大功率硬齿面平行轴减速器设计的总体思路及过程

王 禹孔德辉

（1.天津开发区蜗轮传动开发中心有限公司，天津 300457；2.通标标准技术服务（天津）有限公司，天津 300457）



大功率硬齿面平行轴减速器设计的总体思路及过程

王 禹1孔德辉2

（1.天津开发区蜗轮传动开发中心有限公司，天津 300457；2.通标标准技术服务（天津）有限公司，天津 300457）

摘 要：本文阐述了大功率硬齿面平行轴减速器设计的总体思路及过程：以中心距分配与确定作为传动比分配的先决条件；传动比分配与确定作为齿轮传动设计的主线；以润滑方式选择作为轴和轴上零件结构设计的前提；以键的选择和轴承寿命作为轴的结构尺寸的设计依据；以减速器受力 情况作为轴强度校核的原则。

关键词：减速机 中心距 传动比 硬齿面

引言

目前，天津开发区蜗轮传动开发中心有限公司生产的硬齿面减速器的形式多种多样，但最大作到90kW属于中小机型。从目前市场上来看，大机型的硬齿面减速器需求量不断增大，利润空间也很大。为了适应市场的需求，天津开发区蜗轮传动开发中心有限公司决定设计开发大机型硬齿面减速器。此齿轮减速器的外型尺寸1640×645×1000（长×宽×高），功率可达754kW，输出扭矩160kN·m，是公司首次自行设计制造的大型硬齿面齿轮减速器。

1 技术指标参数

额定功率：754kW；

额定输入转速：1000r/min；

额定输出扭矩：160kN·m；

减速机速比：22.4；

减速机机械效率：0.94；

减速机传动级数：2；

热功率：566kW；

总中心距：800mm；

电机工作功率：315kW；

安装结构形式：平行轴底角安装。

2 设计方案

根据技术指标参数及设备运行工作环境等工况条件，对减速器结构进行全新设计。首先，进行中心距的分配、速比的分配、齿轮的几何尺寸及强度校核，最后进行结构设计。

2.1 中心距的确定

已知2级传动总中心距800mm。根据减速机设计的原则，在满足工作需要的前提下，减速机设计应追求体积小、尺寸小、重量轻、成本低、润滑方便等优化的目标。通过优化大量可行性设计方案，最终确定预留紧固螺钉位置：

a1=340mm--------------第一级中心距

a2=468mm--------------第二级中心距

2.2 传动比的分配

已知总速比i =22.4，i=i1×i1作为分配传动比的依据，根据中心距及为避免发生齿根切，允许的最少齿数要求为：斜齿轮的最少齿数为14～16；由于大齿轮决定了减速机的尺寸，还要考虑中心距、齿顶圆和轴径三者间满足无干涉的几何关系，即第二级中心距应该大于第一级大齿轮齿顶圆半径与输出轴圆半径之和。经过优化，最终确定

以上对中心距与传动比的分配，是相互关联的两个约束条件，必须进行优化设计选择最佳参数。

2.3 齿轮材料的选用

齿轮是减速器中的重要零件，担负着传递动力、改变运动速度及方向的重要任务。因此，对齿轮材料提出如下要求：具有高的接触疲劳极限；具有高的抗弯曲强度；具有高的耐磨性；具有足够的冲击韧性。同时，还应考虑材料的加工工艺性、经济性以及材料的来源等因素。正确选用齿轮材料和进行合理的热处理，是满足齿轮设计要求、延长齿轮使用寿命及节约制造成本的主要途径。表1显示了几种齿轮常用材料的热处理方法及力学性能。

表1 几种齿轮常用材料的热处理方法及力学性能

经过对比，确定采用20CrMnMo。经热处理后，轮齿表面硬度高，淬透层均匀，耐磨性好，心部韧性好，强度高，使齿轮具有较高的抗弯曲疲劳强度。但是，它容易产生淬火变形。因此，热处理前要留磨量，热处理后需经过磨齿加工。

2.4 齿轮几何参数计算及强度验算

2.4.1 第一级齿轮的几何参数及强度的计算结果

表2为第一级齿轮的几何参数及强度的计算结果，此处略去计算过程。

表2 第一级齿轮的几何参数及强度的计算结果

2.4.2 第二级齿轮的几何参数及强度的计算结果

表3为第二级齿轮的几何参数及强度的计算结果，此处略去计算过程。

表3 第二级齿轮的几何参数及强度的计算结果

2.5 箱体设计原则

齿轮箱内零件工作时，箱体所受的外力有：

（1）与箱壁垂直的力，如斜齿分力、止推轴承传来的力；

（2）位于箱壁平面内的力，如径向轴承施加的力；

（3）扭矩，如径向力偏离壁板中心的作用力、长度较大的滑动轴承在轴向平面上的力偶等。

影响箱壁变形的主要因素是垂直于箱壁的力。第2、3种力对箱体的变形影响较小，可不考虑，在结构设计布置筋板时考虑即可。国外大型精密高速齿轮箱普遍改为钢板焊接结构，因此对齿轮箱的研究很重视。例如，典型的齿轮箱震动频率为1000Hz，振幅为0.25～1.25um时，噪声约为100dB，当壁厚增加一倍时，阻尼比增加141%。实验表明，壁厚为15mm的齿轮箱，比壁厚为5～10mm的噪音为小。实际上，增加壁厚能降低噪声12dB，增加加强筋同样可以减少噪声5～12dB。

2.6 结构总体设计

由于斜齿轮传动将产生很大的轴向力，所以所有轴承采用能承受一定轴向力的圆锥滚子轴承。轴承的大小根据轴径大小、允许空间、工作转速、寿命要求以及安装与拆卸等条件选用，再进行当量动负荷和使用寿命计算。此外，为了不同的安装方式，箱体设计成方形；为了便于装配，箱体做成上下分箱；箱体内部在宽度上设计成两边对称，以满足不同的输出结构形式（输入轴与输出轴的方向可任意调整）；由于轴向力大，两边轴承采用压盖式定位；齿轮与轴装配采用过盈配合，以增加传递扭矩，防止键的剪切，装配时需要热装；密封采用内包骨架旋转唇形密封，并且是双唇；润滑采用中极压工业齿轮油200号，飞溅式润滑。

3 结束语

本文就大功率硬齿面平行轴减速器的整体设计思路与过程，描述了该产品经过论证、合理设计达到了使用要求，为将来开发市场前景好的大型减速机设计积累了经验。技术人员要有超前意识，不仅做好现有产品的改进，还要有开拓、创新精神，积极开发市场前景好的产品。大功率减速机就是一个被未来市场看好的产品。

参考文献

［1］成大先.机械设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2007.

［2］朱孝录.齿轮传动设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2010.

High-power Parallel Shaft Hardened Reducer General Idea and Process Design

WANG Yu1，KONG Dehui2
（1.worm gear Tianjin Development Zone Development Center Co.， Ltd.， Tianjin 300457； 2.CSTC Standards Technical Services （Tianjin） Co.， Ltd.， Tianjin 300457）

Abstract:This paper describes the high-power parallel shaft Hardened reducer design ideas and processes. In order to determine the distribution and center dis tance as the gear ratio prerequisite allocated distribution and transmission ratio determined as gear design of the main line； to lubricate the shaft and the mode selection as a precondition for the structural design of the shaft parts； to select and bearing life as the key axis structural dimensions of the design basis； reducer to the forces as a principle shaft strength check.

Key words:reducer， center distance， gear ratio， hardened