行星齿轮减速器传动机构优化设计Word格式.docx

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齿轮传动有如特点：

1）效率高在常用的机械传动中，以齿轮传动的效率为最高。

如一级齿轮传动的效率可达99％。

这对大功率传动十分重要，因为即使效率只提高一点，也有很大的经济意义。

2）结构紧凑在同样的使用条件下，齿轮传动所需的空间尺寸一般较小。

3）工作可靠，寿命长设计制造正确合理，使用维护良好的齿轮传动，工作十分可靠，寿命可长达一二十年，这也是其他机械传动所不能比拟的。

这对车辆及在矿井内工作的机器尤为重要。

4）传动比稳定传动比稳定往往是对传动性能的基本要求。

齿轮传动获得广泛的应用，也就是由于具有这一特点。

但是齿轮传动的制造及安装经度要求高，价格较贵，且不宜用于传动距离较大的场合。

齿轮的传动可做成开式，半开式及闭式。

如在农业机械，建筑机械以及简易的机械设备中，有一些齿轮传动没有防尘罩或机壳，齿轮完全暴露在外面，这叫做开式齿轮传动。

这种传动不仅外界杂物极易侵入，而且润滑不良，因此工作条件不好，轮齿也容易磨损，故只宜用于低速传动。

当齿轮传动装有简单的防护罩，有时还把大齿轮部分侵入油池中，则称为半开式齿轮传动。

他的工作条件虽有改善，但仍不能做到严密防止外界杂物入侵，润滑条件也不算最好。

而汽车，机床，航空发动机等所用的齿轮传动，都是装载经过精确加工而且封锁严密的箱体内，这称为闭式齿轮传动。

它与开式齿轮相比，润滑和防护等条件最好，多用于重要的场合。

1．2行星齿轮的发展及特点

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。

世界上一些工业发达国家，如日本，德国，美国和俄罗斯等，对行星齿轮传动的应用，生产和研究都十分重视，在结构优化，传动性能，传递功率，转矩和速度等方面均处于领先地位；

并出现了一些新型的行星传动技术，如封闭齿轮传动，行星齿轮变速传动和微型行星齿轮传动等早已在现代化的机械传动设备中获得了成功的应用。

一、行星齿轮减速器的发展前景：

世界上一些工业发达国家，如日本、德国、英国、美国和俄罗斯等，对行星齿轮传动的应用，生产和研究都十分重视，在结构优化、传动性能，传动功率、转矩和速度等方面均处于领先地位，并出现一些新型的行星传动技术，如封闭行星齿轮传动、行星齿轮变速传动和微型行星齿轮传动等早已在现代化的机械传动设备中获得了成功的应用。

行星齿轮传动在我国已有了许多年的发展史，很早就有了应用。

然而，自20世纪60年代以来，我国才开始对行星齿轮传动进行了较深入、系统的研究和试制工作。

无论是在设计理论方面，还是在试制和应用实践方面，均取得了较大的成就，并获得了许多的研究成果。

近20多年来，尤其是我国改革开放以来，随着我国科学技术水平的进步和发展，我国已从世界上许多工业发达国家引进了大量先进的机械设备和技术，经过我国机械科技人员不断积极的吸收和消化，与时俱进，开拓创新地努力奋进，使我国的行星传动技术有了迅速的发展。

二、行星齿轮的特点：

轮传动结构的对称性，即它具有数个均称分布的行星轮，使得作用于中心轮和转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：

在传递动力时它可以进行功率分流；

同时，其输入轴与输出轴具有同轴性，即输出轴与输入轴均设置在同一主轴线上。

所以，行星齿轮传动已被人们用来代替普通齿轮传动，而作为各种机械传动中的减速器，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差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。

行星齿轮的主要特点如下。

1）体积小，质量小，结构紧凑，承载能力大。

由于行星齿轮传动具有功率分流和各中心轮构成拱轴线式的传动以及合理的应用内啮合齿轮副，因此可使其结构非常紧凑。

再由于在中心轮的周围均匀的分布着数个行星轮来共同分担载荷，从而使得每个齿轮所承受的负荷较小，并允许这些齿轮采用较小的模数。

此外，在结构上充分利用了内啮合承载能力大和内齿圈本身的可溶体积，从而有利于缩小其外扩尺寸，使其体积小，质量小，结构非常紧凑，且承载能力大。

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和1/5（即在承受相同的载荷条件下）。

2）传动效率高由于行星齿臂轴承中的反作用力能相互平衡，从而有利于达到提高传动效率的作用。

在传递类型选择恰当，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的时候，仍然可以保持结构紧凑，质量小，体积小等许多优点。

而且，他还可以实现运动的合成与分解以及实现各种变速的复杂的运动。

4）运动平稳，抗冲击和震动的能力较强由于采用了数个结构相同的行星轮，均匀的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大，故行星轮传动的运动平稳，抵抗冲击和震动的能力较强，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。

