【正文】 3K型變速器結構設計畢業(yè)設計論文1 緒論本論文名為“3K型變速器初步設計”（3K Transmission preliminary design），其研究的對象是3K型變速器，研究的內容則主要是3K（NGWN）型行星齒輪傳動系統(tǒng)的設計。一個或者多個齒輪軸線圍繞另一個齒輪的固定軸線轉動的齒輪傳動就叫做行星齒輪傳動。行星齒輪傳動種類有很多, 最常用的有2KH、KHV、3K型三種。行星齒輪傳動同定軸齒輪傳動相比，具有體積小、結構緊湊、承載能力大、工作平穩(wěn)、傳動效率高、傳動比大、噪聲低、抗沖擊能力強等優(yōu)點。 3K型變速器設計的目的及意義行星齒輪傳動是現(xiàn)代先進的一種機械傳動。在第二次世界大戰(zhàn)以后，人們對機械設備性能的要求越來越高，速度也要求越來越快了，同時，機械設備的外廓尺寸要求越來越小，機械結構越來越緊湊，為了適應市場和生產(chǎn)的需要，各個行業(yè)都紛紛使用和生產(chǎn)行星齒輪傳動裝置。行星齒輪傳動的應用非常廣泛, 在工業(yè)生產(chǎn)當中已是一種重要的技術。但是, 它同時也有許多的理論課題與實際課題還沒有解決, 在行星齒輪傳動的研究領域中, 也存在著很多不同的觀點。有的行星齒輪傳動裝置, 產(chǎn)品的可靠性不夠理想, 實際壽命與設計壽命還存在著一定的差距。因此行星齒輪傳動的可靠性是一個熱門研究課題。在行星齒輪傳動的工作過程中, 行星齒輪容易發(fā)熱,因此熱穩(wěn)定性也是一個問題。同時行星齒輪的傳動效率也是一個值得研究的問題。3K型行星齒輪系就是輪系中有3個太陽輪，3K型行星齒輪傳動是一種較為普遍的行星齒輪傳動類型, 3K型行星齒輪傳動合理地應用內齒輪嚙合副, 使其優(yōu)越性更為突出，結構更加緊湊, 重量比普通外嚙合副的行星齒輪要輕23倍, 嚙合損失也小了很多。與此同時, 幾個行星齒輪分流承載, 使承載能力也增大很多倍。3K型變速器就是基于3K型行星傳動的原理，普遍應用于汽車、起重、冶金、礦山、兵器裝備、機器人、航空航天、微型傳動等領域，對科技的發(fā)展有著重要的作用。隨著需求的日益增加，3K型變速器成為了很多企業(yè)和專家的研究對象，而3K型變速器的傳動系統(tǒng)設計更是重中之重。3K型行星齒輪傳動系統(tǒng)在設計的時候存在著很多困難。例如，在設計時選配齒數(shù)比較困難，目前設計手冊雖然有很多配齒的表格可以提供參考, 但如果設計給定的參數(shù)與表格中給出的參數(shù)不相符,那就需要設計人員自己選配齒數(shù), 首先要自己進行試配, 工作量很大。另外, 在加工雙聯(lián)齒輪的時候, 其兩個齒輪的相對位置精度要求很高，如果兩個齒輪的相對位置精度達不到要求，就會造成幾個行星齒輪承載不均勻或者齒輪無法裝配等后果。還有，即使所有的零件都符合要求,在進行裝配的時候,也必須要按照一定的裝配順序進行安裝,否則就無法正確地安裝，這也給拆裝帶來許多不便。正是因為如此，3K型行星齒輪的傳動系統(tǒng)設計顯得更加的重要，傳動系統(tǒng)設計的好壞直接影響到3K型變速器的使用和運行情況，對行星齒輪傳動的發(fā)展以及前景有著舉足輕重的作用和實際意義。 行星齒輪傳動研究及發(fā)展現(xiàn)狀 行星齒輪傳動研究現(xiàn)狀在國際上，世界上一些先進的工業(yè)化國家，如美國、德國、英國、日本等國，在行星齒輪傳動方面的研究、生產(chǎn)制造和應用方面均處于國際領先水平。