行星齿轮减速器设计及三维建模(5.4)

1、行星齿轮减速器的设计及三维建模 系 部： 自动化工程系 专 业： 机电一体化技术 学 号： G1240111 姓 名： 杨 震 指导教师： 朱 红 娟 日 期：2015年3月6日行星齿轮减速器的设计及三维建模摘 要行星齿轮减速器作为重要的传动装置，在机械、建筑等领域应用非常广泛。它具有体积小、重量轻、结构紧凑、传动比大、效率高、运动平稳等特点。本设计基于这些特点对行星齿轮减速器进行结构设计，并对其进行UG三维建模。首先比较各种类型行星齿轮的特点，确定设计方案及设计方向、确定设计的整体结构；其次根据给定的设计要求，传动比、输入转速、输入功率及工况条件进行减速器的具体结构设计：先对高速级齿轮进行结

2、构设计，然后是低速级齿轮的结构设计，其次对行星架及各部分轴的整体结构设计；最后完成UG的三维建模，并对其模型进行整体的装配。关键词：行星齿轮减速器、行星齿轮、定轴齿轮、三维建模Design of planetary gear reducerAnd 3D modelingAbstract Planetary gear reducer as transmission device is important, used in machinery, construction and other fields widely. It has the advantages of small volume,

3、light weight, compact structure, large transmission ratio, high efficiency, stable motion characteristics. The design is based on the characteristics of planetary gear reducer structure design, 3D modeling and UG on it. The characteristics of various types of planetary gear compared at first, determ

4、ine the design scheme and design direction, determine the overall structure design; secondly, according to the requirements of a given design, transmission ratio, input speed, input power and working condition of concrete structure design of the reducer: first, design the structure of high speed gea

5、r, and then the structure design of low speed gear the second on the planetary frame, and each portion of the shaft design of whole structure; finally completes the 3D modeling of UG, and the whole assembly of the model.Keywords: planetary gear reducer, planetary gear, fixed axis gear, 3D modeling第

6、68 页 共 68 页目 录第一章 绪论61.1 本次课题的意义与目的61.2 国内外研究现状及发展情况61.3 本次课题的主要设计内容7第二章 行星齿轮减速器方案确定82.1 基本参数要求及选择82.2 高、低速级齿轮的选择82.3 行星齿轮减速器方案确定11第三章 行星齿轮减速器高速级结构设计123.1 选取行星齿轮传动的传动类型和传动简图123.2 配齿计算123.3初步计算齿轮的主要参数133.4 啮合参数计算193.5 传动效率的计算203.6齿轮强度校核计算21第四章 行星齿轮减速器低速级结构设计344.1 选择齿轮材料，确定热处理方法344.2 按齿面接触疲劳强度条件计算小齿轮直

7、径354.3 齿轮的主要参数和计算几何尺寸384.4 校核轮齿弯曲疲劳强度404.5 验算齿轮的圆周速度41第五章 行星齿轮减速器轴及行星架的结构设计425.1 输出轴的结构设计425.2 输入轴的结构设计455.3 中间轴的结构设计465.4 行星轴的结构设计475.5 行星架的结构设计485.6 箱体的结构设计49第六章 行星齿轮减速器的三维建模506.1 UG NX 6.0简介506.2 UG NX 6.0 的特点516.3 齿轮、轴、行星架、箱座及箱盖的三维建模526.4 整体的三维建模61第七章 结论65第八章 致谢66参考文献67行星齿轮减速器的设计及三维建模第1章 绪论1.1 本

8、次课题的意义与目的行星齿轮传动与普通的定轴齿轮传动相比较，具有质量小、体积小、传动比大、承载能力强以及传动平稳和传动效率高等优点，这些已经被越来越多的机械工程技术人员所了解和重视，由于应用比较广泛因此，对于学习机电专业的学生来说，了解更多的机械知识更多的尝试问题那就更是有必要了，为了使这种设计更加高效的利用起来，更加的普遍，使印象更加深刻，只有自己动手探索研究才能得到更深的了解和记忆，只有这样才能更好地应用。对于本课题的研究，也是为了更好地掌握机械设计的过程和方法，包括参数的选择，传动的设计，结构的计算，培养系统分析及设计的能力。综合利用过去所学的知识，提高联系实际和综合分析的能力，进一步巩固

