周鹏2K-H行星齿轮减速器(传动系统设计).doc
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四川大学锦江学院毕业论文（设计）
毕业论文（设计）
题目2K-H行星齿轮减速器传动系统设计
系部机械系
专业机械设计制造及自动化年级08数控2班
学生姓名周鹏
学号070663001
指导教师牟柳晨
74
2K-H行星齿轮减速器（传动系统设计）
【摘要】行星齿轮变速器，是用行星齿轮机构实现变速的装置。
它通常装在液力变扭器的后面，共同组成液力自动变速器。
行星齿轮机构，有点好像太阳系。
它的中央是太阳轮，太阳轮的周围有几个围绕它旋转的行星轮，行星轮之间，有一个共用的行星架。
行星轮的外面，有一个大齿圈。
行星齿轮变速器，属于一种齿轮箱，它是由行星齿圈、太阳轮、行星轮（又称卫星轮）和齿轮轮轴组成，根据齿圈、太阳轮和行星轮的运动关系，可以实现输入轴与输出轴脱离刚性传动关系、输入轴与输出轴同向或反向传动和输。
本文通过对2K-H型变速器的传动结构、传动原理及行星齿轮传动的设计来计算一个2K-H型变速器。
2K-H型具有构件数量少，传动功率和传动比变化范大，设计容易等优点，因此应用最广泛。
论文首先介绍了行星变速器的定义，用途及功能。
并对国内外行星变速器的发展现状和发展前景作了分析。
通过设计和计算，完成对变速器相关结构的零件设计，整体设计，初步确定了行星变速器结构的总体设计。
【关键词】行星齿轮传动行星齿轮传动结构行星齿轮变速器
【Abstract】Planetarygeartransmission，istheuseofplanetarygearmechanismofvariable-speeddevice。
Itisusuallymountedonthebackofthetorqueconverter,consistingofahydraulicautomatictransmission.Planetarygearmechanism,abitlikethesolarsystem.Itisthecenterofthesunwheel,asunwheelaroundseveralofitsplanetswheel,planetwheel,thereisasharedtheplanetcarrier.Planetwheelontheoutside,thereisalargegearring.Planetarygeartransmission,whichbelongstoagearbox,whichiscomposedofaplanetaryringgear,asunwheel,aplanetarywheel（alsoknownassatellitewheelandgearwheelshaft）,accordingtotheringgear,thesunwheelandplanetarywheelmotor,canachievetheinputshaftandtheoutputshaftfromtherigidtransmissionrelations,theinputshaftandtheoutputshaftthesamedirectionorinthereversetransmissionandtransmission.
Thisarticlethroughtothe2K-Htransmission,thetransmissionstructureandtransmissionprincipleofplanetarygeartransmissiondesigntocalculatea2K-Htypespeed2K-H行星.2K-Hhasfewmembers,transmissionpowerandtransmissionratiorange,designiseasy,thereforethemostwidelyused.Thepaperfirstlyintroducesthedefinitionofplanettransmission,useandfunction.Todomesticandinternationalplanetarytransmissiondevelopmentpresentsituationandtheprospectofdevelopmentisanalyzed.Throughthedesignandcalculationoftransmission,associatedstructuralpartsdesign,overalldesign,preliminaryandaffirmatoryplanetarytransmissionstructureoveralldesign.
