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目 錄
前 言
1傳動(dòng)方案的擬定和選擇
1．1 擬定方案 2
1．1．1具體方案的擬定和比較 2
1.2 方案的確定 6
2 電動(dòng)機(jī)的選擇
2. 1 主電動(dòng)機(jī)的選擇 7
2．1．1 電動(dòng)機(jī)類型和結(jié)構(gòu)形式選擇 7
2．1. 2選擇電動(dòng)機(jī)容量 7
2. 2 無級(jí)變速電動(dòng)機(jī)的選擇 8
2．2．1分析絞車的工作過程： 8
2．2．2 分析電動(dòng)機(jī)的具體工作情況 8
2．2．3 電動(dòng)機(jī)容量的計(jì)算 10
2．2．4 電動(dòng)機(jī)類型的選擇 11
3 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)
3.1 調(diào)速系統(tǒng)介紹 11
3.2 不同交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn) 12
3．3 變頻控制方式的選擇 14
3．4 確定變頻器 15
3．5 JPS變頻器的功能、原理、技術(shù)參數(shù)等 15
3.5.1概述 15
3.5.2型號(hào)意義 16
3.5.3 技術(shù)參數(shù)及性能 17
3.5.4 外形及安裝尺寸 18
3.5.5 使用維護(hù)注意事項(xiàng) 18
4 行星齒輪的計(jì)算
4.1 行星齒輪基本參數(shù)的計(jì)算 19
4.1.1 傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比及分配 19
4.1.2 行星齒輪傳動(dòng)的配比計(jì)算 20
4.1.3 輪齒數(shù)的選擇 22
4.2 行星齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)與計(jì)算 22
4.3 選擇材料、齒輪、傳動(dòng)比 23
4.4 無級(jí)變速電動(dòng)機(jī)輸入齒輪傳動(dòng)計(jì)算 33
5 傳動(dòng)系統(tǒng)的其他設(shè)計(jì)
5.1均載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 37
5.2 行星架的設(shè)計(jì) 37
5.3 箱體的基本參數(shù) 38
5.4 變速軸的設(shè)計(jì) 38
總 結(jié) 40
參考文獻(xiàn) 41
致 謝 42
南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文
前言
隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，許多設(shè)備都要求變工礦運(yùn)行，例如，交通工具、機(jī)械加工設(shè)備提升設(shè)備等等這些設(shè)備一般都具有調(diào)速功能，而且隨著對生產(chǎn)、勞動(dòng)條件等要求的提高和改善，要求它們具有無級(jí)調(diào)速功能。無機(jī)調(diào)速種類繁多，按調(diào)速性能分，調(diào)速設(shè)備可分為普通型和高性能調(diào)速型；按大類分可分為機(jī)械調(diào)速和電力調(diào)速（其中電力調(diào)速又分為直流調(diào)速和交流調(diào)速），但不同類型的設(shè)備都有自己適用的條件，所以選用設(shè)備時(shí)，需要根據(jù)生產(chǎn)要求、環(huán)境等條件來選擇最適用、最合理的無級(jí)變速設(shè)備。
本次設(shè)計(jì)的課題是無級(jí)變速提升絞車的設(shè)計(jì)，考慮到工作環(huán)境、工作要求、經(jīng)濟(jì)等因素，決定采用機(jī)械和電氣混合來完成無級(jí)調(diào)速。機(jī)械調(diào)速部分是采用行星齒輪變速器，因?yàn)樾行驱X輪傳動(dòng)是一種行型、高效的傳動(dòng)型式，它具有體積小、重量輕、傳動(dòng)比范圍大、承載能力高、壽命長、適用面廣等優(yōu)點(diǎn)，可滿足不同的工作條件，特別是隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種類型的行星齒輪傳動(dòng)裝置在國防、冶金、礦山、煤炭、工程、起重運(yùn)輸、化工、輕工、儀表等工業(yè)部門得到日益廣泛的應(yīng)用。因此，各種高效的小型行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)懲出不窮。本次采用的是差動(dòng)式NEW型行星齒輪。該輪系具有傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)簡單、壽命長、維修方便等。差動(dòng)調(diào)速是采用無級(jí)變速電動(dòng)機(jī)。因?yàn)榻涣麟妱?dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。且目前其調(diào)速裝置已處于成熟階段，以顯示出極強(qiáng)的生命力，所以其應(yīng)用范圍愈來愈廣，而且其性價(jià)比小。本課題采用了電氣和機(jī)械組合成無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，因此其結(jié)合了兩方面的優(yōu)點(diǎn)，使得該裝置無論在性能，還是在效率方面都由著其它調(diào)速系統(tǒng)不可比比擬的優(yōu)點(diǎn)。
本次設(shè)計(jì)由于時(shí)間緊張，加之本人水平和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)有限，設(shè)計(jì)中難免會(huì)有錯(cuò)誤，望各位老師批評指正！
無級(jí)變速提升絞車設(shè)計(jì)
1 傳動(dòng)方案的擬定和選擇
1．1 擬定方案
1．1．1具體方案的擬定和比較
隨著世界工業(yè)的迅速發(fā)展，無論是在機(jī)械生產(chǎn)方面，還是在車輛運(yùn)輸、拖動(dòng)方面，對調(diào)速方面的要求已越來越高，以前的恒速運(yùn)轉(zhuǎn)或有級(jí)調(diào)速在許多場合下已經(jīng)不再適應(yīng)了，因此，對調(diào)速系統(tǒng)的要求也就提高到無級(jí)變速方面了，而且，對無級(jí)變速系統(tǒng)的調(diào)速性能和調(diào)速穩(wěn)定性的要求也越來越高，以適應(yīng)不同要求的需要。
在無機(jī)變速傳動(dòng)系統(tǒng)中，就目前來講已經(jīng)是處于較成熟階段了，主要分為機(jī)械調(diào)速、電氣調(diào)速、電氣機(jī)械組合調(diào)速和液壓機(jī)械組合調(diào)速，各種調(diào)速系統(tǒng)各有千秋，每種系統(tǒng)都有各自適用的場合。
以下是本次設(shè)計(jì)所列出的幾種方案：
方案一：
Ⅰ-輸入軸；Ⅱ-調(diào)速軸；Ⅲ-輸出軸
b-內(nèi)齒圈；g-行星輪；a-太陽輪
圖1-1 變頻交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)式無級(jí)變速器
該方案是用2K-H行星齒輪的差動(dòng)式無級(jí)變速器，其無級(jí)變速原理圖如圖（1-1）所示，運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力由Ⅰ軸和Ⅱ軸輸入，軸Ⅰ轉(zhuǎn)速的輸入是固定不變的，即太陽輪的轉(zhuǎn)速是固定不變的。其調(diào)速是通過與軸Ⅱ聯(lián)接的無級(jí)變速電動(dòng)機(jī)來調(diào)速的，該電動(dòng)機(jī)是YLJ系列三相力矩異步電動(dòng)機(jī)，其無級(jí)變速是通過用JPS交流變頻調(diào)速裝置來控制實(shí)現(xiàn)的（JPS交流變頻系統(tǒng)的輸出頻率為2-50Hz），通過對電動(dòng)機(jī)輸入頻率的控制以達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)的輸出速度，因?yàn)镴PS的變頻式連續(xù)的，所以，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也就是連續(xù)了，電動(dòng)機(jī)通過與Ⅱ軸的聯(lián)接，從而來實(shí)現(xiàn)調(diào)速輪的無級(jí)變速，由于太陽輪的轉(zhuǎn)速式固定不變的，而內(nèi)齒圈是和調(diào)速輪相配合的，調(diào)速輪無級(jí)變速轉(zhuǎn)化為內(nèi)齒圈b的無級(jí)變速，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)齒圈和太陽輪轉(zhuǎn)速的連續(xù)差動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)輸出軸的無級(jí)變速。
