新型减速器传动结构设计与分析

刘建　李华志　文广　苏睿

摘要：针对现有各类减速器能耗高、效率低等缺点，设计出一套新型圆锥-圆柱二级减速器，高速级传动齿轮采用圆锥弧齿锥齿轮，低速级传动齿轮采用圆柱斜齿齿轮，利用传统设计方法和有限元法，依据相关国家标准，对其传动结构进行了设计和分析，计算结果表明，该设计满足传动系统的性能要求，分析结果为该减速器传动结构的进一步优化提供参考。

关键词：弧齿圆锥-斜齿圆柱齿轮减速器；传动结构；有限元法；齿面接触疲劳强度；齿根弯曲疲劳强度

中图分类号：TH21 文献标志码：A

文章编号：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

减速器由箱体、齿轮、轴、轴承、连接件等组成[1]，是施工升降机等大型工程机械的主要设备之一。目前国内的减速器主要有3种形式：蜗轮蜗杆式、行星齿轮传动式及圆柱齿轮传动式。这3种减速器都存在一定缺陷：蜗轮蜗杆式减速器的效率较低、连续工作后发热较大、运行速度较低；行星传动减速器具有明显的运行振动和减速器受力不好等问题；圆柱齿轮减速器因为抖动等原因而没能广泛应用。因此，开发设计新型减速器对提升机器工作效率、改善其使用性能具有重要意义。在减速器所有零部件中，齿轮是使用最为广泛的传动件之一[2]，齿轮的设计质量和效率是提高产品性能和工作质量的一个关键因素[3]。进行齿轮设计的方法主要有两类：一类是基于传统理论的计算方法；另一类是基于现代设计理论的参数化设计法[4]。这两种方法各有优缺点，在减速器设计过程中如果能够做到合理使用，则能大大提升设计效率，保证设计精度。本文利用传统设计法和有限元法设计了一套新型减速器，并对其传动结构进行了分析，以期进一步优化减速器结构。

1 减速器传动系统总体设计

目前常見的3种减速器虽然都具有一定的优点，但是缺点也比较明显。为此，考虑各类齿轮传动的特点：斜齿齿轮的传动是渐入渐出，齿轮啮合的重合度比直齿轮传动的要大，相对而言，直齿轮无法承受轴向力，斜齿轮除了能承受径向力同时也能承受轴向力，传动也更为平稳。另外，由于斜齿轮一般只用于中低速的场合，而弧齿轮不仅具有斜齿轮的优点，而且运行速度也较高，考虑到本文设计的减速器要应用于施工升降机，工作位置往往较高，因此对减速器的重量要求较高，过大的减速器重量不利于升降机的高效工作，在单级减速器无法满足传动功能要求的前提下，将该减速器设计为两级齿轮传动，其中，高速级为弧齿锥齿轮传动，低速级为斜齿圆柱齿轮传动，如图4所示。

电机输出的动力依次经过电机输出轴、联轴器、高速传动轴、中间传动轴、低速传动轴传递给执行构件。表1和表2给出了各轴的传动参数，这些参数的计算原则如下：电机输出轴的输出功率、转矩、转速、减速器总传动比为已知的设计值。考虑到功率在电机轴、减速器高速轴、中间轴、低速轴传递过程中都有能量损失，因此，电机输出轴输出功率乘以相应的传递效率即可得到各轴的输入功率。另外，利用传动设计软件Gearbox，设置相应传动参数，可以得到最优的两级传动比分别为3.07和3.27，电机轴转速乘以各级传动比即可得到各轴转速。在已知各轴输入功率和转速的前提下即可得到各轴的输出转矩。

2 高速级传动齿轮设计

2.1 齿轮的精度等级、材料及齿数

高速级传动齿轮为圆锥弧齿锥齿轮，根据技术要求和文献[5]，在减速器设计中选择精度等级为7级的传动齿轮。在材料选择方面，考虑到工作条件的要求、满足齿轮的尺寸大小以及传递功率大和力学性能高等特点，选择优质的合金钢：小弧齿锥齿轮：20CrMnTi（渗碳淬火回火），硬度280HBS（HRC59）；大弧齿锥齿轮：20CrMnTi（渗碳淬火回火），硬度240HBS（HRC53）；硬度差为40HBS。在齿数设计方面，初选小锥齿轮齿数Z1=14；大锥齿轮的齿数为Z2=i1Z1=3.07×14=42.98≈43。

2.2 按齿面接触疲劳强度设计高速级齿轮

首先，根据式（1）确定公式中的参数并计算分度圆直径d1t。

2.3 按齿根弯曲疲劳强度设计高速级齿轮

2.4 高速级齿轮的几何尺寸计算

由于大锥齿轮的分锥角、分度圆直径、齿宽已算出，根据实际情况以及结合工艺性等技术要求，设计大锥齿轮的底板厚度为22 mm，为了使齿轮与联接盘更好的连接，在底部均布打螺纹孔M10。

通过对齿轮的计算所得的尺寸参数，见表3。

2.5 高速级传动齿轮的校核

2.5.1 齿面接触疲劳强度校核

2.5.2 齿根弯曲疲劳强度校核

因此，本文设计的高速级传动齿轮强度校核通过，齿轮结构设计满足强度要求。

3 低速级传动齿轮设计

按照高速级传动齿轮的设计方法，对低速级传动齿轮进行设计，由于方法一致，本文不再赘述，得到低速级小斜齿轮和大斜齿轮的结构见图6，其尺寸参数见表4。

4 基于有限元法的减速器传动结构分析

为了提高计算效率，首先利用UG NX8.0对减速器传动结构进行建模，然后导入到ANSYS Workbench中进行结构分析。减速器传动结构中圆锥齿轮材料为20CrMnTi，斜齿圆柱齿轮小齿轮材料为40Cr，大齿轮及轴材料为45钢，各部分材料参数如表5所示。图7给出了该减速器传动结构的三维模型，将其导入到ANSYS Workbench中进行网格划分得到其有限元模型，如图8所示。

通过加载求解，得到传动结构在X、Y、Z方向的变形如图9所示，可以看出，变形量最大的是X方向，约0.029 mm，主要的变形出现在输出轴的中部，但从数值上看变形量的值并不大。虽然减速器传动部分在某些部分会有变形集中的情况出现，但是其大小较小，基本不影响减速器传动部分的正常工作。

5 结语

本文针对现有减速器能耗高、效率低等缺点，设计了一套新型的弧齿锥齿轮-斜齿圆柱齿轮二级减速器，并综合利用传统设计方法和有限元法，依据相关国家标准，对其传動结构进行了设计和分析，计算结果表明，该设计满足减速器传动系统的性能要求，分析结果为该减速器结构的后续优化提供参考，也为其他同类结构的设计提供借鉴。

参考文献：

[1]

付晓莉，韩超，李勇，等. 减速器设计方法的研究现状与发展趋势[J].机械传动，2012，36（10）：112114.

[2]张展. 齿轮减速器现状及发展趋势[J].水利电力机械，2001，23（1）：5859.

[3]王英姿，聂松辉，李武. 齿轮传动参数化设计系统研究[J].机械设计与制造，2011（9）：167169.

[4]林峰，卢清萍，颜永年. 利用参数化技术建立机械产品CAD系统[J]. 中国机械工程，1995，6（5）： 3133.

[5]濮良贵，陈国定，吴立言. 机械设计[M].9版.北京：高等教育出版社，2013.