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综合分析了大型雷达天线设备中，动态要求较高的经纬式天线座常用的圆柱齿轮减速箱的设计，以及易发生的一些问题和原因。
1引言
在雷达天线结构系统中，传动链是天线座极其重要的组成部分，直接影响整个天线系统的动态性能。减速箱作为传动链的关键组成单元，其重要性可想而知。齿轮传动作为一种传动形式，被广泛应用，较其他传动形式其具有如下特点：
（1）瞬时传动比恒定，传动精度高；
（2）速度和传递功率的范围大，可用于高速、中速、低速传动；
（3）传动效率高，一对高精度的渐开线圆柱齿轮，效率可达99%以上；
（4）结构紧凑，适用于近距离传动；
（5）制造成本较高。
2设计准备阶段
（1）了解所设计的传动装置在整机中的作用，确切理解伺服系统对装置所提的设计要求和技术指标，明白设计上的侧重点和难点；
（2）搜集、参考和分析有关资料以及同类型产品的设计图纸、技术总结，必要的话，还需至有关单位调查研究。
3方案拟订阶段
3.1根据工作情况，进行载荷估算
天线结构系统的主要载荷为：风载荷、惯性载荷、摩擦力矩。
3.2与伺服系统的电气设计人员共同协商，选择执行元件，并在此基础上，选择总传动比
最佳总传动比的确定一般遵循如下原则：折算负载峰值力矩最小原则；折算负载均方根力矩最小原则；转矩储备最大原则；惯量匹配原则。
3.3确定传动链的级数和各级传动比
传动链的级数和各级传动比的确定一般遵循如下原则：折算转动惯量小原则；折算转角误差小原则；重量轻原则。
在满足强度、刚度的前提下，根据结构空间的允许和实际加工的可能性，尽可能取大的末级传动比，以减小负载轴上的折算惯量、折算转角误差。
减速箱内传动链级数选择按折算转动惯量小原则确定。如果级数大于四级，从高速级到中间级按折算转动惯量小原则、折算转角误差小原则，传动比逐级递增；从中间级开始按重量轻原则，传动比逐级递减。
在随后按每级传动比确定相啮合齿轮齿数时，尽量使大、小齿轮齿数互质，从而各级传动比将带无限不循环小数，这样对均衡磨损有好处。
3.4对关键零部件进行初步的强度、刚度估算，并合理配置传动链
对于传动链的高速级须进行齿面接触强度校核、齿根弯曲强度校核。传动链的末级一般转速较低、载荷较大。因此，传动链末级必须经过齿根弯曲强度校核。而对中间级视具体情况而定。
在减速箱中各零、部件布局时，尽量使组合后刚度高。如：同一根轴上的轴齿轮和片齿轮之间距离尽量小、轴头两端轴承之间跨距尽量小、轴的设计符合刚度原则等等。对于减速箱中载荷较大的轴齿轮、片齿轮的刚度要进行计算，以确保设计满足使用要求。
3.5对传动链进行精度估算
各级齿轮参数基本确定后，初定齿轮精度等级，然后估算传动链传动误差是否满足技术要求。对于有回差要求的传动链，须估算回差。
3.6估算传动装置的刚度和谐振频率
传动链刚度直接影响天线结构系统的谐振频率，因此，足够的刚度是非常必要的。在方案阶段须进行刚度估算或与以往同类产品进行类比。谐振频率决定伺服带宽，方案阶段须进行谐振频率估算或与以往同类产品进行类比，确保方案满足技术要求。
3.7确定润滑方式
3.7.1轴承的润滑一般采用润滑脂润滑
3.7.2齿轮的润滑
1）箱体内齿轮的润滑要根据高速齿轮分度圆最高线速度确定润滑方式；
2）传动链末级齿轮的润滑一般采用润滑脂润滑。
3.8进行必要的工艺性和经济性分析
在方案初步确定后，要分析其加工、装配等的工艺性和经济性，对一个优秀的方案是非常必要的。
4结构设计阶段
本阶段要根据方案拟定阶段拟定的方案对每个零件进行结构细化设计。同时，进行必要刚度、强度复核。
4.1 箱体设计
减速箱箱体是最终承载体且形状不规则。因此，箱体多为铸造，也有部分采用钢板焊接。铸件设计应遵循如下原则：
·必须针对不同的铸造材料的性能、铸造方法等考虑合理的结构；
·铸件的壁厚不同，其对应的金属的机械性能也不尽相同，查阅手册时必须注意不同壁厚对应的机械性能。一般在壁厚增加时，铸件的单位抗弯强度和硬度下降，壁厚太薄又会发生白口；
·铸件的最小壁厚必须结合零件的复杂程度、尺寸大小、材料以及制造工艺来确定；
·在模型设计时宁简勿繁。
根据结构允许的空间尺寸，合理设计减速箱箱体、箱盖，匹配布置加强筋，尽量提高箱体刚度。同时，观察窗位置布置须合理，在结构系统总装后要便于观察。
