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摘要：通過某設計中擺線針輪減速器受徑向載荷作用所反映出的問題,分析了徑向載荷對擺線針輪減速器的影響,提出擺錢針輪減速器、諧波減速器、少齒差行星減速器等受有較大徑向載荷時,應適當降低許用扭矩,以保證減速器能安全正常工作。
1 減速器選擇及使用中發現的問題
某產品傳動系統中需要一同軸式減速器,輸入轉速1450 r/m in,輸出傳速3 r/m in,短時續工作制,負載轉矩Tz= 2380N m,原動機為三相異步電動機,起動轉矩約為工作負載轉矩的180%,據文獻〔1〕和產品使用說明書選擇減速器。
取載荷系數KA= 1. 0;計算傳動比ica= 1450/3= 483. 3,選取減速器的傳動比i= 493;計算負載轉矩Tzmax=Tz kA 180% = 4284N m;減速器允許的過載系數為1. 6,那么計算轉矩Tca=Tzmax/1. 6= 2677. 5N m。
我們選用XWED1. 5- 74- 493行星擺線針輪減速器,同步轉速1500 r/m in,減速比i= 9×17= 493,許用轉矩TP= 2700N m。輸出軸上安裝了一個分度園直線d= 126mm,寬
度B= 80mm的標準漸開線直齒園柱齒輪,開式傳動,齒輪副滿足強度條件。
裝機使用時,我們發現:,減速器輸出軸端出現“搖頭”現象,位移量近1mm,嚴重影響開式齒輪的嚙合質量。第二,針輪殼與機座接合處有明顯的徑向位移。第三,針輪殼與機座接合處有軸向縫隙。
2 分析討論
XWED1. 5- 74- 493減速器輸出軸結構簡圖及受力如圖1示。圖中FBA、FBB、FBC分別為軸承A、B、C的支承反力;FLA、FLB分別為兩個擺線針輪給輸出軸的徑向作用力,Fz為負載壓力。Fz=2 Tzd cosTn=2×2380126×cos20°N= 40. 22 kN,其中Tn為齒輪的嚙合角。
2. 1 Tz≠0,Fz= 0的情況
假設輸出軸端安裝一聯軸器,即可認為Tz≠0;Fz= 0。如不考慮制造安裝誤差,則有FLA與FLB大小相等,方向相反,不共線,并對輸出軸形成一個彎矩ML=FLA(b-a)的作用,此時,FBA、FBB、FBC均可認為不太大,且由于輸出軸的轉動受力平面也隨之轉動。
2. 2 Tz≠0,Fz≠0的情況
當輸出軸端安裝一齒輪,即認為Tz≠0;Fz≠0。設Fz為恒力(大小、方向、作用點不變),而輸出軸以其輸出轉速轉動,則輸出軸受力如圖2示,針輪殼受力如圖3示。
2. 2. 1 由圖2知,FLA和FLB分別由負載轉矩Tz和徑向載荷Fz引起。由Tz產生的分力FLA1
和FLB2應大小相等、方向相反、不共線且隨輸出軸的轉動而轉動;由Fz產生的分為FLA2和FLB2則是大小、方向不變。在任一時刻,FLA是FLA1和FLA2的合力,FLB是FLB1和FLB2的合力。故FLA和FLB的大小和方向是不斷變化的,當FLA1與FLA2共線且方向相同時,FLA,;當FLA1與FLA2共線而方向相反時,FLA最小,由于該力的作用,就出現了“搖頭”現象。
2. 2. 2 由圖2、圖3知,由于擺線輪A、B對針輪殼的作用
力F′LA、F′LB不共線,必然使針輪殼受到一個彎矩MZL=F′LB d-F′LA c≈∑Fi D cos2 i的作用,式中Fi為第i個螺栓所承受的張力; i為相角;E點為傾翻中心。當Fi大于初始預緊力Fio時,螺栓拉伸變形,沿受拉螺栓軸向,機座與針輪殼之間出現裂縫,由于該力的變化,會出現裂縫一張一合的現象。
2. 2. 3 由圖3知,由于F′LA≠F′LB,加之機座與針輪殼的定位止口處存在間隙,當|F′LA-F′LB|大于其間的摩擦力Ff時,就會出現針輪殼與機座間的徑向位移,直到定位止口提供一個徑向剪力Q=|F′LA-F′LB|-Ff為止。由于F′LA、F′LB的方向隨輸出軸的轉動而變化,就出現了前面觀察到的徑向晃動。
2. 3 同2. 2的受力狀態,但Tz和Fz均為周期性脈動負載
2. 3. 1 由前面分析知,由于徑向負載較大依然會引起針輪殼與機座結合面的相對位移和晃動。
2. 3. 2 分析圖1、圖2,在Fz所在的力平面,輸出軸端的力和力矩本身是脈動的,加之擺線輪
對輸出軸的作用力FLA、FLB也是變化的。故輸出軸端就會產生一個交變的位移。該位移主要由
三部分構成。(1)軸的撓曲變形的WDB; (2)軸承的變形WDG; (3)機架的變形WDj。變形WD=WDB
+WDG+WDj。
2. 3. 3 由于該減速器為懸臂結構,軸的變形較大,機架的剛度較差,軸承為普通單列向心球軸承,無預緊,支承剛度較差,使輸出軸端部產生較大的變形。加之該負載是變化的,出現輸出軸的“搖頭”現象是必然的。
2. 4 結 論
2. 4. 1 輸出軸的徑向載荷較大時,會使針輪殼與機架產生相對晃動。
2. 4. 2 當作用于輸出軸的負載轉矩接近其許用轉矩、徑向力較大時,若負載是周期性變化的,輸出軸會產生“搖頭”現象。
2. 4. 3 選用該類減速器時,應考慮徑向載荷的影響。
3 驗 證
提高減速器的性能,我們將減速器作了改造,將支座FBA移到輸出軸的端部,負載移到兩支承FBA與FBB之間,受力簡圖如圖4。由于改進后的減速器,改善了受力狀態,減小了徑向力影響,增加了機座的剛性。實用表明:機座與針輪殼之間的縫隙消失,無晃動和“搖頭”現象。
4 推 論
4. 1 選用擺線針輪減速器時,應考慮徑向載荷的影響,徑向載荷較大時應適當降低輸出軸的許用轉矩。因該產品已系列化,應組織專家進行分析和實驗,制定出選用規范。
4. 2 推而廣之,諧波減速器,少齒差行星減速器等也應考慮徑向力的影響,制定出相應的選擇范。
4. 3 對于系列產品,隨著科學技術的發展,設計和實驗手段的提高,應該對老產品進行改造,重新設計新系列產品,以提高使用性能。
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