（机械工程专业论文）行星齿轮传动中功率分流与均载技术的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着我国国民经济的快速发展，作为机械设备的重要元件一齿轮传动装置的传递功 率越来越大，产品规格尺寸也越来越大。为了满足机械设备传递动力的需要，同时减少 齿轮传动的结构尺寸和重量、提高齿轮的承载能力以及克服热处理技术和加工机床带来 的限制，最大化提升齿轮装置的综合性能指标，国际和国内在大型齿轮传动设计中普遍 采用了功率分流和均载技术。 行星齿轮传动是一种最典型的功率分流和均载齿轮机构，广泛的用作各行业的动力 传动装置。行星传动在结构上利用多个行星轮来分担载荷，形成功率分流，并合理地应 用了内啮合承载能力高的特点来实现载荷传递，使行星齿轮传动具有体积小、重量轻、 结构紧凑，传递功率大、承载能力高等优点。但行星传动各零件由于受机床精度、加工 精度、装配精度，运动精度、刚度等因素的影响，不可避免地存在加工误差、装配误差 以及运转中受力变形，使各行星轮的受载不均衡。因此，开展行星齿轮传动中功率分流 和均载技术的研究，具有很重要的实际意义和企业实用性。 在本论文研究中，主要开展了如下工作： 首先介绍了行星齿轮传动的特点，并对行星齿轮传动的均载原理，各种均载装置的 作用与特点进行了阐述。 其次分析了均载构件等效误差和最大位移量的计算，研究了加工安装误差、刚度等 因素对均载效果的影响；讨论了行星轮数与不均载系数之间的关系；确定了不均载系数 的计算方法与实用取值。并编写了等效误差与最大位移量和不均载系数的计算机程序。 最后通过不同浮动均载方式、不同的速度与载荷的行星传动均载试验，以及试验数 据的分析得出了比较科学的均载试验结果和工程设计用数据。 总之，通过研究，比较系统地分析了影响行星齿轮传动功率分流与均载效果的因素， 以及如何提高均载的办法。不仅提高了专业水平，而且对今后企业行星齿轮的设计和加 工的理念将有大的改进；对提升行星齿轮产品综合性能指标，对运用行星齿轮技术进行 教学、工厂实用设计及以后更深入的研究都有一定的参考价值和意义。 关键词：行星传动功率分流均载技术均载系数误差 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fn o t i o n a le c o n o m y , t h ek e yc o m p o n e n to ft h em a c h i n e r y e q u i p m e n t - - t h eg e a rt r a n s m i s s i o nd e v i c e ，i t st r a n s m i s s i o np o w e r i sh e a v i e ra n dh e a v i e ra n d t h es p e c i f i c a t i o na n ds i z ei sb i g g e ra n db i g g e r s o m ea d v a n c e dd e s i g nt e c h n i q u ei sa d o p t e dt o s a t i s f yt h et r a n s m i s s i o np o w e ro ft h em a c h i n e r ye q u i p m e n t ，r e d u c et h es t r u c t u r a ls i z eo ft h e g e a rt r a n s m i s s i o nd e v i c e ，a n de n h a n c et h ec a r r y i n gc a p a c i t yo ft h eg e a ra n do v e r c o m i n gt h e l i m i t a t i o nb r o u g h tb yt h eh e a tt r e a t m e n tt e c h n i q u ea n dt h em a c h i n et o o l ，m a xu p g r a d et h e c o m b i n e dp e r f o r m a n c ei n d e xo f g e a rd e v i c e t h ep o w e rd i v i d i n ga n de v e nl o a d i n gt e c h n i q u e a r eg e n e r a l l ya p p l i e di nt h ed e s i g nt ot h es t r u c t u r eo f t h e b i g s c a l eg e a rt r a n s m i s s i o nd e v i c ea t h c m ea n da b r o a d t h ep l a n e t a r yg e a rt r a n s m i s s i o ni so n eo f t h et y p i c a lo f p o w e rd i v i d i n ga n de v e nl o a d i n g w h i c hi sw i d