這種無級(jí)變速器主要有以下優(yōu)點(diǎn)：1、調(diào)速方便，其調(diào)速是通過對JPS面板的按鈕來控制的，所以方便快捷；2、調(diào)速精確，JPS變頻調(diào)速裝置的頻率精度為1%；3、能根據(jù)系統(tǒng)控制量組成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)和計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)控制；4、過載保護(hù)；5、故障自診斷顯示。
但是該無級(jí)變頻系統(tǒng)存在以下幾方面的缺點(diǎn)：1、體積和重量較大，該系統(tǒng)為了能達(dá)到調(diào)速穩(wěn)定，提高調(diào)速性能，而采用了兩個(gè)電動(dòng)機(jī)，跟軸Ⅱ聯(lián)接的電動(dòng)機(jī)是恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，跟軸Ⅰ聯(lián)接的電動(dòng)機(jī)是變頻無級(jí)調(diào)速電動(dòng)機(jī)，這樣就使得系統(tǒng)的體積和重量變得較大；2、價(jià)格較高，由于使用了兩個(gè)電動(dòng)機(jī)，因此價(jià)格方面也就較高了。然而，隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，價(jià)格也隨之而降，所以該系統(tǒng)作為一種簡單的無級(jí)調(diào)速裝置的也就具有了實(shí)用性了。
方案二：
Ⅰ-輸入軸；Ⅱ-輸出軸
1a、1b-主動(dòng)錐形輪；2a、2b-從動(dòng)錐形輪；3-三角帶；4-螺桿；5-撥叉；6-彈簧
圖1-2 帶式無級(jí)變速器
該方案是撓性摩擦式無級(jí)變速器，又稱為帶式無級(jí)變速器，撓性件為寬型三角帶，其變速原理如圖（1-2）所示。運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力由Ⅰ軸輸入，通過兩對能互相開合的左、右錐形帶輪1a、1b及2a、2b和三角帶3驅(qū)動(dòng)Ⅱ軸轉(zhuǎn)動(dòng)。主動(dòng)左帶輪1a用平鍵固定在Ⅰ軸上，主動(dòng)右?guī)л?b用花鍵固定在Ⅰ軸相聯(lián)接，而且在螺桿4和撥叉5的作用下可沿Ⅰ軸滑移。從動(dòng)左輪2a用花鍵固定在Ⅱ軸上，從動(dòng)右輪2b用導(dǎo)鍵與Ⅱ軸相聯(lián)接，而且在帶輪2a與2b之間裝有壓緊彈簧。當(dāng)用螺桿4和撥叉5操縱帶輪1b向帶輪1a合攏或分開時(shí)，迫使皮帶在兩輪的錐面間向外或向里移動(dòng)。由于皮帶的長度是一定的，當(dāng)皮帶在主動(dòng)、從動(dòng)輪的工作半徑，使從動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速.
這種無級(jí)變速器的變范圍為:
式中 ——帶輪的最大工作半徑，==；
——帶輪的最小工作半徑，==。
這種帶式無級(jí)變速器的緩沖吸振性能較好，傳遞功率可達(dá)到7KW，變速范圍≤8；缺點(diǎn)是皮帶和帶輪的工作表面磨損較嚴(yán)重，皮帶壽命較短，特別是帶輪與軸的花鍵或?qū)фI聯(lián)接處容易生銹，甚至引起振動(dòng)或聯(lián)接失效。
方案三：
Ⅰ-輸入軸；Ⅱ-中間軸；Ⅲ-輸出軸
1- 主動(dòng)摩擦輪；2-從動(dòng)摩擦輪；3、4、5-齒輪；6-彈簧；7-擺動(dòng)支架
圖1-3 多盤摩擦式無級(jí)變速器（a）
圖1-3 多盤式無級(jí)變速器（b）
多盤摩檫式無級(jí)變速器的變速原理如圖（1-3a）所示。運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力由Ⅰ軸輸入，經(jīng)中間軸Ⅱ從Ⅲ軸輸出。在主動(dòng)軸Ⅰ和中間軸Ⅱ上分別裝有多片摩擦盤1和2，兩軸上的摩擦盤相間安裝，并用彈簧6壓緊。中間軸Ⅱ支撐在擺動(dòng)支架7上，而支架7可通過操縱機(jī)構(gòu)擺動(dòng)一定角度，使中間軸上的從動(dòng)摩擦盤2靠近或遠(yuǎn)離主動(dòng)摩擦盤1，借以改變主動(dòng)摩擦盤在接觸處的摩擦半徑。由于從動(dòng)盤的摩擦半徑是不變的（見圖1-3b），而主動(dòng)盤的摩擦半徑在和之間變化，當(dāng)Ⅰ軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，Ⅱ軸便在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，并經(jīng)過定軸齒輪3、4、5驅(qū)動(dòng)輸出軸Ⅲ轉(zhuǎn)動(dòng)。這種無級(jí)變速器通常裝有三組從動(dòng)摩擦盤，分布在主動(dòng)摩擦盤周圍互成，并用同一個(gè)操縱機(jī)構(gòu)操縱。
這種無級(jí)變速器的變速范圍為：
該系統(tǒng)（多摩擦盤式無級(jí)變速器）主要有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：1、結(jié)構(gòu)
緊湊、使用方便；2、傳遞功率較大，可達(dá)100KW。該變速器的變速范圍，只作減速傳動(dòng)。
由于該變速器是靠盤片的磨擦來實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速的，因此存在的缺點(diǎn)是：1、效率低；2、發(fā)熱較嚴(yán)重；3、須較常更換摩擦盤片。因此，目前多盤摩擦式無級(jí)變速器雖然還有應(yīng)用在化工及輕工機(jī)械上，但是大部分已經(jīng)被新型的高效率的變速器替換了。
方案四
Ⅰ-輸入軸；Ⅱ-調(diào)速軸；Ⅲ-輸出軸
b-內(nèi)齒圈；g-行星輪；a-太陽輪
圖1-4 液壓式無級(jí)變速器
該方案為液壓機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。行星傳動(dòng)原理同方案一如圖（1-4）所示，不同之處是該方案把方案一的無級(jí)變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)去掉，換成了變量泵-定量馬達(dá)無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)。泵的輸入由齒輪副從軸Ⅱ分流出一部分功率作為液壓泵的輸入功率。在這個(gè)調(diào)速系統(tǒng)中，在將功率分為液壓和機(jī)械兩路時(shí)，液壓馬達(dá)在正向和反向的最大速度之間來會(huì)無級(jí)變速，其每一個(gè)行程可以與行星齒輪機(jī)械的一種工況相配合，最后兩路匯合成若干無級(jí)段落相銜接并逐段升高的無級(jí)變化輸出速度。此外，液壓元件可顯著減小，只負(fù)擔(dān)最大功率的幾分之一，其它部分都由機(jī)械線路傳遞，相當(dāng)于無級(jí)變速功率擴(kuò)大幾倍，從而傳動(dòng)總效率顯著提高。
但該方案存在以下幾方面的缺點(diǎn)：1、成本較高，液壓元件（如液壓泵、液壓馬達(dá)等）的制造精度要求高，因而導(dǎo)致該系統(tǒng)成本較高；2、環(huán)境污染，因液壓系統(tǒng)的密封性問題，總會(huì)產(chǎn)生漏油現(xiàn)象。還有更換下來的液壓油，都會(huì)對環(huán)境造成污染；3、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，安裝較麻煩；4、進(jìn)行維護(hù)、檢修復(fù)雜麻煩。
1.2 方案的確定
根據(jù)對各具體方案的介紹和比較可知：
方案一和方案四的機(jī)械部分相同，只是在調(diào)速部分不同而已，從性能、經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)、使用和維護(hù)的方便等方面優(yōu)缺點(diǎn)總體評價(jià)一下。方案一具有調(diào)速范圍寬、結(jié)構(gòu)簡單、使用和維護(hù)方便等的優(yōu)點(diǎn)；方案四具有調(diào)速范圍寬、效率高等優(yōu)點(diǎn)，但是該方案結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，維護(hù)麻煩和調(diào)速精確性不高等，所以方案一的可行性是較高的。