因此，行星齿轮传动现已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速转，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。

行星齿轮传动的缺点是：

材料优质，结构复杂，制作和安装较困难。

但随着人们对行星传动技术进一步深入的了解和掌握以及对国外行星传动技术的引进和消化吸收，从而使其传动结构和均载方式都不断完善，同时生产工艺水平也不断提高。

因此，对于它的制造安装问题，目前已不再视为一件什么困难的事情。

实践表明，载具有中等技术水平的工厂里也是完全可以制造出较好的行星齿轮传动减速器。

1．3机械优化设计的发展概况

目前，随着现代科技和社会的发展，广大用户对机械产品设计的要求越来越高，这些要求可以归纳为：

设计的机械产品的品种和规格多样化、个性化；

所设计的产品具有高水平、高性能、高质量；

设计能够运用新技术；

所设计的机械产品具有高的人和环境的适应性；

机械产品的设计周期短，能够更加适应产品的更新换代．这些要求就大大增加了设计工作的困难。

对于上述这些要求，传统的设计方法很难达到，但可以根据产品的主要需求采取相应的现代设计方法．现代设计方法有很多种，如可靠性设计、工业艺术造型设计、有限元设计等，但对大多数机械产品来说，可以采用优化设计的方法．在设计机械产品时，首先将设计的产品建立相应的数学模型，然后将变量和初值输入计算机，计算机将遵循指定的方法进行寻优求解，以便取得一组产品主要参数的最优解，并且可以确定最佳方案，设计物美价廉的产品，还可对产品进行各种性能分析并自动绘制出产品的图形．实践证明，优化设计方法是现代机械产品设计的一种十分有用的、并有着广阔前景的设计方法。

使用优化设计首先要对产品起着决定性作用的结构尺寸进行优化，从而确定机械产品整体的结构尺寸，其中主要结构尺寸的设计在设计工作中是至关重要的，产品的主要零部件结构尺寸一般会影响到其他零部件的大小，这就必然会影响到产品的外形尺寸．如行星齿轮减速器中的太阳轮结构尺寸，它会影响到整个轮系的尺寸，进而影响到其他零件和整个机器，另外机床主轴箱中的主轴结构尺寸决定主轴箱尺寸的大小甚至会影响整个机器的尺寸．所以产品的主要结构尺寸在产品的设计中占有举足轻重的地位。

产品的功用是由产品设计、制造决定的，不同产品的结构和尺寸会使产品产生不同的功效．产品设计中其主要的结构和尺寸对产品的功用起很大的作用．产品的结构尺寸设计得合理，同样的结构尺寸就会使产品发挥出更大的功效，从而产生更好的技术经济效益．采用不同的结构尺寸会消耗不同的金属材料，例如相同齿数和模数的齿轮，由于齿轮厚度不同，所用的金属材料会依齿轮厚度的增加而相应增加，在机械产品的优化设计中，常把材料的质量转化材料的体积作为优化的目标．在实际工作中我们选择了行星减速器这个机械产品进行设计．行星齿轮减速器是齿轮减速器中应用较多的一种，它的许多优点是其他类型齿轮减速器无法比拟的．使用计算机对产品进行优化设计，可以发挥计算机速度快、计算准确、用时短、重复设计次数少等优点，不仅减轻设计人员的劳动强度，而且缩短产品的设计时间．在建立产品的数学模型时，选择减速器中太阳轮齿轮这个主要结构，对它的齿数、模数、齿厚和行星齿轮的个数这些设计参数进行优化，并围绕这些参数进行了有关结构尺寸的设计。

