【正文】 3K型變速器結(jié)構(gòu)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計論文1 緒論本論文名為“3K型變速器初步設(shè)計”（3K Transmission preliminary design），其研究的對象是3K型變速器，研究的內(nèi)容則主要是3K（NGWN）型行星齒輪傳動系統(tǒng)的設(shè)計。一個或者多個齒輪軸線圍繞另一個齒輪的固定軸線轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(qiáng)等優(yōu)點。 3K型變速器設(shè)計的目的及意義行星齒輪傳動是現(xiàn)代先進(jìn)的一種機(jī)械傳動。在第二次世界大戰(zhàn)以后，人們對機(jī)械設(shè)備性能的要求越來越高，速度也要求越來越快了，同時，機(jī)械設(shè)備的外廓尺寸要求越來越小，機(jī)械結(jié)構(gòu)越來越緊湊，為了適應(yīng)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(yīng)用非常廣泛, 在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中已是一種重要的技術(shù)。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(lǐng)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(shè)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(yīng)用內(nèi)齒輪嚙合副, 使其優(yōu)越性更為突出，結(jié)構(gòu)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(yīng)用于汽車、起重、冶金、礦山、兵器裝備、機(jī)器人、航空航天、微型傳動等領(lǐng)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(shè)計更是重中之重。3K型行星齒輪傳動系統(tǒng)在設(shè)計的時候存在著很多困難。例如，在設(shè)計時選配齒數(shù)比較困難，目前設(shè)計手冊雖然有很多配齒的表格可以提供參考, 但如果設(shè)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(shè)計人員自己選配齒數(shù), 首先要自己進(jìn)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(dá)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(jìn)行裝配的時候,也必須要按照一定的裝配順序進(jìn)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(shè)計顯得更加的重要，傳動系統(tǒng)設(shè)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(jìn)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(yīng)用方面均處于國際領(lǐng)先水平。在我國，行星齒輪傳動在很早之前就有了應(yīng)用，早在南北朝時期，世界著名的偉大科學(xué)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(gòu)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(zhuǎn)不窮，而司方如一”。因此，我國對行星齒輪傳動的應(yīng)用要比歐洲各國早上一千多年。但是直到20世紀(jì)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(nèi)許多企業(yè)和公司不斷引進(jìn)國外先進(jìn)的行星齒輪傳動的生產(chǎn)以及設(shè)計制造技術(shù)，并且對這些先進(jìn)的技術(shù)進(jìn)行深入的研究和開發(fā)，在學(xué)習(xí)了國外發(fā)達(dá)國家先進(jìn)的行星齒輪傳動技術(shù)的同時，我們也對行星齒輪傳動進(jìn)行了進(jìn)一步的創(chuàng)新和開發(fā)，使我國內(nèi)的行星齒輪傳動技術(shù)得到了良好的發(fā)展。圖11 指南車在理論設(shè)計、試制和應(yīng)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(jìn)行了大量的試驗和工業(yè)實驗。并且通過國內(nèi)相關(guān)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(shè)計技術(shù)、系統(tǒng)運動學(xué)與力學(xué)分析、均載技術(shù)、重載差動技術(shù)、混合少齒差行星傳動、結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(shè)計、制造技術(shù)，同時也形成了許多具有很強(qiáng)實力的研發(fā)制造機(jī)構(gòu)。在制造手段上，多年來我國引進(jìn)和自主開發(fā)了插齒機(jī)、熱處理裝置、磨齒機(jī)、加工中心等，這些裝置的廣泛應(yīng)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(zhì)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(shè)計以及應(yīng)用等各個方面都取得了較大進(jìn)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(shù)水平的發(fā)展進(jìn)步和應(yīng)用的進(jìn)一步普及。正是因為行星齒輪傳動的制造技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步, 以及行星齒輪傳動在設(shè)計方面的不斷完善, 使得行星齒輪傳動達(dá)到了如今水平。隨著研發(fā)工作的深入和制造技術(shù)的進(jìn)步和加強(qiáng)，未來幾年行星齒輪傳動技術(shù)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(dāng)今的行星齒輪傳動機(jī)構(gòu), 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(jī)（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(dá)到150 m/s。圖12 透平壓縮機(jī)（2）向標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)了行星齒輪傳動產(chǎn)品的發(fā)展和擴(kuò)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(yīng)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(shè)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(jī)圖15 tp系列行星齒輪減速機(jī)（3）向硬齒面、高精度的方向發(fā)展行星齒輪傳動機(jī)構(gòu)中的齒輪廣泛采用氮化和滲碳等化學(xué)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(jìn)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(shè)備的大型化所提出的必然要求，同時現(xiàn)代制造技術(shù)水平的發(fā)展提高和制造手段的不斷加強(qiáng)也為傳動裝置大型化提供了可能。