在我國，行星齒輪傳動在很早之前就有了應用，早在南北朝時期，世界著名的偉大科學家祖沖之就發(fā)明創(chuàng)造了一種有行星齒輪傳動的差動式指南車，如圖11所示，這是一種由圓錐齒輪構造成的差動行星齒輪傳動，這種差動式行星齒輪傳動能保證“圓轉不窮，而司方如一”。因此，我國對行星齒輪傳動的應用要比歐洲各國早上一千多年。但是直到20世紀60年代以后，我國才對行星齒輪傳動有了比較深入的研究和制造，國內許多企業(yè)和公司不斷引進國外先進的行星齒輪傳動的生產(chǎn)以及設計制造技術，并且對這些先進的技術進行深入的研究和開發(fā)，在學習了國外發(fā)達國家先進的行星齒輪傳動技術的同時，我們也對行星齒輪傳動進行了進一步的創(chuàng)新和開發(fā)，使我國內的行星齒輪傳動技術得到了良好的發(fā)展。圖11 指南車在理論設計、試制和應用實踐等各個方面，我國都取得了比較大的成就，并取得了很多的研究成果。從理論上，我國做了許多的分析和研究，同時還進行了大量的試驗和工業(yè)實驗。并且通過國內相關的研究所、企業(yè)及高校的合作，在行星齒輪傳動的優(yōu)化設計技術、系統(tǒng)運動學與力學分析、均載技術、重載差動技術、混合少齒差行星傳動、結構強度分析以及二環(huán)與三環(huán)傳動等方面都取得了一系列的突破，這些都使我國全面的掌握了行星齒輪傳動的設計、制造技術，同時也形成了許多具有很強實力的研發(fā)制造機構。在制造手段上，多年來我國引進和自主開發(fā)了插齒機、熱處理裝置、磨齒機、加工中心等，這些裝置的廣泛應用，大大提高了行星齒輪的制造水平，在硬件也上切實地保證了產(chǎn)品的加工質量?？偠灾?，近些年來我國在各類行星齒輪傳動方面的開發(fā)研究、設計以及應用等各個方面都取得了較大進步。 行星齒輪傳動發(fā)展現(xiàn)狀行星齒輪傳動的一系列獨特的優(yōu)點，使得各個行業(yè)對行星齒輪傳動類產(chǎn)品的需求越來越大，同時更多的專業(yè)企業(yè)把行星齒輪傳動的研究制造作為了企業(yè)的主要和重要的研發(fā)對象，由此也推動了行星齒輪傳動技術水平的發(fā)展進步和應用的進一步普及。正是因為行星齒輪傳動的制造技術的不斷發(fā)展進步, 以及行星齒輪傳動在設計方面的不斷完善, 使得行星齒輪傳動達到了如今水平。隨著研發(fā)工作的深入和制造技術的進步和加強，未來幾年行星齒輪傳動技術及產(chǎn)品將會呈現(xiàn)如下幾個發(fā)展方向：（1）向高速大功率、高效率和低速大扭矩的方向發(fā)展當今的行星齒輪傳動機構, 不僅僅是適用于高速大功率, 而且同時也向低速大扭矩的方向發(fā)展。例如, 平均年產(chǎn)量為三十萬噸合成氨的透平壓縮機（圖12）, 就是運用行星齒輪箱來增速, 其齒輪的圓周速度最高達到150 m/s。圖12 透平壓縮機（2）向標準化、產(chǎn)品類型多樣化的方向發(fā)展多元化的市場，多樣化的需求，促進了行星齒輪傳動產(chǎn)品的發(fā)展和擴大，同時，隨著各個行業(yè)產(chǎn)品類規(guī)格以及類型的增多和性能的提高，各種種類的行星齒輪傳動產(chǎn)品也在其適應的條件下快速的發(fā)展。世界上目前已經(jīng)有50多個漸開線行星齒輪傳動的系列設計，而且同時還發(fā)展演化出多種型式的行星齒輪差速器、行星齒輪變速器和行星減速器等多種產(chǎn)品。如圖1115所示。 