JX16-60渐开线行星齿轮传动减速机设计.doc
【JX16-60】渐开线行星齿轮传动减速机设计（二维+论文）
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JX16-60
【JX16-60】渐开线行星齿轮传动减速机设计二维+论文
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NGW行星减速器的设计摘 要本文完成了对一级行星齿轮减速器的结构设计。该减速器具有较小的传动比，而且，它具有结构紧凑、传动效率高、外廓尺寸小和重量轻、承载能力大、运动平稳、抗冲击和震动的能力较强、噪声低的特点，适用于化工、轻工业以及机器人等领域。这些功用对于现代机械传动的发展有着较重要的意义。首先简要介绍了课题的背景以及齿轮减速器的研究现状和发展趋势，然后比较了各种传动结构，从而确定了传动的基本类型。论文主体部分是对传动机构主要构件包括太阳轮、行星轮、内齿圈及行星架的设计计算，通过所给的输入功率、传动比、输入转速以及工况系数确定齿轮减速器的大致结构之后，对其进行了整体结构的设计计算和主要零部件的强度校核计算。其中该减速器的设计与其他减速器的结构设计相比有三大特点：其一，为了使三个行星轮的载荷均匀分配，采用了齿式浮动机构，即太阳轮与高速轴通过齿式联轴器将二者连接在一起，从而实现了太阳轮的浮动；其二，该减速器的箱体采用的是法兰式箱体，上下箱体分别铸造而成；其三，内齿圈与箱体采用分离式，通过螺栓和圆锥销将其与上下箱体固定在一起。最后对整个设计过程进行了总结，基本上完成了对该减速器的整体结构设计。关键词：行星齿轮，传动机构，结构设计，校核计算The design of NGW planetary gear reducerABSTRACTThis completed a single-stage planetary gear reducer design. The gear has a smaller transmission ratio，and it has a compact，high transmission efficiency， outline， small size and light weight，carrying capacity，smooth motion，shock and vibration resistant and low noise characteristics，Used in chemical，light industry and robotics fields. The function of the development of modern mechanical transmission has a more important significance.First paper introduces the background and the subject of gear reducer situation and development trend，and then compared various transmission structures，which determine the basic type of transmission. Thesis is the main part of the main components of drive mechanism including the sun wheel，planet gear，ring gear and planet carrier in the design calculation，given by the input power，gear ratio，input speed and the condition factor to determine the approximate structure after the gear reducer And to carry out the design and calculation of the overall structure and main components of the strength check calculation. One of the other gear reducer design and compared the structural design of the three major characteristics: First，the three planetary gear to make the load evenly，using a gear-type