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1、摘要机车轮心是指车轮与车轴配合的部分，它是列车的重要牵引传动部件。轮心内孔与车轴为过盈配合，才用热涨法装配。在这种条件下，列车行走时轮心内孔与车轴无相对运动、无磨损。当出现更换轴或维修车轴上零件等情况时，需要将车轮解体，此时车轴将从轮心内孔中被强行压出，孔轴配合面就会被破坏。为使轮轴达到可工作的状态，轮心内孔面需堆焊及机加工，恢复内孔外形及表面的光洁度。本文所设计的堆焊机减速器就用于此工序。轮心堆焊机主要由动力头、尾架、焊接小车、底座、导轨及控制箱六大部分组成。本文所设计的减速器属于该堆焊机的动力头的一部分。本文所设计的轮心堆焊机减速器，工作重点在于传动机构和轴的设计。工作的首要目的是满足基本
2、的使用性能，其次是在此基础上尽量减少减速器的体积和重量使其结构紧凑、加工制造方便。动力头减速器构造有很多种类，本文首要满足的性能指标是速比和强度，之后再从装配方便、缩小体积、降低成本等方面加以考虑。设计后的减速器应具有容易生产、结构简单、可靠实用、安装方便、成本低的特点。关键词：轮心，堆焊机，减速器，动力头。AbstractThe motorcycle round heart means the part matching with with axle car wheel, it is the importance of the railroad train to lead to spread
3、 a parts.Round bore inside the heart and axle in order to lead Ying to match with, just rise method assemble with the heat.In this case, the railroad train runs about round bore inside the heartWith axle have no opposite sport, dont wear away.While appearing to replace stalk or maintaining circumsta
4、nces like spare parts,etc of axle, need to disintegrate car wheel, at this time axle will from the round the bore inside the heart drive strong line of press out, the bore stalk match noodles will be broken.In order to make the axle attain the status that can work, the round bore noodles inside the
5、heart needs a heap of Han and machine to process and resumes inside the clean degree of the bore shape and the surface.The heap Han machine designed by this text decelerates a machine to used for this work preface.Round the heart heap Han machine mainly from power head, tail, weld a small car, base
6、and lead track and control box six greatest partses to constitute.The deceleration machine designed by this text belongs to a part of the power head of the heaps Han machine.The round designed by this text the heart heap Han machine decelerate machine, work Be particularly lie in spreading motive to
