【行星齿轮箱故障模拟试验台设计16000字（论文）】

页行星齿轮箱故障模拟试验台设计摘要行星变速箱因为其高承载能力、大传动比、同轴轴系和紧凑结构，在风力涡轮机、直升机和重型卡车等各种机械中被广泛用作传动系。但是，行星变速箱中的损坏会迅速导致效率降低，甚至会导致整个传动系统的故障。因此故障诊断对维持行星齿轮箱的可靠运行起着重大作用，所以研究行星齿轮箱故障模拟试验台，主要为检测行星齿轮传动系统在应用过程中出现的故障问题。本次课题是行星齿轮箱故障模拟试验台设计，其中包括电动机的选用、行星齿轮箱的设计计算、轴系的设计计算、制动器的选择。然后对这些零部件进行建模和装配，以及检测本次设计的合理性。本文设计的试验台可以模拟多种行星齿轮故障、拆卸相对方便快捷、操作方便、安全，有着一定的工程实际应用意义，在日后的行星齿轮箱故障模拟试验台的优化中，可以作为参考。关键词：行星齿轮箱故障模拟试验台三维建模目录摘要 1Abstract 2第一章绪论 61.1课题背景意义及来源 61.2行星齿轮箱故障模拟试验台概述 61.3行星齿轮箱故障模拟试验台的功能 61.4行星齿轮箱故障模拟试验台的工作原理 71.5行星齿轮箱可应用的场合 71.6国内外研究现状 71.7课题研究内容 91.8本章小结 9第二章传动方案设计 92.1传动机构分析 92.2总体设计方案 92.3本章小结 10第三章电机的选择 103.1电机类型 103.2确定电动机参数 113.3本章小结 12第四章行星齿轮系的设计 124.1初步确定技术参数 124.2确定齿轮齿数 134.3初步计算齿轮主要参数 134.3.1根据接触强度计算a轮分度圆直径 134.3.2按弯曲强度计算模数 134.3.3按照给邻接条件要求进行验算， 144.3.4计算实际的传动比和从动轴的转速 144.3.5计算齿轮啮合效率 144.4齿轮的应力循环次数计算 154.5齿轮的强度校核 154.5.1从太阳轮到行星轮（a-c）的齿面接触疲劳强度 154.5.2从太阳轮到行星轮（a-c）的齿根弯曲疲劳强度 164.5.3从行星轮到内齿轮（c-b）的齿面接触疲劳强度 174.5.4从行星轮到内齿轮（c-b）的齿根弯曲疲劳强度 184.6本章小结 18第五章行星齿轮系上其他零件的设计 195.1轴承的设计 195.2行星架的设计 205.3本章小结 20第六章轴系的设计 206.1输入轴的设计 206.1.1动力学参数 206.1.2输入轴的材料选择 206.1.3初步确定输入轴的最小直径 216.1.4输入轴的结构设计 216.2输入轴的强度校核 226.2.1求输入轴的主要数据 226.2.2求作用在太阳轮上的力 226.2.3求轴上的载荷 246.2.4按弯扭合成应力校核轴的强度 256.3输出轴的设计 266.3.1动力学参数 266.3.2输出轴的材料选择 266.3.3初步确定输出轴的最小直径 266.3.4输出轴的结构设计 276.4输出轴的强度校核 276.4.1求输入轴的主要数据 276.4.2求作用在行星架上的力 276.4.3求轴上的载荷 286.4.4按弯扭合成应力校核轴的强度 296.5本章小结 29第七章其他零部件的选择和校核 297.1键的选择和校核 297.1.1联轴器与电机轴相配合时的键的选择与校核 297.1.2太阳轮、半联轴器与输入轴配合时的键的选择与校核 297.1.3行星架、磁粉制动器与输出轴配合时的键的选择与校核 307.2联轴器的选择和校核 307.3箱体的设计 317.4制动器的选择 327.5制动器底座的设计 337.6试验平台的设计 347.7螺钉和螺栓的选择 357.8本章小结 36第八章试验平台及其零部件的三维模型 368.1变频电机的三维建模 368.2行星齿轮传动系统的三维建模 378.3轴系的三维建模 378.4联轴器的三维建模 388.5磁粉制动器的三维建模 388.6磁粉制动器底座的三维建模 398.7箱体的三维建模 398.8端盖的三维建模 408.9滚动轴承的建模 408.10螺钉和螺栓的三维建模 418.11试验平台的三维建模 428.12行星齿轮箱故障模拟试验台的三维建模 438.13本章小结 43总结与展望 43参考文献 46第一章绪论1.1课题背景意义及来源齿轮传动是机械传动中的重要环节，随着机械工业的不断前进，行星齿轮因为传动的效率非常高、设备紧凑、传动时不产生振动等优势在机械行业等各类传动行业中应用较广。齿轮箱的运行好坏直接影响着企业的生产和人身安全，使用合理的方法对齿轮设备的运行情况进行检测。随着计算机和信息的快速发展，把机械与信息这两种理论作为基础的机械故障模拟，已成一种融合各种计算能力和处理能力的交叉技术。但是在工作中，一旦我们只有理论但是没有实际的研究，那么谈论齿轮的诊断方法的正确性等就没有任何的科学依据。况且，齿轮故障诊断的工作在国内也很常见，但大都是依据市面上的设备，对测量的振动时域或频域波形进行事后分析，而在日常的工作中，行星齿轮箱所产生的振动信号不是单一的，频率是多种的，所以检测起来非常的困难。