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基于链条传动的链轮减速器设计 |
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作者： |
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引言
密封家用电炉生产线上的一台搅拌泥料的搅拌机，投产三个月后，机上使用的WPO-15型蜗轮减速器完全损坏，不能工作。电机功率7.5kw，转速 1440r/MIN，电机与蜗轮减速器间，用传动比为 1:2的皮带传动。该减速器传动比为1:40的WPO-15型蜗轮减速器，在输入转速为1500r/min时，许用功率为5.5kw，在连续工作时，负荷不能超过65%。在生产任务比较重时，该搅拌机经常10多天24小时不间断工作，在此种情况下工作，明显可看出蜗轮减速器的许用功率远小于电机的功率，属过载损坏。
该搅拌机是针对生产要求设计的非标设备。搅拌机的搅拌部分，全部使用不锈钢制造，机械传动部分安装在搅拌器的下部。空间较小，不宜选用齿轮减速器或摆线针轮减速器。如选用功率与电机匹配 WPO-20型蜗轮减速器[，一是体积过大，二是价格过高。鉴于此情况，专门为该陶瓷搅拌机设计了链轮减速器。该链轮减速器的制造成本是WPO-15型蜗轮减速器的50%，经过1年多的使用，目前仍运转正常。
1 链轮减速器的结构设计
链轮减速器采用二级传动的结构，其结构示意图见图1所示。一级传动由61A、8齿的一级链轮1和49节的一级滚子链盘2组成，其传动比为8:49;二级传动由24A、6齿的二级链轮 3和 39节的二级滚子链盘 4组成，其传动比为6:39，总传动比约为1:40。
2 链轮减速器的工作原理及结构特点
2.1 工作原理
链轮减速器的工作原理如图1所示。其传动过程为:一级链轮 1的轴为输入轴，通过一级链轮与一级滚子链盘2的啮合，实现一级减速。二级链轮与二级滚子链盘4的啮合，实现二级减速。
1 一级链轮；2 一级滚子链盘；3 二级链轮；4 二级滚子链盘
图1 链轮减速器的结构示意图
2.2 创新之处
一般的链条传动是由分别安装在彼此平行的主、从动轴上的两个链轮，和跨绕两链轮的闭合链条组成的。而在链轮减速器设计中，采用了链轮与链盘啮合传动，将链条变成了链盘，取代了链条和从动链轮，设计了新型的链轮减速器。
链轮减速器和齿轮减速器都是通过啮合来传递动力和运动，其传动比的计算相同。但链轮减速器的啮合是链轮的轮齿与链盘的滚子的啮合，属非共轭啮合;而齿轮减速器的啮合是轮齿间的啮合，属共轭啮合。
2.3 结构特点
链轮减速器将链条的传动变成了链轮与链盘间的啮合传动，但其并不具有齿轮的传动特性，链轮减速器和齿轮减速器有着本质上的不同:
(1)由于链轮减速器的啮合是非共轭啮合，因此，链轮减速器的加工、安装精度要求较低，对工作条件要求不高。
(2)链轮减速器的瞬时传动比不精确但平均传动比准确，而齿轮减速器的传动比为固定值。因此，链轮减速器的传动不平稳，产生动载荷，噪声较大，传动速度不高。
(3)链轮减速器只能在平行轴之间传递运动和动力。
(4)链轮减速器的链轮最小齿数为6齿，而齿轮减速器的链轮最小齿数为17齿。因此，在传递同等的功率下，链轮减速器比齿轮减速器的结构更紧凑。链轮减速器的结构特点决定了链轮减速器不能象齿轮减速器那样广泛使用，只适用于安装空间受限，工作条件较差或较恶劣、瞬时传动比不精确但平均传动比准确、平稳性和噪声要求不高、低速、载荷变化不剧烈、两轴平行转动，例如搅拌、物料输送等场合。链轮减速器的啮合是链轮的轮齿与链盘滚子的啮合，与链传动中链轮轮齿与链节滚子的啮合的工作原理相同，因此，链轮减速器具有链传动的大部分优点:
(1)速度无滑动损失，传动效率可达98%一卯%。
(2)允许较大传动比。
(3) 能在低速下传递较大的动力。
(4) 能在较高温度或其他恶劣的条件下工作(受气候条件变化影响小)。
(5)结构紧凑，传递同样的功率，轮廓尺寸较小。
链轮减速器也具有链传动的部分缺点:
(1)传动比不是常数，圆周速度有波动，不平稳(链轮齿数越少，波动越大)，在高速下易产生较大的冲击载荷。
(2)传动有噪声。
(3) 只能用于平行轴之间的传动。
图2 链盘结构
如图2所示，链条变成了链盘后，没有了链板及套筒，只有两轮辐间销轴和滚子，没有了链板伸长后节距变大所引起的失效形式，在同等规格的链轮下，其轴销直径可以比链条的轴销做得更大，链轮齿宽不受链条宽度的限制，因此，链轮减速器具有链条传动所不具有的优点:
(1)结构更紧凑，在相同的链轮规格下传递更大的功率。
(2)维修成本低，链轮减速器磨损失效后只需要更换小链轮、销轴和滚子。
(3)链轮减速器既可以做成开式传动，也可以很方便设计成封闭装置。
3 链轮减速器设计时需考虑的一些因素
3.1 小链轮的齿数和节距