7、 reach and stalk of design.The initial purpose of the work is satisfy basic use function, secondly is on this foundation as far as possible decrease decelerate machine of physical volume and weight make its structure tightly packed, process to make convenient.Power head deceleration machine the stru
8、cture contain a lot of categories, the this text initial contented function index sign is soon ratio and strength, after again from assemble been convenience, narrow a physical volume and decline low cost etc. to take into to consider.It is easy to should have the deceleration machine after designin
9、g production, simple structure, credibility practical, install a characteristics with convenient and low cost.Key words round heart, heap Han machine, deceleration machine, power head目录摘要IAbstractII课题的目的及意义- 1 -国内外现状发展趋势- 1 -关键技术- 4 -减速器优化设计的数学模型- 13 -蜗轮减速器的可靠性优化设计- 14 -蜗轮减速器壳体的有限元分析及优化- 16 -结论- 17
10、-总结- 17 -参考文献- 18 -课题的目的及意义 动力头减速器的构造有很多种类，要求也很多。本设计主要满足的性能指标是速比和强度，之后再从装配方便、缩小体积、降低成本等方面加以考虑。设计后的减速器应具有生产方便、结构简单、可靠使用、安装方便、成本低的特点。通过此次毕业设计，使大家理论联系实际的重要性，同时具有相关机械设计和制图的实践经验，培养独立思考和解决问题的能力。国内外现状发展趋势中国在20世纪50-60年代，堆焊技术手段主要是焊条电弧焊、电渣堆焊埋弧、堆焊、水蒸气保护振动电弧堆焊及氧乙炔火焰堆焊。堆焊技术在修复和表面强化领域已经有一定应用，但尚未形成产业规模。1962年中国机械工程
11、学会焊接学会成立，1963年焊接学会就铸铁冷焊、电渣焊及农机、农具堆焊开展了专题学术研讨。为了推动堆焊技术的发展，参照国际焊接学会的组织体系，于1979年焊接学会正式成立了堆焊专业委员会（IC），后又扩大其内涵，更名为堆焊与热喷涂专业委员会年又更名为堆焊与表面工程专业委员会。堆焊专业委员会成立以来，在推广堆焊技术研发、推广堆焊技术成果应有以及促进堆焊专业人才的成长方面发挥了重要作用。相对于其他表面工程技术而言，堆焊是一种传统的技术。但是，在产品需求的牵引下，以这种现代化技术为支撑，堆焊技术不断焕发青春，已成为产品制造、产品修理、产品再制造不可缺少的关键技术。和其他表面技术相比，堆焊技术创造的产
