少齒差行星齒輪傳動機構(gòu)的設(shè)計（行星齒輪減速器）

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In the process of studying modern machinery, it is found that there are many advantages of less this type of reducer, and it is a new type of reducer, which has the advantage of large transmission ratio. In addition, the transmission efficiency of this kind of reducer is very high. This design will use the internal meshing transmission principle of planetary gears to calculate the internal and external teeth of the reducer, as well as the design of the shaft and other reducer parts, at the same time, to check the various interference generated, and check some parts. Finally, a portable planetary reducer with small involute tooth difference is designed. Key words: reducer; planetary gear; few teeth difference; check; transmission efficiency; II 目錄 摘 要 I Abstract II 第一章 緒 論 6 1.1 行星減速器的簡介 6 1.2 減速器的發(fā)展 6 1.2.1齒輪減速器的研究現(xiàn)狀 7 1.2.2齒輪減速器的發(fā)展趨勢 9 1.3 減速器的分類 10 1.3.1 N型齒輪減速器 10 1.3.2 NN型少齒差減速器 12 1.4 研究的方法及思路 13 1.5設(shè)計的主要內(nèi)容 13 第二章 漸開線少齒行星齒輪傳動的總體設(shè)計 14 2.1 少齒差傳動分析 14 2.2 齒輪齒差的確定 16 2.3 齒輪的結(jié)構(gòu)確定 16 2.4 齒輪模數(shù)確定與計算 16 第三章 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算 11 3.1 軸的材料選擇 11 3.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 11 3.2.1 偏心軸的設(shè)計 12 3.2.2 輸出軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 14 3.3 輸入軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 15 3.4 軸的強度計算 17 3.4.1 輸入軸上受力分析 17 3.4.2 輸入軸支反力分析 18 3.4.3 軸的強度校核 19 3.4.4 轉(zhuǎn)臂軸承的選定 20 第四章 主要零件的強度校核 21 4.1 齒輪傳動分析 22 4.1.1 齒輪受力 22 4.1.2 轉(zhuǎn)臂軸承受力 23 4.2 軸承的校核計算 24 第五章 漸開線少齒差行星齒輪傳動的運動分析 26 5.1 內(nèi)外齒輪頂圓嚙合角 26 5.2 重合度驗算 26 5.3 齒廓重迭干涉驗算 27 5.4 漸開線干涉檢查 28 第六章 漸開線少齒差行星齒輪傳動效率計算 28 6.1 兩對內(nèi)嚙合齒輪的效率 28 6.2 行星結(jié)構(gòu)的嚙合效率 29 6.3 轉(zhuǎn)臂軸承效率 29 6.4 減速裝置的總效率 30 第七章 傳動的附件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 30 7.1 減速器箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計 30 7.2 平衡塊的設(shè)計 31 7.3 密封和潤滑方式 31 總 結(jié) 31 參考文獻 32 致 謝 33 V 第一章 緒 論 1.1 行星減速器的簡介 由于科技化水平地日益進步，工業(yè)化的進程也愈發(fā)迅速，機械自動化正在世界的舞臺上扮演著更加重要的角色。伴隨這一現(xiàn)象隨之而來的導(dǎo)致了對減速器的需求急劇增加，許多工業(yè)部門在對減速器大量使用的同時，也對減速器的特點及性能提出了更加嚴(yán)格的要求。現(xiàn)在普通的減速器體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不便于攜帶。雖然有些減速器可以滿足一些優(yōu)點。例如擺線針輪減速器能滿足體積小，效率高，但是制造此類減速器必須用專用的設(shè)備，成本偏高。這是在這種情況下，此類減速器體現(xiàn)出了它的必要性，它不僅具有以上的優(yōu)點，同時它的效率高且其傳動比范圍大，壽命長等同樣不容忽視。同時還可以使用通用的工具加工，從而使成本大幅度降低。此減速器能適應(yīng)多數(shù)特殊的條件，范圍廣泛；其中包括國防、、化工、、儀表制造，材料處理和建筑等一些工業(yè)領(lǐng)域。 1.2 減速器的發(fā)展 齒輪有著悠久的發(fā)展過程歷史，同時也伴隨著人類進化文明的發(fā)展，早在約公元前1950年的時候，在歷史記載上就早已出現(xiàn)了如何使用齒輪的詳細記錄。此外，在早期的南北朝時期就有了祖沖之這位偉人利用行星齒輪的原理發(fā)明創(chuàng)造了差動驅(qū)動式指南車，由此可見，我們中華民族在如何合理利用行星齒輪傳動中十分有先見之明。