自动洗衣机行星减速器设计.doc
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自动洗衣机行星减速器设计
摘要
本文完成了自动洗衣机行星减速器的结构设计。
该减速器具有较小的传动比，而且，它具有结构紧凑、传动效率高、外廓尺寸小和重量轻、承载能力大、运动平稳、抗冲击和震动的能力较强、噪声低的特点，适用于化工、轻工业以及机器人等领域。
这些功用对于现代机械传动的发展有着较重要的意义。
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机构主要构件包括太阳轮、行星轮、内齿圈及行星架的设计计算，通过所给的输入功率、传动比、输入转速以及工况系数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主要零部件的强度校核计算。
关键词：
行星齿轮，传动机构，结构设计，校核计算
Designofplanetaryreducerforautomaticwashingmachine
ABSTRACT
Thiscompletedasingle-stageplanetarygearreducerdesign.Thegearhasasmallertransmissionratio,andithasacompact,hightransmissionefficiency,outline,smallsizeandlightweight,carryingcapacity,smoothmotion,shockandvibrationresistantandlownoisecharacteristics,Usedinchemical,lightindustryandroboticsfields.Thefunctionofthedevelopmentofmodernmechanicaltransmissionhasamoreimportantsignificance.
Firstpaperintroducesthebackgroundandthesubjectofgearreducersituationanddevelopmenttrend,andthencomparedvarioustransmissionstructures,whichdeterminethebasictypeoftransmission.Thesisisthemainpartofthemaincomponentsofdrivemechanismincludingthesunwheel,planetgear,ringgearandplanetcarrierinthedesigncalculation,givenbytheinputpower,gearratio,inputspeedandtheconditionfactortodeterminetheapproximatestructureafterthegearreducerAndtocarryoutthedesignandcalculationoftheoverallstructureandmaincomponentsofthestrengthcheckcalculation.
KEYWORDS:
planetarygear，drivingmachanism，structuraldesign，checkingcalculation
5
目 录
前 言 1
第1章传动方案的确定 6
1.1设计任务 6
1.1.1齿轮传动的特点 6
1.1.2齿轮传动的两大类型 7
1.2行星机构的类型选择 7
1.2.1行星机构的类型及特点 7
1.2.2确定行星齿轮传动类型 10
第2章齿轮的设计计算 12
2.1配齿计算 12
2.1.1确定各齿轮的齿数 12
2.1.2初算中心距和模数 13
2.2几何尺寸计算 15
2.3装配条件验算 17
2.3.1邻接条件 17
2.3.2同心条件 18
2.3.2安装条件 18
2.4齿轮强度校核 19
2.4.1a-c传动强度校核 19
2.4.1c-b传动强度校核 24
第3章轴的设计计算 29
3.1行星轴设计 29
