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重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 论文主要内容是设计一款双曲柄内齿环行星减速器,在对该减速器的传动原 理、结构形式、受力和传动特性等进行分析的基础上设计制造出样机,并对其进 行实验研究。 论文的主要研究内容如下: 提出一种由一级渐开线行星齿轮传动和一级渐开线少齿差行星齿轮传动 组合而成的双曲柄内齿环行星减速器,详细分析该减速器的传动原理、结构形式 以及传动特性,设计出样机,建立各零部件的三维实体模型并进行虚拟装配; 对双曲柄内齿环行星减速器的传动系统、轴、曲轴的支撑轴承和转臂轴承 的受力进行详细的理论分析研究;并对两级齿轮副的强度和轴承寿命进行校核。 利用a b a q u s 软件建立双曲柄内齿环行星减速器两级传动齿轮副接触有 限元模型,采用弹性有限元法对减速器的两级齿轮副进行接触分析,得出齿面接 触等效应力值和实际接触齿对数。 在齿轮传动实验台上对该样机的传动特性进行实验研究。 关键词:双曲柄内齿环传动,承载能力,接触分析,实验研究 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t 1 1 1t 1 1 i sp a p e r ,ap l a 芏l e t a 巧r e d u c e rw i 廿ld o u b l e - c r a i l l ( a i l di i l t e m a lb o a r di sd e s i g n e d , 锄d 廿l e 耐v i n gp r i i l c i p l e ,m es 饥l c t u r eo fm ef o mo fs t r e s s ,c 邺7 i i l gc a p a c i t y , 缸a i l s m i s s i o nc h a u r a c t e r i s t i c so ft h er e d u c e ra r ca n a l y z e t h em a i l lc o n t e n t sa sf 0 1 l o w s : b r i l l gf 0 刑a r dap l a n e t 哪r e d u c e rw i md o u b l e c r a n ka n di n t e m a lb o 硼d e s 咖 t h es 仇l c t u r ea n dg e o m e t r i cp 祗u 1 1 e t e r so ft h er e d u c e r c a l c u l a t em eg e a r sp a r a m e t e r so f 觚os t a g e s s e tu pam r e e d i m e n s i o nm o d e lo ft h en e wt y p er e d u c e ra n da s s e m b l em e m o d e lu i l d e rn l ev i r i m lc o n d i t i o ni nn l es o 行w a r eo fs o l i d w 6 r l ( s a n a l y z ed e “l e dm et r a n s m i s s i o nc h a r a c t 舐s t i c sa 1 1 d l ec a 玎y i l l gc a p a c 时o f m e 仃a 1 1 s m i s s i o ns y s t e m ,s h a f t s ,a i l db e a r i n g sb yu s i n ga c a d e m i cr e s e a r c ha p p r o a c h c a n yo u tam e o r e t i c a la n a l y s i so f m es 仃e n g t l lc h e c ko fm e s h i n gg e a rp a i ra n db e a r i n g s s e tu pm ec o n t a c tf e mo ft w os t a g e s 咖l s m i s s i o ng e a rp a i r so f 廿1 en e w t y p e p l a n e t a 巧r e d u c e rw i t l ld o u b l e - c r 砌【a n di n t e m a lb o a r di nt l l es o f w a r eo fa b a q u s , c a l c u l a t en l ec o n t a c ts n e s so ft h et w os t a g