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1、毕业设计 行星齿轮传动减速器设计及三维造型毕业设计说明书 课题名称 二级行星齿轮减速器设计及三维造型摘 要本文完成了对一个二级行星齿轮减速器的结构设计。与国内外已有的减速器相比，此减速器具有更大的传动比，而且，它具有结构紧凑、外廓尺寸小和重量轻等优点。论文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结构的设计计算，通过分配传动比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校核。论文最后对设计过程进行了总结，并在此基础上指出了一些改进的建议。关键词：行星齿轮；变位；传动机构 AbstractTh
2、is paper proposes a design configuration of the two-stage planetary gear reducer settling for some known parameters.Compared with other gear reducers in the word,it have a larger gear ratio. Furthermore,there are other more advantages,such as, compact configuration,small figure,light avoirdupois and
3、 so on.The content is as followa.Firstly, the paper introduces the context of the task and the extent on research of gear reducers,as well as its development trends.Secondly,the drivered type is decided by comparing all kinds of gear configuration.The significant part is about the calculation of the
4、 configuration design.After distributing gear ratios, the rough configuration will be get.Then, the holistic configuration can be designed and back-checked.Lastly,the paper is summarized,and the needed improvements are indicated.Key words： planetary gear；modifying profile；driving machanism目 录摘要Abstr
5、act主要代号第1章概述- 8 -1.1.课题的提出和论文的主要内容- 8 -1.2.齿轮减速器的研究现状- 8 - 1.3.齿轮减速器的发展趋势 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -8 -第2章传动方案的确定- 10 -2.1.齿轮传动比较和选择- 10 -2.1.1.齿轮传动两种大的类型- 10 -2.1.2.定轴轮系和行星轮系的比较- 10 -2.2.选择行星机构的类型- 12 -2.2.1.行星机构的类型及特点- 12 -2.2.1.1. ZXV型渐开线行星机构- 12 -2.2.1.2. 2ZX型渐
