40KW二级行星减速器设计.doc
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山东交通学院毕业设计
山东交通学院
2011届毕业生毕业设计
题目:
40KW二级行星齿轮减速器设计
院(系)别工程机械系
专业机械设计制造及其自动化
班级机械071班
学号070611134
姓名杨模尖
指导教师韩鹰
二○一一年六月
45
山东交通学院毕业设计
摘要
行星齿轮传动与普通定轴齿轮传动相比较,具有质量小、体积小、传动比大、承载能力大以及传动平稳和传动效率高等优点,因此,行星齿轮传动在起重运输、工程机械、冶金矿山、石油化工、建筑机械、轻工纺织、医疗器械、仪器仪表、汽车、船舶、兵器、和航空航天等工业部门均获得了广泛的应用。
本设计便是基于这些特点对行星齿轮进行结构设计,首先通过比较各种类型的行星齿轮的特点,确定其方案;其次根据相应的输入功率、输出速度、传动比进行传动设计与整体的结构设计。
关键词:
普通定轴齿轮传动,行星齿轮传动,行星齿轮减速器,工程机械,建筑机械
Abstract
Comparedwithcommonfixedaxisgear,planetarygeartransmissionhassmallsize,smallquality,bigtransmissionratio,largecarryingcapacity,smoothtransmissionandhightransmissionefficiency.Soplanetarygeardriveintheliftingandtransportation、engineeringmachinery、metallurgical,petrochemical,constructionmachinery,lightindustryandtextiles,medicalequipment,instrumentation,automotive,shipbuilding,andaerospaceandotherindustrialsectorsarereceivedawiderangeofapplications.Thedesignisbasedonthesefeaturesofplanetarygearforstructuredesign.First,adopttheschemethroughcomparingvarioustypesofplanetarygears’characteristics,Secondly,accordingtothecorrespondinginputpower、outputspeedandspeedgivethedesignoftransmissionandwholestructure.
Keywords:
commonfixedaxisgear,planetarygeartransmission,planetarygearreducer,engineeringmachinery,constructionmachinery
目录
前言 1
1研究该行星齿轮减速器的目的、意义 1
2国内外行星齿轮减速器发展概况 1
1行星齿轮传动概论 3
1.1行星齿轮传动的定义 3
1.2主要的工作内容 3
2行星轮减速器方案确定 5
2.1轮系的确定 5
2.2周转轮系的选择 5
2.3行星轮减速器方案确定 7
3减速器结构设计及传动尺寸设计计算 8
3.1运动简图 8
3.2工作条件及要求 8
3.3电动机的选择 8
3.4联轴器的选择与校核 9
3.5配齿数 9
3.6转速比计算 9
3.7初步计算齿轮的主要参数 10
3.7.1高速级部分齿轮的计算 10
3.7.2低速级部分齿轮的计算 14
3.8齿轮传动强度的校核 18
3.8.1高速级齿轮疲劳强度校核 18
3.8.2低速级齿轮疲劳强度校核 23
4主要构件的结构设计与计算 29
4.1行星轮传动的受力分析 30
4.1.1高速轴 30
4.1.2低速轴 30
4.2轴的计算 31
