渐开线少齿差行星减速器的设计与制造

渐开线少齿差行星减速器的设计与制造（浮动盘式输出机构）摘要在条件为输入转速为1440转/分钟、输入功率为7.5KW、传动比为51等这些技术参数的基础上设计一渐开线少齿差(浮动盘式输出机构)行星齿轮减速器。渐开线行星齿轮减速器传动与普通定轴减速器传动相比具有承载能力大、体积小、效率高、重量轻、传动比大、噪声小、可靠性高、寿命长、运动平稳、便于维修等优点，同时还可以提高其承载能力。本次毕业设计最主要的设计过程就是少齿差(浮动盘式输出机构)设计参数的选取与计算，特别是变位系数的选取，需通过查阅相关资料，这样很大程度上节省了因选取的变位系数不当而需重新计算所需要的时间。还可以多次给定初值选取最佳的变位系数，从而有利于少齿差行星齿轮减速器的结构设计。同时还需对轴类零件、端盖、箱体等主要零件进行校核计算。装配时，需要对轴承、密封圈、挡圈、键进行选用。关键词：减速器行星齿轮浮动盘式输出机构Involutefewtoothdifferenceplanetgearreductiongeardesign(onetoothdifferenceoutputelement)AbstractTheplanetgearreductiongearwithfew-toothdifferencetransmissionandtheordinarydeadaxlereductiongeartransmissioncompareshasthebearingcapacityinabigway,thevolumesmall,theefficiencyhigh,theweightlight,thevelocityratiobig,thenoisesmall,thereliabilityhigh,thelifelong,isadvantageousformeritsandsoonservice,meanwhilemaysharpenitsbearingcapacity.Thisdesignprocessmostmainisthefewtoothdifferenceandthezerotoothdifferencedesignvariableselectionandthecalculation,speciallydislodgesthecoefficienttheselection,mustthroughtheMatlabsoftwareprogrammingcomputation,savelikethistoagreatextentbecauseofthedislodgementcoefficientwhichselectednotwhenhadtherecomputationtoneedtime.Italsomaymanytimesassignthestartingvalueselectionbestdislodgementcoefficient,thusisadvantageoustothefewtoothdifferenceandthezerotoothdifferencestructuraldesign.Whensimultaneouslyalsoneedsthecountershaftclasscomponents,theendcover,thebodystructuraldesign,theassembly,needstothebearing,thesealpackingcollar,theelasticring,thekeytocarryonselects.Keyword:Thereductiongearplanetgearoptimizesthedesign目录第一章概述.31.1发展概况.31.2发展方向.41.3传动特点.41.4设计目的.4第二章齿差传动.52.1少齿差传动原理.52.2少齿差传动的结构类型.62.2.1按输出机构型式分.62.2.2按减速器的级数分.72.2.3按安装型式分.72.32K-H型传动装置.72.4传动比计算.82.5少齿差传动的特点和应用.82.6少齿差传动的设计顺序.92.7少齿差传动的各个限制条件.92.7.1齿廓不重迭干涉.92.7.2啮合角.92.7.3重合度.102.7.4变位系数.102.8少齿差内齿轮副的几何计算.11第三章零齿差传动.143