e s 仃a n s m i s s i o ng e a rp a i r so ft l l en e wt ) ,p e r e d u c e rb yu s i n gf m i t ee l e m e n t sa n a l y s i st e c h o l o g ya n dg e tm em i s e ss t r e s sv a l u ea n d t h ea c t u a lp a i r so fl n e s h i n gt e e t l l p r o c e s sm e p r o t o t ) ,p ea n dt e s ti t se f f i c i e n c y k e yw o r d s :p 1 a n e t a 巧r e d u c e rd r i v ew i md o u b l e - c r a n k 柚di n t e m a lb o a r d ,c a r 巧i n g c a p a c 咄c o n t a c ta n a l y s i s ,e x p e r i m e n t a l 蛔【v c s t i g a t i o n 学位论文独创性声明 加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 文作警凸眵召 一期:刁 聊虢御。 签字吼乡 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中国博 士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以下简称“章 程” ) ,愿意将本人的殛士学位论文镳砭摆喀纫磁星物磁蠡冽提交中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社( c n i ( i ) 在中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕 士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数据库中全文发表。中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网 络及其他数字媒体形式公开出版,并同意编入c n l 【i 中国知识资源总库,在中国博 硕士学位论文评价数据库中使用和在互联网上传播,同意按“章程”规定享受相关 权益和承担相应义务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文,可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名: 呸丕獾寥芝胆导师签名:糊 矽7 年多月,日 备注。审核通过的涉密论文不得签署搿授权书一,须填写以下内容: 该论文属于涉密论文,其密级是,涉密期限至年一月一日。 重庆大学硕士学位论文l 绪论 1 绪论 1 1 课题的来源及意义 齿轮传动技术是机械工程技术中的重要组成部分,在一定程度上标志着机械 工程技术的水平,因此,齿轮被公认为工业和工业化的象征。少齿差行星齿轮传 动具有体积小,质量轻,结构紧凑,传动比大,效率高等优点,广泛应用于矿山, 冶金,飞机,轮船,汽车,机床,起重运输,电工机械,仪表,化工,轻工业, 医药,农业机械等许多领域,有着广泛的发展前景。为了提高机械的承载能力和 传动效率,减少外形尺寸质量及增大减速机传动比等,国内外的少齿差行星齿轮 传动正沿着高承载能力、高精度、高速度、高传动效率、小型化、低振动、低噪 声、低成本、标准化和多样化的方向发展的总趋势。 论文研究的双曲柄内齿环行星减速器是在渐开线少齿差行星齿轮传动原理的 基础上,为适应机械传动技术的新要求,为克服现存减速机的某些缺点,同时综 合分析了现存减速机的优缺点,采用双曲柄输入偏心差动等设计思想改进而成的 一种创新设计。其传动原理为行星轮不作摆线运动,而是通过双曲柄齿轮机构引 导作圆周平动,该传动形式与现有各种主要齿轮传动形式相比,具有结构简单、 传动比大、体积小、重量轻、传动效率高等优点。在传动过程中,内啮合齿轮副 运转时形成多齿接触,具有优良的承载能力和过载能力,同时也克服了国际上硬 齿面制造困难和成本高的弱点,同时该减速器具有装配灵活和独特的结构,在有 些领域具有其它传动无法代替的优势。 1 2 曲柄少齿差环式减速器国内外研究现状 曲柄少齿差环式减速器结构国内外研究进展 2 0 世纪4 0 6 0 年代,国内外对曲柄少齿差环式减速器的研究处于初期阶段, 1 9 4 9 年,前苏联学者s h o l z o v a 从理论上解决了实现一齿差传动的几何计算问题, 1 9 5 6 年,我国著名机械学专家朱景梓教授根据双曲柄机构的原理提出了一种新型 少齿差传动机构,其特点是当输入轴旋转时,行星轮不是作摆线运动( 即高速公 转与低速自转的合成) ,而是通过一双曲柄机构引导作圆周平动,这种独特的“双 曲柄输入式少齿差传动机构”得到当时国内外同行的高度评价。