3.2转轴的设计 31
3.2.1输入轴设计 31
3.2.2输出轴设计 32
第4章行星架和箱体的设计 35
4.1行星架的设计 35
4.1.1行星架结构方案 35
4.1.2行星架制造精度 37
4.2箱体的设计 39
结 论 42
致谢 43
参考文献 44
前 言
本课题通过对行星齿轮减速器的结构设计，初步计算出各零件的设计尺寸和装配尺寸，并对涉及结果进行参数化分析，为行星齿轮减速器产品的开发和性能评价实现行星齿轮减速器规模化生产提供了参考和理论依据。
通过本设计，要能弄懂该减速器的传动原理，达到对所学知识的复习与巩固，从而在以后的工作中能解决类似的问题。
1.齿轮减速器的研究现状
齿轮是使用量大面广的传动元件。
目前世器上齿轮最大传递功率已达6500kW，最大线速度达210m／s（在实验室中达300m/s）；齿轮最大重量达200t，最大直径达（组合式），最大模数m达50mm。
我国自行设计的高速齿轮（增）减速器的功率已达44000kW，齿轮圆周速度达150m／s以上。
由齿轮、轴、轴承及箱体组成的齿轮减速器，用于原动机和工作机或执行机构之间，起匹配转速和传递转矩的作用，在现代机械中应用极为广泛。
20世纪末的20多年，世界齿轮技术有了很大的发展。
产品发展的总趋势是小型化、高速化、低噪声、高可靠度。
技术发展中最引人注目的是硬齿面技术、功率分支技术和模块化设计技术。
硬齿面技术到20世纪80年代时在国外日趋成熟。
采用优质合金钢锻件渗碳淬火磨齿的硬齿面齿轮，精度不低于IS01328一1975的6级，综合承载能力为中硬齿面调质齿轮的4倍，为软齿而齿轮的5一6倍。
一个中等规格的硬齿面齿轮减速器的重量仅为软齿面齿轮减速器的1/3左右。
功率分支技术主要指行星及大功率齿轮箱的功率双分及多分支装置，如中心传动的水泥磨主减速器，其核心技术是均载。
模块化设计技术对通用和标准减速器旨在追求高性能和满足用户多样化大覆盖面需求的同时，尽可能减少零部件及毛坯的品种规格，以便于组织生产，使零部件生产形成批量，降低成本，取得规模效益。
其他技术的发展还表现在理论研究（如强度计算、修形技术、现代设计方法的应用，新齿形、新结构的应用等）更完善、更接近实际；普遍采用各种优质合金钢锻件；材料和热处理质量控制水平的提高；结构设计更合理；加工精度普遍提高到ISO的4一6级；轴承质量和寿命的提高；润滑油质量的提高；加工装备和检测手段的提高等方面。
这些技术的应用和日趋成熟，使齿轮产品的性能价格比大大提.高，产品越来越完美。
如非常粗略地估计一下，输出IOONm转矩的齿轮装置，如果在1950年时重10kg，到80年代就可做到仅约lkg。
20世纪70年代至90年代初，我国的高速齿轮技术经历了测绘仿制、技术引进（技术攻关）到独立设计制造3个阶段。
现在我国的设计制造能力基本上可满足国内生产需要，设计制造的最高参数:
最大功率44MW,最高线速度168m/s，最高转速67000r/min。
我国的低速重载齿轮技术，特别是硬齿面齿轮技术也经历了测绘仿制等阶段，从无到有逐步发展起来。
除了摸索掌握制造技术外，在20世纪80年代末至90年代初推广硬齿面技术过程中，我们还作了解决“断轴”、“选用”等一系列有意义的工作。
在20世纪70-80年代一直认为是国内重载齿轮两大难题的“水泥磨减速器”和“轧钢机械减速器”，可以说已完全解决。
20世纪80年代至90年代初，我国相继制订了一批减速器标准，如ZBJ19004一88《圆柱齿轮减速器》、ZBJ19026一90《运输机械用减速器》和YB/T050一93《冶金设备用YNK齿轮减速器》等几个硬齿面减速器标准，我国有自己知识产权的标准，如YB/T079-95《三环减速器》。
按这些标准生产的许多产品的主要技术指标均可达到或接近国外同类产品的水平，其中YNK减速器较完整地吸取了德国FLENDER公司同类产品的特点，并结合国情作了许多改进与创新。
（1）渐开线行星齿轮效率的研究
行星齿轮传动的效率作为评价器传动性能优劣的重要指标之一，国内外有许多学者对此进行了系统的研究。
现在，计算行星齿轮传动效率的方法很多，国内外学者提出了许多有关行星齿轮传动效率的计算方法，在设计计算中，较常用的计算方有3种：
