劉建　李華志　文廣　蘇睿

摘要：針對(duì)現(xiàn)有各類(lèi)減速器能耗高、效率低等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一套新型圓錐-圓柱二級(jí)減速器，高速級(jí)傳動(dòng)齒輪采用圓錐弧齒錐齒輪，低速級(jí)傳動(dòng)齒輪采用圓柱斜齒齒輪，利用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和有限元法，依據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析，計(jì)算結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)滿(mǎn)足傳動(dòng)系統(tǒng)的性能要求，分析結(jié)果為該減速器傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：弧齒圓錐-斜齒圓柱齒輪減速器；傳動(dòng)結(jié)構(gòu)；有限元法；齒面接觸疲勞強(qiáng)度；齒根彎曲疲勞強(qiáng)度

中圖分類(lèi)號(hào)：TH21 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-5383（2018）02-0012-05

Design and Analysis of Structure a New Reducer

LIU Jian， LI Huazhi， WEN Guang， SU Rui

（School of Mechanical Engineering， Chengdu Technological University， Chengdu 611730， China）

Abstract：

Due to the shortcomings of various types of reducers， such as high energy consumption and low efficiency， a new type of conecylinder reducer was designed. The high speed transmission gear adopts spiral bevel gear， and the low speed transmission gear adopts helical cylindrical gear. Using the traditional design method and finite element method（FEM）， according to the relevant national standards， the design and analysis of its transmission structures was carried out. The results show that the design meets the performance requirements of the transmission system， and it can provide the reference for the further optimization of the transmission structures and other similar structures design.

Keywords： spiral bevel gearhelical cylindrical gear reducer； transmission structure； finite element method； tooth surface contact fatigue strength； tooth root bending fatigue strength

減速器由箱體、齒輪、軸、軸承、連接件等組成[1]，是施工升降機(jī)等大型工程機(jī)械的主要設(shè)備之一。目前國(guó)內(nèi)的減速器主要有3種形式：蝸輪蝸桿式、行星齒輪傳動(dòng)式及圓柱齒輪傳動(dòng)式。這3種減速器都存在一定缺陷：蝸輪蝸桿式減速器的效率較低、連續(xù)工作后發(fā)熱較大、運(yùn)行速度較低；行星傳動(dòng)減速器具有明顯的運(yùn)行振動(dòng)和減速器受力不好等問(wèn)題；圓柱齒輪減速器因?yàn)槎秳?dòng)等原因而沒(méi)能廣泛應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)新型減速器對(duì)提升機(jī)器工作效率、改善其使用性能具有重要意義。在減速器所有零部件中，齒輪是使用最為廣泛的傳動(dòng)件之一[2]，齒輪的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率是提高產(chǎn)品性能和工作質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵因素[3]。進(jìn)行齒輪設(shè)計(jì)的方法主要有兩類(lèi)：一類(lèi)是基于傳統(tǒng)理論的計(jì)算方法；另一類(lèi)是基于現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論的參數(shù)化設(shè)計(jì)法[4]。這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在減速器設(shè)計(jì)過(guò)程中如果能夠做到合理使用，則能大大提升設(shè)計(jì)效率，保證設(shè)計(jì)精度。本文利用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法和有限元法設(shè)計(jì)了一套新型減速器，并對(duì)其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，以期進(jìn)一步優(yōu)化減速器結(jié)構(gòu)。

1 減速器傳動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

目前常見(jiàn)的3種減速器雖然都具有一定的優(yōu)點(diǎn)，但是缺點(diǎn)也比較明顯。為此，考慮各類(lèi)齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)：斜齒齒輪的傳動(dòng)是漸入漸出，齒輪嚙合的重合度比直齒輪傳動(dòng)的要大，相對(duì)而言，直齒輪無(wú)法承受軸向力，斜齒輪除了能承受徑向力同時(shí)也能承受軸向力，傳動(dòng)也更為平穩(wěn)。另外，由于斜齒輪一般只用于中低速的場(chǎng)合，而弧齒輪不僅具有斜齒輪的優(yōu)點(diǎn)，而且運(yùn)行速度也較高，考慮到本文設(shè)計(jì)的減速器要應(yīng)用于施工升降機(jī)，工作位置往往較高，因此對(duì)減速器的重量要求較高，過(guò)大的減速器重量不利于升降機(jī)的高效工作，在單級(jí)減速器無(wú)法滿(mǎn)足傳動(dòng)功能要求的前提下，將該減速器設(shè)計(jì)為兩級(jí)齒輪傳動(dòng)，其中，高速級(jí)為弧齒錐齒輪傳動(dòng)，低速級(jí)為斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)，如圖4所示。