【Keywords】Planetarygeartransmission，Planetarygeartransmissionstructure，Planetarygeartransmission
12k-h型变速器概述 1
1.1行星齿轮变速器的定义 1
1.2行星齿轮变速器的特点 3
1.32K-H变速器的设计目的和工作原理 9
1.4行星齿轮变速器的设计目的 12
1.52K-H减速器的工作原理 14
22K-H行星齿轮减速器设计概要 18
2.12K-H行星齿轮减速器概述 18
2.22K-K行星齿轮减速器主要参数的确定 18
2.32K-H行星齿轮减速器强度计算 24
2.42K-H行星齿轮减速器结构设计 26
32K-H行星齿轮减速器优化设计 29
3.12K-H行星齿轮减速器优化设计原理 29
3.2优化数学模型 31
3.3配齿计算 35
3.42K-H行星齿轮优化设计程序结构 36
4行星齿轮的传动 37
4.1行星齿轮传动简介 37
4.2行星齿轮传动的特点 39
4.3行星齿轮传动的结构形式 40
52K-H行星齿轮减速器传动设计 42
5.1设计要点 42
5.2行星齿轮减速器传动的传动比计算 44
5.32K-H行星齿轮减速器的传动效率计算 53
5.4行星轮支架上的作用力 55
5.5减速器传动类型选择及折其原因 57
62K-H行星齿轮减速器传动系统的设计 57
6.1传动系统的方案拟定 57
6.2传动比和效率的计算 58
6.3行星齿轮传动的配齿计算 59
6.4行星齿轮传动的几何尺寸和啮合参数计算 61
6.5行星齿轮传动强度计算及校核 63
6.6行星齿轮传动的受力分析 67
6.7行星齿轮传动的均载机构及浮动量 69
6.8轮间载荷分布均匀的措施 69
6.9轮材料及精度等级和齿面接触疲劳强度设计 71
6.10主要尺寸及圆周速度计算 72
7结论 72
参考文献 73
致谢 74
1
通常情况，应用最多的是内齿圈3固定、太阳轮1主动、行星架从动的传动装置。
当太阳轮1从动、行星架H主动时，则为行星增速传动。
而当太阳轮、行星架、内齿圈均不固定时，便可得到行星差动传动。
12k-h型变速器概述
1.1行星齿轮变速器的定义
行星齿轮变速器，是用行星齿轮机构实现变速的变速器。
它通常装在液力变扭器的后面，共同组成液力自动变速器。
行星齿轮机构，就像好像太阳系。
它的中央是太阳轮，太阳轮的周围有几个围绕它旋转的行星轮，行星轮之间，有一个共用的行星架。
行星轮的外面，有一个大齿圈。
1.太阳轮2.行星轮3.内齿圈
图1-12K-H型行星齿轮传动简图
上图为一种广泛应用的2K-H型行齿轮传动简图，从结构上看其由四个构件组成的：
在动轴线上做行星运动的齿轮称是行星轮，用数字2表示，行星轮一般都在2-6个；其它两个齿轮构件的轴线和主轴线重合，称为中心轮，通常用K表示，其中外齿中心轮通常称作太阳轮，如图用数字1表示，内齿轮通常称为内齿圈，如图用数字3表示；支承行星轮的动轴线构件称作行星架，用H表示。
其齿轮三维结构图如图1-2
图1-3、中心轮浮动的单级行星齿轮减速器
图1-22K-H型行星齿轮三维简图
1.2行星齿轮变速器的特点
齿轮轴线可动的传动称为行星齿轮传动。
与普通齿轮减速器相比，行星齿轮减速器的特点是，当传动比和输出轴上的转矩相同时，结构较为紧凑。
常见的行星齿轮减速器为2K-H型，可以正反两向运转，一般情况下的使用条件为：
（1）高速轴最高转速成≤1500r/min
（2）齿轮圆周速度成≤15m/s
（3）工作环境温度为一40℃～45℃
在保证工作转速和输出功率的条件下，确定了所需的减速器传动比及电机（或其他驱动器）的实际输入功率Ps后，可选择减速器。
行星轮（称卫星轮）和齿轮轮轴组成的，根据齿圈、太阳轮和行星轮的运动关系，可以实现输入轴与输出轴脱离刚性传动关系、输入轴与输出轴同向或反向传动和输。
2K-H型具有构件数量少，传动功率和传动比变化范围大，设计容易等优点，因此应用最广泛。
还有以下优点：
体积小、重量轻、结构比较紧凑，只有一般齿轮传动体积、重量地1/2～1/3，承载能力高、传递功率范围及传动比范围大。
