無法將銷軸和內(nèi)圈做成一體。然而，可集成一個(gè)擋圈來設(shè)定軸承的游隙，并滿裝采用ES300涂層的滾子以增加軸承組件
的功率密度。
要提高軸承的承載能力，有三種方法：增加滾子數(shù)量，增大滾子尺寸或是軸承的節(jié)圓直徑。這種設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新能在徑向和軸向上增強(qiáng)行星齒輪系統(tǒng)的功率密度。
通過將內(nèi)圈集成到軸上，位于滾子下方軸的截面將相應(yīng)增加，應(yīng)力則會降低。此外，行星架的銷軸直徑能保持原有尺寸，所以彎曲和剪切應(yīng)力不會增加。然而，這種集成方式會在銷軸和行星架接觸面處形成直角。這就要求按照ANSI/AGMA 6001-D97[2]進(jìn)行應(yīng)力集中系數(shù)的分析，必要情況下，則需調(diào)整銷軸的直徑。
如前所述，兩種設(shè)計(jì)都在內(nèi)圈上集成了一個(gè)能拆除的大型擋圈，該擋圈位于右列滾子的右側(cè)（如圖3和圖4）。對于圓錐滾子軸承，廠家能利用這種擋圈非常精確地設(shè)定軸承的游隙。這樣，行星齒輪制造商就無需再對軸承預(yù)加負(fù)荷；而預(yù)載所帶來的麻煩就是很多齒輪箱制造商使用圓柱或球面滾子軸承的一個(gè)原因。當(dāng)負(fù)荷過大時(shí)，同時(shí)采用壓配合和焊接的方法能確保足夠的支撐力和韌性。
E S 3 0 0 是一種類似鉆石結(jié)構(gòu)的專利涂層（DLC），它能用來防止?jié)M裝滾子軸承中的粘結(jié)磨損。試驗(yàn)表明，這種涂層特別適用于滿裝滾子軸承。
此外，在潤滑劑供應(yīng)出現(xiàn)間斷的場合，該涂層能有效地消除滾子與滾道之間的粘結(jié)磨損。
預(yù)載的圓錐滾子軸承 —— 一體式行星輪軸承組件（Planet Pac）的優(yōu)先選擇
雖然一體式行星輪軸承組件（Planet Pac）能夠采用圓柱滾子軸承、滾針軸承和其它形式的軸承，但是預(yù)載的圓錐滾子軸承仍然是優(yōu)先選擇。分析表明， 和其它具有較大徑向游隙量的軸承形式相比，預(yù)載的圓錐滾子軸承擁有多項(xiàng)優(yōu)勢，特別是當(dāng)軸承在齒輪接觸有偏斜的情況下運(yùn)行時(shí)。
這個(gè)結(jié)論已經(jīng)在 Flamang 和 Clement[3] 所寫的文章中得以證實(shí)。增加功率密度的一個(gè)關(guān)鍵因素是改善軸承和齒輪內(nèi)載荷的分配。在該篇文章中表明，對于同類的圓柱滾子軸承設(shè)計(jì)而言，圓錐滾子軸承是優(yōu)先選擇的解決方案。在圓錐滾子軸承的設(shè)計(jì)中，應(yīng)力更低，其預(yù)期的疲勞壽命也要高出兩倍；其原因在于圓錐滾子軸承具有較寬的支撐距離以及預(yù)加負(fù)荷、自動(dòng)對中和自我調(diào)節(jié)的作用。
本文未將重點(diǎn)放在為何圓錐滾子軸承是Z佳軸承的問題上，因?yàn)榇苏擖c(diǎn)已在 Flamang 和 Clement 的文章中予以闡明。本文僅以他方觀點(diǎn)為基礎(chǔ)開展論述。
各種集成方案的比較
比較表明，集成化程度越高，則功率密度也能相應(yīng)更高。該結(jié)論是基于以下假設(shè)：行星架采用的是一個(gè)對分的兩片式結(jié)構(gòu)，使用的軸承材料是不變的，ISO281材料系數(shù)恒等于1.1。不論軸承額定載荷值如何，軸承的預(yù)緊力不變。此外，軸承的速度和材料的純凈度ISO 15/12也是不變的。Z后，所有集成方案中所采用的行星齒輪的尺寸不能大于非集成設(shè)計(jì)的。
對比分析中所使用的齒輪載荷是由齒輪箱制造商確定。眾所周知，偏置載荷會在軸承上形成不均勻的載荷分布。在分析中，假設(shè)齒輪載荷的施加是不對中的。圖5表明，這種方式施加的載荷會在軸承上產(chǎn)生傾覆力矩。這種受力條件是Z苛刻的，會導(dǎo)致軸承承載的增加和預(yù)期疲勞壽命的降低。
