摆线针轮行星减速器可编辑毕业设计论文.docx
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摆线针轮行星减速器可编辑毕业设计论文
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摘要
摘要本次设计的是摆线针轮行星减速器摆线针轮行星传动具有传动比范围大体积小重量轻效率高运转平稳噪声低工作可靠寿命长的特点因此摆线针轮行星齿轮传动现已广泛地应用于工程机械矿山机械冶金机械起重运输机械轻工机械石油化工机械机床机器人汽车坦克火炮飞机轮船仪器和仪表等各个方面文中从对齿轮减速器的发展的历史研究开始再对传动比进行计算而后分别进行齿数计算齿形分析效率计算强度验算结构设计绘制减速器装配图及零件图最后对行星齿轮的结构设计进行了较详细的阐述通过对摆线针轮行星减速器的研究结合目前的发展情况和所要面临解决的问题设计出具有上述一系列优点的减速机构在设计中摆线针轮行星传动的薄弱环节是转臂轴承因转臂轴承在受力大转速也较高的情况下工作其内外圈的相对转速等于输入轴与输出轴二者转速绝对值之和所以
在新系列中为保证转臂轴承的寿命往往采用加强型的滚子轴承
关键词摆线针轮行星减速器齿轮行星齿轮减速器齿轮啮合滚子轴承
Abstract
AbstractThisdesignispin-cycloidalgearplanetaryPin-cycloidalgearplanetarygeartransmissionrangeisbigsmallvolumelightweightwidelyusedinengineeringmachineryminingmachinerymetallurgymachineryliftingtransportationmachinerylightindustrialmachinerypetroleumchemicalmachinerymachinetoolsrobotsautomobiletanksartilleryandaircraftshipsinstrumentandmeteretcBasedonthedevelopmentofgearreducer"thestudyofthencalculatedthetransmissionseparatelygeartoothprofileanalysisandcalculationthecalculationefficiencystrengthcalculationthestructuredesigndrawingassemblyanddetaildrawingsFinallythestructuredesignofplanetarygearsareexpoundedindetailThroughthecycloidplanetaryreducercombiningthecurrentdevelopmentsituationandtosolvetheproblemthedesignInthedesignofcycloidplanetarygeartheweaklinkisturningarmbearingbecauseinturnarmbearingforceofinnerworktherelativespeedequalsinputshaftandtheoutputshaftrotationalsumbetweenabsolutesothatanewseriesinturnforthelifeoftenarmbearingreinforcedbytherollerbearings
KeywordsPin-cycloidalgearplanetaryreducergearplanetarygearreducergearsmeshingrollerbearings