1 9 6 3 年,朱景梓教 授在太原工学院学报上发表了“齿数差z d = 1 的渐开线k h - v 型行星齿轮减速器及 设计”一文,详细阐述了渐开线少齿差传动的啮合原理和设计方法【l 】。朱景梓教授 所从事的这些创造性工作,为少齿差行星齿轮传动在我国的推广应用起到了重要 的指导作用。1 9 6 1 年,日本开始从事三曲柄式行星传动行走装置的开发和生产。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 2 0 世纪7 0 年代至今,随着计算机技术的普及应用,渐开线少齿差传动得到了 迅速的发展。1 9 7 9 年,张展主编的“渐开线少齿差行星齿轮减速机”得以出版,更 促进了这一传动的发展应用。7 0 年代,西德c h r i s h o l m m o o r e 制造公司生产的两 种起重用卷扬机也采用了双曲柄少齿差行星传动机构。1 9 8 3 年日本开始r v 传动 机构的研究。1 9 8 5 年,冶金工业部重庆钢铁设计研究院陈宗源高工提出了平行轴 式少齿差内齿行星齿轮传动装置三环减速器,如图1 1 所示,并于同年以“三 环式减速( 或增速) 传动装置”申请了国家发明专利【2 j 。同年,在太原工学院机械 厂试制出第一台双曲柄式少齿差行星减速器样机。1 9 8 6 年日本帝人公司推出的偏 心差动式r v 系列减速机获得日本专利。1 9 8 7 年,捷克人s 0 u c e k j o s e f 提出在一 块齿板上布置三个曲柄轴的内齿行星传动装置,并申请了专利【3 】。这种结构特点是 单齿板传动不存在死点,但由于有三个曲柄轴,加工精度要求高,结构复杂,安 装不便。英国人在1 9 8 9 年提出了类似于单齿环双曲柄输入少齿差减速器的少齿差 传动装置【4 1 ,但是按其原理设计的减速器,在一根曲柄上安装三个内齿板,不得不 做成偏心套结构,其结构复杂、加工分度精度要求高,而且在工作过程中,偏心 套受交变扭矩作用,在与曲轴连接的表面产生微动磨损,导致发热;此外,三套 互成1 2 0 0 相位差的双曲柄机构之间存在多次过约束,加工及装配误差容易导致附 加冲击,引起振动和噪声。 1 输出轴;2 内齿行星轮;3 机架;4 外齿中心轮; 5 支承轴承;6 转臂轴承;7 转臂偏心输入轴 图1 1 三环减速器基本结构 f i g 1 1b a s i cs 仃u c t u r eo ft l l r e e - r i i l gg e a rr e d u c e r 1 9 9 2 年,重庆钢铁集团公司研制出了单齿环双曲柄输入少齿差减速器,并于 同年申请了实用新型专利【5 1 。1 9 9 9 年,梁永生提出了一种新型的金属弹性环均载 的两级三环减速机,并对其进行了理论分析及样机实验【6 】o 但基于三环式少齿差行 2 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 星传动原理制造的三环减速器在广泛的实际应用中也暴露了它的缺点,如振动剧 烈、噪声大、结构复杂和安装不方便等。为此,我国的科研工作者在三环减速器 的基础上研究了双环式和四环式传动原理,独立开发出双环减速器1 7 j 和四环式减速 器【8 】o 双环式传动采用“平行轴传动”的新颖传动模式,在结构和工作原理上与三环 减速器有类似之处。它们的主要区别在于前者采用三轴式结构,后者采用二轴式 结构;前者是两块环板,后者为三块环板;前者运行平稳、结构简单,后者则振 动剧烈、噪声大、结构复杂。在任一时刻,双环减速器的两对内齿轮啮合副的啮 合点始终位于输出回转中心的两个对称点上,这样使得双环减速器的制造及装配 较三环减速器均显得简单、方便。同样,四环减速器也是在三环减速器的基础上 提出来的,其基本特征是多齿相互内切啮合代替单齿外切啮合,并应用四缸汽车 发动机动平衡原理,通过2 根曲轴使4 块环板串联工作,2 根曲轴上各自有4 段等 偏心拐径,按照汽车发动机曲拐相位角布局原理设计,2 根高速轴带动4 块传动内 齿环板作平面运动,通过内齿环板上的内齿圈与低速轴( 输出轴) 上的外齿轮相 啮合输出运动和扭矩,使动力稳定地分流、平衡地传动。 基于三环减速机,2 0 0 1 年,陈德木提出了同轴线式单箱体的复合行星减速机 【9 】,该减速机具有传动比范围大、传动效率高、承载能力强的优点。2 0 0 4 年,张 磊林提出了一种新的内平动少齿差行星减速机,分析平行四边形偏心平动产生的 冲击和振动、高速偏心轴的动平衡以及输出机构的均载,力图在结构上解决动平 衡问题【1 0 1 。