行星架的扭轉(zhuǎn)將使齒輪的接觸以及軸承軸線發(fā)生偏斜。雖然對齒輪面的修形有助于消除這種對齒輪接觸的影響，但卻不能糾正軸承的偏斜。此外，修形也有助于減少輪齒接觸部位的邊界載荷，然而接觸區(qū)域的移動(dòng)與齒輪制造商的公差和工藝的控制有關(guān)。中度偏斜的齒輪嚙合條件下，會重新將載荷不均勻地分配到軸承的各列上，大大降低承載較重那列的疲勞壽命。遺憾的是，軸承供應(yīng)商往往不太考慮此處所討論的偏斜值和齒輪接觸區(qū)域的移動(dòng)。通過軸承和齒輪傳動(dòng)制造商之間更密切合作，就能對這樣的系統(tǒng)進(jìn)行更透徹的分析，考慮這些問題和更多類似于“齒輪扭曲”的現(xiàn)象。
通過將內(nèi)圈集成到軸上，位于滾子下方軸的截面將相應(yīng)增加，應(yīng)力則會降低。此外，行星架的銷軸直徑能保持原有尺寸，所以彎曲和剪切應(yīng)力不會增加。然而，這種集成方式會在銷軸和行星架接觸面處形成直角。這就要求按照ANSI/AGMA 6001-D97[2]進(jìn)行應(yīng)力集中系數(shù)的分析，必要情況下，則需調(diào)整銷軸的直徑。
如前所述，兩種設(shè)計(jì)都在內(nèi)圈上集成了一個(gè)能拆除的大型擋圈，該擋圈位于右列滾子的右側(cè)（如圖3和圖4）。對于圓錐滾子軸承，廠家能利用這種擋圈非常精確地設(shè)定軸承的游隙。這樣，行星齒輪制造商就無需再對軸承預(yù)加負(fù)荷；而預(yù)載所帶來的麻煩就是很多齒輪箱制造商使用圓柱或球面滾子軸承的一個(gè)原因。當(dāng)負(fù)荷過大時(shí)，同時(shí)采用壓配合和焊接的方法能確保足夠的支撐力和韌性。
E S 3 0 0 是一種類似鉆石結(jié)構(gòu)的專利涂層（DLC），它能用來防止?jié)M裝滾子軸承中的粘結(jié)磨損。試驗(yàn)表明，這種涂層特別適用于滿裝滾子軸承。
此外，在潤滑劑供應(yīng)出現(xiàn)間斷的場合，該涂層能有效地消除滾子與滾道之間的粘結(jié)磨損。
預(yù)載的圓錐滾子軸承 —— 一體式行星輪軸承組件（Planet Pac）的優(yōu)先選擇
雖然一體式行星輪軸承組件（Planet Pac）能夠采用圓柱滾子軸承、滾針軸承和其它形式的軸承，但是預(yù)載的圓錐滾子軸承仍然是優(yōu)先選擇。分析表明， 和其它具有較大徑向游隙量的軸承形式相比，預(yù)載的圓錐滾子軸承擁有多項(xiàng)優(yōu)勢，特別是當(dāng)軸承在齒輪接觸有偏斜的情況下運(yùn)行時(shí)。
這個(gè)結(jié)論已經(jīng)在 Flamang 和 Clement[3] 所寫的文章中得以證實(shí)。增加功率密度的一個(gè)關(guān)鍵因素是改善軸承和齒輪內(nèi)載荷的分配。在該篇文章中表明，對于同類的圓柱滾子軸承設(shè)計(jì)而言，圓錐滾子軸承是優(yōu)先選擇的解決方案。在圓錐滾子軸承的設(shè)計(jì)中，應(yīng)力更低，其預(yù)期的疲勞壽命也要高出兩倍；其原因在于圓錐滾子軸承具有較寬的支撐距離以及預(yù)加負(fù)荷、自動(dòng)對中和自我調(diào)節(jié)的作用。
本文未將重點(diǎn)放在為何圓錐滾子軸承是Z佳軸承的問題上，因?yàn)榇苏擖c(diǎn)已在 Flamang 和 Clement 的文章中予以闡明。本文僅以他方觀點(diǎn)為基礎(chǔ)開展論述。
各種集成方案的比較
比較表明，集成化程度越高，則功率密度也能相應(yīng)更高。該結(jié)論是基于以下假設(shè)：行星架采用的是一個(gè)對分的兩片式結(jié)構(gòu)，使用的軸承材料是不變的，ISO281材料系數(shù)恒等于1.1。不論軸承額定載荷值如何，軸承的預(yù)緊力不變。此外，軸承的速度和材料的純凈度ISO 15/12也是不變的。Z后，所有集成方案中所采用的行星齒輪的尺寸不能大于非集成設(shè)計(jì)的。