12、值可以说是最高的，堆焊技术对节能、节材、保护环境的贡献也是最大的。回顾我国堆焊技术的发展历程，在此基础上不断创新是现在从事堆焊工作者的历史使命。1.20世纪70年代，以粉末等离子弧堆焊的开发与应用为代表70年代以后等离子弧堆焊、低真空熔结、二氧化碳保护堆焊以及氧乙炔喷熔工艺等相继发展。70年代初期哈尔滨焊接研究所研制和生产了近30套粉末等离子弧堆焊机以及Co基、Ni基和Fe基等多种合金系粉末，并与多个阀门厂、锅炉厂合作，针对阀门密封面进行系列堆焊试验。该设备和材料成功用于发电机组高温高压阀门密封面的制造和修复中，经济效益显著。与此同时，哈尔滨焊接研究所与武汉材料保护研究所、沈阳机电学院、上海阀
13、门厂等数十家院、所、厂组成了该技术的推广网络。1976年在山海关机务段召开了全国第一届粉末等离子堆焊技术推广会，有30余个单位近60人参加。粉末等离子弧堆（喷）焊技术，以电站阀门为主导产品，推动了相应的粉末材料开发及其设备的发展。70年代后期，董祖钰等研制出基本性能达到钴基合金水平的无钴铁基堆焊合金，该材料成功用于国内50-300MW 发电机组高温高压阀门密封面的制造及修复中，提高了产品质量，延长了阀门使用寿命，经济效益显著。2.20世纪80年代，以开发应用高碳高铬耐磨合金粉块碳弧堆焊技术、大面积耐磨复合钢板堆焊制造技术为代表。1980年煤炭部生产司在赴英国考察中，了解到该国井下输煤机溜槽表面
14、强化是采用手工碳弧将膏状合金熔覆在工件上，膏状合金为低碳高铬高硼合金。为解决该合金系统成本偏高不易推广的问题，哈尔滨焊接研究所黄文哲等采用低碳高铬含硼合金，并将材料制成块状以方便堆焊。经反复试验优选出Fe耐磨合金粉块，用该合金堆焊的溜槽经过井下工况作业考核，其使用寿命高于其他强化方法的2倍。对此煤炭部生产司在张家口煤机厂举办了全国煤炭系统制造厂家推广Fe5耐磨金粉堆焊输煤机中部溜槽的应用技术现场会。后该技术又陆续推广到制砖机绞刀、机叶片等产品上，其使用寿命提高3-10倍，这使得合金粉块的碳弧堆焊技术在电力、煤炭行业得到了广泛应用。 80年代中后期，董祖钰等又发明了全面性能达到或超过Co基合金的
15、无钴镍基堆焊材料，价格仅为钴基合金的一半，具有国际先进水平，获得国家发明三等奖，并在中国、美国、英国注册了发明专利。国内开发的大面积耐磨复合板堆焊技术在冶金、水泥行业取得了良好的应用效果。这时，国外的不锈钢带极电渣堆焊技术在国内冶金#化工行业得到了应用，国内在该技术方面开展了大量研究工作，开发的焊剂，焊带及成套工艺替代了进口。 3.20世纪90年代后，以研究、推广堆焊药芯焊带、药芯焊丝为代表。90年代初，国内在采用堆焊方法开发复合材料耐磨制品，在开发高效、优质堆焊技术及大功率、低稀释率粉末等离子弧堆焊技术方面取得了一定进展。90年代是中国堆焊药芯焊丝应用和发展的重要时期，以英国WA公司为代表的
16、堆焊药芯焊丝大量进入国内市场，带动了国内堆焊药芯焊丝的迅速发展。这一时期，国内开发出多项堆焊自保护药芯焊丝，达到国外同类产品水平。药芯焊丝的应用和发展使得一些高合金含量、高硬度的堆焊材料能够制成用途广泛的自动化生产用焊丝，取代了手工堆焊工艺方法，极大地提高了堆焊自动化水平。同时药芯焊丝也由传统的埋弧焊、气保护焊向自保护焊发展。这一时期，随着国内冶金企业规模的扩大，各种轧辊的堆焊制造和再制造突显其重要性，在厂校和科研院所的共同努力下，轧辊堆焊也有了长足的进步。中国研制开发的热成形部件堆焊材料既具有良好的耐磨性，又具有优良的耐冷热疲劳性能。用该材料堆焊的产品比用传统的3C堆焊的产品寿命提高1.5倍
17、以上,成品提高百分之30至40。该技术已在宝钢、鞍钢、重钢、太钢以及济钢等大中型冶金企业推广应用，有力地推动了我国热成形部件的复合制作技术的发展，并使大量旧的部件得以修复利用，经济效益巨大，并节省大量外汇。进入21世纪，堆焊药芯焊丝年产量已占国内堆焊材料总量的50%以上，年产达数万吨，目前产销量仍在快速增长，已形成规模产业。其应用主要集中在钢厂轧辊、火电厂磨煤辊及磨盘、水泥厂水泥立磨及磨盘堆焊，以及大面积复层耐磨钢板的堆焊制造等。4 堆焊产业的发展随着中国工业技术的进步及国家产业政策的调整，堆焊技术在工业领域尤其是重工业领域得到了大规模应用，在钢铁冶金、矿山、电力、化工、水利、建材、煤炭、核电