2 0 0 4 年郑广和提出内三环减速机【1 1 】,如图1 2 所示,其外型为圆形, 输入与输出轴同心,轴线简化为一条,且内齿圈不做任何运动,运动部件为环板, 环板在内齿圈里运行,总体上功率密度比已有的三环减速机增大约2 0 ;同时, 采用同轴输入、输出减速机,具有结构紧凑、传动效率高、较大速比时制造成本 明显降低、抗过载、冲击性好等特点。其啮合原理为渐开线少齿差行星齿轮传动, 加工成本比现有的三环减速机减少4 0 ,同时加工难度和加工周期都大大缩短。 但环板和偏心轴的加工精度要求同样较高,使成本难以真正的降低,且运动时受 力不平衡,运动不平稳,高速运动下噪声很高,轴和轴承难以承受较大载荷。2 0 0 6 年,朱才朝等在分析了三环减速器的不足之处后,提出了几种摆轮减速器的新结 构,并申请多项专利【l 2 。 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 输入轴;2 环板;3 梢柱;4 输出轴; 图1 2 内三环减速机基本结构 f 嘻1 2b a s i cs 咖c t 眦o f i i l l l e rt h r e e - r i i l gg e 盯r e d u c e r 曲柄少齿差环式减速器国内外研究现状 随着曲柄环式减速器传动的迅速发展,国内外学者从承载能力分析、动力学 分析、有限元接触分析,振动等各个方面对曲柄环式减速器展开了研究。 承载能力分析方面:1 9 9 2 年,应海燕对三环减速器传动原理及受力进行了分 析,认为啮合过程中各齿环板受力情况相同,啮合力恒定,取一齿环板为研究对 象,建立考虑重力、惯性力情况下齿环板动力平衡方程,得出了行星轴承受力计 算公式【1 3 】。1 9 9 3 年,杨锡和等人对r v 传动进行了简单的受力分析【1 4 】。1 9 9 4 年, 张光辉等对重庆钢铁设计院设计的s h q 4 0 型三环减速器的承载能力、效率、温升、 噪声和疲劳寿命等进行了详尽的实验研究【15 】;同年,他又对三环减速器内齿环板 强度进行了有限元分析计算,得出了齿板强度评价指标【l6 1 ,但在建立有限元模型 时所施加的约束和载荷与实际工况不符。1 9 9 4 年,黄文振认为双曲柄机构在驱动 力,一和啮合力,一的反向作用下有转变为反向双曲柄机构的运动趋势,其它环板将 会通过键产生推动环板通过死点位置【l7 1 。当一个环板上产生死点冲击力,a 、吒时 ( 沿曲柄方向) ,其反力将作用于两高速轴上,属于动态平衡内力,可引起零部件振 动但不会造成箱体的整体振动,而死点冲击力、的变化,将在箱体上产生不 平衡冲击力偶,它与啮合力及结构几何参数成有关,这一冲击力偶是造成箱体振 动的根源,但没有提及如何克服和控制。2 0 0 6 年,刘建琴通过考虑三环传动的过 约束特性和机构的弹性变形协调条件,建立了针对三环减速器受力分析的弹性静 力学模型并用该模型分析了某三环减速器的受力情况以及三环减速器的结构型式 和轴承刚度对其受力情况的影响 1 引。2 0 0 7 年,宋轶民等计入诸多影响因素,如高速 4 重庆大学硕士学位论文l 绪论 轴、环板、齿轮副、轴承的弹性变形及支承轴的附加转角等对完全平衡、非1 8 0 0 相位差的双环减速器进行了深入研究【1 9 1 。2 0 0 8 年朱才朝对提出的新型双曲柄外齿 环减速传动的传动原理和传动形式及承载能力进行了详细的分析【z o j 动力学分析方面:1 9 9 3 年,崔建昆分析了平行轴少齿差行星齿轮传动的原理, 认为三环减速器具有三向并列双曲柄机构,通过引入位移协调条件,建立了具有 三相并列双曲柄机构的三环减速器系统动力分析模型,得出了系统动力学特性【2 l 】。 但在引入位移协调条件时,没有考虑齿轮啮合处的位移协调关系,认为单齿板上 啮合力是恒定的。2 0 0 1 年,天津大学博士研究生杨建明用弹性动力学方法对三环 传动进行了理论分析【2 2 】。2 0 0 6 年,宋轶民等建立了环式减速器的弹性动力学方程, 计入了高速轴、内齿板、啮合轮齿及轴承等的弹性变形。用有限元方法求解揭示 了系统中各零部件的真实受力情况【2 3 1 。2 0 0 8 年,p 批r g 用解析法和有限元法 对渐开线行星齿轮传动做了详细的动力学分析【2 4 j 。 均载和疲劳寿命方面:1 9 9 5 年,刘伟强提出润滑油膜挤压产生发热是构成三 环减速器功率损耗的主要因素,在高速大功率传动时问题尤显突出,针对这种啮 合传动,提出了采用固体润滑的方案;同年4 月,他在“s h 三环减速器载荷均衡 的研究”一文【2 5 】中认为行星齿轮传动机构中,由实际生产中不可避免的制造安装误 差及零部件的变形引起三个齿板之间载荷分配不均,从而设计并试制了均载机构, 在试验机上分别对固体润滑和均载机构进行了试验,获得了一定的实际效果,但 其润滑和均载方案仅限于实验的基础上,在实际应用中能否起到满意的效果还有 待检验。