在现代设计方法中，优化设计技术已经得到了广泛的应用，不管是在工程设计和应用，还是社会经济现象以及人民日常生活中，都可以找到优化设计的影子，都有学者在研究。

而优化设计技术在机械设计方面的应用尤其广泛，有结构参数优化和机械结构优化等方面。

很多的优化方面的软件也已经由各大高等院校和企业研究机构开发出来，并且在实际中得到了很好的利用。

1．4行星齿轮的设计任务

本次毕业设计是对行星齿轮减速器进行的以最小体积为目标的优化设计，已知输入功率，输入轴转速，设计体积最小之行星齿轮传动。

要求的工作量是论文20000字和译文3000字。

并要求在汽车厂和校工程训练中心去了解齿轮变速器的产生，装配。

了解齿轮变速器的工作原理和应用。

并要求在机电学院机房进行设计编程及建模。

撰写论文和翻译译文。

本次毕业设计设计的核心内容是以行星齿轮减速器为对象，进行减速器的齿轮传动机构进行齿轮结构参数优化设计和典型零件——齿轮的优化设计，具体包括以下个四个内容：

（1）熟悉课程设计的相关资料、确定设计方案。

（2）建立行星齿轮减速器的数学模型。

（3）进行减速器传动机构设计的相关参数计算和编程；

（4）减速器齿轮传动机构的结构参数优化设计；

选用约束优化设计的适当方法，用VB语言编写行星齿轮减速器结构参数优化设计的软件。

2、行星轮系的设计

2.1行星轮系类型的选择

行星轮系的类型很多，选择其类型时主要应从传动比所能实现的范围，传动效率的高低，结构的复杂程度，外形尺寸的大小以及传动功率等几个方面综合考虑而定。

如果设计要求有较大的传动比，而一个轮系又不能满足要求时，可将几个轮系串联起来，这样其传动比可达10到60。

从行星轮的效率方面考虑，减速传动的效率总是高于增速传动，负号机构的传动效率总是高于正号机构的传动效率。

因此，如果所设计的轮系是用做动力传动，则应选择负号机构。

正号机构一般多用于要求传动比较大而传动较小的辅助机构中，例如磨床的进给机构，轧钢机的指示器中的机构。

当行星轮系用于增速传动时，随着增速比的增大，其传动效率将迅速下降，当达到一定值时，正号机构更容易发生自锁。

从结构和外形尺寸方面考虑，由行星轮系传动比的计算公式i1h=1-i1nH可知：

如果采用太阳轮为主动的单一行星轮系来实现大减速比的传动要求，即希望设计的行星轮的传动比较大，则必须使i1h较大，故轮系的齿数比值应设计的较大，这将导致轮系结构较复杂，轮系的外形尺寸将变的较大。

因此，在设计行星轮系时存在着传动比，效率，轮系外形尺寸与结构复杂程度相互制约的矛盾，设计者这时应根据设计要求和轮系的工作条件进行全面的综合考虑，以获得理想的设计结果。

2.2行星轮系各轮齿数的确定

（一）保证给定的传动比要求

在齿轮传动中，输入构件的角速度wa（或转速na）与输出构件的角速度wb（或转速nb）的比值，称为齿轮传动的传动比，用符号Iab表示。

因为在平面机构的轮系中构件的旋转具有正反两个方向，所以齿轮传动的传动比计算不仅要确定其数值的大小，而且还要确定其输入输出构件旋转方向的同异。

对于外啮合齿轮副，两轮的旋转方向相反，故其传动比胃负值。

对于内啮合齿轮副，两轮的旋转方向相同，故其传动比为正值。

（二）保证两太阳轮和系杆转轴的轴线重合，即满足同心条件。

所谓同心条件就是由中心轮与行星轮的所有啮合齿轮副的实际中心距必须相等。

在此讨论的同心条件只适用于渐开线圆柱齿轮的行星齿轮的传动。

所谓同心条件就是由中心轮a、b（或e）与行星轮c（或d）的所有啮合齿轮副的实际中心距必须相等。

换言之，对于2Z-X型和3Z型行星齿轮传动，其三个基本构件的旋转轴线必须与主轴线相重合。

对于2Z-X（A）型行星齿轮传动，其同心条件为

对于2Z-X（B）型行星齿轮传动，其同心条件为

对于2Z-X（D）型行星齿轮传动，其同心条件为

对于2Z-X（E）型行星齿轮传动，其同心条件为

对于3Z-X（I）型行星齿轮传动，其同心条件为

对于3Z-X（Ⅱ）型行星齿轮传动，其同心条件为

式中

—a-c、c-b、d-b和d-e啮合齿轮副的实际中心距为

式中a—啮合齿轮副的的标准中心距；

“+”号适用于外啮合；

“-”适合于内啮合。

（三）保证在采用多个行星轮时，各行星轮能够均匀的分布在两太阳轮之间，即满足安装条件。

所谓安装条件就是安装在转臂上的行星轮均匀的分布在中心轮的周围时，各轮齿数应满足的条件。

在行星齿轮传动中，如果仅有一个行星轮，即n

=1，且要满足上述同心条件就保证能够装配。

为了提高其承载能力，大多是采用几个行星轮。

同时，为了使啮合时的径向力相互抵消，通常，将几个行星轮均匀的分布在行星传动的中心圆上。

所以，对于具有n

>

1个行星齿轮的行星齿轮的传动，除应满足同心条件和邻接条件外；

其各轮的齿数还必须满足安装条件。

所谓安装条件就是安装在转臂x上的n

个行星轮均匀的分布在中心论的周围时，各轮齿数应满足的条件。

例如，对于2Z-X（A）型行星齿轮，n

个行星轮在两个中心轮a和b之间要均匀分布，而且，每个行星齿轮c能同时与两个中心轮a和b相啮合没有错位现象。

在一般情况下，齿数

都不是n

的倍数。

当齿轮a和b的齿轮对称线及行星轮1的平面

与直线OⅠ重合时，行星轮2的平面

与直线OⅡ的夹角为

。

如果转臂x固定，当中心论a按逆时方向转过

时，则行星轮2按顺时针方向转过

角，而内齿轮b按顺时针方向转过

角。

（四）保证多个均匀的行星轮相互间不发生干涉，即满足邻接条件。

在设计行星齿轮传动时，为了进行功率分流，而提高其承载能力，同时也是为了减少其结构尺寸，使其结构紧凑，经常在太阳轮a与内齿轮b（或e）之间，均匀地、对称地设置几个行星轮c（或d）。