例如，隨著礦井等提升設(shè)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(zhuǎn)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(jī)圖17 b型行星齒輪減速機(jī)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(jī)械設(shè)備中，如果僅僅使用一對嚙合齒輪組成的齒輪傳動機(jī)構(gòu)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)構(gòu)來進(jìn)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(jī)構(gòu)被稱為齒輪系，簡稱為輪系。根據(jù)輪系在運轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的過程中，輪系中的所有齒輪都只繞各自的軸線轉(zhuǎn)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(zhuǎn)輪系在輪系運轉(zhuǎn)的過程中，輪系中至少有一個齒輪在繞自身的軸線轉(zhuǎn)動的同時這個齒輪的軸線還繞另外齒輪的軸線轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動，這種輪系就稱為周轉(zhuǎn)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(gòu)件H連接，一方面繞其自己幾何軸線O1O1自轉(zhuǎn)，同時又與構(gòu)件H一起繞固定幾何軸線OO公轉(zhuǎn)。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(gòu)件H稱為行星架。 圖22 周轉(zhuǎn)輪系（3）復(fù)合輪系復(fù)合輪系指的是輪系中既包含定軸輪系又包含周轉(zhuǎn)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(zhuǎn)輪系；或由若干個周轉(zhuǎn)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(zhuǎn)輪系，輪系右邊為齒輪5′、6組成的周轉(zhuǎn)輪系。 圖23 圖24 行星傳動的定義在周轉(zhuǎn)輪系中，根據(jù)其自由度的個數(shù)，還可以將周轉(zhuǎn)輪系劃分為兩類。（1）行星輪系自由度為1的周轉(zhuǎn)輪系稱為行星輪系，如圖25所示。齒輪3固定不動，當(dāng)齒輪1轉(zhuǎn)動時，齒輪2出了繞軸線OH自轉(zhuǎn)外還繞軸線O1O1公轉(zhuǎn)。（2）差動輪系自由度為2的周轉(zhuǎn)輪系稱為差動輪系，如圖26所示。齒輪3和構(gòu)件H都不固定，都可以轉(zhuǎn)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(gòu)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(gòu)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(jī)構(gòu)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(zhuǎn)動帶動行星輪轉(zhuǎn)動，當(dāng)輸入軸轉(zhuǎn)動一周時，行星輪就相對于太陽輪反向轉(zhuǎn)動齒數(shù)差個齒的距離，并通過傳動比為1的輸出機(jī)構(gòu)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(gòu)件，太陽輪1轉(zhuǎn)動帶動行星輪2轉(zhuǎn)動，行星輪2既繞自身軸線自轉(zhuǎn)又與行星架H一同公轉(zhuǎn)，行星架H作為輸出構(gòu)件，將轉(zhuǎn)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(gòu)件，太陽輪1轉(zhuǎn)動帶動行星輪2和2′轉(zhuǎn)動，行星輪既繞自身軸線自轉(zhuǎn)又與行星架H一同公轉(zhuǎn)，行星輪2′帶動太陽輪4轉(zhuǎn)動，太陽輪4作為輸出構(gòu)件，將轉(zhuǎn)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(nèi)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(yīng)用于起重機(jī)械、冶金機(jī)械、石油機(jī)械、工程機(jī)械、紡織機(jī)械、機(jī)床、建筑機(jī)械、汽車、飛機(jī)、火炮、船舶和儀器、儀表、微型傳動等領(lǐng)域，因為其有如下幾個特點。（1） 結(jié)構(gòu)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(nèi)嚙合，內(nèi)齒圈本身的可容體積有利于縮小其外廓尺寸，這樣，內(nèi)嚙合使得行星傳動的結(jié)構(gòu)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(dān)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(qiáng)行星傳動應(yīng)用多個行星輪均勻布置在太陽輪周圍的布置方式，使得轉(zhuǎn)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(qiáng)。（4） 傳動效率高因為多個行星輪均勻分布的結(jié)構(gòu)，使得轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)中，往往用少數(shù)幾個齒輪在適當(dāng)?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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)比普通齒輪傳動更加復(fù)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(zhuǎn)化輪系行星傳動與定軸齒輪傳動不同，行星傳動中有轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)、且與行星架轉(zhuǎn)動方向相反轉(zhuǎn)速相等的公共角速度“–wH ”，這樣，各個構(gòu)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(zhuǎn)換為定軸齒輪傳動了。如圖210所示，行星傳動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化前的行星傳動 轉(zhuǎn)化后的行星傳動（假想的定軸輪系） 圖210表21構(gòu)件原有角速度