floating body，the sun gear and high-speed shaft through the gear together Coupling the two together to achieve a floating sun gear; Second，the box uses a reducer flange box，upper and lower box were cast; Third，the ring gear and Box with separate， through bolts and tapered pins will be fixed together with the upper and lower box. Finally，a summary of the entire design process is basically complete the overall design of the reducer.KEY WORDS: planetary gear，driving machanism，structural design，checking calculation1目录前言1第1章 传动方案的确定21.1 设计任务21.2行星机构的类型选择21.2.2 确定行星齿轮传动类型4第2章 齿轮的设计计算62.1 配齿计算62.1.1 确定各齿轮的齿数62.1.2 初算中心距和模数72.2 几何尺寸计算82.3 装配条件验算112.3.1 邻接条件112.3.2 同心条件112.3.2 安装条件112.4 齿轮强度校核132.4.1 a-c传动强度校核132.4.1 c-b传动强度校核17第3章 轴的设计计算223.1 行星轴设计223.2 转轴的设计243.2.1 输入轴设计243.2.2 输出轴设计25结论28谢 辞29参考文献30前言本课题通过对行星齿轮减速器的结构设计，初步计算出各零件的设计尺寸和装配尺寸，并对涉及结果进行参数化分析，为行星齿轮减速器产品的开发和性能评价实现行星齿轮减速器规模化生产提供了参考和理论依据。通过本设计，要能弄懂该减速器的传动原理，达到对所学知识的复习与巩固，从而在以后的工作中能解决类似的问题。论文的基本内容：（1）选择传动方案。传动方案的确定包括传动比的确定和传动类型的确定。（2）设计计算及校核。传动结构的设计计算，都大致包括：选择传动方案、传动零件齿轮的设计计算与校核、轴的设计计算与校核、轴承的选型与寿命计算、键的选择与强度计算、箱体的设计、润滑与密封的选择等。在对行星齿轮减速器的结构进行深入分析的基础上，依据给定的减速器设计的主要参数，通过CAD绘图软件建立行星齿轮减速器各零件的二维平面图，绘制出减速器的总装图对其进行分析。 第1章 传动方案的确定1.1 设计任务设计一个行星齿轮传动减速器。原始条件和数据：传动比i=11，功率p=5.5kw，输入转速N=1500 rpm，中等冲击。使用寿命8年，每天工作16小时。且要求该齿轮传动结构紧凑、外廓尺寸较小。1.2行星机构的类型选择表1-1列出了常用行星齿轮传动的型式及特点：表1-1常用行星齿轮传动的传动类型及其特点传动形式简图性能参数特点传动比效率最大功率/kWNGW（2Z-X 负号机构）=1.1313.7推荐2.890.970.99不限效率高，体积小，重量轻，结构简单，制造方便，传递公路范围大，轴向尺寸小，可用于各个工作条件，在机械传动中应用最广。单级传动比范围较小，耳机和三级传动均广泛应用NW（2Z-X负号机构）=150推荐721效率高，径向尺寸比NGW型小，传动比范围较NGW型大，可用于各种工作条件。但双联行星齿轮制造、安装较复杂，故|7时不宜采用NN（2Z-X负号机构）推荐值：=830效率较低，一般为0.70.840传动比打，效率较低，适用于短期工作传动。当行星架X从动时，传动比|大于某一值后，机构将发生自锁WW（2Z-X负号机构）=1.2数千|=1.25时，效率可达0.90.7，5以后.随|增加徒降20传动比范围大，但外形尺寸及重量较大，效率很低，制造困难，一般不用与动力传动。运动精度低也不用于分度机构。当行星架X从动时，|从某一数值起会发生自锁。常用作差速器；其传动比取值为=1.83，最佳值为2，此时效率可达0.9NGW（）型（3Z）小功率传动500；推荐：=201000.80.9随增加而下降短期工作120，长期工作10结构紧凑，体积小，传动比范围大，但效率低于NGW型，工艺性差，适用于中小功率功率或短期工作。若中心轮A输出，当|大于某一数值时会发生自锁NGWN（）型（3Z）=60500推荐：=643000.70.84随增加而下降短期工作120，长期工作10结构更紧凑，制造，安装比上列型传动方便。