對比分析中所使用的齒輪載荷是由齒輪箱制造商確定。眾所周知，偏置載荷會在軸承上形成不均勻的載荷分布。在分析中，假設(shè)齒輪載荷的施加是不對中的。圖5表明，這種方式施加的載荷會在軸承上產(chǎn)生傾覆力矩。這種受力條件是Z苛刻的，會導(dǎo)致軸承承載的增加和預(yù)期疲勞壽命的降低。
行星架的扭轉(zhuǎn)將使齒輪的接觸以及軸承軸線發(fā)生偏斜。雖然對齒輪面的修形有助于消除這種對齒輪接觸的影響，但卻不能糾正軸承的偏斜。此外，修形也有助于減少輪齒接觸部位的邊界載荷，然而接觸區(qū)域的移動(dòng)與齒輪制造商的公差和工藝的控制有關(guān)。中度偏斜的齒輪嚙合條件下，會重新將載荷不均勻地分配到軸承的各列上，大大降低承載較重那列的疲勞壽命。遺憾的是，軸承供應(yīng)商往往不太考慮此處所討論的偏斜值和齒輪接觸區(qū)域的移動(dòng)。通過軸承和齒輪傳動(dòng)制造商之間更密切合作，就能對這樣的系統(tǒng)進(jìn)行更透徹的分析，考慮這些問題和更多類似于“齒輪扭曲”的現(xiàn)象。
首先，我們對非集成的設(shè)計(jì)進(jìn)行評價(jià)。在分析中，使用了 ISO 圓錐滾子軸承 32248，這是同其它方案作比較的基準(zhǔn)，也是多數(shù)制造商在齒輪箱中的基本設(shè)計(jì)。如圖6中所示，外圈是被壓入齒輪內(nèi)的。對于風(fēng)力渦輪機(jī)的應(yīng)用，按照 AGM46006-A03[4] 的規(guī)定，齒輪輪緣的厚度等于3倍的模數(shù)。
接著，把軸承的外圈和行星齒輪進(jìn)行集成，如圖7 所示。在這個(gè)過程中，要求保持集成后的輪緣厚度和非集成設(shè)計(jì)的一致。因?yàn)閮?nèi)圈的表面是錐形，故使用平均外滾道直徑來計(jì)算輪緣的厚度。這樣，就能增加滾子的數(shù)量和長度以及軸承的節(jié)圓直徑。從而，也就提高了軸承的額定載荷、功率密度和預(yù)期的 L10 壽命。
Z后，將軸承的內(nèi)圈集成到行星齒輪軸（見圖8）。在這個(gè)過程中，軸承的平均外滾道直徑?jīng)]有增加，但滿裝的滾子采用了 ES300 涂層。同半集成設(shè)計(jì)相比，滾子的直徑會更大而長度近似。軸承的節(jié)圓直徑稍大于非集成設(shè)計(jì)，但比半集成的設(shè)計(jì)小。
在圖9 中可看出非集成設(shè)計(jì)和半集成設(shè)計(jì)的比較。非集成的解決方案為陰影部分，半集成設(shè)計(jì)的解決方案為輪廓線部分。很容易看出，半集成的設(shè)計(jì)擁有更高的疲勞壽命。
由圖10可看出全集成設(shè)計(jì)和半集成設(shè)計(jì)的比較。半集成設(shè)計(jì)解決方案用陰影表示，全集成設(shè)計(jì)的解決
方案為輪廓線部分。可以看出，內(nèi)圈角度減小，滾子直徑增加，而長度保持相對不變。
下列表 1中所示為三種集成設(shè)計(jì)的軸承額定載荷、軸承節(jié)圓直徑和平均外滾道直徑的比例關(guān)系。該表的目的在于表明軸承的額定載荷會隨著集成程度的增加而提高。
如同表 2 所示，理論壽命和 DIN281-4 應(yīng)力調(diào)節(jié)壽命增加的比例是相同的。而從 DIN281-4 系數(shù)調(diào)節(jié)壽命來看，半集成設(shè)計(jì)的軸承壽命將大大增加；而且，只有采用了全集成設(shè)計(jì)，才能將軸承的作用極致發(fā)揮。
