《畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）輪式裝載機(jī)ZL30 變速箱——超越離合器及換檔行星排設(shè)計(jì)及PROE三維造型分析》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）輪式裝載機(jī)ZL30 變速箱——超越離合器及換檔行星排設(shè)計(jì)及PROE三維造型分析（69頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書1目錄1.1.引言引言.1 11.1輪式裝載機(jī)變速箱發(fā)展背景.11.2輪式裝載機(jī)變速箱功能及設(shè)計(jì)要求.21.3輪式裝載機(jī)變速箱的分類.31.4本課題設(shè)計(jì)難點(diǎn).52 2ZL30ZL30 輪式裝載機(jī)變速箱總體設(shè)計(jì)輪式裝載機(jī)變速箱總體設(shè)計(jì) .5 52.1輪式裝載機(jī)變速箱傳動原理概述.62.2總體設(shè)計(jì)中的參數(shù)選擇.73 3ZL30ZL30 變速箱超越離合器的設(shè)計(jì)變速箱超越離合器的設(shè)計(jì) .9 93.1超越離合器概述：.93.2超越離合器的種類及其分析比較.93.3超越離合器的工作原理.113.4超越離合器的失效分析.143.5超越離合器的設(shè)計(jì)計(jì)算.163.6 超越離合器主要參數(shù)

2、的選擇 .213.7超越離合器設(shè)計(jì)改進(jìn)的幾種新思路簡介：.234 4行星排的設(shè)計(jì)行星排的設(shè)計(jì).24244.1行星排的基本概念.244.2行星排的分析.244.3行星排的配齒條件.334.4行星排參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算.365 5油路及電氣原理設(shè)計(jì)油路及電氣原理設(shè)計(jì).46465.1變速箱控制油路設(shè)計(jì).465.2變速箱控制電氣設(shè)計(jì).47目錄26 6三維造型設(shè)計(jì)三維造型設(shè)計(jì).49496.1PRO/E 軟件簡介 .496.2變速箱零件造型.496.3變速箱裝配圖.51總結(jié)總結(jié).5454致謝致謝.5555參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).5656附表一：附表一：PLCPLC 電路設(shè)計(jì)編程程序表：電路設(shè)計(jì)編程程序表： .5858

3、附表二：行星排齒輪參數(shù)計(jì)算程序（附表二：行星排齒輪參數(shù)計(jì)算程序（C C 語言程序）語言程序） .5959長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書11. 引言引言此次畢業(yè)設(shè)計(jì)根據(jù)學(xué)校、學(xué)院的安排及老師的精心布置，本人選擇了輪式裝載機(jī) ZL30 變速箱超越離合器及換檔行星排設(shè)計(jì)及PRO/E 三維造型分析這個課題。輪式裝載機(jī) ZL30 變速箱的設(shè)計(jì)綜合了大學(xué)四年內(nèi)所學(xué)的基本知識，能夠比較全面的考核我的專業(yè)知識和綜合能力。輪式裝載機(jī) ZL30 變速箱在市場上占有很大比例，選擇此課題具有很強(qiáng)的實(shí)用性，能夠幫助我在畢業(yè)設(shè)計(jì)的同時很好地了解工程機(jī)械行業(yè)在社會上的重要性。對于課題中的輪式裝載機(jī) ZL30 變速箱整機(jī)設(shè)計(jì)則是

4、由三個同學(xué)共同完成，本人負(fù)責(zé)對變速箱中的中間軸（工程行業(yè)上習(xí)慣叫二軸）進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)計(jì)算。二軸設(shè)計(jì)主要包括超越離合器、換檔行星排及液壓控制等的測算。然后還負(fù)責(zé)將設(shè)計(jì)出來的變速箱轉(zhuǎn)化為 PRO/E 三維造型。PRO/E 軟件在現(xiàn)代企業(yè)中運(yùn)用得比較普遍，作為大學(xué)本科畢業(yè)生有必要對其進(jìn)行一定的了解并能完成相關(guān)一些操作。由于是三個同學(xué)同時完成整機(jī)設(shè)計(jì)，因此在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中還要求我們隨時注意商量協(xié)作，有助于培養(yǎng)我們的集體觀念和團(tuán)結(jié)協(xié)作能力。1.1輪式裝載機(jī)變速箱發(fā)展背景輪式裝載機(jī)變速箱發(fā)展背景輪胎式裝載機(jī)是一種廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、港口、碼頭、煤炭、礦山、水利、國防等工程和城市建設(shè)等場所的鏟土運(yùn)輸機(jī)械。

5、其主要功能是對松散物料進(jìn)行鏟裝及短距離運(yùn)輸作業(yè)。它是工程機(jī)械中近年來發(fā)展最快、產(chǎn)銷量及市場需求最大的機(jī)種之一。 我國現(xiàn)代輪式裝載機(jī)起始于 20 世紀(jì) 60 年代中期的 Z435 型（由天工所和柳工合作引進(jìn)制造） 。該機(jī)為整體機(jī)架、后橋轉(zhuǎn)向。經(jīng)過幾年的努力，在吸收當(dāng)時世界最先進(jìn)的輪式裝載機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，成功開發(fā)了功率為 162KW第一章 引言 2的鏟接式輪式裝載機(jī)，定型為 Z450（即后來的 ZL50） ，并于 1971 年12 月 18 日正式通過專家鑒定。現(xiàn)在我國的裝載機(jī)無論是在技術(shù)上還是產(chǎn)量上都獲得了長足的發(fā)展，其中 ZL30、ZL40、ZL50 系列裝載機(jī)已被大量運(yùn)用于祖國建設(shè)的各個領(lǐng)域

6、。目前，國內(nèi)裝載機(jī)傳動系統(tǒng)多采用兩前一后（一擋、直接擋兩個前進(jìn)檔一個后退擋）變速箱和雙渦輪液力變矩器。液力變矩器與超越離合器配合工作，使裝載機(jī)能夠根據(jù)具體工況自動調(diào)節(jié)輸出扭矩以適應(yīng)外界阻力的變化。在裝載機(jī)的傳動系統(tǒng)中，變速箱有著舉足輕重的作用。一般來說，變速箱性能的好壞直接影響整個裝載機(jī)性能的優(yōu)劣。并且，一旦設(shè)計(jì)出的變速箱被裝到裝載機(jī)上以后，其維修和更換將花費(fèi)很大的人力物力。所以，工程機(jī)械行業(yè)中的企業(yè)都非常注重變速箱的設(shè)計(jì)生產(chǎn)。1.2輪式裝載機(jī)變速箱功能及設(shè)計(jì)要求輪式裝載機(jī)變速箱功能及設(shè)計(jì)要求從整體上說，變速箱具有以下一些功用：(1)改變發(fā)動機(jī)和車輪(或驅(qū)動鏈輪)間的傳動速比，從而改變機(jī)械的行

7、駛速度和牽引力，以適應(yīng)作業(yè)和行駛工況的需要。(2)使機(jī)械能倒退行駛。(3)可切斷傳給行走裝置的動力(即所謂掛空檔)，能使發(fā)動機(jī)動力不傳給行走裝置，在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，機(jī)械能長期停車、便于發(fā)動機(jī)起動和有利于停車的安全。為了能夠使得上述功用得到應(yīng)用，設(shè)計(jì)時對變速箱有如下要求：(1)具有足夠的檔位和合適的傳動比，以滿足使用要求，使機(jī)械能在合適的牽引力和速度下工作，具有良好的牽引性和燃料經(jīng)濟(jì)性以及高的生產(chǎn)率。(2)變速箱應(yīng)工作可靠、使用壽命長、傳動效率高、結(jié)構(gòu)和制造簡單、拆修方便。長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書3(3)換檔應(yīng)輕便，不允許出現(xiàn)同時掛兩個檔，自動脫檔和跳檔等現(xiàn)象。(4）換檔離合器能平穩(wěn)結(jié)合。

8、1.3輪式裝載機(jī)變速箱的分類輪式裝載機(jī)變速箱的分類現(xiàn)在對變速箱從總體上進(jìn)行類型分析：1.3.1按操縱方式分類(1)人力換檔用人力來撥動齒輪或嚙合套進(jìn)行換檔，其工作原理，如圖 121 所示齒輪與軸連接的幾種情況：圖 12l(c)為固定連接，它表示齒輪與軸固定連接。 一般用花鍍或鍵與軸連接，并軸向定位于軸上，不能軸向移動。 圖 121(d)為空轉(zhuǎn)連接， 它表示齒輪通過軸承支承在軸上能相對轉(zhuǎn)動，而不能軸向移動。 圖 121(e)為滑動連接，它表示齒輪通過花鍵與軸連接，可軸向移動，而不能相對轉(zhuǎn)動。 撥動滑動齒輪換檔，如圖 121(d)所示。雙聯(lián)沿動齒輪 ab 與軸用花鍵連接，撥動該雙聯(lián)齒輪，使齒輪對