18、、军工及机械制造等行业起着举足轻重的作用。堆焊由原来的简单修复已发展成为新品制造，旧品再制造的重要工艺环节，堆焊产业的规模化发展，也带动了堆焊材料的大量消耗。发展至今，堆焊材料的制造业也成为相对独立的规模产业。用于自动化生产的堆焊药芯焊丝，实芯焊丝和焊剂的消耗量要远大于手工焊条，初步估计近二三年堆焊材料的年消耗量在15-20万t，占焊接材料年消耗总量的5%以上。（1）在老一代堆焊工作者的带领下，我国堆焊技术有了长足的发展，堆焊应用的领域也不断扩大，堆焊技术为国民经济建设做出了重要贡献。（2）近年来，高效、优质堆焊技术已成为堆焊领域重要的研究方向。以激光堆焊、电子束堆焊、聚焦光束表面堆焊等高能束
19、堆焊技术为代表的新技术，成为国内学者的研究热点，新的堆焊技术手段和过程控制智能化的发展，推动了堆焊技术向成形精确化发展。（3）堆焊是表面工程中的一个重要分支，它可以在普通材质的基础上制备出需要的耐磨或耐热、耐腐蚀等特种性能的堆焊层，在节能、节材、保护环境方面展示了巨大的效益。在国家建设资源节约型、环境友好型社会以及发展循环经济的进程中，堆焊技术有广阔的发展前景。关键技术 1堆焊 堆焊是指使用焊接的方法把填充金属融敷在金属表面，以便得到所要求的性能和尺寸，这种工艺过程主要是实现各种金属的冶金结合，属于异种金属融化焊的一种特殊形式。 堆焊是焊接的一个分支，是金属冶金结合的一种融化焊接方法，但与一般
20、焊接不同，不是连接零件，而是用焊接的方法在零件的表面堆敷一层或数层具有一定性能材料的工艺过程，最终达到修复零件或增加其耐磨、耐热、耐蚀等性能。由此可见，堆焊就有一般焊接方法的特点，又具有其特殊性。 堆焊的冶金特点、物理本质、热循环过程等于一般焊接工艺相同，但堆焊还具有如下特点：n 应用堆焊能更合理利用材料，节约贵重金属，如在基体为碳素钢或铸钢 用钢的表面堆敷一层钴基或镍基粉末。n 制造双金属结构，如水轮机叶片、导水叶、推土机刀刃、抓斗等零件。n 修复旧零件，如阀座、磨具、齿轮、轴累零件等。 堆焊是熔焊，因此从原理上讲，凡是属于熔焊的方法都可以用堆焊。堆焊方法的发展也随着生产发展的需要和科技进步
21、而发展，当今已有很多种堆焊方法现按实现堆焊的条件，将常用的堆焊方法综合分类。l 氧-乙炔焰堆焊l 手工电弧堆焊l 埋弧自动堆焊l 震动电弧堆焊l 等离子弧堆焊l 气体保护堆焊l 电渣堆焊l 其他堆焊 2轮心堆焊 轮心堆焊一般采用保护自动堆焊（焊剂层下的自动堆焊），这种堆焊方法的优点在于保证堆焊金属必须的质量和高生产率的同时，还保证了工艺过程的稳定性。因此与其他堆焊修复方法相比，保护自动堆焊得到了比较广泛的应用。在焊接工作时，被焊接件在动力头和尾架的三爪卡盘之间，电动机通过减速箱对焊件施加转矩，从而实现气体保护焊等多种焊接方式。此转矩还可以通过尾架锥齿轮传动的形式传递给托盘，使其转动，从而实现自
22、动堆焊。这种结构的保护自动堆焊可以实现环焊、螺旋焊、直道焊三种焊接形式当工件焊完一圈，小车带动焊枪纵向自动移动一段距离再焊，称为环焊；当焊接工件时，焊枪与小车同时以设定的速度缓慢移动，称为螺旋焊；当工件不转动，仅小车纵向移动时，称为直道焊。 焊接开始时，焊丝与焊件接触，并被固定颗粒状的焊剂覆盖着。当焊丝与焊件之间引燃电弧，焊丝与轧辊及部分靠近电弧的焊剂受到电弧热（60008000C）的作用开始融化。焊丝融化后，堆在工件上，焊剂起保护作用和合金化作用，焊剂融化时，不断放出气体和水蒸气，形成泡沫，在蒸汽的作用下，形成一个用渣壳包住的密闭孔穴，电弧在孔穴内继续燃烧，这样就隔绝了大气对电弧和熔池的影响