.1零齿差传动原理.143.2零齿差传动的主要参数.153.2.1变位系数与中心距.163.2.2啮合齿面的诱导法曲率.163.2.3重迭系数.173.2.4齿面滑动系数.173.2.5啮合效率.193.3主要几何限制条件.193.3.2齿顶具有一定的厚度.193.3.3验算径向间隙.203.3.4差齿刀齿数要适当.203.4零齿差内齿轮副的设计步骤.203.5零齿差内齿轮副的几何计算.21第四章其他元件的选择.254.1键的选择.254.2齿轮的材料及其选择原则.264.2.1选用的齿轮材料：钢.264.2.2选择原则.264.3滚动轴承的选择.264.4轴的设计.284.5密封件.33参考文献.33致谢.34第一章概述机械设计制造及其自动化专业是为了培养从事机械设计、制造行业的人才而开设的专业。而机械计制造及其自动化专业的毕业设计不仅培养设计者对机械的认识、运用能力,而且也增进了对机械工业发展的了解和认知。1.1发展概况我国早在南北朝时代，祖冲之发明了有行星齿轮的差动式指南车。因此我国行星齿轮传动的应用是非常早的。1880年德国第一个行星齿轮传动装置的专利出现了。19世纪以来，随着机械工业特别是汽车和飞机工业的发展，对行星齿轮传动的发展有很大影响。1920年首次成批制造出行星齿轮传动装置，并首先用作汽车的差速器。二次大战后，高速大功率船舰、航空发动机及工程机械的发展，促进行星齿轮传动的发展。高速大功率行星齿轮传动广泛的实习应用，于1951年首先在德国获得成功。1958年后，英、意、日、美、苏、瑞士等国亦获得成功，均有系列产品，并已成批生产，普遍应用。行星齿轮传动技术是齿轮传动技术的一个重要分支。采用行星齿轮传动技术开发的各类行星齿轮减速器及行星齿轮增速器，较之于一般的定轴式齿轮箱，在传递同样功率或转矩时，具有更小的体积、更轻的质量及更高的效率，因而也更容易进行传动系统的布置，便于降低造价、运输和检修成本，因此在水泥、冶金、煤矿、矿山及石化等许多行业普遍得以应用。1.2发展方向世界各先进工业国，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益完善，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。目前行星齿轮传动正向以下几个方向发展：1）向高速大功率及低速大转距的方向发展。2）向无级变速行星齿轮传动发展。3）向复合式行星齿轮传动发展。4）向少齿差行星齿轮传动方向发展。5）制造技术的发展方向。1.3传动特点1）结构紧凑、体积小、重量轻由于其采用内啮合传动以及紧凑的W机构，使得整个传动装置体积小、重量轻。当传动比相同时，与同功率的定轴圆柱齿轮减速器相比，体积与重量均可减少1/31/2。2）传动功率大、承载能力高2）传动比范围大对于单级的K-H-V型式的减速器，其传动比为10100，若两级串联起传动比可达10010000。对于2K-H的双内啮合正号机构的减速器装置，其传动比可达501000或者更大。3）传动效率高国内生产的单级渐开线少齿差行星齿轮减速器的机械效率一般为0.80.9；设计合理，制造精度较高的可达0.94。4）运动平稳、抗冲击和振动的能力较强5)加工方便、成本较低这种采用渐开线齿形的减速装置，由于齿轮副的加工不需要，特殊的刀具与专用设备，用普通的渐开线齿轮刀具和齿轮机床就可以进行加工制造，材料也可以采用通用的齿轮材料。在具有上述特点和优越性的同时，行星齿轮传动也存在一些缺点，例如结构形式比定轴齿轮传动要复杂一些；对制造质量要求较高；由于体积小、散热面小导致油温升高，所以要求具有严格的润滑与冷却装置等。1.4设计目的：1、培养机械设计能力；2、扩展知识结构；3、帮助培养综合运用能力；4、是课堂教学的有益补充本课题从少齿差行星齿轮着手，首先选择计算了与设计少齿差行星齿轮有关的主要参数，经过验算后符合条件，在根据中心距进行一齿差的设计计算，同时也要验证选用的参数的合理性。整体机构设计完后，装配时，需要对键、轴承、密封圈、轴等进行选用和对主要零部件进行校核，装配后减速器能正常地进行工作。第二章少齿差行星齿轮传动2.1少齿差行星齿轮传动的原理渐开线内啮合圆柱齿轮副，当内齿轮和外齿轮的齿数差很少时，按N型或NN型组成的行星齿轮机构，称为少齿差行星齿轮传动，简称少齿差传动，如图1所示(N型)。