方案二和方案三結(jié)構(gòu)也差不多，方案二是帶式無級(jí)變速器，其緩沖吸振性能較好，傳遞功率可達(dá)到7KW，變速范圍≤8；缺點(diǎn)是皮帶和帶輪的工作表面磨損較嚴(yán)重，皮帶壽命較短，特別是帶輪與軸的花鍵或?qū)фI聯(lián)接處容易生銹，甚至引起振動(dòng)或聯(lián)接失效。方案三是多摩擦盤式無級(jí)變速器，其結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便，而且傳遞功率較大，可達(dá)100KW，變速范圍，只作減速傳動(dòng)，缺點(diǎn)是效率低、發(fā)熱較嚴(yán)重。從兩個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)衡量一下，選擇方案二還是較可行的。
最后，再把兩個(gè)較可行的方案再比較一下，從中選出一個(gè)最好的方案來。比較一下方案一和方案二，總體權(quán)衡一下，再結(jié)合一下本次的課題的要求和現(xiàn)在的發(fā)展方向來看，選擇方案一是最可行的。
所以本次設(shè)計(jì)就把方案一定為這次設(shè)計(jì)的基本設(shè)計(jì)思想，下面就是開始該方案的設(shè)計(jì)和論證了。
2 電動(dòng)機(jī)的選擇
2. 1 主電動(dòng)機(jī)的選擇
2．1．1 電動(dòng)機(jī)類型和結(jié)構(gòu)形式選擇
工業(yè)上一般用三相交流電源，由于本次設(shè)計(jì)中使用的電動(dòng)機(jī)無特殊要求，所以選擇三相交流異步電動(dòng)機(jī)。從電動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性比較來看，選用Y系列籠型三相異步電動(dòng)機(jī)（YZ）。
2．1. 2選擇電動(dòng)機(jī)容量
1〉 工作機(jī)所需功率 P=5（KW）
輸出轉(zhuǎn)距 T（N.m）
輸出轉(zhuǎn)距 =0~100（r/min）
（N.m）
2〉 電動(dòng)機(jī)的輸出功率
（1） 2K-H行星齒輪的傳動(dòng)功率約為：
=0.970--0.990
（2） 二級(jí)減速器的傳動(dòng)效率約為：
=0.9
所以：（KW）
再綜合一下其它一些因數(shù)的影響或損失，決定選（KW）
3〉 轉(zhuǎn)速
1500（r/min）
4〉 型號(hào)
根據(jù)課程設(shè)計(jì)（P196表20-1）進(jìn)行選擇可得:
電機(jī)型號(hào)：Y132M-4
功率：7.5 KW
轉(zhuǎn)速：1440 r/min
額定轉(zhuǎn)距：2.2 KN.m
同步轉(zhuǎn)速：1500 r/min
2. 2 無級(jí)變速電動(dòng)機(jī)的選擇
2．2．1分析絞車的工作過程：
1〉 啟動(dòng)階段：滾筒轉(zhuǎn)速由r/min，屬增速過程。
電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速由高到低，屬減速過程。
2〉 工作階段：滾筒轉(zhuǎn)速恒定為100r/min。
電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速也恒定，為0r/min。
3〉 停車階段：滾筒轉(zhuǎn)速由r/min，屬減速過程。
電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速由低到高，屬增速過程。
以上工作過程的速度變化曲線可用圖（2-1）表示：
2．2．2 分析電動(dòng)機(jī)的具體工作情況
由圖（2-1）的速度變化曲線可以得出，電動(dòng)機(jī)緊在啟動(dòng)和停車階段運(yùn)轉(zhuǎn)，其在兩過程中的速度變化是一致的，但方向相反。而在主電動(dòng)機(jī)恒速運(yùn)動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)是不工作的。
變速系統(tǒng)各齒輪在某一時(shí)刻的速度方向如圖（2-2）所示，根據(jù)參考文獻(xiàn)3，P17 第一節(jié)中的式（2-1）、（2-2）、（2-3）計(jì)算行星齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比有如下關(guān)系：
1〉 計(jì)算行星齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比
圖2-1 無級(jí)變速電動(dòng)機(jī)輸出速度變化曲線
圖2-2 輪系速度方向
- - - - - - - - - - - - - -（2-1）
再由文獻(xiàn)3，第一節(jié)的公式（2-2）可得：
由以上三個(gè)公式可推出：
- - - - - - - - - - - （2-2）
式中：--太陽輪a的齒數(shù)；
--內(nèi)齒圈b的齒數(shù)。
在圖（2-2）所示的電動(dòng)機(jī)無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)簡圖中，a-b-H-調(diào)速輪組成2K-H差動(dòng)輪系。由式（2-2）可以得出當(dāng)與反向時(shí)[如圖(2-2)所示]，下降，從而達(dá)到調(diào)速目的。
當(dāng)要求輸出為零，即起動(dòng)前和停車后滾筒不轉(zhuǎn)的狀態(tài)時(shí)，有：
=0
由式（2-2）得：
- - - - - - - - - -- （2-3）
=-360(r/min)
式中負(fù)號(hào)表示與速度方向相反。
的工況速度變化范圍為0-360 r/min，變化時(shí)序圖見圖（2-3），假設(shè)圖（2-3）中輪3余內(nèi)齒圈b的傳動(dòng)比為，則可的馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速范圍為：
（0-360）
其中為的值在后面計(jì)算時(shí)確定。
2．2．3 電動(dòng)機(jī)容量的計(jì)算
設(shè)絞車在工作時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)提升速度為，在過渡階段需要調(diào)速至最小速度為。主電動(dòng)機(jī)到滾筒的總傳動(dòng)比為，二級(jí)減速器的傳動(dòng)比為，對于周轉(zhuǎn)輪系可列一下傳動(dòng)比公式：
或 - - - - - （2-4）
在轉(zhuǎn)化輪系中，齒輪a的功率，為輪a受到的轉(zhuǎn)矩，齒輪b的功率，為輪b受到的轉(zhuǎn)矩，行星架H功率為零，若不計(jì)摩擦，且構(gòu)件的勻速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，有，從而有：
- - - - - - - - - - - - - - (2-5)
因電機(jī)的功率，將式（2-4）、（2-5）代入此式，得：
- - - - - - - - - - - （2-6）
當(dāng)輸出軸的轉(zhuǎn)速為零時(shí)，即=0時(shí)，電動(dòng)機(jī)需要的功率最大，這時(shí)式（2-6）轉(zhuǎn)化為：
=5kw
2．2．4 電動(dòng)機(jī)類型的選擇
本次設(shè)計(jì)的無級(jí)變速部分是由兩部分組成：一、瑞安電氣控制設(shè)備廠生產(chǎn)的JPS交流調(diào)速裝置；二、三相異步電動(dòng)機(jī)。
由于JPS交流調(diào)速裝置對電動(dòng)機(jī)無特殊要求（JPS交流調(diào)速裝置主要用于工頻電壓為380V、功率2.2KW至75KW的三相異步電動(dòng)機(jī)），但是由圖（2-1）可知電動(dòng)機(jī)需要有一段時(shí)間工作在靜止?fàn)顟B(tài)，因此選擇YLJ交流力矩電動(dòng)機(jī)。
根據(jù)容量和類型確定電動(dòng)機(jī)為：型號(hào)：YLJ132-16/6
堵轉(zhuǎn)力矩：16(N.m)
極數(shù):6
堵轉(zhuǎn)時(shí)間:30(min)
最大電流:6(A)
3 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)
3.1 調(diào)速系統(tǒng)介紹