4.2.1输出轴 31
4.2.2输入轴(矩形花键联结) 32
4.2.3行星轴 33
4.3滚动轴承的寿命校核 36
4.3.1.高速级行星轴上滚动轴承的寿命校核 36
4.3.2.低速级行星轴上滚动轴承的寿命校核 36
4.4浮动用齿式联轴器的设计与计算 36
4.5行星架设计 38
4.5.1高速级行星架的设计与计算 38
4.5.2低速级行星架的设计与计算 38
4.6减速器箱体设计 39
结论 41
致谢 42
参考文献 43
附录A 44
附录B 56
山东交通学院毕业设计
前言
1研究该行星齿轮减速器的目的、意义
减速器作为独立的驱动元部件,齿轮减速器在各行各业中十分广泛地使用着,是一种不可缺少的机械传动装置。
当前减速器普遍存在着体积大、重量大,或者传动比大而机械效率过低的问题。
因此,除了不断改进材料品质、提高工艺水平外,还在传动原理和传动结构上深入探讨和创新,平动齿轮传动原理的出现就是一例。
当今,世界减速器技术有了很大的发展,总的发展趋势是六高、两低、两化。
六高,即高承载能力、高齿面硬度、高精度、高速度、高可靠性和高传动效率;两低,即低噪声、低成本;两化,即标准化、多样化(模块化)。
由于应用范围极广,其产品必须按系列化进行设计,以便于制造和满足不同行业的选用要求。
针对其输人功率和传动比的不同组合,可获得相应的减速器系列。
国内的减速器多以齿轮传动、蜗杆传动为主,但普遍存在着功率与重量比小,或者传动比大而机械效率过低的问题。
另外,材料品质和工艺水平上还有许多弱点,特别是大型的减速器问题更突出,使用寿命不长。
行星齿轮传动与普通定轴齿轮传动相比较,具有质量小、体积小、传动比大、承载能力大以及传动平稳和传动效率高等优点,这些已被我国越来越多的机械工程技术人员所了解和重视。
由于在各种类型的行星齿轮传动中均有效的利用了功率分流性和输入、输出的同轴性以及合理地采用了内啮合,才使得其具有了上述的许多独特的优点。
行星齿轮传动不仅适用于高速、大功率而且可用于低速、大转矩的机械传动装置上。
它可以用作减速、增速和变速传动,运动的合成和分解,以及其特殊的应用中;这些功用对于现代机械传动发展有着重要意义。
因此,行星齿轮传动在起重运输、工程机械、冶金矿山、石油化工、建筑机械、轻工纺织、医疗器械、仪器仪表、汽车、船舶、兵器、和航空航天等工业部门均获得了广泛的应用。
2国内外行星齿轮减速器发展概况
在国外,行星齿轮减速器应用极为普遍,在德国、日本、捷克、英国、法国、奥地利、前苏联等国家均有系列产品,并以大量生产。
其行星齿轮减速器的承载能力不断的提高,以德国DEMAG的一种行星减速器为例,承载能力已高达54600KW,对应的输出轴最大转矩约为2400KN.m,最大传动比已达5000。
1)国外在高速大功率传动方面,尤其是在动力、船舶的报告机械设备上行星传动已普遍应用,主要有:
英国艾伦(Allen)齿轮公司为帕森(C.A.Parsons)公司制造了一台压缩机用行星减速器,功率相当于25740KW;瑞士马格(MAAG)公司已生产了船用行星减速器,功率相当于11030KW;日本三菱造船公司生产了功率相当于8830KW的船用行星减速器。
2)低速重载方面,国外行星减速器生产已由系列产品发展到接受各种特种、特殊用途订货的大型减速器,重量有的达100t左右,如法国雪铁龙(Citroen)公司,据资料介绍可生产用于水泥磨、榨糖机、矿山设备的行星减速器,重量可达50-125t;德国法伦达(Flender)公司,曾为我国徐州淮海水泥厂水泥磨配套生产了重量达72t,输出转矩为2800KN.m的两级行星减速器;日本宇都兴产公司生产了一台3200KW,i=720/480,输出转矩T=2100KN.m的行星减速器。
国内近年来,在行星减速器方面有了很大的发展与提高。
主要在矿山机械、起重运输、轻工化工、船舶工业、工程机械、鼓风机、风力发电等设备上。
1975年,我国制订了NGW型行星减速器系列(JB1799-1976),分一、二、三级三个系列。