e l yu s e di nt h ep o w e rd r i v ed e v i c e so f e a c hl i n eo f b u s i n e s sc o m p r e h e n s i v e l y i n t h es t r u c t u r e , t h ep l a n e t a r yg e a rt r a n s m i s s i o na p p l i e sm u l t i p l a n e t a r yg e a r st op a r t a k et h el o a d a n dt of o r mt h ep o w e rd i v i d i n g ，a p p l i e st h ec h a r a c t e r i s t i co fh i g hl o a d i n gc a p a b i l i t yf o r i n t e r n a le n g a g e m e n tt oa c h i e v et h et r a n s m i s s i o no fl o a d ，w h i c hm a k e st h ep l a n e t a r yg e a r t r a n s m i s s i o nt ob ep r o v i d e dw i t ht h ea d v a n t a g e so fs m a l lb u l k ，l i g h tw e i g h t ，c o m p a c t s t r u c t u r e ，h e a v yt r a n s m i s s i o np o w e ra n dh e a v yl o a d i n gc a p a c i t y b u ta l lt h eu n i t so f p l a n e t a r y g e a rt r a n s m i s s i o ni n f l u e n c e db yt h ec o m p l i c a t i o n so fm a c h i n ea c c u r a c y , p r o c e s s i n ga c c u r a c y , a s s e m b l i n ga c c u r a c y , m o t i o na c c u r a c ya n ds t i f f n e s se x i s tt h ep r o c e s s i n gt o l e r a n c e ，a s s e m b l i n g t o l e r a n c ea n ds t r e s sd e f o r m a t i o nd u r i n go p e r a t i o nt om a k et h el o a do fe a c hp l a n e t a r yg e a r u n b a l a n c e d t h e r e f o r e ，s t e p p i n gu pt h er e s e a r c ho ft h ep o w e rd i v i d i n ga n de v e l ll o a d i n g t e c h n i q u ei nt h ep l a n e t a r yg e a rt r a n s m i s s i o ni si m b u e dw i t hi m p o r t a n ta c t u a ls i g n i f i c a n c ea n d e n t e r p r i s ep r a c t i c a b i l i t y t h eb e l o wm a i n w o r ki sc a r r i e do u ti nt h i sp a p e r ： f i r s to f a l l ，i n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f p l a n e t a r yg e a rt r a n s m i s s i o na n de x p a t i a t et h e e v e nl o a d i n gp r i n c i p l eo fp l a n e t a r yg e a rt r a n s m i s s i o na n dt h ef u n c t i o na n dc h a r a c t e r i s t i co f e a c hk i n do f e v e nl o a d i n gd e v i c e s s e c o n d a r y , a n a l y z e s t h ec a l c u l a t i o nt ot h e e q u i v a l e n t e r r o ra n dt h em a x i m u m d i s p l a c e m e n to ft h ee v e nl o a d i n gc o m p o n e n t ，t h ei n