直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)是在19世紀(jì)中期先后誕生的。交流電動(dòng)機(jī)比起直流電動(dòng)機(jī)來，省去了換向器，使結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)實(shí)、緊湊，維修工作量小，運(yùn)行效率高，轉(zhuǎn)動(dòng)慣性小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，可以做到高電壓、大容量、高速化。以往由于缺少響應(yīng)的控制手段，控制調(diào)速比較困難。但隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，新的控制系統(tǒng)不斷推出，從而使交流調(diào)速得到迅速發(fā)展。
在交流異步電動(dòng)機(jī)中，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率可以分為兩部分：一部分是拖動(dòng)負(fù)載的有效功率；另一部分是轉(zhuǎn)差功率，與轉(zhuǎn)差率s成正比，它的去向是調(diào)速系統(tǒng)效率高低的標(biāo)志。就轉(zhuǎn)差功率的去向而言，異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)可以分成三大類。
1、 轉(zhuǎn)差功率消耗型
這種調(diào)速系統(tǒng)全部轉(zhuǎn)差功率都被消耗掉，用增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來換取轉(zhuǎn)速的降低，因而效率也隨之降低。降低電壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器及繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速這三種方法都屬于這一類。
2．轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速系統(tǒng)
這種調(diào)速系統(tǒng)的大部分轉(zhuǎn)差功率通過交流裝置回饋給電網(wǎng)或者加以利用，轉(zhuǎn)速越低回饋的功率越多，但是，增設(shè)的裝置也要多消耗一部分功率。繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串級(jí)調(diào)速即屬于這一類。
3．轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)
這種調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差功率仍舊消耗在轉(zhuǎn)子里，但無論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率基本不變。如變極對數(shù)調(diào)速、變頻調(diào)速兩種調(diào)速方法即屬于這一類。
3.2 不同交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)
圖3-1 異步電動(dòng)機(jī)在改變定子電壓時(shí)的機(jī)械特性
U1 〉U2 〉U3
1.調(diào)壓調(diào)速
當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)定子與轉(zhuǎn)子回路的參數(shù)為恒定時(shí)，在一定的轉(zhuǎn)差率下，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與加在其定子繞組上電壓U的平方成正比，因此，改變電動(dòng)機(jī)的定子繞組就可以改變其機(jī)械特性的函數(shù)關(guān)系，從而改變電動(dòng)機(jī)在一定輸出轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速。圖（3-1）表示異步電動(dòng)機(jī)在調(diào)速調(diào)壓時(shí)的機(jī)械特性。
2．電磁轉(zhuǎn)差離合調(diào)速系統(tǒng)
電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速系統(tǒng)，是由鼠籠異步電動(dòng)機(jī)、電磁轉(zhuǎn)差離合器以及控制裝置組合成。鼠籠電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)以恒速帶動(dòng)電磁離合器的
電樞轉(zhuǎn)動(dòng)，通過對電磁力合器勵(lì)磁電流的控制實(shí)現(xiàn)對其刺激的調(diào)速調(diào)節(jié)。
在不加反饋控制時(shí)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性就是電磁轉(zhuǎn)差離合器的機(jī)械特性。
由于電磁轉(zhuǎn)差離合器的工作原理與異步電動(dòng)機(jī)相似。而改變電磁轉(zhuǎn)差離合
器的勵(lì)磁電流相當(dāng)于異步電動(dòng)機(jī)在改變定子供電電壓時(shí)的工作，所以它們兩者的調(diào)速特性也相似，電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性如圖3-2所示。
圖3-2 電磁轉(zhuǎn)差離合器機(jī)械特性
3．繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串級(jí)調(diào)速
對于交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)可以在通過在轉(zhuǎn)子回路串電阻來進(jìn)行調(diào)
3-3 轉(zhuǎn)子串Rf調(diào)速系統(tǒng)（a>調(diào)速原理圖 b>機(jī)械特性）
速，它的原理圖和機(jī)械特性如圖（3-3）所示，由圖[3-3（b）]可見，假定不變，當(dāng)動(dòng)作在自然特性上時(shí)，則有轉(zhuǎn)速；當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻增大為，則轉(zhuǎn)速降到，依此類推。由圖（3-3）可見，這種調(diào)速方法比較簡單、方便，但存在以下幾個(gè)缺點(diǎn)：
（1） 調(diào)速是有機(jī)地，不平滑.
（2） 串入較大的電阻后，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性很軟，低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)負(fù)載稍有變化，轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大。
（3） 電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，效率甚低，電能損耗很大。
4． 變極對數(shù)調(diào)速
交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的一般表達(dá)式為：
（3-1）
式中：——極對數(shù)；
——頻率；
——轉(zhuǎn)差率。
圖3-4變極調(diào)速機(jī)械特性
由式（3-1）可見若改變交流電動(dòng)機(jī)的極對數(shù)，即可改變交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，這種控制方式比較簡單，只要求電動(dòng)機(jī)定有多個(gè)抽頭，然后通過觸點(diǎn)的通斷來改變電動(dòng)機(jī)的極對數(shù)。采用這種控制方式，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是有級(jí)的，不是連續(xù)的，一般只有三擋，最多也就只有五擋。圖（3-4）是變極對數(shù)調(diào)速的機(jī)械特性。
5．變頻調(diào)速
變頻調(diào)速是最有發(fā)展前途的一種交流調(diào)速方式。變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)是變頻器。目前常用的變頻器有交-直-交變頻器、交-交變頻器以及PWM型變頻器。其中脈寬調(diào)制（PWM）型、多重化電流型及交-交變頻器與上升的趨勢。變頻器所用的電力半導(dǎo)體器件正向著模塊化、快速化、光控化、高耐壓大電流化自關(guān)斷化和高可靠性化方向發(fā)展；變頻調(diào)速正向著高性能、高精度、大容量、微型化、數(shù)字化和理想化的方向發(fā)展。
