乘騎式草坪割草機(jī)行星齒輪變速器的設(shè)計(jì)說明
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1、1 引言 1.1 行星齒輪研究背景與發(fā)展現(xiàn)狀 從1880年行星齒輪傳動(dòng)裝置在德國出現(xiàn),經(jīng)由工業(yè)化、信息化和知識(shí)化時(shí)代,世界先進(jìn)工業(yè)國在行星齒輪減速器設(shè)計(jì)上日趨完善,制造技術(shù)不斷進(jìn)步,使行星齒輪傳動(dòng)達(dá)到了較高的水平。當(dāng)今世界各國減速器與齒輪技術(shù)正朝著六高、二低、二化方向發(fā)展。六高即高承載能力、高齒面硬度、高精度、高速度、高可靠性和高傳動(dòng)效率,二低即低聲低成本;二化即標(biāo)準(zhǔn)化、多樣化。減速器和齒輪的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的發(fā)展在一定程度上標(biāo)志著一個(gè)國家的工業(yè)化水平。我國從20世紀(jì)60年代開始研究行星齒輪傳動(dòng),如今也取得了不小的成績,但是與世界先進(jìn)水平還是有很大的差距。 在現(xiàn)代,汽車、坦克、自行火炮
2、、工程機(jī)械和履帶車輛等機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備中已較廣泛地應(yīng)用了行星齒輪傳動(dòng),其中,漸開線行星齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)最主要的傳動(dòng)形式之一。行星齒輪傳動(dòng)與普通齒輪傳動(dòng)相比較,它具有質(zhì)量小、體積小、效率高、傳動(dòng)比大、噪聲小、可靠性高、壽命長、便于維修等優(yōu)點(diǎn)。它的最顯著的特點(diǎn)是:在傳遞動(dòng)力時(shí)它可以進(jìn)行功率分流;同時(shí),其輸入軸與輸出軸具有同軸性,即輸出軸與輸入軸均設(shè)置在同一主軸線上。所以,行星齒輪傳動(dòng)現(xiàn)已被人們用來代替普通齒輪傳動(dòng),而作為各種機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中的減速器、增速器和變速裝置。尤其是對于那些要求體積小、質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)緊湊和傳動(dòng)效率高的齒輪傳動(dòng)裝置以與需要差速器的汽車和坦克等車輛的齒輪傳動(dòng)裝置,它幾乎可適用于一切功
3、率和轉(zhuǎn)速圍,故目前行星傳動(dòng)技術(shù)已成為世界各國機(jī)械傳動(dòng)發(fā)展的重點(diǎn)之一。 1.2 行星齒輪傳動(dòng)在草坪機(jī)械上的運(yùn)用 隨著人們?nèi)找嬖鲩L的環(huán)保意識(shí),城市綠地建設(shè)量與維護(hù)量也日益增加,于此同時(shí)草坪機(jī)械的需求量也就相應(yīng)的與日俱增。我國草坪業(yè)發(fā)展勢頭良好,也可以說是在短時(shí)間從無到有,而且在全國大中城市迅猛發(fā)展。根據(jù)中國國家林業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì),我國草坪機(jī)械需求量以每年將近40%的速度增長。草坪機(jī)械屬于傳統(tǒng)機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域,是一類用于草坪維護(hù)、植保、修剪、施工的機(jī)械,草坪割草機(jī)又是其中的主流產(chǎn)品,占有大約80%的份額。割草勞動(dòng)無疑是件枯燥、重復(fù)性較高的工作,為了減低勞動(dòng)強(qiáng)度,減少勞動(dòng)時(shí)間,提高割草機(jī)的割草效率,需要一些