9、a-a或 bb相嚙合，從而改變了傳動速比，即所謂換檔。 撥動嚙合套換檔， 如圖 121(b)所示。嚙合齒輪 c、d，通第一章 引言 4過軸承支承在軸上，嚙合套轂 e 和軸固定連接，嚙合套 f 通過鍵齒和嚙合套轂 e 連接。嚙合套相當(dāng)于一只牙嵌式離合器，當(dāng)嚙合套移至與齒輪 c(或 d)上的牙嵌齒相接合時，齒輪 c(或 d)便和軸固接一起旋轉(zhuǎn)。動力經(jīng) c-c齒輪對或 dd齒輪對傳出。 (2)動力換檔 動力換檔的工作原理，如圖 122 所示。 圖 122 中表示齒輪通過軸承支承在軸上，它與軸的結(jié)合和分離通過離合器來實(shí)現(xiàn)。與嚙合套換檔相同之處是齒輪和軸空轉(zhuǎn)連接，不同之處是齒輪和軸的接合和分離不是通過嚙

10、合套而是通過離分器，這個離合器的分離和接合一般是用油壓操縱的。 油壓操縱的壓力源是由發(fā)動機(jī)帶動的油泵提供，離合器的接合和分離靠的是發(fā)動機(jī)的動力，所以稱為動力換檔。 人力換檔變速箱，結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、制造方便、重量輕、傳動效率高，但是人力操縱勞動強(qiáng)度大。同時，人力換檔變速箱換檔時，動力切斷的時間較長，這些因素影響了機(jī)械的生產(chǎn)率，并使機(jī)械在惡劣路面上行駛時通過性差。動力換檔變速箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難、要求高、重量重、體積大而且由于換檔元件(離合器或制動器)上有摩擦功率損失，傳動效率較低。但是動力換檔操縱非常輕便簡單，換檔快，換檔時動力切斷的時間可降低到最低限度，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷下不停車換檔，大大有利于

11、生產(chǎn)率的提高。長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書5 由于轉(zhuǎn)載運(yùn)輸機(jī)械換檔頻繁，迫切需要改善換檔操作。因此，雖然動力換檔變速箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，但隨著制造水平的提高，動力換檔變速箱在裝載運(yùn)輸機(jī)械上的應(yīng)用愈來愈廣。1.3.2按輪系型式來分類 定軸式變速箱 變速箱中所有齒輪都有固定的回轉(zhuǎn)軸線。定軸式變速箱換檔方式可能有兩種型式：人力換檔和動力換檔。 行星式變速箔變速箱中有些齒輪的軸線在空間旋轉(zhuǎn)。有旋轉(zhuǎn)軸線的齒輪叫做行星輪，它在空間有兩個運(yùn)動：自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)。因此我們叫這類變速箱為行星齒輪變速箱。行星變速箱只有動力換檔一種方式。1.4本課題設(shè)計(jì)難點(diǎn)本課題設(shè)計(jì)難點(diǎn)ZL30 變速箱中二軸（包括超越離合器總成和換檔行

12、星排總成，以下論文中統(tǒng)稱二軸）是整個變速箱中的重要中間軸部分，二軸中的超越離合器和雙渦輪液力變矩器聯(lián)合工作，顯著提高了液力變矩器在小傳動比范圍內(nèi)的變矩系數(shù)和效率，拓寬了高效工作區(qū)域，并且提高了傳動效率，改善了裝載機(jī)牽引性能。但超越離合器在凸輪面上和外環(huán)齒輪內(nèi)滾道上承受非常大的接觸應(yīng)力，所以如何改善超越離合器的受力狀況使其接觸應(yīng)力得到降低成為了設(shè)計(jì)的重中之重，又由于受到加工技術(shù)和尺寸要求的限制，選取怎樣的設(shè)計(jì)參數(shù)則成為了其中的難點(diǎn)。而對于換檔行星排的設(shè)計(jì)來說，由于行星排是各零件聯(lián)合工作部件，其配齒關(guān)系是設(shè)計(jì)時所需考慮的最重要的問題。行星排的傳動比計(jì)算也是每一個設(shè)計(jì)者所要進(jìn)行的基本計(jì)算。 第一章

13、引言 22ZL30 輪式裝載機(jī)變速箱總體設(shè)計(jì)輪式裝載機(jī)變速箱總體設(shè)計(jì) 輪式裝載機(jī)在現(xiàn)代社會上已經(jīng)應(yīng)用了很長一段時間，其類型根據(jù)第二章 ZL30 輪式裝載機(jī)變速箱總體設(shè)計(jì) 6裝載機(jī)斗容的大小分為 30、40、50、60（即斗容分別是 3 噸、4 噸、5 噸、6 噸）等，這幾種也是我國現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的裝載機(jī)類型。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，我國工程機(jī)械行業(yè)內(nèi)對裝載機(jī)的研發(fā)水平基本上還停留在研發(fā)試制 6 噸位上。但對于 30 裝載機(jī)已經(jīng)具有相當(dāng)成熟的技術(shù)水平，因此，本設(shè)計(jì)廣泛借助了國內(nèi)各種裝載機(jī)設(shè)計(jì)資料，在總體設(shè)計(jì)上沿襲了許多企業(yè)的裝載機(jī)變速箱設(shè)計(jì)思路。2.1輪式裝載機(jī)變速箱傳動原理概述輪式裝載機(jī)變速箱傳動原理概述

14、本次設(shè)計(jì)的變速箱根據(jù)要求是與雙渦輪液力變矩器聯(lián)合工作的，故在中間輸入軸上采用超越離合器與液力變矩器的雙渦輪配合工作，其中液力變矩器一級渦輪通過變速箱一級輸入軸齒輪與超越離合器外環(huán)齒輪嚙合，而二級渦輪則通過二級輸入軸齒輪與中間輸入軸齒輪（亦即通常所說的二軸齒輪）嚙合，中間輸入軸齒輪通過螺栓連接和超越離合器內(nèi)環(huán)凸輪連接為一個整體。從液力變矩器輸入到變速箱里的力矩大部分多通過超越離合器傳給了輸出軸，但還有一小部分通過分動齒輪帶動變速泵和轉(zhuǎn)向泵齒輪驅(qū)動工作油液，提供變速箱的控制油壓。ZL30 變速箱的檔位要求是兩前一后（即一檔、直接檔兩個前進(jìn)檔和一個倒檔） ，因此可以采用相對比較方便、成熟的行星式動力

15、換檔機(jī)構(gòu)。從超越離合器中傳出的力矩通過二軸直接傳到換檔行星排的太陽輪中，作為換檔機(jī)構(gòu)的輸入動力。換檔行星排總成由倒檔行星排和一檔行星排串聯(lián)而成。其中，倒檔行星排中的內(nèi)齒圈與一檔行星排的行星架為剛性連接，倒檔制動離合器控制倒檔行星排的行星架，而一檔制動離合器控制一檔行星排的內(nèi)齒圈。而直接檔制動離合器連接三軸（亦即直接檔軸）與三軸輸出齒輪，力矩直接從二軸經(jīng)三軸輸出到輸出軸上（亦即四軸） 。具體傳動路線設(shè)計(jì)見圖 2-1。長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書7 圖 2-1 變速箱傳動原理圖 2.2總體設(shè)計(jì)中的參數(shù)選擇總體設(shè)計(jì)中的參數(shù)選擇 利用綜合比較法對 ZL30 變速箱進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，現(xiàn)在國內(nèi)已經(jīng)在生產(chǎn)的輪式裝

16、載機(jī) 30 變速箱大約有十多種，通過查找相關(guān)資料可得出各種變速箱在總體參數(shù)設(shè)計(jì)上都是大同小異。因此，在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)中借助了現(xiàn)在企業(yè)中比較成熟的參數(shù)設(shè)計(jì)資料。2.2.1變速箱傳動比分配根據(jù)圖 2-1 所示的變速箱傳動原理圖，變速箱的額定轉(zhuǎn)速為2200r/min，而 30 裝載機(jī)的運(yùn)行最大時速在 3040 公里，因此通過參照普通裝載機(jī)傳動系統(tǒng)參數(shù)可基本確定變速箱的傳動比范圍在之間。對于行星式變速箱來說，其關(guān)鍵部件行星排的速比分配參照表 2-1 進(jìn)行。而其余傳動比則根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)兼顧制造、裝配工藝來分配，具體參數(shù)表見表 2-2。第二章 ZL30 輪式裝載機(jī)變速箱總體設(shè)計(jì) 8表 2-1 單排行星排傳動方

