三級(jí)行星減速器設(shè)計(jì)（含三維SW模型+CAD圖紙+參考說(shuō)明書）

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This article will introduce the basic principles of the three-stage planetary gear reducer and the design scheme of the reducer. First, complete the design of the planetary transmission's load sharing mechanism, and then use Auto CAD to complete the transmission diagram of the planetary gear reducer, and draw the main part diagrams and three-dimensional views of all parts. Finally, use solidworks to complete the assembly drawing of all the parts of the reducer, and complete the assembly simulation of the reducer. Keywords: planetary gear transmission; Auto CAD; solidworks; design; simulation 第一章 緒論 1.1 論文選題背景 減速器(Reducer，又稱為減速機(jī)或減速箱)是一種通過(guò)聯(lián)軸器將原動(dòng)機(jī)與工作機(jī)連接起來(lái)閉式變速傳動(dòng)裝置，大部分情況是降低輸出端的旋轉(zhuǎn)速度同時(shí)增大輸出端的轉(zhuǎn)矩，在某些特定的情況下，亦可用它來(lái)提升轉(zhuǎn)速降低轉(zhuǎn)矩，此時(shí)則稱之為增速器[1]。由于減速器的主要作用是改變?cè)瓌?dòng)機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，因此減速器被廣泛的應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)[2]。 近日前瞻產(chǎn)業(yè)研究院經(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)查研究分析，發(fā)布了《2015-2020 年中國(guó)減速機(jī)行業(yè)市場(chǎng)前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》的數(shù)據(jù)，根據(jù)發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，2013-2014 我國(guó)裝備制造行業(yè)整體出現(xiàn)回暖跡象，減速器行業(yè)各項(xiàng)經(jīng)營(yíng)指標(biāo)整體呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。2014 年，整個(gè)減速器行業(yè)完成工業(yè)總產(chǎn)值為 758.08 億元，較上年同比增長(zhǎng) 8.26%，銷售營(yíng)業(yè)收入達(dá)到 743.65 億元，較上年增長(zhǎng) 7.23%，整個(gè)行業(yè)的總資產(chǎn)為 623.78 億元，負(fù)債規(guī)模也下降了，負(fù)債 268.05 億元。據(jù)最新的權(quán)威統(tǒng)部門發(fā)布，2014 年整個(gè)減速器行業(yè)企業(yè)數(shù)量已經(jīng)有 489 家，超過(guò) 79701 人從事該行業(yè)，整體利潤(rùn)總額為 57.04 億元。分析認(rèn)為，2015-2020 我國(guó)將進(jìn)入“十三五規(guī)劃”，隨著國(guó)家城鎮(zhèn)化速度加快，大量二三線城市發(fā)展將進(jìn)入黃金時(shí)期，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)加快。而減速器在一些基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)尤其是在一些下游行業(yè)應(yīng)用較廣泛。如水泥建材、航天航空、起重運(yùn)輸、紡織輕工業(yè)、冶金、重型礦山、電力等行業(yè)。同時(shí)在一些高精尖領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用，如航天航空等?？梢哉f(shuō)減速器已廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展各個(gè)領(lǐng)域。隨著中國(guó)城鎮(zhèn)化加快，各行業(yè)對(duì)減速器的需求也增加，尤其是在這些下游市場(chǎng)需求更大，因此我國(guó)減速機(jī)行業(yè)發(fā)展前景被業(yè)內(nèi)廣泛看好，其需求主要在以下四行業(yè)： （1）起重運(yùn)輸設(shè)備行業(yè)對(duì)減速器的需求與發(fā)展前景 2014 年隨著國(guó)內(nèi)外發(fā)展環(huán)境改善，世界經(jīng)濟(jì)呈現(xiàn)出回暖跡象，中國(guó)經(jīng)濟(jì)也出現(xiàn)積極信號(hào)，“十二五”規(guī)劃的國(guó)內(nèi)基建項(xiàng)目將在最后兩年抓緊完成，這些跡象都為起重運(yùn)輸制造企業(yè)發(fā)展創(chuàng)造了良好的宏觀環(huán)境。