雖然在人類的歷史上使用齒輪機構(gòu)來做機械傳動的時期非常早，但是對于齒輪齒形的深入研究是直到18世紀(jì)后才開始的，這個時候其方法采用的是利用銑刀銑削齒輪，此種加工方法效率十分低。然而通過人們在研究行星齒輪這一課題上，首先取得至關(guān)重要的進步是德國在1713年研究出首個行星齒輪傳動裝置的專利，在此之后，人們便將其用在大多數(shù)汽車的零件差速器上，第二次大戰(zhàn)之后，它又被廣泛應(yīng)用在速度高且功率大的軍艦以及飛機發(fā)動機上。 我國在大約20世紀(jì)50年代左右便已經(jīng)漸漸地將關(guān)于行星齒輪傳動的系統(tǒng)研究以及齒輪的調(diào)制工作，自此以來便愈發(fā)在齒輪研究上取得更大的成就以及研究成果。自從改革開放發(fā)展以來，由于我國日益發(fā)展的科學(xué)方法與愈發(fā)完善的技術(shù)，并且積極從其他工業(yè)發(fā)達的國家逐漸地引進更多先進技術(shù)和優(yōu)良的機械設(shè)備，正是由于我國擁有著大批機械科研人才，也是通過他們的艱苦不懈的奮斗、堅持科研、兢兢業(yè)業(yè)的工作才令我國的行星傳動技術(shù)取得了巨大的飛躍，立足于世界先進水平。 1.2.1齒輪減速器的研究現(xiàn)狀 齒輪是使用量大面廣的傳動元件。目前世器上齒輪最大傳遞功率已達6500kW，最大線速度達210m／s(在實驗室中達300m/s)；齒輪最大重量達200t，最大直徑達 (組合式)，最大模數(shù)m達50mm。我國自行設(shè)計的高速齒輪(增)減速器的功率已達44000kW，齒輪圓周速度達150m／s以上。 由齒輪、軸、軸承及箱體組成的齒輪減速器，用于原動機和工作機或執(zhí)行機構(gòu)之間，起匹配轉(zhuǎn)速和傳遞轉(zhuǎn)矩的作用，在現(xiàn)代機械中應(yīng)用極為廣泛。 20世紀(jì)末的20多年，世界齒輪技術(shù)有了很大的發(fā)展。產(chǎn)品發(fā)展的總趨勢是小型化、高速化、低噪聲、高可靠度。技術(shù)發(fā)展中最引人注目的是硬齒面技術(shù)、功率分支技術(shù)和模塊化設(shè)計技術(shù)。 硬齒面技術(shù)到20世紀(jì)80年代時在國外日趨成熟。采用優(yōu)質(zhì)合金鋼鍛件滲碳淬火磨齒的硬齒面齒輪，精度不低于IS01328一1975的6級，綜合承載能力為中硬齒面調(diào)質(zhì)齒輪的4倍，為軟齒而齒輪的5一6倍。一個中等規(guī)格的硬齒面齒輪減速器的重量僅為軟齒面齒輪減速器的1/3左右。 功率分支技術(shù)主要指行星及大功率齒輪箱的功率雙分及多分支裝置，如中心傳動的水泥磨主減速器，其核心技術(shù)是均載。 模塊化設(shè)計技術(shù)對通用和標(biāo)準(zhǔn)減速器旨在追求高性能和滿足用戶多樣化大覆蓋面需求的同時，盡可能減少零部件及毛坯的品種規(guī)格，以便于組織生產(chǎn)，使零部件生產(chǎn)形成批量，降低成本，取得規(guī)模效益。 其他技術(shù)的發(fā)展還表現(xiàn)在理論研究(如強度計算、修形技術(shù)、現(xiàn)代設(shè)計方法的應(yīng)用，新齒形、新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用等)更完善、更接近實際；普遍采用各種優(yōu)質(zhì)合金鋼鍛件；材料和熱處理質(zhì)量控制水平的提高；結(jié)構(gòu)設(shè)計更合理；加工精度普遍提高到ISO的4一6級；軸承質(zhì)量和壽命的提高；潤滑油質(zhì)量的提高；加工裝備和檢測手段的提高等方面。 這些技術(shù)的應(yīng)用和日趨成熟，使齒輪產(chǎn)品的性能價格比大大提.高，產(chǎn)品越來越完美。如非常粗略地估計一下，輸出IOONm轉(zhuǎn)矩的齒輪裝置，如果在1950年時重10kg，到80年代就可做到僅約lkg。 20世紀(jì)70年代至90年代初，我國的高速齒輪技術(shù)經(jīng)歷了測繪仿制、技術(shù)引進(技術(shù)攻關(guān))到獨立設(shè)計制造3個階段?，F(xiàn)在我國的設(shè)計制造能力基本上可滿足國內(nèi)生產(chǎn)需要，設(shè)計制造的最高參數(shù):最大功率44MW,最高線速度168m/s，最高轉(zhuǎn)速67000r/min。 我國的低速重載齒輪技術(shù)，特別是硬齒面齒輪技術(shù)也經(jīng)歷了測繪仿制等階段，從無到有逐步發(fā)展起來。除了摸索掌握制造技術(shù)外，在20世紀(jì)80年代末至90年代初推廣硬齒面技術(shù)過程中，我們還作了解決“斷軸”、“選用”等一系列有意義的工作。在20世紀(jì)70-80年代一直認為是國內(nèi)重載齒輪兩大難題的“水泥磨減速器”和“軋鋼機械減速器”，可以說已完全解決。 20世紀(jì)80年代至90年代初，我國相繼制訂了一批減速器標(biāo)準(zhǔn)，如ZBJ19004一88《圓柱齒輪減速器》、ZBJ19026一90《運輸機械用減速器》和YB/T050一93《冶金設(shè)備用YNK齒輪減速器》等幾個硬齒面減速器標(biāo)準(zhǔn)，我國有自己知識產(chǎn)權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)，如YB/T079 - 95《三環(huán)減速器》。按這些標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的許多產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)均可達到或接近國外同類產(chǎn)品的水平，其中YNK減速器較完整地吸取了德國FLENDER公司同類產(chǎn)品的特點，并結(jié)合國情作了許多改進與創(chuàng)新。 （1） 漸開線行星齒輪效率的研究 行星齒輪傳動的效率作為評價器傳動性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一，國內(nèi)外有許多學(xué)者對此進行了系統(tǒng)的研究?