試析圓柱齒輪減速器設計中應考慮的問題
摘 要：本文針對圓柱齒輪減速器設計中應考慮的問題，結合理論實踐，在簡要闡述圓柱齒輪減速器運行原理的基礎上，從傳動比分配、齒輪計算、軸計算、箱體設計、輔助零件設計五個方面分析了圓柱齒輪減速器設計過程中需要考慮的問題。旨在提升圓柱齒輪減速器運行的性能和使用壽命。
關鍵詞：圓柱齒輪減速器；傳動比；箱體設計；輔助零件
引言
減速器的主要作用降低發動機和工作機之間的轉速并提升轉矩，被廣泛應用在工業生産中，根據結構形式的不同，減速器可分為齒輪減速器、蝸杆減速器、電梯專用減速器等。其中圓柱齒輪減速器具有工作效率高、可靠性強、使用壽命長、保養維護便捷等特性，被廣泛應用。本文以二級圓柱齒輪減速器為例，對設計中應考慮的問題做了如下分析：
1 圓柱齒輪減速器工作原理
二級圓柱齒輪減速器的工作原理是通過分布在3根軸上的兩對齒輪來達到減速的效果，其中第一級輸入軸的帶輪比輸出軸帶輪大，而第二級輸入軸的齒輪大、輸出軸的齒輪比較小。無論是大齒輪還是小齒輪都是直齒圓柱式齒輪。假設第一級傳動比為I1；第二級兩個齒輪在齧合時，輸入軸齒輪轉動一圈，輸出軸則要中轉動幾圈，二者之間的比例可以通過齒數進行計算，假設為I2，則該減速器的中傳動比為I=I1+I2。根據能量守恒的原理可知，減速器在運行過程中，輸出和輸入的總功率可保持不變，在達到減速效果的同時，又能增加扭矩，進而提供更大的動力[1]。二級減速相互作用就實現了電機輸出軸到後車輪軸傳動的減速。總而言之，就是輸入軸帶動小齒輪轉動，小齒輪通過中間軸帶動大齒輪轉動，最後由輸出軸輸出，由于大齒輪齒數比小齒輪齒數多，所以傳動速度較慢，最後由輸出軸輸出時恰好起到減速的作用。
2 圓柱齒輪減速器設計中應考慮的問題
2.1傳動比分配
在圓柱齒輪減速器設計中傳動比是一項非常重要的參數，總傳動比為電機滿載轉速和工作機轉速的比值，是各級傳動比的乘積，而各級傳動比則和各級齒輪的齒數成反比。從中可知，總傳動比的大小，直接決定減速器的外形尺寸和重量，因此，在進行圓柱齒輪減速器傳動比分配過程中，要格外注意以下幾點：
(1)每級傳動比要控制在允許範圍值中，并且傳動裝置的尺寸、型号、規格、結構等要根據圓柱齒輪減速器的實際運行參數進行規定，嚴禁發生相互幹涉。在滿足減速器實際運行性能的基礎上，盡量減少減速器的外形尺寸和重量。
(2)各級傳動裝置之間的承載力要盡量相同，比如：齒輪要采用同種材料，确保強度的一緻性。
(3)各級傳動齒輪浸入油液的深度要盡量一緻，避免低速齒輪浸油過深，而造成不必要的損失。在進行圓柱齒輪減速器設計時，還要充分考慮各級齒輪傳動時潤滑的合理性。兩個大齒輪的直徑盡量相近，I1的取值要控制在1.3I2~1.4I2之間，其中I1表示高速齒輪的傳動比，I2表示低速齒輪的傳動比。
2.2齒輪設計計算
齒輪計算是圓柱齒輪減速器設計的重中之重，其計算結果是否精确，直接決定了設計效果。在齒輪計算時，可分兩步進行。
第一步，對選擇齒輪材料的性能進行分析，确定齒輪的許用應力，如果圓柱齒輪減速器對傳遞的要求比較高，并且尺寸比較緊湊，可采用經過表面淬火處理的合精鋼或者金鑄鋼作為齒輪材料，硬度控制在55~60HRC之間。
第二步，需要對齒面齒輪失效的彎曲疲勞折斷強度進行分析，根據輪齒彎曲強度計算結構進行設計。先計算齒輪的模數，再對齒面的接觸強度進行計算。
如果圓柱齒輪減速器的工作條件為一般要求，則第一步可采用經過正火熱處理後的碳鋼，硬度可達250HBS以上，通過軟齒面齒輪組成。點蝕是導緻軟齒齒輪失效的主要原因，因此，在齒輪設計過程中，需要按照齒輪的接觸強度進行合理設計，先計算中心距，然後根據計算結果，選擇齒輪數，進而确定齒輪的基本尺寸，最後檢驗齒輪齒根的完全疲勞強度是否滿足設計要求。
