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1、毕业设计 行星齿轮传动减速器设计及三维造型 - 1 - 毕毕业业设设计计说说明明书书 课题名称课题名称 二级行星齿轮减速器 设计及三维造型 摘摘 要要 本文完成了对一个二级行星齿轮减速器的结构设计。与国内外已有的减 速器相比，此减速器具有更大的传动比，而且，它具有结构紧凑、外廓尺寸 小和重量轻等优点。 论文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 传动结构的设计计算，通过分配传动比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校核。论文最后对设计过程进行了总结，并 在此基础上指出了一些改进的
2、建议。 关键词：关键词：行星齿轮；变位；传动机构 毕业设计 行星齿轮传动减速器设计及三维造型 - 2 - AbstractAbstract This paper proposes a design configuration of the two-stage planetary gear reducer settling for some known parameters.Compared with other gear reducers in the word,it have a larger gear ratio. Furthermore,there are other more adva
3、ntages,such as, compact configuration,small figure,light avoirdupois and so on.The content is as followa. Firstly, the paper introduces the context of the task and the extent on research of gear reducers,as well as its development trends.Secondly,the drivered type is decided by comparing all kinds o
4、f gear configuration.The significant part is about the calculation of the configuration design.After distributing gear ratios, the rough configuration will be get.Then, the holistic configuration can be designed and back- checked.Lastly,the paper is summarized,and the needed improvements are indicat
5、ed. Key words： planetary gear；modifying profile；driving machanism 毕业设计 行星齿轮传动减速器设计及三维造型 - 3 - 目目 录录 摘要 Abstract 主要代号 第 1 章概述.- 8 - 1.1. 课题的提出和论文的主要内容- 8 - 1.2. 齿轮减速器的研究现状- 8 - 1.3.齿轮减速器的发展趋势 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -8 - 第 2 章传动方案的确定- 10 - 2.1.齿轮传动比较和选择.- 10 - 2.
6、1.1.齿轮传动两种大的类型.- 10 - 2.1.2.定轴轮系和行星轮系的比较.- 10 - 2.2.选择行星机构的类型.- 12 - 2.2.1.行星机构的类型及特点.- 12 - 2.2.1.1. ZXV 型渐开线行星机构 - 12 - 2.2.1.2. 2ZX 型渐开线行星齿轮机构 - 13 - 2.2.1.3. 3Z 型渐开线行星齿轮机构 .- 14 - 2.2.2.渐开线行星齿轮传动的发展趋势.- 15 - 第 3 章设计计算.- 16 - 3.1.设计任务- 16 - 3.2.前言- 16 - 3.3 传动比分配传动系统的运动学和动力学计算 - 17 - 3.4.传动零件的设计-