所以行星齿轮箱故障模拟试验台的设计就显得非常有必要。齿轮故障模拟试验台是模拟齿轮故障振动的一种装置，把故障齿轮所产生的振动信号与正常齿轮所产生的振动信号进行对比，以完成实验的对比。试验台可以测量转速、载荷、齿轮故障等多种不同情况下所产生的振动信号。到目前为止，齿轮故障诊断的方法由很多种，但主要使用的是时序分析、包络分析，神经网络分析，小波分析等。但对于早期时齿轮的故障，使用这些方法所得到的数据都不够准确。综上所述，齿轮故障模拟试验台的设计，就具备着非凡的意义。1.2行星齿轮箱故障模拟试验台概述该试验台主要是由电动机、输入轴、输出轴、行星齿轮传动系统、行星齿轮箱、磁粉制动器等零部件组成。之所以选用磁粉制动器加载，其主要原因是装置质量小、安装快捷安全，振动不明显，以及可以让输出的转矩保持恒定。该试验台主要用于针对低速重载的恶劣工况下的设备运行中的行星齿轮传动系统进行检测，以及对行星齿轮的故障进行诊断。1.3行星齿轮箱故障模拟试验台的功能试验台主要是用于模拟行星齿轮传动的齿轮箱振动状况，用于模拟轮齿磨损、轮齿点蚀及齿轮断齿等故障（故障如图1-1）。图1-1齿轮故障典型形式1.4行星齿轮箱故障模拟试验台的工作原理1.电机2.联轴器3.支撑4.飞轮5.齿轮箱6.行星齿轮箱7.磁粉制动器8.底座9.铸铁垫板10.螺栓图1-2行星齿轮箱故障模拟试验台图1-2中的行星齿轮箱是为闭式行星齿轮箱。该行星齿轮箱是由液压控制系统和齿轮传动系统组成。齿轮传动由行星齿轮、离合器和制动器完成。动力沿着不同的路径进行传递，使啮合的齿轮发生一些变化，通过这种方法改变传动比。齿轮运转的动力由输入齿轮输入，再由连接到输出轴的托架输出；当行星齿轮箱在一档时，由于离合器中和制动器中的组合，齿圈和太阳齿轮组合在一起，同时固定在行星齿轮箱壳体上。1.5行星齿轮箱可应用的场合因为行星齿轮传动具备设备紧凑、传动比较大、运行时产生的振动小、运行声音小、载荷较大等一系列优点，在海陆空以及风力发电和大型机械中被广泛的使用。1.6国内外研究现状目前为止，国内和国外的研究者已进行了大量的研究，并取得了一定的进展。主要是动力学建模和动态信号分析这两大类。19世纪末LIN等人对行星传动的扭转-横向耦合进行建立模型，并以此模型为基础，探究了系统的固有频率和振动模式。20世纪初国外学者建立了行星传动离散式非线性扭转振动模型，通过使用谐波平衡法来探究系统在动态响应时所产生的情况。INALPOLAT等人对正常情况下的行星齿轮箱传动系统进行建立模型，以此为依据，发现了正常情况下的行星齿轮箱振动频谱的分布规律。2010年国外学者创建了平面下的行星齿轮模型，把齿轮的动态信号进行分析，得出行星齿轮和轴承力之间的关系。通过上述内容可以发现，国外的学者在行星齿轮箱动力学建模方面的探究比国内早，以及工作成果也很多，但是国内的研究工作也不可小视。天津大学主要研究行星传动时所存在的不变性质。在20世纪初的时候，王世宇等人创建了均布行星齿轮传动情况下的纯扭转模型。以此为平台，过了几年，宋轶民等人发现了II型直齿行星齿轮传动时所存在的不变性质。北京航空航天大学的魏大盛等人在同一时期创建了多自由度行星齿轮系统的动力学模型，探究了齿轮的接触比以及太阳轮中心浮动对动态特性的影响。华南理工大学的吴上生等人在2007年的时候对动力学进行研究，创建了行星齿轮传动时正确的模型。重庆大学的肖正明在2010年的时候提出了三级耦合扭转动力学的模型，并对该模型的扭转振动模式和加速度响应频谱特性进行分析。通过这些内容不难看出，目前为止，所提出的模型都是以假设为基础，这些都不能正确的概括行星齿轮传动的性质。但就这几年来看，较多的学者意识到了故障诊断问题不可与一直以来的设计齿轮箱的问题相提并论，所以近年来故障诊断问题也打开了新世界的大门。故障诊断研究的情况在各国各不相同，美国位于第一的地位，然后是英国、法国、日本等国，各自有着自己的特长。我国就目前情况来说，依然存在一定的问题。主要是设备的正确性还不够。当今中国把以下两个方面作为重中之重:1)故障原理与诊断依据的探究。通过故障原理与诊断依据的探究可以了解故障之所以产生的原因。探索故障征兆与故障原因之间的关联间，并对故障的本质和特点进行深度剖析，在此基础上创建合理的故障模型。在探究时，需要把与之相关的基础学科作为辅助，例如高等数学、物理学、化学、机械动力学等，这些皆为故障诊断技术的理论基础。常用的诊断理论有:齿轮诊断、油液分析、风机与转子诊断等。2)故障信号的采集与所使用的分析方法。故障信号的采集和检测是故障诊断最重要的环节，它可以直接影响故障诊断结果的正确性。故障诊断学的发展是以故障信息的提取与处理技术的革新为标志。在刚开始的时候，学者只有通过感觉和经验去判断产生故障的原因，这是最开始人们使用的手段。由于科学技术的迅速发展，学者开始使用仪器进行这项工作，这样能够完成较为复杂的故障诊断，降低了突发事件的发生率。再到多种技术的共同使用，学者们的手段和能力有着进一步的提高，他们能够让设备科学的运行，科学的诊断，正确性绝对可靠。