由于行星齿轮传动是一种共轴线的传动装置，即具有同轴线传动的特点，在结构上采用了对称的分流传动结构，即用几个完全相同的行星轮均匀的分布在中心轮的周围来共同分担载荷，从而使每个齿轮所受的负荷变小，相应齿轮模数就可以较小，也合理的应用了内啮合，充分利用了内啮合承载能力高和内齿轮的空间容量，从而缩小了径、轴向尺寸，使结构很紧凑，而承载能力又高。
传动效率高，由于行星齿轮传动结构地对称性，即它具有数个匀称分布的行星轮，使得作用于中心轮和转臂轴承中的反作用力能互相平衡，从而有利于达到提高传动效率的作用。
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。
传动比较大，可以实现运动的合成与分解，只要合理选择行星齿轮传动的类型和配齿方案，就可以用少数几个齿轮来获得很大的传动比。
在只作为传递运动的行星齿轮传动中，其传动比可达到几千。
这里指出，行星齿轮传动在其传动比很大的时侯，依然可保持结构紧凑、质量小、体积小等许多优点。
而且，它还可以实现运动的合成与分解以及实现各种变速的复杂运动。
运动平稳、抗冲击和振动的能力比较强，因为采用了多个结构相同的行星轮，均匀地分布在中心轮周围，使行星轮与转臂的性力相互平衡。
同时，也使参与啮合的齿数增多，所以行星齿轮传动的运动平稳，抵抗冲击和振动的能力很强，工作起来比较可靠。
综上所述：
行星齿轮传动具有质量小、体积小、传动比大及效率高等优点。
因此，行星齿轮传动已经广泛的应用于工程机械、矿山机械、冶金机械、起重运输机械、轻工机械、石油化工机械、机床、机器人、汽车、坦克、火炮、飞机、轮船、仪器和仪表等各个方面。
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。
它几乎可以适用到一切功率和转速范围，所以目前行星齿轮传动技术已经成为世界各个国家机械传动发展的很重要的一部分。
表1-1行星齿轮减速器箱和普通定轴减速器箱的比较
比较项目
行星齿轮减速箱
普通定轴减速器箱
重量（N）
34020
68040
高度（m）
1.30
1.80
长度（m）
1.29
1.42
宽度（m）
1.34
2.36
体积（）
2.29
6.08
齿宽（m）
0.18
0.40
损失功率（ps）
110
130
圆周速度（m/S）
42.7
99.4
1.32K-H型变速器的发展和现状
变速器广泛应用于各个行业，特别是在汽车行业应用的最为广泛，对其要求也是很高。
2K-H行星变速器利用行星齿轮传动在国内和国外得到了很大的发展。
在汽车应用上,广泛的采用活塞式内燃发动机。
因为发动机地扭矩变化范围比较较小,不能适应汽车在各种条件下阻力变化地要求,并且在复件下要求汽车的牵引力和车速能在很大的范围内变化,所以在汽车传动系中,采用了可以改变转速比和扭矩的装置,即变速器。
车辆传动系要实现减速增扭,变速（无级或有级）,倒向行驶,中断传动,车轮差速等功能,变速器是其中重要的部件。
本文主要对2K-H变速器中2K-H行星减速器的设计，下面我们来看看2K-H型行星减速器的现状和发展。
2K-H型行星齿轮减速器与普通圆柱齿轮相比，尺寸小重量轻，但是制造精度要求较高，结构较复杂，在要求结构紧凑的动力传动中应用广泛。
减速器行业涉及地产品类别涵盖了各类齿轮减速器、行星齿轮减速器和蜗杆减速器，同样还包括了各种专用的传动装置，如减速装置、调速装置、和包括柔性传动装置在内的各种复合传动装置等。
减速器服务领涵盖了冶金、机械、采煤、建材、船舶、水电、工程机械及石油化工等行业。
重型和通用减速器行业的制造厂家也以不同形式并存，如外资企业、中外合资企业、国有企业、股份制企业和私营企业，规模根据公司的生产能力的大小不同而变化，有的年产值数亿元以上，而有的小到数百万元。
具有良好生活条件、产品质量控制体系健全的企业有100余个，2005年全行业销售额约为200亿元，但据资料显示外资企业的销售额约占四分之一，说明国外在减速器各个方面的发展还是比国内先进些。
查阅史料记载，我国是发明齿轮传动和应用齿轮传动最早的国家，远在西汉时代已经开始制作应用了铸铜齿轮，在东汉时代（约公元78年~~139年）张衡已开始应用比较复杂的齿轮系。