摘要I
AbstractII
第一章绪论1
11行星齿轮传动的发展概况1
12行星齿轮传动的发展趋势3
13行星齿轮传动的优缺点4
14本设计课题简介6
第二章摆线针轮减速器传动理论与设计方法7
21摆线针轮减速器的传动原理与结构特点7
211摆线针轮行星传动的传动原理7
212摆线针轮减速器的结构特点7
313摆线针轮传动的啮合原理8
第三章针齿与摆线轮齿啮合时的作用力15
31确定初始啮合侧隙15
32判定摆线轮与针轮同时啮合齿数的基本原理16
33针齿与摆线轮齿啮合的作用力16
34输出机构的柱销套作用于摆线轮上的力17
341判断同时传递转矩的柱销数目18
342输出机构的柱销作用于摆线轮上的力18
343转臂轴承的作用力18
35摆线针轮行星减速器主要强度件的计算19
351齿面接触强度计算19
352针齿抗弯曲强度计算及刚度计算19
353转臂轴承选择20
354输出机构柱销强度计算20
第四章摆线针轮减速器的设计计算22
41摆线轮的设计22
411确定传动的结果形式22
412确定摆线轮针轮的齿数22
413确定针轮半径22
414确定短幅系数和偏心距23
42转臂轴承的选择23
421转臂轴承负载计算23
423转臂轴承选择24
424转臂轴承寿命计算24
43确定针轮尺寸24
44摆线轮结果尺寸的计算26
45确定输出机构中柱销柱销套和柱销空的直径27
46摆线轮针齿柱销的数据表27
第五章轴的计算30
51输出轴的计算30
511输出轴的结构装配图30
512初步确定轴的最小直径30
513输出轴的结构设计30
514求轴上载荷31
515按弯扭合成应力校核31
516精确校核轴的疲劳强度32
52输入轴的计算33
521输入轴结构转配图33
522初步确定轴的最小直径34
523轴的结构设计34
524力的计算35
525按弯扭合成强度校核35
526精确校核轴的疲劳强度35
第六章箱体的结构设计38
61箱体的结构设计准则38
611机体应具有足够的刚度38
612应考虑便于机体内零件的润滑密封及散热38
613机体要有良好的工艺性39
62减速器箱体密封39
63试验要求观包装运输和储藏的要求39
第七章减速器的润滑41
71润滑的意义41
72齿轮润滑剂的选择42
参考文献44
致谢45
第一章绪论
11行星齿轮传动的发展概况
我国早在南北朝时代公元429~500年祖冲之就发明了有行星齿轮的差动式指南车比欧美早了1300多年
1880年德国第一个行星齿轮传动装置的专利出现了1920年首次成批制造出行星齿轮传动装置并首先用于汽车的差速器1938年起集中发展汽车用的行星齿轮传动装置二次世界大战后机械行业的蓬勃发展促进了行星齿轮传动的发展
高速大功率行星齿轮传动广泛的实际应用于1951年首先在德国获得成功1958年后英意日美苏瑞士等国也获得成功
低速重载行星减速器已由系列产品发展到生产特殊用途产品如法国Citroen生产用于水泥磨榨糖机矿山设备的行星减速器重量达125t输出转矩3900KNm
公元1765年欧拉提出用渐开线作为齿轮齿廓曲线以来定轴轮系的齿轮传动获得了最广泛的应用但是随着生产发展的需要早在1879年BOCK就论述了传动比i的行星齿轮装置继后Shaw发表了传动比i2的机构以及TOBPNABHKO用串联K-H-V型行星传动获得了传动比i的传动机构当时这些大传动比的行星机构主要是用以实现某一运动
19世纪以来随着机械工业的发展如汽车航空工业等特别是第二次世界大战后高速大功率船舰以及透平发动机组和透平压缩机等的发展对渐开线齿轮传动在速度功率效率外廓尺寸和重量等诸方面提出了愈来愈高的要求这对于一对外啮合的定轴齿轮传动来说由于在承载能力速比外廓尺寸和重量等诸方面的限制是难以满足生产发展的需要的从而提出了采用内啮合的分流传动结构由于分流效应和合理地利用了内啮合以及行星齿轮传动在运动学上的优点从而使渐开线行星齿轮传动得到了迅速的发展