4、舉措,如可以從機(jī)構(gòu)本身研究出發(fā),包括割草機(jī)外型,割草機(jī)動(dòng)力(手推,牲畜拉,燃料驅(qū)動(dòng),電動(dòng)以與清潔能源—包括氫能源和太陽能等),人體工作姿勢(行走手推,乘騎式等),機(jī)械控制方式,傳動(dòng)方式(單速,多級(jí)變速等),來提高機(jī)械割草運(yùn)動(dòng)的效率,減輕勞動(dòng)負(fù)擔(dān)。 從草坪割草機(jī)市場和使用者情況看,多為手扶式自行家用機(jī),手扶式自行商用機(jī)在國使用者不多,其效率較高,體積小,2把或3把刀片橫并,因此刀片小,但在草坪質(zhì)量不高的情況下,該機(jī)型適應(yīng)能力欠佳。乘騎式草坪割草機(jī)在我國尚沒普與,該機(jī)多用于足球場、高爾夫球場和大面積公園綠地,該機(jī)型效率高、作業(yè)質(zhì)量好,工作平穩(wěn),操作者基本上無勞動(dòng)傷害,但相對價(jià)格高使用成本高
5、,然而此機(jī)型仍是有潛力和發(fā)展前途的機(jī)型。 圖1 乘騎式草坪割草機(jī) 乘騎式草坪割草機(jī)變速離合器部變速裝置采用了行星齒輪變速器,也正是利用了行星齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn),從而在修剪草坪時(shí)可以像汽車一樣實(shí)現(xiàn)多檔的變速,這樣就大大提高了勞動(dòng)效率和草坪的修剪質(zhì)量。 1.3 行星齒輪變速器工作原理 行星齒輪變速器具有體較小、結(jié)構(gòu)簡單、操作容易、變速大等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用廣泛。其由行星齒輪機(jī)構(gòu)和換檔執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩部分組成。行星齒輪機(jī)構(gòu)的作用是改變傳動(dòng)比和傳動(dòng)方向,即構(gòu)成不同的檔位。換擋機(jī)構(gòu)的作用是實(shí)現(xiàn)擋位的變換。 1.3.1行星齒輪機(jī)構(gòu) 行星齒輪機(jī)構(gòu)是由太陽輪與均勻分布在太陽輪周圍的幾個(gè)行星輪以與與行星輪相嚙合的
6、齒圈組成的,而幾個(gè)行星輪又都同時(shí)安裝在一個(gè)公用的行星架上。如圖所示為一個(gè)單級(jí)行星排的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2 在一個(gè)自動(dòng)變速器,行星排的多少取決于自動(dòng)變速器檔位的多少。自動(dòng)變速器就靠這些行星排中的原件不同組合來實(shí)現(xiàn)不同的檔位的輸出。 從圖中可知,太陽輪與行星輪屬于外嚙合,兩輪的旋轉(zhuǎn)方向是相反的;行星輪與齒圈的嚙合屬于嚙合,行星輪與齒圈的旋轉(zhuǎn)方向是一樣的。通過離合器,制動(dòng)器和單向離合器將各元件進(jìn)行不同的連接、鎖止的組合,可得到自動(dòng)變速器不同的傳動(dòng)比。 1.3.2 行星齒輪傳動(dòng)類型 只要將行星齒輪機(jī)構(gòu)中的太陽輪、齒圈和行星架三者之間以不同的方式組合,便可得到各種傳動(dòng)比,這是采