啮合功率法、力偏移法、和传动比法（克莱依涅斯法），其中以啮合功率法的用途最为广泛，此方法用来计算普通的2K2H和3K型行星齿轮的效率十分方便。
（2）渐开线行星齿轮均载分析的研究现状
行星齿轮传动具有结构紧凑、质量小、体积小、承载能力大等优点。
这些都是由于在其结构上采用了多个行星轮的传动方式，充分利用了同心轴齿轮之间的空间，使用了多个行星轮来分担载荷，形成功率流，并合理的采用了内啮合传动，从而使其具备了上述的许多优点。
但是，这只是最理想的情况，而在实际应用中，由于加工误差和装配误差的存在，使得在传动过程中各个行星轮上的载荷分配不均匀，造成载荷有集中在一个行星轮上的现象，这样，行星齿轮的优越性就得不到发挥，甚至不如普通的外传动结构。
所以，为了更好的发挥行星齿轮的优越性，均载的问题就成了一个十分重要的课题。
在结构方面，起初人们只努力地提高齿轮的加工精度，从而使得行星齿轮的制造和装配变得比较困难。
后来通过时间采取了对行星齿轮的基本构件径向不加限制的专门措施和其它可自动调位的方法，即采用各种机械式地均载机构，以达到各行星轮间的载荷分布均匀的目的。
典型的几种均载机构有基本构件浮动的均载机构、杠杆联动均载机构和采用弹性件的均载机构。
2.齿轮减速器的发展趋势
随着我国市场经济的推进，“九五”期间，齿轮行业的专业化生产水平有了明显提高，如一汽、二汽等大型企业集团的齿轮变速箱厂、车轿厂，通过企业改组、改制，改为相对独立的专业厂，参与市场竞争；随着军工转民用，农机齿轮企业转加工非农用齿轮产品，调整了企业产品结构；私有企业的堀起，中外合资企业的涌现，齿轮行业的整体结构得到优化，行业实力增强，技术进步加快。
近十几年来，计算机技术、信息技术、自动化技术在机械制造中的广泛应用，改变了制造业的传统观念和生产组织方式。
一些先进的齿轮生产企业已经采用精益生产、敏捷制造、智能制造等先进技术。
形成了高精度、高效率的智能化齿轮生产线和计算机网络化管理。
适应市场要求的新产品开发，关键工艺技术的创新竞争，产品质量竞争以及员工技术素质与创新精神，是2l世纪企业竞争的焦点。
在2l世纪成套机械装备中，齿轮仍然是机械传动的基本部件。
由于计算机技术与数控技术的发展，使得机械加工精度、加工效率太为提高，从而推动了机械传动产品多样化，整机配套的模块化、标准化，以及造型设计艺术化，使产品更加精致、美观。
CNC机床和工艺技术的发展，推动了机械传动结构的飞速发展。
在传动系统设计中的电子控制、液压传动，齿轮、带链的混合传动，将成为变速箱设计中优化传动组合的方向。
在传动设计中的学科交叉，将成为新型传动产品发展的重要趋势。
工业通用变速箱是指为各行业成套装备及生产线配套的大功率和中小功率变速箱。
国内的变速箱将继续淘汰软齿面，向硬齿面（50～60HRC）、高精度（4～5级）、高可靠度软启动、运行监控、运行状态记录、低噪声、高的功率与体积比和高的功率与重量比的方向发展。
中小功率变速箱为适应机电一体化成套装备自动控制、自动调速、多种控制与通讯功能的接口需要，产品的结构与外型在相应改变。
矢量变频代替直流伺服驱动，已成为近年中小功率变速箱产品（如摆轮针轮传动、谐波齿轮传动等）追求的目标。
随着我国航天、航空、机械、电子、能源及核工业等方面的快速发展和工业机器人等在各工业部门的应用，我国在谐波传动技术应用方面已取得显著成绩。
同时，随着国家高新技术及信息产业的发展，对谐波传动技术产品的需求将会更加突出。
总之，当今世界各国减速器及齿轮技术发展总趋势是向六高、二低、二化方面发展。
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；二低即低噪声、低成本；二化即标准化、多样化。
减速器和齿轮的设计与制造技术的发展，在一定程度上标志着一个国家的工业水平，因此，开拓和发展减速器和齿轮技术在我国有广阔的前景。
3.论文的基本内容：
（1）选择传动方案。
传动方案的确定包括传动比的确定和传动类型的确定。
（2）设计计算及校核。
传动结构的设计计算，都大致包括：
选择传动方案、传动零件齿轮的设计计算与校核、轴的设计计算与校核、轴承的选型与寿命计算、键的选择与强度计算、箱体的设计、润滑与密封的选择等。