输入最高转速不超过1500r/min,质量0.128-1.75t,传动比i=2000,最大输出转矩为50KN.m。
目前,国内不少厂家在生产,同时非标准大功率行星齿轮减速器也不断涌现。
我国于1984年又颁布了NGW-S(由弧齿锥齿轮与行星齿轮组合的垂直传动)、NGW-Z(由圆柱齿轮与行星齿轮组合的平行轴传动)、NGW-L(立式行星齿轮)三十派生系列的标准。
我国现有齿轮制造企业600多家,减速器制造企业约400家,年生产通用减速器超过25万台,生产齿轮(汽车齿轮)和减速器总产值超过500亿元,为发展我国的机械产品做出了重要贡献。
1行星齿轮传动概论
1.1行星齿轮传动的定义
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,如图所示。
在上诉齿轮传动中,齿轮a、b和构件x绕几何轴线OO转动,而齿轮c是活套在构件x的轴Oc上,它一方面绕自身的几何轴线Oc旋转(自转),同时又随着几何轴线Oc绕固定的几何轴线OO旋转(公转),即齿轮c作行星运动;因此,称该齿轮传动为行星齿轮传动,即行星轮系。
图1.1行星轮系
Fig.1.1Epicyclicgeartrains
分类:
照传动类型可分为齿轮减速机、蜗杆减速机和行星齿轮减速机;按照传动级数不同可分为单级和多级减速机;按照齿轮形状可分为圆柱齿轮减速机、圆锥齿轮减速机和圆锥-圆柱齿轮减速机;按照传动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式减速机。
以下是常用的减速机分类:
1、摆线减速机2、硬齿面圆柱齿轮减速器3、行星齿轮减速机4、软齿面减速机5、三环减速机6、起重机减速机7、蜗杆减速机8、轴装式硬齿面减速机9、无级变速机组成:
速器主要由传动零件(齿轮或蜗杆)、轴、轴承、箱体及其附件所组成。
其基本结构有三大部分:
1)齿轮、轴及轴承组合;2)箱体;3)减速器附件。
1.2主要的工作内容
(1)计算说明部分:
分析行星齿轮机构传动方案,确定行星齿轮减速器的传动原理图。
并通过计算分析,确定行星轮系齿轮的齿数、模数和轴、行星架的各项参数,校核齿轮的接触和弯曲强度;完成内外啮合齿轮、轴、行星架的设计计算及相关几何尺寸。
最后完成传动比在12左右的二级行星齿轮减速器的设计。
(2)图纸部分:
二级行星齿轮减速器装配图一张,零件图三张。
2行星轮减速器方案确定
2.1轮系的确定
根据行星轮系可分为:
定轴轮系、周转轮系、混合轮系、封闭行星轮系,因为混合轮系可以获得更大范围的传动比,实现多路传递、得到多速,本设计通过两级周转轮系串联形成混合轮系。
2.2周转轮系的选择
周转轮系的类型很多,按其基本构件代号可分为2Z-X、3Z和Z-X-F三大类(其中Z—中心轮)。
其他各种复杂的周转轮系,大抵可以看成这三类轮系的联合货组合机构。
按传动机构中齿轮的啮合方式、又可分为许多传动形式,如NGW型、NW型、NN型、WW型、ZUWGW型、NGWN型、N型等(其中N—内啮合,W—外啮合,G—公用齿轮,ZU—锥齿轮)。
其传动类型与传动特点如表2.1所示。
表2.1行星齿轮传动的类型与传动特点
Tab.2.1Planetarygeartransmissiontypesandtransmissioncharacteristics
传动类型
机构简图
传动特性
应用特点
类
组
性
传动比范围
传动比推荐值
传递功率KW
2Z-X
负
号
机
构
NGW
1.13~13.7
=2.7~9
不限
广泛地用于动力及辅助传动中,工作制度不限,可作为减速、增速和差速装置。
轴向尺寸小,便于串联多级传动,工艺性好
NW
1~50
=5~25
不限
>7时,径向尺寸比NGW型小,可推荐采用工作制度不限
NN
1700
一个行星轮时=30~100三个行星轮时<30
40
可用于短时、间断性工作制动力传动转臂X为从动时,当,大于某值后,机构自锁
3Z
负
号
机
构
NGWN
500
=20~100
100
结构很紧凑,适用于中小、功率的短时工作制传动工艺性差
