1、1减速器张艺博河南科技大学 机械制造及自动化 河南洛阳 471000摘要:20 世纪 7080 年代，世界上减速器技术有了很大的发展，且与新技术革命的发展紧密结合。减速器是各类机械设备中广泛应用的传动装置。减速器设计的优劣直接影响机械设备的传动性能。本文通过对减速器的发展及优化设计方法的分析，提出了减速器设计中应考虑的约束条件、目标函数和变量等。关键词：减速器的发展、优化设计 减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，是一种相对精密的机械，使用它的目的是用来降低转速和增大转矩，以满足工作需要，在某些场合也用来增速，称为增速器。 减速器主要由传动零件(齿轮或蜗杆)、轴、轴承、箱体及其附件所
2、组成。其基本结构有三大部分：1.齿轮、轴及轴承组合。 2.箱体：箱体是减速器的重要组成部件。它是传动零件的基座，应具有足够的强度和刚度。箱体通常用灰铸铁制造，对于重载或有冲击载荷的减速器也可以采用铸钢箱体。单体生产的减速器，为了简化工艺、降低成本，可采用钢板焊接的箱体。 3.减速器附件：为了保证减速器的正常工作，除了对齿轮、轴、轴承组合和箱体的结构设计给予足够的重视外，还应考虑到为减速器润滑油池注油、排油、检查油面高度、加工及拆装检修时箱盖与箱座的精确定位、吊装等辅助零件和部件的合理选择和设计。 减速器按用途可分为通用减速器和专用减速器两大类，两者的设计、制造和使用特点各不相同。其主要类型：齿
3、轮减速器；蜗杆减速器；齿轮蜗杆减速器；行星齿轮减速器。 一般的减速器有斜齿轮减速器(包括平行轴斜齿轮减速器、蜗轮减速器、锥齿轮减速器等等)、行星齿轮减速器、摆线针轮减速器、蜗轮蜗杆减速器、行星摩擦式机械无级变速机等等。 2减速器特点：蜗轮蜗杆减速器的主要特点是具有反向自锁功能，可以有较大的减速比，输入轴和输出轴不在同一轴线上，也不在同一平面上。但是一般体积较大，传动效率不高，精度不高。谐波减速器的谐波传动是利用柔性元件可控的弹性变形来传递运动和动力的，体积不大、精度很高，但缺点是柔轮寿命有限、不耐冲击，刚性与金属件相比较差。输入转速不能太高。行星减速器其优点是结构比较紧凑，回程间隙小、精度较高
4、，使用寿命很长，额定输出扭矩可以做的很大。但价格略贵。 减速器: 简言之，一般机器的功率在设计并制造出来后，其额定功率就不在改变，这时，速度越大，则扭矩（或扭力）越小；速度越小，则扭力越大。一、 什么是减速器 减速器是一种动力传达机构，利用齿轮的速度转换器，将马达的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩的机构。 1、减速器的作用 1）降速同时提高输出扭矩，扭矩输出比例按电机输出乘减速比，但要注意不能超出减速器额定扭矩。 2）减速同時降低了负载的惯量，惯量的减少为减速比的平方。 2、减速器的种类 一般的减速器有斜齿轮减速器(包括平行轴斜齿轮减速器、蜗轮减速器、锥齿轮减速器等等)、行星齿轮减速器
5、、摆线针轮减速器、蜗轮蜗杆减速器、行星摩擦式机械无级变速机等等。 3、常见减速器 1）蜗轮蜗杆减速器的主要特点是具有反向自锁功能，可以有较大的减速比，输入轴和输出轴不在同一轴线上，也不在同一平面上。但是一般体积较大，传动效率不高，精度不高。 2）谐波减速器的谐波传动是利用柔性元件可控的弹性变形来传递运动和动力的，体积不大、精度很高，但缺点是柔轮寿命有限、不耐冲击，刚性与金属件相比较差。输入转速不能太高。 3）行星减速器其优点是结构比较紧凑，回程间隙小、精度较高，使用寿命很长，额定输出扭矩可以做的很大，但价格略贵。对装配前零件的要求：31.滚动轴承用汽油清洗，其他零件用煤油清洗。所有零件和箱体内
