行星齿轮减速器在传动系统中的设计与应用

李 锐

(郑州铁路职业技术学院,河南 郑州 450052)

减速器在工程机械行业中应用比较广泛,传统的减速器均采用圆柱圆锥三级齿轮传动,极少采用行星齿轮的传动方式。行星齿轮传动时动轴传动,采用的行星齿轮的齿轮数非常合理,通过使用这种传动方式,提高了减速器的使用寿命,减小了体积重量比,其承载能力较大,运行很平稳,可靠性和效率都比较高,在机床分度系统、航空、车辆及工程机械等行业中得到了广泛的应用。

1 行星减速器的结构及特点

1.1 行星齿轮的结构

大部分齿轮由于其转动轴是相对固定的,因此被称为定轴齿轮。行星齿轮如下图1所示,是安装在一个可以转动的支架上,然后可以围绕B-B转动,同时还可以围绕支架及其轴线转动。

图1 行星齿轮

由于行星架的存在,这就允许三条转动轴有动力输入和输出,同时可以利用离合器或制动器等在需要的时候限制其中一条轴的转动,而允许剩下两条轴进行传动,因此导致了互相啮合的齿轮之间的关系有较多组合。

自动变速器就是利用行星齿轮的这类特性,通过改变离合器和制动器等构件的相对运动关系而获得不同的传动比,通过传动比的不同来达到变速的目的。

1.2 行星减速器的特点

行星齿轮传动系统的主要特点是体积小,承载能力大,工作平稳,但是大功率高速行星齿轮传动结构较复杂,制造精度较高。在行星齿轮传动中有传动效率高的行星齿轮,但其传动比不大。还有一些传动比较大,但效率较低的行星齿轮,用它们作减速器用时,其效率会随传动比的增大而减小,而作增速器用时,则可能产生自锁现象。

本文所用到的电机的满载转速1430r/min,而要得到盘车最末级齿轮低于1r/min,因此其减速比必须达到700以上。本文设计的行星减速器拟采用三级减速,采用NGW 型传动形式,单级传动比范围1.13-13.7,效率0.97-0.99,最大功率不限。这种设计方式的特点是效率高,体积小,重量轻,结构简单,易维护,轴向尺寸小,可用于各种工作条件,尤其在机械传动中应用最广。

2 行星齿轮的设计

2.1 齿轮及行星轮数的确定

要确定齿轮数量,必须确定齿轮的设计是否满足传动比条件、同心条件、装配条件和邻接条件。所谓传动比条件是指要保证实现给定的传动比,及传动比要达到700以上;同心条件则是要保证中心轮和行星架轴线重合条件下的正确啮合,为此各对啮合齿轮间的中心距必须相等;装配条件则须保证各行星轮能均布的安装于两中心轮之间。为此各轮齿数与行星轮个数nW必须满足装配条件,否则,当第一个行星轮装入啮合位置后,其他行星轮装不进去。对于邻接条件,则是要保证相邻两行星轮的齿顶不相碰,行星齿轮齿顶间的最小间隙取决于制造精度,一般可取0.5m(m为模数)。

2.2 NGW型传动的配齿方法

根据机械设计手册的相关设计要求,本文选取适合传动比要求的行星轮数目nW=3,同时再确定Zα。

计算Za的方法：对于非变位或高度变位传动=C,根据并适当调整,使C等于整数,求出Za;对于等角变位传动=C,根据并适当调整,使C等于整数,求出Za。两种传动方式的计算方法基本类似。

确定了Za和C之后,可以计算出Zb=Cnw-za和Zc=(zb-za)。必要时可以考虑计算邻接条件,本文对此不作要求,故不赘述。

3 传动系统原理设计

3.1 原理计算及设计

图2 传动方案原理图

由于实际减速比要得到700以上,而NGW型传动方案所得到的单级传动比的范围为1.13-13.7,因此必须采用三级减速的传动方式,以达到所需减速比。

三级NGW型传动方案原理图如下图2所示：

多级行星齿轮传动的传动比分配原则是各级传动之间等强度,同时也可以计算出最小的外廓尺寸。根据系统中的条件可知：电动机额定功率 P ed=2.2 kW,可确定型号为Y 100L1-4,另外系统的额定功

率为2.2kW,满载时转速为1430r/min,要求行星减速器所输出转速为2r/min,根据这些条件及其推算可知：

查机械设计手册可知：

由上述数据,计算实际总传动比,

各轴转速计算如下：

各轴输入转矩计算如下：

3.2 高速级级齿轮计算及校核

3.2.1 高速级计算

关于配齿的计算：nw=3

查机械设计手册可确定各轮齿数：

3.2.2 验算a-c传动的接触疲劳强度和弯曲强度

接触强度计算a轮分度圆直径：

因此,校验合格。

图3和图4是行星齿轮减速器的CAD装配图。

4 结论

行星齿轮传动技术现在很成熟,可靠性较高。在自动减速器中使用,不仅可以减轻减速器的重量,而且可以提高其可靠性和使用寿命。另外,可以在不影响齿轮设计强度的条件下,精确地调整齿轮中心距、保证传动比,同时也减小了减速器的结构尺寸。通过实践表明,该行星减速器的齿轮弯曲强度提高了不少,同时也降低了对制造工艺的要求,减少了运行故障,有良好的应用价值。

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