行星齿轮为外齿轮，中心齿轮为内齿轮，他们之间的齿数差通常为1-4个。这种少齿差行星齿轮传动用于减速时，是以系杆H为主动件，构件V为从动件。当系杆H输入运动时，行星轮与内齿中心轮啮合。由于内齿中心轮是固定的，行星轮被迫绕自身轴心线自传，同时又随构件H绕主轴线公转；又因为行星轮与构件不同心，其合成运动是平面运动。因此，就需要借助于一个输出机构才能将运动传递给，这个输出机构称为机构。由于这种行星轮系，是由一个中心内齿轮K，一个系杆H和构件V所构成的，故简称K-H-V型行星机构。假如内齿轮与机壳固定不动，当电动机带动系杆H转动时，系杆将迫使装于偏心轴上的行星齿轮绕内齿轮中心作公转运动。同时，行星齿轮绕偏心轴中心作反向低速自传运动。利用偏心输出机构将行星轮的自传运动传递给输出轴，就可以达到减速的目的。在设计少齿差行星齿轮减速器时，如果内齿轮齿数不变，行星齿轮齿数2z越大，两者之间的齿数差越小，则传动比越大。但是，当内齿轮1z12zp副的齿数差小到一定程度时，将会发生不在啮合位置的齿廓相互重迭现象。pz为了使内齿轮副在少齿差时仍然能够正确啮合顺利运转，可以从两条途径消除齿廓重迭干涉：一是降低齿顶高选用短齿，从齿高方向消除齿廓重迭，一是选择适当的较大的正变位系数，减少外齿轮的齿顶厚度，增大内齿轮的齿槽宽度，从齿厚方向消除齿廓重迭。在加工变位齿轮时齿轮滚刀的位置要在径向移动一些距离，用模数的倍数xm来表示，x称为变位系数。变位系数取代数值，当齿条刀具相对于加工标准齿轮的位置远离齿轮坯中心时，称为正变位，反之，称为负变位。变位齿轮与标准齿轮相比，它的齿厚，齿高和公法线长度等都有变化。变位内齿轮副与标准内齿轮副相比，它的中心距和啮合角也都有变化。2.2少齿差传动的结构型式渐开线少齿差行星齿轮减速装置的结构型式较多，可以分为两大类。一类为K-H-V型渐开线少齿差行星减速装置，只有一对内啮合齿轮副，又称型减速装置；另一类为2K-H型双内啮合正号机构渐开线少齿差行星减速装置，又称NN型减速装置。2.2.1K-H-V型减速装置K-H-V型减速装置通常可按输出机构的型式、减速器的级数以及使用安装型式进行分类。2.2.1.1按输出机构型式分：（1）内齿圈固定，低速轴输出常见的有下列几种型式：1）销轴式这种减速器使用时间较长，应用广泛，效率较高，但销孔加工精度要求较高。它有三种结构型式：销轴悬臂式、在销轴悬臂端加均载环式、销轴是简支梁式。2）十字滑块式这种结构型式简单，加工方便，但承载能力与效率均较销轴式输出低，常用于小功率场合。3）浮动盘式这种结构型式新颖，加工较方便，使用效果较好。4）零齿差式输出其特点是通过一对零齿差齿轮副将行星轮的低速反向转动传递给输出轴，零齿差系指齿轮副的内外齿轮齿数相同，像齿轮联轴器那样，但内、外齿轮的齿间间隙较大，但是其结构型式较简单，制造也不困难，较适用于中心距较小的一齿差传动。（2）输出轴固定，内齿圈输出1）内齿圈与机壳一起输出，W机构的销轴固定不动，行星轮只作平动，不作转动，迫使内齿圈与卷筒一起输出，这是常见的卷扬机的结构型式。2）双曲柄式，双曲柄机构不是W输出机构，它不仅替代了行星架H，并使W机构省掉，可获得较大的传动比，运转平稳性有所提高，但轴向尺寸加大。（3）波纹管W机构波纹管较薄，行星外齿轮的平动由波纹管补偿。但是其扭转刚度较好，不能补偿行星外齿轮的低速转动，只能传递给内齿轮输出。由于波纹管的变形能损失代替了摩擦损失，可以获得较高的传动效率。2.2.1.2按减速器的级数分（1）单级减速器传动比从10100，这种型式用的最为广泛。（2）双级减速器传动比可以从几十到一万多。2.2.1.3按安装型式分（1）卧室安装（2）立式安装2.2.22K-H型传动装置2K-H型传动装置由两对渐开线少齿差内啮合齿轮副组成，共同完成减速与输出任务。无需其他型式输出机构，由齿轮轴或内齿轮直接输出。由于这种减速器具有两个中心轮，因此它不属于K-H-V传动。其基本构件为两个中心轮K和行星架H组成，故称2K-H形少齿差行星传动。若以啮合方式命名，由两对内啮合齿轮副组成的传动装置，亦称为双内啮合NN型少齿差行星传动。按其输出机构不同，可分为两类。1外齿轮输出2内齿轮输出根据齿数选取的不同，可设计成输出轴与输入轴转向相同或相反，并可得到大的传动比。此外，还可设计成三内啮合行星传动装置，其传动比范围更大。