23、，并防止热量的迅速散失。堆焊层除了基体金属的冲淡作用外，组织较为均匀，气孔和夹渣较少，淬火作用小，而焊接的物理和力学性能高。堆焊层的硬度和耐磨性是有焊丝材料和焊剂种所含的合金元素来决定的。在机车车辆修理中, 手工焊和埋弧焊在耗电量、生产效率、焊接成本、焊接质量以及实现机械化、自动化的可能性方面均没有二氧化碳气体保护焊优越。 一般讲, 二氧化碳气体保护焊的耗电量是手工焊的1/5, 是埋弧焊的1/3, 而生产效率比手工焊提高一到四倍, 比埋弧焊提高40%。如果实现自动化, 效率将会有更大提高。由于二氧化碳是酒精厂、酿酒厂等的副产品, 因此比手工焊的涂料焊条和埋弧焊的焊剂要便宜得多（约便宜60%）。
24、在焊接质量上, 由于二氧化碳气体保护焊的焊接电流密度大, 熔深大, 且有二氧化碳气体保护, 所以比手工焊好, 同时, 由于焊层含氢量低, 焊层应力小, 故裂纹倾向小。二氧化碳气体保护焊由于焊接速度, 又有二氧化碳气体冷却, 热影响区小, 所以焊接变形小, 矫正变形的工作量小。二氧化碳气体保护焊是明弧焊接, 可直接观察焊接过程, 同时, 没有撒放、收集焊剂和打渣工序。因此, 组织机械化、自动化生产比埋弧焊更优越。几年来, 上海铁道学院工厂在二氧化碳气体保护焊专用设备及其系列化方面做了一些研究试制工作, 有关成果在机车车辆修理方面, 已经并正在发挥越来越大的作用。现简要介绍如下。 在机车车辆修理中
25、, 各种低碳钢和中碳钢的零部件由于磨损而超限, 可用二氧化碳气体保护焊堆焊修复。由于堆焊时堆焊层是由螺旋形的焊道组成, 前一圈焊道往往还处在红热状态, 后一圈焊道已开始与之搭叠。堆焊层整齐光洁, 表面经磁粉探伤无裂纹, 加工后也无内气孔等缺陷, 堆焊层硬度比用一般酸性焊条堆焊时高, 但不经处理也可加工同时, 堆焊后的耐磨性能也有所提高。 过去, 蒸汽机车猜翰胀圈槽、汽室阀胀圈槽等磨耗外圆面, 一般用埋弧焊修复。由于二氧化碳气体保护焊较埋弧焊具有一系列优点, 吉林机务段、成都机务段和铜陵机车厂等委托我们研制了一种二氧化碳气体保护多能自动焊机。该机除能进行上述外圆面磨损堆焊修复外, 还可进行矩形平
26、面的堆焊修复。1985年试制完成, 投入使用以来, 反映很好。其他机务段、机车厂也闻讯要求定制。（1）结构特点 本焊机采用机械部分、电源和电气控制部分合为一体的结构, 相对过去电源与机体分离的结构, 显得紧凑, 操作方便。图1为二氧化碳气体保护多能焊机的外形图。 焊接电源箱输出电压在21.7-35伏之间可调。输出电流在60-250安之间可调。主轴和送丝机构的拖动采用带负反馈的可控硅无级调速装置, 调速范围广, 转速平稳对应主轴电机2最高转速（1500转/分）, 主轴有四档速度（0.33转/分、13.44转/分、1.08转/分和43.55转/分。这是借助双向离合器和不同的齿轮啮合而实现的。送丝机
27、构8由微型直流电机S521拖动。送丝变速箱探证在曳机最高转速3300转/分时, 送丝轮转速为31.57转/分。对应不同的主轴转速,为了保证焊接质量, 送丝速度可平稳无级地调节。堆焊矩形平面时，可将主轴变速箱上的首柄置于相应位置, 并调整横向往返行程档板,借助限位开关完成往返过程。溜板箱的横向和纵向进给均由主轴变速箱通过光杆带动。 本焊机各部分相互关系如图2所示。（2）电气原理 图3为二氧化然气体保护多能焊机电气原理图。主变压器B1的输出电压为八级可调焊接电源为缓降外特性。最低档空载电压21.7伏, 最高档空载电压35伏, 每档压差1.9伏。电压缓降率为3%, 如图4所示。主轴电动机D1和送丝电
28、动机D2均采用可控硅调速, 负反馈系统保证转速平稳。通过控制板上的调速电位器, 可以方便地控制可控硅的导通角, 进而平滑地调节电机的转速。该调速电路的触发电路如图5所示, 其各点波形如图6所示。只有T2由导通变为截止时, 微分脉冲才产生, 从而经过放大而触发可控硅导通。T1导通是T2截止的先决条件。但是仅仅T1导通, T2还未必立即截止。因为C3经R4以及T2基极的放电电流还将维持T2继续导通, 只有当C5充电基本结束, T2才能由导通转为截止。这一过程所需的时间称为延时截止时间。T2延时截止时间短, 触发脉冲就产生得早, 可控硅导通角也就大;反之, T2延时截止时间长, 触发脉冲就产生得晚,