当a轮从动时,达到某值后机构会自锁,即0
2.3行星轮减速器方案确定
NGW行星轮系由内外啮合和公用行星轮组成。
结构简单、轴向尺寸小、工艺性好、效率高;然而传动比较小。
但NGW性能多级串联成传动比打的轮系,这样便克服了淡季传动比较小的缺点。
所以NGW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,并根据所给的条件总的传动比为12,输出功率为40KW左右,且要求两级减速。
综合以上情况所以选定NGW型行星轮减速器,高低速级可通过双齿式联轴器联结。
3减速器结构设计及传动尺寸设计计算
3.1运动简图
图3.1机构简图设计
Fig.3.1Actuatinglimbsdesign
3.2工作条件及要求
该装要求传输功率为40KW左右,总传动比为12左右,单向传送,有轻微冲击,三班制工作(每天工作24小时),使用期限5年(每年按300天计算)。
3.3电动机的选择
根据工作功率与工作条件查机械设计手册可选三相异步电动机,Y200L-4,容量为45KW,主要参数如下表3.1所示。
表3.1电机主要参数
Tab.3.1Motorsmainparameters
型号
额定功率/KW
转数(r/min)
定子电流/A
效率%
功率因数
重量Kg
Y200L-4
45KW
1475
85.5
91
0.87
310
3.4联轴器的选择与校核
本设计电动机与减速器间的联轴器选用弹性注销联轴器,由电机型号Y200L-4查得电机输出轴直径为60mm,伸出长为140mm,由于联轴器两端孔径有一定的范围,查机械设计手册可选用HL4型弹性注销联轴器,其许用公称转矩为1250N.m,许用转速为4000r/min。
联轴器的校核
输入转矩T=9.55××==291.36×N.㎜
由《机械设计》表14-1得=1.5由公式=T得公称转矩
=1.5×291.36×N.㎜=437.04N.㎜<1250N.㎜
故满足要求。
3.5配齿数
1)高速级
按非变为传动要求选配齿数,查【2】表3-2可选配成实际传动比
2)低速级
查【2】表3-2可选配成
实际传动比
总传动比故满足传动比条件。
3.6转速比计算
转臂转速r/min
行星轮的相对转速
r/min
同理可算得r/minr/min
3.7初步计算齿轮的主要参数
齿轮材料和热处理的选择
太阳轮、和行星轮、均采用20优质低碳合金钢,渗碳淬火,齿面硬度58-62HRC,据【2】图6-14和图5-29,取和,太阳轮、和行星轮、的加工精度6级,内齿轮、均采用42,调质硬度283-323HBS,据【2】图6-13和6-28,取和,内齿轮、的加工精度7级,详见如表3.2所示。
表3.2齿轮材料及性能
Tab.3.2Gearmaterialandperformance
齿轮
材料
热处理
бHlim
(N/mm)
бFlim
(N/mm)
加工精度
太阳轮
渗碳淬火
58-62HRC
1500
420
6级
行星轮
内齿轮
42
调质283-323HBS
780
300
7级
3.7.1高速级部分齿轮的计算
1初步计算齿轮主要参数
(1)按齿面接触强度初算太阳轮的分度圆直径
用【2】式(6-6)进行计算,式中系数、、、如表3.3所示。
表3.3接触强度有关系数
Tab.3.3Contactstrengthrelevantcoefficients
代号
名称
说明
取值
K
使用系数
查书【2】表6-7,轻微冲击
1.5
行星轮间载荷分配
不均系数
查书【2】表7-1行星架浮动,
6级精度
1.20
综合系数
n=3,高精度,硬齿面
2.4
齿宽系数
查书【2】表6-6
0.6
电机效率,电机与输出轴键弹性柱销联轴器之间的效率为
则输入功率:
Kw
太阳轮的传递扭矩为:
N.m
直齿轮算式系数,则太阳轮分度圆直径
(2)按弯曲强度初算模数m
用【2】式6-50进行计算,式中系数如表3.4所示。
表3.4接触强度有关系数
Tab.3.4Contactstrengthrelevantcoefficients