17、案表 2-2 變速箱傳動比分配范圍序號嚙合部件傳動比范圍備注1一軸與二軸之間0.53.52倒檔行星排1.74.53一檔行星排1.04.04三軸與四軸之間0.51.05分動齒輪與轉(zhuǎn)向泵齒輪1.01.5一般取1.06分動齒輪與變速泵齒輪1.01.5一般取1.02.2.2變速箱各齒輪齒數(shù)、模數(shù)的選擇根據(jù)傳動原理圖和傳動比分配范圍，可初選出齒輪的齒數(shù)、模數(shù)如表2-3： 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書9表 2-3 變速箱各齒輪參數(shù)初選表序號齒輪齒數(shù)模數(shù)備注1Z13952Z22053Z35254Z43355Z56056Z64957Z7423.58Z8423.53ZL30 變速箱超越離合器的設(shè)計(jì)變速箱超越離合器

18、的設(shè)計(jì)3.1超越離合器超越離合器概述：概述：超越離合器是輪式裝載機(jī)雙變系統(tǒng)（變速箱系統(tǒng)和變矩器系統(tǒng)）中一個非常重要的部件。大量的實(shí)踐、實(shí)例證明在傳動系統(tǒng)中超越離合器是影響整個裝載機(jī)能否正常工作的關(guān)鍵部件。而我國目前生產(chǎn)的超越離合器質(zhì)量不穩(wěn)定，使用壽命不高，大約在 2000 小時到 3000 小時。對于大噸位裝載機(jī)來說，超越離合器壽命更是短，有的甚至達(dá)不到 1800 小時，很難滿足用戶對裝載機(jī)的壽命要求。對于用戶來說，更換維修一次超越離合器其費(fèi)用大約在 25004000 元，有的甚至更高。因此，在技術(shù)上解決超越離合器的工作壽命問題成了各大廠家亟待解決的問題之一。3.2超越離合器的種類及其分析比較

19、超越離合器的種類及其分析比較目前，我國國內(nèi)工程機(jī)械行業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用的超越離合器的分類主要是根據(jù)其外環(huán)齒輪和內(nèi)環(huán)凸輪間的楔形塊形狀不同而定的。一般可分為兩種：非接觸楔形塊式超越離合器和圓柱滾子式超越離合器。(1)非接觸楔形塊式超越離合器：非接觸楔形塊式超越離合器又稱非接觸式逆止器，它是利用特殊第三章 ZL30 變速箱超越離合器的設(shè)計(jì) 10形狀楔塊的離心力及其與外環(huán)之間的特殊幾何關(guān)系以實(shí)現(xiàn)超越傳動。當(dāng)內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值時，楔塊與內(nèi)、外環(huán)滾道非接觸，無磨損運(yùn)轉(zhuǎn)，反向逆止可靠。該離合器與減速機(jī)配套常用于皮帶運(yùn)輸機(jī)、斗式提升機(jī)和高溫風(fēng)機(jī)，在冶金、礦山、石油、化工、啤酒設(shè)備及電站設(shè)備上廣泛應(yīng)用。非接觸式楔塊

20、式超越離合器是一種低速時傳遞扭矩，而高速時完全脫開的超越離合器。在離合器內(nèi)部，有多個異形塊分布在由內(nèi)、外圈所形成的滾道中，當(dāng)外圈正向運(yùn)轉(zhuǎn)時，帶動異形塊一起旋轉(zhuǎn)，當(dāng)內(nèi)圈轉(zhuǎn)速超過非接觸轉(zhuǎn)速時，異形塊所受的離心翻轉(zhuǎn)力矩大于彈簧復(fù)位力矩，異形塊發(fā)生轉(zhuǎn)動，與內(nèi)、處圈脫離接觸，從而實(shí)現(xiàn)無磨損運(yùn)轉(zhuǎn)。(2)圓柱滾子式超越離合器：在裝載機(jī)行業(yè)內(nèi)采用的超越離合器基本上都是圓柱滾子式超越離合器。圓柱滾子式超越離合器按照其圓柱滾子的支撐形式又可分為兩種，一種是保持架式，一種是頂銷式。保持架式超越離合器其基本結(jié)構(gòu)由外環(huán)齒輪、內(nèi)環(huán)凸輪、保持架、壓蓋、彈簧、圓柱滾子六個零件組成。頂銷式超越離合器取消了保持架和壓蓋，取而代之

21、的是頂銷，但增加了彈簧根數(shù)，一般每個滾子由兩根彈簧，兩根頂銷支撐。保持架式超越離合器中的保持架、彈簧、壓蓋和頂銷式超越離合器里的彈簧、頂銷的功能都是一樣的，均是為了克服在高速旋轉(zhuǎn)情況下圓柱滾子產(chǎn)生的離心力，使圓柱滾子始終能夠與外環(huán)齒輪接觸。這兩種形式的超越離合器各有優(yōu)缺點(diǎn)。保持架式超越離合器結(jié)構(gòu)簡單，零件強(qiáng)度高，裝配簡單方便。但其零件精度要求較高，例如內(nèi)環(huán)凸輪滾道平面的分度誤差及平面至凸輪中心線的距離誤差要求特別長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書11高，否則將會直接導(dǎo)致圓柱滾子在工作過程中非正常楔緊和旋出，使保持架變形而影響其整機(jī)的可靠性。并且保持架上滾柱的卡槽等分性與卡槽長邊對其軸線的平行度誤差也將

22、導(dǎo)致滾柱不均勻楔入造成保持架和滾柱損壞。再者，保持架容易產(chǎn)生應(yīng)力集中使得早期斷裂，影響工作壽命。從磨損補(bǔ)償方面來看，保持架式超越離合器由于是靠彈簧推動保持架進(jìn)而推動滾柱進(jìn)入楔緊狀態(tài)，零件一旦異常磨損將得不到補(bǔ)償，使得超越離合器壽命降低。頂銷式超越離合器結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，彈簧和頂銷容易產(chǎn)生疲勞破壞。并且在工作過程中頂銷容易產(chǎn)生油缸效應(yīng)，即隨著超越離合器的不斷離合，圓柱滾子不斷地進(jìn)行楔緊和旋開，頂住滾子的頂銷在彈簧的作用下不斷地進(jìn)行沖擊，當(dāng)頂銷孔中的油得不到及時地排出時會造成頂銷端部受壓過度而受損。進(jìn)一步影響超越離合器的穩(wěn)定性。但是頂銷式超越離合器有其顯著的優(yōu)點(diǎn)：首先，其零件加工精度要求低。相對于保持

23、架式超越離合器來說，其內(nèi)環(huán)凸輪滾道平面的分度誤差不影響離合器的正常工作；其滾道平面至凸輪中心線的距離也不會導(dǎo)致滾子的不正常楔入和旋出。其次，由于圓柱滾子各由兩個頂銷在彈簧的作用下支撐，所以零件在有輕微的磨損后可以得到磨損補(bǔ)償，有利于延長超越離合器的使用壽命。綜上所述，各種超越離合器都存在著其本身的優(yōu)缺點(diǎn)，所以在具體的設(shè)計(jì)工作中要求設(shè)計(jì)者能根據(jù)其使用場合選擇合適的種類。在裝載機(jī)行業(yè)內(nèi)，隨著大噸位裝載機(jī)的開發(fā)使用，超越離合器大部分由保持架式轉(zhuǎn)變?yōu)轫斾N式了。因此，在本文中將以頂銷式超越離合器為例，從其結(jié)構(gòu)上入手全面的解讀超越離合器。3.3超越離合器的工作原理超越離合器的工作原理超越離合器又叫單向離合

24、器，顧名思義超越離合器是一種只能單第三章 ZL30 變速箱超越離合器的設(shè)計(jì) 12向傳遞力矩的離合器。超越離合器與雙渦輪液力變矩器配合工作。一般來說，液力變矩器一級渦輪輸出的功率通過輸入軸的一級輸出齒輪傳遞到到與之嚙合的超越離合器外環(huán)齒輪上。液力變矩器二級渦輪輸出的功率通過輸入軸的二級輸出齒輪傳遞到與之配合的中間軸齒輪上，中間軸齒輪通過螺栓和超越離合器的內(nèi)環(huán)凸輪固定為一個整體。當(dāng)裝載機(jī)在工作過程中需要高速前進(jìn)或后退時，液力變矩器的二級渦輪獨(dú)立工作。此時，超越離合器內(nèi)環(huán)凸輪轉(zhuǎn)速比外環(huán)齒輪轉(zhuǎn)速高，超越離合器自動分離。當(dāng)裝載機(jī)在工作過程中遇到較大阻力時，雙渦輪液力變矩器將根據(jù)工況自動降低轉(zhuǎn)速，從而使得