29、 可控硅导通角就小。由图可知3, C3、R4的充电电路还包括与T2基极并联的e、f之间的分流支路。该e、f分球支路包括反馈和给定两个环节。对T2基极分流作用大, T2延时截止时间就短；对T2基极分流作用小,T2 延时截止时间就长。W2为给定电位器, DG为反馈光祸合器。光祸合器既能反馈电动机D1的供电电压大小, 又起隔离作用。该负反馈的作用过程是这样的:由于电源电压波动或者负载突变而使得电动机D1两端电压U1下降(或上升), 经光耦合器和三极管的作用,使得e、f之间的分流作用增大（或减小）,延时截止时间变短（或长）, 可控硅导通角增大（或减小）, 电动机端电压上升（或下降）, 从而起到稳定转速
30、的作用。 送丝电动机D2的供电采用电势负反馈, 它由R42 、R43、R44、R(电动机D2电枢总电阻)构成的电桥形成。在给定电位器W3一定时, 由电动机D2的反电动势E2经W3反愤到触发电路, 从而改变可控硅的导通角。例如, 当电动机因某种原因转速下降时, 其反电动势E2也下降, 触发脉冲提前, 可控硅导通角增大, 电动机D2端电庄上升, 从而使其转速上升, 起到稳定转速的作用。这是一台螺旋横焊式立堆焊装备。堆焊时, 焊枪作螺旋式上升回转。由于不需要工件转动, 所以更适合非对称不规则工件各部位上的内圆而的堆焊。该焊机试制几年来, 在各机务段、车辆段和机车工厂使用，大大提高了劳动生产率, 改善
31、了劳动条件。该机机头的结构示意图如图7所示。该焊机有关技术参数为：焊枪回转速度1/4转分, 无级平滑调速焊枪上升螺距 对于1.6毫米焊丝,S=3毫米对于1.2毫米焊丝,S=2.31毫米，最小堆焊孔径22毫米，最大堆焊孔径350毫米，最大堆焊孔深300毫米和500毫米两种整个内孔堆焊过程可用方框图表示如下： 焊丝送给速度及焊接速度的调节由两台他励直流电动机SD1 和SD2分别拖动相应的减速器完成。可控硅无级调速能适应不同焊接规范的需要。 图7机头结构中, 当电动机SD2为最高转速3300转/分时, 经两级蜗轮减速, 焊枪的回转速度为： （转/分） Z3与第二级蜗轮同轴（慢速轴）, 同空心光杆上的
32、移动结合齿Z4啮合。光杆下接焊枪, 上接送丝机构托架轴, 这样焊枪回转使送丝盘同步, 克服了焊丝与导电嘴之间的扭矩。 空心丝杆T44x3在固定螺母中转动,顶着机头上下移动。空心丝杆空套在光杆上, 上端装Z8结合齿轮。当Z8和Z4结合时, 则成一体, 光杆同丝杆同转, 并按一定螺距升降。起弧时, Z4和Z8结合子先脱开,等光杆转1/2-3/4圈时再结合。收口时, Z4和Z8结合子再脱开, 让光杆转1-2转, 停焊, 从而完成整个焊接过程。 在第一级蜗轮轴上装有45螺旋伞齿轮Z10, 同快速轴上45螺旋伞齿轮Z11 啮合。当电动机SD2转速为3300转/分时, 快速轴转速为: （转/分） 结合齿轮
33、Z5空套在快速轴上, 同结合齿轮Z8始终啮合。扭矩由快速输上的单结合子传递。a点为杠杆连臂的支点, 若单结合子同Z5结合, 则把Z4拨离Z3, 光杆失去动力。这样, 第一级蜗轮就直接传动T44x3丝杆, 带动机头快速上下, 而空心光杆则可用手转动, 实行焊接过程的第一步机头快速上下, 手动焊枪找正。 焊枪上升的螺距, 借助Z6和Z7 啮合与否来调节, 以适应不同焊丝的要求。 车辆转向架的上、下心盘内外圆周面和端面磨耗, 以住是由手工堆焊修复, 效率低, 劳动强度大。为改变这种状况, 徐州机务段委托我厂为他们研制二氧化碳气体保护心舜自动堆焊机。 图9为二氧化碳气体保护心盘自动焊机的外形图。焊接电
34、源2与主轴变速箱3安装在一只柜内。主轴与底板夹角为2。主轴拖动电机采用可控硅调速, 调速平滑, 范围广。主轴变速范围为0.15-1.124转/分。在主轴变速箱的带动下, 平拖板4在矩形滑道上可作水平移动。这可满足堆焊内外圆柱面的要求。平拖板最大行程150毫米。主轴变速箱还可以通过不同的齿轮啮合, 使升降拖板7在垂直滑道6上作垂直移动, 以满足堆焊圆平面的要求。最大垂宜位移为415毫米。本焊机堆焊零件最大外径为780毫米。主轴变速箱面板上的手柄可实现焊接内外圆周或圆平面的转换。对应不同线径的焊丝,平拖板在矩形滑道上的平移速度是不同的。平拖板和升降拖板可作快速移动, 也可作手动调整。送丝轴最高转速