，F(xiàn)在，計算行星齒輪傳動效率的方法很多，國內(nèi)外學(xué)者提出了許多有關(guān)行星齒輪傳動效率的計算方法，在設(shè)計計算中，較常用的計算方有3種：嚙合功率法、力偏移法、和傳動比法（克萊依涅斯法），其中以嚙合功率法的用途最為廣泛，此方法用來計算普通的2K2H和3K型行星齒輪的效率十分方便。 （2） 漸開線行星齒輪均載分析的研究現(xiàn)狀 行星齒輪傳動具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小、體積小、承載能力大等優(yōu)點。這些都是由于在其結(jié)構(gòu)上采用了多個行星輪的傳動方式，充分利用了同心軸齒輪之間的空間，使用了多個行星輪來分擔(dān)載荷，形成功率流，并合理的采用了內(nèi)嚙合傳動，從而使其具備了上述的許多優(yōu)點。但是，這只是最理想的情況，而在實際應(yīng)用中，由于加工誤差和裝配誤差的存在，使得在傳動過程中各個行星輪上的載荷分配不均勻，造成載荷有集中在一個行星輪上的現(xiàn)象，這樣，行星齒輪的優(yōu)越性就得不到發(fā)揮，甚至不如普通的外傳動結(jié)構(gòu)。所以，為了更好的發(fā)揮行星齒輪的優(yōu)越性，均載的問題就成了一個十分重要的課題。在結(jié)構(gòu)方面，起初人們只努力地提高齒輪的加工精度，從而使得行星齒輪的制造和裝配變得比較困難。后來通過時間采取了對行星齒輪的基本構(gòu)件徑向不加限制的專門措施和其它可自動調(diào)位的方法，即采用各種機械式地均載機構(gòu)，以達到各行星輪間的載荷分布均勻的目的。典型的幾種均載機構(gòu)有基本構(gòu)件浮動的均載機構(gòu)、杠桿聯(lián)動均載機構(gòu)和采用彈性件的均載機構(gòu)。 1.2.2齒輪減速器的發(fā)展趨勢 隨著我國市場經(jīng)濟的推進，“九五”期間，齒輪行業(yè)的專業(yè)化生產(chǎn)水平有了明顯提高，如一汽、二汽等大型企業(yè)集團的齒輪變速箱廠、車轎廠，通過企業(yè)改組、改制，改為相對獨立的專業(yè)廠，參與市場競爭；隨著軍工轉(zhuǎn)民用，農(nóng)機齒輪企業(yè)轉(zhuǎn)加工非農(nóng)用齒輪產(chǎn)品，調(diào)整了企業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)；私有企業(yè)的堀起，中外合資企業(yè)的涌現(xiàn)，齒輪行業(yè)的整體結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，行業(yè)實力增強，技術(shù)進步加快。 近十幾年來，計算機技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)在機械制造中的廣泛應(yīng)用，改變了制造業(yè)的傳統(tǒng)觀念和生產(chǎn)組織方式。一些先進的齒輪生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)采用精益生產(chǎn)、敏捷制造、智能制造等先進技術(shù)。形成了高精度、高效率的智能化齒輪生產(chǎn)線和計算機網(wǎng)絡(luò)化管理。 適應(yīng)市場要求的新產(chǎn)品開發(fā)，關(guān)鍵工藝技術(shù)的創(chuàng)新競爭，產(chǎn)品質(zhì)量競爭以及員工技術(shù)素質(zhì)與創(chuàng)新精神，是2l世紀(jì)企業(yè)競爭的焦點。在2l世紀(jì)成套機械裝備中，齒輪仍然是機械傳動的基本部件。由于計算機技術(shù)與數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，使得機械加工精度、加工效率太為提高，從而推動了機械傳動產(chǎn)品多樣化，整機配套的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，以及造型設(shè)計藝術(shù)化，使產(chǎn)品更加精致、美觀。 CNC機床和工藝技術(shù)的發(fā)展，推動了機械傳動結(jié)構(gòu)的飛速發(fā)展。在傳動系統(tǒng)設(shè)計中的電子控制、液壓傳動，齒輪、帶鏈的混合傳動，將成為變速箱設(shè)計中優(yōu)化傳動組合的方向。在傳動設(shè)計中的學(xué)科交叉，將成為新型傳動產(chǎn)品發(fā)展的重要趨勢。 工業(yè)通用變速箱是指為各行業(yè)成套裝備及生產(chǎn)線配套的大功率和中小功率變速箱。國內(nèi)的變速箱將繼續(xù)淘汰軟齒面，向硬齒面(50～60HRC)、高精度(4～5級)、高可靠度軟啟動、運行監(jiān)控、運行狀態(tài)記錄、低噪聲、高的功率與體積比和高的功率與重量比的方向發(fā)展。中小功率變速箱為適應(yīng)機電一體化成套裝備自動控制、自動調(diào)速、多種控制與通訊功能的接口需要，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與外型在相應(yīng)改變。矢量變頻代替直流伺服驅(qū)動，已成為近年中小功率變速箱產(chǎn)品(如擺輪針輪傳動、諧波齒輪傳動等)追求的目標(biāo)。 隨著我國航天、航空、機械、電子、能源及核工業(yè)等方面的快速發(fā)展和工業(yè)機器人等在各工業(yè)部門的應(yīng)用，我國在諧波傳動技術(shù)應(yīng)用方面已取得顯著成績。同時，隨著國家高新技術(shù)及信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對諧波傳動技術(shù)產(chǎn)品的需求將會更加突出。 總之，當(dāng)今世界各國減速器及齒輪技術(shù)發(fā)展總趨勢是向六高、二低、二化方面發(fā)展。六高即高承載能力、高齒面硬度、高精度、高速度、高可靠性和高傳動效率；二低即低噪聲、低成本；二化即標(biāo)準(zhǔn)化、多樣化。 