7、用行星齒輪機(jī)構(gòu)的變速器能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速的根本所在,這種速比的計(jì)算公式是根據(jù)行星齒輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩關(guān)系推導(dǎo)出來的。單排行星齒輪機(jī)構(gòu)一般運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特性方程: n1+α·n2-(1+α)·n3=0 式(1-1) 式中,n1是太陽輪的轉(zhuǎn)數(shù);n2是齒圈的轉(zhuǎn)數(shù);n3行星架的轉(zhuǎn)數(shù);α是齒圈齒數(shù)與太陽輪齒數(shù)之比。 太陽輪、齒圈和行星架三者具有同一旋轉(zhuǎn)軸線。由式可以看出,將三者中的任一構(gòu)件與主動(dòng)軸相連(作為輸入主動(dòng)件),第二構(gòu)件與被動(dòng)軸相連(作為輸出從構(gòu)件),再加上第三個(gè)條件---第三構(gòu)件被強(qiáng)制固定(稱為制動(dòng),即該構(gòu)件轉(zhuǎn)速為零),或使其運(yùn)動(dòng)受一定的約束(即該構(gòu)件的轉(zhuǎn)
8、速為某一定值),則整個(gè)輪系就以一定的傳動(dòng)比傳遞動(dòng)力,實(shí)現(xiàn)不同檔位速度變化。 1. 減速傳動(dòng) (1)齒圈制動(dòng),太陽輪輸入,行星架輸出。當(dāng)輸入軸驅(qū)動(dòng)太陽輪以順時(shí)針方(由前往后看)旋轉(zhuǎn)時(shí),會(huì)引起各行星輪分別繞各自的行星輪軸做逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),這使與行星輪嚙合的齒圈必須轉(zhuǎn)動(dòng),由于它也被強(qiáng)制制動(dòng),于是行星輪必須沿齒圈按順時(shí)針方向滾動(dòng),即繞太陽輪公轉(zhuǎn)。此時(shí),行星架也將繞太陽輪旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)向于太陽輪轉(zhuǎn)向一樣,但轉(zhuǎn)速要比太陽輪慢得多。至于是什么樣的傳動(dòng)比,這要取決于齒輪的尺寸和齒數(shù)。 此時(shí)式中n2=0,故傳動(dòng)比 i13=n1/n3=1+α 式(1-2)
9、若是齒數(shù)確定的行星機(jī)構(gòu),可按此計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算,此時(shí)轉(zhuǎn)速只有輸入的 ,即得到一種減速傳動(dòng)。 (2)太陽輪制動(dòng),齒圈輸入,行星架輸出。在這種情況下,齒圈順時(shí)針旋轉(zhuǎn),引起各行星輪在各自的軸上做順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。同時(shí),它們還將沿太陽輪按順時(shí)針方向滾動(dòng)。行星架與齒圈按一樣的方向旋轉(zhuǎn)。這種組合方案也得到一種減速運(yùn)動(dòng),但其扭矩的增加和轉(zhuǎn)速的降低,均比上一種方案要少。 此時(shí)式中n1=0,故傳動(dòng)比 i23=n2/n3=(1+α)/α 式(1-3) 2. 超速傳動(dòng) (1)太陽輪制動(dòng),行星架輸入,齒圈輸出。行星輪按順時(shí)針方向沿太陽輪滾動(dòng),引起各行星輪在各自的
10、行星輪軸上順時(shí)針旋轉(zhuǎn),是齒圈與輸入軸同鄉(xiāng)旋轉(zhuǎn)。此種組合方案使輸出軸轉(zhuǎn)速高于輸入軸,為超速傳動(dòng)。 此時(shí)式中n1=0,故傳動(dòng)比 i32=n3/n2= α/(1+α) 式(1-4) (2)齒圈制動(dòng),行星架輸入,太陽輪輸出。行星輪按順時(shí)針方向沿齒圈滾動(dòng),引起各行星輪分別在各自行星輪軸上逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),使太陽輪與輸入軸同向旋轉(zhuǎn)。此種方案為超速傳動(dòng)。 此時(shí)式中n2=0,故傳動(dòng)比 i31=n3/n1= 1 /(1+α) 式(1-5) 3. 倒檔 (1)行星架制動(dòng),太陽輪輸入,齒圈輸出。行星架被制動(dòng),各行星輪只有自轉(zhuǎn)而無