權(quán)威部門分析認(rèn)為，“十三五”期間，我國(guó)的開放速度加快，國(guó)家將繼續(xù)扶持起重運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展，尤其在港口起重運(yùn)輸行業(yè)將加大投入，速度也直接決定了減速器市場(chǎng)的發(fā)展，受此行業(yè)的影響，預(yù)計(jì)“十三五”期間，減速器的需求也會(huì)增加。 （2） 航天航空行業(yè)對(duì)減速器的需求與發(fā)展前景 21 世紀(jì)各國(guó)都在謀劃著航天航空發(fā)展，科學(xué)家甚至預(yù)測(cè)，21 世紀(jì)太空競(jìng)爭(zhēng)將不亞于一次世界大戰(zhàn)，各國(guó)都將其視為優(yōu)先發(fā)展行業(yè)。我國(guó)在太空領(lǐng)域的探索已經(jīng)取得長(zhǎng)足進(jìn)步，相對(duì)歐美發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定的差距，尤其在國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)這個(gè)領(lǐng)域差距較大，為此我國(guó)制定了國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)發(fā)展規(guī)劃。探月工程的實(shí)施，都為航天航空的發(fā)展描繪了藍(lán)圖。航天航空領(lǐng)域?qū)υO(shè)備的需求有著更高的要求，而減速器作為機(jī)械設(shè)備核心部件，在該領(lǐng)域同樣有著舉足輕重的地位。隨著國(guó)家一大批航天航空工程的推進(jìn)與實(shí)施，減速器行業(yè)的發(fā)展前景也會(huì)隨之被看好。 （3）冶金行業(yè)對(duì)減速器的需求與發(fā)展前景 權(quán)威報(bào)告分析，“十二五”期間我國(guó)鋼鐵行業(yè)嚴(yán)重產(chǎn)能過(guò)剩，加上原材料價(jià)格上漲，整個(gè)制造成本上漲，整個(gè)鋼鐵行業(yè)面臨著嚴(yán)峻形勢(shì)。雖然目前鋼鐵行業(yè)的發(fā)展依舊困難重重，鋼鐵行業(yè)是整個(gè)國(guó)家的工業(yè)基礎(chǔ)，國(guó)家自古就對(duì)鋼鐵行業(yè)高度重視。隨著新一輪改革開發(fā)開啟，國(guó)家開始對(duì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行戰(zhàn)略性調(diào)整。鋼鐵行業(yè)將加快產(chǎn)業(yè)升級(jí)，對(duì)傳統(tǒng)的工藝技術(shù)進(jìn)行改造，注入現(xiàn)代高新設(shè)備技術(shù)，這些也為減速器的發(fā)展與前景帶來(lái)了機(jī)遇。總體而言，機(jī)遇大于挑戰(zhàn)，據(jù)有關(guān)人士透露，“十三五”期間，國(guó)家將加大化解過(guò)剩產(chǎn)能，加快淘汰一些落后產(chǎn)能，大力發(fā)展環(huán)保和大型高效鋼鐵冶煉設(shè)備。冶金行業(yè)將迎來(lái)更高質(zhì)量的春天，減速器作為冶金設(shè)備的重要部件，也必將隨著冶金行業(yè)健康可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。 （4）工程機(jī)械行業(yè)對(duì)減速器的需求前景 隨著我國(guó)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展加快，西部大開發(fā)、中部崛起等國(guó)家戰(zhàn)略實(shí)施，基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)將加快發(fā)展，特別是鐵路、公路、水利等行業(yè)將提速發(fā)展，這也為工程機(jī)械行業(yè)發(fā)展注入一針強(qiáng)心劑。減速器作為工程機(jī)械行業(yè)的核心部件也會(huì)得到極大的拉動(dòng)效應(yīng)。 行星齒輪減速器是減速器系列中及其重要的一種，并且行星齒輪具有以下主要特點(diǎn)[4]： （1）體積小、重量輕； （2）承載能力比較大、傳遞功率跨度大、結(jié)構(gòu)較緊湊； （3）傳動(dòng)比大； （4）傳動(dòng)效率高； （5）傳動(dòng)平穩(wěn)、可靠性高。 因此行星齒輪減速器傳動(dòng)將被廣泛應(yīng)用于起重運(yùn)輸、航天航空、冶金機(jī)械、工程機(jī)械等行業(yè)[5]。然而隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)日新月異，人們對(duì)產(chǎn)品的各方面都有更高的要求，各行業(yè)對(duì)行星齒輪減速器也有更高的要求，要求行星齒輪減速器穩(wěn)定性越來(lái)越好，產(chǎn)品的質(zhì)量越來(lái)越好，經(jīng)濟(jì)成本越來(lái)越低[6]。行星齒輪減速?gòu)拇诉M(jìn)入到了快速更新?lián)Q代的新時(shí)代，其結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，穩(wěn)定性要求也越來(lái)越高，質(zhì)量也越來(lái)越高，產(chǎn)品的更新周期也越來(lái)越短。但是在行星齒輪減速器的研發(fā)成本中，研發(fā)費(fèi)用只占總成本的 5%，而設(shè)計(jì)費(fèi)用卻占據(jù)了研發(fā)費(fèi)用的 80%，由此可以看出，行星齒輪減速器研發(fā)中設(shè)計(jì)占據(jù)了舉足輕重的作用[7]。在減速器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，本身參數(shù)就極其之多而且相互制約。