2.3传动比计算设内齿轮的转速为,行星齿轮的自转转速为，系杆的转速为。KnvnHn若将少齿差行星齿轮传动的各件都加一个转速，便得到假想的转化H机构。这样，根据相对运动原理，系杆的绝对运动的转速为=0H，即系杆成为静止不动，而行星齿轮传动便转化为定轴传动。这时行星齿轮相对内齿轮的传动比是两个齿轮齿数的反比12zniHKVH2.4少齿差传动的特点和应用渐开线少齿差行星齿轮传动，因为内齿轮和外齿轮的齿数相差甚少，所以需要对它们的渐开线齿形变位。为了保证它们之间的啮合不发生齿廓重迭现象，并有一对以上的轮齿啮合，内、外齿轮都要选取适当的正变位系数。目前，绝大部分齿轮传动，都采用渐开线齿形，也有成套的标准齿轮机床和刀具。设计成对的变位齿轮，仍然可用标准齿轮刀具加工。变位齿轮的齿厚、齿顶高和齿根高都发生了变化。可以应用变位方法，保持标准渐开线齿轮传动的优点，并弥补标准渐开线齿轮传动的不足之处。采用变位齿轮传动是改进渐开线齿轮传动工作性能的一个有效方法，因而可以说，变位齿轮传动是渐开线齿轮传动的发展。少齿差传动可以用很少数目的构件，获得很大的传动比，而且结构紧凑，渐开线齿廓加工比较方便，装配也好比较容易。少齿差减速器，传动范围大，单级传动比为8-180，传动效率也比较高，单级传动效率为0.8-0.94。由于少齿差传动的一些优点，它可以用来替代一般的蜗杆减速器或多级圆柱齿轮减速器。但是，为了防止因两齿轮齿数差过少而引起的齿廓重迭干涉，需要采用较大的啮合角，因而增大了齿轮的径向力。此外，还需要一个偏心输出机构，致使它的传递功率和传动效率都受到了一些限制。所以，一般来说，少齿差传动适用于具有传动比大而间断工作的中小型动力传动。少齿差传动是近年来迅速发展起来的一种新型传动，目前正在许多工业部门推广和运用。2.5少齿差传动的设计顺序渐开线少齿差行星齿轮传动是少齿差传动的内齿轮副，并具有偏心的输出机构。少齿差传动，其传动比大，零件少，结构紧凑，加工方便，它的设计计算要比标准内齿轮副的计算较为繁琐。少齿差传动的设计顺序与普通内齿轮副传动是相近的。根据使用条件和载荷状况确定传动比i；选择合理的结构型式，根据结构和强度的要求，选用合适的材料，选定标准模数m，算出主要的结构参数。如果有与已知条件相一致的内齿轮副界线图，可以直接查得行星齿轮和内齿轮的变位系数，或者利用试凑法，在满足齿廓不重迭干涉和重合度大于1的情况下，确定它们的正变位系数。选用标准的齿轮刀具，根据结构参数和变位系数，进行内齿轮副的几何计算和测量尺寸计算。在结构设计的同时，对主要的受力零件还要进行强度校核计算。最后，绘出减速器装配图和主要零件的零件图和加工工序卡，这是设计的技术文件。2.6少齿差传动的各个限制条件2.6.1齿廓不重迭干涉在齿数差很少的内啮合传动中，将会发生齿廓重迭干涉。12zp为了使少齿差内啮合传动能够实现，就必须设法避免齿廓重迭干涉。2.6.2啮合角根据计算结果可知，当齿数差10时，内齿轮副将不会发12zp生齿廓重迭干涉。当齿数差很少时，而又要避免发生齿廓重迭干涉，则必须增大它们的正变位系数。少齿差传动的啮合角也将随着齿数差的减小而增大。在不同齿数差的情况下，避免发生齿廓重迭干涉所需要的渐开线齿轮副啮合角值得大致范围如列表所示：齿数差12zp啮合角149-53.5235.5-39328.5-30.5424-25.52.6.3重合度渐开线齿形能够使瞬时传动比保持稳定，同时还需要有一对以上的轮齿啮合，才能保证齿轮连续传动。当一对啮合齿刚要脱开时，另一对齿就应该立即进入或已经进入啮合，这样才能保证平稳无冲击的连续运转。外齿轮与内齿轮的两基圆公切线是内齿轮副的啮合线。实际啮1O221N合段是啮合点所走的轨迹，此轨迹只能在啮合线上。外齿轮的齿顶圆与的交点为，内齿轮的齿顶圆与的交点为，是实际1ar2N1B2ar212B21啮合段长度。2.7少齿差内齿轮副的设计计算a.类型选择及齿轮齿数的确定(1)选用K-H-V(N)型渐开线少齿差行星齿轮减速器，一齿差，zD=1，zc=51，zb=52，。(2)用一个行星轮，即转臂是单偏心。(3)输出机构用浮动盘式输出机构。b.主要零件的材质和齿轮精度(1)行星轮：40Cr淬火后磨齿，HRC4752，精度7GK(GB10095-88)。(2)内齿轮：45钢调质，235250HB，精度8GK(GB10095-88)。