两级NGW型行星齿轮传动设计计算及优化

1、两级NGW型行星齿轮传动设计计算及优化摘要：随着社会的不断向前发展和科技进步，齿轮的传动在各行各业都得到了 较快的发展。齿轮传动尤其在园林工具行业得到了广泛的应用，比如外啮合齿轮 传动、锥齿轮传动、斜齿轮传动和NGW型行星齿轮传动等。本方案主要讲述两 级NGW型行星齿轮减速器的设计过程和优化。齿轮制造的精度要求也相对比较 高，一般情况下，齿轮的精度不低于8-7-7级，高速转动的太阳轮和行星轮不低 于5级，内齿轮的精度不低于6级。关键词：两级NGW型行星齿轮；计算；不等角变位；变位系数；强度；精度等级；啮 合角、八刖言目前锂电式园林工具中的绿篱机，在市场经济条件下的激烈竞争下，制造成本的激烈竞

2、争下，所设计和生产制造的产品必须向着轻量化，噪音小，体积小的方向发展。这就迫切需 要研发设计出一套符合体积小，重量轻，噪音小的齿轮传动。所设计的齿轮减速器体积的大 小，直接决定了绿篱机的体积，只有把绿篱机的主要腔体的体积设计的小，才有可能降低材 料成本。一个体积比较大的绿篱机，其材料的成本必然会高，这是我们设计工作者不愿意看 到的现象。而行星齿轮传动，具有效率高，体积小，重量轻，结构简单，制造方便，传动功 率范围大，轴向尺寸小等特点。是设计者首要选择和设计的对象。本文仅仅围绕两级NGW 型行星齿轮减速器的设计计算过程和优化，进行展开分析。那么如何根据本公司的要求，设 计出符合条件的行星齿轮减速

3、器呢？详情如下：原理图一、设计要求：直流电机，电机功率500w，电机转速20800r/min左右，电机的输出轴5mm。设计需 要的切割刀片的速度为1600spm左右。二、设计和计算过程：计算传动比i输入转速n1=20800r/min，输出转速n2=1600spmi= n1/n2=20800/1600=13分配传动比为了减少制造成本，本案的两级NGW型行星齿轮减速器的所有齿轮，在强度等符合条 件的情况下，采用粉末冶金件AE粉，而不是采用机加工的工艺进行，这样大大的减少了机 加工带来的不必要的成本。两级NGW型行星齿轮减速器的强度考核，主要考核的是太阳轮 和行星轮的强度。他们的转速高，强度大。粉末

4、冶金并进行热处理，采用常规的工艺完成设 计。根据机械设计手册新版第3卷，齿轮齿面接触疲劳强度校核调节和要求进行如下参数选 择：（接触疲劳极限材料值）齿轮硬度oHmin1=1350Mpa（接触疲劳极限材料值）齿轮硬度oHmin2=1350Mpa齿面硬化系数ZW1=1齿面硬化系数ZW2=1载荷分布系数KC1=1载荷分布系数KC2=1工作硬化系数ZW1=1工作硬化系数ZW2=1动载系数KV1=1动载系数KV2=1ZW2/ZW1=1工作硬化系数ZW1与ZW2相同（材料和工艺相同）（全部齿轮硬度HBS350）（KV1*KH&1*Z2N2）/（KV2*KH&2*Z2N1）=1.9动载系数KV1，动载系数K

5、V2齿向载荷分布系数KH61，齿向载荷分布系数KH62接触强度的寿命系数ZN1，接触强度的寿命系数ZN2三项乘积的比值范围（硬齿面）（1.8-2）载荷不均匀系数KC1=1.15载荷不均匀系数KC2=1.15直径比B=dB2/dB1=1 （同一齿圈）齿圈的分度圆直径dB1，齿圈的分度圆直径dB2的选择有如下定义：多级行星齿轮传动 传动比分配原则是各级强度之间等强度，并希望获得最小的外廓尺寸，对于两级NGW型行 星齿轮传动，欲使得径向尺寸最小。可使得低速级内齿圈的分度圆直径dB1与高速级的内齿 圈的分度圆直径dB2之比接近于1.行星轮个数Cw1=4根据机械设计手册新版第3卷-表17.2-1选取适合

6、传动比要求的行星轮数目nW1=4二级传动比 i2=i/i1=13/4=3.253.确定模数材料：太阳轮和行星轮的材料为粉末冶金（AE粉）经热处理，齿面的硬度要求为35- 43HRC；屈服极限强度oHmin=300Mpa NGW型行星齿轮传动的效率n=0.97（NGW型行星齿轮传动的效率：0.97-0.99）许用接触应力oHp=275Mpa载荷系数K=1.5输入功率P=0.5Kw，输入转速n1=20800r/min输入扭矩 T1=9550*P/n1=9550*0.5/20800=0.23 N.m设载荷不均匀系数KC=1.15则模数为：m=2* a /（ZA1+ ZC1）m=2*12.097/（1

7、2+12）=1.008=14.确定齿数（计算法配齿）1）高速级由上述知行星轮数目nW1=4确定齿圈ZB由前面得到的模数等条件，结合内部结构设计的齿轮箱体积的限制，即齿轮箱的最大直 径 不大于48mm，由于齿轮箱的材料为PA+GF30，在强度要求的情况下，需要保证齿轮箱的 壁厚为2mm，由此可知齿圈的最大外径为44mm。同时保证齿轮箱和齿圈的配合间隙0.5mm （单边间隙为0.25mm），同时需要保证齿圈的壁厚为2mm左右，所以齿圈的最大外径约DB=39mm，由此可初步计算齿圈的齿数为ZB=37ZB=DB/m-2=39/1-2=37确定太阳轮齿数：ZA1（ibaH*ZA1/nW1=C）；根据ib