f l u e n c eo ft h ef a c t o r ss u c h a st h e m a n u f a c t u r ea n dm o u n te r r o ra n ds t i f f n e s se t c t ot h ee v e nl o a d i n ge f f e c t ，a n dt h er e l a t i o n s h i p 华中科技大学硕士学位论文 b e t w e e nt h en u m b e ro ft h ep l a n e tw h e e la n dt h eu n e v e nl o a d i n gc o e f f i c i e n t ，d e t e r m i n e st h e c a l c u l a t i o na p p r o a c hf o rt h eu n e v e nl o a d i n gc o e f f i c i e n ta n dt h ep r a c t i c a lv a l u e a l s oc o m p i l e d c a l c u l a t i o np r o g r a mo f e q u i v a l e n te t o r ，t h em a x i m u md i s p l a c e m e n ta n d e v c l il o a d i n gc o e t f i c i e n t a tl a s t ，e d u c e st h em u c hm o r es c i e n t i f i ce v e nl o a d i n gt e s tr e s u l ta n de n g i n e e r i n ga n d d e s i g n i n gd a t ab yd i mo fe v e nl o a d i n g t e s to f p l a n e t a r yg e a rt r a n s m i s s i o ni nd i f f e r e n tf l o m i n g e v e nl o a d i n gm o d e s ，d i f f e r e n ts p e e d sa n dl o a d sa n da n a l y s i so f t e s td a t a i naw o r d , b yt h es t u d yt ot h ep a p e r , a n a l y z et h ec o m p l i c a t i o n si n f l u e n c et h ep o w e r d i v i d i n ga n de v e nl o a d i n go ft h ep l a n e t a r yg e a rt r a n s m i s s i o na n dt h em e t h o dt oi m p r o v et h e l o a db yt h en u m b e r s n o to n l yi m p r o v et h es p e c i a l l yk n o w l e d g e , b u ta l s ow i l la m e l i o r a t et h e f u t u r ed e s i g na n dm a n u f a c t u r et h e o r i e so fp l a n e t a r yg e a r t h es t u d yh a st h ed e f i n i t e r e f e r e n c e di m p o r t a n c ea n ds i g n i f i c a t i o nf o rt h ec o m b i n e dp e r f o r m a n c ei n d e xo ft h ep l a n e t a r y g e a rp r o d u c t sa n dt h et e a c h i n go ft h ep l a n e t a r yg e a rt e c h n i q u e ，u t i l i t yd e s i g ni nt h ef a c t o r y a n df u t u r em u c hm o r et h o r o u g hs t u d y k e yw o r d s ：p l a n e t a r yt r a n s m i s s i o n e v e nl o a d i n gc o e f f i c i e n t p o w e rd i v i d i n ge v e nl o a d i n gt e c h n i q u e e r r o r 独创性声明 + y i l 0 1 7 4 5 0 本人声爨簧墨交翁学霞论交蹩浅夺入在零簿灏指导下遴褥瓣砺究王终及取 得的研究成果。尽我所知，除文中融标明引用的内铎外，本论嶷不包含任何熊他 天或集体避淫茨表或撰霹建懿醣究黢潦。黠本文鹤磺究繁蠢爨献戆令人霸熊髂， 臻芒在交审瑷绣确方式搽骥。