而行星齒輪減速器設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)參數(shù)的相互制約有著更高的要求，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和手段來(lái)確定各項(xiàng)參數(shù)，工作量極其之大，也很難保證參數(shù)的準(zhǔn)確性，整個(gè)設(shè)計(jì)的周期也很長(zhǎng)，難以滿足行業(yè)快速發(fā)展的需求[8]。因此，為了設(shè)計(jì)出更高質(zhì)量、更為精確、更接近實(shí)際客觀需求的產(chǎn)品，同時(shí)降低設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)周期。就必須將 CAD/CAE 等虛擬技術(shù)引入設(shè)計(jì)中，進(jìn)而根據(jù)這些虛擬設(shè)計(jì)結(jié)果來(lái)指導(dǎo)實(shí)際，并且反復(fù)的修改達(dá)到實(shí)際需求。利用這些虛擬的設(shè)計(jì)方法，不僅能提出合理的設(shè)計(jì)方法，而且快速有效，極大的降低了設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，也縮短了設(shè)計(jì)的周期。由此可見，對(duì)減速器，尤其是行星齒輪減速器的設(shè)計(jì)，將CAD/CAE 等虛擬技術(shù)引入設(shè)計(jì)中是十分有必要的[9]。傳動(dòng)裝置是整個(gè)行星齒輪減速器最核心的組成部分，其性能的優(yōu)劣性在很大程度上直接影響了行星齒輪減速器工作性能好壞。因此，對(duì)行星齒輪減速器傳動(dòng)裝置的分析與研究有著重大的意義。為了提高行星齒輪減速器產(chǎn)品質(zhì)量及縮短研發(fā)周期，同時(shí)能滿足行業(yè)的需求降低經(jīng)濟(jì)成本，本文選取了三級(jí)行星齒輪減速器的傳動(dòng)裝置作為分析與研究對(duì)象，為行星齒輪減速器的設(shè)計(jì)提供一種行之有效的方法。 1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 行星齒輪減速器已經(jīng)有了很多年的發(fā)展歷史，在很久以前就有了相關(guān)的應(yīng)用。但是，從20世紀(jì)60年代以來(lái)，中國(guó)才正式開始對(duì)行星齒輪傳動(dòng)深入系統(tǒng)化的研究工作。在設(shè)計(jì)理論方面和試制應(yīng)用方面，都取得了很大的成就。中國(guó)改革開放以來(lái)，憑借著科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展和進(jìn)步，我國(guó)已經(jīng)從其他工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家引入了很多先進(jìn)的機(jī)械設(shè)備和技術(shù)，通過(guò)科研人員不停地的積累和消化，努力奮進(jìn)，開拓創(chuàng)新，才使得我們國(guó)家的行星傳動(dòng)技術(shù)迅速的發(fā)展。 國(guó)外減速器發(fā)展起步比較早，特別是德國(guó)、日本、丹麥、美國(guó)等處于國(guó)際領(lǐng)先地位。無(wú)論在材料還是在制造工藝等方面都占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，而且在研發(fā)設(shè)計(jì)中更是處于絕對(duì)領(lǐng)先地位。上世紀(jì)七十年代到八十年代，世界上減速器技術(shù)得到了很大的發(fā)展，新的技術(shù)不斷在減速器上得到應(yīng)用，當(dāng)時(shí)已經(jīng)可以制造出可靠而使用壽命長(zhǎng)的產(chǎn)品[12]。由于行星齒輪減速器具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，社會(huì)的需求量不斷增大，早在上世紀(jì)六十年代，德國(guó)、美國(guó)、英國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的工程技術(shù)人員就新的工程設(shè)計(jì)思維和方法進(jìn)行了探究性工作，優(yōu)先開展了優(yōu)化設(shè)計(jì)等研究，同時(shí)也提出了許多至今都有重大影響的方法，如遺傳算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)、模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)。 如今各國(guó)減速器及齒輪技術(shù)是向六高、二低、二化這幾個(gè)方面發(fā)展。高承載能力、高齒面硬度、高精度、高速度、高可靠性和高傳動(dòng)效率即為六高；低噪聲、低成本即二低；標(biāo)準(zhǔn)化、多樣化即二化。減速器和齒輪的發(fā)展，在很大程度上象征著國(guó)家的工業(yè)水平。所以，開拓和發(fā)展減速器和齒輪技術(shù)對(duì)我國(guó)的綜合國(guó)力提升具有重要的意義。 1.3 本文主要內(nèi)容 本文的行星齒輪減速器的設(shè)計(jì)，主要包含三個(gè)方面的設(shè)計(jì)，即行星齒 輪傳動(dòng)比的設(shè)計(jì)，主軸的設(shè)計(jì)以及減速器箱體的設(shè)計(jì)和后期潤(rùn)滑處理。傳動(dòng)比設(shè)計(jì)部分:主要是對(duì)要設(shè)計(jì)的減速器的需求來(lái)設(shè)計(jì)減速比再通過(guò)減速比來(lái)依次確定各行星齒輪的齒數(shù)與分布。主軸的設(shè)計(jì)部分：主要是對(duì)傳動(dòng)中力的計(jì)算和分析，軸的的材料和型號(hào)的選擇與校核等。箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 要對(duì)箱體的結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)和潤(rùn)滑油的選擇等。 