25、轉(zhuǎn)矩增大，給車輪提供足夠的動力完成鏟進(jìn)、推動物料等工作。如果阻力進(jìn)一步增大，液力變矩器將進(jìn)一步降速，當(dāng)速度降到超越離合器內(nèi)環(huán)凸輪速度比外環(huán)齒輪速度低時，超越離合器滾柱將自動楔緊在外環(huán)齒輪和內(nèi)環(huán)凸輪之間的楔形空間中，從而使三者形成一個剛體。此時，液力變矩器一、二級渦輪同時工作，將所有輸出功率傳遞給超越離合器，裝載機(jī)就會產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩克服工作阻力，完成工作任務(wù)。當(dāng)液力變矩器渦輪速度降到零而泵輪高速旋轉(zhuǎn)時，裝載機(jī)將產(chǎn)生最大的推進(jìn)力，一般來說，國內(nèi) ZL50 系列的裝載機(jī)能產(chǎn)生 14 噸以上的推進(jìn)力。從以上分析可知，超越離合器的使用顯著提高了液力變矩器在小傳動比范圍內(nèi)的變矩系數(shù)和效率，拓寬了高效工作區(qū)

26、域，并且提高了傳動效率，改善了裝載機(jī)牽引性能。下面以頂銷式圓柱滾子超越離合器為例，通過其結(jié)構(gòu)介紹進(jìn)一步闡明超越離合器的工作原理。長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書13圖 3-1 為超越離合器基本結(jié)構(gòu)簡圖： 圖 3-11外環(huán)齒輪 2彈簧3內(nèi)環(huán)凸輪 4圓柱滾子圖 3-2 為超越離合器與雙渦輪液力變矩器配合工作原理圖： 一級渦輪二級渦輪導(dǎo) 輪泵輪一級輸出齒輪二級輸出齒輪外環(huán)齒輪中間輸入軸內(nèi)環(huán)凸輪輸入軸AB第三章 ZL30 變速箱超越離合器的設(shè)計(jì) 14圖 3-2 當(dāng)裝載機(jī)在工作過程中處于高速輕載工況時，液力變矩器二級渦輪單獨(dú)工作，力矩通過輸入軸的二級輸出齒輪傳遞到中間輸入軸齒輪上，中間輸入軸帶動超越離合器內(nèi)環(huán)

27、凸輪（圖 13）一起運(yùn)動。此時，超越離合器內(nèi)環(huán)凸輪的轉(zhuǎn)速 A比外環(huán)齒輪（圖 11）的轉(zhuǎn)速 B大，圓柱滾子（圖 14）按順時針方向旋轉(zhuǎn)脫開，超越離合器實(shí)現(xiàn)自動分離。當(dāng)裝載機(jī)處于低速重載或遇到較大阻力時，液力變矩器將降低速度以提升力矩，如果中間輸入軸齒輪帶動內(nèi)環(huán)凸輪（圖 13）的轉(zhuǎn)速A比外環(huán)齒輪轉(zhuǎn)速 B小，此時，圓柱滾子（圖 14）按逆時針方向旋轉(zhuǎn)楔緊在由外環(huán)齒輪（圖 11） 、內(nèi)環(huán)凸輪（圖 13）構(gòu)成的楔形空間里，從而使三者合為一體以共同的速度轉(zhuǎn)動。這個時候，液力變矩器一級、二級渦輪同時工作，共同把所有的力矩提供給超越離合器，從而使裝載機(jī)產(chǎn)生高達(dá)十幾噸的推進(jìn)力。超越離合器圓柱滾子的楔緊和旋開是根

28、據(jù)外阻力也就是裝載機(jī)的工況而自動進(jìn)行的，從功能上講相當(dāng)于進(jìn)行了自動換擋。超越離合器和液力變矩器配合工作使得裝載機(jī)能自動的適應(yīng)各種工況要求，在設(shè)計(jì)時減少了擋位數(shù)，簡化了變速箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進(jìn)而減少了操縱工人的勞動強(qiáng)度，因而超越離合器也就理所當(dāng)然成為了設(shè)計(jì)者們所要考慮的重要項(xiàng)目。3.4超越離合器的失效分析超越離合器的失效分析3.4.1裝載機(jī)在超越離合器失效時可能存在的外在表現(xiàn)：（1） 裝載機(jī)在起步和換擋過程中，機(jī)器反應(yīng)遲鈍或存在明顯的滯后現(xiàn)象。（2） 裝載機(jī)在高速行進(jìn)中傳動系統(tǒng)變速箱位置有沖擊聲，或者機(jī)器長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書15突然緊急制動，換擋后重新起步機(jī)器恢復(fù)正常。（3） 裝載機(jī)在低速重載工

29、況時，變矩器油溫上升較快，在掛高速擋行使時，速度提升不明顯，感覺上是機(jī)車無勁跑不快。（4） 裝載機(jī)在進(jìn)行鏟料裝載作業(yè)時，機(jī)器前進(jìn)無力，有時甚至爬小坡路面也很吃力。（5） 裝載機(jī)在正常作業(yè)時在變速箱位置出現(xiàn)間斷性的異響聲，有時會影響作業(yè)但加油后可繼續(xù)工作。異響聲隨著時間的延長會越來越頻繁，機(jī)器工作越來越吃力。3.4.2超越離合器失效的主要原因：（1） 裝載機(jī)液力變矩器所輸出的力矩大部分都要經(jīng)過超越離合器傳給輸出軸，并且在工作過程中超越離合器要承擔(dān)因外阻力不斷變化而帶來的沖擊。因此，超越離合器各零件摩擦副間的接觸應(yīng)力比較大，常常導(dǎo)致構(gòu)成摩擦副的零件因接觸強(qiáng)度不夠而變形失效。具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

30、外環(huán)齒輪強(qiáng)度不夠被圓柱滾子壓有凹槽。內(nèi)環(huán)凸輪滾道平面強(qiáng)度不夠被圓柱滾子壓有凹槽。圓柱滾子自身強(qiáng)度不夠在楔緊傳遞力矩時被壓變形。（2） 彈簧的疲勞損壞，彈簧一旦失效，被其支撐的圓柱滾子就不能到達(dá)楔緊位置，如果是一個滾柱的其中一根彈簧損壞而另一根完好就會造成圓柱滾子不能均勻楔入和旋出，導(dǎo)致滾柱局部受力而變形失效。（3） 頂銷由于磨損或卡死在銷孔中，導(dǎo)致圓柱滾子不能正常工作而使超越離合器損壞（4） 零件制造誤差太大造成超越離合器失效。例如：內(nèi)環(huán)凸輪滾道平面與其端面垂直度誤差太大、外環(huán)齒輪滾道面圓柱度誤差太大等均第三章 ZL30 變速箱超越離合器的設(shè)計(jì) 16 F1 f1 f2 F2 會造成圓柱滾子在楔

31、形空間中運(yùn)動的時候受力不均而加快磨損，最終導(dǎo)致整個超越離合器失效。（5） 超越離合器里的清潔度太差，使內(nèi)環(huán)凸輪銷孔中充滿油污，頂銷卡死進(jìn)而損壞超越離合器。 3.5超越離合器的設(shè)計(jì)計(jì)算超越離合器的設(shè)計(jì)計(jì)算 從上面的分析可知超越離合器摩擦副間的接觸強(qiáng)度是影響其工作穩(wěn)定性的重要因素，接觸強(qiáng)度的大小直接影響其使用壽命的長短。下面本文就從超越離合器的受力情況入手詳細(xì)介紹其設(shè)計(jì)計(jì)算過程（同樣以頂銷式圓柱滾子超越離合器為例）3.5.1超越離合器受力分析：首先，將超越離合器圓柱滾子視為受力體進(jìn)行分析（注：受力狀態(tài)為超越離合器楔合狀態(tài)，此時圓柱滾子被楔緊） 。其受力圖見圖 3-3圖 3-3 圓柱滾子受力分析圖

32、1外環(huán)齒輪 2頂銷（彈簧）3內(nèi)環(huán)凸輪 4圓柱滾子長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書17根據(jù)受力圖可以列出以下平衡方程組： F2 = F1 cos + f1sin （垂直方向上受力平衡） f2 + f1cosF1sin0 （水平方向上受力保證圓柱滾子越擠越緊） f1 = F11 （摩擦力計(jì)算公式，注意方向） f2 = F22 （摩擦力計(jì)算公式，注意方向）上式中： f1：外環(huán)齒輪與圓柱滾子間的摩擦力 f2：內(nèi)環(huán)凸輪與圓柱滾子間的摩擦力F1：外環(huán)齒輪對圓柱滾子的正壓力 F2：內(nèi)環(huán)凸輪對圓柱滾子的支撐力1：外環(huán)齒輪與圓柱滾子間的摩擦系數(shù)2：內(nèi)環(huán)凸輪與圓柱滾子間的摩擦系數(shù) ：楔形角對上述方程組進(jìn)行化簡整理可得：