6、不许有任何杂质存在。箱体内壁和齿轮（蜗轮）等未加工表面先后涂两次不被机油侵蚀的耐油漆，箱体外表面先后涂底漆和颜色油漆（按主机要求配色）。 2.零件配合面洗净后涂以润滑油二、安装和调整的要求 1.滚动轴承的安装 滚动轴承安装时轴承内圈应紧贴轴肩，要求缝隙不得通过 0.05mm 厚的塞尺。2.轴承轴向游隙 对隙可调整的轴承轴向游隙数值。点击查看圆锥滚子轴承轴向游隙；角接触球轴承轴向游隙 3.齿轮（蜗轮）啮合的齿侧间隙 可用塞尺或压铅法。即将铅丝放在齿槽上，然后转动齿轮而压扁铅丝，测量两齿侧被压扁铅丝厚度之和即为齿侧的大小。 三、密封要求 1.箱体剖分面之间不允许填任何垫片，但可以涂密封胶或水玻璃以
7、保证密封；2.装配时，在拧紧箱体螺栓前，应使用 0.05mm 的塞尺检查箱盖和箱座结合面之间的密封性； 3.轴伸密封处应涂以润滑脂。各密封装置应严格按要求安装 四、润滑要求 1.合理确定润滑油和润滑脂类型和牌号 2.轴承脂润滑时，润滑脂的填充量一般为可加脂空间的 1/22/3。 3.润滑油应定期更换，新减速器第一次使用时，运转 714 天后换油，以后可以根据情况每隔 36 个月换一次油。 五、试验要求 1.空载运转：在额定转速下正、反运转 12 小时； 2.负荷试验：在额定转速、额定负荷下运转，至油温平衡为止。对齿轮减速器，要求油池温升不超过 35oC,轴承温升不超过 40oC；对蜗杆减速器，
8、要求油池温升不超过 60oC,轴承温升不超过 50oC； 43.全部试验过程中，要求运转平稳，噪声小，联接固定处不松动，各密封、结合处不松动。 六、包装和运输要求 1.外伸轴及其附件应涂油包装； 2.搬运、起吊时不得使用吊环螺钉及吊耳以上技术要求不一定全部列出，有时还需另增项目，主要由设计的具体要求而定。 七、技术要求 1.装配前，所有零件用煤油清洗，滚动轴承用汽油清洗，不许有任何杂物存在。内壁涂上不被机油腐蚀的涂料两次； 2.啮合侧隙用铅丝检验不小于 0.16mm，铅丝不得大于最小侧隙的 4 倍； 3.用涂色法检验斑点。按齿高接触点不小于 40%；按齿长接触斑点不小于50%。必要时可用研磨或
9、刮后研磨以便改善接触情况； 4.应调整轴承轴向间隙：40 为 0.05-0.1mm,55 为 0.08-0.15mm; 5.检验减速器剖分面、各接触面及密封处，均不许漏油。剖分面允许涂以密封油漆或水玻璃，不允许使用任何填料； 6.机座内装 N100 润滑油至规定高度。 8、下面我介绍我国减速器的发展现状（一）、减速器的介绍国内的减速器多以齿轮传动、蜗杆传动为主，但普遍存在着功率与重量比小，或者传动比大而机械效率过低的问题。另外，材料品质和工艺水平上还有许多弱点，特别是大型的减速器问题更突出，使用寿命不长。国内使用的大型减速器（500kw 以上），多从国外（如丹麦、德国等）进口。60 年代开始生
10、产的少齿差传动、摆线针轮传动、谐波传动等减速器具有传动比大，体积小、机械效率高等优点。但受其传动的理论的限制，不能传递过大的功率，功率一般都要小于 40kw。由于在传动的理论上、工艺水平和材料品质方面没有突破，因此，没能从根本上解决传递功率大、传动比大、体积小、重量轻、机械效率高等这些基本要求。90 年代初期，国内出现的三环（齿轮）减速器，是一种外平动齿轮传动的减速器，它可实现较大的传动比，传递载荷的能力也大。它的体积和重量都比定轴齿轮减速器轻，结构简单，效率亦高。由于该减速器的三轴平行结构，故使功率/体积（或重量）比值仍小。且其输入轴与输出轴不在同一轴线5上，这在使用上有许多不便。北京理工大