9、加深和拓展所学的知识。训练提高设计的基本技能，熟悉CAD、UG等软件的应用。培养独立思考的能力，规范课题研究的步骤和标准。1.2 国内外研究现状及发展情况 20世纪80年代，世界齿轮技术有了很大的发展。产品发展的总趋势是小型化、高速化、低噪声、高可靠度。技术发展中最引人注目的是：硬齿面技术功率分支技术和模块化设计技术。 20世纪80年代，国外硬齿面齿轮技术日趋成熟。采用优质合金钢锻件渗碳淬火磨齿的硬齿面齿轮，精度不低于ISO1328-1975的6级，综合承载能力为中硬齿面调质齿轮的4倍，为软齿面齿轮的56倍。一个中等规格的硬齿面齿轮减速机的重量仅为软齿面齿轮减速器的三分之一左右。功率分支技术，

10、主要指行星及大功率的功率又分支及多分支装置，如中心传动的水泥磨机主减速器，其核心技术是重载。 模块化设计技术，对通用和标准减速器指在追求高性能和满足用户多样化大覆盖面需求的同时，尽可能减少零部件毛坯的品种规格，以便于组织生产，使零部件生产形成批量，降低成本，取得规模效益。这些技术的应用和日趋成熟，使齿轮产品的性能价格比大大提高，产品越来越完美。近20多年来，尤其是我国改革开放以来，随着我国科学技术的进步与发展，我国已从世界上许多工业发达国家引进了大量的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，与时俱进开拓创新的努力奋斗，使我国行星齿轮传动技术有了迅速的发展。通过不懈的努力我

11、国的行星齿轮传动也有了可观的成果，技术也基本的成熟，在各行各业也有了广泛应用。在这段过程中，我国的高速齿轮技术经历了测绘仿制、技术引进（和技术攻关）到能独立设计制造三个阶段。现在我国自己的设计制造能力基本上可满足国内生产需要，设计制造的最高参数为：最大功率44MW，最高线速度168m/s，最高转速6700r/min。1.3 本次课题的主要设计内容本次课题主要研究的是行星齿轮减速器的齿轮大小进行计算、强度进行校核，在对其轴、行星架结构尺寸进行设计，然后利用UG三维软件把结构画出，最后对其结构合理性进行分析，最终得出相关的结论，确定应有的尺寸。1、 分析行星齿轮机构传动方案；2、 确定轮系齿轮的齿

12、数、模数；3、 确定轴、行星架的各项参数；4、 校核齿轮的接触和弯曲强度；5、 利用UG三维软件对行星轮进行三维建模。第二章 行星齿轮减速器方案确定2.1 基本参数要求及选择2.1.1 基本参数的要求 传动比：i=16 输入转速：n=960r/min 输入功率：P=3kw 行星轮个数：1 工作时间：15年（每年300天，每天工作12小时）2.1.2 电动机的选择根据输入转速和输入功率选择电动机的型号为：Y132S-6电机参数：额定功率：P=3KW 满载转速：n=960r/min 工作效率：=83%2.2 高、低速级齿轮的选择2.2.1 轮系的选择确定根据设计要求，行星轮个数为一个，为了满足设计

13、要求，总体的轮系设计应选择混合轮系，因为混合轮系可以获得更大范围的传动比，实现多路传递、得到多速，所以选择轮系为混合轮系，选第一级为行星齿轮系，第二级为定轴轮系。常用的行星齿轮种类很多按其基本构件可分为2Z-X型、3Z型、Z-X-V型三大类。其他的形式都是这三类的演变和改造。按其啮合方式分类可分为NGW、NW、WW、NN、NGWN、N等这几种类型，其传动类型和其特点如表2.2-1所示。在本设计中为满足要求，既满足适使用范围和性能要求，选择行星齿轮中最简单的NGW型齿轮作为第一级。表2.2-1 常用行星齿轮传动的传动类型及其特点序号传动类型传动件图（代号）传动比i范围传递功率P合理范围/kw传动