在对行星齿轮减速器的结构进行深入分析的基础上，依据给定的减速器设计的主要参数，通过CAD绘图软件建立行星齿轮减速器各零件的二维平面图，绘制出减速器的总装图对其进行分析。
第1章传动方案的确定
1.1设计任务
设计一个行星齿轮传动减速器。
原始条件和数据：
传动比i=5.5，功率p=5.5kw，输入转速N=1400rpm，中等冲击。
使用寿命10年。
且要求该齿轮传动结构紧凑、外廓尺寸较小。
1.1.1齿轮传动的特点
齿轮传动与其它传动比较，具有瞬时传动比恒定、工作可靠、寿命长、效率高、可实现平行轴任意两相交轴和交错轴之间的传动，适应的圆周速度和传动功率范围大，但齿轮传动的制造成本高，低精度齿轮传动时噪声和振动较大，不适宜于两轴间距离较大的传动。
齿轮传动是以主动轮的轮齿依次推动从动轮来进行工作的，是是现代机械中应用十分广泛的一种传动形式。
齿轮传动可按一对齿轮轴线的相对位置来划分，也可以按工作条件的不同来划分。
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到20000kW,输出转矩已达到4500kN。
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）标准化、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热处理。
齿轮制造精度一般均在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，如在高速汽轮中已获得日益广泛的应用，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。
1.1.2齿轮传动的两大类型
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。
1.2行星机构的类型选择
1.2.1行星机构的类型及特点
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。
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（即在承受相同的载荷条件下）。
（2）传动效率高。
在传动类型选择恰当、结构布置合理的情况下，其效率值可达0.97~0，99。
（3）传动比较大。
可以实现运动的合成与分解。
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，其传动比可达到几千。
应该指出，行星齿轮传动在其传动比很大时，仍然可保持结构紧凑、质量小、体积小等许多优点。
（4）运动平稳、抗冲击和振动的能力较强。
由于采用了数个结构相同的行星轮，均匀地分布于中心轮的周围，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，故行星齿轮传动的运动平稳，抵抗冲击和振动的能力较强，工作较可靠。
最常见的行星齿轮传动机构是NGW型行星传动机构。
行星齿轮传动的型式可按两种方式划分：
按齿轮啮合方式不同分有NGW、NW、NN、WW、NGWN和N等类型。
按基本结构的组成情况不同有2Z-X、3Z、Z-X-V、Z-X等类型。
行星齿轮传动最显著的特点是：
在传递动力时它可进行功率分流；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，表1-1列出了常用行星齿轮传动的型式及特点：
表1-1常用行星齿轮传动的传动类型及其特点
传动
形式
简图
性能参数
特点
传动比
效率
最大功率/kW
NGW（2Z-X
负号机构）
=1.13~13.7推荐2.8~9
0.97~0.99
不限
效率高，体积小，重量轻，结构简单，制造方便，传递公路范围大，轴向尺寸小，可用于各个工作条件，在机械传动中应用最广。
单级传动比范围较小，耳机和三级传动均广泛应用
NW（2Z-X负号机构）
=1~50推荐7~21
效率高，径向尺寸比NGW型小，传动比范围较NGW型大，可用于各种工作条件。
但双联行星齿轮制造、安装较复杂，故||7时不宜采用