2 0 0 7 年,蔡戊喜用断裂力学方法分析了三环减速器环板的疲劳寿命,把 应力强度因子幅作为疲劳裂纹扩展的主要参量,利用断裂准则判断裂纹是否失稳 扩展,并由裂纹扩展方程估算了减速器环板的疲劳寿命1 2 引。 有限元分析方面:2 0 0 2 年,朱才朝对平行动轴少齿差传动多齿接触问题动平 衡进行了研究,以有限元弹性接触分析理论为基础,建立了平行动轴少齿差传动 多齿接触问题时的有限元分析模型,提出了一种对研究平行动轴少齿差传动内齿 轮副啮合过程中实际接触齿对数、齿间载荷的分配及齿面载荷分布的分析计算方 法,为平行动轴少齿差内啮合齿轮传动的承载能力的计算、齿轮几何参数的确定 及零部件的强度分析计算提供了理论依据【2 7 】。2 0 0 3 年,陶浩、段红杰等对四环减 速器进行了分析研究,并对环板进行了有限元分析,为提高四环减速器的性能设 计提供了理论依据【2 引。2 0 0 4 年,应广池在“三环传动弹性啮合效应的研究”一文中, 在考虑内外齿轮工作齿廓理论间隙、轮齿弹性变形的基础上,建立了三环传动弹 性啮合的理论分析模型,得到了同时啮合的齿对数和各齿对上的载荷分配情况, 提出了在齿轮的强度计算中计及弹性啮合效应的方法,分析了齿轮主要设计参数 对弹性啮合效应的影响,同时首次提出了按弯曲静强度校核的方法考虑制造误差 重庆大学硕士学位论文1 绪论 对弹性啮合效应的影响,引入弹性啮合效应新设计了一台三环减速器,对弹性啮 合效应进行了实验验证【2 9 1 。2 0 0 5 年,王丽敏对偏曲轴少齿差行星减速器进行优化 设计和结构分析,对偏曲轴少齿差行星减速器箱体进行有限元分析,实现偏曲轴 少齿差行星减速器的优化设计【3 0 】。2 0 0 7 年,l i s 考虑了加工误差,装配误差和齿 轮修形等因素,对齿轮副进行了有限元接触分析,得出了其接触强度和弯曲强度 【3 1 】:2 0 0 8 年,“s 建立了少齿差行星齿轮传动的三维有限元模型,对其进行了接 触数值模拟p 引。 振动噪声方面:1 9 9 5 年,刘海江利用有限元和实验模态分析相结合的混合建 模方法对三环减速器振动噪声进行了预估【3 3 1 。其具体作法是将三环减速器分为两 个子系统:箱体( i i ) 、三相并列双曲柄机构( i ) ,两子结构由轴承连接构成一个整 体。先用动态有限元法计算出子机构i i 的固有模态参数,然后通过对子结构i 进 行系统辨识和响应测试,识别出子结构i 对子结构i i 的激励力,再将此激励力作 用于子结构i i 上,利用有限元法对子结构i i 响应进行了预估,并对预估值进行了 实验验证,得出了包括降低过死点冲击力、改善箱体结构等在内的一系列振动控 制措施。1 9 9 8 年,朱才朝对三环减速器进行了振动控制的研究【3 4 1 。2 0 0 4 年,谢永 春等以中心输入式双环减速器为对象,进行了振动噪声测试,分析了双环减速器 振动特性及可能存在的故障,得出其噪声值和噪声产生的原因【 j 。2 0 0 4 年,g u a l l , y h 对齿轮啮合振动的控制做了深入的实验研究,找出了振动的主要影响因素【3 6 1 。 2 0 0 6 年,李娟分析了三环减速器的振动与噪声对传动性能的影响,对产生三环减 速器的振动与噪声的主要原因进行了分析,并指出它们的特征、鉴别方法及解决 方法【3 7 】。 上述这些理论分析和实验研究,虽然初步弄清了环式减速器的传动机理,得 出了系统的动静态性能,并提出了一些改进措施和建议,但要将环式减速器更好 的用于工程实践中还有很多工作要做。 1 3 论文的主要研究内容 论文的主要内容是针对现有环式减速器存在的问题,设计一款双曲柄内齿环 式行星减速器,在对该减速器的传动原理、结构形式、受力和传动特性等进行分 析的基础上,设计制造出样机,并对其进行了实验研究。 论文的主要研究内容如下: 提出一种由一级渐开线行星齿轮传动和一级渐开线少齿差行星齿轮传动 组合而成的双曲柄内齿环行星减速器,详细分析该减速器的传动原理、结构形式 以及传动特性,设计出样机,建立各零部件的三维实体模型并进行虚拟装配; 对双曲柄内齿环行星减速器的传动系统、轴、曲轴的支撑轴承和转臂轴承 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 的受力进行详细的理论分析研究,并对两级齿轮副的强度和轴承寿命进行校核。 利用a b a q u s 软件建立双曲柄内齿环行星减速器两级传动齿轮副接触有 限元模型,采用弹性有限元法对减速器的两级齿轮副进行接触分析,得出齿面接 触等效应力值和实际接触齿对数。 在齿轮传动实验台上对该样机的传动特性进行实验研究。 7 重庆大学硕士学位论文2 双曲柄内齿环行星减速器的设计 2 双曲柄内齿环行星减速器的设计 2 1 引言 针对目前曲柄少齿差环式减速器的结构形式以及所存在的问题,在此基础上, 提出了一种新型双曲柄内齿环式行星减速器。