14、效率值特点及应用按基本构建分类按啮合方式分类12Z-X负号机构NGW=2.8-13推荐值3-9P值不限0.97-0.99效率高，体积小，质量小，结构简单，制造方便适用于任何工况下的大小功率的传输2NW=1-50推荐值7-17P值不限0.97-0.99其特点与A型相类同，但它的径向尺寸小，传动比范围较大，制造安装较复杂32Z-X负号机构WW=1/2P60当a轮固定时滚动轴承0.98滑动轴承0.95-0.96具有差动机构的特点，可以进行运动的合成与分解；主要应用于汽车坦克自行火炮等动力装置中作为差速器42Z-X正号机构WW由1.2到几千基本上不用于传递动力短期工作P20一般情况下效率较低，且随着传

15、动比的增加效率急剧下降传动比大，效率低，制造安装不方便，主要用于传递运动；当传动比要求很大而传动效率无实际意义时方可采用52Z-X正号机构NN推荐值8-30P40一般效率较低0.75-0.8传动比大，效率低；适用于短期短期间断工作的运动；当转臂X为输出件时传动比大于某一值后，E型传动将产生自锁6NN推荐值30-100传动小功率传动比可达1000以上P40当传动比为10-100时效率为0.7-0.9具有少齿差的双内啮合传动其效率可达到0.85以上；适用于中小功率的动力传动73Z型NGWN传动较小功率时500；推荐值20-100短期工作，P120；长期工作，P100.8-0.9效率值随|i|增加而

16、降低结构紧凑，传动比范围较大，制造安装较复杂；适用于短期间断工作的中小功率的动力传动8NGWN60-500推荐值64-3000.70-0.84结构更紧凑，制造安装相对方便，但由于采用单齿圈行星轮尚需进行角度变位，才能满足同心条件因而使其传动效率有所降低；用于短期间断工作的传动最合理9NGWN传递较小功率时500推荐值20-1000.80-0.90效率值随|i|增加而降低结构紧凑，传动比范围较大，制造安装较复杂；用于间断工作的中小功率的动力传动；2.2.2 齿轮材料、性能及精度高速级太阳轮和行星轮采用硬齿面，以提高承载能力，减低尺寸，内齿轮用软齿面，便于切削。低速级部分采用软齿面。具体情况见表2

17、.2-2。原始数据显示，输入转速960r/min输入功率为3KW因此，采用压力角为=20的直齿轮传动，精度等级为6级。表2.2-2 齿轮材料、性能及精度齿轮材料热处理 (N/mm) (N/mm)加工精度太阳轮20CrMnTi渗碳淬火HRC58-6214003756级行星轮267.5内齿轮40Cr调质HBS240-2856502757级小齿轮大齿轮45钢调质HBS217-2555802902.2.3 减速器总传动比的分配确定机械中除广泛使用的定轴轮系和行星轮系外，还大量使用由定轴轮系和行星轮系或由几个行星轮系组合而成的齿轮，这种齿轮系成为混合齿轮系。计算混合轮系传动比的步骤一般为，先区分轮系中的

18、行星轮系部分和定轴轮系部分，然后分别列出行星轮系部分和定轴轮系部分的传动比公式，并代入已知数据，最后找出行星轮系部分和定轴轮系部分之间的关系，并联立求解即可求出组合轮系中间轮系之间的传动比。2.3 行星齿轮减速器方案确定综合设计要求，设计方法步骤等原因，确定行星齿轮减速器第一级采用NGW型行星齿轮，第二级采用定轴轮系的总体为混合轮系的形式设计。来满足设计的要求和设计的需要。NGW型行星齿轮由内外啮合和公用行星轮组成，结构简单、轴向尺寸小、工艺性好、效率高、NGW型传动比较小，结合设计的要求，输入功率为3KW、传动比为16的相关要求，所以定为NGW型行星齿轮传动。NGW型传动比一般为3-9结合实

19、际要求，分配第一级行星齿轮的传动比为5,第二级的定轴轮系传动比为3.2第三章 行星齿轮减速器高速级结构设计3.1 选取行星齿轮传动的传动类型和传动简图 根据设计要求，间断工作，结构紧凑，轮廓齿轮设计合理等传动特点,NGW型行星齿轮的传动类型与特点可知 NGW型符合设计要求，选用此较合理，其传动简图如下图3.1-1:图3.1-1 NGW型传动简图3.2 配齿计算 关于最少齿轮的选取，为了尽可能的缩小2Z-X(A)型行星齿轮传动的径向尺寸，在满足给定的传动比的条件下，中心轮a和行星轮c的尺寸应尽可能小。因此，应该选用最少齿数，但实际上它受到轮齿根切和齿轮能否安装轴承或能否安装到轴上去的限制。一般情