7、 19 - 3.5.轴设计计算与校核- 46 - 3.6.轴承的选择与计算- 56 - 3.7.键连接的选择与计算- 59 - 3.8.箱体的设计- 62 - 毕业设计 行星齿轮传动减速器设计及三维造型 - 4 - 3.9. 润滑和密封的选择 .- 62 - 3.10 传动装置的附件及说明 .- 63 - 3.11齿轮的加工工艺 66- 3.12 轴的加工工艺 67- 第 4 章设计小结.- 65 - 参考文献- 69 - 主要代号 毕业设计 行星齿轮传动减速器设计及三维造型 - 5 - 代号意 义单 位代号意 义单 位 a a 0 a b C * C d 0 d a d b d f d d
8、e F n F r F t F F f pb f pt f H HB HRC 中心距、标准中心距 角度变位齿轮的中心距 切齿中心距 齿宽 顶隙 顶隙系数 直径、分独圆直径 插刀齿的分度圆直径 齿顶圆直径 基圆直径 齿根圆直径 节圆直径 齿槽宽 作用力 法向力 径向力 切向力 齿向公差 摩擦系数 基节极限偏差 齿距极限偏差 高度 布氏硬度 洛氏硬度 mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm N N N N m m m mm inv K A K P K K K V K L M m N L N n p n P r r a r b r f r T F 角的渐开线函数 系数
9、、载荷系数 使用系数 行星轮间载荷分布不均 匀系数 齿间载荷分布系数 齿向载荷分布系数 动载系数 长度 弯矩 模数 指数 应力循环次数 转速 行星轮数目 功率 半径、分度圆半径 节圆半径 齿顶圆半径 基圆半径 齿根圆半径 转矩 重合度 效率 计算齿根弯曲应力 许用齿根弯曲应力 mm N mA mm r/min kW mm mm mm mm mm N mA 2 /N mm 2 /N mm 毕业设计 行星齿轮传动减速器设计及三维造型 - 6 - a h * a h f h i x X x Y F Y NT Y 齿顶高 齿顶高系数 齿根高 传动比 变位系数 转臂 变位系数和 系数 齿形系数 弯曲强度
10、计算时的寿命 mm mm FP Y S Y X Y Y Y y z a 系数 应力修正系数 弯曲强度计算时的尺寸 系数 弯曲强度计算时的螺旋 角系数 弯曲强度计算时的重合 度系数 中心距变动系数 齿数 压力角、齿形角 齿顶压力角 rad rad 主要角下标主要角下标 a 齿顶的，中心轮、太阳轮 n 法向的 b 基圆的，中心轮、内齿轮 p 许用的 c 行星轮 r 径向的 e 中心轮、内齿轮 t 切向的、端面的 F 齿根弯曲的 x 轴向的，转臂的 f 齿根的 代数和 1 小齿轮的 I 第 1 级的，I 类 2 大齿轮的 II 第 2 级的，II 类 毕业设计 行星齿轮传动减速器设计及三维造型 -
11、7 - 第第 1 1 章章 概述概述 1.1.1.1. 设计内容设计内容 旋转喷射器中减速箱是工业油罐罐底油泥旋转喷射混合系统中重要的一 部分。高速旋转的涡轮带动喷嘴低速的转动，中间需要一个传动比很大的减 速器连接。本说明书的内容 就是结合涡轮的输入转速、喷嘴所需的转速以及 输出转矩等已知条件设计一个满足要求的齿轮减速器。 减速器设计的主要参数包括： 1初转速 120 ； /minr 2目标转速 0.5 ； /r h 3 输出转矩 2000 。N m 本论文主要完成以下工作： 1选择确定传动方案。传动方案的确定包括传动比的确定和传动类型的 确定。此次设计的减速器传动比达到14400，是目前国际
12、上设计出的减速器 中传动比最大的，没有参考的先例，所以，只有通过不断的比较和分析去合 理的选择一种传动方案，尽量降低减速器的体积和重量。 2设计计算。每级传动结构的设计计算，都大致包括：传动比的分配、 传动系统运动学和动力学计算、传动零件的设计、轴的设计计算与校核、轴 承的选择与计算、键连接的选择与计算、箱体的设计、润滑与密封的选择和 传动装置的附件说明等。 1.2.1.2. 齿轮减速器的研究现状齿轮减速器的研究现状 齿轮传动具有功率输出恒定、承载能力大、传动效率高、使用寿命长、可 靠性高、结构紧凑等优点，广泛用于各种机械设备和仪器仪表中，是机械传动 的基础零件，其质量、性能、寿命直接影响整机
13、的技术、经济指标。而齿轮制 造技术水平是获得优质齿轮的关键。因为齿轮形状复杂、技术问题多，制造难 度大，齿轮加工水平在某一程度上反映了一个国家机械工业制造的水平。因此， 齿轮加工的研究是各国加工制造业研究的一个热点。 毕业设计 行星齿轮传动减速器设计及三维造型 - 8 - 齿轮产品种类较多，按大类来分，主要有圆柱齿轮、锥齿轮、蜗轮蜗杆齿 轮与行星传动齿轮等四大类。其中，圆柱齿轮在机械设备中应用最为广泛，各 种通用与专用的齿轮减速器以及机床、车辆、农机等大量采用，约占齿轮产品 总量的 90左右。因此，齿轮制造技术的研究主要集中在圆柱齿轮的成形及其 热处理方面。 近年来，随着汽车工业的发展，特别是