11、公轉(zhuǎn)。此時(shí)它們作為惰輪工作,使齒圈與太陽輪反向旋轉(zhuǎn)。此種方案得到減速傳動(dòng),且輸出軸旋轉(zhuǎn)方向與輸入軸相反,故為倒擋。 此時(shí)式中n3=0,故傳動(dòng)比 i12=n1/n2=-α 式(1-5) (2)行星架制動(dòng),齒圈輸入,太陽輪輸出。很容易看出太陽輪與齒圈反向旋轉(zhuǎn),此種方案為倒檔升速。 此時(shí)式中n3=0,故傳動(dòng)比 4. 直接檔傳動(dòng) 若使式中n1=n2,則n3=n1=n2,或n2=n3時(shí),同樣可得n1=n2=n3,故太陽輪、行星架和齒圈三者中,有任意兩個(gè)構(gòu)件被連接成一體時(shí),各齒輪間均無相對運(yùn)動(dòng),整個(gè)行星輪機(jī)構(gòu)將成為一個(gè)整體而旋轉(zhuǎn),此時(shí)為直
12、接檔傳動(dòng)。 5. 空檔 如果太陽輪、行星架和齒圈三者中,無任何一個(gè)構(gòu)件被制動(dòng),也無任何兩個(gè) 構(gòu)件被連成一體,各構(gòu)件將可做自由轉(zhuǎn)動(dòng)(空檔)不受任何約束;當(dāng)輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),輸出軸可以不動(dòng),在這種組合方案下,行星輪機(jī)構(gòu)將不傳遞動(dòng)力,得到空檔。 單排行星輪機(jī)構(gòu)的速比圍有限,往往不能滿足現(xiàn)實(shí)中的實(shí)際要求,在實(shí)際應(yīng)用中的行星齒輪變速器中,都是由幾個(gè)單排的行星輪機(jī)構(gòu)和幾組離合器組成的。借助離合器操縱,用不同行星輪機(jī)構(gòu)的組合來獲得不同的檔位速比,使得實(shí)際行星齒輪變速器的結(jié)構(gòu)比上述單排行星輪機(jī)構(gòu)復(fù)雜得多,其形式也可以是多種多樣的,但其工作原理仍與單排行星輪機(jī)構(gòu)一樣。其傳動(dòng)比可根據(jù)單排行星輪機(jī)構(gòu)特性方
13、程式推到出來。 1.3.3 換檔執(zhí)行元件 行星齒輪變速器的換檔執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳統(tǒng)的手動(dòng)齒輪變速器不同。行星齒輪變速器中所有的齒輪都是處于常嚙合狀態(tài),它的檔位變換不是通過移動(dòng)齒輪進(jìn)入嚙合或脫離嚙合進(jìn)行的,而是通過不同的方式對行星齒輪機(jī)構(gòu)的基本原件進(jìn)行約束來實(shí)現(xiàn)的。通過選擇適當(dāng)?shù)谋患s束的基本元件和約束方式,可以使該機(jī)構(gòu)具有不同的傳動(dòng)比,從而組成不同的檔位。 行星齒輪變速器的換檔執(zhí)行機(jī)構(gòu)元件主要有離合器、制動(dòng)器、和單向離合器三種,其基本作用是連接、固定或鎖止。所謂連接是指將行星齒輪變速器的輸入軸與行星排中的某個(gè)基本原件連接以傳遞動(dòng)力,或?qū)⑶耙粋€(gè)行星排中的某一個(gè)基本元件與后一個(gè)行星排中的某一個(gè)基本元
14、件連接以約束這兩個(gè)基本元件的運(yùn)動(dòng);所謂固定是指將行星排的某一個(gè)基本元件與自動(dòng)變速器的殼體連接,使元件被固定而不能旋轉(zhuǎn);所謂鎖止是指把某個(gè)行星排的三個(gè)基本元件中的兩個(gè)連接在一起,從而將該行星排鎖止,使其三個(gè)基本元件以一樣的轉(zhuǎn)速一同旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生直接傳動(dòng)。