論減速器中齒輪傳動(dòng)應(yīng)用設(shè)計(jì)
2015-04-29 00:00:00滕東芹石忠海
【摘 要】齒輪傳動(dòng)是利用兩齒輪的輪齒相互咬合傳遞動(dòng)力的機(jī)械傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)的類型很多，按齒輪軸線的相對(duì)位置分平行軸圓柱齒輪傳動(dòng)、相交軸圓錐齒輪傳動(dòng)和交錯(cuò)軸螺旋齒輪傳動(dòng)。根據(jù)齒輪的工作條件，可分為：半開式齒輪傳動(dòng)、開式齒輪傳動(dòng)、閉式齒輪傳動(dòng)。
【關(guān)鍵詞】減速器；傳動(dòng)；設(shè)計(jì)
齒輪傳動(dòng)作為機(jī)械傳動(dòng)中最重要也是最廣泛的傳動(dòng)形式之一，廣泛的運(yùn)用于各種減速器中。由齒輪、軸、軸承及箱體組成的齒輪減速器，用于原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間，起匹配轉(zhuǎn)速和傳遞轉(zhuǎn)矩的作用，在現(xiàn)代機(jī)械中應(yīng)用極為廣泛。
齒輪減速器對(duì)齒輪傳動(dòng)的最基本要求是運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)且有足夠的承載能力。其中齒輪傳動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是：①瞬時(shí)傳動(dòng)比恒定、工作平穩(wěn)、傳動(dòng)準(zhǔn)確可靠，可傳遞空間任意兩軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力；②適用的功率和速度范圍廣；③傳動(dòng)效率高，η=0.92-0.98；④工作可靠、使用壽命長；⑤外輪廓尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊。國內(nèi)的減速器多以齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)為主，但普遍存在著功率與重量比小，或者傳動(dòng)比大而機(jī)械效率過低的問題。另外，材料品質(zhì)和工藝水平上還有許多弱點(diǎn)，特別是大型的減速器問題更突出，使用壽命不長，比如礦用減速器。
齒輪減速器在工作過程中可能會(huì)出現(xiàn)傳動(dòng)的不平穩(wěn)，同時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)、沖擊與噪聲問題等。齒輪經(jīng)過實(shí)際負(fù)載工況工作至一定的壽命后，就可能產(chǎn)生輪齒折斷、齒面接觸疲勞點(diǎn)蝕以及磨損等形式的損傷。由以上這些問題可以看出齒輪傳動(dòng)過程中必須遵循的兩項(xiàng)基本要求：一是齒輪傳動(dòng)過程需具備必要的工作穩(wěn)定性，即對(duì)不同用途的齒輪需要求不同程度的工作平穩(wěn)性指標(biāo)，使得齒輪在其傳動(dòng)過程中產(chǎn)生的振動(dòng)、噪聲等處于允許的范圍內(nèi)，保證整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)都能正常的工作；二是齒輪應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度，即要求傳動(dòng)齒輪尺寸小、重量輕、在保證承載能力的基本前提下有盡可能長的壽命，也就是說傳動(dòng)齒輪在工作過程中做到輪齒不折斷，齒面無點(diǎn)蝕，同時(shí)也不會(huì)因?yàn)閲?yán)重的磨損而失效。
為了改善各種問題，我們會(huì)做相應(yīng)的齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以滿足齒輪在減速器使用中的各種要求。減速器齒輪的設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括各檔齒數(shù)、模數(shù)、齒寬、斜齒輪螺旋角、壓力角、齒頂高系數(shù)以及齒輪的中心距等。
1.齒輪齒數(shù)
①應(yīng)滿足動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性等的要求。
②增加齒輪齒數(shù)可適當(dāng)降低齒輪傳動(dòng)時(shí)的噪聲。