35、为31.6转/分, 对应送丝速度为3968毫米/分。电气部分与二氧化碳气体保护多能焊机大致相同。减速器优化设计的数学模型传统的减速器设计一般通过反复的试凑、校核确定设计方案，虽然也能获得满足给定条件的设计效果，但一般不是最佳的。为了使减速器发挥最佳性能，必须对减速器进行优化设计，减速器的优化设计可以在不同的优化目标下进行。除了一些极为特殊的场合外，通常可以分为从结构形式上追求最小的体积(重量)、从使用性能方面追求最大的承载能力、从经济效益角度考虑追求最低费用等三大类目标。第一类目标与第二类目标体现着减速器设计中的一对矛盾，即体积(重量)与承载能力的矛盾。在一定体积下，减速器的承载能力是有限的；
36、在承载能力一定时，减速器体积(重量)的减小是有限的。由此看来，这两类目标所体现的本质是一样的。只是前一类把一定的承载能力作为设计条件，把体积(重量)作为优化目标；后一类反之，把一定的体积(重量)作为设计条件，把承载能力作为优化目标。第三类目标的实现，将涉及相当多的因素，除减速器设计方案的合理性外，还取决于企业的劳动组织、管理水平、设备构成、人员素质和材料价格等因素。但对于设计人员而言，该目标最终还是归结为第一类或第二类目标，即减小减速器的体积或增大其承载能力。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
37、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。 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： （1）设计变量取值的离散性约束 齿数
38、：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。 （4）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。 （5
39、）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(如图1)，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。蜗轮减速器的可靠性优化设计蜗轮减速器可以看成由直接影响其传动能力的零件,如壳体、蜗体、蜗杆、蜗轮、轴、轴承、键等组成的串联系统我们首先对蜗杆蜗轮进行可靠性优化设计,确定主要参数和基本尺寸,然后对减速器壳体优化设计。最后对各子系统进行可靠性校核。1 蜗轮减速器系统可靠度计算根据用户反馈及统计资料表明,蜗轮减速器的主要失效形式为
40、蜗轮表面的磨损、点蚀、偶尔也有输出轴断裂和轴被键压溃的现象。在分析蜗轮减速器时,可以将减速器看成由直接影响其传动能力的零件,如壳体、蜗杆、蜗轮、轴、轴承、键等组成的串联系统。若其中一个零件失效,将导致减速器系统功能失效。减速器系统可靠度计算模型为:Rs=R1R2R3R4R5=5i式中,R1 为壳体的可靠度; R2 为蜗杆的可靠度;R3 为蜗轮的可靠度;R4 为轴的可靠度;R5 为键的可靠度。限于篇幅下面仅讨论蜗轮的可靠性优化设计。我们知道蜗杆传动的失效形式和齿轮传动相同,主要是轮齿折断,齿面疲劳点蚀,齿面胶合和齿面磨损。对闭式蜗轮减速器通常按齿面接触疲劳强度进行计算,再按齿根弯曲疲劳强度进行校
41、核、有资料表明,对合金结构材料的强度倾向于对数正态分布。减速器载荷也倾向于对数正态分布。2. 数学模型对数正态分布可用自然对数也可用常用对数。用自然对数时,应力:lnx1N(1 ,21)式中:1 应力的对数均值1 = 1nx1 = 1N.X1 -21/ 2，1 应力的对数标准差，1 = S1nx1 = 1n (S2x1.X12 + 1)12强度:1nxsN(s ,2s)式中:s 强度的对数均值，s = 1nxs = 1n.x s -s2/ 2，s 强度的对数标准差s = S1nxs = 1n (S2Xs.X2+ 1) 12可靠度可以定义为强度与应力之比大于1 的概率,即:R = P(x1/ x