電機(jī)輸出的動(dòng)力依次經(jīng)過(guò)電機(jī)輸出軸、聯(lián)軸器、高速傳動(dòng)軸、中間傳動(dòng)軸、低速傳動(dòng)軸傳遞給執(zhí)行構(gòu)件。表1和表2給出了各軸的傳動(dòng)參數(shù)，這些參數(shù)的計(jì)算原則如下：電機(jī)輸出軸的輸出功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、減速器總傳動(dòng)比為已知的設(shè)計(jì)值?？紤]到功率在電機(jī)軸、減速器高速軸、中間軸、低速軸傳遞過(guò)程中都有能量損失，因此，電機(jī)輸出軸輸出功率乘以相應(yīng)的傳遞效率即可得到各軸的輸入功率。另外，利用傳動(dòng)設(shè)計(jì)軟件Gearbox，設(shè)置相應(yīng)傳動(dòng)參數(shù)，可以得到最優(yōu)的兩級(jí)傳動(dòng)比分別為3.07和3.27，電機(jī)軸轉(zhuǎn)速乘以各級(jí)傳動(dòng)比即可得到各軸轉(zhuǎn)速。在已知各軸輸入功率和轉(zhuǎn)速的前提下即可得到各軸的輸出轉(zhuǎn)矩。

2 高速級(jí)傳動(dòng)齒輪設(shè)計(jì)

2.1 齒輪的精度等級(jí)、材料及齒數(shù)

高速級(jí)傳動(dòng)齒輪為圓錐弧齒錐齒輪，根據(jù)技術(shù)要求和文獻(xiàn)[5]，在減速器設(shè)計(jì)中選擇精度等級(jí)為7級(jí)的傳動(dòng)齒輪。在材料選擇方面，考慮到工作條件的要求、滿(mǎn)足齒輪的尺寸大小以及傳遞功率大和力學(xué)性能高等特點(diǎn)，選擇優(yōu)質(zhì)的合金鋼：小弧齒錐齒輪：20CrMnTi（滲碳淬火回火），硬度280HBS（HRC59）；大弧齒錐齒輪：20CrMnTi（滲碳淬火回火），硬度240HBS（HRC53）；硬度差為40HBS。在齒數(shù)設(shè)計(jì)方面，初選小錐齒輪齒數(shù)Z1=14；大錐齒輪的齒數(shù)為Z2=i1Z1=3.07×14=42.98≈43。

2.2 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)高速級(jí)齒輪

首先，根據(jù)式（1）確定公式中的參數(shù)并計(jì)算分度圓直徑d1t。

2.3 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)高速級(jí)齒輪

2.4 高速級(jí)齒輪的幾何尺寸計(jì)算

由于大錐齒輪的分錐角、分度圓直徑、齒寬已算出，根據(jù)實(shí)際情況以及結(jié)合工藝性等技術(shù)要求，設(shè)計(jì)大錐齒輪的底板厚度為22 mm，為了使齒輪與聯(lián)接盤(pán)更好的連接，在底部均布打螺紋孔M10。

通過(guò)對(duì)齒輪的計(jì)算所得的尺寸參數(shù)，見(jiàn)表3。

2.5 高速級(jí)傳動(dòng)齒輪的校核

2.5.1 齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核

2.5.2 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核

因此，本文設(shè)計(jì)的高速級(jí)傳動(dòng)齒輪強(qiáng)度校核通過(guò)，齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

3 低速級(jí)傳動(dòng)齒輪設(shè)計(jì)

按照高速級(jí)傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)方法，對(duì)低速級(jí)傳動(dòng)齒輪進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于方法一致，本文不再贅述，得到低速級(jí)小斜齒輪和大斜齒輪的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6，其尺寸參數(shù)見(jiàn)表4。

4 基于有限元法的減速器傳動(dòng)結(jié)構(gòu)分析

為了提高計(jì)算效率，首先利用UG NX8.0對(duì)減速器傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，然后導(dǎo)入到ANSYS Workbench中進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。減速器傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中圓錐齒輪材料為20CrMnTi，斜齒圓柱齒輪小齒輪材料為40Cr，大齒輪及軸材料為45鋼，各部分材料參數(shù)如表5所示。圖7給出了該減速器傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的三維模型，將其導(dǎo)入到ANSYS Workbench中進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到其有限元模型，如圖8所示。

通過(guò)加載求解，得到傳動(dòng)結(jié)構(gòu)在X、Y、Z方向的變形如圖9所示，可以看出，變形量最大的是X方向，約0.029 mm，主要的變形出現(xiàn)在輸出軸的中部，但從數(shù)值上看變形量的值并不大。雖然減速器傳動(dòng)部分在某些部分會(huì)有變形集中的情況出現(xiàn)，但是其大小較小，基本不影響減速器傳動(dòng)部分的正常工作。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)現(xiàn)有減速器能耗高、效率低等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套新型的弧齒錐齒輪-斜齒圓柱齒輪二級(jí)減速器，并綜合利用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和有限元法，依據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析，計(jì)算結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)滿(mǎn)足減速器傳動(dòng)系統(tǒng)的性能要求，分析結(jié)果為該減速器結(jié)構(gòu)的后續(xù)優(yōu)化提供參考，也為其他同類(lèi)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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