換擋執(zhí)行原件通過一定的規(guī)律對行星齒輪機(jī)構(gòu)的某些元件進(jìn)行連接、固定或鎖止,使行星齒輪機(jī)構(gòu)獲得不同的傳動(dòng)比,從而實(shí)現(xiàn)各檔位的變換。 2 行星齒輪變速箱方案設(shè)計(jì) 根據(jù)乘騎式草坪割草機(jī)的一些技術(shù)要求,對行星齒輪變速器進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì),拿出方案后,后續(xù)的工作就可以繼續(xù)了。 2.1 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 此處省略?NNNNNN
15、NNNNNN字。如需要完整說明書和設(shè)計(jì)圖紙等.請聯(lián)系?扣扣:九七一九二零八零零 另提供全套機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)下載!該論文已經(jīng)通過答辯 表2.1 各檔預(yù)計(jì)傳動(dòng)比 檔位 F W B N P 傳動(dòng)比 5 20 -20 / / 這款乘騎式草坪割草機(jī)有五個(gè)檔,但實(shí)際確切的傳動(dòng)比只有三個(gè),W檔和B檔的傳動(dòng)比都比較大。鑒于此,整個(gè)系統(tǒng)由變速部分和主減速器構(gòu)成,變速部分主要起變速作用,主減速器主要起減速作用。原理方案結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。 輸入軸 變速部分 主減速器 輸出軸 圖2.1 原理方案結(jié)構(gòu)圖 除去空檔和制動(dòng)檔還有三個(gè)檔,檔數(shù)不
16、多,故變速部分選擇二自由度變速箱,并且希望能夠通過閉鎖離合器與主減速器共同作用以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)檔,這樣能夠減少變速部分行星排數(shù),具體見下面的容。由于NGW型行星齒輪傳動(dòng)是目前動(dòng)力傳動(dòng)中應(yīng)用最多、傳遞功率最大的一種行星傳動(dòng),所以系統(tǒng)中所有的行星排均取為NGW型。 2.2 組合設(shè)計(jì)法原理 行星齒輪變速器的設(shè)計(jì)是一件復(fù)雜而困難的工作,通過對由兩個(gè)單排2K-H型差動(dòng)輪系構(gòu)成的復(fù)合輪系進(jìn)行分析,從中找出幾個(gè)符合乘騎式草坪割草機(jī)傳動(dòng)比圍的輪系,并配以制動(dòng)器,構(gòu)成傳動(dòng)方案簡圖,將這些簡圖和對應(yīng)的傳動(dòng)比公式與傳動(dòng)比變化圍列入表中。設(shè)計(jì)時(shí),只需根據(jù)變速器所需的傳動(dòng)比數(shù)值,從表中選出適合的方案簡圖進(jìn)行組合,就可以得
17、到行星齒輪變速器的總體傳動(dòng)方案和機(jī)構(gòu)簡圖,同時(shí),聯(lián)立求解由表中查得的傳動(dòng)比公式,各輪系齒輪的齒數(shù)也能迅速計(jì)算出來。 行星齒輪傳動(dòng)類型和傳動(dòng)比在前面的行星齒輪變速器原理有詳細(xì)的討論,因此在這里就不一一再詳細(xì)的解釋了。 圖2.2 單行星排和行星排簡圖 圖2.2 a為單排2K-H型差動(dòng)輪系(單行星排),可用圖2.2 b所示簡圖表示,用黑圓點(diǎn)表示基本構(gòu)件,a為太陽輪、b為齒圈、H為行星架。3個(gè)基本構(gòu)件的轉(zhuǎn)速應(yīng)滿足下式 式(2-1) 式中,齒數(shù)比,又稱特性系數(shù),為縮小結(jié)構(gòu)尺寸和保證安裝,通常取k=4/3~4。 由 可得下式 式(2-2)