2.3軸設計計算
在軸的設計計算也是圓柱齒輪減速器設計的核心環節，也分為兩步：
第一步，對軸徑進行初步計算，如果軸既傳動轉矩，又承受彎矩，則軸徑的技術公式為：
此公式中，d表示軸徑(mm)；P表示軸在傳動時的最大功率(kW)；n表示軸轉速(r/min)；C表示軸材料和承載情況的常數，如果軸在轉動過程中隻受到轉矩的影響，或者彎矩比較小，則C的取值較小[2]。在初步計算時，還要充分考慮鍵槽對軸強度的削弱作用，通常情況下，如果圓柱齒輪減速器中隻有一個鍵槽，則設計時d要增加5%，如果有兩個鍵槽則要增加10%。通常情況下，凡高速輸入軸的直徑d可以按照與其相連的電動機軸直徑D進行估算，其取值在0.8~1.2D之間，低速軸的軸徑則可以按照同級齒輪中心距a進行估算，其取值為0.4~0.4a之間。
第二步，對比較危險截面的直徑進行全面校驗。當軸的長度、尺寸确定好以後，還需要對危險截面的直徑進行校驗，具體計算校驗公式為：
此公式中，Me表示當量彎矩；[σ-1b]表示許用彎曲應力。為滿足圓柱齒輪減速器運行需求，在設計時齒輪相配合段的直徑要大于危險截面直徑值，否則需要重新計算最細軸的直徑。
2.4箱體設計
在圓柱齒輪減速器中箱體主要作用是确保傳動件正确的相對位置，并承受減速器在運行中産生的荷載，需要做好防護措施，避免雜質侵入，造成潤滑油流失。箱體設計是否合理，對減速器傳動的正确和運行的平穩性有重要影響。因此，在箱體設計中要着重考以下幾個方面：
(1)确保箱體剛度滿足要求。隻有箱體具有足夠的剛度，才能确保軸運行的穩定性，不至于在外力的作用下傾斜，保證各個零部件都平穩運行。需要根據經驗和公式，設計出最佳的箱體尺寸和形狀，并在設置加強肋進行固定[3]。
(2)提升箱座和箱蓋接縫的緊密型，防止潤滑油沿着接合面向外滲漏，進而提升軸承孔的精度。二者之間通過一定數量的螺栓連接，其中軸承座附近的螺栓要盡量靠近軸承孔，提升連接的剛度。并在軸承座附近設置凸台，其尺寸在設計時要預留出扳手活動空間，為螺栓的緊固提供足夠的空間。
(3)提升箱體設計的工藝性。二級圓柱齒輪減速器的箱體多為剖分式，因此，設計時需要充分考慮箱體的造型，要以簡單便捷為主，并确保壁厚的均勻性。良好的工藝性可大幅度提升二級圓柱齒輪減速器運行的穩定性。
2.5輔助零件設計
(1)觀察孔蓋和通氣器的設計。觀察孔的主要作用是檢查齒輪齧合情況和添加潤滑油，因此，觀察孔要盡量設置是齒輪齧合區上方，以便能夠看到傳動區齒輪齧合的實際運行情況。為避免潤滑油外滲或者雜質進入箱體内部，需要在蓋闆底部設置紙質封油墊片，并用螺釘進行密封處理[4]。
(2)油标尺設計。油标尺的主要作用是指示箱内油面，需要設置在便于觀察的位置，如：低速齒輪附件。在油标尺傾角設計時，要預留出足夠的空間，避免在取放油标尺時碰撞箱座。
3 結束語
綜上所述，本文結合理論實踐，分析了圓柱齒輪減速器設計中應考慮的問題，分析結果表明，圓柱齒輪減速器是目前應用比較廣泛的減速器之一，具有穩定性高、操作簡單等優勢。在具體設計過程中，需要從傳動比分配、齒輪計算、軸計算、箱體設計、輔助零件等方面同時入手，才能合理解決中存在的問題，進而提升設計效果。
參考文獻
[1]淩建輝，甯斌，張兵兵.單級直齒輪減速器的優化系統開發
[2]戈立江.圓柱齒輪減速器參數化設計
[3]王雪峰，楊彥宏，金碧瓊.圓柱齒輪減速器的優化設計
[4]楊馥甯，王洪申，闫金堂，趙紅紅.雙級圓柱齒輪減速器虛拟裝配的仿真與優化
作者：謝樹江(陝西東方航空儀表有限責任公司)
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