NN（2Z-X负号机构）
推荐值：
=8~30
效率较低，一般为0.7～0.8
40
传动比打，效率较低，适用于短期工作传动。
当行星架X从动时，传动比||大于某一值后，机构将发生自锁
WW（2Z-X负号机构）
=1.2~数千
||=1.2~5时，效率可达0.9~0.7，>5以后.随||增加徒降
20
传动比范围大，但外形尺寸及重量较大，效率很低，制造困难，一般不用与动力传动。
运动精度低也不用于分度机构。
当行星架X从动时，||从某一数值起会发生自锁。
常用作差速器；其传动比取值为=1.8~3，最佳值为2，此时效率可达0.9
NGW（Ⅰ）型（3Z）
小功率传动500；推荐：
=20~100
0.8~0.9随增加而下降
短期工作120，长期工作10
结构紧凑，体积小，传动比范围大，但效率低于NGW型，工艺性差，适用于中小功率功率或短期工作。
若中心轮A输出，当||大于某一数值时会发生自锁
NGWN（Ⅱ）型（3Z）
=60~500推荐：
=64~300
0.7~0.84随增加而下降
短期工作120，长期工作10
结构更紧凑，制造，安装比上列Ⅰ型传动方便。
由于采用单齿圈行星轮，需角度变为才能满足同心条件。
效率较低，宜用于短期工作。
传动自锁情况同上
1.2.2确定行星齿轮传动类型
根据设计要求：
连续运转、传动比小、结构紧凑和外廓尺寸较小。
根据表1-1中传动类型的工作特点可知，2Z-X（A）型效率高，体积小，机构简单，制造方便。
适用于任何工况下的大小功率的传动，且广泛地应用于动力及辅助传动中，工作制度不限。
本设计选用2Z-X（A）型行星传动较合理，其传动简图如图1-1所示。
图1-1减速器设计方案（单级NGW—2Z-X（A）型行星齿轮传动）
拟定的设计方案如下图：
图2-2减速器整体装配图
42
第2章齿轮的设计计算
2.1配齿计算
2.1.1确定各齿轮的齿数
据2Z-X（A）型行星传动的传动比值和按其配齿计算（见参考文献[1]）公式（3-27）~公式（3-33）可求得内齿轮b和行星轮c的齿数和。
现考虑到行星齿轮传动的外廓尺寸较小，故选择中心轮a的齿数=17和行星轮=3.
根据内齿轮
=76.5
对内齿轮齿数进行圆整，同时考虑到安装条件，取，此时实际的p值与给定的p值稍有变化，但是必须控制在其传动比误差的范围内。
实际传动比为
=
其传动比误差
=2.67%
由于外啮合采用角度变位的传动，行星轮c的齿数应按如下公式计算，即
因为为偶数，故取齿数修正量为。
此时，通过角变位后，既不增大该行星传动的径向尺寸，又可以改善a-c啮合齿轮副的传动性能。
故
=
在考虑到安装条件为
（整数）
2.1.2初算中心距和模数
1.齿轮材料、热处理工艺及制造工艺的选定
太阳轮和行星轮材料为20GrMnTi，表面渗碳淬火处理，表面硬度为57~61HRC。
试验齿轮齿面接触疲劳极限=1591Mpa。
试验齿轮齿根弯曲疲劳极限太阳轮=485Mpa。
行星轮=4850.7Mpa=339.5Mpa（对称载荷）。
齿形为渐开线直齿。
最终加工为磨齿，精度为6级。
内齿圈材料为38GrMoAlA，淡化处理，表面硬度为973HV。
试验齿轮的接触疲劳极限=1282Mpa
验齿轮的弯曲疲劳极限=370MPa
齿形的终加工为插齿，精度为7级。
2.减速器的名义输出转速
由=
得==
=181.82
3.载荷不均衡系数
采用太阳轮浮动的均载机构，取。
4.齿轮模数和中心距a
首先计算太阳轮分度圆直径：
式中：
一齿数比为
一使用系数为1.25；
一算式系数为768；
一综合系数为2；
一太阳轮单个齿传递的转矩。
=
=376
其中—高速级行星齿轮传动效率，取=0.985
—齿宽系数暂取=0.5
=1450Mpa
代入
=78.66
模数m=
取m=5
则
=117.5
取
齿宽
取
2.2几何尺寸计算
1.计算变位系数
（1）a-c传动
啮合角
因
=0.
所以=
变位系数和
=（17+30）
=1.141
图2-1选择变位系数线图
中心距变动系数y
y==1
齿顶降低系数
分配边位系数：
根据线图法，通过查找线图2-1
中心距变动系数y
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