減速器和齒輪的設(shè)計與制造技術(shù)的發(fā)展，在一定程度上標(biāo)志著一個國家的工業(yè)水平，因此，開拓和發(fā)展減速器和齒輪技術(shù)在我國有廣闊的前景。 1.3 減速器的分類 少齒差減速器傳動形式較多，其中主要有三內(nèi)嚙合和錐齒，而最主要的傳動形式是漸開線式和雙內(nèi)嚙合式兩種。 1.3.1 N型齒輪減速器 N型少齒差減速器按照輸出分為:內(nèi)齒輪固定，低速軸輸出；輸出軸固定，內(nèi)齒輪輸出；波紋管機構(gòu)；雙曲柄機構(gòu)四種。 1-偏心軸 2-行星齒輪 3-內(nèi)齒輪 4-銷套 5-銷套 6-轉(zhuǎn)臂軸承 7-輸出軸 8-殼體 圖1-1 少齒差N型銷軸式減速器 圖1-2 N型銷軸式減速器傳輸原理圖 圖1-2為N型銷軸式傳輸原理圖，其工作運動過程如下所述：內(nèi)齒輪是與減速器的殼體相連固定不動的，當(dāng)輸入軸1運轉(zhuǎn)時，會迫使行星齒輪2的內(nèi)齒3做行星運動（其中行星齒輪包括公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)）。然而，齒輪進行行星運動的原因是由于少齒差行星齒輪減速器相互嚙合的齒輪齒數(shù)相差很少，故綜上所述減速器可以實現(xiàn)減速的功能。 1.3.2 NN型少齒差減速器 兩對少齒差齒輪副構(gòu)成NN型少齒差減速器，他們來一起實現(xiàn)減速任務(wù)；與其他減速器輸出構(gòu)件不同的是，此種類型減速器直接由內(nèi)齒輪輸出，但有時也根據(jù)實際工作情況，由外齒輪或者齒輪軸輸出。 下圖1-3為以內(nèi)齒輪輸出，概括此類減速器的工作過程。 圖1-3 NN型傳輸原理圖 圖1-4 NN型減速器結(jié)構(gòu)原理簡圖 如圖1-3所示，各個組成部分如下所示； 1. 轉(zhuǎn)臂 左邊為輸入軸，為了讓這個減速器構(gòu)成轉(zhuǎn)臂，做一個偏心軸頸形成偏心軸。為了能使齒輪安裝在偏心軸上保持平衡，決定在偏心軸的兩側(cè)裝上兩個平衡塊。 2. 固定的內(nèi)齒輪 左邊的內(nèi)齒輪和減速器的機座外殼相連，使其固定。 3. 行星輪 行星齒輪的位置是在減速器的偏心軸上；同時，為了減少齒輪和偏心軸之間相互摩擦，決定在他們之間裝上兩個轉(zhuǎn)臂軸承。 4. 輸出部分 右邊的內(nèi)和輸出軸構(gòu)成一個軸，傳遞運動。 驅(qū)動在圖1-4所示原理圖，其原理總結(jié)如下：內(nèi)齒輪和外殼因為是固定不動的，當(dāng)連接的電動機帶動輸入軸轉(zhuǎn)動時，減速器中的行星輪繞著內(nèi)齒輪做既公轉(zhuǎn)又自轉(zhuǎn)的行星運動。然而，由于漸開線行星齒輪差速器的內(nèi)齒齒數(shù)與行星齒輪齒數(shù)非常接近，故行星齒輪會繞著輸入偏心軸的中心做與其運動方向相反的減速運動。同樣外齒輪也與內(nèi)齒輪做行星運動，內(nèi)齒輪以低速將運動送出，從而實現(xiàn)減速的過程。 1.4 研究的方法及思路 （1）通過查閱相關(guān)資料，掌握漸開線少齒行星齒輪減速器的主要參數(shù)。 （2）充分考慮已有漸開線少齒行星齒輪減速器的優(yōu)缺點來確定漸開線少齒行星齒輪減速器的總體設(shè)計方案，對現(xiàn)有裝置的不足進行分析。 （3）對設(shè)計的漸開線少齒行星齒輪減速器進行修改和優(yōu)化，最終設(shè)計出能滿足要求的漸開線少齒行星齒輪減速器。 （4）根據(jù)題目和原始數(shù)據(jù)查看相關(guān)資料，了解當(dāng)今國內(nèi)外漸開線少齒行星齒輪減速器的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展前景，撰寫文獻綜述和開題報告。 （5）根據(jù)產(chǎn)品功能和技術(shù)要求提出多種設(shè)計方案，對各種方案進行綜合評價，從中選擇較好的方案，再對所選擇的方案做進一步的修改或優(yōu)化，最終確定總體設(shè)計方案。 （6）具體設(shè)計漸開線少齒行星齒輪減速器的驅(qū)動裝置。 （7）對所設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)中的重要零件進行校核計算，如齒輪、軸、軸承等，保證設(shè)計的合理性和可行性。； （8）繪制零件圖、裝配圖，完成要求的圖紙量； （9）整理各項設(shè)計資料，撰寫論文。 1.5設(shè)計的主要內(nèi)容 本次設(shè)計漸開線少齒行星齒輪減速器，本論文主要對減速器齒輪，軸，軸承，行星機構(gòu)等進行設(shè)計。具體內(nèi)容包括以下四部分: （1）減速器的總體設(shè)計。 （2）漸開線少齒行星齒輪減速器的機構(gòu)運動學(xué)分析。 （3）齒輪和軸的基本尺寸的計算和驗證。 （4）其他主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 第二章 漸開線少齒行星齒輪傳動的總體設(shè)計 2.1 少齒差傳動分析 雙內(nèi)嚙合少齒差減速器的傳動比分為三類：如下圖2-1所示是NN型減速器少齒差原理簡圖。一種為一個內(nèi)齒輪固定，另一內(nèi)齒輪與行星外齒輪連為一體，另一外齒輪連同低速軸輸出；第二種為一個外齒輪固定，一內(nèi)齒輪與另一個外齒輪連為一體，另一個內(nèi)齒輪輸出；第三種為一個內(nèi)齒輪固定，兩個行星外齒輪連為一體，另一個內(nèi)齒輪作低速輸出。此次設(shè)計選用第三種形式。 1、3-行星輪 2-固定內(nèi)齒輪 4-輸出內(nèi)齒輪 圖2-1 NN型少齒差行星傳動原理簡圖 這種傳動形式的傳動比為: (2-1) 其中；由于內(nèi)外齒輪齒數(shù)數(shù)值不同，可使減速器的輸入輸出轉(zhuǎn)向同向或反向。要想獲得較大甚至比K-H-V型減速器傳動比更大，可以通過搭配（Z2Z3-Z1Z4）使其值很小來實現(xiàn)。