11、学研制成功的“内平动齿轮减速器“不仅具有三环减速器的优点外，还有着大的功率/重量（或体积）比值，以及输入轴和输出轴在同一轴线上的优点，处于国内领先地位。国内有少数高等学校和厂矿企业对平动齿轮传动中的某些原理做些研究工作，发表过一些研究论文，在利用摆线齿轮作平动减速器开展了一些工作。（二）、平动齿轮减速器工作原理简介：平动齿轮减速器是指一对齿轮传动中，一个齿轮在平动发生器的驱动下作平面平行运动，通过齿廓间的啮合，驱动另一个齿轮作定轴减速转动，实现减速传动的作用。平动发生器可采用平行四边形机构，或正弦机构或十字滑块机构。本成果采用平行四边形机构作为平动发生器。平动发生器可以是虚拟的采用平行四边形机
12、构，也可以是实体的采用平行四边形机构。有实用价值的平动齿轮机构为内啮合齿轮机构，因此又可以分为内齿轮作平动运动和外齿轮作平动运动两种情况。外平动齿轮减速器构，其内齿轮作平动运动，驱动外齿轮并作减速转动输出。该机构亦称三环（齿轮）减速器。由于内齿轮作平动，两曲柄中心设置在内齿轮的齿圈外部，故其尺寸不紧凑，不能解决体积较大的问题。内平动齿轮减速，其外齿轮作平动运动，驱动内齿轮作减速转动输出。由于外齿轮作平动，两曲柄中心能设置在外齿轮的齿圈内部，大大减少了机构整体尺寸。由于内平动齿轮机构传动效率高、体积小、输入输出同轴线，故由广泛的应用前景。（三）、本项目的技术特点与关键技术 1.本项目的技术特点,
13、本新型的“内平动齿轮减速器“与国内外已有的齿轮减速器相比较，有如下特点：（1）传动比范围大，自 I=10 起，最大可达几千。若制作成大传动比的减速器，则更显示出本减速器的优点。（2）传递功率范围大：并可与电动机联成一体制造。（3）结构简单、体积小、重量轻。比现有的齿轮减速器减少 1/3 左右。（4）机械效率高。啮合效率大于 95%，整机效率在 85%以上，且减速器的效率将不随传动比的增大而降低，这是别的许多减速器所不及的。（5）本减速器的输入轴和输出轴是在同一轴线上。本减速器与其它减速器的性能比较，因缺少数据，各减速器的功率/重量比是最优越的。62.本项目的关键技术。“内平动齿轮减速器“是由内
14、齿轮 Z2、外齿轮 Z1 和平行四边形机构组合而成的。它的传动原理是：电机输入旋转运动，外齿轮作平行移动，其圆心的运动轨迹是一个圆，与之啮合的内齿轮则作定轴转动。因为外齿轮作平行移动，所以称谓平动齿轮机构。齿轮的平行移动需要有辅助机构帮助实现的，可采用（612 副）销轴、滚子作为虚拟辅助平动机构，也可以采用偏心轴作为实体辅助平动机构。内平动齿轮减速器的关键技术和关键工艺是组成平行四边形构件的尺寸计算及其要求的加工精度、轮齿主要参数的选择。这些因数都将影响传动的能力和传动的质量。总的说，组成本减速器的各零部件都要求有较高的精度，它们将决定着减速器的整体传动质量。3.本项目的概况本项目已获得中国实
