齿轮箱是一种广泛应用于许多行业的基础传动装置,其产品水平及性能直接决定着配套主机的水平及性能,因此多年来人们对有关齿轮箱的设计研究和探索从来没有停止过。本文讨论齿轮箱开发设计中的几个基本问题,应说明的是,以下所述齿轮箱系指各类减速箱、增速箱、变速箱等,其传动型式可选择齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、行星齿轮传动、摆线针轮传动及以上各种传动的组合。由于使用要求及环境的不同,齿轮箱的类型及结构型式多种多样,设计原则及方法也各不相同,这里仅就其基本及共性问题进行分析、总结、概括,试图归纳出对产品的开发设计有实用价值的一些原则及方法,以便使产品的开发设计更快捷、更高效。1设计的输入条件产品开发设计的一个重要前提条件是首先要对产品的使用工况及要求有全面深刻的了解,它一般包括下述几个方面的要求,也即通常所说的产品开发设计的输入条件: ( 1)动力传递要求,如原动机及工作机类型、传递功率及转矩、载荷特征及变化规律等。( 2)工作转速要求,如输入、输出转速值及变化规律、有无空档及反转等要求。( 3)起动及过程要求,如有无带载起动、过程制动及逆止、过载保护及起动时间与电流等要求。( 4)工作环境及状况要求,如工作温度、湿度、海拔高度、起动频率及工作制度等。( 5)密封要求,如接触还是非接触密封、浮动密封或其它密封,压力要求及操控方式(液动、气动或手动)。( 6)润滑及冷却要求,如自身润滑还是循环润滑,水冷还是风冷。( 7)安装及连接要求,如安装方位及方式、输入与输出的形式及连接方式等。( 8)监控要求,如温度、振动状态、润滑状# 144 #重型机械2010 ( S2)况指示等。( 9)其它特殊要求。审定开发设计的输入条件时应特别注意设计载荷的确定,尤其是对重载传动或有高可靠性要求及对产品的体积、重量有特殊要求时更应如此。有条件时尽量按实测载荷谱进行设计,当没有载荷谱可用时,也要尽可能类比类似工况时的设计载荷进行设计。对一些专用产品,注意要满足其相应行业标准或规范的要求。2设计目标不同使用环境下齿轮箱产品开发设计所追求的目标也各不相同,大体可分为:大功率重载齿轮箱:设计目标为高可靠性、长寿命,典型实例为风力发电增速箱、热连轧主传动齿轮箱,立磨齿轮箱等。车辆及船用齿轮箱:设计目标为体积小、重量轻、有换档要求时应操纵灵活及平顺,典型实例为工程机械变速箱、车辆行走齿轮箱及船用推进齿轮箱等。高精度齿轮箱:设计目标为输出转速波动小、回差小、振动小等。典型实例为伺服传动齿轮箱、箔带精轧机齿轮箱、数控机床传动齿轮箱等。通用齿轮箱:设计目标为模块化、系列化及标准化程度高、互换性好、价格适中。高速齿轮箱:设计目标为传动平稳、振动及噪声小、动力学性能好。典型实例为汽轮机增速箱、高速线材轧机齿轮箱等。带载起动齿轮箱:设计目标为输出转速或力矩可控、过载能力强。典型实例为皮带输送机齿轮箱、起重机提升齿轮箱、搅拌机齿轮箱等。一般用途齿轮箱:设计目标为造价低、精度不高。典型实例为农机齿轮箱、手动齿轮箱等。事实上,对一个具体的齿轮箱产品,其设计目标也有可能会同时具备以上所述的多个特征,自然其设计要求也就要复杂些,要具体问题具体分析,这样才能有针对性的解决具体问题。确定了齿轮箱开发设计所追求的目标,可有助于建立产品优化设计时的目标函数,或应重点关注的设计要素及方向。3设计的六大特性在系统总结多年从事传动齿轮箱设计开发经验的基础上,对于现行的各种类型齿轮箱,在进行其具体的设计开发时,一般而言,应遵循的原则可概括为下述六个方面,或称为六大特性,如图1所示。图1齿轮箱设计的六大特性311产品设计的系统性在进行产品设计前,应对产品的应用环境、载荷状况、作业条件、重要程度等进行全面了解,将产品置于整机应用系统中去评判其对产品设计和制造工艺的要求。系统性应关注的问题主要是: ( 1)产品在系统中的作用及重要性,如对产品的寿命、可靠性、重量等的要求。( 2)系统应用方面对产品的特殊要求,如带载起动情况、软起动要求、制动要求、逆止或超越要求、频繁起制动或反转要求、匀速要求、有无封闭功率存在。( 3)从优化系统动态性能方面对产品的相关要求,如风力发电增速箱、精轧机齿轮箱都对其整个系统的振动固有频率和振型的影响有一定要求。系统性观点是进行产品设计的重要前提。它是产品设计应关注的宏观层面的问题,对传动系统的许多要求,如软起动、制动、调速、逆止或超越等,往往要结合系统的整体设计方能完成,因此系统性观点是进行产品设计时应遵循的基本原则之一,而且它一般适用的是专用及非标产品的设计。