詳細(xì)了解行星齒輪減速器工作時(shí)的具體情況，制定出行星齒輪的傳動(dòng)方案。參考機(jī)型設(shè)計(jì)手冊(cè)，以及相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，做出行星齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。參考有關(guān)書籍，確定行星齒輪各輪參數(shù)的設(shè)計(jì)。最后，完成減速器箱體的設(shè)計(jì)和繪制相關(guān)零件圖以及模型原理圖。 第二章 減速器系統(tǒng)概述 2.1 行星減速器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 行星齒輪減速機(jī)主要傳動(dòng)結(jié)構(gòu)為：行星輪、太陽(yáng)輪和外齒圈。行星齒輪傳動(dòng)的主要特點(diǎn)是體積小，承載能力大，工作平穩(wěn)；但大功率高速行星齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，要求制造精度高。行星齒輪減速器基本傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如下： 驅(qū)動(dòng)源以直結(jié)或連接方式啟動(dòng)太陽(yáng)齒輪，太陽(yáng)齒輪將組合于行星架上的行星齒輪帶動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。整組行星齒輪系統(tǒng)沿著外齒輪環(huán)自動(dòng)繞行轉(zhuǎn)動(dòng)，行星架連結(jié)出力軸輸出達(dá)到減速目的。更高減速比則借由多組階段齒輪與行星齒輪倍增累計(jì)而成。 行星減速機(jī)由一個(gè)內(nèi)齒環(huán)(A)緊密結(jié)合于齒箱殼體上，環(huán)齒中心有一個(gè)自外部動(dòng)力所驅(qū)動(dòng)之太陽(yáng)齒輪(B)介于兩者之間有一組由三顆齒輪等分組合于托盤上之行星齒輪組(C)該組行星齒輪依靠著出力軸、內(nèi)齒環(huán)及太陽(yáng)齒支撐浮游于期間；當(dāng)入力側(cè)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)齒時(shí)，可帶動(dòng)行星齒輪自轉(zhuǎn)，并依循著內(nèi)齒環(huán)之軌跡沿著中心公轉(zhuǎn)，行星之旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)連結(jié)于托盤之出力軸輸出動(dòng)力。 2.2行星齒輪減速機(jī)的特性 高扭力、耐沖擊：行星齒輪的結(jié)構(gòu)異于傳統(tǒng)行星齒輪的運(yùn)轉(zhuǎn)方式。傳統(tǒng)齒輪僅依靠?jī)蓚€(gè)齒輪間極少數(shù)點(diǎn)接觸擠壓驅(qū)動(dòng)，所有負(fù)荷集中于相接觸的少數(shù)齒輪面（圖一），容易產(chǎn)生齒輪的摩擦和斷裂。而行星減速機(jī)具有六個(gè)更大面積齒輪接觸面360度均勻負(fù)荷（圖二），多個(gè)齒輪面共同均勻承受瞬間沖擊負(fù)荷，使其更能承受較高扭力沖擊。本休及各大軸承零件也不會(huì)因高負(fù)荷而損壞破裂。 體積小，重量輕：傳統(tǒng)齒輪減速機(jī)的設(shè)計(jì)有多套大小齒輪偏移到交錯(cuò)驅(qū)動(dòng)減速，因?yàn)闇p速比必須加倍兩個(gè)齒輪的數(shù)量，齒輪的尺寸必須有咬合之間有一定的距離，因此，齒盒包含較大的空間，特別是當(dāng)高速比的組合需要由兩個(gè)或多個(gè)減速齒輪箱組合時(shí)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相對(duì)減弱，并且齒的長(zhǎng)度盒子加長(zhǎng)，導(dǎo)致體積和重量巨大。行星減速器的結(jié)構(gòu)可以根據(jù)所需的段數(shù)重復(fù)連接，并且多個(gè)段可以分開完成。 2.3行星減速機(jī)傳動(dòng)比的分配 由于單級(jí)齒輪減速器的傳動(dòng)比最大不超過(guò)10，當(dāng)總傳動(dòng)比要求超過(guò)此值時(shí)，應(yīng)采用二級(jí) 或多級(jí)減速器。此時(shí)就應(yīng)考慮各級(jí)傳動(dòng)比的合理分配問(wèn)題，否則將影響到減速器外形尺寸的大 小、承載能力能否充分發(fā)揮等。根據(jù)使用要求的不同，可按下列原則分配傳動(dòng)比： (1)使各級(jí)傳動(dòng)的承載能力接近于相等； (2)使減速器的外廓尺寸和質(zhì)量最??； (3)使傳動(dòng)具有最小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； (4)使各級(jí)傳動(dòng)中大齒輪的浸油深度大致相等。 第三章 行星齒輪減速器設(shè)計(jì) 3.1 技術(shù)參數(shù) 3.1.1 齒輪箱 設(shè)計(jì)：帶方便電機(jī)連接法蘭（B5）的低齒隙同軸行星齒輪箱。 偏心率：小齒輪和驅(qū)動(dòng)軸與裝配法蘭中心偏離1.5mm（不是對(duì)中）。 