1.7课题研究内容在本次设计中，根据行星齿轮箱故障模拟试验台的工作原理，通过分析机械这一部分实现所需要的方法，再根据国内外机械行业的实际情况设计出符合工作强度的设备结构。本次设计具体研究的内容概括如下：1）介绍行星齿轮箱故障模拟试验台的研究背景和意义，了解行星齿轮箱故障模拟技术在国内外的研究现状，讲述其设计进程，提出所设计的内容方案。2）提出行星齿轮箱故障模拟试验台的传动方案设计。3）对行星齿轮箱故障模拟试验台的动力系统进行选型。4）行星齿轮箱故障模拟试验台的行星齿轮传动系统的设计、计算、校核以及箱体的设计计算。5）行星齿轮箱故障模拟试验台轴系的设计、计算、校核以及对所用制动器进行分析选择。6）使用建模软件对所设计的各个部件进行建模以及装配成试验台。7）最后进行总结与期望。1.8本章小结本章在开头讲述了了所选课题的研究背景和意义，然后分析了行星齿轮传动的类型和结构，介绍了行星齿轮传动系统的特点和工作原理以及它的结构特性。通过对行星齿轮传动技术特点以及适用范围的分析，可以了解到行星齿轮传动相对于传统的齿轮啮合传动的显著优点，接着论述了国内外对于行星齿轮箱故障诊断以及模拟的现状，阐述了行星齿轮传动在实际工程中的重要性。第二章传动方案设计2.1传动机构分析根据行星齿轮传动的特点、应用场合以及行星齿轮箱的适用范围。再加上本人对自己的综合设计能力进行的考虑，初步拟定传动结构。为使结构简单，操作方便，本次设计所采用的行星齿轮箱为开放式行星齿轮箱，电机使用变频电机，不仅可以模拟行星齿轮箱在平稳运行的故障，同时也可以模拟在升速降速时行星齿轮箱的故障。2.2总体设计方案根据行星齿轮箱的工作原理，以及在查阅相关资料后，了解到行星齿轮箱故障模拟试验台的发展，以及国内外关于行星齿轮故障模拟诊断技术的研究现状，再结合国内现有这方面相关的文献资料，本次总体设计方案如下图所示：当电机运动时，会带动输入轴旋转，从而带动行星齿轮，行星齿轮进行传动，然后再通过输出轴到磁粉制动器。通过把存在故障的行星齿轮进行模拟所得到的波谱图与正常行星齿轮所采集的波谱图进行对比，即可知道行星齿轮的故障是疲劳磨损还是断齿，其损伤位置在齿根还是齿顶，以保证对设备的及时检修和更换行星齿轮，保证设备正常工作，减少安全事故的发生，也保证了降低了检修和更换的成本。同时在本次设计中采用了变频调速三相异步电动机，这样既可以模拟运行平稳时的故障，也可以模拟在升速或降速时行星齿轮所存在的故障。1-试验台、2-变频电机、3-联轴器4-输入轴、5-行星齿轮箱6-行星齿轮、7-输岀轴、8-磁粉制动器图2-1行星齿轮箱故障模拟试验台的结构方案草图2.3本章小结本章是对整体装置传动方案设计的介绍，首先根据已查阅的资料了解已有的行星齿轮箱故障模拟试验台的传动方案设计，然后再结合实际情况以及设计要求，设计出符合本次设计要求的方案，采用变频电机直接带动轴转动进行传递的方案，输出端与制动器连接，使用制动器以保证传动的平稳，最后根据所设计的内容画出传动方案草图。第三章电机的选择3.1电机类型本次设计做的课题为行星齿轮箱故障模拟试验台的设计。通过查阅文献和资料，确定本次设计使用变频电机，之所以使用变频电动机，其原因不仅是可以模拟行星齿轮箱在平稳运行的故障，同时也可以模拟在升速降速时行星齿轮箱的故障。根据试验台的实际情况中的要求电动机输入的额定功率大于等于3KW。通过查阅资料，设定试验台的输出转速为n=190r/min，以及预计所选取的行星齿轮箱工作年限为8年，每年工作时间为300天，每天工作时长为16小时。通过查阅相关参考书籍及网上查阅资料图表，综合所要求的合理传动比范围，并考虑性能、价格、重量、传动比等影响因素，选定电动机为西门子的变频电动机。电压为220V/380V，型号：1TL0002-1CCO2-1,机座号：132S。额定功率Pen=3KW，满载转速为n3.2确定电动机参数表3-11TL0002-1CC02-1变频调速三相异步电动机的主要参数型号额定功率满载转速额定电流效率转动惯量1TL0002-1CC02-13kw955r/min7.8A83.0%0.018kg·m²起动电流/额定电流起动转矩（额定转矩）最大转矩（额定转矩）重量5.2A2.0N/m2.8N/m56kg变频电机安装结构型式如图3-1所示图3-1安装结构型式表3-21TL0002-1CC02-1变频调速三相异步电动机的安装尺寸中心高外形尺寸地脚安装尺寸地脚螺栓孔直径轴伸尺寸键部位尺寸HL×HDA×BKD×EF×G132470×315216×1401238×8010×333.3本章小结本章确定了行星齿轮箱故障模拟试验台的设计所需的电机功率与试验台的中心高度,以及所确定的电机的主要参数。本次设计所选择的电机为西门子的变频电动机，型号：1TL0002-1CCO2-1,机座号：132S。第四章行星齿轮系的设计4.1初步确定技术参数根据第三章可知电动机输入功率为3kw，试验台的输出转速为n=190r/min，以及第三章中所选择的参数和数据，本次设计要求行星齿轮结构较紧凑且外观尺寸相对较小，通过查阅《渐开线行星齿轮传动设计》的中各种传动类型的用途及其工作特点，确定选用具备单齿圈的行星齿轮传动，为NGW型行星传动系统。