二级齿轮减速器的失效形式及改善措施

发布时间：2022-01-03 浏览次数：743

王嘉琪

（北京化工大学机电工程学院）

摘　要：齿轮减速器是一种很常用的机械传动的装置。减速器的失效主要发生在齿轮，轴及轴承以及连接件。以二级减速器为例分析其失效形式及原因，并提出如何设计传动以及连接零件，降低失效以及提高寿命年限的措施。

关键词：二级减速器，失效形式，齿轮，轴，键连接，改善措施

0　引言

在很多实际工程应用当中，完成任务所需的转速很低，然而工厂使用发电机通 常情况下转速很高，功率又很大。为了满足实际操作工况，在原动机和执行机构之间加人减速器。Z常见的减速器是二级齿轮减速器。齿轮减速器是一种很常用的机械传动的装置。通常在原动机和执行机构之中加人减速器来降低运转速度或改变机构运动形式。在实际工程中，希望在满足工作条件的情况下，延长工作寿命以降低经济成本。通常，齿轮的选取及传动比不合理，轴段的分配及轴承的选择和连接件强度不够等均会影响齿轮箱寿命，Z终失效。需要从多方面去考虑问题并提出措施。

1　二级减速器工作原理

以展开式二级减速器为例，它是由两对两两啮合的齿轮套在三根轴上组成，电机通过带传动将功率和转速传输到根轴，即高速轴。但由于轴本身在工作时存在效率损失，轴输出到与之相连的小齿轮上的功率和转矩略微减小，小齿轮通过与大齿轮啮合将转矩和转速传递到大齿轮上，大齿轮与中速轴相连。此时，第二根轴—中速轴的转速降低，大齿轮与小齿轮 同轴，小齿轮再通过与之啮合的大齿轮达到降低转速的目的。低速轴随大齿轮大大降低转速， 并与执行构件相连。

2　失效形式及原因

2.1 齿轮失效

一般齿轮减速器为闭式，齿轮根据转速大小用滅油润滑或脂润滑。因此闭式齿轮的失效形式主要有轮齿折断和齿面点蚀。轮齿折断是按照齿根弯曲疲劳强度设计计算的，而齿面点蚀是按照齿面接触疲劳强度设计计算的。根据计算结果可知，按齿面接触疲劳强度计算的齿轮模数大于按齿根弯曲疲劳强度计算的模数，模数的大小主要取决于弯曲疲劳强度所决定的承载能力。分度圆直径的大小取决于接触疲劳强度所决定的承载能力，因此失效更容易发生在齿根弯曲。根据弯曲疲劳校核计算，齿轮的齿数是影响失效的首位因素，进一步说，分配的传动比不合理也将直接导致齿轮失效。其次是模数，由于模数是标准值，需根据设计的实际模数向上圆整，模数过小会导致分度圆直径过小，不一定能达到承载能力而失效。齿轮的材料碳钢居多，通常不会失效，需要注意的是对于软齿面齿轮，小齿轮的硬度要大于大齿轮30~50HBS。

2.2 轴及轴承的失效

二级减速器中的三根轴转速依次降低，根据，估算轴的Z小直径，其中，d为轴的直径，mm；A0为轴材料和承载情况的常数；P为轴传递的功率，kW；n为轴的转速，r/min。轴的Z小直径依次升高，高速轴Z小，低速轴Z大。轴段的直径按照定位轴肩增加0.14~0.2倍的轴径，非定位轴肩增加（2-4）mm，轴段的宽度根据实际安装齿轮及零件宽度来定。轴受到扭转和载荷的同时作用，受力分析应根据计算。其中，σca为轴的计算应力，MPa；M为轴所受的弯矩，N·mm；T为轴所受的扭矩，N·mm；W为为轴的抗弯截面系数，mm²；a为折合系数，当扭转应力为切应力时，取a≈0.3，当扭转切应力为脉动循环变应力时a≈0.6， 若扭转切应力亦为对称循环应力时，取a≈1；[σ-1]为对称循环变应力时轴的许用 弯曲应力。虽然低速轴的轴径大，但由于其所受扭矩很大，可能发生强度失效。在选择材料时，合金钢相较于45#钢的应力许用值更大，更不容易破坏。减速箱中轴承常用两端支撑的双支点各单向固定滚动轴承。由于轴承是标准件，轴承型号的选取极为重要，Z直接影响的是轴的直径，其次是 Z大动载荷所影响的寿命年限。滚动轴承在接触应力脉动循环下，滚动轴承表面金属发生疲劳剥落，即点蚀。在理想计算中，轴承的使用年限远远大于轴承基本额定寿命Lh，但实际工程应用中七八年一换，因此在考虑经济的条件下可使用深沟球轴承、角接触球轴承。深沟球轴承属于向心角接触轴承，它既可以承担较大径向载和一定轴向载。