由于采用单齿圈行星轮，需角度变为才能满足同心条件。效率较低，宜用于短期工作。传动自锁情况同上1.2.2 确定行星齿轮传动类型根据设计要求：连续运转、传动比小、结构紧凑和外廓尺寸较小。根据表1-1中传动类型的工作特点可知，2Z-X(A)型效率高，体积小，机构简单，制造方便。适用于任何工况下的大小功率的传动，且广泛地应用于动力及辅助传动中，工作制度不限。本设计选用2Z-X(A)型行星传动较合理，其传动简图如图1-1所示。图1-1减速器设计方案（单级NGW2Z-X(A)型行星齿轮传动）拟定的设计方案如下图：图2-2 减速器整体装配图30第2章 齿轮的设计计算2.1 配齿计算 2.1.1 确定各齿轮的齿数据2Z-X(A)型行星传动的传动比值和按其配齿计算（见参考文献1）公式（3-27）公式（3-33）可求得内齿轮b和行星轮c的齿数和。现考虑到行星齿轮传动的外廓尺寸较小，故选择中心轮a的齿数=17和行星轮=3。根据内齿轮 =170对内齿轮齿数进行圆整，同时考虑到安装条件，取，此时实际的p值与给定的p值稍有变化，但是必须控制在其传动比误差的范围内。实际传动比为=其传动比误差 =0.5%由于外啮合采用角度变位的传动，行星轮c的齿数应按如下公式计算，即 =在考虑到安装条件为 （整数）2.1.2 初算中心距和模数1. 齿轮材料、热处理工艺及制造工艺的选定太阳轮和行星轮材料为20GrMnTi，表面渗碳淬火处理，表面硬度为57 61HRC。试验齿轮齿面接触疲劳极限=1591Mpa。试验齿轮齿根弯曲疲劳极限太阳轮=485Mpa。行星轮=4850.7Mpa=339.5Mpa (对称载荷)。齿形为渐开线直齿。最终加工为磨齿，精度为6级。内齿圈材料为38GrMoAlA，淡化处理，表面硬度为973HV。试验齿轮的接触疲劳极限=1282Mpa验齿轮的弯曲疲劳极限=370MPa齿形的终加工为插齿，精度为7级。2. 减速器的名义输出转速由 = 得 =136 3. 载荷不均衡系数采用太阳轮浮动的均载机构，取。4. 齿轮模数和中心距a首先计算太阳轮分度圆直径：式中： 齿数比为使用系数为1.25；算式系数为768；综合系数为2；太阳轮单个齿传递的转矩。=11.5其中 高速级行星齿轮传动效率，取=0.985齿宽系数暂取=0.5=1450Mpa代入 =24.6模数 m=取 m=1.5则 =35.25取 齿宽 取 2.2 几何尺寸计算1. 计算变位系数(1) a-c传动啮合角因 =0.93969262所以 =变位系数和 =（17+30） =1.141图2-1选择变位系数线图中心距变动系数y y=0.17齿顶降低系数 分配边位系数：分配边位系数：根据线图法，通过查找线图2-1得到边位系数 则 (2) c-b传动由于内啮合的两个齿轮采用的是高度变位齿轮，所以有从而 且 2. 几何尺寸计算结果对于单级的2Z-X(A)型的行星齿轮传动按公式进行几何尺寸的计算，各齿轮副的计算结果如下表：表3-1各齿轮副的几何尺寸的计算结果项目 计算公式a-c齿轮副b-c齿轮副分度圆直径基圆直径齿顶圆直径外啮合内啮合齿根圆直径外啮合内啮合注：齿顶高系数：太阳轮、行星轮，内齿轮；顶隙系数：内齿轮2.3 装配条件验算对于所设计的单级2Z-X(A)型的行星齿轮传动应满足如下装配条件2.3.1 邻接条件按公式验算其邻接条件，即 已知行星轮c的齿顶圆的直径=164.513，和代入上式，则得164.513满足邻接条件2.3.2 同心条件按公式对于角变位有已知 ， 代入上式得 =52.145满足同心条件2.3.2 安装条件按公式验证其安装条件，即得将 代入该式验证得 满足安装条件啮合要素的验算1. a-c传动端面重合度（1）顶圆齿形曲率半径太阳轮=29.31行星轮=42.416（2）端面啮合长度式中“”号正号为外啮合，负号为内啮合；端面节圆啮合角。直齿轮=则=18.67（3）端面重合度=1.2652. 端面重合度（1）顶圆齿形曲率半径行星轮由上面计算得，=42.416内齿轮 =61.597（2）端面啮合长度=24.05（3）端面重合度 = =1.632.4 齿轮强度校核2.4.1 a-c传动强度校核本节仅列出相啮合的小齿轮(太阳轮)的强度计算过程，大齿轮(行星轮)的计算方法相同，从略。1确定计算载荷名义转矩 =376.89 Nm名义圆周力=N=8868N2应力循环次数=60=次=次=181.82= =818.18 式中 太阳轮相对于行星架的转速() 寿命期内要求传动的总运转时间(h) t=10a=70400h3. 确定强度计算中的各种系数1)使用系数K取K=1. 