其传动简图如下图所示：图4-1通过查表4-1来确定np,本课题的要求为尽量的增加零件的载荷能力，设备尽量紧凑，所以取np=3。行星轮系F＝1。本次设计中行星齿轮属于低速重载，按照上述要求齿形角取20°，轮齿为直齿，定为6级精度。本次设计要尽量的提高承载能力，减少尺寸，所以太阳轮和行星轮为硬齿面，内齿轮为软齿面。太阳轮和行星轮用20CrMnTi,渗碳淬火。内齿轮中心轮用40Cr，调质。具体数据见下表：表4-1齿轮的材料和性能齿轮材料热处理σσ加工精度太阳轮20CrMnTi渗碳淬火HRC58~6213503506级行星轮245内齿轮40Cr调质HB=262~2936502207级4.2确定齿轮齿数根据上图，NGW型b固定而a主动x跟着从动的传动比公式求出齿数。传动比条件：要求各级传动之中的齿数关系必须保证在所设计的要求传动比误差的范围之内。电动机输入转速为955r/min，试验台的输出转速为190r/min。iabx=na−n根据结构初选太阳轮的齿数Za=24.计算内齿轮齿数：24*4.02=96.48取整为96.本次设计中，a轮与b轮的齿数相加所得的数值除以c轮的个数得到的数值要求为整数。Za按照同心条件求行星轮齿数：（96-24）/2=36，按齿面硬度HRC=60，u=ZC/Za=36/24=1.5查Σσ表4-2齿轮齿数齿轮齿数太阳轮24行星轮36内齿轮964.3初步计算齿轮主要参数4.3.1根据接触强度计算a轮分度圆直径用公式da太阳轮传递的扭矩：Ta=9550*P*KHP/na表4-3齿面接触相关系数代号名称取值k算式系数768K使用系数1.25K载荷分配系数1.1K综合系数1.8φ齿宽系数0.7则太阳轮分度圆直径：da≥768×4.3.2按弯曲强度计算模数用公式m≥表4-4弯曲强度相关系数代号名称取值K算式系数12.1K载荷分配系数1.15K综合系数1.6Y齿形系数3.18Y齿形系数2.45因为σFlim1m≥取m=2，则太阳轮直径da4.3.3按照给邻接条件要求进行验算，用公式(Z1+所以符合邻接条件。4.3.4计算实际的传动比和从动轴的转速iaxbn4.3.5计算齿轮啮合效率用公式η=η查《渐开线行星齿轮传动设计》图3-3a,b得ηacx=0.978,η表4-5行星齿轮传动设计的齿轮尺寸主要参数太阳轮行星轮内齿轮分度圆直径4872192齿顶圆直径5276188齿根圆直径4367197节圆直径4872192齿顶高系数:ha∗=1齿顶间隙系数：4.4齿轮的应力循环次数计算太阳轮NL=60(na−行星轮NL=60（na内齿轮NL=60|(nb−4.5齿轮的强度校核4.5.1从太阳轮到行星轮（a-c）的齿面接触疲劳强度齿轮接触疲劳应力公式：σ许用应力用公式σHP分度圆上的切向力：Ft取节点区域系数ZH取材料弹性系数ZE=189.8重合度系数zε由εαa1αa2ε==1.647Z动载荷系数KVv=Z根据图10-8可知KV为1.04齿间载荷分配系数KHα使用系数KA=1.25（查表6-5）齿向载荷分配系数KHβ行星轮间载荷分配不均匀系数KHP根据应力循环次数，则寿命系数ZN=1.03 因为所选齿轮齿面为硬齿面，所以工作硬化系数ZW=1最小安全系数SHlim=1.25（查表9-31）接触应力σ=2.5×189.8×0.886×=423.919Mpa许用接触应力σ齿面接触安全系数S故接触强度通过。4.5.2从太阳轮到行星轮（a-c）的齿根弯曲疲劳强度齿根弯曲疲劳应力用公式σF许用应力用公式σFP表4-6齿根弯曲强度相关的参数代号名称说明取值K齿向载荷分布系数根据KFβ1.1K齿间载荷分配系数K1.2K行星轮间载荷分配系数查表10-131.15Y太阳轮齿形系数根据Za2.95Y行星轮齿形系数根据Zc2.45Y太阳轮应力修正系数查表10-51.58Y行星轮应力修正系数查表10-51.76Y重合度系数由式10-5Y0.705Y螺旋角系数直齿1Y弯曲寿命系数NL=5.28*1091Y试验齿轮应力修正系数σFlim2Y太阳轮齿根圆角敏感系数查图6-350.95Y太阳轮齿根圆角敏感系数查图6-350.96Y齿根表面形状系数查图6-361.045S最小安全系数按照高可靠度，查表6-81.6太阳轮弯曲应力σ=1.25×1.04×1.1×1.2×1.15×=43.707Mpa许用弯曲应力σ=350×2×1=434.328Mpa因σFa行星轮弯曲应力σ=1.25×1.04×1.1×1.2×1.15×=11Mpa许用弯曲应力σ=245×2×1=307.23Mpa因σFc4.5.3从行星轮到内齿轮（c-b）的齿面接触疲劳强度与从太阳轮到行星轮的齿面接触疲劳强度所用公式相同，其中一部分参数不同表4-7齿面接触疲劳强度相关的参数代号取值u2.67ZH2.5z0.86ZN1ZW1则接触应力σ=2.5×189.8×0.86×=279.64Mpa许用接触应力σ齿面接触安全系数S故接触强度通过。4.5.4从行星轮到内齿轮（c-b）的齿根弯曲疲劳强度与从太阳轮到行星轮的齿根弯曲疲劳强度所用公式相同，其中一部分参数不同。