此外，還采用了鐵姆肯公司的專利程序 SYSx 對軸承進(jìn)行分析。分析過程中同時(shí)考慮了齒輪的扭曲，即由于載荷的作用，齒輪的輪緣會彎曲成橢圓形。該程序能推算出承載區(qū)調(diào)整系數(shù) L10a3K，類似于DIN281-4 應(yīng)力調(diào)節(jié)算法中的系數(shù)。按照 SYSx，對于非集成、半集成和全集成的設(shè)計(jì)，它們的 L10a 軸承壽命的全調(diào)整系數(shù)分別是 1.0，7.4 和 13.5。
雖然 DIN281-4 足以用于比較不同軸承制造商的設(shè)計(jì)，但經(jīng) Kotzalas 和 Fox[6] 證實(shí)，制造商自己研發(fā)的軸承分析軟件，如鐵姆肯公司的 SYSx，在預(yù)測其生產(chǎn)的軸承的壽命上更為精確。基于這個(gè)認(rèn)識，全集成設(shè)計(jì)的疲勞壽命將是半集成設(shè)計(jì)的1.8倍，是非集成設(shè)計(jì)的 14.5 倍之多，顯著展示了功率密度的效應(yīng)。
雖然 DIN281-4 足以用于比較不同軸承制造商的設(shè)計(jì)，但經(jīng) Kotzalas 和 Fox[6] 證實(shí)，制造商自己研發(fā)的軸承分析軟件，如鐵姆肯公司的 SYSx，在預(yù)測其生產(chǎn)的軸承的壽命上更為精確。基于這個(gè)認(rèn)識，全集成設(shè)計(jì)的疲勞壽命將是半集成設(shè)計(jì)的1.8倍，是非集成設(shè)計(jì)的 14.5 倍之多，顯著展示了功率密度的效應(yīng)。
總的來說，L10軸承壽命越高，軸承可靠性也越高。表3和公式（1）所示，當(dāng)可靠性為 90%、軸承壽命是100, 000小時(shí)；那么當(dāng)要求 99%可靠性時(shí)，此刻的 L10 壽命將是 90%可靠性軸承壽命的 4.79 倍，即479,000小時(shí)。
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在不改變現(xiàn)有行星齒輪系統(tǒng)空間尺寸的條件下，有可能達(dá)到 99% 可靠性的軸承疲勞壽命，以同齒輪的疲勞計(jì)算相匹配。我們可以使用 DIN281-4 方法或軸承專用分析軟件（例如 SYSx）來做。
此外，由鐵姆肯公司SYSx程序計(jì)算的接觸應(yīng)力來看，對于所有三種設(shè)計(jì)而言，接觸應(yīng)力都低于疲勞極限1500 MPa。然而，半集成和全集成設(shè)計(jì)的應(yīng)力分別為非集成設(shè)計(jì)的89%和84%。
一體式行星輪軸承組件的可選附加特性
功率密度并不僅僅取決于軸承的集成程度。通過 以下途徑，亦可改變軸承，使疲勞壽命延長，軸承性能增強(qiáng)。
此外，由鐵姆肯公司SYSx程序計(jì)算的接觸應(yīng)力來看，對于所有三種設(shè)計(jì)而言，接觸應(yīng)力都低于疲勞極限1500 MPa。然而，半集成和全集成設(shè)計(jì)的應(yīng)力分別為非集成設(shè)計(jì)的89%和84%。
一體式行星輪軸承組件的可選附加特性
功率密度并不僅僅取決于軸承的集成程度。通過 以下途徑，亦可改變軸承，使疲勞壽命延長，軸承性能增強(qiáng)。
增強(qiáng)表面處理
通過增強(qiáng)表面處理，采用更純凈、抗疲勞性更高的鋼材，亦能改善軸承性能。光滑的表面能提高lambda比值。滾子和軸承滾道的光潔度可通過磨削、珩磨或其他表面處理方法來改進(jìn)。
材料處理
例如，通過采用 MAP 鋼材能將軸承的額定載荷提高 23%。根據(jù)軸承壽命的公式，當(dāng)軸承承載能力增
通過增強(qiáng)表面處理，采用更純凈、抗疲勞性更高的鋼材，亦能改善軸承性能。光滑的表面能提高lambda比值。滾子和軸承滾道的光潔度可通過磨削、珩磨或其他表面處理方法來改進(jìn)。
材料處理
例如，通過采用 MAP 鋼材能將軸承的額定載荷提高 23%。根據(jù)軸承壽命的公式，當(dāng)軸承承載能力增