252)动负荷系数K因z=1750和=143.03 1200MPa查得Z=1.03)速度系数Z因=3.64和=1591 MPa查得Z=0.9754)粗糙度系数Z因 1200 MPa和齿面R=1.66=9.6查得Z=1.0265)工作硬化系数因大小齿轮均为硬齿面，且齿面R=9.66，由图5-17取=1.06)尺寸系数 查得Z=1.010许用接触应力= =15911.01.00.9751.0261.01.0=1592MPa11接触强度安全系数SS=1.98512确定计算许用弯曲应力时的各种系数l)试验齿轮的应力修正系数= 2.02)寿命系数因N=，查得=0.833)相对齿根圆角敏感系数由=1.796，查得= 1.04)齿根表面状况系数= 0.925(齿根R=6.36= 37. 8)5)尺寸系数 可按下式计算 =0.01m=1.013许用弯曲应力 = =4852.00.831.00.9251.0MPa =745 MPa14弯曲强度安全系数SS=5.212.4.1 c-b传动强度校核本节仅列出相啮合的大齿轮(内齿轮)的强度计算过程，小齿轮(行星轮)的计算方法相同，从略。齿轮强度验算按第5章中的有关公式和图表进行。1名义切向力 =8868N2应力循环次数NN=60 =60次=2.310次式中 n太阳轮相对于行星架的转速()= n-n=181.82 3确定强度计算中的各种系数1)使用系数K 取K=1. 252)动负荷系数K根据 =3.76 查得（7级精度)：K=1. 0683)齿向载荷分布系数K，K由式(5-1)和(5-2) K= 1+(K-1 )KK K=1+(K-1)KK式中 K 计算接触强度时运转初期(未经跑合)的齿向载荷分布系数，查得 K= 1.187 (=0.5);K 计算接触强度时的跑合影响系数，查得 K= 0.83(v =3.76，HB=450)；K 计算弯曲强度时运转初期(未经跑合)的齿向载荷分布系数，由图5-4查得 K=1.12(=12.4) K计算弯曲强度时的跑合影响系数，由图5-5查得K=0.95 (v =3.76，HB=450)；K与均载系数有关的系数，K=0.7K与均载系数有关的系数，K=0.85则 K= 1+(1.187-1 )0.830.7=1.149 K=1+(1.12-1)0.950.85=1.0974)齿间载荷分布系数K、K因 =178.79，精度7级，非硬齿面直齿轮由表5-9查得K=K=1.05)节点区域系数Z可查图5-13或按下式计算 Z=2.495 式中 直齿轮= 0端面节圆啮合角直齿轮=20端面压力角直齿轮=206)弹性系数Z查得 Z=189.8(钢一钢)7)载荷作用齿顶时的齿形系数Y查得Y=2.0538)载荷作用齿顶时的应力修正系数Y查得Y=2.659)重合度系数z，Yz=0.889 =0.25+=0.25+=0.7110)螺旋角系数Z，Y可按下式计算因 =0，z= 得z=1 Y= 所以 z=1，Y=14齿数比u=2.6335计算接触应力的基本值= =2.495189.80.8891MPa=323.75MPa6接触应力= =323.75=401MPa7弯曲应力的基本值= YYYY=110.497MPa8齿根弯曲应力=KKKK=110.491.251.0681.0971=161.812MPa9确定计算许用接触应力时的各种系数l)寿命系数Z因N= 2.310，查得Z=12)润滑系数Z因和=1282MPa查得Z=13)速度系数Z因v=3.76和=1282MPa查得Z=0.9754)粗糙度系数Z因 =1282 MPa和齿面R=6.36=9.6查得Z=1.0265)工作硬化系数取=1.06)尺寸系数 查得Z=1.010许用接触应力= Z Z Z ZZw Z =1282110.9751.02611=1283MPa11接触强度安全系数SS=3.212确定计算许用弯曲应力时的各种系数l)试验齿轮的应力修正系数Y= 2.02)寿命系数因N=2.310，查得Y=1.03)相对齿根圆角敏感系数Y由Y= 2.65，查得Y= 1.04)齿根表面状况系数0.925(齿根R=6.36= 37. 8)5)尺寸系数Y 可按下式计算Y=0.006m=1.03-0.0065=1.013许用弯曲应力=YYYYY=3702110.9251MPa=684.5MPa14弯曲强度安全系数SS=4.23第3章 轴的设计计算行星齿轮减速器结构特点：行星轮轴承安装在行星轮内，行星轴固定在行星架的行星轮轴孔中；输出轴和行星架通过键联接其支承轴承在减速器壳体内，太阳轮通过双联齿轮联轴器与高速轴联接，以实现太阳轮浮动。太阳轮浮动原理如图3-1所示： 图3-1 太阳轮浮动原理3.1 行星轴设计1. 初算轴的最小直径在相对运动中，每个行星轮轴承受稳定载荷，当行星轮相对于行星架对称布置时，载荷则作用在轴跨距的中间。取行星轮与行星架之间的间隙，则跨距长度。当行星轮轴在转臂中的配合选为H7/h6时，就可以把它看成是具有跨距为的双支点梁。