6、开线行星齿轮机构- 13 -2.2.1.3. 3Z型渐开线行星齿轮机构- 14 -2.2.2.渐开线行星齿轮传动的发展趋势- 15 -第3章设计计算- 16 -3.1.设计任务- 16 -3.2.前言- 16 -3.3 传动比分配传动系统的运动学和动力学计算- 17 -3.4.传动零件的设计- 19 -3.5.轴设计计算与校核- 46 -3.6.轴承的选择与计算- 56 -3.7.键连接的选择与计算- 59 -3.8.箱体的设计- 62 -3.9. 润滑和密封的选择- 62 -3.10传动装置的附件及说明- 63 - 3.11齿轮的加工工艺 66- 3.12 轴的加工工艺67-第4章设计小结-
7、 65 -参考文献- 69 -主要代号代号意 义单 位代号意 义单 位abCdeFfHHBHRCixXY中心距、标准中心距角度变位齿轮的中心距切齿中心距齿宽顶隙顶隙系数直径、分独圆直径插刀齿的分度圆直径齿顶圆直径基圆直径齿根圆直径节圆直径齿槽宽作用力法向力径向力切向力齿向公差摩擦系数基节极限偏差齿距极限偏差高度布氏硬度洛氏硬度齿顶高齿顶高系数齿根高传动比变位系数转臂变位系数和系数齿形系数弯曲强度计算时的寿命mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmNNNNmmmmmminvKLMmNnPrTYyz角的渐开线函数系数、载荷系数使用系数行星轮间载荷分布不均匀系数齿间载荷分布系数齿向载荷分布系
8、数动载系数长度弯矩模数指数应力循环次数转速行星轮数目功率半径、分度圆半径节圆半径齿顶圆半径基圆半径齿根圆半径转矩重合度效率计算齿根弯曲应力许用齿根弯曲应力系数应力修正系数弯曲强度计算时的尺寸系数弯曲强度计算时的螺旋角系数弯曲强度计算时的重合度系数中心距变动系数齿数压力角、齿形角齿顶压力角mmmmr/minkWmmmmmmmmmmradrad主要角下标a 齿顶的，中心轮、太阳轮 n 法向的b 基圆的，中心轮、内齿轮 p 许用的c 行星轮 r 径向的e 中心轮、内齿轮 t 切向的、端面的F 齿根弯曲的 x 轴向的，转臂的f 齿根的 代数和1 小齿轮的 I 第1级的，I类2 大齿轮的 II 第2级的
9、，II类第1章 概述1.1. 设计内容旋转喷射器中减速箱是工业油罐罐底油泥旋转喷射混合系统中重要的一部分。高速旋转的涡轮带动喷嘴低速的转动，中间需要一个传动比很大的减速器连接。本说明书的内容就是结合涡轮的输入转速、喷嘴所需的转速以及输出转矩等已知条件设计一个满足要求的齿轮减速器。减速器设计的主要参数包括：1初转速120 ；2目标转速0.5 ；3 输出转矩2000 。本论文主要完成以下工作：1选择确定传动方案。传动方案的确定包括传动比的确定和传动类型的确定。此次设计的减速器传动比达到14400，是目前国际上设计出的减速器中传动比最大的，没有参考的先例，所以，只有通过不断的比较和分析去合理的选择一
10、种传动方案，尽量降低减速器的体积和重量。2设计计算。每级传动结构的设计计算，都大致包括：传动比的分配、传动系统运动学和动力学计算、传动零件的设计、轴的设计计算与校核、轴承的选择与计算、键连接的选择与计算、箱体的设计、润滑与密封的选择和传动装置的附件说明等。1.2. 齿轮减速器的研究现状齿轮传动具有功率输出恒定、承载能力大、传动效率高、使用寿命长、可靠性高、结构紧凑等优点，广泛用于各种机械设备和仪器仪表中，是机械传动的基础零件，其质量、性能、寿命直接影响整机的技术、经济指标。而齿轮制造技术水平是获得优质齿轮的关键。因为齿轮形状复杂、技术问题多，制造难度大，齿轮加工水平在某一程度上反映了一个国家机
11、械工业制造的水平。因此，齿轮加工的研究是各国加工制造业研究的一个热点。 齿轮产品种类较多，按大类来分，主要有圆柱齿轮、锥齿轮、蜗轮蜗杆齿轮与行星传动齿轮等四大类。其中，圆柱齿轮在机械设备中应用最为广泛，各种通用与专用的齿轮减速器以及机床、车辆、农机等大量采用，约占齿轮产品总量的90左右。因此，齿轮制造技术的研究主要集中在圆柱齿轮的成形及其热处理方面。 近年来，随着汽车工业的发展，特别是轿车生产对变速器齿轮的精度及力学性能的要求愈来愈高，齿轮正朝着高精度、低噪声、高承载、高速度、轻量化及长寿命的方向发展。其中，采用硬齿面齿轮是提高齿轮强度及承载能力的有效途径。 目前，硬齿面圆柱齿轮普遍采用“机械