表4-8齿根弯曲疲劳强度相关的参数代号取值Y2.053Y0.65Y0.674Y1.03Y1.045因上文中行星齿轮齿根弯曲疲劳强度已校核，所以只需要计算内齿轮。内齿轮弯曲应力σ=1.25×1.04×1.1×1.2×1.15×=11.96Mpa许用弯曲应力σ=220×2×1=295.996Mpa因σFc上述计算说明所选齿轮的承载能力足够。4.6本章小结本章论述了设计行星齿轮箱故障模拟试验台的行星齿轮传动部分所需的计算以及齿轮的验证校核。通过参考相关资料和搜索示例以及结合假设的工作条件，对所设计的行星齿轮传动系统进行的齿轮的选择，同时确定传动比的大小，对各个齿轮的齿根弯曲强度和齿面接触强度进行了计算和校核，对最终结果进行分析比较，从而验证参数的正确与否。最终确定各个齿轮的齿根弯曲强度和齿面接触强度均具有高可靠性，可以安全的使用，承载能力满足要求。第五章行星齿轮系上其他零件的设计5.1轴承的设计因为本课题为直齿传动，所以为了使用方便和操作简单，行星轮设计为中空式行星轮，在行星轮的中空中装一个滚动轴承，装配行星轮的轴设计在行星架上。用公式C=f表5-1计算轴承相关参数代号名称说明取值f负荷性质系数中等冲击，查表9-181.25f齿轮系数查表9-191.05f安装部位系数对称，表9-201.1f工作情况系数fp=1.4437f寿命系数更换期为1.5年2.36f速度系数公式9-624.27T行星架传递扭矩Tx148.05N·mP当量载荷P=431.81Nf温度系数一般传动1C=因行星轮分度圆直径为36*2=72mm，以及根据所选参考资料，最终确定选择轴承为深沟球轴承6205，d×D×B=25mm×52mm×15mm。轴承的额定动负载满足条件。5.2行星架的设计行星架是行星齿轮传动系统上主要的零件，本次设计所用行星轮通过轴承装配在行星架上，架上分布三段轴用于安装多个行星轮，以便平衡载荷，使负载分配均匀，运行更合理。在整个行星齿轮传动系统中，在行星轮作为基本的构件时，它将承受最大的外力矩。所以行星架要求便于加工装配、结构布置合理。本次设计单壁式行星架，行星架壁厚C=0.5b=0.5*0.7*72=25.2mm所以取壁厚为26mm。行星架外径D=2a'本课题设计的行星架结构图如图5-1图5-15.3本章小结本章通过上章所设计出的齿轮对行星轮上所需的滚动轴承、行星架、进行了设计，确定其参数。通过参考相关资料和搜索示例以及结合假设的工作条件，对所设计的滚动轴承，行星架，进行三维建模，最终确定所设计的零部件可以安全的使用，承载能力满足要求。第六章轴系的设计6.1输入轴的设计6.1.1动力学参数电机主轴转速为955r/min，功率P=3kW，轴所传递的转矩T=30000N·mm。6.1.2输入轴的材料选择本课题在设计时选用材料为45钢（调质），查相关手册的σ−1输入轴的装配方案如图6-1所示图6-16.1.3初步确定输入轴的最小直径用公式dmin则：d输入轴的最小直径是安装联轴器处的轴dⅠ−Ⅱ联轴器计算转矩Tca=KAT根据Tca应小于联轴器的公称转矩的条件，查标准GB/T5014-2017手册，选用GY5型凸缘联轴器，其公称转矩为400000N·mm。联轴器孔径d=30mm，所以dⅠ−Ⅱ=30mm，半联轴器与轴配合的毂孔长度L6.1.4输入轴的结构设计1）输入轴需要设计成普通的阶梯轴形状。为了保证联轴器所需的条件，在Ⅰ-Ⅱ段的右端要设计一个轴肩，所以Ⅱ-Ⅲ段的直径dⅡ−Ⅲ=50mm。半联轴器与轴所配合的孔长度为82mm，为了保证轴向定位和轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上，故取Ⅰ-Ⅱ段的长度应比毂孔长度段2-3mm，故取l2）基本确定轴承。因为输入轴只受径向力作用，故选用深沟球轴承，根据dⅡ−Ⅲ=50mm，选择深沟球轴承6210，其尺寸d×D×B=50mm×90mm×20mm在右边深沟球轴承需要使用轴肩进行定位，故取Ⅲ-Ⅳ段直径dⅢ−Ⅳ本次课题需保证轴承的端盖拆装起来方便，通过查阅相关资料确定轴承端盖的外端面与半联轴器右端面之间的距离l=20mm，故取lⅡ−Ⅲ4）Ⅳ-Ⅴ段是用于和太阳轮连接，它们之间通过平键连接在一起，一起旋转，从而带动齿轮工作。考虑太阳轮的分度圆直径为48mm，为了保证太阳轮的强度，故取Ⅳ-Ⅴ段直径dⅣ−Ⅴ=30mm，太阳轮齿厚为34mm，故选取Ⅳ-Ⅴ段长度lⅣ−Ⅴ=40mm。为了保证输入轴的正常装配，取Ⅲ-Ⅳ段长度综上所述，输入轴各段的参数已基本确定下来。5）轴上零件的周向定位输入轴与太阳轮连接所选平键为A型平键，按照dⅠ−Ⅱ查表6-1，查得平键截面b×h=8×7mm，键长度L=32mm；输入轴与联轴器连接所选平键同为A型平键，按照dⅣ−Ⅴ确定轴上圆角和倒角尺寸参考表15-2，取输入轴轴端倒角为C2，截面Ⅱ处圆角为R2，其余轴肩圆角为R2.5。6.2输入轴的强度校核6.2.1求输入轴的主要数据已知P=3KW，n=955r/min则T=95500006.2.2求作用在太阳轮上的力太阳轮分度圆直径da图6-2根据在运行时所受到的载荷不平均的情况下进行计算。