20、况下，齿轮a的最少齿数的范围为14-19；对于中小功率的行星齿轮，有时为了实现行星减速器外轮廓尺寸尽可能小的原则，在满足轮齿弯曲强度的条件下，允许其齿轮产生轻微的根切；因此，对于角度变位传动，其最少齿数可选取为10-13个，应该指出：在对b轮齿数进行圆整后，此时实际的p值稍有变化，但必须控制在其传动比误差范围内。一起传动比误差，综合以上因素,实际传动比和假设传动比之间差距最小要求，按非变位要求选择按传动比条件：若令Y=则有可知：Y=519=95 同时为满足安装条件： 其中c为整数则Y=96 c=32根据行星齿轮传动的同心条件：得实际的传动比为：则配齿计算结果是： 表3.2-1 2Z-X(A)行

21、星齿轮传动的配齿1929775.05263.3初步计算齿轮的主要参数齿轮材料和热处理的选择：太阳轮和行星轮均采用20CrMnTi,渗碳淬火处理，齿面硬度58-62HRC，查图3.3-1，取太阳轮和，取行星轮和太阳轮和行星轮的加工精度均取6级，内齿轮b采用40Cr，调质处理，齿面硬度262-286HB；查图3.3-2，取内齿轮的和，内齿轮的加工精度为7级。图3.3-1 渗碳淬火钢和的和图3.3-2 调质钢的和 电动机工作效率为电动机与输入轴间弹性柱销联轴器之间的效率为则输入功率为：=2.4651Kw则太阳轮的传递扭矩为：Nm按齿面接触强度初算太阳轮分度圆直径 =25.803mm式中，“+”号用于

22、外啮合，“”号用于内啮合； 表3.3-1 齿面接触强度有关参数代号名称说明取值算式系数对于钢对钢配对的齿轮副，直齿轮传动，取768768名义转矩太阳轮的传递扭矩8.173使用系数查表3.3-2 轻微冲击1.25综合系数查表3.3-3 行星轮数为31.80行星轮间载荷分布不均匀系数查图3.3-3 行星架浮动6级精度1.20齿数比即29/19齿宽系数查表3.3-4 0.75接触疲劳极限查图3.3-1，且取和中的较小值1400表3.3-2 使用系数的选择原动机工作特点工作机的工作特点均匀平稳轻微冲击中等冲击严重冲击均匀平稳（电动机、汽轮机、燃气轮机）1.001.251.501.75轻微冲击电动机（常

23、启动）、燃气轮机（大的）1.101.351.601.85中等冲击（多缸内燃机）1.251.501.752.0严重冲击（单缸内燃机）1.501.752.02.25工作机工作特点举例发电机、带式运输机、螺旋输送机、轻型升降机、轻型离心机、离心泵、齿轮传动装置、电动葫芦、通风机、机床进刀传动装置链式运输机、机床主驱动装置、重型升降机、起重机的齿轮传动装置、重心离心机、多缸活塞泵、给水泵、挤压机、矿用通风机橡胶挤压机、球磨机（轻型）、木工机械、提升装置、单缸活塞泵等挖掘机、橡胶混炼机、破碎机（石料）、压砖机、钻探机、球磨机（重型）、轧钢机表3.3-3 综合系数和的选择行星轮数行星轮数31.8-2.41

24、.6-2.232-2.71.8-2.4图3.3-3 载荷分布不均匀系数的选择表3.3-4 行星齿轮传动齿宽系数的选择传动类型a-c齿轮副B-c齿轮副c-d齿轮副b-d齿轮副2Z-X(A)0.10-0.18按弯曲强度的初算公式， 计算齿轮的模数m为： = =1.1386mm 查表3.3-5 渐开线圆柱齿轮模数GB表，则取齿轮模数m=1.25mm；mm与初算=25.803mm接近，故取 =23.75mm m=1.25mm表3.3-5 渐开线圆柱齿轮模数表3.3-6 齿根弯曲强度有关参数代号名称说明取值算式系数对于直齿轮传动=12.112.1综合系数查表3.3-3 行星轮数为31.6行星轮间载荷分布