減速比：i=155.4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度：額定：n速度=2420rpm 運(yùn)行：n運(yùn)行=0~1700rpm 最大：n最大=4000rpm 效率：≥0.9 電機(jī)法蘭：A250 3.1.2 材料 小齒輪：18Cr2Ni4W，表面滲碳處理 軸承箱體：20CrMnTi 其他箱體：20CrMnTi 3.1.3 大齒環(huán)和小齒輪 齒輪類型：內(nèi)嚙合部正齒，正常壓力角20°，基準(zhǔn)齒廓符合DIN 867 轉(zhuǎn)軸中心距：744mm 3.1.4 大齒環(huán)齒輪 模數(shù)：12mm 齒數(shù)z2：-139 齒寬b：100mm 齒形修正x2*m：-6mm按DIN3990 齒形質(zhì)量：DIN 3967/12 e 27 齒面硬度：HRC50+5/475 HV 10 Rht=1.4+0.8mm （齒側(cè)和齒根部硬度） 3.1.5 小齒輪 模數(shù)：12mm 齒數(shù)：z1=15 齒寬b=100mm 齒形修正x1*m：6mm按DIN3990 齒形質(zhì)量：DIN 3967/7 e 26，Ra最小=3.2磨亮 齒面硬度HRC58+4/600 HV 10 Rht=1.4+0.8mm（齒側(cè)和齒根部硬度） 修形：制造商應(yīng)給出能夠得到最好的傳動(dòng)效果的建議，并且由東方汽輪機(jī)廠決定。 3.1.6 小齒輪軸承 小齒輪軸承應(yīng)采用一個(gè)小的預(yù)加載圓錐滾子軸承。 3.1.7 小齒輪力矩 M最大力矩＝10500Nm 變化范圍：ΔM運(yùn)行＝8300Nm 負(fù)荷循環(huán)次數(shù)：n=2.0*108 3.1.8 軸承設(shè)計(jì)的載荷 齒輪的平均扭矩： Mgear outlet=4150Nm 軸承額定壽命：Lrequ=66500h 3.1.9 電動(dòng)機(jī)總量載荷 直流電機(jī)安裝在齒輪箱的B5法蘭上。電機(jī)的總量是85Kg。電機(jī)的重心在離B5法蘭大約500mm處。在運(yùn)行期間的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)給了整個(gè)齒輪箱變化的重力矩，負(fù)荷周期大約為次循環(huán)。 由電機(jī)自重的激勵(lì)引起的力矩和風(fēng)機(jī)在惡劣環(huán)境下產(chǎn)生的力矩疊加作用。這個(gè)額定激勵(lì)力矩能根據(jù)周期為n=1.8*108負(fù)荷循環(huán)情況進(jìn)行估計(jì)，然后再加上自重加速度為a=1g=9.81m/s2 3.2 傳動(dòng)系設(shè)計(jì)及校核 3.1 已知條件 額定輸入功率：6.5 kW 額定輸入轉(zhuǎn)速：1700 rpm 額定輸出轉(zhuǎn)速：10.94 rpm 總傳動(dòng)比：155.4 效率： ≥0.9 3.2 方案設(shè)計(jì) 3.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本行星齒輪減速箱在結(jié)構(gòu)上采用3級(jí)NGW型行星傳動(dòng)，減速比大、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力大。 各級(jí)行星輪系都由太陽(yáng)輪、行星輪和內(nèi)齒圈構(gòu)成，其中1、2、3級(jí)行星輪個(gè)數(shù)為3個(gè)。各級(jí)之間，上一級(jí)的行星架與下一級(jí)太陽(yáng)輪軸通過(guò)齒輪連軸器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定連接。輸出軸采用花鍵實(shí)現(xiàn)扭矩的傳遞。本設(shè)計(jì)進(jìn)行了各級(jí)齒輪連軸器和花鍵連接的強(qiáng)度校核。 第一級(jí)選用行星架浮動(dòng)； 第二級(jí)選用太陽(yáng)輪與行星架同時(shí)浮動(dòng)； 第三級(jí)選用太陽(yáng)輪浮動(dòng)。 3.2.2 齒形及精度 因?qū)儆诘退賯鲃?dòng)，采用齒形角的直齒輪傳動(dòng)，精度定為6級(jí)。 3.2.3 齒輪材料及其性能 太陽(yáng)輪和行星輪采用硬齒面，內(nèi)齒輪用軟齒面，以提高承載能力、減小尺寸。三級(jí)都采用相同的材料搭配。 太陽(yáng)輪： 20CrMnTi，滲碳淬火回火，表面硬度HRC56~62，σHlim=1500N·mm-2、σFlim=470 N·mm-2 行星輪： 20CrMnTi，表面淬火，滲碳淬火回火，表面硬度HRC56~62，σHlim=1500N·mm-2、σFlim=470 N·mm-2。因雙向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)際σFlim=470*0.8=376 N·mm-2 內(nèi)齒圈： 20CrMnTi，齒面滲碳淬火HRC56~60.，σHlim=1500 N·mm-2、σFlim=470 N·mm-2 3.2.4 配齒及傳動(dòng)比計(jì)算 表1 分配傳動(dòng)比及各級(jí)配齒 傳動(dòng)級(jí) za小齒輪 zc行星齒輪 zb內(nèi)齒輪 傳動(dòng)比 行星數(shù) 模數(shù)m 第一級(jí) 17 43 103 7.0588 3 2 第二級(jí) 17 31 79 5.6471 3 2.5 第三級(jí) 20 19 58 3.9000 3 4 實(shí)際總傳動(dòng)比為： 3.3 齒輪參數(shù)初步確定 3.3.1 按彎曲強(qiáng)度估算各級(jí)齒輪法向模數(shù) [2] (3-1) 3.3.1.1 估算第一級(jí)法向模數(shù) (3-1)式中： (直齒輪)[2] (載荷平穩(wěn))[2] (尺寸精度為6級(jí)，轉(zhuǎn)速超過(guò)300r/min)[3] N·m N·m ， ()，[4] ，取 mm 3.3.1.2 估算第二級(jí)法向模數(shù) (3-1)式中： (直齒輪) (載荷平穩(wěn)) (尺寸精度為6級(jí)，轉(zhuǎn)速低于300r/min) N·m N·m ， ()， ，取 mm 3.3.1.3 估算第三級(jí)法向模數(shù) (3-1)式中： (直齒輪) (載荷平穩(wěn)) (尺寸精度為6級(jí)，轉(zhuǎn)速低于300r/min) N·m N·m ， ()， mm，取 mm 3.3.2 