③最少齒數(shù)應(yīng)使齒輪不產(chǎn)生根切。
④對(duì)于相互嚙合的齒輪，其齒數(shù)不應(yīng)有公因數(shù)，高速齒輪更應(yīng)該注意這點(diǎn)。
2.齒輪模數(shù)
由于低檔齒輪與高檔齒輪承受載荷的不同，故模數(shù)也最好做到不相同。同一減速器中的齒輪模數(shù)種類不應(yīng)過多。在減速器中心距都相同的情況下，選用小模數(shù)的齒輪可以有效的減小傳動(dòng)噪聲。
3.齒輪齒寬
齒輪寬度較大時(shí)，其承載能力會(huì)提高，但是當(dāng)齒輪受載后，由于存在軸的撓度變形及齒輪的齒向誤差等原因，使得齒輪沿齒寬方向的受力不均勻，因而選擇齒寬時(shí)不宜過大。
4.螺旋角
減速器采用斜齒輪時(shí)，其螺旋角選用范圍一般在10°～35°。
5.壓力角
齒輪壓力角較小時(shí)，重合度較大并降低了輪齒剛度，傳動(dòng)平穩(wěn)，有利于降低噪聲；壓力角較大時(shí)，輪齒的抗彎強(qiáng)度和表面接觸強(qiáng)度高。
6.齒頂高系數(shù)
礦用減速器多采用長齒齒輪，重合度大，在強(qiáng)度、噪聲、動(dòng)載荷和振動(dòng)等方面有明顯改善。
7.齒輪變位系數(shù)的選擇
對(duì)減速器進(jìn)行齒輪修正可以有效改善齒輪傳動(dòng)的某些性能。齒輪修正的方法主要有以下三種：一是加工前改變刀具的原始齒廓參數(shù)；二是加工時(shí)改變刀具與齒輪毛坯的相對(duì)位置，即齒輪變位；三是加工后改變齒輪齒廓的局部漸開線，即齒面修形。
為了避免齒輪嚙合時(shí)產(chǎn)生根切或干涉，同時(shí)為了配湊中心距以及滿足各檔傳動(dòng)齒輪在彎曲強(qiáng)度、接觸強(qiáng)度、抗膠合、耐磨損和運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性等方面的不同要求，并且有效地提高齒輪壽命，礦用減速器均采用變位齒輪。
齒輪應(yīng)按照使用時(shí)的工作條件選用合適的材料。齒輪材料的合適與否對(duì)齒輪的加工性能和使用壽命都有直接的影響。
一般來說，對(duì)于低速重載的傳力齒輪，齒面受壓產(chǎn)生塑性變形和磨損，且輪齒易折斷。應(yīng)選用機(jī)械強(qiáng)度、硬度等綜合力學(xué)性能較好的材料，如18CrMnTi；線速度高的傳力齒輪，齒面容易產(chǎn)生疲勞點(diǎn)蝕，所以齒面應(yīng)有較高的硬度，可用38CrMoAlA氮化鋼；承受沖擊載荷的傳力齒輪，應(yīng)選用韌性好的材料，如低碳合金鋼18CrMnTi；非傳力齒輪可以選用不淬火鋼，鑄鐵、夾布膠木、尼龍等非金屬材料。一般用途的齒輪均用45鋼等中碳結(jié)構(gòu)鋼和低碳結(jié)構(gòu)鋼如20Cr、40Cr、20CrMnTi等制成。
當(dāng)今的減速器是向著大功率、大傳動(dòng)比、小體積、高機(jī)械效率以及使用壽命長的方向發(fā)展。減速器與電動(dòng)機(jī)的連體結(jié)構(gòu)，也是大力開拓的形式，并已生產(chǎn)多種結(jié)構(gòu)形式和多種功率型號(hào)的產(chǎn)品。近十幾年來，由于近代計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，使得機(jī)械加工精度，加工效率大大提高，從而推動(dòng)了機(jī)械傳動(dòng)產(chǎn)品的多樣化，整機(jī)配套的模塊化，標(biāo)準(zhǔn)化，以及造型設(shè)計(jì)藝術(shù)化，使產(chǎn)品更加精致，美觀化。
在21世紀(jì)成套機(jī)械裝備中，齒輪仍然是機(jī)械傳動(dòng)的基本部件。CNC機(jī)床和工藝技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的飛速發(fā)展。在傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的電子控制、液壓傳動(dòng)、齒輪、帶鏈的混合傳動(dòng)，將成為工業(yè)應(yīng)用中各種設(shè)計(jì)的優(yōu)化傳動(dòng)組合的方向。在傳動(dòng)設(shè)計(jì)中的學(xué)科交叉，將成為新型傳動(dòng)產(chǎn)品發(fā)展的重要趨勢(shì)。
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