奉入党囊意识多 零黟鞲麓法簿鳐暴密本灭歆羰。 镦位论文作糟躲名：粥 霹蘩：獬参霉| 冀哆霹 学位论文版权使用授权书 零攀能论文律者毙黛了薅学校瀚燕保留、健爝学位论交魏潮定，帮：学校有 权保留并向国家有关部门载机构送炎论文的复印件犟口电子版，允许论文被查阅和 簧蓑。零入授蔽擎孛鹊搜大学霹淡终零攀短速交酾金藩葳鼙努蠹餐壤天鸯美数耀 霹避萼亍稔索，可以采褥瓣印、缩印斌掴播等菱希8 攀段保存和澎编本学位论黧。 保密口t 张年嬲密后适用本授权书。 零论文属予， 苓搽密爨 ( 请在以上方糕内打“”) 攀蕊速交露蠹签窿；词i 断螽导教簿罄蜜： 蹦髑：一一b 颦c 月乃烈 目嬲；l 掣f 口月必髓 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题概述 1 1 1 课题的提出 随着我国国民经济的快速发展，作为国家基础产业的机械设备也相应朝着大型化方 向发展。作为机械设备的重要元件一齿轮传动装置的传递功率也越来越大，产品规格尺 寸也越来越大。为了满足机械设备传递动力的需要，同时减少齿轮传动的结构尺寸和重 量、提高齿轮的承载能力以及克服热处理技术和加工机床带来的限制，最大化提升齿轮 装置的综合性能指标，国际和国内在大型齿轮传动结构设计中普遍采用了功率分流和均 载技术。 功率分流在结构上有中心驱动功率分流和侧传动功率分流两种型式，均载技术在原 理上有弹性变形均载和非弹性变形均载两种型式。功率分流与均载技术在我国齿轮传动 中的使用也有很多年的历史，特别是新中国成立以来，随着齿轮技术的发展，功率分流 与均载技术在我公司的齿轮产品中也得到了广泛的应用。如用于提升机的z g 弹簧基础 减速器，用于水泥管磨机的d 系列中硬齿面中心驱动减速器、j g f 、m g f 等系列硬齿 面中心驱动减速器、m b 系列边缘传动多点啮合减速器，以及n g w 、z z 、z k 等系列行 星齿轮减速器，都采用了功率分流和均载技术。可以看出，随着传动功率的越来越大， 以及齿轮传动单位性能指标的要求越来越高，功率分流和均载技术在齿轮传动中使用将 越来越广泛。 行星齿轮传动是一种最典型的功率分流和均载齿轮机构，广泛的用作各行业的动力 传动装置。行星传动在结构上利用多个行星轮来分担载荷，形成功率分流，并合理地应 用了内啮合承载能力高的特点来实现载荷传递，使行星齿轮传动具有体积小、重量轻、 结构紧凑，传递功率大、承载能力高等优点。 功率分流从理论上来讲应实现均匀分流，但行星传动各零件由于受机床精度、加工 精度、装配精度、运动精度、刚度等因素的影响，不可避免地存在加工误差、装配误差 以及运转中受力变形，使各行星轮的受载不均衡。因此，开展行星齿轮传动中功率分流 华中科技大学硕士学位论文 和均载技术的研究，来分析影响行星齿轮传动均载效果的各种因素，并提出相应的改善 办法来提高行星传动的均载效果等，都具有很重要的实际意义。 同时，中信重机公司白1 9 7 9 年生产第一台提升机用行星齿轮减速器以来，通过近 三十的发展，已形成了z k 行星齿轮减速器( 标准号j b t 9 0 4 3 1 1 9 9 9 ) 、z z 行星 齿轮减速器( 标准号j b t 9 0 4 3 2 一1 9 9 9 ) 、z j 行星齿轮减速器( 标准号j b ，r 7 6 8 1 1 9 9 5 ) 三个国家行业标准以及z t 、z z d t 、g z l 、s x 等多个企业行星齿轮减速器系列， 己生产行星减速器产品几千余台，广泛用于矿山提升、起重运输、建材、冶金、水电、 轻工、化工等多个行业，产品覆盖我国大江南j e 并远销亚美等国家。行星齿轮产品不仅 是我公司齿轮主导产品而且低速重载行星齿轮技术和产品在国内的提升、建材、榨糖、 水电增速等领域也占主导地位。在行星齿轮技术发展过程中，该公司进行了多项有关行 星技术的科研和试验，多项技术和产品都创造了国内第一。为保持企业在此方面的国内 外竞争力，将多行星轮使用运用到实际工作中并提高企业行星齿轮整体技术水平，开展 此项研究也具有很重要的实用性。 基于以上原因，本课题选定“行星齿轮传动中功率分流与均载技术的研究”作为研 究方向。 1 1 2 课题研究的意义 选定“行星齿轮传动中功率分流与均载技术的研究”作为课题研究方向，主要是因 为随着机械设备朝大型化发展，减速器的传递功率和规格也越来越大，同时齿轮传动产 品受加工机床、市场价格竞争、用户对产品性能要求等多种因素的约束问题也越来越突 出，功率分流与均载技术在齿轮传动中的作用也越来越重要。 通过行星齿轮传动中功率分流与均载技术的研究，分析各种影响齿轮均载的因素和 找出提高均载效果的办法，以及最多化行星轮使用的可行性的研究，来最佳的发挥行星 齿轮传动的优点，从而使齿轮传动的单位传递能力、外形结构尺寸、重量、单位经济效 益指标等性能达到优化设计，从而提升齿轮产品的综合技术水平。 通过结合公司行星齿轮均载试验和试验数据分析，总结得出不同均载方式下的均载 系数，从而得出在可行行星结构下的最佳均载方式，并根据试验得出均载系数的最佳值 来指导实际研发和设计工作。 2 华中科技大学硕士学位论文 通过行星齿轮传动中功率分流与均载技术的研究，对于持续发展公司行星齿轮技 术、特别是多行星轮技术、内齿磨技术的研究和使用，对发展更大型化行星传动装置、 高尖端领域的行星齿轮产品都有很重要的实用意义。 