42、s 1)令:n = x1/ xs两边取对数;1nn = 1nx1 - 1nxs由于x1 、xs 都服从对数正态分布,故inx1 ,inxs都服从正态分布,其差Inn 也服从正态分布,即InnN(n ,n2) 。n n 的对数均值,n =s - 1 = inxs - inx1n n 的对数标准差,n = (s2 +12)12= (S21nxs + S21nx1 )12，故可靠度为:R = P(x1 xs)= P(n 1)= P(inn )= 1n 2.e( Inn - n) 22n2d( Inn)进行标准化处理可得:R = 1 - (ZR) =( - ZR)式中:ZR = -s 1s +1本式联
43、系应力分布、强度分布、和代表可靠度的ZR 的关系,称为联系方程。近似取s = 1nxs ,1 = 1nx1 ,1 = Sx1 / x1 = Cx1s = Sxs/ Xs = Cxs是平均安全系数,Cxs和Cx1 分别是强度、应力的变异系数。在可靠性计算时经常遇到应力和强度为另一些随机变量的函数,这时我们可以通过随机变量的均值和标准差,用变异系数法求出涵数的均值和标准差。蜗轮齿面的接触应力为:HI = ZE9KA KV KT2m2d1Z22 12用变异系数法可求得接触应力的均值、变异系数的标准差分别为:.LX = CLX = C2ZE + 1/ 4 (C2KA + C2KV + C2K + C2
44、T2 +CKVCK+ CKVCT2 + CT2CK) SLX =.LXCLX接触强度:Hs =HLimZNZLZRZV同样,用变异系数法可求得接触强度的均值、变异系数和标准差分别为SHS =.HSCHLim蜗轮齿根的弯曲应力:FI =1. 53KT2cosYFm3qZ2蜗轮齿根的弯曲应力的均值、变异系数和标准差分别为:.FI =. 53K.T2cosYFm3qZ2CFI = ( C2K + C2T2 + C2cos + CKCT2 + CKCcos +CT2Ccos12SFI =.FICFI蜗轮齿根的弯曲强度:FS =FIimYN蜗轮齿根的弯曲强度和均值、变异系数和标准差分别为:.FS =.F
45、Iim.YNCFS = (C2Flim + C2YN)12SFS =.FSCFS。3. 可靠性优化设计(图1)在设计蜗轮减速器时,应在满足其性能和结构强度的前提下,尽量使减速器结构紧凑。故在满足可靠度要求下,从蜗杆蜗轮的中心距最小为目标函数。设计条件:蜗轮减速器的输入功率8. 7HP ,输入轴转速n1 = 1000rpm ,蜗杆头数Z1 = 2 ,变速比i= 20 ,蜗轮传动的可靠度为R = 0. 997 。根据文献1 2 3 提供的资料计算出变异系数。计算结果如下: m = 4. 5 , d1 = 50mm , d2 =180mm。蜗轮减速器壳体的有限元分析及优化 虽然在工作中蜗轮减速器的壳
46、体破坏的可能性比较小,但它的刚性对减速器运转的平稳性起着决定作用,而且影响着蜗轮蜗杆及轴承的工作状况。我们采用美国SWANSON 公司开发的有限元结构分析软件ANSYS 在APOLLO 公司的DN580 型CAD 工作站上,对其进行强度刚度计算,找出最大应力和变形发生点。通过调整加强筋的数量和位置,使减速器壳体变形最小4 。壳体的有限元模型如图2 。模型共用了480 个单元572 个节点分别对壳体厚度为10mm、12mm、15mm 进行了计算,计算出最大应力、最大变形发生点和发生值。通过合理布置筋板, 使10mm 厚的壳体达到了过去12mm 厚壳体的刚度,大大节省了材料,减轻了减速器的重量 。结论本文所设计的轮心堆焊机减速器，工作重点在于传动机构和轴的设计。工作的首要目的是满足基本的使用性能，其次是在此基础上尽量减少减速器的体积和重量使其结构紧凑、加工制造方便。动力头减速器构造有很多种类，本文首要满足的性能指标是速比和强度，之后再从装配方便、缩小