当轴较短时，两个轴承几乎紧紧地靠着，因此，可以认为轴是沿着整个跨度承受均布载荷（见图3-2）。 图3-2 行星轮轴的载荷简图危险截面（在跨度中间）内的弯矩 Nmm=148538. Nmm行星轮轴采用40Cr钢，调质MPa，考虑到可能的冲击振动，取安全系数;则许用弯曲应力MPa=176MPa，故行星轮轴直径 取 其实际尺寸将在选择轴承时最后确定。2. 选择行星轮轴轴承在行星轮内安装两个轴承，每个轴承上的径向载荷N=1614N在相对运动中，轴承外圈以转速=463.64考虑到行星轮轴的直径，以及安装在行星轮体内的轴承，其外廓尺寸将受到限制，故初步选用单列深沟球轴承6306型，其参数为 kN kN （油浴）；取载荷系数 ；当量动载荷 N=1937N;轴承的寿命计算 h=97377h根据设计要求，该减速器要求连续工作10年，每年按320天计算，每天按22小时计算，即h。所以设计决定选用6306型轴承，并把行星轮轴直径增大到。校核行星轮轮缘厚度是否大于许用值： = mm式中 行星轮模数（mm） mm=35.712=12.5mm满足条件。由于行星轮宽度mm，因此两个轴承之间安装一厚度为5mm，宽度为13mm的套筒。3.2 转轴的设计3.2.1 输入轴设计1初算轴的最小直径由下式初步估算轴的最小直径，选取轴材料为40Cr钢，调质处理。根据表3-2查得。表3-2 轴常用几种材料的及值轴的材料Q235-A、20Q275、35（1Cr18Ni9Ti）4540Cr、35SiMn38SiMnMo/152520352545355514912613511212610311297查表取=112，得 输入轴的最小直径安装法兰，该截面处开有键槽，轴颈增大5%7%。故 其实际尺寸将在选择轴承时最后确定。2选择输入轴轴承(1) 轴的结构设计根据估算所得直径，轮彀宽及安装情况等条件，轴的结构尺寸可进行草图设计。该轴中间一段对称安装一对深沟球轴承6217型，其尺寸为，可画出输入轴草图（如附图03）。轴承的寿命计算 其参数为 kN kN （油浴）；取载荷系数 ；当量动载荷 N=3873N;轴承的寿命计算 h=165258h70400h故该对轴承满足寿命要求。3.2.2 输出轴设计1初算轴的最小直径在三个行星轮均布的条件下，轮齿啮合中作用于中心轮上的力是相互平衡的，在输出轴轴端安装膜片盘式联轴器时，则输出轴运转时只承受转矩。输出轴选用42CrMo合金钢，其许用剪切应力MPa，即求出输出轴伸出端直径=88.423Nmm=6114 Nmm式中 输出轴转矩；齿轮啮合传动的效率，取=0.97。2选择输出轴轴承由于输出轴的轴承不承受径向工作载荷（仅承受输出行星架装置的自重），所示轴承的尺寸应由结构要求来确定。输出轴端，轴颈mm。由于结构特点，输出轴轴承须兼作行星架轴承。为了太阳轮安装方便，使太阳轮能通过行星架轮毂中的孔，故轮毂孔的直径应大于太阳轮的齿顶圆直径=99.076mm。故按结构要求选用特轻系列单列深沟球轴承6030型，其尺寸为，可画出行星架草图（如附图03）。轴承的寿命计算 其参数为 kN kN （油浴）；取载荷系数 ；当量动载荷 N=5088N;轴承的寿命计算 h=1600938h70400h故该轴承满足寿命要求。3输出轴上键的选择及强度计算平键连接传递转矩时，其主要失效形式是工作面被压溃。因此，通常只按工作面上的挤压应力进行强度校核计算。普通平键连接的强度条件按（3-2）式计算 （3-2） 式中 转矩，；轴颈，mm; 键与轮毂键槽的接触高度，此处为键的高度，mm；键的工作长度，mm，型键；型键；型键，其中为键的长度，为键的宽度；许用挤压应力，在这里键材料为45钢。其许用挤压应力值按轻微冲击算查相关资料的=100120。由前面计算知输入转矩Nm， 选用型键，其型号为，将数值，键连接处的轴颈 =110mm代入式（3-2）得=39.9故该键满足强度要求。 结论通过对行星齿轮的设计过程的熟悉，与传统的减速器的设计有很大的不同，计算方式不一样、安装方式不一样、要求精度不一样等。行星轮系减速器较普通齿轮减速器具有体积小、重量轻、效率高及传递功率范围大等优点。行星齿轮减速器的类型很多，本设计主要通过对ZX-A型的进行系列设计的。计算主要参数，确定主要零件的各部位的尺寸。通过对每个零件的建模再进行组装。通过对行星齿轮减速器的设计，基本熟悉设计的一般流程。理解行星减速器的工作原理。对于传递转矩要求高的行星齿轮减速器，行星齿轮中应当安装滑动轴承，输入轴应尽量避免采用齿轮轴的形式。行星齿轮的安装较为复杂。在设计中，同时由于本人能力和经验有限，在设计过程中难免会犯很多错误，也可能有许多不切实际的
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