设定行星轮C1与太阳轮a在运行时所传递的扭矩Ta1行星轮C1、C2与太阳轮a在运行时所传递的扭矩T太阳轮与行星轮啮合处所受圆周力如图6-2所示。则：FF其径向力为：FF太阳轮所受圆周力合力、径向力合力如图6-3所示：图6-3径向力：F圆周力：F6.2.3求轴上的载荷按照要求做出输入轴的计算简图（图6-4a），则L1+L2+L3=112mm+50mm+70mm。按照输入轴的计算简图做出输入轴的弯扭图（图6-4）左端联轴器有方向不定径向力，FA0=（0.2−0.5）FtA则：FtAFA0=0.3xoz平面上的受力分布及弯矩图（图6-4b）RR则D点弯矩MDZxoy平面上的受力分布及弯矩图（图6-4c）RR则D点弯矩MDy初步合成弯矩图（图6-4d）MD径向力FA0RR则该平面内弯矩为MCo合成弯矩图（图6-4f）MC=16800N·mm扭矩图（图6-4g）T=30000N·mm图6-46.2.4按弯扭合成应力校核轴的强度用公式σca=M2+C、D两截面轴径相同，MC则轴的计算应力为：σ上文已确定轴的材料，σ−1=60MPa，则σDca因为截面B的左边没有扭矩，所以校核截面B的右边就可确定是否符合要求。则轴的计算应力为：σBca=M故截面B右侧安全。6.3输出轴的设计6.3.1动力学参数输出轴与行星架相连，转速为190r/min，功率P3输出轴所传递的转矩TX6.3.2输出轴的材料选择本课题在设计时选用材料为45钢（调质），查相关手册的σ−1输出轴的如图6-5所示图6-56.3.3初步确定输出轴的最小直径用公式dmin则：d通过键配合，增大10％-15％，为31.988mm-33.442mm。因本次设计所使用的负载为磁粉制动器，输出轴与制动器通过键连接带动负载，所以输出轴的最小直径是安装磁粉制动器处的轴dⅠ−Ⅱ的直径。为了与磁粉制动器适应，需要同时选择磁粉制动器型号。通过查阅资料，确定磁粉制动器的型号为CZK-20型空心轴式磁粉制动器，磁粉制动器孔径d=45mm，又因输入轴Ⅰ-Ⅱ段需插入磁粉制动器，所以确定Ⅰ-Ⅱ段直径dⅠ−Ⅱ=35mm。制动器与轴配合的长度L=80mm，为了保证输出轴的长度以及与制动器连接的方便，故取6.3.4输出轴的结构设计输出轴需要设计成普通的阶梯轴形状。Ⅳ-Ⅴ与行星架相连，行星架选择为单壁式，由上文行星架的设计确定lⅣ−Ⅴ基本确定轴承。因输出轴只受径向力作用，故选用深沟球轴承。为了满足行星架的轴向定位要求，Ⅳ-Ⅴ轴段左端需制出一轴肩，所以Ⅲ-Ⅳ的直径dⅢ−Ⅳ=60mm。根据dⅢ−Ⅳ=60mm，选择深沟球轴承61912，其尺寸在右边深沟球轴承需要使用轴肩进行定位，故取Ⅱ-Ⅲ段直径dⅡ−Ⅲ为了轴承端盖的方便拆装以及对轴承添加润滑脂的要求，查得相关设计手册确定取lⅢ−Ⅳ=30mm。为了保证输入轴的正常装配，取Ⅲ-Ⅳ段长度综上所述，输出轴各段的参数已基本确定下来。4）轴上零件的周向定位输出轴与行星架连接所用平键为A型平键，查表6-1，查得平键截面b×h=14mm×9mm，键长度L=40mm。输出轴与制动器选择A型平键，因所选制动器b为14mm，所以查表6-1，查得平键截面b×h=14×9mm，键长度为63mm。5）确定轴上圆角和倒角尺寸参考表15-2，取输出轴轴端倒角为C2，截面Ⅱ处圆角为R2，其余轴肩圆角为R2.5。6.4输出轴的强度校核6.4.1求输入轴的主要数据输出轴与行星架相连，转速为190r/min，功率P3输出轴所传递的转矩T=148050N·mm。6.4.2求作用在行星架上的力行星轮分度圆直径为dc圆周力F径向力F6.4.3求轴上的载荷按照要求做出输出轴的计算简图（图6-6a），则L1+L2=183.5mm+56.5mm。按照输出轴的计算简图做出输入轴的弯扭图（图6-6）2）xoz平面上的受力分布及弯矩图（图6-6b）R则B点弯矩MBZ3）xoy平面上的受力分布及弯矩图（图6-6c）R则B点弯矩MBy4）初步合成弯矩图（图6-6d）MB5）扭矩图（图6-6e）T=148050N·mm图6-66.4.4按弯扭合成应力校核轴的强度用公式σca=M2+(αT)2则轴的计算应力为：σ上文已确定轴的材料，σ−1=60MPa，因此6.5本章小结本章主要是对行星齿轮箱故障模拟试验台的输入轴、输出轴进行设计计算和校核。通过上文行星齿轮传动系统的设计，再加上联轴器的选择，进行初步计算，设计出轴系的尺寸再对输入轴和输出轴进行校核。最终都满足要求。第七章其他零部件的选择和校核7.1键的选择和校核本次设计中电机轴和输入轴通过联轴器和键进行配合固定，输入轴的轴段与太阳轮也是通过键配合，同样输出轴与行星架和制动器也是通过键配合。键通常的作用是传递转矩，运动以及传递轴向力。键是国家标准零件，一般由45钢制成。在本次设计中进行装配体整体装配前要对平键以及键槽进行比对，这可以保证装配的完整性。在配合中，一般为间隙配合和过盈配合。因为此次设计的工况为低速重载，可能还会有冲击载荷，所以键与轴上键槽间选用过盈配合的方式。7.1.1联轴器与电机轴相配合时的键的选择与校核电机轴上的键槽为双圆头普通平键的键槽，电机轴的直径d=38mm。