1 2 文献综述 1 2 1 齿轮的发展历史 齿轮传动是近代机器中最常见的一种机械传动，是传递机器动力和运动的一种主要 形式，是各种机械产品的重要基础零部件。它与带、链、摩擦、液压等机械传动相比， 具有功率范围大、传动效率高、圆周速度高、传动比准确、使用寿命长、结构尺寸小等 一系列特点。因此，它已成为许多机械产品不可缺少的传动部件，也是机器中所占比重 最大的传动形式。齿轮的设计与制造水平将直接影响到机械产品的性能和质量。由于齿 轮在工业发展中的突出地位，致使齿轮被公认为工业化的一种象征。 齿轮传动技术经历了长期的历史发展过程。公元前4 0 0 - - 2 0 0 年，我国古代就开始使 用齿轮，在我国山西出土的青铜齿轮是迄今已发现的最古老齿轮，作为反映古代科学技 术成就的指南车就是以齿轮结构为核心的机械装置。在国外，在公元前1 5 0 年的希腊， 著名学者亚里土多德和阿基米德都研究过齿轮。希腊有名的发明家古蒂西比奥斯在圆板 工作台边缘上均匀地插上销子，使它与销轮啮合，他把这种机构应用到刻漏上。但直到 1 7 世纪末，人们才开始研究能正确传递运动的轮齿形状。在1 6 9 4 年，法国学者p h i l i p p e d e l a h i r e ，首先提出渐开线可作为齿形曲线。1 7 3 3 年，法国人c a m u s m 提出并建立 了齿轮关于接触点轨迹的概念。1 7 6 5 年，瑞士的e u l e rl 阐明了一对齿轮啮合其齿形 曲线的曲率半径和曲率中心位置的关系。后来，s a v o r y 进一步完成了此方法，成为现在 的e u l e r - - s a v e r y 方程。对渐开线齿形应用做出突出性贡献的是英国学者r o b e r tw i l l i s ， 他提出中心距变化时，渐开线齿轮具有角速比不变的优点。1 8 7 3 年，德国工程师h o p p e 提出，对不同齿数的齿轮，在压力角改变时的渐开线齿形，从而奠定了现代变位齿轮的 思想基础【”。 齿轮传动在我国的发展是从渐开线齿廓起步的。渐开线齿轮在技术上最成熟，应用 最具备条件，因而使用也最普遍，并在机械传动设计中，占有主导地位。从建国初期开 华中科技大学硕士学位论文 始，在一般与重要的设备传动系统中，都是采用的渐开线齿轮。限于当时的制造水平， 多数齿轮传动采用定轴式结构，齿轮为调质处理的软齿面齿轮，精度只有8 9 级，在使 用中极易点蚀，使用寿命较低。 解放后，在借鉴前苏联技术的前提下，我们开始研究与使用单圆弧齿轮。由于单圆 弧齿轮的啮合特点，在软齿面条件下其齿面接触强度与渐开线相比有显著提高。从六十 年代开始，国家“一五”建设的重点企业洛阳矿山机器厂为我国提升杌配套的齿轮传 动都是单圆弧齿轮，为我国采矿与齿轮事业的发展做出的突出贡献。到1 9 7 0 年以后， 我国又发展了双圆弧齿轮，它简化了切齿工艺，大大提高了轮齿的弯曲强度，使圆弧齿 轮的技术达到了更完善的程度。 到上世纪7 0 年代末，随着我国的改革开放和国民经济的快速发展，随着国外先进 机械产品的引进与齿轮制造水平的提高，齿面经渗碳淬火、氮化或感应淬火处理的所谓 硬齿面渐开线齿轮开始为人们所重视。这种齿轮由于齿面硬度高与齿轮精度好而大大提 高了齿轮承载能力和使用寿命，同时又因结构尺寸的减小使齿轮装置的成本大为降低。 到八十年代中后期，由西安重型机械研究所开发了国内第一套z d y 、z l y 、z s y 硬齿 面渐开线齿轮减速器系列，而当时的洛阳矿山机器厂等知名齿轮加工企业已具备了硬齿 面渐开线齿轮的制造能力。 行星齿轮传动是近四十年来发展较快的一种传动形式，它是一种至少有一个齿轮的 几何轴线绕中心轮轴线回转的齿轮传动。因此种传动采用数个行星轮或个行星轮的多 个轮齿同时传递负荷，并应用了内啮合的组合形式，因而具有体积小、重量轻、传动比 范围大、传动效率高、噪声小等优点，已被广泛用于矿山、起运、冶金等行业设备上， 作为增速、减速与变速的传动装置。在有些要求结构紧凑的场合或是同轴线传动的情况 下，它已替代了一批平行轴结构的定轴传动。如原洛阳矿山机器厂自1 9 7 9 年开发研制 第一台行星减速器用于矿井提升机以来，到目前为止新建或改扩的矿井提升机基本上都 采用的是行星减速器传动装置。 1 2 2 齿轮传动技术的发展趋势 国际上，动力传动齿轮装置正沿着大功率、小型化、高速化、低噪声、高可靠性方 向发展。在冶金、电力、建材、炼油等行业，对传动装置的承载能力、运行线速度、使 4 华中科技大学硕士学位论文 用可靠度、维护都提出了很高的要求。如传动功率最大达4 4 m w ，输入转速最高达 6 7 0 0 0 r p m ，齿轮圆周速度最高为1 7 0 m s ，为提高齿轮传动的承载能力，各种各样的先 进技术已应用到齿轮传动上来。主要有： ( 1 ) 硬齿面齿轮技术 2 0 世纪8 0 年代初，国外硬齿面齿轮技术目趋成熟。采用优质合金钢锻件渗碳淬火 磨齿的硬齿面齿轮，精度不低于i s 0 1 3 2 5 标准规定的6 级，综合承载能力为中硬齿面调 质齿轮的4 倍，为软齿面齿轮的5 倍。一个中等规格的硬齿面齿轮减速器的重量仅为 软齿面齿轮减速器的三分之一左右。 ( 2 ) 功率分流与均载技术 主要指行星齿轮传动及大功率的功率双分支及多分支装置，如中心传动的水泥磨机 主减速器，边缘传动多点啮合水泥磨机主减速器等，其核心技术是均载。在这些典型的 传动装置中，由于采用了功率分流技术，传动装置的承载能力得到大大的提高，而传动 装置的体积和重量也大大减小。另外，在某些特定场合，必须采用功率分流技术的传动 装置。如在单啮合传动链中，一旦传递能力超过一定的值，齿轮的直径就超出了热处理 和齿轮加工机床的制造能力范围；而采用功率分流技术的齿轮，却能满足要求。在结构 上功率分流有中心驱动功率分流和侧传动功率分流两种型式，在原理上均载技术有弹性 变形均载和非弹性变形均载两种型式。 我国功率分流与均载技术的发展经历了几个典型的应用阶段： 硬齿面技术使用前阶段。在早期，如上世纪7 0 年代前，在硬齿面技术在国内还 未研发的情况下，为了满足中硬齿面传递大功率的需要，在许多齿轮传动中采用了功率 分流与均载技术。如从前苏联引进吸收消化的z g 系列弹簧基础减速器采用的是人字齿 功率分流和弹性轴弹性变形均载技术；6 0 年代末在吸收丹麦史密斯t s f p 、t s x 中心驱 动减速器技术的基础上，开发的中硬齿面d 系列中心驱动减速器采用的是人字齿功率分 流和输出大齿轮弹性悬浮均载以及限位环辅助均载的均载技术。 行星传动技术应用阶段。7 0 年代末在引进、吸收和消化德国r e n k ( 伦克) 等 公司行星齿轮减速器的基础上，自行开发了n g w 、z z 、z k 等系列行星齿轮减速器， 由于采用的是多行星轮的功率分流和行星构件浮动的均载技术；使行星齿轮减速器在传 华中科技大学硕士学位论文 递同等能力的情况下，其重量比普通的平行轴传动要降低l 2 1 5 ，占地面积仅为普通 的平行轴传动的1 3 1 2 左右，行星减速器的综合技术指标都要比普通的平行轴传动要 高。而且随着行星轮个数由最初的三行星轮发展到目前的八行星轮，行星齿轮传动的单 位传递能力、综合技术指标得到了很大的提高，使行星齿轮传动在矿山、运输、建材、 冶金、轻工、化工、电力等行业得到了更广泛的应用。 特大功率重型齿轮传动应用阶段。随着机械设备传递功率的大型化，行星齿轮 传动由于受加工机床的限制，无法随设备传递能力的需要而相应得研发使用。如水泥 建材行业大型磨机、都达到了1 0 0 0 0 k w 以上，同时这些机械设备特定的运行工况，一 旦功率达到一定范围，行星齿轮传动的结构形式已不能满足使用的需要。如在水泥建材 行业，9 0 年代初在吸收消化法国雪铁龙公司c h c 中心驱动减速器的基础上开发了m g f 系列中心驱动硬齿面减速器，采用的是人字齿功率分流和高速轴窜动的均载技术；8 0 年代末在吸收消化日本k a w a s a r d o q 崎) 重工公司中心驱动减速器的基础上，开发了用 于大型磨机设备的j g f 、j s 、m f y 系列中心驱动硬齿面减速器，采用的是人字齿功率分 流和弹性轴弹性变形均载技术；9 0 年代中期在吸收消化德国f l e n d e r ( 弗兰德) 公司 边缘传动多点啮合减速器的基础上，开发了m b 等系列边缘传动多点啮合减速器，采用 的是人字齿和多小齿轮同时啮合大齿轮的复合功率分流技术，以及轴窜动和小齿轮自复 位的均载技术等等。 ( 3 ) 修形技术 齿轮装置在传递功率时，由于受载荷的作用以及制造安装误差的影响，各个零部 件都会产生程度不同的弹性变形，其中包括轮齿、轮体、箱体、轴承的变形。尤其与齿 轮相关的弹性变形，如轮齿变形和轮体变形会引起齿轮的齿廓和齿向曲线的畸变，使轮 齿在啮合过程中，产生冲击、振动和偏载。近年来，通过对齿轮的齿廓和齿向进行适当 的修形，减少由齿轮受载变形和制造误差引起的啮合冲击，改善了齿面的润滑状态并获 得较为均匀的载荷分布，有效地提高了齿轮的啮合性能和承载能力，延长了其使用寿命。 ( 4 ) 计算机辅助设计技术 随着计算机技术的发展，利用计算机从事设计等一系列工作越来越普遍。计算机 辅助技术主要包括c a d 、c a p p 、c a m 、c a e 、p d m 计算机辅助技术、三维可视图形 6 华中科技大学硕士学位论文 设计技术、建模与仿真的动态设计技术、模块化设计技术等，这些技术的应用和日趋成 熟，使齿轮产品的性能价格比大大提高，产品越来越完美。 ( 5 ) 先进制造技术 一 先进制造技术主要有硬齿面齿轮制造技术、硬齿面齿轮材料的研制、渗碳、渗氮 淬火热处理技术、c n c 计算机数控成型磨齿机加工技术、内齿磨削技术等。 所有这些技术的研究都与功率分流与均载技术存在着一定得关系，同时这些技术 的应用都给齿轮传动的发展带来了巨大的进步和质的飞跃，拓展了齿轮的使用领域和空 间。为世界工业的快速发展做出了巨大贡献。 1 2 3 国内外行星齿轮传动功率分流与均载技术水平简述 对于采用中心驱动功率分流和均载技术的行星减速器，国外主要有、德国r e n k ( 伦 克) 、德国f l e n d e r ( 弗兰德) 、瑞士m a a g ( 马格) 、丹麦s m i d t h ( 史密斯) 等设 备制造厂商，他们代表着世界最先进水平，他们采用的行星轮个数已从3 个发展到8 个， 目前已很好的运用到至1 0 0 0 0 k w 功率以内的特大型行星减速器系列产品上。