目前，交流調(diào)速控制技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，新的控制方式不斷問世。以下是近來交流調(diào)速控制技術(shù)發(fā)展的幾個(gè)方面：1、相位控制；2、VVVF控制；3、轉(zhuǎn)差頻率控制；4、脈寬調(diào)制（PWM）控制；5、矢量變換控制；6、磁場控制；7、微計(jì)算機(jī)控制等等。
3．3 變頻控制方式的選擇
比較以上幾種變頻控制方式，以性價(jià)比高、使用方便的控制方式作為本次設(shè)計(jì)的方案。所以，本次設(shè)計(jì)采用的控制方式是脈寬調(diào)制（PWM）控制中的正弦脈沖寬度調(diào)劑(SPWM)方式。
3．4 確定變頻器
根據(jù)變頻控制方式是正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制，查閱相關(guān)資料（ 王忠茂編的《常用調(diào)速設(shè)備技術(shù)手冊》 機(jī)械工業(yè)出版社），變頻調(diào)速的變頻器有很多種類，如PI89系列、JPS系列、JBT系列、TP系列等等，S確定JPS變頻器，以下是本次設(shè)計(jì)中無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功能、原理、技術(shù)參數(shù)及性能、使用和維護(hù)要求以及一些相關(guān)的注意事項(xiàng)。
3．5 JPS變頻器的功能、原理、技術(shù)參數(shù)等
3.5.1概述
JPS交流變頻調(diào)速裝置采用正玄脈沖寬度調(diào)劑（SPWN）方式，有大功率晶體管（JPS）組成電壓型逆變器，具有調(diào)速范圍寬、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、保護(hù)功能完善、能夠自診斷故障、安裝和使用方便、體積小、重量輕等特點(diǎn)。
JPS在額定頻率以下輸出特性為恒轉(zhuǎn)矩特性，在額定頻率以上輸出特性為恒功率特性。
JPS 交流變頻調(diào)速裝置主要用于工頻電壓380V、功率2.2~75KW的三項(xiàng)異步電動(dòng)機(jī)無級(jí)調(diào)速拖動(dòng)，并能根據(jù)系統(tǒng)的控制（如風(fēng)量、流量、溫度等）組成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制或計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)控制。
下面簡述其工作原理：
1) 電路：如圖（3-5）所示，50/60HZ、380V三相交流電源經(jīng)R、S、T三端輸入 ，由整流器整流成直流電源，經(jīng)電容器濾波后給逆變器供電，在
圖3-5 JPS變頻器調(diào)速裝置主電路圖
控制回路下把直流電變換成三相可變電壓、可變頻率的交流電，由U、V、W三端輸出供給電動(dòng)機(jī)。
2)控制電路：控制電路的結(jié)構(gòu)有兩部分組成，一部分是產(chǎn)生PWN脈沖的專用IC機(jī)器外圍電路；另一部分為系統(tǒng)的故障診斷及保護(hù)電路，如圖(3-6)所示。
3)基級(jí)驅(qū)動(dòng)電路（見圖3）
PWM信號(hào)
GTR
電路
整形
電路
級(jí)晶體管V1
短路保
護(hù)電路
光耦
光耦
級(jí)晶體管V2
圖3-7 JPS變頻調(diào)速裝置基極驅(qū)動(dòng)電路原理框圖
3.5.2型號(hào)意義
圖3-8型號(hào)意義
3.5.3 技術(shù)參數(shù)及性能
經(jīng)計(jì)算得本次設(shè)計(jì)所需的JPS的型號(hào)為：JPS—8。下面使該型號(hào)的技術(shù)參數(shù)及性能：
表3-1 本次設(shè)計(jì)使用的JPS變頻調(diào)速裝置技術(shù)參數(shù)及性能：
型號(hào)
JPS—8
額定容量（KVA）
8
額定輸出電流（A）
12
適用電動(dòng)機(jī)最大功率（KW）
5.5
相數(shù)
三相
電壓
380±10% V
頻率
50±2 Hz
控制方式
PWM控制
輸出電壓
3×380V（最高），輸出電壓正比于輸入電壓
輸出頻率
2~50 Hz
輸出精度
±1%
電壓頻率比
一定
過載能力（電流）
110%連續(xù)，150%30s
頻率設(shè)定信號(hào)
DC：0~10V，DC：4~20Ma（可切換）、0~10Ma（外部接口由傳感信號(hào)輸入）
變換頻率
≥95%
功
能
加/減速時(shí)間
1~30s（精度±20%）（可任意設(shè)定）
制動(dòng)
電容充電制動(dòng)20%以上
啟動(dòng)停止
面板上按鈕直接操縱
正傳/反轉(zhuǎn)
可用外部接觸器切換或機(jī)內(nèi)切換
保護(hù)
失速保護(hù)、過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)、短路保護(hù)、瞬時(shí)停電保護(hù)、晶體管過熱保護(hù)
顯
示
輸出頻率顯示
由3位七段LED顯示
故障自診斷顯示
短路、過電流、過電壓、欠電壓、過熱保護(hù)時(shí)LED分別顯示
結(jié)構(gòu)形式
壁掛式
柜式
3.5.4 外形及安裝尺寸
(1) JPS-6型外形和安裝尺寸（見圖3-9表3-2）
型號(hào)
容量(KVA)
W
H
D
A
B
C
固定螺栓
重量(kg)
JPS-8
8
292
6.5
215
262
550
510
M6
18
表3-2 JPS變頻器調(diào)速裝置技術(shù)參數(shù)圖
3.5.5 使用維護(hù)注意事項(xiàng)
1) 裝之宜安裝在清潔、干燥、通風(fēng)良好、避免日光直射、無高溫和高濕、無灰塵及腐蝕性可燃性氣體的場合。
因變頻器本身在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定熱量，所以安裝時(shí)周圍要留有一定空間，以利散熱（四周均應(yīng)留200mm以上）。
環(huán)境溫度不得高于40℃，環(huán)境溫度過高，將影響變頻器的壽命，環(huán)境溫度監(jiān)測點(diǎn)為離機(jī)體50mm處
2) 應(yīng)安裝在無強(qiáng)烈振動(dòng)的場所。
3) 應(yīng)安裝在距離大功率電磁設(shè)備稍遠(yuǎn)的地方。
4) 變頻器按高度方向豎立，無外罩的安裝而靠墻（或?qū)Ｓ弥Ъ埽?，面板朝操作者，文字方向豎立，用螺釘固緊，使用帶有內(nèi)附操作面板的變頻器要安裝在便于操作的地方。
5) 配線時(shí)使用的電線，電器規(guī)格見表3-3
表3-3
注：1.絕對禁止將工頻電源接到輸出端子上。
2.接地端必須用4以上的電線接地。
型號(hào)
JPS
電動(dòng)機(jī)(KW)
3.7
漏電短路器
額定電流(A)
16
標(biāo)準(zhǔn)電線
規(guī)格()
2.5
4 行星齒輪的計(jì)算
4.1 行星齒輪基本參數(shù)的計(jì)算
4.1.1 傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比及分配
1. 計(jì)算總傳動(dòng)比
=14.4
2．分配各級(jí)傳動(dòng)比
1〉確定
2K-H行星齒輪機(jī)構(gòu)如圖所示：
允許值為2.8-13，
推薦值是：3-9。
效率≈0.97-0.99
根據(jù)推薦值，再結(jié)合經(jīng)驗(yàn)得：
取傳動(dòng)比=5
圖(3-11)2K-H行星齒輪機(jī)構(gòu)
本次設(shè)計(jì)的機(jī)械傳動(dòng)部分是由差動(dòng)式行星齒輪變速器和二級(jí)減速器組成，圖3-1是本次設(shè)計(jì)的傳動(dòng)路線方框圖，如下：
圖3-12 傳動(dòng)路線圖
由于總傳動(dòng)比=14.4，一級(jí)傳動(dòng)比、=5，所以二級(jí)傳動(dòng)比為：
=2.88
所以各級(jí)傳動(dòng)比為：一級(jí)傳動(dòng)比=5；二級(jí)傳動(dòng)比=2.88
4.1.2 行星齒輪傳動(dòng)的配比計(jì)算
1． 傳動(dòng)比條件
如圖(4-14)所示2K-H行星（型）傳動(dòng)，中心輪a輸入時(shí),給定傳動(dòng)比為
根據(jù)式（2-3）有：
即：