12、加工渗碳热处理精加工”的传统工艺，材料利用率不高，生产效率低，产品成本高，尤其是金属流线被切断，而且成形后渗碳处理使渗碳层晶粒粗大、渗碳层厚度分布不合理，造成齿轮强度与疲劳寿命的降低。这种不利局面使得工程技术人员寻求新的制造工艺。最优化方法在机构设计和零件设计中应用广泛，效果显著。近十年来，国内外对整台机器或某一机械系统的设计，采用最优化方法代替原来传统的设计方法也越来越多。 机构的优化设计从六十年代后期开始得到学速发展，目前已经成为机构学的重要研究方向之一。 齿轮传动的优化设计可概括为：当传动载荷一定时追求齿轮的体积最小，或在齿轮体积一定时追求传递的载荷最大。有时也追求齿轮传动的某项或某几项
13、性能为最佳。齿轮传动的优化设计既可以成为但目标函数的问题，也肯已成为多目标函数问题。为使齿轮工作可靠，显然齿面的接触应力、齿轮的疲劳弯曲应力应分别小于或等于许用值或保证一定得的安全裕度。为使齿轮的啮合处于较好的工作条件下，有时还把吃面同油膜厚度以及润滑油的温升也作为约束条件。另外，诸如为了避免产生根切、并保持连续啮合、避免齿轮齿顶过分变尖、均须对设计变量提出某些限制，这些限制也应最为约束条件。在机械设计中人们希望获得全部最优设计点，但实际的工程问题，很少能保证满足凸性的要求，即所追求的目标函数往往具有很多个相对的极小点，因而优化的结果一般为局部最优设计点，或后退一步讲，如果这些都做不到，那么优
14、化设计最起码也能将设计方案作出重大改进。这就是我们以前提到过的“最优化”应被理解为一个相对的概念，而不要把它决对化。实际上，如上所述，设计人员如能正确地运用最优化方法进行设计，其设计方案与传统方法比较，一定会有所改善并能避免许多盲目性，显然这刚好是工程设计人员最感兴趣的。第2章 传动方案的确定2.1.齿轮传动比较和选择2.1.1.齿轮传动两种大的类型轮系可由各种类型的齿轮副组成。由锥齿轮、螺旋齿轮和蜗杆涡轮组成的轮系，称为空间轮系；而由圆柱齿轮组成的轮系，称为平面轮系。根据齿轮系运转时各齿轮的几何轴线相对位置是否变动，齿轮传动分为两大类型。1.普通齿轮传动（定轴轮系）当齿轮系运转时，如果组成该
15、齿轮系的所有齿轮的几何位置都是固定不变的，则称为普通齿轮传动（或称定轴轮系）。在普通齿轮传动中，如果各齿轮副的轴线均相互平行，则称为平行轴齿轮传动；如果齿轮系中含有一个相交轴齿轮副或一个相错轴齿轮副，则称为不平行轴齿轮传动（空间齿轮传动）。2.行星齿轮传动（行星轮系）当齿轮系运转时，如果组成该齿轮系的齿轮中至少有一个齿轮的几何轴线位置不固定，而绕着其他齿轮的几何轴线旋转，即在该齿轮系中，至少具有一个作行星运动的齿轮，则称该齿轮传动为行星齿轮传动，即行星轮系。2.1.2.定轴轮系和行星轮系的比较行星齿轮传动与普通齿轮传动相比较，它具有许多独特的优点。它的最显著的特点是：在传递动力时它可进行功率分
16、流；同时，其输入轴与输出轴具有同轴性，即输入轴与输出轴均设置在同一主轴线上。所以，行星齿轮传动现已被人们用来代替普通齿轮传动，而作为各种机械传动系统的中的减速器、增速器和变速装置。尤其是对于那些要求体积小、质量小、结构紧凑和传动效率高的航空发动机、起重运输、石油化工和兵器等的齿轮传动装置以及需要变速器的汽车和坦克等车辆的齿轮传动装置，行星齿轮传动已得到了越来越广泛的应用。行星齿轮传动的主要特点如下：(1) 体积小，质量小，结构紧凑，承载能力大。一般，行星齿轮传动的外廓尺寸和质量约为普通齿轮传动的1/2-1/5（即在承受相同的载荷条件下）。例，传动比i7.15，功率为4400kw的行星齿轮减速器