特别是德 国r e n k 公司在行星减速器的技术研究方面一直处在世界最先进技术前列，其行星减速 器产品广受用户的好评和信赖，在全世界得到广泛的推广应用。 在上世纪8 0 年代初，国内中信重型机械公司率先引进了德国r e n k 公司的行星减 速器技术，并自行开发了z k 、z z 、z j 等多个国家行业标准和企业标准，已生产行星减 速器产品几千余台，广泛用于矿山提升、起重运输、建材、冶金、水电、轻工、化工等 多个行业。在国内低速重型行星减速器技术方面处于领先水平。其它的有西安重型机械 研究所开发的n g w 系列行星减速器通用标准、南京高精齿轮箱公司的高速行星齿轮产 品、重庆齿轮箱公司的风电行星增速器等都代表着国内相应行业的先进水平。 国内行星齿轮技术与国外相比，无论是在研发技术、工艺水平，还是在制造安装精 度等方面还存在一定的差距，特别是在大功率、高速度、多行星轮运用等领域差距是更 加明显。如在低速重载领域，国外行星传动功率已达1 0 0 0 0 k w ，行星轮个数已达8 个， 而我国行星传动功率目前只为5 0 0 0 k w 以下，行星轮个数最多为5 个。 7 华中科技大学硕士学位论文 1 3 本论文的主要研究工作 本论文主要研究内容如下： l 查阅国内外相关的文献资料，了解当前这一领域的发展状况与趋势。 2 通过对功率分流和均载技术在行星减速器传动中的应用研究，分析各均载装置的 作用与特点；分析均载构件的等效误差和最大位移量的计算，分析加工安装误差等因素 对均载效果的影响：分析行星轮个数与不均载系数之间的关系；确定不均载系数的计算 方法。从而确定在能力一定的情况下，行星轮个数与产品重量与外形尺寸之间的关系。 通过行星齿轮均载试验得出较科学的数据来验证相关研究工作。 8 华中科技大学硕士学位论文 2 行星齿轮传动功率分流与均载技术的原理和方法 2 1 概述 2 1 1 发展简介 行星齿轮传动由于其自身的特点，是近几十年以来发展很快的一种齿轮传动形式。 我国是使用行星传动原理最早的国家。据资料记载，早在南北朝时代( 公元 4 2 9 5 0 0 ) ，祖冲之就发明了有行星齿轮的差动式指南车。这要比欧美各国早1 3 0 0 多年。 1 8 8 0 年德国申请注册了第一个行星齿轮传动装置专利。1 9 世纪以来，随着机械工 业特别是汽车和飞机工业的发展和军事战争的需要，推动了行星齿轮技术的快速发展。 特别是在汽车变速箱、高速大功率船舰、透平压缩机组、航空发动机及工程机械等领域， 高速大功率行星齿轮传动得到了广泛的实际应用和快速发展。 低速重载行星减速器在国外也经历了快速发展。如德国r e n k 公司、g h h 公司、 f l e n d e r 公司，瑞士m a a g 公司、丹麦s m i d t h 公司、法国c 啪e n 等公司都相 继开发了各自的行星减速器系列并广泛用于矿山、建材、轻工、冶金、电力等行业。 我国在2 0 世纪7 0 年代由西安重型机械研究所研发并制定了首个n g w 系列行星减 速器标准。随着我国工业快速发展，国内相关齿轮制造业也根据不同行业发展的需要， 开发了一系列专用行星减速器系列，如原洛阳矿山机器厂就根据国内提升机、建材磨机、 榨糖机、水电汽轮机等行业传动配套的需要，在吸收国外先进技术的基础上，开发了 z z 与z k ( 矿井提升机用) 、z j ( 水泥磨机、矿用磨机用) 、z t ( 榨糖机用) 、z z d t ( 水 电汽轮机发电用行星增速器) 等一系列行业专用行星齿轮减速器系列。 随着工业技术革命性的进步，行星齿轮传动在设计上日趋完善，制造技术也在不断 进步。为适应工业发展的需要，行星齿轮传动正超着以下几个方向发展1 2 ： ( 1 ) 向高速大功率及低速大扭矩的方向发展。例如年产3 0 0 k t 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1 5 0 m s ，日本生产的巨型船舰推进系统用行星齿轮 箱，功率为2 2 0 6 5 k w ；大型水泥磨机用8 0 1 2 5 型行星齿轮箱，输出扭矩高达4 1 5 0 k n m 。 在这类产品的设计与制造中需要解决均载、平衡、润滑、零件材料与热处理及高效率、 9 华中科技大学硕士学位论文 长寿命、可靠性等一系列设计与制造问题。 ( 2 ) 向无级变速行星齿轮传动发展。满足特殊机构的动力传递要求。 ( 3 ) 向复合式行星齿轮发展。将蜗杆传动、螺旋齿轮传动、圆锥齿轮传动与行星齿 轮传动组合使用，构成复合式行星齿轮箱。这样可实现大传动比、大输出转矩、空间相 交轴和交错轴间的传动，以适应不同行业多样化的需要。 ( 4 ) 向多行星轮设计技术发展。为充分发挥行星齿轮传动多点啮合的优点，行星轮 的个数已由最初的3 个已发展4 个、5 个、最多已有8 个。这对行星传动的均载以及零 件的制造精度都提出了更高的要求。 ( 5 ) 制造技术的发展方向。采用优质钢材，经热处理获得高硬齿面( 内齿离子渗氮、 外齿渗碳淬火) ，精密加工以获得高齿轮精度( 采用c n c 磨齿机加工内外齿，外齿精度 可达3 级，内齿精度可达4 级) ，从而提高承载能力，保证可靠性和使用寿命。 2 1 2 行星齿轮传动结构类型与特点 行星齿轮传动是属于周转轮系的一种传动形式，是平面机构自由度数等于l 的周转 轮系。其基本定义就是一对相互啮合的齿轮，在它们各自回转的同时，有一齿轮绕另一 齿轮的轴线作公转运动的装置。