因此，联轴器与电机轴相配合时选双圆头普通平键。查表6-1得平键截面b×h=10×8mm，由联轴器一半长度为82mm,则键长L=66mm。电机轴和键的材料都为钢，查表6-2得键σ则：σ故此键的选择合理。7.1.2太阳轮、半联轴器与输入轴配合时的键的选择与校核输入轴与太阳轮连接所选平键为A型平键，按照dⅠ−Ⅱ查表6-1，查得平键截面b×h=8×7mm，键长度L=32mm；输入轴与联轴器连接所选平键同为A型平键，按照dⅣ−Ⅴ轴和键的材料均为钢，查表6-2得键σ则：σσbs故键的选择合理。7.1.3行星架、磁粉制动器与输出轴配合时的键的选择与校核行星架、制动器与输出轴配合均采用平键连接。输出轴与行星架连接所用平键为A型平键，查表6-1，查得平键截面b×h=14mm×9mm，键长度L=40mm。输出轴与制动器选择A型平键，因所选制动器b为14mm，所以查表6-1，查得平键截面b×h=14×9mm，键长度为63mm。轴和键的材料均为钢，查表6-2得键σ则：σσbs故键的选择合理。7.2联轴器的选择和校核本次设计中输入轴的Ⅰ-Ⅱ段需要和电机轴相连，这就需要用到联轴器，来进行对两轴的连接，并使之一起旋转，保证输入轴输入的功率稳定。在查阅各种联轴器的型号以及了解其特点和应用场合之后，确定所选联轴器为凸缘联轴器，原因：凸缘联轴器的操作方便，使用范围较广，能够传递较大的扭矩，比较适合用于低速、无冲击的场合。此次所选择的是GY5凸缘联轴器，如图7-1。图7-1表7-1GY5凸缘联轴器主要参数型号公称转矩T许用转速n轴孔直径d1轴孔直径d2轴孔长度GY54008000383082DbS转动惯量(Kg·质量Kg1203680.0075.43故选联轴器合理。7.3箱体的设计箱体是行星齿轮箱中零件的基座，作用是保证行星齿轮传动相对位置的正确并对齿轮起保护作用的重要的部件。经过上文行星齿轮的设计已经了解到行星齿轮的各个零件的参数以及输入轴和输出轴的参数,在按照行星齿轮传动机构的安装方式的不同，该行星齿轮箱选用左右剖分式的，整体为铸造件，其特点是结构简单，紧凑，铸造箱体需要尽量的去避免壁厚的突变，本次课题设计的箱体材料为灰铸铁。根据上文数据进行箱体的设计，其箱体的具体结构尺寸如下表表7-2箱体的主要参数名称代号数值箱座壁厚δ10箱盖壁厚Δ10箱座底厚度B19轴承凸台半径R45轴承凸缘厚度B10凸台高度h132轴承凸台长度L90箱体高度h245箱体高度h250轴承端盖螺钉直径d5箱盖螺钉直径d5箱体连接平台螺钉直径d15轴承端盖螺钉数目n6箱盖螺钉数目n12箱体连接平台螺钉数目n2所设计的箱体结构图如图7-2，7-3,7-4所示图7-3（主视图）图7-3（俯视图）图7-4（左视图）7.4制动器的选择制动器是使机械运动件减速、停止或保持停止状态的机械零件，通常叫刹车。制动器主要部分是制架、制动件和操纵装置。制动器通常装在装置的高速轴上，但对安全性要求较高的设备就需要装在靠近装备工作部分的低速轴上。本次设计中选择制动器的主要原则是机器可靠、操纵方便、散热良好。通过对比各类制动器，最终确定选择CZK型空心轴式磁粉制动器，符合本次设计的要求。因为输出轴所传递的转矩T=148050N·mm，则所选制动器额定转矩需大于148050N·mm，通过查阅CZK型空心轴式磁粉制动器各类型号，最终确定为CZK-20型空心轴式磁粉制动器。结构如图7-5表7-3CZK型空心轴式磁粉制动器主要参数型号额定转矩(N·m)允许滑差功率（W）dDDCZK-20200400045300220DLLdb180136510147.5制动器底座的设计由于所选择的磁粉制动器的中心高度与变频电机、行星齿轮箱体等部件中心不等高，因此在磁粉制动器部分加以支撑，既可以起到安放固定的作用又可以满足整体装置的中心高度。根据已有的数据进行分析设计，设计出磁粉制动器底座，用于安装在试验平台上，制动器底座通过螺钉与平台进行连接，固定在试验平台上。其结构如图7-6,7-7,7-8所示图7-6（主视图）图7-7（俯视图）图7-8（左视图）7.6试验平台的设计试验平台支架是整个装置之中，用于变频电机、行星齿轮箱、磁粉制动器等零部件安装摆放的平台。其尺寸及其安装孔都是根据所选电机的参数，行星齿轮箱的设计尺寸、输入轴和输出轴的参数、磁粉制动器的尺寸等零部件的尺寸以及安放位置综合决定的。试验台上孔所安放的螺钉都为标准的零件，所选的螺钉为GB／T70.1-2008[内六角圆柱头螺钉M10×50]和GB／T70．1-2008[内六角圆柱头螺钉M12×50]。所设计的实验平台结构如图7-9,7-10,7-11图7-9（主视图）图7-10（俯视图）图7-11（左视图）7.7螺钉和螺栓的选择螺钉和螺栓是本次设计中固定各部件的重要零件，使用合适的螺钉或螺栓可使行星齿轮箱故障模拟试验台更加的稳定。本次设计中共使用两种型号的螺钉和一种型号的螺栓。