小链轮的齿数对链轮减速器的工作寿命有很大的影响。齿数过少时，传动的不均匀性和动载荷增大，同时，链轮的直径小，链轮轴的直径也小，链轮轴的许用功率就小，链盘所传递的圆周力随着链轮的齿数减少而增大，加速了链轮链盘的磨损。
小链轮的齿数增大，链盘所传递的圆周力减小，多边效应减少，链轮啮人链盘节间的转角减小，磨损减小。但尺寸大，重量增大。
链轮减速器是为了更紧凑的传动空间而设计的，因此链轮的最小齿数可以取zmin=06链轮减速器的第一级由于小链轮的转速高，小链轮齿数可以为812齿，链轮减速器的第二级由于小链轮的转速相对较低，小链轮齿数一般可取68齿。如果链轮减速器的安装空间允许，可以选取更大一些的小链轮齿数，以提高链轮减速器的使用寿命。 
链轮减速器适合于单件产生，为了便于加工，链轮一般采用偶数齿，链盘采用奇数齿，以使链轮链盘磨损均匀。
节距ρ的大小决定着链盘链轮尺寸大小，节距越大，链轮减速器各部分尺寸越大，承载能力也随之提高，但传动的不均匀性、动载荷也越严重。
要选取合适的节距，首先要进行链轮减速器设计功率的计算，在计算出设计功率后，按图3选取相应的链轮节距，如果所选取链轮节距的额定功率与设计功率有较大偏差，可以改变链轮的齿数重新计算设计功率，再选取相应的链轮节距，在满足传递功率的情况下，尽可能取得较小的链轮节距，以求得最紧凑的链轮减速器结构。
小链轮齿数系数Kz=(z1/19)1.08 因此，小链轮齿数越少链轮减速器的设计功率就越大，所需的节距就越大。
小链轮要选取不同的齿数反复计算，以求得较少的小链轮齿数和较小的链轮节距。
3.2 链轮的转速
由于链轮减速器具有链传动的运动特性，因此，链轮的极限转速受到动载荷的限制。图3为滚子链的额定功率曲线图，图中为01种型号单列套筒滚子链的额定功率曲线，从图中可以看出，套筒滚子链的额定功随着小链轮的转速增加而增加，当链轮的转速达到某个数值后，套筒滚子链的额定功率随着小链轮的转速增加而迅速下降。因此，链轮减速器链轮的转速不宜超过套筒滚子链额定功率曲线中高峰值所对应的转速。
3.3 链轮的齿宽
由于不受链条的限制，理论上，链轮可以做成任意宽度，随着链轮齿宽的增加，链轮链盘的磨损减小，寿命增加，传递功率增大。但销轴也随着链轮齿宽的增加而增长，过长的销轴会使其刚度下降，易使链盘的销轴、滚子发生疲劳破坏。
由于链轮减速器的链轮齿数少，直径小，往往需要和链轮轴加工成一体，如图4所示。为了延长轴的使用寿命，一般推荐链轮减速器链轮的齿宽为标准链轮齿宽的2倍。
3.4 链轮的齿形
链轮减速器链轮与链盘的啮合和链传动中链轮与滚子链条的啮合一样，属非共轭啮合。其轮齿形的设计可以有较大的灵活性，BG/T1243-1997中没有规定具体的链轮齿形，仅规定了最大和最小的齿槽形状及其极限参数。在链轮减速器中，链轮是易损件，往往又和轴做成一体，因此，推荐使用GB/T1243-58规定的三圆弧一直线齿形，它具有接触应力小，磨损轻，冲击小，齿顶较高等优点。
4 链轮减速器的设计计算
4.1 链轮减速器的失效形式
(1)链盘上的销轴、滚子在润滑良好情况下，疲劳破坏是其主要的失效形式;润滑不当或转速过高时，发生胶合破坏。
(2)链轮的齿面过渡磨损
(3)低速重载或受冲击载荷时，链盘的销轴、滚子破损。
4.2 链轮减速器的额定功率
链轮减速器的失效形式与链传动的失效形式相比，少了链条因磨损而引起的节距变长的失效形式外，其他失效形式相同，因此，可以采用如图3的滚子链的额定功率曲线图来确定链轮减速器的额定功率。根据小链轮的转速，按图3选取相应的链轮节距，使链轮减速器的各级额定功率大于或等于设计功率。
Pd = KaP / KzKm (1)
式中，Pd为设计功率，kW；P为传递功率，kW；Kz为工况系数；Kz为小链轮齿数 Kz=（z1/19）1.08；Km为链轮齿宽系数，链轮齿宽为标准链轮齿宽时：Km=1；链轮齿宽为标准链轮齿宽的2倍时：Km=1.7；链轮齿宽为标准链轮齿宽的3倍时：Km=2.5；链轮齿宽为其它倍数时，可采用插入法求出Km。
4.3 链盘轴销剪切强度的校核
链盘圆周速度
5 链轮减速器的另一结构形式
在一些低速的传动机构中，可以采用如图5所示的结构，将主动轮设计成链盘，将从动轮设计成链轮的结构形式。这种结构最大优点是维修成本较低。主动链盘的销轴和滚子是易损件，一旦损坏，可以借助简单工具，迅速更换。
但由于这种结构的链轮减速器只有一个滚子与链轮的链齿啮合，一旦轴销断裂，会使从动链轮失去动力，在设计时必须予以考虑。
6 链轮减速器的推广价值
(1)在一些安装空间受到限制、低速重载、工作环境较差的场合，适用链轮减速器。
(2)链轮减速器的设计简单、加工方便、维修容易、成本较低，适用单件生产。
(3)可形成新的链轮减速器系列。(end)
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(8/31/2008) |
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