特别是在行星齿轮传动方面，我国在南北朝时期时（公元429~~500年），我国著名的伟大科学家祖冲之发明创造了有行星齿轮的差动式的指南针。
这种由圆锥齿轮构成的差动行星齿轮传动能保证“圆转不穷，而司方如一”，因而，我国行星齿轮传动在应用方面比欧洲各个国家早一千三百多年。
但是从资料上显示的销售业绩上来看，我国在减速器的发展和技术要求等领域还不如国外强。
国内减速器行业的重点骨干企业产品品种、规格和参数覆盖得范围在近几年都在不断的扩展，产品质量达到了甚至有些产品已经超过国外先进工业国家同类产品，完全有能力可承担起为国民经济各行业提供传动装置配套的重任，部分产品还出口至欧美及东南亚地区。
.国内减速器的现状：
国内的减速器大多数都以齿轮传动、蜗杆传动为主，
但是还普遍存在着功率与重量比很小，或者传动比很大但机械效率很低的问
题。
此外，材料品质和工艺水平还存在着很多弱点，特别是大型的减速器问题更突出，使用寿命短。
国内使用的大型减速器（500kw以上），大多都是从国外（如丹麦、德国等）进口，花去不少的外汇。
60年代开始生产的少齿差传动、摆线针轮传动、谐波传动等减速器具有传动比大，体积小、机械效率高等优点。
但是其传动理论有限制，不能传递过大的功率，功率一般都要小于40kw。
由于在传动的理论上、工艺水平和材料品质等方面还没有突破，因此，没有从根本上解决传递功率大、传动比大、体积小、重量轻、机械效率高等这些基本要求。
90年代初期，国内出现的三环（齿轮）减速器，是一种外平动齿轮传动的减
速器，可实现较大的传动比，传递载荷地能力也很大。
它的大小和重量都比定轴齿轮减速器轻，结构很简单，效率且很高。
由于该减速器的三轴平行结构，故使功率/体积（或重量）比值仍小。
并且其输入轴与输出轴并不在同一轴线上，这在使用上有许多不便。
北京理工大学成功研制的"内平动齿轮减速器"不仅具有三环减速器的优点外，还有着很大的功率/重量（或体积）比值，以及输入轴和输出轴在同一轴线上的优点，处于国内领先地位。
国内有少数高等学校和厂矿企业对平动齿轮传动中的某些原理做些研究工作，发表过一些研究论文，在利用摆线齿轮作平动减速器开展了一些工作。
二、平动齿轮减速器工作原理简介,平动齿轮减速器是指一对齿轮传动中，一个齿轮在平动发生器的驱动下作平面平行运动，通过齿廓间的啮合，驱动另一个齿轮作定轴减速转动，实现减速传动的作用。
平动发生器可采用平行四边形机构，或正弦机构或十字滑块机构。
本成果采用平行四边形机构作为平动发生器。
平动发生器可以是虚拟的采用平行四边形机构，也可以是实体
的采用平行四边形机构。
有实用价值的平动齿轮机构为内啮合齿轮机构，因此又可以分为内齿轮作平动运动和外齿轮作平动运动两种情况。
外平动齿轮减速机构，其内齿轮作平动运动，驱动外齿轮并作减速转动输出。
该机构亦称三环（齿轮）减速器。
由于内齿轮作平动，两曲柄中心设置在内齿轮的齿圈外部，故其尺寸不紧凑，不能解决体积很大的问题。
内平动齿轮减速器，它的外齿轮作平动运动，驱动内齿轮作减速转动的输出。
因为外齿轮做的平动，两曲柄中心能设置在外齿轮的齿圈内部，很大程度的减少了机构整体尺寸。
由于内平动齿轮机构传动效率高、体积小、输入输出同轴线，故由有着广泛的应用前景。
国外减速器现状：
齿轮减速器在各行各业中十分广泛的应用着，是一种不可以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，或传动比大而机械效率很低的问题。
国外的减速器，其中以德国、丹麦和日本的处于世界领先地位，特别是在材料和制造工艺方面占据很大的优势，减速器工作可靠性好，使用寿命长。
但其传动的形式仍然以定轴齿轮传动为主，体积和重量过大的问题，也未解决好。
据资料显示，日本住友重工研制
的FA型高精度减速器，美国Alan-Newton公司研制的X-Y式减速器，其性能和效率都达到了很高的技术要求，都为目前先进的齿轮减速器。
目前减速器发展方向都向着大功率、大传动比、小体积、低重量、高机械效率和使用寿命长的方向发展。
所以，除了不断改进材料品质、提高工艺水平外，还应在传动原理和传动结构上深入探讨、研究、和创新，平动齿轮传动原理的出现就是一例。