加 23%時(shí)，疲勞壽命將會是原來的 2 倍。鐵姆肯公司的 Duraspexx TMPower Rating 系列就是一個(gè)典范
[7]。
抗雜質(zhì)特性
如果潤滑劑中存在雜質(zhì)問題，則預(yù)期的軸承疲勞壽命能夠用不同等級的 ISO 純凈度來計(jì)算，倘若 ISO的標(biāo)準(zhǔn)不適用，則可根據(jù)現(xiàn)場情況 [8,9]，對實(shí)際的軸承表面進(jìn)行測繪，調(diào)整軸承的壽命。軸承的疲勞壽命還能根據(jù)一段時(shí)期內(nèi)累積的雜質(zhì)損傷來調(diào)整[10]。
對于嚴(yán)重存在雜質(zhì)問題的路外車輛，上述方法已經(jīng)付諸實(shí)施，并且鐵姆肯公司已經(jīng)應(yīng)用了其抗雜質(zhì)軸承（DRB）技術(shù) [11]，以限制雜質(zhì)對軸承疲勞壽命的影響。
抗雜質(zhì)密封
如果采用帶有適當(dāng)過濾特性的強(qiáng)制潤滑方法去潤滑行星齒輪軸承，那么對一體式行星輪軸承組件（Planet Pac）的密封將有助于消除齒輪箱油槽中的碎屑雜質(zhì)和對行星軸承的損傷。此外，通過將潤滑孔加工到輪齒的根部，能改進(jìn)太陽和行星齒輪接觸面的潤滑。
預(yù)加油脂和密封
行星齒輪組的很多應(yīng)用采用油潤滑；而在某些情況下，行星齒輪的潤滑通路可能受到限制。因此，多數(shù)一體式行星輪軸承組件（Planet Pac）設(shè)計(jì)采用強(qiáng)制油潤滑。然而，對于有些方便再潤滑的行星齒輪而言，Planet Pac可設(shè)計(jì)成預(yù)潤滑，并密封且方便日后周期性再潤滑的結(jié)構(gòu)形式。在采用油槽的潤滑系統(tǒng)中，行星軸承的密封和脂潤滑能降低油面，這將有助于減少與高油面相關(guān)的攪動(dòng)損耗，從而降低運(yùn)行溫度，并增加軸承和齒輪的疲勞壽命。
優(yōu)勢和特性
（1）可用于改型現(xiàn)有的行星齒輪設(shè)計(jì)，無論行星架是整體式或兩片式。
（2）零部件的集成能提高功率密度，增加軸承的壽命，可無需軸承帶保持架。
（3）不論有無涂層，滿裝滾子都可增加軸承的承載能力和壽命。
（4）軸承制造商可對軸承游隙精確地控制，以延長其疲勞壽命并控制齒輪的定位以及行星輪的變形。
（5）能減少零部件數(shù)量，提高可靠性。
（6）無需行星齒輪的配件。
（7）沒有了緊配合的外圈，從而能避免因其產(chǎn)生的磨損、碎屑和軸承游隙量過大。
（8）能夠加入其它可選擇的特性，例如：針對行星輪拆卸的液壓輔助結(jié)構(gòu)，用于強(qiáng)制油潤滑的油孔和便于拆卸的錐孔軸承設(shè)計(jì)。
（9）通過使用鐵姆肯公司的DuraspexxTM Power Rating系列或抗雜質(zhì)軸承（DRB）技術(shù)制造的行星輪軸承，能提高惡劣工況下的疲勞壽命。
結(jié)論
一體式行星輪軸承組件（Planet Pac）是一種全集成的行星齒輪和軸承組件，是行星齒輪系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一個(gè)必然的進(jìn)步。它給設(shè)計(jì)者提供有效改進(jìn)系統(tǒng)可靠性和功率密度的方法，同時(shí)保持設(shè)計(jì)的成本效率。當(dāng)把這樣的軸承組件裝入現(xiàn)有空間后，軸承能達(dá)到99%的可靠性，與齒輪可靠性相匹配。
參考文獻(xiàn)
[1] Patent US 6,770,007 B2 - Epicyclic Drive with Unified Planet Assemblies
[2] ANSI/AGMA 6001-D97 (1997), Design and Selection of Components for Enclosed Gear Drives.
