二級齒輪減速器的失效形式及改善措施

王嘉琪

（北京化工大學機電工程學院，北京 100029）

0 引言

在很多實際工程應用當中，完成任務所需的轉速很低，然而工廠使用發電機通常情況下轉速很高，功率又很大。為了滿足實際操作工況，在原動機和執行機構之間加入減速器。最常見的減速器是二級齒輪減速器。齒輪減速器是一種很常用的機械傳動的裝置。通常在原動機和執行機構之中加入減速器來降低運轉速度或改變機構運動形式。在實際工程中，希望在滿足工作條件的情況下，延長工作壽命以降低經濟成本。通常，齒輪的選取及傳動比不合理，軸段的分配及軸承的選擇和連接件強度不夠等均會影響齒輪箱壽命，最終失效。需要從多方面去考慮問題并提出措施。

1 二級減速器工作原理

以展開式二級減速器為例，它是由兩對兩兩嚙合的齒輪套在三根軸上組成，電機通過帶傳動將功率和轉速傳輸到第一根軸，即高速軸。但由于軸本身在工作時存在效率損失，軸輸出到與之相連的小齒輪上的功率和轉矩略微減小，小齒輪通過與大齒輪嚙合將轉矩和轉速傳遞到大齒輪上，大齒輪與中速軸相連。此時，第二根軸——中速軸的轉速降低，大齒輪與小齒輪同軸，小齒輪再通過與之嚙合的大齒輪達到降低轉速的目的。低速軸隨大齒輪大大降低轉速，并與執行構件相連。

2 失效形式及原因

2.1 齒輪失效

一般齒輪減速器為閉式，齒輪根據轉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蝕。輪齒折斷是按照齒根彎曲疲勞強度設計計算的，而齒面點蝕是按照齒面接觸疲勞強度設計計算的。根據計算結果可知，按齒面接觸疲勞強度計算的齒輪模數大于按齒根彎曲疲勞強度計算的模數，模數的大小主要取決于彎曲疲勞強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度所決定的承載能力，因此失效更容易發生在齒根彎曲。根據彎曲疲勞校核計算，齒輪的齒數是影響失效的首位因素，進一步說，分配的傳動比不合理也將直接導致齒輪失效。其次是模數，由于模數是標準值，需根據設計的實際模數向上圓整，模數過小會導致分度圓直徑過小，不一定能達到承載能力而失效。齒輪的材料碳鋼居多，通常不會失效，需要注意的是對于軟齒面齒輪，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，根據結構的需求可將軸設計成齒輪軸，與齒輪做為一體，也可以設計出鍵槽，通過鍵連接將齒輪安裝上。鍵是連接兩個零件的載體，因此如果鍵的強度不夠也會直接影響到其他零件的工作及運轉。在鍵的類型及選取時，由于半圓鍵鍵槽太深，對軸的作用力削弱大，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，鍵寬和高是標準值。而鍵的長度代號是根據軸段的長度以及裝配情況來定的，鍵長要比軸段長度要小，否則裝配零件會與軸肩干涉。需要注意的是，選取A，B，C 型鍵時工作長度的計算也不相同。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。還需考慮載荷是動載荷還是靜載荷，動載荷下的許用應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濟性，在設計齒輪時應注意傳動比的選取，在二級齒輪減速箱中，第一級的傳動比不能過大，否則會使帶輪不易安裝；相鄰兩級之間的傳動比差值不要太大，否則造成箱體外廓尺寸過大。同時模數也會影響齒輪的強度以及分度圓的直徑。在疲勞彎曲校核中，模數不一定就近向上圓整成標準值就能符合條件。如果模數太小會導致齒輪分度圓很小，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，還需根據結構需求來定。絕大多數齒輪箱用油潤滑，為保證充分潤滑和散熱，大齒輪的齒頂到油池底面的高度應大于（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遠大于實際應力，因而不會發生強度破壞。但對于軸上的裝配零件是過盈配合還是間隙配合，是靜連接還是動連接，要給出不同的表面粗糙度，否則軸在長期的脈動循環中受到磨損。

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

3.3 鍵的改善措施

在鍵的強度條件不滿足時，可在軸上布置雙鍵，每隔180°布置一個平鍵。或者適當地增加鍵長，在標準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進入箱體內部，需要在蓋板底部設置紙質封油墊片，并用螺釘進行密封處理。