该新型传动结构不仅具有少齿差行 星传动体积小重量轻、传动比大、传动效率和传动精度高、承载和过载能力强等 优点;并且与r v 传动相比,加工精度易保证、制造成本低;与现有的渐开线少齿 差行星传动结构相比,具有运转更平稳、振动、噪声更小等优点。 2 2 双曲柄内齿环行星减速器的传动原理与结构 双曲柄内齿环行星减速器传动原理如图2 1 所示【l2 1 。运动从第一级中心轮a 输入,当中心轮a 顺时针方向旋转时,行星轮b 在公转的同时还有逆时针方向的 自转,并且通过转臂h 带动第二级渐开线外齿环板d 作平面运动,由于内齿圈e 固定不动,外齿环板d 一边公转一边自转,同时转臂h 带动刚性结构的输出机构h 作顺时针方向转动。 a 中心轮;b 行星轮;d 外齿环板;e 内齿圈;h 曲柄轴;h 输出机构 图2 1 双曲柄内齿环行星减速器传动原理图 f i g 2 1t r a n s m i s s i o np r m c i p l eo f 也ep l a n e t a l 了r e d u c e rw i 也d o u b l e c r a n ka n d 协t e m a lg e a rb o a r d 双曲柄内齿环行星减速器主要由两级行星齿轮传动机构组成,第一级为由渐 开线圆柱齿轮传动组成的外啮合行星齿轮传动机构;第二级为n 型少齿差行星齿 轮传动机构。该减速器采用两根曲轴将两个环板串联工作,两根曲轴上各有两段 等偏心拐径,按照汽车发动机曲拐相位角布局原理设计,两只四连杆机构分别在 上、下位置的方位布局,输入轴主动齿轮带动装有从动齿轮的两根偏心轴转动( 自 8 重庆大学硕士学位论文2 双曲柄内齿环行星减速器的设计 转) ,两根偏心轴同时带动两块传动环板作平面运动,通过传动环板上的外齿与内 齿圈的内齿相啮合,内齿圈不动,两块外齿环板与两根偏心轴组成为一转子,同 时与内齿圈作相对运动( 公转) ,转子的支撑架既为驱动机构同时也是动力和运动 的输出机构。两块等厚的外齿环板,径向对称布置,若以每块环板偏心顶点为参 照点,则两块环板偏心顶点分别在:一板为0 度,二板为1 8 0 度;每一块环板上 沿圆周成1 8 0 度均布有两个支承偏心轴的孔,内齿圈静止不动。如图2 2 所示,该 内环板少齿差减速器的基本原理是:主动齿带动从动齿并转动成组的两根偏心轴 l 、2 ,将运动传入外齿环板4 ,外齿环板4 围绕两偏心轴1 ,2 作平动,两偏心轴 l ,2 同时驱动与外齿环板4 相位成1 8 0 度配对的另一环板5 ,形成一组内双环板 运动。 历小历| | ;i f j l ll ! ll , 蹩梨 e 图2 2 双睦柄内齿环式行星传动的结构示意图 f i g 2 2s 廿u c t l l m ld i 孵锄o f t l l ep l a i l 哪幽v ew i 也d o u b l e - c 姗k 锄dm e m a lg e a rb o 棚 其具体结构如图2 3 所示,主要包括输入齿轮轴、从动齿轮、偏心曲轴、外齿 环板、内齿轮、输出轴、支撑圆盘、箱体等。 输入齿轮轴 输入齿轮轴为一直轴,一端通过键与原动机连接从而输入动力,另一端为渐开 线直齿圆柱轴齿轮。轴齿轮同时与两个均布的行星从动轮啮合。由于输入齿轮轴 悬臂支承在支撑圆盘上,支承刚度较差,因此在设计时,用两排轴承对输入齿轮 轴进行支承,以提高其支承刚度,轴承用弹簧挡圈进行定位。 从动齿轮 从动齿轮安装在偏心轴上,与偏心轴通过键连接从而实现将动力传递到偏心轴 上。从动齿轮共2 个,均布在输入齿轮轴的四周。 偏心曲轴 9 重庆大学硕士学位论文2 双曲柄内齿环行星减速器的设计 两根偏心曲轴构成了一对主动双曲柄,因为第一级的两从动齿轮同时转动,从 而克服了死点问题。每根偏心曲轴上都有两段相位差为1 8 0 。的曲拐,但在轴向位 置上相互错开,偏心曲轴通过轴承与相位差为18 0 。的连杆联接,从而使两根偏心 曲轴构成相位差为1 8 0 。的主动曲柄。 外齿环板 外齿环板即为曲柄机构中的连杆,共有2 个,相位差为1 8 0 。,通过滚动轴承与 偏心曲轴联接。外齿环板的齿形为渐开线形,相对于针齿,其加工简单,加工成 本低。外齿环板与内齿轮的齿数差为1 ,形成少齿差传动。由于l 齿差传动会产生 干涉,因此对外齿环板和内齿轮进行变位。 内齿轮 内齿轮也作为中箱体与左右箱体通过螺栓连接。内齿轮的齿较宽,同时与两个 相位差为1 8 0 。的外齿环板相啮合。考虑到要在箱体上开窥视孔、油孔等,因此把内 齿轮的齿分成两排,在中部切了窥视孔。 输出轴 轴出轴的内端为圆盘,圆盘四周均布两个轴承孔,通过滚动轴承与两根偏心 曲轴相联接,从而实现偏心曲轴绕中心的公转带动输出轴输出。输出轴悬臂支承 在箱体上,因此设计时选用宽轴承以提高支承刚度。 箱体 箱体由左箱体、内齿轮( 中箱体) 和右壳体两部分组成。 