如图2 - 1 所示。 口 图2 - 1 行星轮系传动示意简图 1 0 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 行星齿轮传动的类型 行星齿轮传动的类型很多，其分类方法也不少。如苏联k y a p a b a e 嚷出的按行星 传动机构的基本构件的不同来进行分类的方法，较好地体现了行星传动机构的特点，在 我国和国外被人们普遍采用和接受。在库氏分类法中，基本构件代号为：1 0 一中心轮， h - 一转臂，v 输出轴。为此行星齿轮传动可分为2 k h 、3 k 和k - h - v 三种基本类型， 其他结构型式的行星传动大都是它们的演化型式或组合型式。此外，苏联的特卡钦科( t kaqehx0 ) 提出按传动机构中齿轮的啮合方式，将行星齿轮传动分为三种基本型式， 即a a 、i i 和a i 三种，a 表示外啮合，i 表示内啮合。这与我国标准“n g w 型行星齿 轮减速器标准( j b 厂r 6 5 0 2 一1 9 9 3 ) ” 4 2 1 相似。按传动机构中齿轮的啮合方式，可将上述 三大基本类型再细分为许多传动型式，如n g w 、n w 、w w 、n n 、z u w g w 、n g w n 和n 型等，其中按首字汉字拼音n 一内啮合，w 一外啮合，g 一内外啮合公用行星齿轮， z u 锥齿轮【2 】【l 】【刀。 常用行星齿轮传动机构的类型、机构简图、主要技术参数及应用特点见表2 - 1 2 1 。 通过表2 - 1 得知，2 k - h 型行星齿轮传动拥有两个中心轮( 2 k ) 、一个转臂( h ) 的行 星齿轮机构的类型代号为2 k h 。在2 卜h 传动中，若转臂固定，中心轮a 和b 的回转方 向相反，则这种条件下的传动比盘( 右上角标h 代表固定构件) 规定为负号，即盘 o ，称为正号机构。2 k _ h 类行星齿轮传动又可分为如下n g w 、n w 、w w 、n n 、z u w g w 几种型式，其中n g w 型2 k - h 型行星齿轮传动形式如表2 - 1 所示，该型由内外啮合和公 用行星轮组成。它的结构简单、轴向尺寸小、工艺性好、效率高，然而传动比较小。但 n g w 型能多级串联成传动比大的轮系，这样便克服了单级传动比较小的缺点。故n g w 型 成为动力传动中应用最多、传递功率最大的一种行星传动。 结合目前所在岗位行星传动设计制造的特点，本课题论文的主体研究内容主要以 n g w 机型为主。 华中科技大学硕士学位论文 表2 - i 常用行星齿轮传动机构的类型及特点 传动类型 基本啮合方 传动简图传动比范围传动效率 传动功 率范围 特点及应用 构件 式 2 k - h 胁 适用于任何 负号n g w 虮“ 如。2 8 1 35 不限 工况下任何功 机构 1k i 推荐值3 9 0 9 7 o 9 9 率的减速或增 i o 速装置 l 用途同上，但径 2 k h 9 趣 厶= l 5 0 叮趟= 不限 向尺寸较紧凑， 负号n w 一下 推荐值8 1 6 0 9 7 o 9 9 而制造安装较 机构 。一 复杂 2 l ( - h 矿p g 很少用当传动比很大 于动力传递功率很小 正号w w 乩 i 盘p 1 2 几 传动，短时才用。当h 从 千时工作 动，l i f 小于某值 机构 蟊。埯 制2 0 时机构自锁 用于短时工作 2 k h 晌9 传递小功率 当如= 制中小功率传 正号n n 案 名= 1 7 0 0 ， 1 0 1 0 0 动。当h 从动时 4 0 k w 达某值后机构 机构 推荐值3 0 1 0 0 r x 0 2 自锁。 0 7 o 9 o 主要用于差动 当r i b = 0 ， 装置 2 k h ，阢 盎一l 或h a = 0 ， 6 0 k w 负号z u w g w 氛蒸 叩乞= 0 9 8 机构 3 kn g w n 匮 f 结构! 紧凑，传动比 ， 短期工 作 范日划i ，但蚵苣 j 峨b 5 0 0 旌卸8 1 2 0 k w , 安装皎复杂。适于 j 推荐值2 0 1 0 00 9 长期工 短期 作中小功率 作 j b - 1 0 k w 恸。p i 达荣活 h 、p 机构自锬 结e 钨嚷，夕 廓尺 r 9 w 短期工 寸，j 、渐开j l 戋囟鸭 k h vn 沓7 i , 7 - 岛= 1 0 1 0 0 靠锄8 作 用于中小功率i 耐 0 9 7 1 0 0 k w 工借弛摆线针轮 司用于笛敏删 1 2 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 行星齿轮传动的特点 行星齿轮传动与普通齿轮传动相比，当它们的零件材料和机械性能、制造精度、工 作条件等均相同时，前者具有一系列突出的优点，因此它常被用作减速器、增速器、差 速器和换向机构以及其它特殊用途。行星齿轮传动的主要特点如下【2 】【1 】： 体积小、重量轻、结构紧凑，传递功率大、承载能力高。这个特点是由行星齿 轮传动的结构等内在因素所形成： a 功率分流。用几个完全相同的行星齿轮均匀地分布在中心轮的周围来共同分担载 荷，因而使每个齿轮所受的载荷较小，相应齿轮模数就可较小。 b 合理地应用了内啮合。充分利用内