高速大功率行星齿轮传动的实际应用于1951年首先在西德获得成功1958年以后美英日苏捷意荷瑞士等国亦获得成功并已成批生产使用其中在国际上享有盛名的有西德Renk行星齿轮箱瑞士Maag行星齿轮箱美国Fritlsch行星齿轮箱英国C·O·G行星齿轮箱捷克SKODA行星齿轮箱和日本IMT行星齿轮箱等
随着生产的不断发展制造技术的不断进步以及行星齿轮传动在设计上日趋完善从而使行星齿轮传动至今已达到了较高的水平目前渐开线行星齿轮传动圆周速度达160~200米秒传递功率达100000马力效率达098以上齿轮噪音达85分贝以下并且外廓尺寸小重量轻它比同等工作条件下的定轴齿轮传动外廓尺寸和重量减小12~16表1列出了Delaval公司生产的传动比i715N6000马力的行星齿轮减速箱与该工作条件下的一般定轴齿轮减速箱的比较情况行星齿轮传动与一般齿轮传动在相同条件下圆周速度也较小故传动载荷比一般齿轮也小些并且行星齿轮传动还具有工作可靠同轴传动等一系列优点
表1行星齿轮减速箱和一般定轴齿轮减速箱比较
项目行星齿轮减速箱一般定轴齿轮减速箱总重量kg34716943高度m131180长度m129142宽 度m135236体积229609损失功率kw018041齿宽m8195圆周速度ms427994
目前行星齿轮传动不仅适用于高速大功率而且在低速大扭矩设备上也已推广采用它几乎适应于一切功率速度范围和一切工作条件成为世界各国齿轮传动发展之重点渐开线行星齿轮传动已被广泛应用于船舰主减速器汽车坦克和拖拉机的差速器活塞式和涡轮螺旋桨式航空发动机与直升飞机中带动螺旋桨的行星传动以及波音菲托CH1T前旋翼驱动行星齿轮箱和贝尔VH1D主旋翼驱动行星齿轮减速器燃气轮机高速汽轮机和透平鼓风机及压缩机的行星齿轮增速箱和减速箱以及工程机械等产品上
我国从1968年起先后在有关单位试制成功列车电站燃气轮机N3000千瓦工业用高速汽轮机N500千瓦和万立米制氧透平压缩机N6300千瓦的行星齿轮箱为了推广行星传动有一机部组成了NGW系列工作组由西安重机研究所银川通用机械厂荆州减速机厂和各中性机械厂等二十几个单位于1974年制定了NGW2K-H型渐开线行星齿轮减速器的部标准目前渐开线行星齿轮传动在国内已逐渐受到重视并推广其应用
我国是从20世纪60年代起开始研制应用行星齿轮减速器20世纪70大功率的多种行星齿轮减速器如列车电站燃气轮机3000kW高速汽轮机500kW和万立方米制氧透平压缩机6300kW的行星齿轮箱低速大转矩的行星减速器也已批量生产如矿井提升机的XL-30型行星减速器800kW
世界各先进工业国经由工业化信息化时代正在进入知识化时代行星齿轮传动在设计上日趋完善制造技术不断进步使行星齿轮传动已达到了较高水平我国与世界先进水平虽存在明显差距但随着改革开放带来设备引进技术引进在消化吸收国外先进技术方面取得长足的进步
12行星齿轮传动的发展趋势
1向高速大功率及低速大转矩的方向发展行星齿轮箱传递的功率将与日俱增但是机组功率的继续增大目前受优越工艺因素的限制主要是没有与齿轮尺寸进一步增大相适应的高精度切齿机另一方面则是梅雨齿轮直径大于6米的热加工锻造设备因此需进一步研制大尺寸的高淬硬齿轮切削用的高刚性高精度滚齿和插齿机以及高精度和超硬切齿刀具和检验仪器在设计方面则应着重于擦伤强度的研究制定出齿轮擦伤强度的计算公式并对齿轮本体和箱体的变形应力计算进行研究随着高速的发展目前对行星齿轮传动的动力学研究还很不够特别是与公害有关的振动和噪音的研究随着电算技术的发展还应用有限元法制定