二級(jí)齒輪減速器的失效形式及改善措施

王嘉琪

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029）

0 引言

在很多實(shí)際工程應(yīng)用當(dāng)中，完成任務(wù)所需的轉(zhuǎn)速很低，然而工廠使用發(fā)電機(jī)通常情況下轉(zhuǎn)速很高，功率又很大。為了滿足實(shí)際操作工況，在原動(dòng)機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間加入減速器。最常見的減速器是二級(jí)齒輪減速器。齒輪減速器是一種很常用的機(jī)械傳動(dòng)的裝置。通常在原動(dòng)機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之中加入減速器來降低運(yùn)轉(zhuǎn)速度或改變機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)形式。在實(shí)際工程中，希望在滿足工作條件的情況下，延長工作壽命以降低經(jīng)濟(jì)成本。通常，齒輪的選取及傳動(dòng)比不合理，軸段的分配及軸承的選擇和連接件強(qiáng)度不夠等均會(huì)影響齒輪箱壽命，最終失效。需要從多方面去考慮問題并提出措施。

1 二級(jí)減速器工作原理

以展開式二級(jí)減速器為例，它是由兩對(duì)兩兩嚙合的齒輪套在三根軸上組成，電機(jī)通過帶傳動(dòng)將功率和轉(zhuǎn)速傳輸?shù)降谝桓S，即高速軸。但由于軸本身在工作時(shí)存在效率損失，軸輸出到與之相連的小齒輪上的功率和轉(zhuǎn)矩略微減小，小齒輪通過與大齒輪嚙合將轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速傳遞到大齒輪上，大齒輪與中速軸相連。此時(shí)，第二根軸——中速軸的轉(zhuǎn)速降低，大齒輪與小齒輪同軸，小齒輪再通過與之嚙合的大齒輪達(dá)到降低轉(zhuǎn)速的目的。低速軸隨大齒輪大大降低轉(zhuǎn)速，并與執(zhí)行構(gòu)件相連。

2 失效形式及原因

2.1 齒輪失效

一般齒輪減速器為閉式，齒輪根據(jù)轉(zhuǎn)速大小用濺油潤滑或脂潤滑。因此閉式齒輪的失效形式主要有輪齒折斷和齒面點(diǎn)蝕。輪齒折斷是按照齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算的，而齒面點(diǎn)蝕是按照齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算的。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的齒輪模數(shù)大于按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，模數(shù)的大小主要取決于彎曲疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力。分度圓直徑的大小取決于接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，因此失效更容易發(fā)生在齒根彎曲。根據(jù)彎曲疲勞校核計(jì)算，齒輪的齒數(shù)是影響失效的首位因素，進(jìn)一步說，分配的傳動(dòng)比不合理也將直接導(dǎo)致齒輪失效。其次是模數(shù)，由于模數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)值，需根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)際模數(shù)向上圓整，模數(shù)過小會(huì)導(dǎo)致分度圓直徑過小，不一定能達(dá)到承載能力而失效。齒輪的材料碳鋼居多，通常不會(huì)失效，需要注意的是對(duì)于軟齒面齒輪，小齒輪的硬度要大于大齒輪30～50 HBS。

2.2 軸及軸承的失效

2.3 連接件的失效

在裝配齒輪和軸時(shí)，根據(jù)結(jié)構(gòu)的需求可將軸設(shè)計(jì)成齒輪軸，與齒輪做為一體，也可以設(shè)計(jì)出鍵槽，通過鍵連接將齒輪安裝上。鍵是連接兩個(gè)零件的載體，因此如果鍵的強(qiáng)度不夠也會(huì)直接影響到其他零件的工作及運(yùn)轉(zhuǎn)。在鍵的類型及選取時(shí)，由于半圓鍵鍵槽太深，對(duì)軸的作用力削弱大，因此不考慮，一般使用普通平鍵居多。引起平鍵強(qiáng)度不夠而失效的因素有鍵寬，鍵高、鍵的工作長度以及載荷。鍵的基本尺寸由軸的直徑來定，鍵寬和高是標(biāo)準(zhǔn)值。而鍵的長度代號(hào)是根據(jù)軸段的長度以及裝配情況來定的，鍵長要比軸段長度要小，否則裝配零件會(huì)與軸肩干涉。需要注意的是，選取A，B，C 型鍵時(shí)工作長度的計(jì)算也不相同。鍵一般選用45#鋼材料，如果選用鑄鐵鍵所能夠承受的載荷就要大大降低。還需考慮載荷是動(dòng)載荷還是靜載荷，動(dòng)載荷下的許用應(yīng)力隨著載荷越劇烈越小。

3 改善措施

3.1 齒輪改善措施

為了保證齒輪良好嚙合不失效，并考慮箱體尺寸及經(jīng)濟(jì)性，在設(shè)計(jì)齒輪時(shí)應(yīng)注意傳動(dòng)比的選取，在二級(jí)齒輪減速箱中，第一級(jí)的傳動(dòng)比不能過大，否則會(huì)使帶輪不易安裝；相鄰兩級(jí)之間的傳動(dòng)比差值不要太大，否則造成箱體外廓尺寸過大。同時(shí)模數(shù)也會(huì)影響齒輪的強(qiáng)度以及分度圓的直徑。在疲勞彎曲校核中，模數(shù)不一定就近向上圓整成標(biāo)準(zhǔn)值就能符合條件。如果模數(shù)太小會(huì)導(dǎo)致齒輪分度圓很小，只有嵌入式端蓋才能用于裝配，但是嵌入式端蓋很難拆裝一般不使用，還需根據(jù)結(jié)構(gòu)需求來定。絕大多數(shù)齒輪箱用油潤滑，為保證充分潤滑和散熱，大齒輪的齒頂?shù)接统氐酌娴母叨葢?yīng)大于（30～50）mm。如果齒輪浸油深度不及齒輪分度圓半徑的1/6，則使用濺油輪潤滑。

3.2 軸及軸承改善措施

軸在一般情況下許用值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際應(yīng)力，因而不會(huì)發(fā)生強(qiáng)度破壞。但對(duì)于軸上的裝配零件是過盈配合還是間隙配合，是靜連接還是動(dòng)連接，要給出不同的表面粗糙度，否則軸在長期的脈動(dòng)循環(huán)中受到磨損。

軸承的選取至關(guān)重要，在確定了軸的直徑之后，軸承有很多尺寸系列代號(hào)可以選擇，如輕系列00，中、重系列02、03、04。重系列的基本額定動(dòng)載荷都大于輕載系列的，根據(jù)軸承基本額定壽命限選擇合適的軸承。同時(shí)，軸承在轉(zhuǎn)速較大時(shí)可用油潤滑。

3.3 鍵的改善措施

在鍵的強(qiáng)度條件不滿足時(shí)，可在軸上布置雙鍵，每隔180°布置一個(gè)平鍵?；蛘哌m當(dāng)?shù)卦黾渔I長，在標(biāo)準(zhǔn)值中選取合適的鍵長。

3.4 密封與連接

為避免潤滑油外滲或者雜質(zhì)進(jìn)入箱體內(nèi)部，需要在蓋板底部設(shè)置紙質(zhì)封油墊片，并用螺釘進(jìn)行密封處理。