[3] Flamang, P., Clement, P."Stresses and Load Distribution Factors in Bearings: A Tool to Compare Bearing Alternatives". Dresdner Maschinenelemente Kol oquium 2003
[4] ANSI/AGMA/AWEA 6006-A03 (2003), Design and Specification of Gearboxes for Wind Turbines.
[5] DIN ISO 281 Beiblatt 4 (April, 2003), Rolling Bearings – Dynamic Load Ratings and Rating Life - Methods for Calculation of the Modified Reference Rating Life for Universally Loaded Roling Bearings.
[6] Kotzalas, M. and Fox, G. (2004),"Comparison of Din 281 Bearing Fatigue Life Predictions with Test Data,"Presented at the Global Windpower Conference2004. Chicago, IL., USA
［7] Timken Internet Site for DuraSpexxTM. http:// products/www.timken.com/products/bearings/spexx/duraspexx.asp
[8] Nixon, H. and Cogdell, J. (1998),"Debris Signature AnalysisSM: A Method for Assessing the Detrimental Effect of Specific Debris Contaminated Lubrication Environments,"SAE Technical Paper #981478.
[9] Nixon, H., Ai, X., Cogdell, J., and Fox, G. (1999),"Accessing and Predicting the Performance of Bearings in Debris Contaminated Lubrication Environment,"SAE Technical Paper #1999-01- 2791.
[10] Fox, G, Martens, M., and Nixon, H. (1999),"A Bearing Life Prediction Method for Utilizing Progressive Functional Surface Damage Analysis from a Debris Contaminated Lubrication Environment,"SAE Technical Paper #1999-01-2793.
[11] Timken Internet Site for Debris Resistant Bearings. http://www.timken.com/products/ bearings/products/debris.asp
抗雜質(zhì)特性
如果潤滑劑中存在雜質(zhì)問題，則預(yù)期的軸承疲勞壽命能夠用不同等級的 ISO 純凈度來計(jì)算，倘若 ISO的標(biāo)準(zhǔn)不適用，則可根據(jù)現(xiàn)場情況 [8,9]，對實(shí)際的軸承表面進(jìn)行測繪，調(diào)整軸承的壽命。軸承的疲勞壽命還能根據(jù)一段時(shí)期內(nèi)累積的雜質(zhì)損傷來調(diào)整[10]。
對于嚴(yán)重存在雜質(zhì)問題的路外車輛，上述方法已經(jīng)付諸實(shí)施，并且鐵姆肯公司已經(jīng)應(yīng)用了其抗雜質(zhì)軸承（DRB）技術(shù) [11]，以限制雜質(zhì)對軸承疲勞壽命的影響。
抗雜質(zhì)密封
如果采用帶有適當(dāng)過濾特性的強(qiáng)制潤滑方法去潤滑行星齒輪軸承，那么對一體式行星輪軸承組件（Planet Pac）的密封將有助于消除齒輪箱油槽中的碎屑雜質(zhì)和對行星軸承的損傷。此外，通過將潤滑孔加工到輪齒的根部，能改進(jìn)太陽和行星齒輪接觸面的潤滑。
預(yù)加油脂和密封
行星齒輪組的很多應(yīng)用采用油潤滑；而在某些情況下，行星齒輪的潤滑通路可能受到限制。因此，多數(shù)一體式行星輪軸承組件（Planet Pac）設(shè)計(jì)采用強(qiáng)制油潤滑。然而，對于有些方便再潤滑的行星齒輪而言，Planet Pac可設(shè)計(jì)成預(yù)潤滑，并密封且方便日后周期性再潤滑的結(jié)構(gòu)形式。在采用油槽的潤滑系統(tǒng)中，行星軸承的密封和脂潤滑能降低油面，這將有助于減少與高油面相關(guān)的攪動(dòng)損耗，從而降低運(yùn)行溫度，并增加軸承和齒輪的疲勞壽命。
優(yōu)勢和特性