25、不均匀系数1.3小齿轮齿形系数查图3.3-42.84齿轮副中小齿轮齿数小齿轮齿数为1919齿轮弯曲疲劳极限查图3.3-2选取，且取和中较小的值267.5图3.3-4 小齿轮齿形系数的选择3.4 啮合参数计算计算各个齿轮的参数取、太阳轮各参数： 分度圆直径： 齿顶圆直径： 齿根圆直径：行星轮各参数： 分度圆直径： 齿顶圆直径： 齿根圆直径：内齿轮各参数： 分度圆直径： 齿顶圆直径： 齿根圆直径：整理后可得如下表 表3.4-1的各参数值表3.4-1 高速级齿轮基本几何尺寸齿轮分度圆直径齿顶圆直径齿根圆直径齿宽太阳轮23.7526.2520.62520行星轮36.2538.7533.12520内齿轮

26、96.2593.7599.375203.5 传动效率的计算式中为转化机构的效率 各啮合副的效率为=0.987 =0.997转化机构效率为=0.987X0.997=0.984转化机构传动比=-77/19=-4.053则传动效率=0.9873.6齿轮强度校核计算3.6.1 齿面接触强度的校核计算根据国家标准“渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法”，该标准系把赫兹应力作为接触应力的计算基础，并用来评价齿轮的接触强度。赫兹应力是齿面间应力的主要指标，但不是产生点蚀的唯一原因。列如，在接触应力计算中未考虑滑动的大小和方向、摩擦因数和润滑状态等，这些都会影响到齿面的实际接触应力。齿面接触强度校核计算时，取节点和

27、单对齿轮齿啮合区内界点的接触应力中的较大值，而小齿轮和大齿轮的许用接触应力要分别计算。（1） 外啮合齿面接触应力在行星齿轮传动的啮合齿轮副中，其齿面接触应力可按下式计算，即查参考文献中书（1）公式6-51、6-52、6-53 表3.6.1-1 外啮合齿面接触应力有关参数代号名称说明取值使用系数查表3.3-2 轻微冲击1.25动载系数查图3.6.1-1 6级精度1.01齿向载荷分布系数、1.065齿间载荷分配系数查表3.6.1-2 6级精度、非硬齿面直齿轮1行星轮间载荷分配不均匀系数行星架浮动 查图3.3-31.20端面内分度圆上切向力833.68小齿轮分度圆直径23.75mm23.75工作齿宽

28、指齿轮副中较小齿轮18齿数比1.526节点区域系数对于可查图3.6.1-3得到、2.5弹性系数弹性系数与齿轮的配对材料有关，钢对钢取189.8189.8重合度系数、查图3.6.1-2可得0.9螺旋角系数直齿、1 图3.6.1-1 动载系数的选择 图3.6.1-2重合度系数的选择 表3.6.1-2 齿间载荷分配系数和100N/mm，则取=。5.表中为重合度系数，为弯曲强度计算的重合度系数。6.本表也适用于灰铸铁和球墨铸铁齿轮的计算。图3.6.1-3 节点区域系数的选择接触应力基本值 接触应力 =974.6（2） 外啮合齿面许用接触应力 许用接触应力可按下式计算，即 表3.6.1-3 外啮合齿面许

29、用接触应力有关参数代号名称说明取值齿轮接触疲劳强度由表2.2-1可知 接触疲劳强度为14001400最小安全系数按较高可靠度，查表3.6.1-41.25寿命系数15年、每年300天，每天工作12小时查图3.6.1-4 1润滑剂系数查图3.6.1-5 1.03速度系数查图3.6.1-60.95粗糙度系数查图3.6.1-71.01工作硬化系数内齿轮均为硬齿面，查图3.6.1-81尺寸系数查表3.6.1-51表3.6.1-4 最小安全系数和的选择可靠性要求最小安全系数可靠性要求最小安全系数高可靠性1.5-1.62.00一般可靠性1.00-1.11.25较高可靠性1.25=1.31.60低可靠性0.8