圖13 行星齒輪差速器 圖14 p系列行星齒輪減速機圖15 tp系列行星齒輪減速機（3）向硬齒面、高精度的方向發(fā)展行星齒輪傳動機構中的齒輪廣泛采用氮化和滲碳等化學熱處理方式。齒輪的制造一般均在6級制造精度以上。硬齒面、高精度方向的發(fā)展有利于行星齒輪減速器傳動系統(tǒng)承載能力的進一步提高，同時也使得齒輪尺寸變得更小。（4）向傳動裝置大型化方向發(fā)展 傳動裝置的大型化是許多生產(chǎn)設備的大型化所提出的必然要求，同時現(xiàn)代制造技術水平的發(fā)展提高和制造手段的不斷加強也為傳動裝置大型化提供了可能。例如，隨著礦井等提升設備的大型化，與其所配套的行星齒輪箱必須大型化，同時其傳遞功率及轉矩也必然提高，因此行星齒輪傳動裝置的大型化也就再所難免。如圖117所示。圖16 大型行星齒輪減速機圖17 b型行星齒輪減速機2 行星傳動概述 輪系及其分類在日常生產(chǎn)的各種需要傳動的機械設備中，如果僅僅使用一對嚙合齒輪組成的齒輪傳動機構是遠遠不能夠滿足工作要求的，我們往往需要用多對相互嚙合的齒輪來組成能夠滿足更多生產(chǎn)和工作要求的傳動機構來進行傳動。這種由多對相互嚙合的齒輪所組成的多齒輪傳動機構被稱為齒輪系，簡稱為輪系。根據(jù)輪系在運轉時其各個齒輪的幾何軸線的位置是否固定不變，一般將輪系劃分為三類。（1）定軸輪系在輪系運轉的過程中，輪系中的所有齒輪都只繞各自的軸線轉動，各個齒輪的軸線的位置都固定不變，這種輪系稱為定軸輪系，如圖21所示，各個齒輪的幾何軸線都固定不變。圖21 定軸輪系（2）周轉輪系在輪系運轉的過程中，輪系中至少有一個齒輪在繞自身的軸線轉動的同時這個齒輪的軸線還繞另外齒輪的軸線轉動，即這個齒輪的軸線的位置并不固定不變，而是繞其他位置固定的軸線轉動，這種輪系就稱為周轉輪系，如圖22所示。齒輪1和齒輪3的幾何軸線OO位置是固定不變的。齒輪2用構件H連接，一方面繞其自己幾何軸線O1O1自轉，同時又與構件H一起繞固定幾何軸線OO公轉。這個輪系中，齒輪1和齒輪3稱為太陽輪（也稱中心輪）齒輪2就稱為行星輪，構件H稱為行星架。 圖22 周轉輪系（3）復合輪系復合輪系指的是輪系中既包含定軸輪系又包含周轉輪系，如圖23所示，左邊部分為由錐齒輪1和2組成的定軸輪系，右邊為齒輪2′、4組成的周轉輪系；或由若干個周轉輪系所組成的輪系，如圖24所示，輪系左邊為齒輪2′、3組成的周轉輪系，輪系右邊為齒輪5′、6組成的周轉輪系。 圖23 圖24 行星傳動的定義在周轉輪系中，根據(jù)其自由度的個數(shù)，還可以將周轉輪系劃分為兩類。（1）行星輪系自由度為1的周轉輪系稱為行星輪系，如圖25所示。齒輪3固定不動，當齒輪1轉動時，齒輪2出了繞軸線OH自轉外還繞軸線O1O1公轉。（2）差動輪系自由度為2的周轉輪系稱為差動輪系，如圖26所示。齒輪3和構件H都不固定，都可以轉動。差動輪系可以用于速度的分解和合成。行星輪系和差動輪系統(tǒng)稱為行星傳動。 圖25 行星輪系 圖26 差動輪系 行星傳動的分類行星傳動常根據(jù)其采用的基本構件的不同來加以分類。在行星傳動中，常用“K”來表示太陽輪，用“H”來表示行星架，用“V”來表示輸出軸。那么根據(jù)其基本構件的組成，可將行星傳動分為：KHV型行星傳動、2KH型行星傳動（如圖28）和3K型行星傳動（如圖29）三種。（1）KHV型行星傳動，如圖27，這種行星輪傳動中,只有一個太陽輪、一個行星架、一個安裝在行星架上的行星輪和一根帶輸出機構的輸出軸。