33、 在超越離合器工作時，充滿油液的摩擦副間的摩擦系數(shù)可近似取相等值即有下式： 根據(jù)萬能公式變換： 21211tan21112tan第三章 ZL30 變速箱超越離合器的設(shè)計(jì) 18可得： 12/tan然后，將圓柱滾子和內(nèi)環(huán)凸輪視為一個整體，則有：Ts = f1RZ 上式中： Ts：超越離合器所傳遞的計(jì)算力矩 f1：外環(huán)齒輪與圓柱滾子間的摩擦力 R：外環(huán)齒輪的內(nèi)孔半徑 Z：圓柱滾子數(shù)目將式代入式中整理可得：在計(jì)算接觸強(qiáng)度時取其最大值： 式即為計(jì)算超越離合器圓柱滾子外環(huán)齒輪之間的正壓力。3.5.2計(jì)算各摩擦副間的最大接觸應(yīng)力從失效分析中我們知道超越離合器中的圓柱滾子、內(nèi)環(huán)凸輪、外環(huán)齒輪是依靠表面接觸工作

34、的零件，他們的工作能力不僅與整體強(qiáng)度有關(guān)，還與接觸表面的強(qiáng)度有關(guān)。其失效形式為接觸疲勞磨損（疲勞2/tan11ZRTZRTFSS/2)(tan1/2)2tan( tan22/tan1ZRTFS長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書19點(diǎn)蝕） ，發(fā)生的主要原因是零件工作表面受到破壞，降低了工作能力，并引起振動和噪聲，最終導(dǎo)致超越離合器失效。由于超越離合器中的圓柱滾子、內(nèi)環(huán)凸輪、外環(huán)齒輪在工作過程中軸線相互平行，并相互接觸受壓。由彈性力學(xué)可知，其接觸應(yīng)力的計(jì)算符合 H.Hertz 公式（注：H.Hertz 公式的應(yīng)用條件：兩個軸線平行的圓柱體相互接觸并受壓求接觸應(yīng)力） 。各零件在接觸受壓時，其接觸面積為一狹長

35、矩形，最大接觸應(yīng)力發(fā)生在接觸區(qū)中心線上（其結(jié)論論證過程略） ，且其值為：上式中： Fn：作用在圓柱體上的載荷 b：接觸長度 1，2：分別為相互接觸零件曲率半徑 1,2：分別為相互接觸零件材料的泊松比 E1, E2：分別為兩圓柱體材料的彈性模量式中的“+”號用于外接觸， “-”號用于內(nèi)接觸。對于超越離合器來說，可查表?。? =2 = 0.3 E1 = E2 = 210GPa所以：圓柱滾子與外環(huán)齒輪的接觸應(yīng)力為：（內(nèi)接觸情況） )11() 2/tan(418. 0)11(418. 0RrLZRETsLRrEFnH第三章 ZL30 變速箱超越離合器的設(shè)計(jì) 20圓柱滾子與內(nèi)環(huán)凸輪的接觸應(yīng)力為：（外接觸

36、情況）注：此時實(shí)際上是圓柱和平面接觸受壓情況，代入計(jì)算的時候平面的曲率半徑是無窮大，所以其倒數(shù)是零。如果我們?nèi)∧Σ料禂?shù)均相等的話則有圓柱滾子兩處受壓載荷相等（即 F2 = F1） 。(1)接觸疲勞強(qiáng)度的判定條件： 其中：為實(shí)驗(yàn)測得的材料的接觸疲勞極限limH SH為許用安全系數(shù)。由于接觸應(yīng)力是局部性的應(yīng)力，且應(yīng)力的增長與載荷 Fn 并不呈直線關(guān)系（由計(jì)算公式可以得出） ，而要緩慢的多，故安全系數(shù) SH可取等于或稍大于 1 即可。(2)彈簧力的計(jì)算頂銷式圓柱滾子超越離合器的圓柱滾子是靠彈簧的作用推向其楔緊位置的。當(dāng)超越離合器工作時，圓柱滾子上由于受到離心力的作用，總是力圖從與從動件的接觸點(diǎn)向外偏

37、移，為了克服滾柱的偏移，保證超越離合器的正常工作，安裝的彈簧應(yīng)有足夠的壓力來抵消這種偏移力。具體來說，彈簧的強(qiáng)度應(yīng)能克服驅(qū)動件在超越離合器最大轉(zhuǎn)速下的離心力。作用在圓柱滾子上的離心力可由下式確定：Fl上式中：) 2/tan(418. 0)11(418. 0rLZRETsLRrEFnHSHHHHHlim,而2)30(nRmFl長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書21M: 圓柱滾子的質(zhì)量：圓柱滾子中心到內(nèi)環(huán)凸輪軸線的距離。在楔緊狀態(tài)下 =（R-r） 。n ：超越離合器最大轉(zhuǎn)速 單位：r/min這個徑向離心力引起彈簧所需要克服的切向力 Ft根據(jù)其幾何關(guān)系有： Ft = ) = Fltan(因此彈簧的預(yù)緊力要大

38、于 Ft，以防止圓柱滾子在離心力的作用下脫離楔緊位置。3.6 超越離合器主要參數(shù)的選擇超越離合器主要參數(shù)的選擇(1)楔形角 的選擇： 由第五部分中的設(shè)計(jì)計(jì)算工程中我們可得出： 12/tan因此有： 2arctan(1)查表，假如 1取值為 1 = 0.07，此時： 2arctan(0.07) = 8通過數(shù)據(jù)分析，楔形角 的大小對超越離合器的工作性能有著顯著的影響。如果 過大，其承載能力雖然會提高，但很難保證圓柱滾子能夠可靠的楔緊，在工作過程中就會出現(xiàn)打滑的現(xiàn)象，致使圓柱滾子與內(nèi)、外環(huán)工作面接觸處產(chǎn)生嚴(yán)重的滑動摩擦，零件磨損加快，造成超越離合器穩(wěn)定性差。如果 過小，圓柱滾子雖然容易楔緊，但是器楔

39、緊力將會增大，致使圓柱滾子不能自動分離。根據(jù) H.Hertz 公式， 適當(dāng)?shù)脑龃髸沟媒佑|副間的接觸應(yīng)力降低。根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和有關(guān)資料數(shù)據(jù)，楔形角 一般在 68之間選取。RR)tan()30(2nRm第三章 ZL30 變速箱超越離合器的設(shè)計(jì) 22(2)圓柱滾子半徑 r 的選擇 由 Hertz 公式可知，圓柱滾子半徑越大，摩擦副間的接觸應(yīng)力越小。但圓柱滾子半徑的大小在很大程度上受到超越離合器結(jié)構(gòu)尺寸的限制。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)資料統(tǒng)計(jì)，圓柱滾子半徑一般選取 r = 6.5 7.5 mm(3)外環(huán)齒輪內(nèi)徑 R 的選擇同樣由 Hertz 公式可得出，外環(huán)齒輪內(nèi)徑 R 越大，其接觸應(yīng)力越小。但外環(huán)齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸

40、不僅受到超越離合器本身的結(jié)構(gòu)尺寸限制，還受到變速箱里的裝配尺寸限制，過大會造成裝配困難或根本無法裝配。一般來說，外環(huán)齒輪內(nèi)徑 R 的選擇范圍為 R = (820)r。由圓柱滾子半徑 r 的選取范圍可推算外環(huán)齒輪的選取范圍為：R = 104 300mm(4).圓柱滾子數(shù)目 Z 的選擇超越離合器中圓柱滾子數(shù)目 Z 越多，分布到每一個圓柱滾子上的載荷就越小，超越離合器的受力也越均勻。所以，增多圓柱滾子的數(shù)目，能有效的降低接觸應(yīng)力大小。但過多的數(shù)目會導(dǎo)致超越離合器結(jié)構(gòu)變大，對于輪式裝載機(jī)而言，圓柱滾子數(shù)目一般取經(jīng)驗(yàn)值 Z = 16 30。(5).圓柱滾子長度 L 的選擇從降低接觸應(yīng)力的角度上來說，圓柱