（1）可用于改型現(xiàn)有的行星齒輪設(shè)計(jì)，無論行星架是整體式或兩片式。
（2）零部件的集成能提高功率密度，增加軸承的壽命，可無需軸承帶保持架。
（3）不論有無涂層，滿裝滾子都可增加軸承的承載能力和壽命。
（4）軸承制造商可對軸承游隙精確地控制，以延長其疲勞壽命并控制齒輪的定位以及行星輪的變形。
（5）能減少零部件數(shù)量，提高可靠性。
（6）無需行星齒輪的配件。
（7）沒有了緊配合的外圈，從而能避免因其產(chǎn)生的磨損、碎屑和軸承游隙量過大。
（8）能夠加入其它可選擇的特性，例如：針對行星輪拆卸的液壓輔助結(jié)構(gòu)，用于強(qiáng)制油潤滑的油孔和便于拆卸的錐孔軸承設(shè)計(jì)。
（9）通過使用鐵姆肯公司的DuraspexxTM Power Rating系列或抗雜質(zhì)軸承（DRB）技術(shù)制造的行星輪軸承，能提高惡劣工況下的疲勞壽命。
結(jié)論
一體式行星輪軸承組件（Planet Pac）是一種全集成的行星齒輪和軸承組件，是行星齒輪系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一個(gè)必然的進(jìn)步。它給設(shè)計(jì)者提供有效改進(jìn)系統(tǒng)可靠性和功率密度的方法，同時(shí)保持設(shè)計(jì)的成本效率。當(dāng)把這樣的軸承組件裝入現(xiàn)有空間后，軸承能達(dá)到99%的可靠性，與齒輪可靠性相匹配。
參考文獻(xiàn)
[1] Patent US 6,770,007 B2 - Epicyclic Drive with Unified Planet Assemblies
[2] ANSI/AGMA 6001-D97 (1997), Design and Selection of Components for Enclosed Gear Drives.
[3] Flamang, P., Clement, P."Stresses and Load Distribution Factors in Bearings: A Tool to Compare Bearing Alternatives". Dresdner Maschinenelemente Kol oquium 2003
[4] ANSI/AGMA/AWEA 6006-A03 (2003), Design and Specification of Gearboxes for Wind Turbines.
[5] DIN ISO 281 Beiblatt 4 (April, 2003), Rolling Bearings – Dynamic Load Ratings and Rating Life - Methods for Calculation of the Modified Reference Rating Life for Universally Loaded Roling Bearings.
[6] Kotzalas, M. and Fox, G. (2004),"Comparison of Din 281 Bearing Fatigue Life Predictions with Test Data,"Presented at the Global Windpower Conference2004. Chicago, IL., USA
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[8] Nixon, H. and Cogdell, J. (1998),"Debris Signature AnalysisSM: A Method for Assessing the Detrimental Effect of Specific Debris Contaminated Lubrication Environments,"SAE Technical Paper #981478.
[9] Nixon, H., Ai, X., Cogdell, J., and Fox, G. (1999),"Accessing and Predicting the Performance of Bearings in Debris Contaminated Lubrication Environment,"SAE Technical Paper #1999-01- 2791.
[10] Fox, G, Martens, M., and Nixon, H. (1999),"A Bearing Life Prediction Method for Utilizing Progressive Functional Surface Damage Analysis from a Debris Contaminated Lubrication Environment,"SAE Technical Paper #1999-01-2793.
[11] Timken Internet Site for Debris Resistant Bearings. http://www.timken.com/products/ bearings/products/debris.asp