1 输出轴:2 左箱体;3 外齿环板:4 内齿轮; 5 从动齿轮;6 右箱体;7 输入齿轮轴;8 支撑圆盘;9 偏心曲轴 图2 3 新型双曲柄内齿环式减速机结构简图 f i g 2 3s n u c t u 聆d i a 目锄o f n o v e ld o u b l e - c r a 】c l l ( f e wt e e md i 疏r 朗c eg e a rr e d u c 盱 1 0 重庆大学硕士学位论文2 双曲柄内齿环行星减速器的设计 2 3 双曲柄内齿环行星减速器的传动特性分析 传动比分析 渐开线少齿差行星齿轮传动机构的一个重要特点是速比大,一级减速机构的 传动比可以从几十到一百多。双曲柄内齿环行星减速器采用两级行星齿轮传动, 运动和动力从第一级渐开线中心轮a 输入,通过第二级的输出机构h 输出。 第一级 由图2 1 知,b 为行星轮,即有自转又有公转,其中公转角速度输出轴h 转速 刀,则转化后传动比 吃:坠丑:一争 ( 2 1 ) 玎b n h厶4 第二级 偏心轴为输入构件,其与齿轮b 用键连接,即角速度相同。当整个机构加上一刀 后,外齿环板与两偏心轴组成平行四边形机构,两偏心轴段为双曲柄,外齿环板 为连杆。在转化机构中,外齿环板做平动,即 栉孑= 栉d 一刀片= o ( 2 2 ) 转化机构传动比 式中 苦捌= 考 且 刀。= o 由2 1 2 4 可知传动比为 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 。= 嚣+ 詈。南 5 , 刀hz 口l z e z d ) z 。第一级传动中心轮a 齿数 z 6 第一级传动行星轮b 齿数 白第二级传动外齿环板d 齿数 z 。第二级传动内齿圈e 齿数 角速度分析 重庆大学硕士学位论文 2 双曲柄内齿环行星减速器的设计 h ( a ) 负号机构 ( b ) 正号机构 a 中心轮;b 行星轮;h 转臂 图2 。4 k h 轮系结构简图 f i g 2 4s i o e t c ho fm ek - hg e a rs y s t e m 图2 4 是k h 轮系结构简图,其中图2 4 ( a ) 为负号传动,图2 4 ( b ) 为正 号传动3 羽,其转化机构的传动比与各构件角速度的关系为 艺= = 啦 ( 2 6 ) b 一h 式中 瑶转化机构的传动比 中心轮相对于转臂的角速度 硝行星轮相对于转臂的角速度 叱中心轮的绝对角速度 魄行星轮的绝对角速度 国h 转臂的绝对角速度 由上式可得运动方程: 一艺魄一( 1 一艺) 胃= o ( 2 7 ) 用转化机构法建立必、心和的关系式,根据力矩的平衡,则 必+ + = 0 ( 2 8 ) 式中 心作用在中心轮上的力矩 心作用在行星轮上的力矩 m 日作用在转臂上的力矩 转化机构的功率平衡方程为 m ,:q 9 + m ,磺= q 将( 2 6 ) 式代入( 2 9 ) 式,则 心= 一心艺叩卢 1 2 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 重庆大学硕士学位论文2 双曲柄内齿环行星减速器的设计 将( 2 1 0 ) 式代入( 2 8 ) 式,则 = 一心( 1 一翻卢) ( 2 1 1 ) 式中 7 7 卢转化机构的效率,其值按定轴轮系效率公式计算。 其中的p 为反映转化机构中啮合功率流流向的指数,当啮合功率心 o 时, 中心轮a 在转化机构中为原动件,卢= 1 ;反之,当必 o 时,行星轮b 在转化 机构中为原动件,卢= 一1 。 叼卢的值按转化后的定轴轮系效率确定,计算如下。 对于负号传动: ,7 卢= ( 1 一) ” ( 2 1 2 ) 镌= 2 3 厶【( 1 z 。) + ( 1 z 6 ) 】 ( 2 1 3 ) 对于正号传动: 牡袅 ( 2 镌= 2 3 左【( 1 乞) 一( 1 乙) 】 ( 2 1 5 ) 式中 损失系数 刀行星轮的个数 乙中心轮齿数 z 。行星轮齿数 厶- 轮齿啮合的摩擦系数 由式( 2 1 0 ) 、式( 2 1 1 ) 联立求解可导出各基本构件上各外力矩之间的关系 式,即 丝:善:k ( 2 1 6 ) 一1 翻卢1 一翻卢 一一 式( 2 7 ) 反映出各构件角速度之间的关系,式( 2 1 6 ) 反映出各构件所受力 矩之间的关系。 双曲柄内齿环行星减速传动由一个外啮合行星轮系单元( 负号传动) 和两个 串联相连的内啮合轮系单元( 正号传动) 组合而成。设外啮合轮系单元为单元i , 则单元i 由中心轮a 、行星轮b 和输出机构h 构成;为便于分析,设两个完全相同 的内啮合轮系单元统一为单元i i ,则单元i i 由环板d 、内齿圈e 和转臂h 构成。 按式( 2 7 ) 分别写出单元i 、i i 的运动方程。 对于单元i : 。一圪6 一( 1 一毪) 日= o ( 2 1 7 ) 重庆大学硕士学位论文2 双曲柄内齿环行星减速器的设计 式中 式中 圪单元i 的转化机构传动比 吼中心轮a 的角速度 魄行星轮b 的角速度 阿- 输出机构h 的角速度 对于单元i i : d 一喽。