為了得到相同的中心距，通常取兩對齒輪的模數(shù)相同，齒數(shù)差相同，當(dāng)固定內(nèi)齒輪齒數(shù)大于輸出內(nèi)齒輪齒數(shù)時，傳動比大于0，即n方向與輸出內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)向相同，否則，反之。 15 2.2 齒輪齒差的確定 此種類型的減速裝置中常見的齒差數(shù)為，本設(shè)計中，因為傳動比，則齒差數(shù)為2。 內(nèi)齒輪固定，轉(zhuǎn)臂，行星輪為、，內(nèi)齒輪連接輸出軸輸出。由傳動比確定四個齒輪的齒數(shù)。 取 （2-2） 則式（2-1）可寫成 （2-3） 已知齒數(shù)差＝＝2，＝42，由式（2-3）得出： ＝41、、、。 2.3 齒輪的結(jié)構(gòu)確定 一般選用7級精度。 行星輪選用,熱處理方式為：滲碳淬火，，精度,，心部。，表面硬度為。 內(nèi)齒輪材料選，內(nèi)齒輪：先進行調(diào)質(zhì)后，然后再表面淬火,精度為，，調(diào)質(zhì)硬度為；。 2.4 齒輪模數(shù)確定與計算 一般按照測定強度來確定行星齒輪的模數(shù)。原因是少齒差與常見的正角度變位齒輪行星傳動，減速器中齒輪的彎曲強度和減速器齒輪齒面接觸強度，遠高于減速器齒輪的抗彎強度。根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸和功率要求進行齒輪模數(shù)初選，然后檢查齒輪彎曲強度。 在本設(shè)計中，根據(jù)彎曲強度去選擇齒輪模數(shù)，因為此類減速器通常選短齒內(nèi)齒輪嚙合，齒面接觸是非常好的，所以只要行星齒輪的彎曲強度是足夠的，便不會出現(xiàn)問題，所以在確定齒輪的模數(shù)時，便只需根據(jù)行星齒輪的彎曲強度限制選用齒輪模數(shù)。 齒輪齒根彎曲強度，公式為： （2-4） 1) 行星齒輪表面硬度，可知。 2) 根據(jù)《機械設(shè)計》書中圖，可知其。 3) 計算彎曲疲勞許用應(yīng)力： 取彎曲疲勞安全系數(shù)S＝1.4 （2-5） 4) 計算載荷系數(shù)K （2-6） 1　 試選載荷系數(shù) 2　 計算外齒輪傳遞的扭矩 （2-7） 其中電動機選擇，由于電動機與減速器是相連在一起的，所以 3　 取齒寬系數(shù) 4　 查材料的彈性影響系數(shù)；內(nèi)齒輪;外齒 輪。 5　 計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) （2-8） （2-9） 6　 查圖得接觸疲勞壽命系數(shù)； 7　 計算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為1%，安全系數(shù)是s=1.25 （2-10） （2-11） 8　 小齒輪分度圓直徑 （2-12） 帶入數(shù)據(jù)得 9　 計算圓周速度 （2-13） 帶入數(shù)據(jù)得 10　 計算齒寬 由，級精度，由圖查得； 再由表可知齒間載荷分布系數(shù) ； 再由表確定使用系數(shù)。 當(dāng)采用7級精度、行星布置時， 再由，=1.13查《機械設(shè)計》書中圖10-13得=1.125 所以載荷系數(shù)=1×1.09×1.1×1.125＝1.35 5) 查取齒形系數(shù) 由《機械設(shè)計》書中圖10－5查得 ＝2.24 6) 查取應(yīng)力校正系數(shù) 19 由《機械設(shè)計》書中圖10－5查得 ＝1.75 7) 設(shè)計計算 帶入數(shù)值得出： ＝0.36 （2-14） 可取模數(shù)為m＝1mm。 表2-1 相關(guān)參數(shù) 名 稱 符號 計 算 公 式 結(jié) 果 /mm 模數(shù) m — 1 壓力角 — 齒頂高系數(shù)數(shù) — 0.8 外齒輪齒數(shù) — 39/40 外齒輪變位系數(shù) — 0.46/1.25 嚙合角 — 內(nèi)齒輪齒數(shù) — 41/42 插齒刀齒數(shù) — 25 分度圓齒厚增量系數(shù) 插齒刀插制內(nèi)齒輪嚙合角 — 內(nèi)齒輪變位系數(shù) 標(biāo)準(zhǔn)中心距 a 10 安裝中心距 中心距變動系數(shù) y 齒頂高變位系數(shù) 齒頂高 外齒輪 1.86 內(nèi)齒輪 -0.68 分度圓半徑 外齒輪 19.5/20 內(nèi)齒輪 20.5/21 齒頂圓半徑 外齒輪 21.36/21.86 內(nèi)齒輪 21.18/21.68 基圓半徑 外齒輪 18.324/ 18.794 內(nèi)齒輪 19.264/ 19.734 第三章 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算 3.1 軸的材料選擇 在減速器的設(shè)計過程中軸的設(shè)計至關(guān)重要不容忽視，通常工件工作平穩(wěn)可靠的保障來自于軸類零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。軸類零件的設(shè)計要考慮多個方面，例如工件如何定位安裝等，一切回轉(zhuǎn)零件的運動和動力的傳遞都是由軸來實現(xiàn)，故軸的設(shè)計合理可靠尤為重要。軸的材料可供選擇的種類眾多，但設(shè)計中選擇軸的材料時最常見的是碳鋼、合金鋼。此次設(shè)計中軸的材料選擇。 3.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 軸的設(shè)計過程中需要尤其注意軸的結(jié)構(gòu)形狀，原因是設(shè)計時，軸的結(jié)構(gòu)與尺寸受到許多情況的影響，例如零件的大小及安裝位置，零件的作用力，以及零件相互的性質(zhì)。設(shè)計軸時還必須考慮到軸上零件的準(zhǔn)確運行方位以便于零件的更換與拆裝。其設(shè)計可總結(jié)為：準(zhǔn)確，穩(wěn)定，可靠。 3.2.1 偏心軸的設(shè)計 下圖3-1為本減速器設(shè)計中輸入軸的設(shè)計： 1. 第1段，利用連軸器接電機，根據(jù)，高速軸第一段長度為8mm。 