出应用电子计算机进行齿轮设计和加工精度的计算方法用电算解决参数选择最优化此外还必须对内齿圈的固定方法齿面接触应力齿根弯曲应力齿轮加工工艺均载机理及其装置齿轮润滑等进行研究还应大量开展行星齿轮传动的试验研究工作例如实际负荷运转试验齿轮应力状态效率温升振动噪音润滑等各种性能试验寿命试验破坏试验等例如年产300Kt合成氨透平压缩机的行星齿轮增速器其齿轮圆周速度已达150ms日本生产了巨型船舰推进系统用的行星齿轮箱功率为22065kw大型水泥球磨机所用80125型行星齿轮箱输出转矩高达4150kNm在这类产品的设计与制造中需要继续解决均载平衡密封润滑零件材料及热处理及高效率长寿命可靠性等一系列设计制造技术问题
2向无级变速行星齿轮传动发展多年来一直需要一种传递大功率高效率变速比的传动装置无级变速即输入速度是固定的输出速度是可调的实现无级变速对行星齿轮传动来说就是让行星齿轮传动中三个基本构件都转动并传递功率这只要在原先行星齿轮传动装置中对原来固定的基本构件附加一个转动就能使输出转速有所增减而成为行星齿轮无级变速器现已制成能传递2000Psi以上的无级变速齿轮箱实现无级变速就是让行星齿轮传动中三个基本构件都转动并传递功率这只要对原行星结构中固定的构件加一个转动如采用液压泵及液压马达系统来实现就成为无级变速器
3向复合式行星齿轮传动发展近几年来国外蜗杆传动螺旋齿轮传动圆锥齿轮传动与行星齿轮组合使用构成复合式行星齿轮箱其高速级用前述各种定轴类型传动低速级用行星齿轮传动这样可适应相交轴和交错轴间的传动可实现大传动比和大转矩输出等不同用途充分利用各类型传动的特点克服各自的缺点以适应市场上多样化需求如制碱工业澄清桶用蜗杆蜗轮行星齿轮减速器总传动比i0125rmin输出转矩27200Nm
4向少齿差行星齿轮传动方向发展这类传动主要用于大传动比小功率传动主要是它外廓尺寸小重量轻传动比大一级可达100115效率较高达085左右该机薄弱环节主要是转臂轴承于高速重载啮合角很大一齿差时达56o左右故传动中径向载荷为不进行变位切削时的28倍因此这种传动现阶段只适用于中小功率国内应用的少齿差渐开线行星齿轮传动功率均为超过50千瓦转臂轴承性能和承载能力有所提高则传递功率增大西德FridoconMichel公司生产了齿数差为2~5的ACBAR渐开线少齿差行星齿轮减速器并制定了标准系列而少齿差传动的效率和强度计算等还有待于进一步研究
5制造技术的发展方向采用新型优质钢材经热处理获得高硬齿面内齿轮离子渗碳外齿轮渗碳淬火精密加工以获得高齿轮精度及低粗糙度内齿轮精插齿达5-6级精度外齿轮经磨齿达5级精度粗糙度Ra02-04μm从而提高承载能力保证可靠性和使用寿命
13行星齿轮传动的优缺点
行星齿轮传动与普通齿轮传动相比较它具有许多独特的优点它的显著特点是在传递动力时它可以进行功率分流同时其输入轴和输出轴具有同轴性即输入轴和输出轴均设在同一轴线上所以行星齿轮传动现已被人们用来代替普通齿轮传动而作为各种机械传动系统中的减速器增速器和变速装置尤其是对于那些要求体积小质量小结构紧凑和传动效率高的航空发动机起重运输石油化工和兵器等的齿轮传动装置以及需要差速器的汽车和坦克等车辆的齿轮传动装置行星齿轮传动已得到了越来越广泛的应用行星齿轮传动的特点如下
1体积小质量小结构紧凑承载能力大由于行星齿轮传动具有功率分流和各中心轮构成共轴线式的传动以及合理地应用内啮合齿轮副因此可使其结构非常紧凑再由于在中心轮的周围均匀地分布着数个行星轮来共同分担载荷从而使得每个齿轮所承受的负荷较小并允许这些齿轮采用较小的模数此外在结构上充分利用了内啮合承载能力大和内齿圈本身的可容体积从而有利于缩小其外廓尺寸使其体积小质量小结构非常紧凑且承载能力大一般行星齿轮传动的外廓尺寸和质量约为普通齿轮传动的12~15即在承受相同的载荷条件下