各級(jí)主要幾何尺寸 3.3.2.1 第一級(jí)主要幾何尺寸 太陽(yáng)輪分度圓直徑： mm 行星輪分度圓直徑： mm 內(nèi)齒圈分度圓直徑： mm 齒寬： mm 3.3.2.2 第二級(jí)主要幾何尺寸 太陽(yáng)輪分度圓直徑： mm 行星輪分度圓直徑： mm 內(nèi)齒圈分度圓直徑： mm 齒寬： mm 3.3.2.3 第三級(jí)主要幾何尺寸 太陽(yáng)輪分度圓直徑： mm 行星輪分度圓直徑： mm 內(nèi)齒圈分度圓直徑： mm 齒寬： mm 3.4 各級(jí)齒輪疲勞強(qiáng)度校核 3.4.1 第一級(jí)疲勞強(qiáng)度校核 3.4.1.1 第一級(jí)外嚙合齒面接觸疲勞強(qiáng)度 計(jì)算接觸應(yīng)力[5]： 式中 [10] [11] m/s，[12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [20] N[21] mm [22] N/mm2 3.4.1.2 第一級(jí)外嚙合齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 計(jì)算彎曲應(yīng)力[6]： 式中 N[21] mm mm ，[23] ，[24] [17][19] [25] [11] m/s，[12] [13] [14] N/mm2 N/mm2 3.4.1.3 第一級(jí)內(nèi)嚙合齒面接觸疲勞強(qiáng)度 計(jì)算接觸應(yīng)力： 式中 [10] [11] m/s，[12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [20] N[21] mm [22] N/mm2 3.4.1.4 第一級(jí)內(nèi)嚙合齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 計(jì)算彎曲應(yīng)力：。只計(jì)算內(nèi)齒輪。 式中 N[21] mm mm [23] [24] [17] [19] [25] [11] m/s，[12] [13] [14] N/mm2 3.4.2 第二級(jí)疲勞強(qiáng)度校核 3.4.2.1 第二級(jí)外嚙合齒面接觸疲勞強(qiáng)度 計(jì)算接觸應(yīng)力： 式中 [10] [11] m/s，[12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [20] N[21] mm [22] N/mm2 3.4.2.2 第二級(jí)外嚙合齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 計(jì)算彎曲應(yīng)力： 式中 N[21] mm mm ，[23] ，[24] [17] [19] [25] [11] m/s，[12] [13] [14] N/mm2 N/mm2 3.4.2.3 第二級(jí)內(nèi)嚙合齒面接觸疲勞強(qiáng)度 計(jì)算接觸應(yīng)力： 式中 [10] [11] m/s，[12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [20] N[21] mm [22] N/mm2 3.4.2.4 第二級(jí)內(nèi)嚙合齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 計(jì)算彎曲應(yīng)力：。只計(jì)算內(nèi)齒輪。 式中 N[21] mm mm [23] [24] [17] [19] [25] [11] m/s，[12] [13] [14] N/mm2 3.4.3 第三級(jí)疲勞強(qiáng)度校核 3.4.3.1 第三級(jí)外嚙合齒面接觸疲勞強(qiáng)度 計(jì)算接觸應(yīng)力： 式中 [10] [11] m/s，[12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [20] N[21] mm [22] N/mm2 3.4.3.2 第三級(jí)外嚙合齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 計(jì)算彎曲應(yīng)力： 式中 N[21] mm mm ，[23] ，[24] [17] [19] [25] [11] m/s，[12] [13] [14] N/mm2 N/mm2 3.4.3.3 第三級(jí)內(nèi)嚙合齒面接觸疲勞強(qiáng)度 計(jì)算接觸應(yīng)力： 式中 [10] [11] m/s，[12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [20] N[21] mm [22] N/mm2 3.4.3.4 第三級(jí)內(nèi)嚙合齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 計(jì)算彎曲應(yīng)力：。只計(jì)算內(nèi)齒輪。 式中 N[21] mm mm [23] [24] [17] [19] [25] [11] m/s，[12] [13] [14] N/mm2 表2 各級(jí)輪系強(qiáng)度校核表（N/mm2） 級(jí)數(shù) 計(jì)算接觸強(qiáng)度 接觸強(qiáng)度安全系數(shù) 計(jì)算彎曲強(qiáng)度 彎曲強(qiáng)度安全系數(shù) 第 1 級(jí) 太陽(yáng)輪 577 2.60 73 6.44 行星輪 577 2.60 64 5.88 內(nèi)齒輪 210 7.14 81 5.80 第 2 級(jí) 太陽(yáng)輪 1174 1.28 272 1.73 行星輪 1174 1.28 248 1.52 內(nèi)齒輪 498 3.01 279 1.68 第 3 級(jí) 太陽(yáng)輪 1244 1.21 271 1.73 行星輪 1244 1.21 275 1.37 內(nèi)齒輪 689 2.18 294 1.60 3.5 齒輪靜強(qiáng)度校核 考慮到傳動(dòng)系的瞬時(shí)過(guò)載，按各級(jí)Tmax=1.5T進(jìn)行靜強(qiáng)度校核。 