15、用新型专利，专利号：ZL95227767.0。本项目自 1995 年试制出第一台样机（功率 2.5kW，传动比 I=32）后，陆续与一些厂矿合作，设计了下面几种不同功率、不同传动比的减速器。（1）电动推拉门用减速器，功率 550W，传动比 I=26，与电机连成一体。（2）搅拌机用减速器，功率 370W，传动比 I=17。（3）某军品用的两种减速器，一种功率 370W，传动比 I=23.5；另一种功率370W，传动比 I=103 的二级传动减速器。（4）钢厂大包回转台减速器，功率 7.5kw，传动比 I=64。（5）钢厂辊道减速器，功率 7.5kw，传动 I=11。在本专利的基础上，已研制出一种
16、新型超大型减速器，功率可达 1000kw，目前正在研制超小型（外型尺寸为毫米级）的微型减速器.九、减速器和差速器的调整与装配在对 BJ2020S 吉普车后桥的维修中，最主要的就是减速器主、从动圆锥齿轮的啮合印痕及啮合间隙；差速器半轴齿轮、行星齿轮啮合间隙和各轴承松紧度的调整。这是一项既重要又较为困难的工作，因为后桥主、从动圆锥齿轮是在大负荷、高转速下工作的，而且其所承受的是交变负荷，如果两者的啮合印痕不符合要求，或啮合间隙不当，工作中将会出现传动不平稳和噪音，加速齿面磨损，甚至打坏齿轮，直接影响汽车使用寿命和各项任务的完成。同时，汽车后桥的结构虽不是很复杂，但由于主、从动圆锥齿轮的体积较大，拆
17、装费时费力，加之一些同志对齿轮的传动原理不够熟悉，实践机会又少，主、从动圆锥齿轮啮合印痕和间隙的检查调整及装配就成了一个较为复杂的问题。本文根据7几年来在教学和实际维修工作中的摸索，就 BJ2020S 吉普车后桥差速器齿轮和轴承的调整，主、从动圆锥齿轮啮合印痕和间隙及主动圆锥齿轮轴承间隙的调整和装配的有关方法、步骤谈点看法和意见。 1.差速器半轴齿轮与行星齿轮啮合间隙的调整 半轴齿轮与行星齿轮啮合间隙的调整，是通过半轴齿轮与差速器壳之间三个不同厚度(1.0mm、0.5mm、0.2mm)的止推垫片来调整的。因为行星齿轮与差速器壳之间的止推垫片是一定的，所以，通过加、减半轴齿轮的止推垫片(两半轴齿
18、轮同时加、减垫片)，使其与行星齿轮的啮合间隙达到标准。然后用销子将行星齿轮轴固定。 2.差速器轴承间隙的调整 此轴承间隙的调整是通过加、减差速器轴承与差速器壳之间四个不同厚度(0.5mm、0.25mm、0.15mm、0.10mm)的调整垫片来调整的。在调整前准备好左、右桥壳之间的密封垫，安装固定好从动圆锥齿轮。主动圆锥齿轮先不要安装，应按照规定的扭矩(4060Nm)安装好左、右桥壳，以圆锥主动齿轮的位置，用长金属棒或大起子转动差速器总成，或上下撬差速器总成，来检查差速器轴承间隙，以达到感觉没有轴向间隙且转动自由为止。 3.主动圆锥齿轮轴承间隙的调整 在主动圆锥齿轮的位置基本确定后，可通过增、减
19、主动圆锥齿轮前轴承与主动圆锥齿轮前轴承止推环之间的四个不同厚度(0.10mm、0.15mm、0.25mm、0.50mm)的调整垫片来调整，使其达到转动灵活，没有轴向、径向间隙的感觉。 4.主动圆锥齿轮与从动圆锥齿轮间隙啮合印痕的调整 国产汽车齿轮因无修正值，装配时普遍采用啮合印痕调整法，即首先检查啮合印痕是否符合要求，如不符合要求，则通过改变主、从动圆锥齿轮的轴向位置来获得符合要求的啮合印痕，在调整好主动圆锥齿轮轴承和差速器轴承间隙(预紧度)的基础上，擦净主、从动圆锥齿轮，在主动圆锥齿轮 34 个齿的正、反面涂上薄层红丹油(或红印油)，放进差速器总成，按要求装好左、右桥壳，正、反转动主动圆锥齿