2传动效率高由于行星齿轮传动结构的对称性即它具有数个匀称分布的行星轮使得作用于中心轮和转臂轴承中的反作用力能相互平衡从而有利于达到提高传动效率的作用在传动类型选择恰当结构布置合理的情况下其效率值可达097~099
3传动比较大可实现运动的合成与分解只要适当选择行星齿轮传动的类型及配齿方案便可以用少数几个齿轮而获得很大的传动比在仅作为传递运动的行星齿轮传动中其传动比可达几千应该指出行星齿轮传动在其传动比很大时仍然可保持结构紧凑质量小体积小等许多优点而且它还可以实现运动的合成与分解以及实现各种变速的复杂的运动
4运动平稳抗冲击和振动的能力较强由于采用了数个结构相同的行星轮均匀地分布于中心轮的周围从而可使行星轮与转臂的惯性力相互平衡同时也使参与啮合的齿数增多故行星齿轮传动的运动平稳抵抗冲击和振动的能力较强工作较可靠
总之行星齿轮传动具有质量小体积小传动比大及效率高类型选用得当等优点因此行星齿轮传动现已广泛地应用于工程机械矿山机械冶金机械起重运输机械轻工机械石油化工机械机床机器人汽车坦克火炮飞机轮船仪器和仪表等各个方面行星传动不仅适用于高转速大功率而且在低速大转矩的传动装置上也已获得了应用它几乎可适用于一切功率和转速范围故目前行星传动技术已成为世界各国机械传动发展的重点之一
但是行星齿轮传动的缺点是材料优质结构复杂制造和安装较困难些但随着人们对行星传动技术进一步深入地了解和掌握以及对国外行星传动技术的引进和消化吸收从而使其传动结构和均载方式都不断完善同时生产生产工艺水平也不断提高因此对于它的研制安装问题目前已不再视为一件什么困难的事情实践表明在具有中等技术水平的工厂里也是完全可以制造出较好的行星齿轮传动减速器
尤为重要的是设计人员对于自己设计的某些齿轮减速器进行优化优化结果不仅为齿轮传动提供了一个最优的设计方案而且对其设计参数的优化提供了依据
14本设计课题简介
摆线针轮行星传动和渐开线少齿差行星齿轮传动同属K-H-V行星齿轮传动其工作原理和结构基本相同所不同者摆线针轮行星传动的行星传动的行星齿轮的齿廓曲线不是渐开线而是采用变幅外摆线的内侧等距曲线其中用短幅外摆线的等距曲线较普遍中心轮齿廓与上述曲线共轭是圆
摆线针轮行星减速器由行星架H行星轮c中心轮b和输出结构W四部分组成
摆线针轮行星传动具有传动比范围大体积小重量轻效率高运转平稳噪声低工作可靠寿命长的特点由于有上述优点这种减速器在很多情况下已经代替两级三级普通圆柱齿轮减速器及圆柱蜗杆减速器在冶金矿山石油化工船舶轻工食品纺织以及军工等很多部门得到日益广泛的应用但是这种传动制造精度要求高需要专门的加工设备
摆线针轮行星传动的薄弱环节是转臂轴承因转臂轴承在受力大转速也较高的情况下工作其内外圈的相对转速等于输入轴与输出轴二者转速绝对值之和所以在新系列中为保证转臂轴承的寿命往往采用加强型的滚子轴承
本次设计的是对一种摆线针轮行星减速器进行分析研究在此基础上试以现代反求设计方法为指导进行设计其传动功率为P4KW速比为11输入轴转速1500rmin对于摆线针轮行星减速器而言要求行星减速器满足三项要求传动比大结构紧凑适宜短期间断工作
在本次设计中要进行齿数计算齿形分析效率计算强度验算结构设计绘制减速器装配图及零件图在结构设计时要注意有关装置的特点还要注意与多种减速方法进行比较注意理论分析
第二章摆线针轮减速器传动理论与设计方法
21摆线针轮减速器的传动原理与结构特点
211摆线针轮行星传动的传动原理
图所示为摆线针轮行星传动示意图其中为针轮为摆线行星轮H为系杆V为输出轴运动由系杆H输入通过W机构由V轴输出同渐开线一齿差行星传动一样摆线针轮传动也是一种K-H-V型一齿差行星传动两者的区别在于摆线针轮传动中行星轮的齿廓曲线不是渐开线而是变态摆线中心内齿采用了针齿以称针轮摆线针轮传动因此而得名