8、aH并适当调整且使C等于整数，则可求ZA1=C由公式：ibaH=1+ZB/ZA1=1+37/ZA1=4 可得到 ZA1=C=12.33=12 （保留整数）且保证：ibaH*ZA1/nW1=C为整数，符合设计要求确定行星轮齿数：ZC1=0.5* (ZB-ZA1) =0.5* (36-12) =12为了提高齿轮的承载能力，故采用不等角变位，将所得的行星轮齿数减T来实现变位，所以 ZC1=12-1=112）低速级确定太阳轮齿数 ZA2:由公式 i2=1+ZB/ZA2 可得（i2=1+36/ZA2=3.25）ZA2=16两级行星轮减速公用同一齿圈，第二级的减速比i2=3.25 （由前面设计计算得出）确

9、定行星轮齿数ZC2：ZC2=0.5* （ZB-ZA2）=0.5*（36-16）=105.确定中心距aAC1）高速级中心距aT变位前的中心距 aA1C1=0.5*m*（ZA1+ ZC1）aA1C1=0.5*1* （12+12）=12压力角a=20预取啮合角aA1C1=24.5预取啮合角aC1B=20根据机械设计手册新版第3卷则A1-C1传动中心距的变动系数为yA1C1yA1C1=0.5*（ZA1+ZC1）*（cosa/cosaA1C1-1）=0.5*（12+11）*（cos20/ cos24.5-1）=0.3757则新的（变位后的）中心距a1a1=aA1C1+yA1C1*m=12+0.3757*

10、1=12.38 （保留2位小数）2）低速级中心距a2变位前的中心距 aA2C2=0.5*m*（ZA2+ ZC2）aA2C2=0.5*m*（ZA2+ ZC2）=0.5*1* （10+16）=13 （前述过程已经确定了模数和齿数）压力角a=20预取啮合角aA2C2=24.5预取啮合角aC2B=20则A2-C2传动中心距的变动系数为yA2C2yA2C2=0.5* (ZA2+ZC2) * (cosa/cosaA2C2-1)=0.5* (16+9) * (cos20/ cos24.5-1)=0.4084则新的(变位后的)中心距a2a2=aA2C2+yA2C2*m=13+0.4084*1=13.41 (保

11、留2位小数)确定啮合角aAC高速级啮合角aA1C1cosaA1C1= (aA1C1/aT)*cosa=(12/12.38)* cos20=0.91116所以得高速级的外啮角aA1C1=24.345=24.3。低速级啮合角aA2C2cosaA2C2= (aA2C2/a2)*cosa=(13/13.41)* cos20=0.91107所以得低速级的外啮角aA2C2=24.358=24.4确定变位系数x2AC、xA、xC1)高速级x2A1C1.计算A1-C1传动的变位系数xZA1C1xZA1C1 = (ZA1+AC1)(invaA1C1-inva)/ (2*tana)=(12+11)* (inv24

12、.3-inv20)/ (2*tan20)=(12+11)*(0.027565-0.0149)/(2*0.36397 )=0.4所以行星轮的变位系数为xC1=x2A1C1-xA1=0.4-0.23=0.17 （也可由图16.2-8查得）计算C1-B传动的中心距变动系数Yc1B和啮合角aC1B由前面的计算可得C1-B变位前的中心距为aC1BaC1B=0.5*m*（ZB-ZC1）=0.5*1*（36-12）=12 （mm）则C-B的变位后的中心距为：aC1B= a1=12.38（mm）则变动系数 yC1B=（aC1B-a1）/m=（12.38-12）/1=0.3757由前面的计算可得啮合角的余弦值为

13、：cosaC1B=（aC1B/a）*cosa=（12/12.097）* cos20=0.93所以aC1B=21 （由三角函数计算得）确定齿圈的变位系数xBxZC1B=（ZC1+ZB）（invaC1B-inva）/（2*tana）=（11+36）（inv21- inv20）/（2*tan20）=0.18则齿圈的变位系数xB = xZC1B+xC1=0.18+0.17=0.35综上：模数m=1齿数和变位系数：ZA1=12, ZC1=11, xA1=0.23, xC1=0.17ZA2=16, ZC2=9, xA2=0.23, xC1=0.21ZB=36, xB=0.35根据以上设计计算的结果，利用3

14、D设计软件，形成3D结构设计文件，针对经济款的， DC有刷电机的输出轴的轴径一般为g-5mm，则对应的太阳轮的安装孔也必须是g-5mm， 如下图所示。总结：本文介绍了一种两级NGW型行星齿轮减速器的设计和应用范围的优化，更好的迎合了 市场的发展方向，具备了好的产品必须具备的体积小，轻量化，效率高特征。参考文献：机械设计手册（新版）齿轮手册第2版齿轮制造工艺手册第2版CREO齿轮参数化建模SOLIDWORKS齿轮参数化建模研发项目管理作者简介：张华（1985-），男，安徽阜阳人，工程师。杭州葛高机械有限公司，精加 工车间技术厂长，负责龙门加工中心，数控加工中心，数控车床等加工工艺编制，程序编制。 杭州科龙电器工具有限公司，研发部技术副总工，负责新项目产品的开发，技术参数的排版， 研发流程的修订等。浙江中坚科技股份有限公司，主办工程师，负责新产品的开发设计，技 术瓶颈突破，解决技术难题。曾获得，中级工程师职业资格，杭州萧山区第十届青工五小科 技优胜奖，PTO试验台的设计获得国家农业部科技奖，入选2020年度金华市321专业人才 培