14、轿车生产对变速器齿轮的精度及力 学性能的要求愈来愈高，齿轮正朝着高精度、低噪声、高承载、高速度、轻量 化及长寿命的方向发展。其中，采用硬齿面齿轮是提高齿轮强度及承载能力的 有效途径。 目前，硬齿面圆柱齿轮普遍采用“机械加工渗碳热处理精加工”的传 统工艺，材料利用率不高，生产效率低，产品成本高，尤其是金属流线被切断， 而且成形后渗碳处理使渗碳层晶粒粗大、渗碳层厚度分布不合理，造成齿轮强 度与疲劳寿命的降低。这种不利局面使得工程技术人员寻求新的制造工艺。 最优化方法在机构设计和零件设计中应用广泛，效果显著。近十年来，国 内外对整台机器或某一机械系统的设计，采用最优化方法代替原来传统的设计 方法也越
15、来越多。 机构的优化设计从六十年代后期开始得到学速发展，目前已经成为机构学 的重要研究方向之一。 齿轮传动的优化设计可概括为：当传动载荷一定时追求齿轮的体积最小， 或在齿轮体积一定时追求传递的载荷最大。有时也追求齿轮传动的某项或某几 项性能为最佳。齿轮传动的优化设计既可以成为但目标函数的问题，也肯已成 为多目标函数问题。为使齿轮工作可靠，显然齿面的接触应力、齿轮的疲劳弯 曲应力应分别小于或等于许用值或保证一定得的安全裕度。为使齿轮的啮合处 于较好的工作条件下，有时还把吃面同油膜厚度以及润滑油的温升也作为约束 条件。另外，诸如为了避免产生根切、并保持连续啮合、避免齿轮齿顶过分变 尖、均须对设计变
16、量提出某些限制，这些限制也应最为约束条件。 在机械设计中人们希望获得全部最优设计点，但实际的工程问题，很少能 保证满足凸性的要求，即所追求的目标函数往往具有很多个相对的极小点，因 而优化的结果一般为局部最优设计点，或后退一步讲，如果这些都做不到，那 毕业设计 行星齿轮传动减速器设计及三维造型 - 9 - 么优化设计最起码也能将设计方案作出重大改进。这就是我们以前提到过的 “最优化”应被理解为一个相对的概念，而不要把它决对化。实际上，如上所 述，设计人员如能正确地运用最优化方法进行设计，其设计方案与传统方法比 较，一定会有所改善并能避免许多盲目性，显然这刚好是工程设计人员最感兴 趣的。 第第 2
17、 2 章章 传动方案的确定传动方案的确定 2.1.2.1.齿轮传动比较和选择齿轮传动比较和选择 2.1.1.2.1.1.齿轮传动两种大的类型齿轮传动两种大的类型 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
18、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。 2.1.2.2.1.2.定轴轮系和行星轮系的比较定轴轮系和行星轮系的比较 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： 毕业设计 行星齿轮传动减速器设计及三维造型 - 10 - 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
19、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。 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1/2-1/5（即在承受相同的载荷条件下） 。 例，传动比 i7.15，功率为 4400kw 的行星齿轮减速器与普通定轴齿 轮减速器比较如下
20、： 项目行星 齿轮减速器普通定轴齿轮减速器 质量/kg 34716943 高度/m 1.311.80 长度/m 1.291.42 宽度/m 1.352.36 体积/ 3 m 2.296.09 齿宽/m 0.180.41 损失功率/kw 8195 圆周速度/m/s 42.799.4 （2）传动效率高。在传动类型恰当、合理布置的情况下，其效率值可达 0.970.99。 （3）传动比大，可以实现运动的合成和分解。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，其传动比可以达到几千。应该指出，行星齿 轮在传动比很大的情况下，仍然可
21、保持结构紧凑、质量小、体积小等许多优 毕业设计 行星齿轮传动减速器设计及三维造型 - 11 - 点。 （4）运动平稳、抗冲击和振动的能力较强。由于采用了数个行星轮，均 匀的分布在中心轮的周围，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，故行星齿轮的运动平稳，抗冲击能力和振动的能 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。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。 从机构的活动度来分