代号
名称
说明
取值
算式系数
直齿轮
12.1
行星轮间载荷
分配系数
1.3
综合系数
查【2】表6-5高精度
2.2
齿形系数
查书【2】图6-222
2.53
2.81
因为取和中的较小值
=则=378.15N/mm
则齿轮模数:
㎜
取模数m=3mm
则㎜>㎜,故取㎜㎜
因㎜,㎜,显然,满足非变位同心条件,故取啮合中心距㎜。
(3)几何尺寸计算
按【2】表4-2标准圆柱齿轮传动的几何尺寸计算公式进行其几何尺寸计算,各齿轮副的几何尺寸结果列于表3.5所示。
表3.5高速级齿轮基本几何尺寸单位:
mm
Tab.3.5Highgradegearbasicgeometrysize
序号
名称
a-c齿轮副
b-c齿轮副
1
模数m
3
2
压力角
3
分度圆直径d
4
齿顶高
外啮合
内啮合
5
齿根高
3.75
6
全齿高h
6.75
7
齿顶圆直径
8
齿根圆直径
9
基圆直径
10
中心距a
76.5
76.5
11
齿顶圆压力角
12
重合度
端面重合度
1.61
1.77
纵向重合度
0
0
总重合度
1.61
1.77
2、装配条件的验算
对于所设计的上述行星齿轮传动应满足如下的装配条件:
1)邻接条件由公式得
(单位:
㎜)满足条件
2)同心条件由知满足同心条件
3)安装条件(整数)故满足条件
3啮合效率计算
由【2】表5-1中公式
(1)进行计算,即为了方便计算,这里仅考虑齿轮副的啮合磨损,已知取
其啮合损失系数由公式
得
所以
所以高速级得传动效率为
3.7.2低速级部分齿轮的计算
1、初步计算齿轮主要参数
(1)按齿面接触强度初算太阳轮的分度圆直径
用【2】式(6-6)进行计算,式中系数、、、如表3.6所示。
表3.6接触强度有关系数
Tab.3.6Contactstrengthrelevantcoefficients
代号
名称
说明
取值
K
使用系数
查书【2】表6-7,轻微冲击
1.5
算式系数
直齿轮
768
行星轮间载荷分配
不均系数
查书【2】表7-1太阳轮浮动,
6级精度
1.05
综合系数
n=3,高精度,硬齿面
2.2
齿宽系数
查书【2】表6-6
0.6
高速级行星架输出便是低速级太阳轮输入,由高速级算得
转臂转速r/min
则转臂输出功率
Kw
取齿式联轴器的效率为则
低速级输入功率Kw
太阳轮传递扭矩N.m
又则太阳轮分度圆直径
(2)按弯曲强度初算模数m
用【2】式6-50进行计算,式中系数如表3.7所示。
表3.7接触强度有关系数
Tab.3.7Contactstrengthrelevantcoefficients
代号
名称
说明
取值
算式系数
直齿轮
12.1
行星轮间载荷
分配系数
1.075
综合系数
查【2】表6-5高精度
2.2
齿形系数
查书【2】图6-222
2.70
2.71
因为取和中的较小值
=则=418.45N/mm
则齿轮模数:
㎜
取模数m=4mm则
㎜>㎜
故取㎜㎜
因㎜,㎜,显然,满足非变位同心条件,故取啮合中心距㎜
(3)几何尺寸计算
按【2】表4-2标准圆柱齿轮传动的几何尺寸计算公式进行其几何尺寸计算,各齿轮副的几何尺寸结果列于表3.8所示。
表3.8低速级齿轮基本几何尺寸单位:
mm
Tab.3.8Lowgradegearbasicgeometrysize
序号
名称
a-c齿轮副
b-c齿轮副
1
模数m
4
2
压力角
3
分度圆直径d
4
齿顶高
外啮合
内啮合
5
齿根高
5.0
6
全齿高h
9
7
齿顶圆直径
8
齿根圆直径
9
基圆直径
10
中心距a
90
90
11
齿顶圆压力角
12
重合度
端面重合度
1.668
1.869
纵向重合度
0
0
总重合度
1.668
1.869
2装配条件的验算
对于所设计的上述行星齿轮传动应满足如下的装配条件:
1)邻接条件由公式得
(单位:
㎜)满足条件
2)同心条件由知满足同心条件
3)安装条件(整
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