312产品设计的谐统性齿轮箱产品的功能一般为减速、增速、有级或无级调速、过载保护、单向超越、动态或停车制动等。为实现上述功能,产品中往往包含了各种传动机构、差动调速机构、摩擦离合或制动单元等,产品功能越多,系统越复杂,其可靠性也越低。因此在进行产品结构方案设计时,除认线)重型机械选择基本传动类型,充分实现产品功能的前提下,也要从整个传动系统的设计及布局考虑,适当划分功能模块,力争使最终形成的齿轮箱结构方案构形合理、简单紧凑、整体协调,达到功能和可靠性、工艺性、经济性、美观性等几个方面的完美统一。例如产品的过载保护、单向超越及逆止、动态或停车制动等,既可镶嵌于产品结构内部,或形成一个独立模块与主体结构连接,亦可选择一个独立的产品置于传动链中。采用独立模块或产品的设计方案,有利于该部分出现故障时的快速排除或易损件更换,而采用前者,则可使结构显得较为紧凑,但出现故障时的处理则会显得有些不便。在进行大速比设计时,采用蜗杆传动、摆线针轮传动或少齿差齿轮传动,往往一级或二级就可实现。而采用齿轮传动或行星齿轮传动,可能需要多级方能实现,同时也使得产品结构庞大,体积重量增加。此种情况下,应结合传递载荷、工作转速、工作制度等综合考虑选取传动形式。313产品结构的合理性产品结构的合理性体现在产品结构的工艺合理性和模块化特性两个方面,产品结构的工艺性一般包括: ( 1)整机的装配及维修工艺性( 2)零部件的铸、锻、焊、冲等成形特性( 3)零部件的加工工艺性( 4)零部件的热处理工艺性为使上述工艺性能达到合理要求,在进行整机及零部件结构设计时,应对整机及零部件的细部结构予以充分关注,使其不仅要满足刚、强度方面的要求,同时亦具有良好的低应力集中性、铸、锻、焊、冲等成形特性、加工工艺性、热处理工艺性,而且亦便于进行产品的装配、调整及维修。产品的模块化指的是在进行产品的结构设计时,要充分考虑产品在系列扩展产品群中能否形成模块化,亦即零部件设计时要考虑通过合理划分功能模块,最大限度地减少系列产品中零部件的数目和提高其通用化程度,以便于实现系列产品的模块化,为以后系列或派生产品的设计及经济生产提供方便,同时亦可缩短交货时间,减少生产成本。对于外观整体设计,要在满足产品功能的前提下,充分考虑产品的外观造型以适应不断提高的审美要求。314产品的功能性产品的功能性包括了齿轮的强度特性、整机散热及润滑特性、摩擦离合器的摩擦特性及平顺性、整机的刚性、轴承的寿命、轴类零件的疲劳强度和刚性、关键零部件载荷及变形特性、整机的动态特性等。上述有关产品的功能性应结合产品具体要求,分别采用相关的计算方法或标准进行分析计算,其结果应满足设计规范或用户的使用要求。产品的功能性分析计算是产品设计的主要内容之一,产品的设计目标不同,其分析计算的具体要求也各不相同。如对高速及载荷或转速波动大的齿轮箱等要进行动态特性分析,有时甚至要进行包括齿轮箱在内的整个工作机系统的动态特性分析。对行星变速箱必须进行摩擦离合器的摩擦特性及平顺性分析和整机散热及润滑特性分析。对高可靠性低速重载齿轮箱则需进行微点蚀影响因素分析及评定性计算等。315产ห้องสมุดไป่ตู้的经济性产品设计时其经济性的考虑要涉及多个方面: ( 1)产品的传动类型选择,如齿轮类、蜗杆类、行星类及各种组合类,具体选何种类型,应进行技术经济综合比较分析。一般讲,齿轮传动适用于传递载荷大、单级速比不大、传动效率高的情况,而且还可以采用外啮合、内啮合、闭式、开式、半开式等多种形式,传递载荷可为轻载、中载及重载,是一种应用最为普遍的传动形式对蜗杆传动,目前常用的类型为ZK1圆柱蜗杆传动、ZC1圆柱蜗杆传动、平面二次包络环面蜗杆传动等,其中前一种主要用于中、小功率传动,而后两种可用于中、大功率传动。但总体来讲,蜗杆传动的效率不及齿轮传动,载荷大时其尺寸也会十分庞大。因此蜗杆传动一般常用于中小功率传动或不连续运转及需改变输出方向的情况。在进行组合式传动箱设计时,中、大载荷情况下,蜗杆传动尽量用于高速级,以避免尺寸过于庞大,反之,则不必刻意考虑其放置的位# 146 #重型机械2010 ( S2)置。当然在需改变输出方向且速比不大时,亦可考虑采用各种圆锥齿轮传动,尤其在传递载荷大及连续运转时,圆锥齿轮传动更能发挥出其效率高和体积紧凑的优点。行星齿轮传动包括了普通行星齿轮传动、少齿差行星齿轮传动、二环及三环少齿差传动及混合少齿差行星齿轮传动等多种类型,后三种主要应用于大速比或低速及中、小功率传动,而前者的应用范围则可覆盖整个功率传递区段。