22、，有一个自由度的行星机构、两个自由度的行星机 构和多自由度的行星机构。从结构形式来分，有KHV 型、2KH 型和 3K 型行星机构三种基本类型。其它的渐开线行星齿轮机构，都可以分解为这 三种基本机构，即可以由这三种基本行星机构复台而成。 通过上述的比较，结合要求：传动比大、质量小、结构紧凑及外廓尺寸 小等，我们选择行星齿轮传动作为减速器的传动型式。 2.2.2.2.选择行星机构的类型选择行星机构的类型 2.2.1.2.2.1.行星机构的类型及特点行星机构的类型及特点 2.2.1.1.2.2.1.1. Z ZX XV V 型渐开线行星机构型渐开线行星机构 如图 1 所示，是 ZXV 型行星机构。
23、它的基本构件是：中心轮Z、 转臂 X 和输出轴 v。这种机构的特点是：将行星轮 a 的旋转运动，通过一个 传动比为 1 的中间机构传递给输出轴 v。这种把行星轮 a 的轴线与输出轴 v 的轴线联结起来，而实现等速传动的机构称为等速比机构，或称为w 机 构。 毕业设计 行星齿轮传动减速器设计及三维造型 - 12 - 图 1. ZXV 行星齿轮机构 ZXV 型渐开线少齿差行星齿轮传动的传动比范围为10100，其传 动效率为 0.750.93。结构紧凑、体积小、加工方便，但行星轮轴承的径 向力较大，使用于中小功率，一般，个别的达到 2045kw；传动 18Pkw 比大，使用于短期工作。采用摆线针轮行
24、星传动，则适用于功率， 100Pkw 任何工作制度，其传动效率为 0.900.97。目前应用较广泛，但制造精度 要求较高，且高速转速。 1500 /min x nr 2.2.1.2.2.2.1.2. 2Z2ZX X 型渐开线行星齿轮机构型渐开线行星齿轮机构 这种行星齿轮机构有两个中心轮 a、b(即 2Z)和转臂(X)，由此三个基 本构件组成，故用符号 2ZX 表示。根据转化机构的传动比的不同，可 12 H i 分为两类。当是0 时，称为正号机构；当0 时，称为负号机构。如图 12 H i 12 H i 2 所示，为 2ZX 型行星机构的常见类型。 图 2 2ZX 型行星机构的常见类型 由于负号
25、机构行星齿轮传动简单、制造容易，外形尺寸小，质量小，传 毕业设计 行星齿轮传动减速器设计及三维造型 - 13 - 动效率高等优点。在结构合理的调价下，通常，其传动比范围为 2.813，传动效率为 0.970.99。目前该传动类型已获得了较广泛的应用。 具有双齿圈行星的负号机构，其合理的传动比范围为716，传动效 率仍较高；但由于采用了双齿圈行星轮，故制造安装较复杂。 具有圆锥齿轮传动的负号机构，主要用于差动行星装置。 具有双啮合的正号传动机构，啮合摩擦系数较大，故其传动效率低，一 般，该机构基本上不用于传递动力。 具有双内啮合的正号机构，其合理的传动比范围为830，其啮合摩擦 损失较小。当传动
26、比小于 50，其传动效率可达到 0.8 以上，但随着传动比 的增加，其效率值也会降低。 少齿差 2ZX 正号机构的合理传动比范围为 30100。但它由于具有少 齿差的内啮合齿轮传动，其啮合摩擦系数较小，故该行星齿轮传动的传动效 率较高，可达 0.9。 2.2.1.3.2.2.1.3. 3Z3Z 型渐开线行星齿轮机构型渐开线行星齿轮机构 这种类型的行星齿轮机构是由三个中心轮a、b、e 和一个转臂 X 组成。 基本构件是三个中心轮，它们承受外力矩的作用。而转臂X 不承受外力矩 的作用，仅起支承的作用，故用符号3Z 表示，如图 3 所示。 图 3 3Z 行星齿轮机构（ 3ZI） 毕业设计 行星齿轮传
27、动减速器设计及三维造型 - 14 - 在 3Z 型行星齿轮传动中，较常见的传动型式有如下三种。 （1）3ZI 具有双齿圈行星轮的 3Z 型行星齿轮传动。它的结构特点 是：内齿轮 b 固定，而旋转的中心轮 a 和 e 分别与行星轮 c 和 d 相啮合。 在各种机械传动种，它已获得广泛的应用。 3Z（I）型较合理的传动比范围 为 20300，其传动效率为 0.80.9。 （2）3Z（II） 具有单齿圈行星轮 c 的 3Z 型行星齿轮传动。该 3Z 型 行星轮的结构特点是：三个中心轮a、b 和 e 同时与单齿圈 c 相啮合；即内 齿轮 b 固定，两个旋转的中心轮 a 和 e 同时与行星轮 c 相啮合