17、与普通定轴齿轮减速器比较如下：项目行星 齿轮减速器普通定轴齿轮减速器质量/kg34716943高度/m1.311.80长度/m1.291.42宽度/m1.352.36体积/ 2.296.09齿宽/m0.180.41损失功率/kw8195圆周速度/m/s42.799.4（2）传动效率高。在传动类型恰当、合理布置的情况下，其效率值可达0.970.99。（3）传动比大，可以实现运动的合成和分解。只要适当选择行星齿轮传动的类型及配齿方案，便可以用少数几个齿轮而获得很大的传动比。在仅作为传递运动的行星齿轮传动中，其传动比可以达到几千。应该指出，行星齿轮在传动比很大的情况下，仍然可保持结构紧凑、质量小、体
18、积小等许多优点。（4）运动平稳、抗冲击和振动的能力较强。由于采用了数个行星轮，均匀的分布在中心轮的周围，从而可使行星轮与转臂的惯性力相互平衡。同时，也使参与啮合的齿数增多，故行星齿轮的运动平稳，抗冲击能力和振动的能力较强，工作较可靠。总之，行星齿轮传动具有质量小、体积小、传动比大及效率高（类型选用得当）等优点。行星传动不仅适用于高转速、大功率，而且在低速大转矩的传动装置上也已获得了应用。它几乎可适用于一切功率和转速范围，故目前行星传动技术已成为世界各国机械传动发展的重点之一。从机构的活动度来分，有一个自由度的行星机构、两个自由度的行星机构和多自由度的行星机构。从结构形式来分，有KHV型、2KH
19、型和3K型行星机构三种基本类型。其它的渐开线行星齿轮机构，都可以分解为这三种基本机构，即可以由这三种基本行星机构复台而成。通过上述的比较，结合要求：传动比大、质量小、结构紧凑及外廓尺寸小等，我们选择行星齿轮传动作为减速器的传动型式。2.2.选择行星机构的类型2.2.1.行星机构的类型及特点2.2.1.1. ZXV型渐开线行星机构如图1所示，是ZXV型行星机构。它的基本构件是：中心轮Z、转臂X和输出轴v。这种机构的特点是：将行星轮a的旋转运动，通过一个传动比为1的中间机构传递给输出轴v。这种把行星轮a的轴线与输出轴v的轴线联结起来，而实现等速传动的机构称为等速比机构，或称为w机构。图1. ZXV
20、行星齿轮机构ZXV型渐开线少齿差行星齿轮传动的传动比范围为10100，其传动效率为0.750.93。结构紧凑、体积小、加工方便，但行星轮轴承的径向力较大，使用于中小功率，一般，个别的达到2045kw；传动比大，使用于短期工作。采用摆线针轮行星传动，则适用于功率，任何工作制度，其传动效率为0.900.97。目前应用较广泛，但制造精度要求较高，且高速转速。2.2.1.2. 2ZX型渐开线行星齿轮机构这种行星齿轮机构有两个中心轮a、b(即2Z)和转臂(X)，由此三个基本构件组成，故用符号2ZX表示。根据转化机构的传动比的不同，可分为两类。当是0时，称为正号机构；当0时，称为负号机构。如图2所示，为2
21、ZX型行星机构的常见类型。图2 2ZX型行星机构的常见类型由于负号机构行星齿轮传动简单、制造容易，外形尺寸小，质量小，传动效率高等优点。在结构合理的调价下，通常，其传动比范围为2.813，传动效率为0.970.99。目前该传动类型已获得了较广泛的应用。具有双齿圈行星的负号机构，其合理的传动比范围为716，传动效率仍较高；但由于采用了双齿圈行星轮，故制造安装较复杂。具有圆锥齿轮传动的负号机构，主要用于差动行星装置。具有双啮合的正号传动机构，啮合摩擦系数较大，故其传动效率低，一般，该机构基本上不用于传递动力。具有双内啮合的正号机构，其合理的传动比范围为830，其啮合摩擦损失较小。当传动比小于50，
22、其传动效率可达到0.8以上，但随着传动比的增加，其效率值也会降低。少齿差2ZX正号机构的合理传动比范围为30100。但它由于具有少齿差的内啮合齿轮传动，其啮合摩擦系数较小，故该行星齿轮传动的传动效率较高，可达0.9。2.2.1.3. 3Z型渐开线行星齿轮机构这种类型的行星齿轮机构是由三个中心轮a、b、e和一个转臂X组成。基本构件是三个中心轮，它们承受外力矩的作用。而转臂X不承受外力矩的作用，仅起支承的作用，故用符号3Z表示，如图3所示。图3 3Z行星齿轮机构（3ZI）在3Z型行星齿轮传动中，较常见的传动型式有如下三种。（1）3ZI 具有双齿圈行星轮的3Z型行星齿轮传动。它的结构特点是：内齿轮b