41、滾子長度越大越好（由 Hertz 公式可看出） 。并且若圓柱滾子長度 L 值取太小，則支撐每個圓柱滾子的兩個頂銷孔間的距離也就很近。在工作過程中，圓柱滾子容易發(fā)生歪斜現(xiàn)象，這樣就會造成圓柱滾子局部受力很大而變形失效。如果圓柱滾子長度過大，外環(huán)齒輪內(nèi)孔、內(nèi)環(huán)凸輪滾道平面的表面粗糙度和不平度對圓柱滾子的楔入和旋出狀態(tài)就有較大的影響，常常會造成圓柱滾子不正常楔入而加大磨損，在較大程度上影響超越離合器的使用長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書23壽命。一般來說,圓柱滾子長度的選取范圍是 L = (1.5 2.5) r .(6).內(nèi)環(huán)凸輪滾道平面高度 h（即內(nèi)環(huán)凸輪中心與滾道平面的距離）的計(jì)算 內(nèi)環(huán)凸輪滾道平面高

42、度 h 是超越離合器中比較重要的尺寸參數(shù)，特別是在保持架式圓柱滾子超越離合器中，h 尺寸的加工精度直接影響超越離合器的工作情況。根據(jù)幾何關(guān)系有： 當(dāng) r、R 、確定了以后，h 便可根據(jù)公式直接計(jì)算了。3.7超越離合器設(shè)計(jì)改進(jìn)的幾種新思路簡介：超越離合器設(shè)計(jì)改進(jìn)的幾種新思路簡介：(1)用板彈簧替代頂銷。 頂銷式圓柱滾子超越離合器的每一個圓柱滾子均由兩個頂銷支撐，在彈簧的作用下推動圓柱滾子與外環(huán)齒輪和內(nèi)環(huán)凸輪滾道面保持接觸。一個超越離合器如果按 24 個圓柱滾子計(jì)算，則有 48 根頂銷、48 根彈簧。在工作過程中，如果有一根頂銷被卡死壓壞或一根彈簧失效的話就會使得圓柱滾子不能正常的楔緊和旋出，造成

43、零件磨損加劇，最后常常導(dǎo)致超越離合器不能自動分離。假如用板彈簧替代頂銷的話，一根板彈簧支撐一個圓柱滾子，通過計(jì)算板彈簧只需要壓縮大約0.040.05mm 左右就能提供足夠的推進(jìn)力推緊圓柱滾子進(jìn)入楔入狀態(tài)。并且板彈簧提供的彈力均勻的施加在圓柱滾子上，克服了頂銷式或保持架式超越離合器由于滾柱歪斜楔入或旋開造成滾子局部受力過大而變形失效的問題。采用板彈簧后，圓柱滾子在楔形空間里的運(yùn)動范圍可減少，即內(nèi)環(huán)凸輪滾道的長度可減少，這樣就可以提供出空間安裝更多的滾子數(shù)目，根據(jù) Hertz 公式，圓柱滾子數(shù)目越多，摩擦副間的接觸應(yīng)力將越低，這為克服國內(nèi)現(xiàn)在的超越離合器接觸強(qiáng)度普遍偏低的困難提高了有效解決途徑。r

44、rRhrRrhcos)(cos則有：第三章 ZL30 變速箱超越離合器的設(shè)計(jì) 24(2)直接采用液壓油推動圓柱滾子直接制造封閉油腔利用液壓油來推動頂銷（小型活塞）使圓柱滾子進(jìn)入楔進(jìn)狀態(tài)，完全取消彈簧。由于液體內(nèi)部壓力到處一致，使得各頂銷獲得的壓力相等，這樣圓柱滾子受力均勻，有利于改善其工作狀態(tài)。這種思路雖然也使得超越離合器擺脫了因?yàn)閺椈墒Ф荒苷９ぷ鞯膯栴}。但是它對超越離合器又提出了新的要求。首先提供液壓力的各油道的設(shè)計(jì)勢必將會改變現(xiàn)有超越離合器零件的結(jié)構(gòu)尺寸。其次，對超越離合器的密封性能提出了要求，這就給零件制造，裝配第四章 行星排的設(shè)計(jì) 24帶來了新的挑戰(zhàn)。4行星排的設(shè)計(jì)行星排的設(shè)計(jì)4

45、.1行星排的基本概念行星排的基本概念 復(fù)雜的行星齒輪變速箱是由基本行星機(jī)構(gòu)組合而戊，行星齒輪變速箱中所采用的基本行星機(jī)構(gòu)大多數(shù)是單排內(nèi)、外嚙合行星機(jī)構(gòu)，簡稱行星排。它有單行星和雙行星兩種，如圖 41 所示。 行星排有三個基本元件：太陽輪、齒圈、行星架，分別用符號 s、r、c 來表示，行星輪以符號 p 來表示( 注：各種資料的命名各有不同，無特殊說明，本說明書中沿用此種表達(dá)方式)。4.2行星排的分析行星排的分析4.2.1運(yùn)動分析 行星輪系可看作由定軸輪系轉(zhuǎn)化而來。以行星排為例來看，可把太陽輪、齒圈、行星輪都看作是支承在行星架上的齒輪。當(dāng)行星架固定不動時為定軸輪系，當(dāng)行星架以太陽輪軸線(也即齒圈軸

46、線)為中心線旋轉(zhuǎn)起來了就變成了行星輪系。因此，行星排的運(yùn)動可看作是兩部分運(yùn)動的合成：行星架帶著其上各齒輪(包括太陽輪和齒圈)以行星架轉(zhuǎn)速作整體轉(zhuǎn)動這可定義為牽連運(yùn)動，牽連運(yùn)動中各齒輪不產(chǎn)生嚙合傳動運(yùn)動；行星架上相互嚙合的齒輪相對行星架作嚙合轉(zhuǎn)動這可定義為相對運(yùn)動。長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書25 只有牽連運(yùn)動而無相對運(yùn)動，則整個行星排作整體轉(zhuǎn)動，這種情況被稱做為閉鎖成直接傳動；只有相對轉(zhuǎn)動而無牽連運(yùn)動則變?yōu)槎ㄐ鋫鲃?。只看相對運(yùn)動，也就是站在行星架上觀察時，各輪傳動如定軸輪系，存在一定的轉(zhuǎn)速關(guān)系，如下式所示：KsrZZnnnncrcs式中 為太陽輪相對行星架的轉(zhuǎn)速；csnn 為齒圈相對行星架的轉(zhuǎn)速

47、；crnn K齒圈齒數(shù)和太陽輪齒數(shù)之比，稱為行星排特性參數(shù)(K)。srZZ由上式得行星排轉(zhuǎn)速特性方程式。對單行星排上式 K 值前取負(fù)號得： 十 K 一(1 十 K) 0snrncn對雙行星排上式 K 值前取正號得： K +(K1) 0snrncn對于 K 值錢的正負(fù)號是根據(jù)算傳動比時， 行星排轉(zhuǎn)速關(guān)系式是三元一次齊次方程式，三個未知數(shù)，一個方程式，這反映了行星排是兩個自由度機(jī)構(gòu)。它與一個自由度定軸齒輪傳動不同，定軸齒輪傳動旋轉(zhuǎn)構(gòu)件之間有固定的轉(zhuǎn)速關(guān)系，而行星排三元件中任二元件之間無固定的轉(zhuǎn)速聯(lián)系它們之間的轉(zhuǎn)速關(guān)系隨行星架的轉(zhuǎn)速而變，要使行星排的任二元件間有確定的轉(zhuǎn)速關(guān)系，必須第四章 行星排的設(shè)

48、計(jì) 26再加一個關(guān)系式。 方程式的三個系數(shù)之和等于零，即為轉(zhuǎn)速方程式的snrncn解，這反映了行星排具有閉鎖成一體轉(zhuǎn)動的特性。 行星輪相對行星架的轉(zhuǎn)速可由三個元件轉(zhuǎn)速按下式求得（注：本說明書以下文中提到的行星輪轉(zhuǎn)速均是指行星架的轉(zhuǎn)速）：np=-(-)=(-)sncnpsZZrnsnprZZ式中、分別為太陽輪、行星輪和齒圈的齒數(shù)。sZpZrZ4.2.2力矩分析行星排中太陽輪、齒圈、行星架三元件通過行星輪聯(lián)系在一起，通過行星輪傳力，三元件上所受力矩存在一定的關(guān)系。力矩分析中所謂的三元件所受力矩不是指外力矩，而是指行星排內(nèi)部力矩，即行星輪對三元件的作用力矩。另外我們分析的是等速運(yùn)動工況，各構(gòu)件都作等

49、速旋轉(zhuǎn)，因此可以忽略慣性力矩。（1） 、行星排理論力矩關(guān)系式理論力矩是不考慮摩擦所得的力矩。行星排三元件（太陽輪、齒圈、行星輪）的理論力矩關(guān)系可由行星輪的平衡求得。如圖 42所示。取行星輪為隔離體，由行星輪的平衡條件得：行星輪對太陽輪、齒圈、行星架的圓周力之比為（注：為了推導(dǎo)方便，假設(shè)行星輪與太陽輪、齒圈的嚙合都是標(biāo)準(zhǔn)長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書27傳動，變位齒輪推導(dǎo)亦類似，但比較麻煩）： P s：Pr：Pc1：1：（一 2）三個力作用半徑之比為： Rs：Rr：Rc1：K：21K則行星輪對太陽輪、齒圖、行星架的作用力矩之比為： Ms：Mr：Mc = PsRs：PrRr：PcRc = 1：K：-（