28、。它是一种 较新型的行星齿轮传动，目前该项传动新技术在我国的齿轮传动中已日益广 泛应用。其合理的传动比为 50300，其传动效率为 0.700.84。 （3）3Z（III）具有双齿圈行星轮的 3Z 型行星齿轮传动，它的结构特 点：内齿轮 e 固定，两个旋转的中心轮 a 和 b 同时与行星轮 c 相啮合，而 另外一个行星轮 d 与固定内齿轮 e 相啮合。它的传动比范围和传动效率和 3Z（I）型基本上相同。因此，在实际应用，一般很少采用3Z（III）型行 星齿轮传动。 在此，应该指出的是： 3Z 型行星齿轮传动用于短期间断工作的机械传 动装置中最为合理，它具有结构紧凑、传动比大和传动效率较高等特点
29、。 2.2.2.2.2.2.渐开线行星齿轮传动的发展趋势渐开线行星齿轮传动的发展趋势 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 50000kW，输出转矩已达。据有关资料介绍，人 4500kN mA 们认为目前行星齿轮传动技术的发展方向如下。 （1）标准划、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 化学处理。齿轮制造精度一般在 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
30、得更小。 （3）高转速、大功率 行星齿轮传动机构在高速传动中，如在高速气 毕业设计 行星齿轮传动减速器设计及三维造型 - 15 - 轮机中已获得日益广泛得应用，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。 综上，本次我要设计的减速器以 3 级以下为好，否则，传动效率会很低。 通过对行星齿轮传动的比较，选用2 级级可以满足传动比 14400 的要求。 所设计的减速器不仅要传递运动，且要传递动力，故只有3Z 型满足要求。 在 3Z 型行星传动中， 3Z（I）型和 3Z（II）型的特点基本一样，而 3Z（II）在具有它们的优
31、点同时，还较它们安装要方便，所以选择 3Z（II）型。3Z（II）合理的传动比范围为 64300，那么只能选用 2 级 传动。 最后，传动方案为： 3Z（II）2 级行星齿轮传动。其传动简图如图4 所示 第第 3 3 章章 设计计算设计计算 3.1.3.1.设计任务设计任务 设计一个齿轮传动减速器。 原始条件和数据： 已知该传动的输出转矩 T2000，输入转速，传动比N m 1 120minnr ；且要求该齿轮传动结构紧凑、外廓尺寸较小。14400i 3.2.3.2. 题目分析题目分析 短期间断、传动比大、结构紧凑和外廓尺寸较小。 拟定的设计方案如下图： 毕业设计 行星齿轮传动减速器设计及三维
32、造型 - 16 - 图 4 减速器设计方案（二级 3Z（II）行星齿轮传动） 3.33.3 传动比分配传动系统的运动学和动力学计算传动比分配传动系统的运动学和动力学计算 设计内容计 算 及 说 明结 果 1.计算传动装置 的总传动比和分 配各级传动比 （1）传动装置 总传动比 （2）分配传动 装置各级传动比 2 计算传动装置 总传动比 120 60 14400 0.5 m w n i n bg iii 按平均分配的原则分配传动比，则，120 b i 则120 g b i i i 轴 r/min120 m nn i14400 毕业设计 行星齿轮传动减速器设计及三维造型 - 17 - 的运动和动力
33、参 数 （1）各轴转速 （2）各轴输入 功率 （3）各轴输入 转矩 轴 r/min 120 1 120 b n n i A III 1 0.5 / 120 III g n nr h i A 输出功率 P 0.5 2 2000104.7 60 Tww 则 III 轴1.75 III PPw II 轴 1.75 2.19 0.8 III II b ae P Pw I 轴 2.19 2.70 0.81 II I b ae P Pw 上式中，和分别为二级 3Z（II）行 b ae b ae 星齿轮传动高速级和低速级的传动效率， 根据文献【1】表 24 可查得和的 b ae b ae 值。 III 轴 2000 III TN mA 轴 955020.9 II II II P TN m n A I 轴 N m95500.22 I I I P T n A 120 b i 120 g i 120r/minn 1r/minnA 0.5 w n/r h 2.70kw I P 2.19kw II P 1.75kw w P 0.22TN m A 20.9 II TN mA 2000 III TN mA 毕业设计 行星齿轮传动减速器设计及三维造型 - 18 - 3.4.3.4.传动零件的设计传动零件的设计