30、51.00注：一般齿轮传动不推荐采用低可靠度的安全系数值图3.6.1-4 接触强度 寿命系数的选择 图3.6.1-5 润滑剂系数的选择 图3.6.1-6 速度系数的选择 图3.6.1-7 粗糙度系数的选择 图3.6.1-8 工作硬化系数 的选择 表3.6.1-5 接触强度尺寸系数的选择材料备注调质钢、结构钢1.0短时间液体渗氮钢；气体渗氮钢1.067-0.005630时，取=30渗碳淬火钢、感应或火焰淬火表面硬化钢1.076-0.010930时，取=30注：表中为齿轮法向模数，mm。许用接触应力 =1106.88故，外啮合齿面接触强度符合使用要求（3） 内啮合齿面接触应力及齿面许用接触应力 内

31、啮合齿面接触应力及齿面许用接触应力计算公式相同，只是符号不同，其中大多数取值也与外啮合相同，不同的参数取值如下：、 =368.41 =467.96 =563.13故1太阳轮齿根圆角敏感系数查图3.6.2-2 0.96行星轮齿根圆角敏感系数查图3.6.2-2 0.97齿根表面状况系数、查图3.6.2-3 1.045尺寸系数查表3.6.2-3 1弯曲强度的最小安全系数按较高可靠度，查表3.6.1-41.6 图3.6.2-2 齿根圆角敏感系数 图3.6.2-3 相对齿根表面状况系数 表3.6.2-3 弯曲强度计算的尺寸系数的选择材料备注结构钢、调质钢、球墨铸铁（珠光体、贝氏体）、珠光体可锻铸铁1.0

32、3-0.006当30时，取=30mm渗碳淬火钢和全齿廓感应或火焰淬火钢、渗氮钢或渗碳共渗钢1.05-0.01当25时，取=25mm灰铸铁、球墨铸铁（铁素体）1.075-0.015当25时，取=25mm太阳轮：齿根许用应力 =470.25故，太阳轮的齿根弯曲极限符合使用要求；行星轮：齿根许用应力 =338.94故，行星轮的齿根弯曲极限符合使用要求；（3）内啮合齿根应力及齿根许用应力 内啮合齿根应力及齿根许用应力计算公式相同，只是符号不同，其中大多数取值也与外啮合相同，不同的参数取值如下：、 故350HBS对称布置0.8-1.40.4-0.9非对称布置0.6-1.20.3-0.6悬臂布置0.3-0

33、.40.2-0.25表4.2-3 材料的弹性系数小齿轮材料大齿轮材料钢铸钢球墨铸铁灰铸铁钢189.9188.9181.4162.0铸钢-188.0180.5161.4球墨铸铁-173.5156.6灰铸铁-143.7注：通常，应使大小齿轮硬度趋于相等，故表中只取小齿轮材料优于大齿轮材料。4.3 齿轮的主要参数和计算几何尺寸（1） 确定齿轮齿数 选小齿轮齿数为，则大齿轮齿数为： （2） 计算齿轮模数 =61.6218/20 =3.081mm(3) 计算载荷系数K 根据V=0,507m/s，7级精度，可查得动载荷系数=1.02 查的使用系数=1.25 查的齿间载荷分配系数=1 由7级精度，小齿轮相对

34、支承对称分布，查的齿向载荷分布系数=1.419 故载荷系数K为 =1.251.0211.419 =1.81 按实际的载荷系数校验所算的小齿轮分度圆直径 =54.8mm（4） 确定齿轮模数m =54.8/20 =2.74mm 对比结果，由齿面接触强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，根据表4.3-1，及齿轮齿轮模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，仅与齿数直径有关，可取由弯曲强度所得的模数2.74就近圆整为标准值m=2.5,可得m为2.5mm（5） 确定大、小齿轮的齿数按照接触强度算得的分度圆直径=54.8mm算出小齿轮齿数 =54.8/2.5 =21.92，取=23大齿轮的齿数 =3.223 =73.6，取=74 （6） 确定大、小齿轮分度圆直径、 =232.5 =57.5mm =742.5 =185mm（7） 确定齿轮宽度b =157.5 =57.5mm，取b=60mm齿轮宽度的尺寸尾数应为0或5，为便于安装mm所以可得大、小齿轮的齿轮宽度为 （8） 确定齿轮传动中心距a =2.5（23+74）/2 =121.25mm