同渐开线少齿差行星传动一样其传动比为
图2-1摆线针轮减速器原理图
由于=1故=--表示输出与输入转向相反即利用摆线针轮行星传动可获得大传动比
212摆线针轮减速器的结构特点
它主要由四部分组成
1行星架H又称转臂由输入轴10和偏心轮9组成偏心轮在两个偏心方向互成
2行星轮C即摆线轮6其齿廓通常为短幅外摆线的内侧等距曲线为使输入轴达到静平衡和提高承载能力通采用两个相同的奇数齿摆线轮装在双偏心套上两位置错开摆线轮和偏心套之间装有滚动轴承称为转臂轴承通常采用无外座圈的滚子轴承而以摆线轮的内表面直接作为滚道近几年来优化设计的结构常将偏心套与轴承做成一个整体称为整体式双偏心轴承
3中心轮b又称针轮由针齿壳3上沿针齿中心圆圆周上均布一组针齿销5通常针齿销上还装有针套7组成
4输出机构W与渐开线少齿差行星齿轮传动一样通常采用销轴式输出机构
图2-2摆线针轮减速器基本结构图
1输出轴2机座3针齿壳4针齿套5针齿销6摆线轮
7销轴套8销轴9偏心轮10主动轴
图2-2为摆线针轮传动的典型结构
313摆线针轮传动的啮合原理
为了准确描述摆线形成及其分类我们引进圆的内域和圆的外域这一概念所谓圆的内域是指圆弧线包容的内部范围而圆的外域是包容区域以外的范围
按照上述对内域外域的划分则外摆线的定义如下
外摆线滚圆在基圆外域与基圆相切并沿基圆作纯滚动滚圆上定点的轨迹是外摆线
外切外摆线滚圆在基圆外域与基圆外切形成的外摆线此时基圆也在滚圆的外域
内切外摆线滚圆在基圆外域与基圆内切形成的外摆线此时基圆在滚圆的内域
短幅外摆线外切外摆线形成过程中滚圆内域上与滚圆相对固定的某点的轨迹或内切外摆线形成过程中滚圆外域上与滚圆相对固定的某点的轨迹
长幅外摆线与短幅外摆线相反对外切外摆线而言相对固定的某点在滚圆的外域对内切外摆线而言相对固定的某点在滚圆的内域
短幅外摆线与长幅外摆线通称为变幅外摆线变幅外摆线变幅的程度用变幅系数来描述分别称之为短幅系数或长幅系数
外切外摆线的变幅系数定义为摆杆长度与滚圆半径的比值所谓摆杆长度是指滚圆内域或滚圆外域上某相对固定的定点至滚圆圆心的距离
211
式中 变幅系数
a外切外摆线摆杆长度
外切外摆线滚圆半径
对于内切外摆线而言变幅系数则相反它表示为滚圆半径与摆杆长度的比值
212
式中 K1变幅系数
r2′内切外摆线滚圆半径
A内切外摆线摆杆长度
根据变幅系数K1值的不同范围将外摆线划分为3类
短幅外摆线0K11
标准外摆线K11
长幅外摆线K11
变幅外切外摆线与变幅内切外摆线在一定的条件下完全等同这个等同的条件是内切外摆线滚圆与基圆的中心距等于外切外摆线的摆杆长度a相应地外切外摆线滚圆与基圆的中心距等于内切外摆线的摆杆长度A根据这一等同条件就可以由外切外摆线的有关参数推算出等同的内切外摆线的对应参数它们的参数关系参看图3-3令短幅外切外摆线基圆半径代号为r1滚圆半径为r2短幅系数为K1则外切外摆线的摆杆长度和中心距可分别表示如下长幅外摆线的表示形式完全相同
根据式1摆杆长度aK1r2
根据等同条件中心距Ar1r2
按等同条件上述A又是内切外摆线的摆杆长度故推算出内外摆线的滚圆半径为r2′k1A内切外摆线的基圆半径为
两种外摆线的参数换算关系归纳如表2-1
表2-1
参数名称主要参数代号变幅外切外摆线变幅内切外摆线基圆半径滚圆半径滚圆与基圆中心距Aa摆杆长度aA根据上述结果很容易推导出等同的两种外摆线基圆半径的相互关系为213
短幅外摆线以基圆圆心为原点以两种外摆线的中心距和短幅系数为已知参数以滚圆转角为变量的参数方程建立如下
在以后的叙述中将滚圆转角律记为并称之为相位角
1直角坐标参数方程
根据图1摆线上任意点的坐标
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