减速器与电动机的连体结构，也是大力开拓的形式，并已生产多种结构形式和多种功率型号的产品。
目前，超小型的减速器的研究成果并不是很明显。
但在医疗器械、生物工程、机器人等领域中，微型发动机已基本研制成功，据有关报道，美国和荷兰近期研制的分子发动机的尺寸在纳米级范围以内，但其只是发动机，如果能成功研制纳米级的减速器做辅助，那其发展前景肯定很大。
减速器的制造方面，国内现在生产厂家的数目众多，如对各种类型的圆柱齿轮和圆锥——圆柱齿轮或者齿轮——蜗杆减速器系列产品，国内主要得生产制造厂家有南京高精齿轮股份有限公司、宁波东力传动设备有限公司、河北桥星减速机制造有限公司、、江苏泰星减速器有限公司、江苏金象减速机有限公司、山西平遥减速机厂等。
对象蜗杆减速器，目前国内主要生产圆弧圆柱蜗杆减速器、锥面包络圆柱蜗杆减速器、平面二次包络环面蜗杆减速器等多种类型，主要生产厂家有江苏金象减速机有限公司、首钢机械制造公司、杭州减机厂、杭州万杰减速剂有限公司、上海玉隆减速机有限公司、天津万新减速机厂、上海浦江减速机有限公司等，对各种通用行星齿轮减速器、包括标准的NGW系列行星齿轮减速器，也包括各类回转行星减速器及封闭式行星齿轮检录其等，主要生产厂家有荆州巨鲸动机械有限公司、泰兴减速机总厂有限公司、洛阳中重齿轮箱有限公司、西安重型机械研究所、石家庄科一重工有限公司、内蒙兴华机械厂等。
本文主要研究的是行星齿轮减速器的传动，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2000KW，输出转矩已达到4500KNm。
从有关资料上分析显示，行星齿轮传动的发展方向会朝着几个方向发展：
1）标准化、多品种。
目前世界上已经有50多个渐开线行星齿轮传动系列的设计；并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产品。
2）硬齿面、高精度。
行星齿轮传动机构在高速传动过程中，高精度不不仅对工程完成效率又提高，且能增加齿轮的寿命。
如在高速汽轮应用中已经得到广泛的认可，其传动功率也变得越来越大。
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。
行星齿轮中低速、重载的传动中，传递大转矩的大规格的行星齿轮传动已经有了较大的发展。
1.32K-H变速器的设计目的和工作原理
行星齿轮变速器是由行星齿轮和换挡执行机构（离合器、制动器和单向离合器）等组成。
不同车型的自动变速器及其齿轮变速器各部分的结构类型、布置形式、数量往往是不同的，但是其基本原理是相同的。
图2-1自动变速器结构简图
如图2-2所示行星齿轮结构由太阳轮、行星轮、行星架及齿圈组成。
图2-2行星齿轮的组成
1-行星架2-齿圈3-太阳轮4-行星轮
根据力的平衡原理和能量守恒定律，可推导行星齿轮的运动方程：
n1+an2-（1+a）n3=0
式中：
n1、n2、n3分别为太阳轮、齿圈、行星架的转速；
a为齿圈与太阳轮的齿数比（Z2/Z4）。
从上诉运动方程中可以看出，将太阳轮、齿圈和行星架这三个构件中的某一个构件固定及使其转速为0，另一个连接输入轴，还有一个连接输出轴，可获得6种不同的传动方式，加上任意两构件连锁（直接传动）和任何构件都不加限制（自由空转），单排行星齿轮就有8种传动方案可以选择。
1.前进挡减速传动
当齿圈制动，太阳轮输入，行星架输出。
由于n2=0，这时输入输出的传动比为：
i3-3=n1/n3=1+a=1+Z2/Z1
这是一种传动比大于2的减速传动。
（2）当太阳轮制动，齿圈输入，行星架输出。
由于n3=0，这时的输入输出传动比为：
i2-3=n2/n3=1+1/a=1+Z1/Z2
这是一种传动比大于1但小于2的减速传动。
2.前进挡超速传动
（1）当齿圈制动，行星架输入，太阳轮输出。
由于n2=0，这时的输入输出传动比为：
i3-1=n3/n1=1/（1+a）=Z1/（Z1+Z2）
这是一种传动比小于0.5的超速传动。
（2）太阳轮制动，行星架输入，齿圈输出。
由于n1=0，这时的输入输出传动比为：
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