为了使各行星轮不产生相互碰撞，必然保持它们齿顶之间在连心线上有一定间隙，即两相邻行星轮的顶圆半径之和应小于其中心距L

，即

（2-1）

式中

—分别为行星轮c的齿顶圆半径和直径；

n

—行星轮个数；

—a、c齿轮啮合副的中心距；

—相邻两行星轮中心之间的距离；

上面不等式称为行星齿轮传动的邻接条件。

间隙

-

的最少允许值取决于行星齿轮减速器的冷却条件和啮合传动时的润滑油搅动损失。

实际使用中，一般应取间隙值

≥0.5mm，m为齿轮的模数。

在此应该指出，临界条件与行星齿轮个数n

有关，n

的多少还用考虑到结构尺寸、均载条件和制造条件等因素。

一般在行星齿轮传动中大都采用n

=3个行星轮。

但是，当需要进一步提高其承载能力，减少行星齿轮传动的结构质量时，在满足上述邻接条件的前提下允许采用n

3个行星齿轮的配置；

不过还必须采取合理的均载措施。

在设计行星轮传动时，为了进行功率分流，而提高承载能力，同时也是为了其减少结构尺寸，使其结构紧凑，经常在太阳轮与内齿轮之间，均匀的对称的设计几个行星轮，为了使行星轮不发生碰撞，必须保证在他们的齿顶之间在其连心线上有一定的间隙，即两相邻行星轮的顶园半径之和应小于其中心距。

2.3行星轮系的均载装置

周转轮系的一个重要优点，就是能在两太阳轮间采用多个均匀分布的行星轮来共同分担载荷，一般来说，随着行星轮数的增多，每个行星轮所受的载荷减少，其几何尺寸可以设计的较小，结构更加紧凑，重量相对减轻。

例如：

在相同功率和转速条件下，四个行星轮的轮系中，每个行星轮的单一尺寸仅为单一行星轮的轮系中行星轮径向尺寸的一半。

因此，具有四个行星轮的轮系，其几何尺寸也相应变小。

同时，采用多个行星轮对称布置，对平衡轮系运动时行星轮及系杆运动产生的离心惯性力，减小轮齿上的应力也有一定的好处。

但实际上，行星轮个数增多，也增加了系统的过约束。

由于零件制造误差，安装误差等因素的影响，往往会出现各个行星轮负载不均的现象，即啮合传动间隙小的行星轮承受的负荷大，啮合传动大的行星轮承受的负荷小，甚至个别行星轮还会出现不承受负载的现象，从而降低了轮系的承载能力，影响了轮系运载的可靠性。

此外各轮承载的不均匀性也是在运载中产生振动和噪声的重要原因之一。

为了尽可能减轻各行星轮受载不均匀的现象，消除多个行星轮因过约束引起的对轮系的不利影响，提高轮系的承载能力，必须在结构上承载一定的措施，来保证每个行星轮上所受的载荷及轮齿的齿宽方向的分布载荷尽可能均匀。

在行星轮系的设计中常采用“柔性浮动”的方法，把轮系中某些构件设计成轴线可浮动的支撑，或用弹性材料连接，当构件受载不均匀时，柔性或浮动构件便做柔性自卫运动，直至几个行星轮的载荷自动调节趋于均匀分配为止。

这种能自动调节各行星轮载荷的装置，称为载荷装置。

2.4行星齿轮传动的受力分析及强度计算

（一）轮齿的受力分析：

进行齿轮传动的强度计算时，首先要知道轮齿上所受的力，这就需要对齿轮传动做受力分析。

当然，对齿轮传动进行力分析也是要计算安装齿轮的轴及轴承时所必须的。

齿轮传动一般均加以润滑，啮合轮齿间的摩擦力通常很小，计算轮齿受力时，可不予考虑。

沿啮合线作用在齿面上的法向载荷Fn垂直于齿面，为了计算方便，将法向载荷Fn（单位为N）在节点处分为两个相互垂直的分力，即圆周力Ft与径向力Fu（单位为N）。

Ft=2T/d1（2-2a）

Fu=Ft×

tan（a）（2-2b）

Fn=Ft/cos（a）（2-2c）

式中：

T----小齿轮传递的转矩。

d1----小齿轮的节圆直径，对标准齿轮即为分度圆