20、轮，然后分解左、右桥壳，查看从动圆锥齿轮齿面上的印痕是否符合要求。如啮合印痕不符合要求，可视情况通过向里、向外或向左、向右移动主、从动圆锥齿轮来调整。当啮合印痕偏向齿顶、齿根或齿的大端、8小端时，其调整口诀为：“顶进主，根出主，大进从(即从动圆锥齿轮移进主动齿轮)，小出从(即从动圆锥齿轮移离主动齿轮)”。当主、从动圆锥齿轮的啮合印痕符合标准后，需检查主、从动圆锥齿轮间隙，主动圆锥齿轮与从动圆锥齿轮的齿侧间隙应在主动圆锥齿轮法兰盘半径为 45mm 的圆周上测量，其位移(弧长)应在 0.20.6mm 之间。如不符合标准，可增、减主动圆锥齿轮后轴承与主动圆锥齿轮之间的垫片或者左、右移动差速器轴承调整
21、垫片来调整主、从动圆锥齿轮的间隙，因此时主、从动圆锥齿轮的印痕已调整好，调整量很小，是不会破坏主、从动圆锥齿轮啮合印痕的。 5.减速器和差速器总成的装配 在差速器齿轮主、从动圆锥齿轮、各轴承及啮合印痕，都分别调整完毕后，开始进行减速器与差速器总成的装配。按照调整时所用垫片的厚度、各紧固螺栓的扭矩，涂上密封胶，先装配好主动圆锥齿轮，再装上差速器总成，最后按顺序合上桥壳，至此全部调整装配完成。十、单级圆柱齿轮减速器的优化设计单级主减速器可由一对圆锥齿轮、一对圆柱齿轮或由蜗轮蜗杆组成，具有结构简单、质量小、成本低、使用简单等优点。但是其主传动比 i0 不能太大，一般 i07，进一步提高 i0 将增大
22、从动齿轮直径，从而减小离地间隙，且使从动齿轮热处理困难。单级主减速器广泛应用于轿车和轻、中型货车的驱动桥中。单级圆柱齿轮减速器以体积最小为优化目标的优化设计问题，是一个具有 16 个不等式约束的 6 维优化问题,其数学模型可简记为： minf(x)x=x 1x 2x 3x 4x 5x 6xTR6 S.t.g j(x)0(j=1,2,3，16) 采用优化设计方法后，在满足强度要求的前提下，减速器的尺寸大大地降低，减少了用材及成本，提高了设计效率和质量。优化设计法与传统设计密切相关，优化设计是以传统设计为基础，沿用了传统设计中积累的大量资料，同时考虑了传统设计所涉及的有关因素。优化设计虽然弥补了传
23、统设计的某些不足，但该设计法仍有其局限性，因此可在优化设计中引入可靠性技术、模糊技术，形成可靠性优化设计或模糊可靠性优化设计等现代设计法，使工程设计技术由“硬”向“软”发展。 10.1 混凝土搅拌运输车减速器的优化设计 10.1.1 主要参数 9混凝土搅拌运输车搅拌筒(罐)的设计容积为 810m3，最大安装角度 12，工作转速 24r/min 和 1012r/min(卸料时的反向转速)；减速器设计传动比1311，最大输出转矩 60kN/m，要求传动效率高、密封性好、噪声低、互换性强。结构设计主要包括前盖组件、被动轮组件、第一级行星轮总成、第二级行星轮总成、机体中部组件和法兰盘组件 6 大部分。
24、机体间采用螺栓和销钉连接与定位，机体与内齿圈之间采用弹性套销的均载机构。为便于用户在使用时装配与拆卸，减速器主轴线与安装面设计有 15的倾角，法兰盘轴线可以向X、Y 和 Z 方向摆动6，并选用专用球面轴承作为支承。轴承装入行星轮中，弹簧挡圈装在轴承外侧且轴向间隙0.2mm，减速器最大外形尺寸 467mm 460mm 530mm，总质量(不含油)为 290kg。 10.1.2 传动系统设计 该减速器采用 3 级减速方案：第一级为高速圆柱齿轮传动，其余两级为 NGW型行星齿轮传动。其中，第二、三级分别有 3 个和 4 个中空式行星轮，行星轮安装在单臂式行星架上，行星架浮动且采用滚动轴承作为支承；第