一( 1 一吃) = oa 一z z t 一【l z z j 2u 吃单元i i 的转化机构传动比 吼外齿环板d 的角速度 。内齿圈e 的角速度 吼转臂h 的角速度 反映内、外啮合k v 轮系单元联系的方程为 6 = 国 ,国d2 ,吐20 联立式( 2 1 7 ) 、式( 2 1 8 ) 和式( 2 1 9 ) ,即可求得 6 = 国 = 国d ( 1 一匕) 6 = = 。( 1 一f 乏+ f 兰f 乏) d = = 国。靠 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 由于毪 l ,故1 一f 乏 o ,吃吃 o ,另 o ;再根据圪 1 , 1 一吃 o ,毪吃 o ,另6 o 。因 此可以确定卢。= + 1 ,卢2 = 一1 。 将卢,= + 1 ,卢:= 一1 代入前面的力矩方程式,并确定输出力矩m b 与输入力矩 m a 的关系。 1 6 重庆大学硕士学位论文2 双曲柄内齿环行星减速器的设计 由式( 2 2 4 ) 知:m 日= 一肘。( 1 一圪t 7 ,1 ) ,将j f i 。= + 1 代入可得 m = 一 乞( 1 一吃叩1 ) 再由式( 2 2 3 ) 、( 2 2 6 ) 和( 2 2 7 ) 得 m d = 一m 。f 三叩lr 7 2 ( 7 7 2 一毪) 联立式( 2 2 8 ) 、( 2 3 5 ) 和( 2 3 6 ) ,得 毛= 一 免 1 + f 羔圪叩l ( 叼2 一匕) 】 根据效率的定义:效率等于输出功率与输入功率的比值,得 q = p b | p = mb h | l m p j = mb | m 3 x 妯h | 3 将式( 2 2 2 ) 和式( 2 3 7 ) 代入上式即得效率计算公式 州将) 。靠 7 7 l ,7 7 :分别为第一级和第二级传动效率。 ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) ( 2 3 7 ) ( 2 3 8 ) ( 2 3 9 ) 2 4 双曲柄内齿环行星减速器几何参数设计 本文双曲柄内齿环行星减速器的设计要求为:功率o 5 5 k w ,总传动比1 2 5 。 选择三相y 系列异步电动机,型号为y 8 0 1 4 ,额定功率p = o 5 5 k w ,满载转速 n _ 1 3 9 0 r m i n ,同步转速n o = 1 5 0 0 r m i n 。 根据设计要求,总传动比为f = 1 2 5 ,由前一节的传动比分析知: f = l + z b z e = 1 2 5 z 4 心e z d 、) 式中 z 。第一级传动中心轮a 的齿数 瓦第一级传动行星轮b 的齿数 乃第二级传动外齿环板d 的齿数 z ,第二级传动内齿轮e 的齿数 考虑到减速器整体尺寸的限制,取第一级渐开线行星齿轮传动的齿数比为2 , 即= 垒= 2 ,且第二级少齿差传动为一齿差传动,则之= - = 6 2 。 z ou e z d ) 由前面的效率分析,理论计算其传动效率7 7 为:7 7 = 9 1 0 3 。 根据第一级行星齿轮传动传递的扭矩确定齿轮为软齿面,小齿轮和大齿轮都 选用4 5 钢,进行调质处理。根据第一级行星齿轮传动所传递的扭矩以及传动比, 可以根据机械工程手册初选齿轮参数如表2 3 所示。 1 7 重庆大学硕士学位论文2 双曲柄内齿环行星减速器的设计 表2 3 第一级传动齿轮参数表 所 o 8 6 l 1 4 以2 4 l 6 少齿差传动是齿数差很少的内啮合传动。内啮合圆柱齿轮的变位原理与外啮 合圆柱齿轮是类似的,但是,由于内齿轮加工中,相啮合双方的位置关系、几何 关系与外啮合不同,在设计内啮合变位齿轮传动时,齿数的搭配和变位系数的选 择受到各种干涉条件的限制。为避免这些干涉,必须按照规范选取变位系数,并 进行必要的验算。 加工内齿轮时渐开线干涉引起范成顶切。为避免范成顶切,加工内齿轮时应 满足 鱼l 一堕堕 ( 2 4 0 ) 乞增a 0 2 。 加工内齿轮时,径向装入干涉将引起径向进刀顶切。避免径向进刀项切的计 算条件是: 踟c s l n 式中 1 一( 盟) : c o s 口口2 l 一( 鱼) 2 z 2 + 切v 口0 2 一切v 仅一鱼 踟- c s i n 乞 ( ! 塑堕) :一1 c o s 口0 2 ( 鱼) :一1 + f ”v 仅。2 一加v 口i 】o 不产生齿廓重迭干涉的验算条件是: g = 毛( 磊+ 觑m 。l 一切记7 ) 一乞( 疋+ 加m 。2 一加础) o 删= 砌煅恤a 酬 ( 2 4 1 ) ( 2 4 2 ) 最:撇盼生二蔓善 2 名l 口 民:撤c 。s 益二叠垡 2 吃2 口 不产生内齿轮齿根过渡曲线干
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