2. 第2段，考慮到減速器左蓋厚度，這段軸長度取為15mm。 3. 第3段，綜合設(shè)計已知條件，根據(jù)選用的深溝球軸承，其,，以及平衡塊的位置，所以取長度為12mm。 4. 第4段，主要用于安裝行星齒輪，軸承選用深溝球軸承，其內(nèi)徑,，所以取這段為14mm。 5. 第5段，考慮到安裝平衡塊，取6mm。 6. 第6段,根據(jù)選用的深溝球軸承，其,寬度，所以取這段為5mm。由《機械設(shè)計》可知，選取此類減速器的倒角是，倒圓是r0.2。 圖3-1 偏心軸 輸入偏心軸上第1段軸采用平鍵連接，由新版《機械設(shè)計手冊》第3卷（機械工業(yè)出版社出版）查得該平鍵為普通型平鍵-型 。 3.2.2 輸出軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 圖3-2 輸出齒輪軸 輸出軸的各段直徑和長度: 1. 第1段，內(nèi)齒輪與行星嚙合位置，取長度為6mm。 2. 第2段，平衡塊的放置位置，取長度為6mm。 3. 第3段，根據(jù)選用深溝球軸承629，其,，所以取此長度為5mm。 4. 輸出軸第4段，根據(jù)選擇的深溝球軸承61803，它的，,,所以選擇此長度是。 5. 第5段，為了實現(xiàn)軸承的，故此段設(shè)計成一個階梯，其長度為。 6. 第6段，根據(jù)選擇的深溝球軸承61901，其，為,,故取其長度為6mm。 7. 第7段，考慮到減速器右蓋厚度，這段軸長度取為14mm。 8. 第8段，輸出軸和聯(lián)軸器聯(lián)接，這段軸長度選為9mm。軸的軸向定位采用平鍵連接，由《機械設(shè)計手冊》查得該平鍵為普通型平鍵-C型 GB/T 1096-2003 ,規(guī)格為3×3×6。 由《機械設(shè)計》可知，此減速器輸出軸是，全部是。 3.3 輸入軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 軸的設(shè)計可供選擇的材料多種多樣，具體如何選擇要結(jié)合自己所用的工作場合來決定，但無論具體情況如何都必須保證所使用的材料滿足軸的強度及剛度的要求，同時還要考慮到耐磨損及韌性等相關(guān)要求。 U和熱處理，以達到上述要求和用途。考慮到做工來選擇，力求經(jīng)濟。 本設(shè)計所用的軸是40Cr。其性能如下： 表3-1 40Cr的性能 () () () — <100 241~286 750 550 350 200 194~233 >100~300 229~269 700 500 320 185 177~213 >300~500 650 450 295 170 163~196 >500~800 217~255 600 350 255 145 170~196 合理形狀軸線需按照以下條件：在軸和安裝在軸部件具有精確的位置;便于安裝。影響軸結(jié)構(gòu)的主要因素是：力，大小，方向和分布軸的性質(zhì)。 1. 求出輸入軸上的轉(zhuǎn)矩 （3-1） 其中：——-輸入功率，取120W； ——輸入轉(zhuǎn)速，取960 r/min； 2. 初步確定軸得最小直徑 因為軸的材料是40Cr，采用的是調(diào)質(zhì)處理，, ，彎曲疲勞極限，扭轉(zhuǎn)疲勞極限。通過《機械設(shè)計手冊》第卷表可知。則有： （3-2） 連接聯(lián)軸器的輸入軸是最小直徑，取 聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩的計算： （N.m） （3-3） 式中——驅(qū)動功率，KW； ——工作轉(zhuǎn)速，r/min； ——動力機系數(shù)； ——工作系數(shù)，故取1.75； ——啟動系數(shù)，取1； ——溫度系數(shù)，取1.1； ——公稱轉(zhuǎn)矩，N.m 所以， （3-4） 因為需滿足在軸端安裝鍵槽，以及軸在結(jié)構(gòu)上的需求，故先將軸的直徑設(shè)定10mm。 3. 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計及周向定位 軸上零件的裝配： A B C D E F 圖3-3 偏心軸的設(shè)計圖 1　 A段接聯(lián)軸器，軸伸長度為8㎜，軸徑為10mm。其間選用型普通平鍵，尺寸為。 2　 B段要考慮端蓋，此外滿足間隙，故初定段長度是15mm，此段直徑是11mm。 3　 C段選深溝球軸承，選擇軸承型號（）61901型，在此段安裝半圓鍵?？沙醵–段長度為12mm，該段直徑為12mm。 4　 D段偏心套上連有軸承，在此可選用深溝球軸承，軸承型號是（GB/T276-1994）61802，可初定D段長度為，直徑設(shè)定為。 5　 E段長度為6mm,直徑為12mm； 6　 F段相聯(lián)的軸承選深溝球軸承型。該段長度為5mm，直徑為9mm，軸承的定位通過軸肩和擋圈來定位實現(xiàn)。 4． 選擇軸上所有的圓角和倒角 軸端倒角為，軸肩處半徑為0.2mm。 3.4 軸的強度計算 在計算軸的強度時，查詢新版《機械設(shè)計手冊》第3卷（機械工業(yè)出版社出版）中的表，可知材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)為： （3-5） （3-6） （3-7） （3-8） 3.4.1 輸入軸上受力分析 軸傳遞的轉(zhuǎn)矩為: (3-9) 齒輪的圓周力: (3-10) 齒輪的徑向力: (3-11) 齒輪的軸向上: 3.4.2 輸入軸支反力分析 1. 在水平平面的支反力，由,得 （3-12） （3-13） 為負值說明方向與假設(shè)方向相反。 由,得 （3-14） 2. 垂直面內(nèi)的力，故根據(jù)上圖 （3-15） 3. 做彎矩和轉(zhuǎn)矩圖 1）齒輪在水平面 （3-16） 齒輪在垂直面 （3-17） 最大合成彎矩 （3-18） 2) 做轉(zhuǎn)矩圖如下圖3-4所示： （3-19） 圖3-4 扭矩圖 3.4.3 軸的強度校核 彎曲應(yīng)力幅為： （3-20） 式中 ——抗斷面系數(shù)， 由于應(yīng)力，所以平均力 根據(jù)《機械設(shè)計手冊》第卷內(nèi) （3-21） ——彎曲時疲勞極限，它的數(shù)值由新版《機械設(shè)計手冊》第卷內(nèi)表，查得。 ——代表正應(yīng)力有效，它的數(shù)值通過表，并根據(jù)配合查得 。 ——表面質(zhì)量系數(shù)，數(shù)值根據(jù)表，查得。 ——尺寸系數(shù)，數(shù)值根據(jù)表，查得。 切應(yīng)力幅為： （3-22） 其中 ——抗斷面系數(shù)，數(shù)值根據(jù)新版《機械設(shè)計手冊》第3卷中的表，查得 由于應(yīng)力，所以平均力 （3-23） 式中 ——扭轉(zhuǎn)疲勞極限，數(shù)值根據(jù)，新版《機械設(shè)計手冊》第3卷中的表，可知。 ——代表切應(yīng)力集中，數(shù)值根據(jù)表，查得 。 ，——同正應(yīng)力情況； ——平均應(yīng)力，數(shù)值根據(jù)表,查得。 軸截面的安全系數(shù)由式（19.3-1）確定 （3-24） [S]數(shù)值根據(jù)新版《機械設(shè)計手冊》第3卷中的表可知，，故，故可知此軸截面安全。 同理輸出軸也合格。 3.4.4 轉(zhuǎn)臂軸承的選定 在行星齒輪箱，根據(jù)安裝條件來選擇軸承的型號和尺寸。根據(jù)本設(shè)計的目的和各類軸承的特性可選用深溝球軸承。 行星齒輪的，齒寬?？蛇x用轉(zhuǎn)臂軸承（深溝球軸承）。其參數(shù)如下圖3-5所示： 圖3-5 深溝球軸承 表3-2 選用軸承的基本尺寸及性能 d D B r 脂潤滑 油潤滑 61802 15 24 5 0.3 2.1 1.3 22000 30000 第四章 主要零件的強度校核 在行星齒輪減速器中，行星齒輪所受的作用力來自于內(nèi)齒輪的作用力、輸出機構(gòu)的作用力和轉(zhuǎn)臂軸承。參看圖4-1，當(dāng)按照逆時針并以的轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)運動，此時它作用給內(nèi)齒輪的總法向力的大小是，而作用給的合力是： （4-1） 4.1 齒輪傳動分析 4.1.1 齒輪受力 內(nèi)齒輪固定， 齒輪分度圓受力： （4-2） 表4-1 輪齒受力計算公式 齒輪 項目 代號 計算公式 NN型傳動，b固定，a輸出 圓周力 分度 圓上 節(jié)圓 上 徑向力 法相力 F ——輸出轉(zhuǎn)矩（＝0.6=8.4804×N·mm） ——行星輪分度圓直徑（＝40mm） ——實際嚙合角（＝39.9°） ——初選嚙合角（＝40°） 對于本次設(shè)計的行星齒輪減速器，由于實際工作是多對齒嚙合接觸受力，所以在校核強度時，可以只校核齒根強度。 由上表可求得=1045N 彎曲應(yīng)力的計算式為: (4-3) (4-4) 式中：——使用系數(shù)；——動載系數(shù)（）； m——模數(shù)（m=1) ——齒形系數(shù)（); ——重合度系數(shù)（）； ——彎曲強度的壽命（）； ——應(yīng)力修正系數(shù)（）； ——尺寸系數(shù)（); ——彎曲應(yīng)力最?。ǎ? （4-5） 4.1.2 轉(zhuǎn)臂軸承受力 轉(zhuǎn)臂軸承在少齒差傳動中起著至關(guān)重要的作用，它的位置在于減速器的和轉(zhuǎn)臂之間。軸承在高速重載的環(huán)境下工作，故還需滿足輸出機構(gòu)的條件，因此往往軸承的尺寸被現(xiàn)有的條件所約束。實踐證明，設(shè)計時應(yīng)該盡可能的選用高效能的軸承，原因是傳動承載能力決定著轉(zhuǎn)臂軸承的壽命。 根據(jù)上圖4-2。如圖所示，行星輪所受銷軸： =N （4-6） 圖4-2中F可分解為和 ＝N （4-7） ＝tan=4135N （4-8） （4-9） 代入數(shù)值得出：＝1557.46N 4.2 軸承的校核計算 根據(jù)傳動要求選用的軸承如下表4-2所示： 滾動軸承的壽命校核計算公式： （4-10） ——軸承轉(zhuǎn)速，； ——軸承壽命指數(shù)，，對； ——壽命因數(shù)； ——速度因數(shù)； ——力矩載荷因數(shù)，，； ——沖擊載荷因數(shù)； ——溫度系數(shù)，。 （4-11） 表4-2 軸承代號及基本參數(shù) 型號 數(shù)目 基本參數(shù) d D B 基本額定動載荷/kN GB/T276-1994 61901 2 12 24 6 2.9 GB/T276-1994 61802 2 15 24 5 2.1 GB/T276-1994 61803 1 17 26 5 2.2 GB286-81 629 1 9 26 8 4.45 1） 軸承61901，；查得＝4.58，=1.073，=1.5，=1.2，則： （4-12） 2）軸承61802，與端蓋相連的是相對速度,故；且查得＝4.58，=0.324，=1.5，=1.2，則： （4-13） 而聯(lián)接軸承的轉(zhuǎn)速與輸入軸相同，n＝960，則： （4-14） 3）軸承61803（球軸承），n＝26.53r/min；查得＝4.58，=1.073，=1.5，=1.2， （4-15） 4） 軸承629，其中轉(zhuǎn)速是代表著相對速度，故 （4-16） 且查得＝3.93，=0.363，=1.5，=1.2，則： （4-17） 故全部軸承滿足要求。 第五章 漸開線少齒差行星齒輪傳動的運動分析 根據(jù)對內(nèi)齒輪副的主要約束條件要求為：重合度=1.050，齒廓重疊干涉=0.050，外齒輪齒頂頂隙。 5.1 內(nèi)外齒輪頂圓嚙合角 外齒輪頂圓嚙合角： （5-1） （5-2） 內(nèi)齒輪頂圓嚙合角： （5-3） （5-4） 求得： 5.2 重合度驗算 ={39*[tan30.922-tan39.606]-41[tan24.559-tan39.606]}/2 =1.162>=1.050 （5-5） ={40*[tan30.712-tan40.222]-42[tan24.461-tan40.222]}/2 =1.320>=1.050 （5-6） 綜上所述可知，重合度符合要求。 