23、固定，而旋转的中心轮a和e分别与行星轮c和d相啮合。在各种机械传动种，它已获得广泛的应用。3Z（I）型较合理的传动比范围为20300，其传动效率为0.80.9。（2）3Z（II） 具有单齿圈行星轮c的3Z型行星齿轮传动。该3Z型行星轮的结构特点是：三个中心轮a、b和e同时与单齿圈c相啮合；即内齿轮b固定，两个旋转的中心轮a和e同时与行星轮c相啮合。它是一种较新型的行星齿轮传动，目前该项传动新技术在我国的齿轮传动中已日益广泛应用。其合理的传动比为50300，其传动效率为0.700.84。（3）3Z（III）具有双齿圈行星轮的3Z型行星齿轮传动，它的结构特点：内齿轮e固定，两个旋转的中心轮a和b同
24、时与行星轮c相啮合，而另外一个行星轮d与固定内齿轮e相啮合。它的传动比范围和传动效率和3Z（I）型基本上相同。因此，在实际应用，一般很少采用3Z（III）型行星齿轮传动。在此，应该指出的是：3Z型行星齿轮传动用于短期间断工作的机械传动装置中最为合理，它具有结构紧凑、传动比大和传动效率较高等特点。2.2.2.渐开线行星齿轮传动的发展趋势随着行星传动技术的迅速发展，目前，高速渐开线行星齿轮传动装置所传递的功率已达50000kW，输出转矩已达。据有关资料介绍，人们认为目前行星齿轮传动技术的发展方向如下。（1）标准划、多品种 目前世界上已有50多个渐开线行星齿轮传动系列设计；而且还演化出多种型式的行星
25、减速器、差速器和行星变速器等多品种的产品。（2）硬齿面、高精度 行星传动机构中的齿轮广泛采用渗碳和氮化等化学处理。齿轮制造精度一般在6级以上。显然，采用硬齿面、高精度有利于进一步提高承载能力，使齿轮尺寸变得更小。（3）高转速、大功率 行星齿轮传动机构在高速传动中，如在高速气轮机中已获得日益广泛得应用，其传动功率也越来越大。（4）大规格、大转矩 在中低速、重载传动中，传递大转矩的大规格的行星齿轮传动已有了较大的发展。综上，本次我要设计的减速器以3级以下为好，否则，传动效率会很低。通过对行星齿轮传动的比较，选用2级级可以满足传动比14400的要求。所设计的减速器不仅要传递运动，且要传递动力，故只有
26、3Z型满足要求。在3Z型行星传动中，3Z（I）型和3Z（II）型的特点基本一样，而3Z（II）在具有它们的优点同时，还较它们安装要方便，所以选择3Z（II）型。3Z（II）合理的传动比范围为64300，那么只能选用2级传动。最后，传动方案为：3Z（II）2级行星齿轮传动。其传动简图如图4所示第3章 设计计算3.1.设计任务设计一个齿轮传动减速器。原始条件和数据：已知该传动的输出转矩T2000，输入转速，传动比；且要求该齿轮传动结构紧凑、外廓尺寸较小。3.2. 题目分析短期间断、传动比大、结构紧凑和外廓尺寸较小。拟定的设计方案如下图：图4 减速器设计方案（二级3Z（II）行星齿轮传动）3.3 传
27、动比分配传动系统的运动学和动力学计算设计内容计 算 及 说 明结 果1.计算传动装置的总传动比和分配各级传动比（1）传动装置总传动比（2）分配传动装置各级传动比2计算传动装置的运动和动力参数（1）各轴转速（2）各轴输入功率（3）各轴输入转矩总传动比 按平均分配的原则分配传动比，则，则 轴 r/min 轴 r/minIII 输出功率P 则III轴II 轴I轴上式中，和分别为二级3Z（II）行星齿轮传动高速级和低速级的传动效率，根据文献【1】表24可查得和的值。III轴 轴 I 轴 Nmi14400120120120r/min 1r/min0.52.70kw2.19kw1.75kw3.4.传动零件的设计- 18 -