25、二级行星架与法兰盘之间采用鼓形齿双联齿轮联轴器连接，混凝土搅拌运输车减速器对齿面接触疲劳强度、齿根弯曲疲劳强度和齿面磨损等要求十分苛刻，因此合理地选择变位系数和进行修形计算十分重要。 10.2 减速器优化设计的数学模型 10.2.1 目标函数 对于 C 型问题，目标函数是 A=minf(x)=minf(x1，x2，xn)式中：A减速器总中心距，即各级中心距之和；x各设计变量(包括各级中心距、模数、螺旋角、齿数、齿宽和变位系数等)；n设计变量的个数。对于 P 型问题，目标函数是 P=maxf(x)=maxf(x1，x2，xn)。式中：P减速器的许可承载功率；x同 C 型；n同 C 型。 10.2
26、.2 约束条件 约束条件是判断目标函数中设计变量的取值是否可行的一些规定，因此减速器优化设计过程中提出的每一个供选择的设计方案；都应当由满足全部约束条件的优化变量所构成。对于减速器来说，在列出优化设计的约束条件时，应当从各个方面细致周全的予以考虑。例如，设计变量本身的取值规则，齿轮与其它零件之间应有的关系等等。减速器优化设计应考虑以下约束条件： 10(1)设计变量取值的离散性约束 齿数：每个齿轮的齿数应当是整数；模数：齿轮模数应符合标准模数系列(GB1357-78)；中心距：为避免制造和维护中的各种麻烦，中心距以 10mm 为单位步长。 (2)设计变量取值的上下界约束 螺旋角：对直齿轮为零，斜
27、齿轮按工程上的使用范围取 815；总变位系数：由于总变位系数将影响齿轮的承载能力，常取为 00.8。 (3)齿轮的强度约束 齿轮强度约束是指齿轮的齿面接触疲劳强度与轮齿的弯曲疲劳强度，这两项计算根据国家标准 GB3480-83 中的方法进行。强度是否够，根据实际安全系数 是否达到或超出预定的安全系数进行检验。 1)齿轮的根切约束 为避免发生根切，规定最小齿数，直齿轮为 17，斜齿轮为 1416。 2)零件的干涉约束 要求中心距、齿顶圆和轴径这三者之间满足无干涉的几何关系。对于三级传动的减速器，干涉约束相当于两个约束：第二级中心距应大于第一级大齿轮齿顶圆半径与第三级小齿轮顶圆半径之和；第三级中心
28、距应大于第二级大齿轮顶圆半径与第 4 轴半径之和。而二级齿轮传动类推。 十一、结语我们的时代是充满希望与机遇的时代。21 世纪的希望在亚洲，亚洲的希望在中国。我国机械行业经过数十年发展后已比较成熟，与国外先进水平的差距日渐缩小，但还存在不少问题，所以机械科技工作者任重而道远。我们常说：学历不等于能力，文凭不等于水平，但知识、经验和技能仍然是创新成功的基础。哲学家培根提出：“知识就是力量”，牛顿说他的成功是站在前人肩膀上的结果。一个十分重要的规律是所有创新都是孜孜不倦的学习和百折不挠实践的结果。要创新，必须学习知识和技能。进入信息时代以后，知识日新月异，信息空前膨胀。一个人的知识通过大学学习只能
29、满足其需要知识的 1020。其余的必须通过不断地继续学习才能满足社会发展的需求。因此年轻的机械设计和生产工作者，应不断地刻苦学习，锲而不舍地提高自己创新的知识，经验和技11能，否则“创新”喊得再响也不过是一句“口号”。其实，机械创新设计并非想象中那么难，也并非容易之事，只要你留心身边的小事，善于发现，在机械方面你就会有新的创新，中国机械的明天定会登上世界的顶峰。参考文献：1 mess Rong planetary transmission design and calculation of Coal Industry Press, 1997.12 2 Hu Xinhua. singlegear
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