圖(3-14)2K-H行星齒輪機(jī)構(gòu)
2.同軸條件：
對于行星齒輪傳動(dòng)，由于兩中心輪軸線與主軸重合，為保證行星輪g同時(shí)與兩中心輪a、b實(shí)現(xiàn)正確嚙合，對于圓柱齒輪行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，要求外嚙合副的中心距與嚙合副得相等，即
3.變位的選擇
在標(biāo)準(zhǔn)傳動(dòng)中，外嚙合齒輪副的接觸強(qiáng)度遠(yuǎn)低于內(nèi)嚙合齒輪副的接觸強(qiáng)度，而采用角度變位傳動(dòng)可適當(dāng)調(diào)整內(nèi)、外嚙合的接觸強(qiáng)度。為此，外嚙合齒輪副通常采用大的嚙合角的正傳動(dòng)，；內(nèi)嚙合齒輪副一般采用小嚙合角的正傳動(dòng)或負(fù)傳動(dòng)，。這時(shí)，整個(gè)行星傳動(dòng)的接觸強(qiáng)度也可提高30%。因此，本次設(shè)計(jì)采用角度變位齒輪的行星傳動(dòng)。
4.變位后的同軸條件
5.裝配條件
在多行星輪的結(jié)構(gòu)時(shí)，為保證個(gè)行星輪均勻分布在中心輪的周圍，而且能準(zhǔn)確的裝入兩個(gè)中心輪的齒間實(shí)現(xiàn)正確嚙合。必須確定各行星輪與中心輪之間的裝配條件，為此以下是具有三個(gè)行星輪的裝配過程，本課題中行星輪的數(shù)目=3，相鄰兩行星輪的中心對中心輪所夾的中心角為=1200。設(shè)想先將中心輪b的位置固定，并在圖5-1所示A-A線位置上裝上第一個(gè)行星輪，當(dāng)行星輪的齒數(shù)為偶數(shù)時(shí)，若兩個(gè)中心輪a、b的輪齒齒軸同時(shí)位于A-A線上，第一個(gè)行星輪可正確的裝入嚙合位置，然后把行星架H由位置Ⅰ轉(zhuǎn)到Ⅱ,其轉(zhuǎn)角為：
===120
這時(shí)中心輪a轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度，如果齒輪a的某一輪齒齒軸正好找到A-A線上，仍與固定的中心輪b的輪齒相對應(yīng)，則第二個(gè)行星輪A-A線上同樣能正確的裝入嚙合位置，為此必須等于中心輪a轉(zhuǎn)過整數(shù)倍齒距所對應(yīng)的中心角。設(shè)中心輪a轉(zhuǎn)過的整齒數(shù)應(yīng)有：
=
式中：為太陽輪a轉(zhuǎn)過一個(gè)齒（齒距）所對的中心角。
4.1.3 輪齒數(shù)的選擇
行星輪的設(shè)計(jì)除了滿足上述四個(gè)條件，還須滿足其它一些附加條件。比如，高速重載的行星傳動(dòng)，應(yīng)有良好的工作平穩(wěn)性，為此，行星輪和內(nèi)齒圈各嚙合副的齒數(shù)最好沒有公因數(shù)。當(dāng)用插齒刀或剃齒刀加工太陽輪時(shí)，太陽輪的齒數(shù)和插齒刀或剃齒刀齒數(shù)不應(yīng)該成倍數(shù)。
此外齒數(shù)大于100的質(zhì)數(shù)齒輪（如101、103、107 ……），因加工時(shí)切齒機(jī)床調(diào)整較困難，應(yīng)盡量少用。
因此，在選擇齒數(shù)應(yīng)綜合考慮個(gè)因素的相互影響。齒數(shù)的選擇一般有以下幾種方法：
1）比例法； 2）查線圖法； 3）查表法。
本次設(shè)計(jì)用的是角度變位行星齒輪傳動(dòng)，因此采用的是查表法，表中的是考慮了強(qiáng)度、嚙合性能等條件的角度變位行星齒輪的齒數(shù)選擇和組合，適用于重載和外形尺寸受到限制的傳動(dòng)裝置。表中的所列的齒數(shù)均滿足同軸、裝配和鄰接條件，且按Δ==-2，-1，0，1，2進(jìn)行配齒的。
傳動(dòng)中a-g嚙合副的齒數(shù)是符合接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度以及膠合強(qiáng)度條件確定的，而對于b輪（內(nèi)齒圈）主要是改善它的耐磨性。
根據(jù)計(jì)算所得的數(shù)據(jù)，用查表法查得：=15 =22 =60
4.2 行星齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)與計(jì)算
基本行星齒輪傳動(dòng)的計(jì)算包括配齒計(jì)算、變位計(jì)算、齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算等。若負(fù)載變化較大或載荷不穩(wěn)定，則還要進(jìn)行短期峰值的靜強(qiáng)度核算。具體的計(jì)算項(xiàng)目視情況而定。下面是本次設(shè)計(jì)中行星齒輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算（表4-1）。
原始數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)要求：
1〉 輸出軸（滾筒）功率：5KW；
2〉 滾筒轉(zhuǎn)速：0-100r/min；
3〉 要求無極變速
4〉 工作情況：二班制，載荷有輕微沖擊；
5〉 使用年限：8年。
表4-1
項(xiàng)目名稱
計(jì)算公式及數(shù)值
說明
原 始 數(shù) 據(jù)
傳動(dòng)類型
單級(jí)2K-H差動(dòng)式行星齒輪傳動(dòng)
見圖
設(shè)計(jì)目標(biāo)
（假定內(nèi)齒圈b固定）型行星傳動(dòng)
基本參數(shù)
精度等級(jí)
7級(jí)
受載情況
正反向工作、有輕微沖擊
名義功率
KW
額定輸入轉(zhuǎn)速
r/min
最大輸出轉(zhuǎn)數(shù)
=100r/min
使用壽命
L=8×300×16=38400(h)
傳動(dòng)比
失效概率
1%
4.3 選擇材料、齒輪、傳動(dòng)比
序號(hào)
項(xiàng)目名稱
計(jì)算公式及數(shù)值
說明
1
材料選擇
太陽輪和行星輪選用45#鋼滲碳淬火、齒面硬度HB210~260，中心齒輪內(nèi)齒圈選用40Cr調(diào)質(zhì)，HB260~280。
見文獻(xiàn)3
p81
表（4-2）
2
選擇齒數(shù)
外嚙合副：
內(nèi)嚙合副：
見文獻(xiàn)1
p730
表（5-1-7）
3
齒數(shù)比
外嚙合副：
內(nèi)嚙合副：
計(jì) 算 接 觸 疲 勞 許 用 應(yīng) 力
4
接觸疲勞極限應(yīng)力
外嚙合副：按框圖中值級(jí)查取
MPa
內(nèi)嚙合副：按框圖MQ級(jí)查取
見文獻(xiàn)3
P143
圖（4-8、4-17）
5
安全系數(shù)
見文獻(xiàn)3
P98
表（4-10）
6
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
=60（1440-288）×3×38400
=7.96×
=60×785.45×38400
=1.8×
=60×288×3×38400
=2×
式中：
=
=785.45
見文獻(xiàn)3
P143
式（5-66）
見文獻(xiàn)3
P143
式5-66
7
壽命系數(shù)
對于表面硬化鋼和調(diào)質(zhì)鋼，取=
太陽輪：，取，
有
行星輪：，取，
有
內(nèi)齒輪：，取，
有
見文獻(xiàn)3
P99
表（4-11）
允許有少量的收斂特點(diǎn)。
8
表面硬化系數(shù)
小輪與大輪均為表面硬化鋼
見文獻(xiàn)3
P98
式（4-43）
9
尺寸系數(shù)
估計(jì)5mm，取
見文獻(xiàn)3
P98
圖（4-20）
10
接觸疲勞許用應(yīng)力
=×1×1×1=450（Mpa）
×1×1×1=450（Mpa）
×1×1×1=710（Mpa）
見文獻(xiàn)3
P96
式(4-40)
外嚙合副a~g按齒面接觸疲勞強(qiáng)度初算中心距
11
計(jì)算轉(zhuǎn)距
×1.1=18.236
式中，取
見文獻(xiàn)3
P139
值選取
12
齒寬系數(shù)
按表，取有
=0.567
見文獻(xiàn)3
P144
表（5-2）
13
工況系數(shù)
見文獻(xiàn)3
P76
表（4-1）
14
載荷系數(shù)
初取=1.2×
k=
(1.1~1.3)
15
初算中心距
=
=60.474(mm)
見文獻(xiàn)3
P88
式(4-23)
16
小輪節(jié)圓直徑
=49.027(mm)
見文獻(xiàn)3
P106
式(4-59)
17
小輪齒寬
0.7×49.027=34.319(mm)
18
小輪相對節(jié)圓速度
=2.956(m/s)
見文獻(xiàn)3
P143
式(5-68)
19
動(dòng)載系數(shù)
0.44
按值查?。?