4.2轴类零件设计
轴类零件是减速箱的重要组成部分，设计时要根据对轴的强度、刚度等要求，以及为实现这些要求而采取的热处理方式、制造工艺合理选材；同时，轴的结构应尽量减小应力集中，受力合理，有良好的工艺性，并使轴上零件定位可靠，装拆方便。
4.3齿轮设计
根据上一章确定的齿轮参数，遵循如下原则确定齿轮主要尺寸，且进行合理选材，复核齿轮强度、刚度。
·参照已有工作条件相似的齿轮传动，用类比法初步确定主要尺寸；
·根据齿轮传动在设备上的安装结构要求，确定主要尺寸；
·根据齿轮强度计算简化公式确定主要尺寸。
在齿轮主要尺寸确定后，选用合理热处理方式，提高零件强度、刚度；同时，零件结构要有良好工艺性。
4.4密封设计
减速箱作为传动链的主要组成部分，其密封性的好坏直接影响天线结构系统的可靠性。因此，减速箱的密封设计大家应给予足够的重视。根据方位减速箱、俯仰减速箱安装位置的不同，两者的密封侧重点不尽相同。
4.4.1方位减速箱的密封
方位减速箱一般安装在天线座内部，且传动轴是铅垂的。因此，其密封的对象主要为防止箱体内部油液的外泄。对于减速箱内齿轮润滑为脂润滑的密封较为简单，对于箱体内齿轮润滑为喷油润滑的密封较为复杂。采用喷油润滑方式的减速箱的泄漏由于两方面原因：密封不严、回油不畅。解决这类泄漏建议采用如下方法：
·箱体装配前，内腔均匀涂密封胶，然后再刷漆，以防止箱体内油液从铸件的砂眼、气孔等泄漏；
·箱体或箱盖上回油孔位置处于最低点，使其它地方不能存油；
·电机安装在输入轴正下方，因此，输入轴的密封显得尤为重要。在此处存在动密封和静密封的问题：输入轴与轴承盖之间为动密封，采用无骨架橡胶油封；轴承盖与箱盖之间为静密封，采用O形密封圈。杯形件与轴套组合可应用在动密封处，防止油液顺轴渗漏，确保轴套与轴之间、杯形件与箱盖之间完全密封，无任何泄漏。如图1所示； （图片） ·其余传动轴低端的密封采用如图2所示结构形式。在箱盖上设计一凸台，挡油环设有向下的翻边，以阻止油液进入轴承室，如图2所示；（图片） ·方位减速箱输出轴齿轮一般在减速箱上部，油液无法喷溅到轴承室，此处密封可采用迷宫密封。
4.4.2俯仰减速箱的密封
俯仰减速箱一般暴露在天线座外部，经受雨淋、风吹、日晒，工作条件较方位减速箱恶劣。其密封既要防止减速箱内部油液的外泄，又要防止外部雨水的进入。俯仰减速箱进水主要从减速箱输出轴进入箱体。从目前一些雷达天线出现的问题来看，俯仰减速箱的防水显得尤为突出和迫切。解决这类问题的方法，主要为导流和封堵：
·箱体装配前，内腔均匀涂密封胶，然后再刷漆，以防止箱体内油液从铸件的砂眼、气孔等泄漏；
·在伸出减速箱外的输出轴上部加装导流罩，在输出齿轮后部设置轴肩，使流经箱体的水流不能接触输出轴，如图3所示；（图片） ·在结构尺寸允许的情况下，加大输出轴齿轮输出端安装轴承处直径，使此处外径大于减速箱输出齿轮齿顶圆直径。这样，可采用轴承盖加无骨架油封形式来密封；
·当结构尺寸紧张，输出轴齿轮输出端安装轴承处直径小于减速箱输出齿轮齿顶圆直径时，剖分式轴承盖与输出轴之间的密封可采用以膨胀石墨、石棉盘根等作为填料的填料密封形式；
·俯仰减速箱输入轴电机连接端轴与轴承盖的密封采用无骨架油封密封；轴承盖与箱体之间的密封采用O形密封圈密封。
另外，随着外界温度的变化，箱体内的介质温度也随之变化，这样将导致箱体内压力的变化。因此，不论采取哪种密封形式，箱体上必须开设呼吸孔，以保证箱体内部与外界气压相等。
5结束语
圆柱齿轮减速箱作为雷达天线设备中传动部分较常用的一种齿轮传动型式，对圆柱齿轮减速箱的设计，以及易出现的一些问题进行了归纳和分析，对文章中不妥之处，望提宝贵意见。
参考文献
［1］ 龚振邦, 陈守春. 伺服机械传动装置［M］. 北京：国防工业出版社, 1979.
［2］ 濮良贵，纪名刚. 机械设计［M］. 北京：高等教育出版社, 1996.
［3］ 毛谦德，李振清. 袖珍机械设计师手册［M］. 北京：机械工业出版社, 1994.
［4］ 徐灏. 机械设计师手册［M］. 北京：机械工业出版社，1995.
3/18/2008
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