50、1+K）或?qū)懗桑篕MKMMcrS11對雙行星可用類似方法求得其理論力矩關(guān)系式為： 11KMKMMcrS行星排理論力矩關(guān)系式，實(shí)際上是兩個方程式，三個未知敵，因此只要知道三元件中的一個力矩，則另二個就可求出。即行星徘三元件中任二元件力矩之間存在著固定關(guān)系，它是由齒輪和行星架的內(nèi)在杠桿比所決定的，與各元件轉(zhuǎn)動情況和外界連接情況都沒有關(guān)系，即不管三元件中哪個主動，哪個被動，哪個固定，其理論力矩關(guān)系都是一樣的。（2） 行星排實(shí)際力矩關(guān)系式實(shí)際上，行星機(jī)構(gòu)中存在摩擦，因此有力矩?fù)p失，實(shí)際力矩是考慮摩擦所得的力矩。一般我們只考慮齒輪嚙合傳動的摩擦損失。行星排實(shí)際力矩關(guān)系式可按下述程序求得：先求出齒圈和太陽

51、輪的力矩關(guān)系?？紤]齒輪嚙合摩擦損失時，求齒圈和太陽輪的力矩關(guān)系，必須知道在相對運(yùn)動中，齒圈和太陽輪哪一個是主動件。第四章 行星排的設(shè)計(jì) 28當(dāng)作用在太陽輪上的外力矩 M 和太陽輪相對行星架的轉(zhuǎn)向一致時，s即 M ( - )0 或 M ( - )0（M = - M ，M 為內(nèi)力矩，sscsscsss即行星輪對太陽輪的作用力矩）則太陽輪為主動，其力矩關(guān)系為： M = M KArAsc如果 M ( - )0 或 M ( - )0，則太陽輪為被動，其力矩sscssc關(guān)系為： M = M KArAsc1寫成普遍式為： M = M K ArAsxc當(dāng) M ( - ) 0 時，x 取+1，當(dāng) M ( - )

52、0，x 取-1。sscssc由行星排三力矩之和應(yīng)等于零求得行星架和太陽輪的力矩關(guān)系： M =- M - M =- M （1+ K）AcAsArAsxc單行星排實(shí)際力矩關(guān)系式為： xcAcxcK1 K1MMMArAs類似可求得雙行星排實(shí)際力矩關(guān)系式為： 1K K-1xcAcxcMMMArAs式中 行星輪對太陽輪實(shí)際作用力矩； AsM行星輪對齒圈實(shí)際作用力矩；ArM行星輪對行星架實(shí)際作用力矩；AcM長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書29行星架固定時行星排的效率(從齒圈到太陽輪或太陽輪到齒圈c的傳動效率)。對單行星 0.980.990.97；c01對雙行星 09820.990.95。c201式中 及分別為一

53、對外嚙合齒輪及一對內(nèi)嚙合齒輪傳動的效01率。行星排三元件之間實(shí)際力矩關(guān)系，隨行星徘運(yùn)動狀況，即隨相對運(yùn)動中太陽輪是主動還是被動而變。4.2.3功率分析 我們知道，將一行星排中三元件太陽輪、齒圈、行星架分別作為主動件、被動件和固定件，就可以組成單排行星傳動裝置。 單徘行星傳動。當(dāng)行星排閉鎖時，只有牽連運(yùn)動，全部功率通過牽連運(yùn)動來傳遞。當(dāng)行星架為固定件時，變?yōu)槎ㄝS傳動，只有相對運(yùn)動，全部功率通過相對運(yùn)動(即齒輪嚙合)來傳遞。一般情況，行星徘的運(yùn)動是由牽連運(yùn)動和相對運(yùn)動所組成，因此功率既通過牽連運(yùn)動，又通過相對運(yùn)動來傳遞。以圖 43 所示為例，行星排的傳遞功率為： SSSSSSSMRPVPN牽連運(yùn)動

54、所傳遞的功率為： cScSScSyMRPVPN相對運(yùn)動所傳遞的功率（一般稱為嚙合功率）為： )(cSSScSSScSxMRPVPN第四章 行星排的設(shè)計(jì) 30式中 太陽輪對行星輪的圓周力；SP太陽輪對行星輪的圓周力的作用半徑；SR絕對圓周速度；SV牽連圓周速度；cV相對圓周速度，ScV絕對角速度，即太陽輪的轉(zhuǎn)速；S牽連角速度，即行星架的轉(zhuǎn)速；c相對角速度，即太陽輪相對行星架的轉(zhuǎn)速。Sc嚙合功率流的流向：當(dāng)0，即 M ( - ) 0 時，嚙合功率的流向是從太陽輪至ScSVPssc齒圈。當(dāng)0，即 M ( - ) 0 時，嚙合功率的流向是從齒圈至太ScSVPssc陽輪。 行星傳動的運(yùn)動情況和功率傳遞情

55、況和定軸傳動不同，定軸傳動全部功率通過齒輪嚙合來傳遞，齒輪機(jī)構(gòu)所傳遞的功率等于嚙合功率。而行星傳動則不然，相對運(yùn)動中所產(chǎn)生的嚙合功率可能小于行星機(jī)構(gòu)所傳遞的功率 圖 43 所示情況就是這樣。嚙合功率也可能大于行星機(jī)構(gòu)所傳遞的功率，有些行星傳動方案甚至可能大很多，長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書31因此就使得行星傳動的傳動效率計(jì)算比較復(fù)雜，各種行星傳動的傳動效率可能相差很大，傳動效率可能高于定軸傳動，也可能傳動效率很低。在求行星傳動效率時我們假定：1)只考慮齒輪嚙合損失，忽略其他所有損失，例如軸承損失，飛濺損失等等。2)牽連運(yùn)動不引起齒輪嚙合運(yùn)動，因此認(rèn)為牽連運(yùn)動沒有損失。 3)行星排全部傳動損失是由

56、相對運(yùn)動中齒輪嚙合損失所引起，而相對運(yùn)動引起的齒輪嚙合損失和定軸傳動一樣。求行星排傳動的效率一般采用以下兩個方法： 嚙合功率法求效率 1)先求出嚙合功率的大小。為計(jì)算簡便起見，我們按理論力矩來計(jì)算嚙合功率(稱為理論嚙合功率)，因此按外嚙合點(diǎn)還是按內(nèi)嚙合點(diǎn)來計(jì)算，其結(jié)果都是一樣的。 M ( - )= - M ( - )sscrrc在計(jì)算效率時，我們只要知道嚙合功率的數(shù)值大小，故可寫為： =xN)()(CrrCSSMM 2）然后計(jì)算行星排的功率損失 N，它等于嚙合功率從太陽xN輪傳至齒圈(或從齒圈傳至太陽輪)的功率損失。對單行星排 N（1-）=（1-0.97）=0.03xN01xNxN對雙行星排

57、N（1-）=（1-0.95）=0.05xN201xNxN 3)最后計(jì)算行星排的效率： ttNNN第四章 行星排的設(shè)計(jì) 32式中 輸入功率。tN對單行星排 =1-0.03 對雙行星排 =1-0.05 txNNtxNN力矩法求效率 齒輪傳動機(jī)構(gòu)沒有轉(zhuǎn)速損失，其功率損失體現(xiàn)在力矩?fù)p失上，因此我們可以通過力矩關(guān)系來求效率。 如無功率損失，效率為 1，則輸入功率等于輸出功率。即： 00MMtt式中 外構(gòu)件對主動件的作用力矩，我們稱為輸入力矩；tM被動件對外構(gòu)件的作用力矩，我們常稱為輸出力矩；0M、分別為主動件和被動件的轉(zhuǎn)速。t01001MMi理論輸出力矩與輸入力矩之比，稱為理論力傳動比，它就等于傳動比。

58、當(dāng)有功率損失時，效率為實(shí)際輸出功率和輸入功率之比，即：0010100101100MMMMMMiiMMMMAAtAA式中 實(shí)際輸出力矩；AM0 實(shí)際力傳動比。10MMiA長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書33 效率為實(shí)際力傳動比和理論力傳動比（即傳動比）之比，也即是實(shí)際輸出力矩和理論輸出力矩之比。4.3行星排的配齒條件行星排的配齒條件 行星傳動齒輪齒數(shù)的確定，不僅應(yīng)滿足傳動比的要求，同時還需依據(jù)裝配的需要，考慮以下的配齒條件。4.3.1同心條件對于具有圓柱齒輪的單行星傳動，同心條件的含意是：當(dāng)行星傳動的每個行星輪和兩個或兩個以上的中心輪(太陽輪和齒圈)嚙合時，為保證安裝與傳動，各中心齒輪的齒數(shù)需要滿足行