見文獻(xiàn)3
P88
圖(4-9)
20
載荷分配系數(shù)
見文獻(xiàn)3
P99
表(4-8)
21
載荷分配系數(shù)
見文獻(xiàn)3
P89
圖(4-10)
22
載荷系數(shù)
K=1×1.10×1.1×1.37=1.66
見文獻(xiàn)3
P88
式(4-24)
23
復(fù)算中心距
=67.351（mm）
見文獻(xiàn)3
P106
式(4-60)
24
模數(shù)
=3.64
取m=4（mm）
見文獻(xiàn)
P107
式(4-65)
25
標(biāo)準(zhǔn)中心距
=74
見文獻(xiàn)3
P128
式(5-28)
計(jì) 算 和 選 擇 變 為 系 數(shù)
26
初選工作中心距
為獲得正傳動(dòng)，取(mm)
27
a-g工作嚙合角
所以：
見文獻(xiàn)3
P128
式(5-35)
28
a-g總變位系數(shù)
=
=0.548
見文獻(xiàn)3
P128
式(5-35)
29
分配變?yōu)橄禂?shù)
按和查表：
見文獻(xiàn)3
P127
圖(5-3)
30
校正小輪節(jié)圓直徑及齒寬
=61.62（mm）
0.7×61.62=43.134 (mm)
31
g-b工作嚙合角
所以可得：
見文獻(xiàn)3
P128
式(5-39)
=76
32
g-b總變位系數(shù)
=0
見文獻(xiàn)3
P128
式(5-39)
33
分配變位系數(shù)
見文獻(xiàn)3
P128
式(5-39)
內(nèi)嚙合副g-b齒面按接觸疲勞強(qiáng)度校核
34
計(jì)算轉(zhuǎn)距
=26.746（mm）
見文獻(xiàn)3
P142
式(5-65)
35
齒寬系數(shù)
=4×22
=88（mm）
36
小輪節(jié)圓直徑
=88 （mm）
37
小輪相對節(jié)圓直徑
=3.618
見文獻(xiàn)3
P143
式(5-68)
38
動(dòng)載系數(shù)
按查取
見文獻(xiàn)3
P88
圖(4-9)
39
載荷分配系數(shù)
見文獻(xiàn)3
P89
表(4-8)
40
載荷分布系數(shù)
見文獻(xiàn)3
P89
圖（4-10）
41
載荷系數(shù)
=1×1.06×1.1×1.02=1.189
見文獻(xiàn)3
P88
式（4-24）
42
節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)
=2.49
見文獻(xiàn)3
P86
式（4-19）
43
材料彈性系數(shù)
見文獻(xiàn)3
P86
表（4-5）
44
重合度系數(shù)
見文獻(xiàn)3
P88
近似按ε=1.2算
45
校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度
≤
==157.458(Mpa)
≤
見文獻(xiàn)3
P86
式（4-19）
計(jì) 算 彎 曲 疲 勞 許 用 應(yīng) 力
46
彎曲疲勞極限應(yīng)力
外嚙合副：按框圖中值查取
（Mpa）
內(nèi)嚙合副：按框圖MQ級(jí)查取
（Mpa）
見文獻(xiàn)3
P100
圖（4-24）
圖（4-23）
47
安全系數(shù)
見文獻(xiàn)3
P98
表（4-10）
48
壽命系數(shù)
取,有
49
應(yīng)力修正系數(shù)
見文獻(xiàn)3
P101
圖（4-27）
50
尺寸系數(shù)
mm ，取
見文獻(xiàn)3
P101
圖（4-27）
51
彎曲疲勞許用應(yīng)力
=
=456(Mpa)
=
=428(Mpa)
=
=298(Mpa)
見文獻(xiàn)
P98
式（4-44）
52
動(dòng)載系數(shù)
見文獻(xiàn)3
P88
圖（4-9）
53
a-g計(jì)算轉(zhuǎn)距
（N·m）
式中
見文獻(xiàn)3
P138
式（5-54）
=33.156
=1.1
54
g-b計(jì)算轉(zhuǎn)距
=27.962 （N·m）
見文獻(xiàn)3
P142
式（5-65）
55
載荷分配系數(shù)
見文獻(xiàn)3
P98
表（4-8）
56
載荷分布系數(shù)
式中：
=0.814
=(2×1+0.25-0.1798)×4
=8.28
見文獻(xiàn)3
P94
式（4-36）
57
載荷系數(shù)
見文獻(xiàn)
P94
式（4-35）
58
齒形系數(shù)
要根據(jù)變位系數(shù)選擇
見文獻(xiàn)
P94
圖（4-13）
59
重合度系數(shù)
見文獻(xiàn)
P93
式（4-34）
60
校核彎曲疲勞強(qiáng)度
=21.659
=24.779
見文獻(xiàn)
P93
式（4-33）
61
結(jié)論
合 格
4.4 無級(jí)變速電動(dòng)機(jī)輸入齒輪傳動(dòng)計(jì)算
如圖(4-15)，設(shè)計(jì)齒輪1和齒圈b的外齒，由于內(nèi)齒圈作為一個(gè)輸入自由度，故將其設(shè)計(jì)為組合式，即由齒輪圈和支撐架構(gòu)成，支撐架和齒圈的聯(lián)接用螺釘聯(lián)接固定，所以在設(shè)計(jì)齒圈b的外齒時(shí)，將齒圈雙邊徑向距離設(shè)為120/2=60mm，即取齒圈外齒齒數(shù)為88，同時(shí)，考慮到加工制造方便，將齒輪模數(shù)取為m=4，而輪1與齒圈b的傳動(dòng)比為=4，所以輪1的齒數(shù)為22，
圖4-15傳動(dòng)示意圖
以下就是齒輪1和齒圈b的外嚙合齒的設(shè)計(jì)和計(jì)算。
表4-2：齒輪1和齒圈b外嚙合齒的設(shè)計(jì)和計(jì)算
序號(hào)
設(shè)計(jì)項(xiàng)目
計(jì)算公式及說明
1
選擇齒輪齒數(shù)、材料、熱處理及精度等級(jí)
1〉齒輪1：45#鋼調(diào)質(zhì)，齒面平均硬度取260HBS。
齒圈b外齒：40Cr調(diào)制處理，齒面平均硬度取270HBS。
2〉由文獻(xiàn)1，表5-5初選取8級(jí)精度。
齒輪1：260HBS
外齒圈：270HBS
初選精度等級(jí)為8
2
參數(shù)選擇
1〉取齒輪1的齒數(shù)=22
齒圈b的外齒數(shù)=22
齒數(shù)比=4
2〉傳動(dòng)誤差
×100%=0
3〉由文獻(xiàn)1，表5-13取齒寬系數(shù)
=22
=22
3
計(jì)算齒輪1轉(zhuǎn)矩
4
確定載荷系數(shù)
1〉使用系數(shù)
由已知條件，查文獻(xiàn)1，表5-11，取=1.25
2〉動(dòng)載荷系數(shù)
由查文獻(xiàn)1，圖5-10a取=1.13
3〉齒向載荷分布系數(shù)
由=1及已知條件，查文獻(xiàn)4，
圖5-13，取=1.14
4〉齒間載荷分配系
由文獻(xiàn)4，式5-9
=1.70
由文獻(xiàn)4，圖5-25，取=1.22
5〉載荷系數(shù)
由文獻(xiàn)4式5-6
=1.25×1.13×1.14×1.22
=1.96
=1.25
=1.13
=1.14
=1.70
=1.96
5
求總工作時(shí)間
=300×8×16×20%
=7680(h)
=7680(h)
6
確定模數(shù)
1〉由于太陽輪，內(nèi)齒圈b內(nèi)齒均為m=4的齒輪，現(xiàn)將內(nèi)齒圈外齒及與其相嚙合的齒輪設(shè)計(jì)成同，模數(shù)的，這樣在制造上更易于實(shí)現(xiàn)。