5.3 齒廓重迭干涉驗算 和配對嚙合時： = =1.2715rad （5-7） = =1.1921rad （5-8） =39(+1.2715)+(41-39)(-41(+1.1921) =1.7842>=0.050 （5-9） 綜上所述，齒輪和配對，齒廓重疊條件通過。 和配對嚙合時： = =1.3224rad （5-10） = =1.2192rad （5-11） =40(+1.3224)+(42-40)(-42(+1.2192) =0.8425>=0.050 （5-12) 綜上所述，齒輪和配對，齒廓重疊條件通過。 5.4 漸開線干涉檢查 (5-13) 即 39-41 （5-14） 即 42-40 綜上所述漸開線干涉限制條件通過。 第六章 漸開線少齒差行星齒輪傳動效率計算 6.1 兩對內(nèi)嚙合齒輪的效率 要求得此類減速器中兩對內(nèi)嚙合齒輪的效率，首先查詢新版《機械設(shè)計手冊》第3卷（機械工業(yè)出版社出版）中的式得： = （6-1） 所以 = （6-2） 所以 又由查詢新版《機械設(shè)計手冊》第3卷（機械工業(yè)出版社出版）中的式得： = （6-3） 所以 = （6-4） 所以 齒廓摩擦系數(shù)，則，根據(jù)新版《機械設(shè)計手冊》第3卷中的式得 = （6-5） = （6-6） 6.2 行星結(jié)構(gòu)的嚙合效率 在雙內(nèi)嚙合少齒差傳動中，內(nèi)齒輪作為輸出，嚙合效率可由嚙合功率法推導(dǎo)出為： （6-7） 式中 ——轉(zhuǎn)化機構(gòu)的嚙合效率，。 所以可知： 6.3 轉(zhuǎn)臂軸承效率 根據(jù)新版《機械設(shè)計手冊》第3卷中的式可知： （6-8） 轉(zhuǎn)臂軸承摩擦系數(shù)=0.002，為軸承內(nèi)徑，61901軸承=12，模數(shù)m=1，=1， 則 （6-9） 6.4 減速裝置的總效率 要想求得此類減速器裝置的總效率，則由新版《機械設(shè)計手冊第三卷》中的式（）得 （6-10） 第七章 傳動的附件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 7.1 減速器箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計 減速器的箱體是保障內(nèi)部零部件能夠正常運轉(zhuǎn)工作的前提，合理設(shè)計箱體的結(jié)構(gòu)以及正確選擇箱體的材料是設(shè)計箱體的首要任務(wù)。同時在設(shè)計時要考慮加工工藝及加工成本的要求。歸納總結(jié)應(yīng)該按以下幾個部分來合理設(shè)計減速器的箱體：箱體的剛度需保證足夠、應(yīng)合理設(shè)計肋板；箱體應(yīng)具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性其中包括鑄造工藝性、機械加工工藝性等，同時箱體設(shè)計過程中形狀應(yīng)需保證均勻、美觀。在本次設(shè)計當(dāng)中箱體材料選用灰鑄鐵。 此次設(shè)計中減速器的箱體設(shè)為分體式，考慮到減速器的安裝和拆卸方便將減速器的外殼分為左、中、右三部分，減速器殼體如下圖7-1所示： 圖7-1 減速器殼體圖 7.2 平衡塊的設(shè)計 由于此類減速器的設(shè)計中，因齒數(shù)相差很小，采用偏心軸的設(shè)計，這就導(dǎo)致了行星齒輪在運轉(zhuǎn)中不能達到平衡運轉(zhuǎn)，所以在偏心軸的兩側(cè)裝有平衡塊，目的是為了讓工件可以平穩(wěn)工作，不產(chǎn)生相對振動。平衡塊材料選Q235。因平衡塊對稱放置于偏心軸偏心部分的兩側(cè)，離偏心軸質(zhì)心的距離為，設(shè)平衡塊質(zhì)量為，矢徑為r，偏心軸質(zhì)量為。查得《機械原理》公式10-3得： （7-1） 又 （7-2） 解得 （7-3） 設(shè)矢徑 ，得 7.3 密封和潤滑方式 本減速器中，所有潤滑方式均采用脂潤滑，密封方式采用凸緣式軸承蓋，用FA型橡膠防塵密封圈，代號: GB/T 10708.3-2000加以密封。 總 結(jié) 本文探索性的設(shè)計出了漸開線少齒差行星齒輪傳動減速器，通過查找現(xiàn)有的資料對零部件進行了設(shè)計，其中包括具體的計算、校核及繪制圖形等等。方案設(shè)計后得出了如下結(jié)論： 1. 本文設(shè)計出的減速器是一種攜帶方便、體積很小，適用于大型客車和中重型貨車。 2. 轉(zhuǎn)臂軸承在本次的減速器設(shè)計中起著很重要的作用，要使轉(zhuǎn)臂軸承的壽命提高，可通過增加兩軸承之間的安裝距離，使軸承上的載荷減小來實現(xiàn)。 3. 雙內(nèi)嚙合式減速器相比于其他普通減速器有以下優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單緊湊、體積很小、質(zhì)量小、傳動比大等等。所以，著重研究并開發(fā)設(shè)計此類減速器有很大的價值。 本課題在以下幾個方面還有待于進一步開展工作： 為了減速器的齒輪準(zhǔn)確嚙合而不產(chǎn)生相互干涉，此設(shè)計中必須選用變位齒輪；而齒輪的變位系數(shù)的選擇通過試算法來確定，過程極為繁瑣復(fù)雜，雖然在此次設(shè)計中，選用的變位系數(shù)在驗算齒輪的各種干涉條件時，都符合條件然而卻并非最優(yōu)，故在以后的設(shè)計中如何準(zhǔn)確迅速的選擇有待開發(fā)。 參考文獻 [1] 吳春英,王曉霞.內(nèi)齒行星齒輪減速器的設(shè)計[N].陜西科技大學(xué)學(xué)報,2003年6期 [2] 張展.漸開線少齒差行星齒輪傳動裝置[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012.6:10-32 [3] 戴紅娟,周紅良,曾勵.少齒差行星齒輪傳動技術(shù)現(xiàn)狀發(fā)展[N].機械工程師,2005年12期 [4] 機械設(shè)計手冊編委會.機械設(shè)計手冊新版第三卷