各部件所使用的螺钉或螺栓见表7-3表7-4各部件使用螺钉（螺栓）的具体参数名称型号数量箱盖GB／T70.1-2008[内六角圆柱头螺钉M5×25]12输出轴端盖GB／T70.1-2008[内六角圆柱头螺钉M5×25]6输入轴端盖GB／T70.1-2008[内六角圆柱头螺钉M5×25]6箱体与平台连接GB／T70.1-2008[内六角圆柱头螺钉M10×50]2制动器底座与平台连接GB／T70.1-2008[内六角圆柱头螺钉M10×50]4制动器端盖GB／T70.1-2008[内六角圆柱头螺钉M10×50]6变频电机与平台连接GB／T70.1-2008[内六角圆柱头螺钉M12×50]4联轴器GB／T5780-2008[六角头螺栓C级M5×45]67.8本章小结本章对行星齿轮箱故障模拟试验台所需的其他零部件进行了选择和校核，包括键、联轴器、制动器、制动器底座、螺钉和螺栓。所选零部件都满足使用要求。第八章试验平台及其零部件的三维模型在经过了查阅相关资料、了解行星齿轮箱故障模拟试验台的国内外发展状况、试验台整体方案的设计与校核、变频电机的选择、行星齿轮传动系统的设计计算和校核、输入轴和输出轴的设计计算及校核、键的选择与校核、联轴器的选择、轴承的选择和验算、箱体的设计、磁粉制动器的选择、试验平台的设计等。在这些零部件选择确定之后，在此基础之上，本章将对试验台的总体结构与各部分零部件的设计，进行SolidWorks的三维建模。8.1变频电机的三维建模图8-1变频电机的三维模型8.2行星齿轮传动系统的三维建模图8-2太阳轮的三维模型图8-3行星轮的三维模型图8-4内齿轮的三维模型图8-5行星架的三维模型8.3轴系的三维建模图8-6输入轴的三维模型图8-7输出轴的三维模型8.4联轴器的三维建模图8-8联轴器的三维模型8.5磁粉制动器的三维建模图8-9磁粉制动器的三维模型8.6磁粉制动器底座的三维建模8-10磁粉制动器底座的三维模型8.7箱体的三维建模图8-11箱体的三维模型图8-12箱盖的三维模型8.8端盖的三维建模由上文中的数据可知试验台输入轴和输出轴以及行星齿轮箱的尺寸，在安装结束后需对整个箱体进行密封保护，防止箱体进入灰尘等物质对箱体内部零件造成损伤，减少其寿命，端盖的三维建模如下图：图8-13输入轴端盖的三维模型图8-14输出轴端盖的三维模型8.9滚动轴承的建模轴承在机械传动中起到了十分重要的作用，通常用于支撑转动部件，减少摩擦，保证其回转精度。由于行星齿轮传动常用于低速重载的环境中，因此选用深沟球滚动轴承，主要用于承担工作过程中产生的径向力。本次设计的滚动轴承选择：作为行星齿轮传动中行星轮内的滚动轴承，滚动轴承型号为深沟球轴承6205[GB／T276-94],其尺寸d×D×B=25mm×52mm×15mm。输入轴上的滚动轴承型号为深沟球轴承6210[GB／T276-94]，其尺寸d×D×B=50mm×90mm×20mm。输出轴上的滚动轴承型号为深沟球轴承61912[GB／T276-94]，其尺寸d×D×B=60mm×85mm×13mm。轴承建模如图8-15图8-15深沟球轴承的三维模型8.10螺钉和螺栓的三维建模图8-16内六角圆柱头螺钉M12×50图8-16内六角圆柱头螺钉M10×50图8-17内六角圆柱头螺钉图8-18M5×25六角头螺栓C级M5×458.11试验平台的三维建模图8-19试验平台的三维模型8.12行星齿轮箱故障模拟试验台的三维建模在完成试验台的方案设计、行星齿轮传动系统的设计计算和校核以及建模、输入轴和输出轴的设计校核建模、磁粉制动器的选择和建模，以及箱体的设计建模还有其他零部件的设计选择以及建模后，最后将上述的各个部分组合装配到一起，完成行星齿轮箱故障模拟试验台的三维建模。三维模型如下：图8-20行星齿轮箱故障模拟试验台的三维模型8.13本章小结本章节进行了行星齿轮箱故障模拟试验台的整体建模以及其零部件的建模，以上这些三维建模所用的数据都来自于上文中所完成的试验台方案设计、行星齿轮箱的结构设计和行星齿轮传动系统的设计，轴的设计，以及滚动轴承、联轴器、螺钉、螺栓所选择的型号。总结与展望本次设计的课题为《行星齿轮箱故障模拟试验台设计》，在本次设计的过程中，通过对本次课题的背景意义以及来源，行星齿轮箱故障模拟试验台的国内外研究现状和行星齿轮故障诊断相关论文的学习，了解了现有的类似试验平台的详细设计方案，理解了行星齿轮箱故障模拟试验台对机械工业生产的重要意义，然后根据自己的想法进行总体设计，接着对总体设计的各个部分进行设计计算，同时对自己所设计计算的各个部分进行了严格的校核，在完成设计计算和校核以后，对各个部件进行建模并装配。该试验台主要是用于行星齿轮传动中的故障检测。对于该设计课题，本人在设计之前查阅了实际样式的试验台，对电机进行了观察，通过查询资料进行比对，确定电机的选择，然后根据大部分试验台输出的转速，确定行星齿轮箱的输出转速，通过电机的转速与行星齿轮箱的输出的转速对行星齿轮系统进行设计，然后对设计出的各个齿轮进行弯曲强度和接触强度校核，以保证所设计出的各个齿轮可正常使用，然后根据齿轮的大小对行星架进行设计。本次设计根据变频电机的参数选取半联轴器，因设计能力的有限，选择的联轴器是适应范围较广但较为简单的GY型联轴器，然后根据设计的输入轴