2〉基本設(shè)計(jì)參數(shù)
=22 =88
m=4
=22
=88
7
確定傳動(dòng)尺寸
1〉分度園直徑、
=4×22=88（mm）
=4×88=352(mm)
2〉中心距
=
=220
3〉確定齒寬
=
=44
取=45與行星輪同一。
m=4
=88
=352
=220
=45
取==45
8
齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核
1〉求許用應(yīng)力[] 見文獻(xiàn)1
由式（5-4）及表5-10，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)、分別為：
=60×1×1200×7680×（×0.2+×0.5+×0.3）
=1.41×
=3.52×
由圖5-26取壽命系數(shù)
由圖5-25取彎曲疲勞極限（用外插法加工）。
=220MPa
=200MPa
由圖5-27，取尺寸系數(shù)=1
參照表5-25，取安全系數(shù)
=1.4
由式（5-18）（普通齒輪傳動(dòng)）
≈314Mpa
=286Mpa
2〉齒型系數(shù)、，見文獻(xiàn)1
由圖（5-21），?。?2.73
=2.17
3〉應(yīng)力修正系數(shù)、 見文獻(xiàn)，由圖（5-22），取=1.57
=1.80
4〉重合度系數(shù) 見文獻(xiàn)1
由式（5-15）：
=0.69
5〉校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 見文獻(xiàn)1，由式（5-13）
=22.67（Mpa）〈
=20.66（Mpa）〈
9
結(jié)論
經(jīng)校核：彎曲強(qiáng)度足夠。
合格
5 傳動(dòng)系統(tǒng)的其他設(shè)計(jì)
5.1均載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于內(nèi)齒圈、行星輪和中心輪的制造、裝配存在誤差等一系列問題，使得行星齒輪機(jī)構(gòu)輸入的力矩不可能均勻的的分配到各行星輪上，因此就造成了行星輪之間的載荷不均勻和載荷沿齒寬分布不均勻，為了解決該問題，在設(shè)計(jì)行星齒輪機(jī)構(gòu)時(shí)，必須合理的選擇均在機(jī)構(gòu)（使得行星齒連載荷分配均勻的機(jī)構(gòu)叫均在機(jī)構(gòu)或均在裝置）。在行星齒輪中為了保證行星齒輪間載荷分配均勻，一般采用齒輪聯(lián)軸器和聯(lián)軸器連接套作為均載機(jī)構(gòu)。但這兩種機(jī)構(gòu)都較復(fù)雜，因此為了簡化機(jī)構(gòu)，本次設(shè)計(jì)所采用如圖（4-1）所示的均載機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)是將連軸器和軸作為一個(gè)整體，變成齒輪軸。這樣就使得制造和安裝方便多了，而且機(jī)構(gòu)的尺寸也就減小了。
圖5-1 均載機(jī)構(gòu)
5.2 行星架的設(shè)計(jì)
1、行星架是行星齒輪的主要構(gòu)件之一。一般有如下幾種機(jī)構(gòu)：
構(gòu)式行星架。這種行星架剛度大、變形小，適用于中、重型減速器。其缺點(diǎn)是：加工切削量過大、金屬耗材多。
2、焊接結(jié)構(gòu)式行星架。這種型行星架加工切削量小，特別適用于大型減速器和單件生產(chǎn)的減速器。
3、側(cè)板可拆式行星架。這種型架制造簡單，裝配容易，特別是對于中心輪直徑較大時(shí)，使用該機(jī)構(gòu)能減小機(jī)構(gòu)尺寸。
4、單側(cè)板懸臂心軸式行星架。這種行星架的剛性比以上3種都要小，因此只能用于小功率減速器。
本次設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)是2K-H型減速器，由于中心輪較大，因此就采用側(cè)板可拆式行星架，以減小減速其的機(jī)構(gòu)尺寸。
5.3 箱體的基本參數(shù)
箱體在整個(gè)系統(tǒng)中起著支承軸系、保證傳動(dòng)件和軸系正常運(yùn)行的作用。下面是本次設(shè)計(jì)中箱體的部分基本參數(shù)：
名稱
符號(hào)
尺寸
箱座壁厚
δ
據(jù)δ=0.025a+Δ≥8
?。?2
箱蓋壁厚
δ1
同理，取10
加強(qiáng)肋厚
M
m=0.85δ=8.5
地腳螺釘數(shù)目
N
a≤250,n=4
軸承蓋螺釘
直徑和數(shù)目
D3,n
見文獻(xiàn)2表9-9得
軸承蓋外徑
D2
見文獻(xiàn)2表9-9
5.4 變速軸的設(shè)計(jì)
對于變速軸按扭矩強(qiáng)度條件計(jì)算：參考文獻(xiàn)6，P169、式（9-1）、（9-2）。
軸受扭矩的強(qiáng)度條件為：
≤（Mpa）
或 - - - - - - - - - - -（5-1）
式中：、—軸的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力、材料的許用扭矩應(yīng)力；
T ------------軸傳遞的扭矩；
----------軸的抗扭截面系數(shù)，對于實(shí)心軸=0.2；
d ------------軸的截面直徑；
Pn -----------軸的傳遞功率、轉(zhuǎn)速。
由于整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)輸入軸徑最小，故由此進(jìn)行校核設(shè)計(jì)：
P=7.5(KW) n=1440(r/min)
值查文獻(xiàn)6，P170表9-2得：=35(Mpa)
代入式4-1得：=19.23(mm)
從上式得出的結(jié)果可知，設(shè)計(jì)的軸徑均大于該值，所以在強(qiáng)度等方面均滿足要求。
總 結(jié)
經(jīng)過近四個(gè)月的艱苦的奮斗，雖然經(jīng)歷了種種困難，但在我的指導(dǎo)老師的幫助、指導(dǎo)下，終于完成了。本次設(shè)計(jì)的題目是無級(jí)變速提升絞車，主要是進(jìn)行絞車傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)，這次設(shè)計(jì)所采用的是行星齒輪差動(dòng)輪系和無級(jí)調(diào)速力矩電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)絞車的無級(jí)變速部分，即采用電氣和機(jī)械組合，集結(jié)了機(jī)電兩大方面的優(yōu)點(diǎn)于一身，使得該系統(tǒng)的總體性能得到很大的提高，從而使得該系統(tǒng)的適用范圍更廣，因此該產(chǎn)品有著更廣闊的市場前景。
參考文獻(xiàn)
1. 機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊（上、下分冊）江耕華、胡來瑢、陳啟松等編 煤炭工業(yè)出版社 1992
2. 機(jī)械設(shè)計(jì) 濮良貴 紀(jì)名剛等編著 高等教育出版社 2005
3. 行星齒輪傳動(dòng)與設(shè)計(jì)及計(jì)算 胡來瑢主編 何金國、林經(jīng)德副主編 煤炭工業(yè)出版社 1996
4．車輛傳動(dòng)系統(tǒng)分析 劉修驥 編著
國防工業(yè)出