较之齿轮传动,其典型特点是体积小、重量轻,如细分其类型,常用的又有NGW型、NW型、NGWN型、封闭式差动行星传动及差动行星传动等多种类型。摆线针轮传动由于其效率低,一般多用于大速比的中、小功率传动。由于实际应用的复杂性,设计时经常通过各种传动型式的组合,使各类传动型式的优点得以充分发挥,又可使得整机的体积、重量得以控制,预期功能得以实现。但仅从经济性方面考虑,摆线针轮传动和齿轮传动要好于行星齿轮传动和蜗杆传动,后两者的造价要高于另外两种传动形式,设计时应同时结合其它方面的要求,综合考虑取舍。如风力发电增速箱采用行星传动和圆柱齿轮传动组合,实现了其外形紧凑、易于安装的目的。而如果采用圆柱齿轮多输出结构,则可采用中速发电机,从而减小了整机重量及造价且便于维修,尽管齿轮箱的单机重量增加了一些。( 2)产品的结构设计。不同零部件的结构特征不同,受载特性不同,决定其应用的材料毛坯种类不同,如铸件、锻件、焊接件等等,在可能情况下,多用铸件,少用锻件;多用组合结构,少用单体结构;多用简单结构,少用复杂结构。( 3)产品的材料及检验。特殊及优质材料意味着更高的成本,在满足功能要求的前提下,多用通用材料,少用特殊材料;多用普通材料,少用优质材料,必需采用特殊或优质材料的零部件,结构设计上要充分考虑其特征,尽可能减小其尺寸及重量。对材料的检验项目及等级要求,应与其工作要求相适应,即应提出合理的材料质量等级和检验等级。如MQ级齿轮材料能满足需要的,无需用ME级,超声波探伤?级可行的,无需提更高等级。不恰当的质量等级和检验等级可能会使材料成本成倍增加。( 4)产品的加工及装配工艺性直接影响生产的效率和成本,不必要的高精度要求会徒然增加生产的难度和成本。设计时加工精度要求应和使用要求及功能特征相适应,少用或不用需特种设备或加工方法的结构,少用装配难度太高的结构,少用装配中需调整修磨过多的结构,少用需现场进行调整调试的结构。( 5)产品配套件如轴承、密封、润滑元器件等,一般讲进口产品贵于国内产品,专用产品贵于通用产品,如无特殊要求,多用国内产品,少用进口产品;多用通用件,少用专用件、非标件以及特种产品。( 6)产品的创新性产品设计中应有强烈的创新意识,努力追求其技术及性能上的先进性,要有不断推陈出新的意愿,敢于对传统的工作原理、工作结构提出挑战,并不断予以创新发展,以新颖先进的产品引领市场、开拓市场,始终站在行业发展的最前沿。创新的方式、方法多种多样,一般讲可分为几个方面: ( 1)功能创新,指扩展产品的应用范围和功能,扩大产品的用途。( 2)结构创新,指开发设计出新颖独特的结构。( 3)工艺创新,指开发采用新的成形方法、热处理及加工工艺等。( 4)材料创新,指开发设计时采用新的结构或功能材料。创新的最终目的是通过这些活动使产品的功能更强、技术功能更优、性价比及可靠性更高、市场竞争力更强。4设计程序及要求齿轮箱产品的设计一般可分为系列设计及单机设计两大类。系列设计时应首先根据市场调研和产品的需求状况,确定产品的系列型谱,继而进行产品的参数设计和结构设计,在此基础上完成系列施工设计和承载能力标定。对单机设计,其设计程序# 147 # 2010 ( S2)重型机械及要求要相对复杂些,一般遵从如下要求: ( 1)根据用户要求进行方案设计及评审。( 2)总体结构设计及评审。( 3)进行相关设计计算,一般应包括: ?传动副修形、弯曲与接触疲劳及胶合强度计算; ?传动副最大载荷或静强度计算; ?轴承寿命计算; ?轴系刚、强度及键与花键连接计算; ?行星架受载及变形的有限元计算; ?重载齿圈的有限元计算; ?离合器力矩及发热计算; ?箱体应力与变形的有限元计算; ?传动系统的动态计算及分析; ?整机传动效率计算; lv整机热功率及润滑与冷却设计计算; lw其它特殊的计算项目。其中的( 1)、( 2)、( 3)、( 4)、( 10)、( 11)为必须进行的计算项目,其余根据需要选择进行。( 4)零部件结构及施工设计。( 5)施工设计审查,重要产品及新产品应进行二次审查。( 6)试车方案设计,试验大纲及要求。( 7)编制产品验收大纲及说明书。5结束语在进行齿论箱产品设计时,除采用传统的经验设计及类比设计外,还要注意充分借鉴各种现代设计思想和采用各种现代设计方法,如优化设计方法、模块化设计方法、有限元设计方法、可靠性设计方法和反求设计方法等,以确保产品的设计质量。如采用优化设计方法,可根据不同用途及要求,博鱼app官网下载博鱼app官网下载博鱼app官网下载