對(duì)20CrMnTi，Mpa 第一級(jí)太陽(yáng)輪 Mpa 第一級(jí)行星輪 Mpa 第二級(jí)太陽(yáng)輪 Mpa 第二級(jí)行星輪 Mpa 第三級(jí)太陽(yáng)輪 Mpa 第三級(jí)行星輪 Mpa 3.6 傳動(dòng)裝配條件驗(yàn)算 3.6.1 傳動(dòng)比條件 各級(jí)齒輪齒數(shù)的選擇均滿足所給定的傳動(dòng)比要求。 3.6.2 鄰接條件 必須保證相鄰兩行星輪互不相碰，并留有大于0.5倍模數(shù)的間隙。[26] 表3 各級(jí)傳動(dòng)鄰接條件表 參數(shù) 級(jí)數(shù) 鄰接條件 第一級(jí) 90 60 103.9 滿足 第二級(jí) 82.5 60 103.9 滿足 第三級(jí) 84 78 135 滿足 3.6.3 同心條件 為了保證正確的嚙合，各對(duì)嚙合齒輪之間的中心距必須相等。即，[27]。本傳動(dòng)方案各級(jí)傳動(dòng)均按手冊(cè)推薦選取，滿足同心條件。 3.6.4 裝配條件 保證各行星輪均能均布地安裝于兩中心齒輪之間，并且與兩個(gè)中心輪嚙合良好，沒(méi)有錯(cuò)位現(xiàn)象。本傳動(dòng)方案各級(jí)傳動(dòng)均按手冊(cè)推薦選取，滿足裝配條件。 3.7 嚙合參數(shù) 各級(jí)齒輪副間均采用標(biāo)準(zhǔn)傳動(dòng)。 3.8 齒輪幾何尺寸計(jì)算 表4第一級(jí)傳動(dòng)齒輪副幾何參數(shù) 序號(hào) 名稱 太陽(yáng)輪 行星輪 內(nèi)齒輪 1 模數(shù) 2 2 2 2 壓力角 20° 20° 20° 3 變位系數(shù) 0 0 0 4 分度圓直徑mm 34 86 206 5 齒頂高mm 2 2 2 6 齒根高mm 2.5 2.5 2.5 7 齒頂圓直徑mm 38 90 210 8 齒根圓直徑mm 29 81 201 9 基圓直徑mm 31.95 80.81 193.58 10 中心距mm 60 60 11 齒頂圓壓力角 32.77° 26.12° 22.81° 12 重合度 1.617 1.72 表5第二級(jí)傳動(dòng)齒輪副幾何參數(shù) 序號(hào) 名稱 太陽(yáng)輪 行星輪 內(nèi)齒輪 1 模數(shù) 2.5 2.5 2.5 2 壓力角 20° 20° 20° 3 分度圓直徑mm 42.5 77.5 197.5 4 齒頂高mm 2.5 2.5 2.5 5 齒根高mm 3.125 3.125 3.125 6 齒頂圓直徑mm 47.5 82.5 202.5 7 齒根圓直徑mm 36.25 71.25 191.25 8 基圓直徑mm 39.94 72.83 185.59 9 中心距mm 60 60 10 齒頂圓壓力角 32.77° 28.02° 23.58° 11 重合度 1.588 1.94 表6第三級(jí)傳動(dòng)齒輪副幾何參數(shù) 序號(hào) 名稱 太陽(yáng)輪 行星輪 內(nèi)齒輪 1 模數(shù) 4 4 4 2 壓力角 20° 20° 20° 3 分度圓直徑mm 80 76 240 4 齒頂高mm 4 4 4 5 齒根高mm 5 5 5 6 齒頂圓直徑mm 88 84 248 7 齒根圓直徑mm 70 66 230 8 基圓直徑mm 75.17 71.41 225.53 9 中心距mm 78 78 10 齒頂圓壓力角 31.33° 31.78° 24.58° 11 重合度 1.552 1.94 3.9 傳動(dòng)效率計(jì)算[28] 第一級(jí)傳動(dòng)效率： 第二級(jí)傳動(dòng)效率： 第三級(jí)傳動(dòng)效率： 總嚙合效率： 3.10 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本行星齒輪減速箱在結(jié)構(gòu)上采用3級(jí)NGW型行星傳動(dòng)，減速比大、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力大。 各級(jí)行星輪系都由太陽(yáng)輪、行星輪和內(nèi)齒圈構(gòu)成，其中1、2、3級(jí)行星輪個(gè)數(shù)為3個(gè)。各級(jí)之間，上一級(jí)的行星架與下一級(jí)太陽(yáng)輪軸通過(guò)齒輪連軸器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定連接。輸出軸采用花鍵實(shí)現(xiàn)扭矩的傳遞。本設(shè)計(jì)進(jìn)行了各級(jí)齒輪連軸器和花鍵連接的強(qiáng)度校核。 3.11 軸承設(shè)計(jì)及校核 表7 各級(jí)行星輪軸承選擇及額定載荷[29] 型號(hào) 基本額定動(dòng)載荷(KN) 基本額定靜載荷(KN) 輸入軸軸承 16010 16.1 13.1 第一級(jí)行星輪軸承 16004 7.9 4.5 第二級(jí)行星輪軸承 16004 7.9 4.5 第三級(jí)行星輪軸承 NA4906 25.5 35.5 輸出軸左側(cè)軸承 NU1022 115 155 輸出軸右側(cè)軸承 33119 298 498 3.11.1第一級(jí)行星輪軸承校核 行星輪切向力為： N 單個(gè)軸承所受力為： N， N 沖擊載荷系數(shù)，考慮輕微沖擊，取 對(duì)于深溝球軸承16004，當(dāng)量動(dòng)載荷為： N[30] 軸承壽命為： 計(jì)算額定動(dòng)載荷為： 計(jì)算當(dāng)量靜載荷為： N[31] 滾動(dòng)軸承安全系數(shù)按正常使用軸承取[32] 計(jì)算額定靜載荷為： N 第一級(jí)行星輪軸承16004通過(guò)校核。 