2.3 连接件的失效

在装配齿轮和轴时，根据结构的需求可将轴设计成齿轮轴，与齿轮做为一体，也可以设计出键槽，通过键连接将齿轮安装上。键是连接两个零件的载体，因此如果键的强度不够也会直接影响到其他零件的工作及运转。在键的类型及选取时，由于半圆键键槽太深，对轴的作用力削弱大，因此不考虑，一般使用普通平键居多。引起平键强度不够而失效的因素有键宽，键高、键的工作长度以及载荷。键的基本尺寸由轴的直径来定，键宽和高是标准值。而键的长度代号是根据轴段的长度以及装配情况来定的，键长要比轴段长度要小，否则装配零件会与轴肩干涉。需要注意的是，选取A,B,C型键时工作长度的计算也不相同。键一般选用 45#钢材料，如果选用铸铁键所能够承受的载荷就要大大降低。还需考虑载荷是动载荷还是静载荷，动载荷下的许用应力随着载荷越剧烈越小。

3　改善措施

3.1 齿轮改善措施

为了保证齿轮良好啮合不失效，并考虑箱体尺寸及经济性，在设计齿轮时应注意传动比的选取，在二级齿轮减速箱中，级的传动比不能过大，否则会使带轮不易安装；相邻两级之间的传动比差值不要太大，否则造成箱体外廓尺寸过大。同时模数也会影响齿轮的强度以及分度圆的直径。在疲劳弯曲校核中，模数不一定就近 向上圆整成标准值就能符合条件。如果模数太小会导致齿轮分度圆很小，只有嵌人式端盖才能用于装配，但是嵌人式端盖很难拆装一般不使用，还需根据结构需求来定。绝大多数齿轮箱用油润滑，为保证充分润滑和散热，大齿轮的齿顶到油池底面的高度应大于（30~50）mm。如果齿轮浸油深度不及齿轮分度圆半径的1/6，则使用濉油轮润滑。

3.2  轴及轴承改善措施

轴在一般情况下许用值远远大于实际应力，因而不会发生强度破坏。但对于轴上的装配零件 是过盈配合还是间隙配合，是静连接还是动连接，要给出不同的表面粗糙度，否则轴在长期的脉动循环中受到磨损。

轴承的选取至关重要，在确定了轴的直径之后，轴承有很多尺寸系列代号可以选择，如轻系列00，中、重系列02、03、04。重系列的基本额定动载荷都大于轻载系列的，根据轴承基本额定寿命限选择合适的轴承。同时，轴承在转速较大时可用油润滑。

3.3  键的改善措施

在键的强度条件不满足时，可在轴上布置双键，每隔180°。布置一个平键。或者适当地增加键长，在标准值中选取合适的键长。

3.4  密封与连接

为避免润滑油外渗或者杂质进人箱体内部，需要在盖板底部设置纸质封油垫片，并用螺钉进行密封处理。

参考文献

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[2]张美麟，阎华，张莉彦.机械基础课程设计[M].北京:化学工业出版社

[3]杨馥宁，王洪申，闫金堂，等.双级圆柱齿轮减速器虚拟装配的仿真与优化[J].机械设计与制造工程

来源：《设备管理与维修》2019年第19期