(3)柱销：GCr15淬火，HRC5864。(4)浮动盘：GCr15淬火，HRC5864。(5)高速轴：40Cr调质，260300HB。(6)低速轴：40Cr调质，260300HB。c.啮合角及变位系数的确定(1)按要求达到=1.050，Gs=0.050。a(2)确定、bxc1)按表初步选取=49，=0.6，=20则标准中心距*ah=1.50a)(21zm安装中心距=cos/cos=2.150a2)啮合角为*=arccos*cos/=49.035)(cbzma3)确定重合度的预期值=1.050，的预期值=0.050。变位系数sGs的初始值=0。cx则内齿轮的变位系数为bx=(-)*(inv*inv)/(2tan)bxzccx=(5251)(inv49.035inv20)/(2tan20)0=-0.38614)分度圆直径为=m=351=153mmcdz=m=352=156mmb5)齿顶圆直径为=dc2m()ad)(*ahcx=15323(0.60)mm=156.6mm=db2m()cad*ahbx=15623(0.60.3861)=154.726)齿顶圆压力角为cacad)(osr)(=6.15203=23.35bacbad)(osr)(=72.15406=18.657)验算重合度2/)tan)(t)tan)(tbbcczz=2/)035.49ta65.18(035.4935.21=0.893重合度小于预期值的要求，必须按的要求用迭代法重新确定变位系数)sin(1)si(co1bacadx=65.8i3.2i0=-0.2046ccdxx/)()1)2(=0(0.8931.050)/(0.2046)0.7265)2()2(tanccbxivizx=)7635.0(*035.4951in=-0.37638)重新确定几何参数=2m()=15323(0.60.7625)=152.025cad)(ahcx=2m()=15623(0.60.3736)=150.14bb=ca)(96.18025.cos13ar)(cosrad=ba4.6rs)(rsba9)重新验算重合度)tan)(t)tn)(t21bbcaczz=)035.49tan8.12(503.496.185=1.141.050已满足预期值的要求10)验算齿廓重叠干涉025.1.44.150)(4)(arcos2221cabad=r037.614.50.24.150)(4)(arcos22222bacbad=r01.6.15)()()(21invzinvzinvzGcbbabcacs=035.49)152(0.48.15037.296.851i=0.029471.050满足重合度的预期值要求。齿廓重叠干涉：289.15.44.150)(4)(arcos22221cabad=r0358.6.41.50.24.150)(4)(arcos2222bacbad=r013.8.15)()()(21invzinvzinvzGcbbabcacs=035.49)152(013.94.5038.25.91invi=0.0575=0.050s已满足齿廓重叠干涉预期值的要求。d.插齿刀的参数计算：1)查表选用，模数m=3(GR72-60)。250z2)齿顶高系数。3.1ah3)变位系数。670x4)分度圆直径。520mzd5)齿顶圆直径。81.3a6)插齿刀齿顶圆压力角=81.320cos5arcsosarc00dz76.e.各限制条件的检查1)径向齿切干涉按下式进行校核：)()(0000bbabainvirzinvir式中：d71.)(0ainvtan20zxiibb=radinv014.2567.3.3.90b210200)(/)cos(1arsinbbaz212)5(/)94.1cos763(arsind64.021020)/()cos(arinzbabb212)5/()76.3941riad2.0则)()(00bbabinvirzinvir=)3.94.1236.25.976.32614.0inviii=0.00160故不会发生径向切齿干涉。2)插齿啮合角，插齿刀加工内齿轮不应出现插齿啮合角成为负值0b0b的情况。本次设计中0，满足设计要求。radinvb14.03)范成切顶干涉：当太小或者太小时可能出现范成切顶干涉，所以应0z0x满足下式：tan/)t(100bbbz即：2552(