3.11.2第二級(jí)行星輪軸承校核 行星輪切向力為： N 單個(gè)軸承所受力為： N， N 沖擊載荷系數(shù)，取 對(duì)于深溝球軸承16004，當(dāng)量動(dòng)載荷為： N 軸承壽命為： 計(jì)算額定動(dòng)載荷為： N 計(jì)算當(dāng)量靜載荷為： N 滾動(dòng)軸承安全系數(shù)按正常使用軸承取 計(jì)算額度靜載荷為：N 第二級(jí)行星輪軸承16004通過(guò)校核。 3.11.3第三級(jí)行星輪軸承校核 行星輪切向力為： N 單個(gè)軸承所受力為： N， N 沖擊載荷系數(shù)，取 對(duì)于滾針軸承NA4906，當(dāng)量動(dòng)載荷為： N 軸承壽命為： 計(jì)算額定動(dòng)載荷為： N 計(jì)算當(dāng)量靜載荷為： N 滾動(dòng)軸承安全系數(shù)按正常使用軸承取 計(jì)算額定靜載荷為： N 第三級(jí)行星輪軸承NA4906通過(guò)校核。 3.11.4輸出軸軸承載荷校核 輸出轉(zhuǎn)矩： N.m 輸出小齒輪分度圓上名義切向力： N 輸出小齒輪名義徑向力： N 齒輪合成受力為 N 根據(jù)輸出軸的合成力矩平衡條件： 輸出軸左端軸承所受徑向力：N，由于左端軸承采用一個(gè)圓柱滾子軸承NJ1020和一個(gè)深溝球軸承61824，所以每個(gè)軸承所受徑向力： N， N 輸出軸右端軸承所受徑向力：N，由于右端軸承采用兩個(gè)圓錐滾子軸承352217X2，所以單個(gè)軸承所受最大徑向力： N， N 滾動(dòng)軸承安全系數(shù)按正常使用軸承取 計(jì)算左端NJ1020軸承額定靜載荷為： N 輸出軸左側(cè)軸承NJ1020通過(guò)校核。 計(jì)算左端61824軸承額定靜載荷為： N 輸出軸左側(cè)軸承61824通過(guò)校核。 計(jì)算右端352217X2額定靜載荷為： N 輸出軸右側(cè)軸承352217X2通過(guò)校核。 3.12 軸的強(qiáng)度校核 3.12.1太陽(yáng)輪軸強(qiáng)度計(jì)算 按轉(zhuǎn)矩太陽(yáng)輪軸最小軸徑： mm[33] 由于太陽(yáng)輪軸采用20CrMnTi，所以＝52MPa，計(jì)算結(jié)果見下表： 表8太陽(yáng)輪軸計(jì)算 參數(shù) 級(jí)數(shù) 太陽(yáng)輪軸最小軸徑mm 實(shí)際太陽(yáng)輪軸徑mm 第1級(jí)太陽(yáng)輪軸 15.2 28 第2級(jí)太陽(yáng)輪軸 29.2 35 第3級(jí)太陽(yáng)輪軸 50 50 3.12.2行星輪軸強(qiáng)度計(jì)算 行星軸按心軸彎矩進(jìn)行校核： mm[34] 其中，行星輪軸的材料為40CrNiMoA，其許用彎曲應(yīng)力為Mpa，計(jì)算結(jié)果見下表： 表9軸校核 級(jí)數(shù) 彎矩M(N.mm) 最小軸徑mm 實(shí)際行星輪軸徑mm 第一級(jí)行星輪軸 11018 6.9 20 第二級(jí)行星輪軸 56434 12 20 第三級(jí)行星輪軸 241660 19.4 30 3.13直齒聯(lián)軸器強(qiáng)度校核計(jì)算 3.13.1第二級(jí)直齒聯(lián)軸器 直齒聯(lián)軸器輪齒剪切應(yīng)力校核計(jì)算公式：[35] 直齒聯(lián)軸器輪齒擠壓應(yīng)力校核計(jì)算公式：[35] N·m [35] [36] mm mm [35] [36] mm[36] [36] 第二級(jí)直齒齒聯(lián)軸器強(qiáng)度校驗(yàn)通過(guò)。 3.13.2第三級(jí)直齒聯(lián)軸器 直齒聯(lián)軸器輪齒剪切應(yīng)力校核計(jì)算公式：[35] 直齒聯(lián)軸器輪齒擠壓應(yīng)力校核計(jì)算公式：[35] N·m [35] [36] mm mm [35] [36] mm[36] [36] 第三級(jí)鼓形齒聯(lián)軸器強(qiáng)度校驗(yàn)通過(guò)。 3.14花鍵軸擠壓強(qiáng)度校核 花鍵擠壓強(qiáng)度公式：；許用壓強(qiáng)[37] N·m mm mm mm < 花鍵擠壓強(qiáng)度校驗(yàn)通過(guò)。 第四章 減速器裝配及仿真 4.1 三維軟件 solidworks 簡(jiǎn)介 SolidWorks 三維實(shí)體建模軟件是由美國(guó) SolidWorks 軟件公司開發(fā)的，該公司自建立之前就致力于打造一款簡(jiǎn)單、實(shí)用面向大眾的產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)科研人員的大量努力于 1995年誕生了第一款產(chǎn)品，公司緊跟用戶的需求，每年都不斷的完善更新產(chǎn)品，時(shí)至今日已經(jīng)在市場(chǎng)產(chǎn)生 15 個(gè)新舊不同的產(chǎn)品。該軟件不僅具有 CAD 軟件的易用性、高效性、創(chuàng)新性，還具有操作簡(jiǎn)單易上手、功能強(qiáng)大實(shí)用，因而廣泛被世界各大工程公司采用，也得到用戶的高度的認(rèn)可。Solidworks 軟件的圖形界面采用的是絕大部分技術(shù)人員所熟悉的 MicrosoftWindows 界面，該軟件是利用模型的尺寸、約束等條件建模的，不僅能快速簡(jiǎn)單的建立平面草圖也可以將草圖轉(zhuǎn)化為三維實(shí)體模型圖，同時(shí)也可以將三維實(shí)體模型 圖轉(zhuǎn)化為二維工程圖。也可以利用一些特殊的模塊進(jìn)行參數(shù)化建模。在實(shí)際建模中可以很方便的利用尺寸、約束等功能建立零件圖，然后根據(jù)零件的位置關(guān)系與裝配關(guān)系實(shí)現(xiàn)零件的準(zhǔn)配完成裝配圖。該軟件還能對(duì)裝配圖進(jìn)行干涉檢查。也能將建立的三維圖存為不同的格式實(shí)現(xiàn)和三維仿真軟件的無(wú)縫導(dǎo)入。 4.2 行星齒輪減速器零件圖