59、星輪與各中心輪的中心距相等。即 rpspAA式中 行星輪和太陽輪之間的中心距；spA行星輪和齒圈之間的中心距。rpA如圖 44 所示，Ds、Dr、Dp分別表示太陽輪、齒圈和行星輪的節(jié)圓直徑，如果采用標(biāo)準(zhǔn)齒輪傳動或高度變位齒輪傳動，則同心條件可以用下式表示：psrDDD2根據(jù)齒輪的基本計(jì)算有： psrmZZZm2即有：第四章 行星排的設(shè)計(jì) 34 psrZZZ2 2srpZZZ 必須指出，有些行星齒輪傳動，齒輪齒數(shù)并不完全受此條件的限制，其行星輪實(shí)際齒數(shù)少于計(jì)算齒數(shù)（其差值范圍為一個齒） ，pZpZ這是為了改善結(jié)構(gòu)強(qiáng)度而采用角度變位齒輪的緣故。4.3.2裝配條件如圖 45 所示，在齒圈式單排行星傳

60、動中，行星輪 1 已裝入，此時太陽輪上 A 齒中心線與行星輪上 B 齒中心線重合，行星輪上C 齒的中心線與齒圈上 D 齒的中心線相重合。如果想在與行星輪1 相隔處再裝入行星輪 2，就要j符合一定的幾何條件，否則會發(fā)生干涉，圖 45 就是因齒的干涉而不能裝配的實(shí)例。由此可知，要想把行星輪 2 裝入，必須合理地選擇齒圈與太陽輪的齒數(shù)，使得、和之間符合某種裝配關(guān)系。rZsZj為了導(dǎo)出裝配條件，設(shè)齒圈固定不動，使行星架轉(zhuǎn)過角，如圖j45 所示。這時太陽輪上 A 齒若轉(zhuǎn)過，而由 A齒占據(jù)了原 A 齒j的位置，從圖中可以看出在原處裝入行星輪 2 才是可能的。也就是說太陽輪上弧間所包括的齒數(shù)，應(yīng)為整數(shù)。AA

61、用公式表示則為：長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書35 SjZN360式中 N 為整數(shù)。 圖中太陽輪、齒圈與行星架回轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，可通過行星排運(yùn)動學(xué)特性方程對時間積分得到： 01jrsKK其中： 0rssZN360srZZK 故 NZZsrjr360這即為裝配條件公式?？梢娪麧M足裝配要求，行星排中兩行星輪之間夾角必須為的整數(shù)倍。其中， “+” 、 “”號，分別適jsrZZr360用于單行星和雙行星傳動。為了使行星傳動各構(gòu)件所受徑向力平衡，在結(jié)構(gòu)布置上應(yīng)該使行星輪均勻分布或?qū)ΨQ非均勻分布。若行星輪為均布，且其個數(shù)為（即） ，則由上式可得其0q0360qj裝配條件： NqZZsr0 如果行星輪為對稱非均

62、勻分布（圖 46） ，則其裝配條件是：第四章 行星排的設(shè)計(jì) 361)對具有均布關(guān)系的行星輪，如圖 46 中齒輪 A1、A2、A3 一組或 B1、B2、B3 一組，應(yīng)滿足裝配條件： NqZZsr0式中 為一組的行星輪數(shù)。0q2)對兩組均布行星輪所鉗開的角度或還必須滿足裝配條件：i j 或 360NZZsri 360NZZsri式中、均為整數(shù)。N N4.3.3相鄰條件：設(shè)計(jì)行星傳動時，必須保證相鄰行星輪之間有一定間隙，對于單行星傳動而言，即兩相鄰行星輪的中心距 L 應(yīng)大于它們的齒頂圓半徑之和。如圖 47 所示，相鄰條件如以公式表示則為： spjspRA22sin2在實(shí)際設(shè)計(jì)中相鄰條件多控制在：mm

63、RAspjsp8522sin2長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書374.4行星排參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算行星排參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算4.4.1行星排基本參數(shù)包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容：、行星排特性參數(shù) K；、行星排三元件（太陽輪、行星輪、齒圈）的齒數(shù)、模數(shù)；、行星排嚙合強(qiáng)度計(jì)算；、行星排傳動比計(jì)算；4.4.2具體計(jì)算：、行星排特性參數(shù)的確定 根據(jù)總體設(shè)計(jì)中選擇的行星排傳動方式以及傳動比范圍，選擇行星排特性參數(shù) K 值范圍為 4/3K4。大量資料證明為了縮小結(jié)構(gòu)尺寸及可能安裝單行星排，其特性參數(shù)在此范圍內(nèi)最合適。參照國內(nèi)大部分此類型變速箱行星排的參數(shù)，本設(shè)計(jì)中選擇行星排的特性參數(shù)為:K=2.73,為了便于制造和裝配，倒檔行星排和一

64、檔行星排均取同樣的特性參數(shù)值。、行星排三元件的齒數(shù)、模數(shù)的確定； 在依照各檔傳動比完成變速箱簡圖設(shè)計(jì)，并根據(jù)傳動比公式求出各行星排參數(shù)的前提下，方可確定齒輪的齒數(shù)。進(jìn)行配鹵計(jì)算時應(yīng)首先考慮以下幾點(diǎn)： (1)必須滿足行星排特性參數(shù) K 的要求； (2)根據(jù)齒輪輪齒根切條件，其最小齒輪齒數(shù)不應(yīng)少于 1417(當(dāng)齒數(shù)大于 17 時齒輪不產(chǎn)生根切，當(dāng)齒數(shù)大于 14 而少于 17 時齒輪將產(chǎn)生少量允許根切)。最少齒數(shù)的選擇還應(yīng)兼顧到齒輪在軸或軸承上裝配的可能性； (3)為了提高產(chǎn)品制造工藝性，變速箱各行星排的齒輪可取問一模數(shù)；對于齒圈齒數(shù)亦應(yīng)盡可能取其相等；第四章 行星排的設(shè)計(jì) 38(4)與中心輪嚙合的

65、行星齒輪數(shù)，可取 34 化為了平衡徑向載荷，應(yīng)使各行星輪沿圓周均布或采用對稱但非等間隔布置。根據(jù)同心條件公式以及特性參數(shù)定義式可得：2srpZZZsrZZK 21KZZsp由于 K=2.73，故=0.8651，所以，行星輪最小。21KZZsppZsZ取行星輪均布，行星輪個數(shù) q = 4 則： qKZKZKZZNZZZssssrps1:21:根據(jù)最少齒數(shù)關(guān)系，選取行星輪齒數(shù)=19，則：pZ22173. 219212psZKZ6073. 222KZZsr412173. 22221KZNs、行星排嚙合強(qiáng)度計(jì)算 根據(jù)設(shè)計(jì)要求：發(fā)動機(jī)輸出功率 P = 73kw，輸入轉(zhuǎn)速 n = 2200r/min，傳動

66、比 i = 14.(1) 齒輪的基本技術(shù)要求太陽輪：材料：20CrMnTi，齒面須經(jīng)表面滲碳處理，滲碳層深度0.81.2，表面硬度 HRC5864，心部及其余硬度為HRC3345。行星輪：材料：20CrMnTi，齒面、內(nèi)孔須經(jīng)表面滲碳處理，滲碳層深長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書39度 0.81.2，表面硬度 HRC5864，心部及其余硬度為HRC3345。內(nèi)齒圈：材料：40Cr，零件調(diào)質(zhì)，齒面經(jīng)表面滲氮處理，滲氮層深度0.250.55，表面硬度 HV550，心部及其余硬度為HRC2835。各零件其精度等級均取 8 級。（2）采用太陽輪浮動的均載機(jī)構(gòu)，各行星輪間載荷分配不均勻系數(shù) k的數(shù)值取為：k=1.1(計(jì)算接觸強(qiáng)度時)；k=1.15(計(jì)算彎曲強(qiáng)度HF時)。（3）外嚙合齒輪副 s-p 的強(qiáng)度計(jì)算A計(jì)算中心距 a由 a（u+1）其中 u 為齒數(shù)比3121) 2(uukTzzdHHE式中各參數(shù)的數(shù)值計(jì)算如下：齒數(shù)比 u=0.86412zzspzz2219齒寬系數(shù)取為=（） =0.4dd1dbda材料彈性系數(shù)查表取 Z =189.8EMPa節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) Z=2.4H轉(zhuǎn)矩 T =k=9.549X1