太陽輪和行星輪的齒數(shù)差越小其傳動比就越大，因此，齒數(shù)差一般為1~4。行星架H轉動帶動行星輪轉動，當輸入軸轉動一周時，行星輪就相對于太陽輪反向轉動齒數(shù)差個齒的距離，并通過傳動比為1的輸出機構使軸V將運動輸出。 圖27 KHV型行星傳動 圖28 2KH型行星傳動（2）2KH型行星傳動，如圖28所示，主要由兩個太陽輪1和行星輪2和行星架H組成。太陽輪3固定不動，如果太陽輪1作為輸入構件，太陽輪1轉動帶動行星輪2轉動，行星輪2既繞自身軸線自轉又與行星架H一同公轉，行星架H作為輸出構件，將轉矩傳遞給輸出軸。（3）3K型行星傳動，如圖29所示，主要由3個太陽輪3和行星輪2和2′和行星架H組成。太陽輪3固定不動，如果太陽輪1作為輸入構件，太陽輪1轉動帶動行星輪2和2′轉動，行星輪既繞自身軸線自轉又與行星架H一同公轉，行星輪2′帶動太陽輪4轉動，太陽輪4作為輸出構件，將轉矩傳遞給輸出軸。 圖29 3K型行星傳動另外，行星傳動還可以根據(jù)齒輪嚙合的方式來劃分。若用“N”表示內嚙合，“W”表示外嚙合，“G”表示公用行星輪，“ZU”表示錐齒輪，則可分為NGW型、NGWN型、NW型、NN型、WW型和ZUWGW型。 行星傳動的特點行星齒輪傳動廣泛應用于起重機械、冶金機械、石油機械、工程機械、紡織機械、機床、建筑機械、汽車、飛機、火炮、船舶和儀器、儀表、微型傳動等領域，因為其有如下幾個特點。（1） 結構緊湊、體積小、重量輕行星傳動具有動軸線的運動特性，并且各個太陽輪的軸線的幾何位置相同，同時太陽輪和行星輪的嚙合部分采用了內嚙合，內齒圈本身的可容體積有利于縮小其外廓尺寸，這樣，內嚙合使得行星傳動的結構非常緊湊、體積小、重量輕。一般，在承受同樣載荷的情況下，行星傳動裝置的重量比普通齒輪傳動裝置要輕2～5倍。（2） 承載能力大行星傳動中，在太陽輪的周圍可以均勻布置多個行星齒輪，這樣，幾個行星齒輪同時承擔載荷，就使得每個齒輪所承受的載荷相對變小，從而大大提高了行星傳動的承載能力。（3） 運動平穩(wěn)、抗沖擊能力強行星傳動應用多個行星輪均勻布置在太陽輪周圍的布置方式，使得轉臂軸承和太陽輪中的作用力相互平衡，同時參與嚙合的齒數(shù)也增多，行星輪分流承載，單個輪齒所受的載荷相對減小，從而使得行星傳動的運動更加平穩(wěn)，同時抗沖擊能力也得到增強。（4） 傳動效率高因為多個行星輪均勻分布的結構，使得轉臂軸承和太陽輪上的作用力相互平衡，這樣，行星傳動在工作的時候所做的額外功減少，從而大大提高了齒輪傳動的傳動效率。（5） 傳動比大在行星傳動機構中，往往用少數(shù)幾個齒輪在適當?shù)呐潺X方案下就可以得到較大的傳動比，同時還可以保持其結構緊湊的特點。然而，行星傳動的以上特點也注定了行星傳動的結構比普通齒輪傳動更加復雜，制造精度要求更高，制造安裝更加困難。 行星傳動的傳動比和傳動效率 轉化輪系行星傳動與定軸齒輪傳動不同，行星傳動中有轉動的行星架。因此，想要計算行星傳動的傳動比，那么就要想辦法將行星傳動向定軸齒輪傳動轉化。根據(jù)相對運動原理，我們給整個行星傳動假定地附加一個繞行星架固定軸線回轉、且與行星架轉動方向相反轉速相等的公共角速度“–wH ”，這樣，各個構件之間的相對運動仍然保持不變，而行星架的角速度變?yōu)榱?，這樣行星傳動就轉換為定軸齒輪傳動了。如圖210所示，行星傳動轉化為了假想的定軸輪系，那么三個齒輪相對于行星架H的角速度如表21所示。 轉化前的行星傳動 轉化后的行星傳動（假想的定軸輪系） 圖210表21構件原有角速度