18、 將式(2-2)兩端同乘以、后可得 式(2-3) 式(2-4) 式(2-3)~式(2-4)反映了3個(gè)基本構(gòu)件之間的速比關(guān)系,用來推導(dǎo)行星齒輪傳動(dòng)比公式十分簡便。 兩個(gè)單行星排通過兩個(gè)基本構(gòu)件聯(lián)接,有12種固聯(lián)方案,圖2.2的c~e為其中的3中。每種固聯(lián)方案改變輸入輸出構(gòu)件與制動(dòng)構(gòu)件,又可得4個(gè)或8個(gè)雙排傳動(dòng)方案,推導(dǎo)出每個(gè)方案的傳動(dòng)比公式,并代入k值,再根據(jù)傳動(dòng)比數(shù)值,容易從中挑選出適合變速器的傳動(dòng)方案。 圖2.2e中,行
19、星架H1與H2、輪b1與b2固聯(lián),輪a1為輸入構(gòu)件,H2為輸出構(gòu)件?,F(xiàn)以此傳動(dòng)簡圖為例,介紹其傳動(dòng)比推導(dǎo)方法。 當(dāng)制動(dòng)器B2松開,B1結(jié)合時(shí),輪系1為行星輪系,其傳動(dòng)比公式為 式(2-5) 當(dāng)B1松開,B2結(jié)合時(shí),輪系1被輪系2封閉,構(gòu)成封閉式輪系,其傳動(dòng)比公式推導(dǎo)如下 (1)由固聯(lián)關(guān)系得,、,即 式(2-6) (2)按式(2-4)對行星排1可寫出下式 式(2-7) (3)將式(2-6)代入上式,可得傳動(dòng)比公式
20、 式(2-8) 若給定k=2~3(使結(jié)構(gòu)經(jīng)湊),以前進(jìn)檔i=0.6~10和倒檔-2~-10為限,經(jīng)篩選,有15個(gè)雙排傳動(dòng)方案合適作變速器。 表2.2僅列出5個(gè)雙排和4個(gè)單排傳動(dòng)方案簡圖,以方便組合設(shè)計(jì)與齒數(shù)計(jì)算。 表2.2 行星排的適用簡圖與傳動(dòng)比 序號(hào) 行星排適用簡圖 制動(dòng)器結(jié)合時(shí)的傳動(dòng)比式與 傳動(dòng)比數(shù)值圍(k=2~3) 1 B1結(jié)合 B2結(jié)合 B3結(jié)合 B4結(jié)合 2 B1結(jié)合 B2結(jié)合 3 B1結(jié)合 B2結(jié)合 4 B1結(jié)合 B2結(jié)合 5 B1結(jié)合
21、B2結(jié)合 6 B1結(jié)合 B2結(jié)合 2.3 傳動(dòng)方案設(shè)計(jì) 行星輪系的類型很多,在一樣的速比和載荷條件下,采用不同的類型可以使輪系的外廓尺寸、重量和效率相差很多,因此在設(shè)計(jì)行星齒輪傳動(dòng)方案時(shí),應(yīng)重視輪系類型的選擇。選擇輪系的類型時(shí),首先是要考慮能否滿足傳動(dòng)比的要求,其次還要考慮功率好效率的問題。 這里,根據(jù)組合設(shè)計(jì)法原理來確定變速器部的行星齒輪傳動(dòng)簡圖,又由原理方案結(jié)構(gòu)圖知,變速系統(tǒng)部有變速部分和主減速兩部分組成,涉與到兩個(gè)傳動(dòng)比,一個(gè)是變速部分的傳動(dòng)比i1,另外一個(gè)是主減速器傳動(dòng)比i2(i2為常數(shù)),總傳動(dòng)比為i,則有 ×
22、經(jīng)計(jì)算,各檔公稱傳動(dòng)比取值如下表2.3所示。 表2.3 各檔公稱傳動(dòng)比 檔位 F W B 1 3.9 -4.2 5.2 5.2 5.2 5.2 20.28 -21.84 分析表可得,實(shí)際傳動(dòng)比不為1的不同傳動(dòng)比有兩個(gè),即需要兩個(gè)行星排,再加上主減速器,一共是三個(gè)行星排,理論上有12種方案,然后根據(jù)以下限制條件加以優(yōu)選。 條件:(1)為使結(jié)構(gòu)緊湊,行星排的K值應(yīng)在1.33~4之間,且最好能互相接近。 (2)(n+2)個(gè)構(gòu)件要完全包括在所選定的方程組中。 (3)提供直接檔的閉鎖離合器應(yīng)裝在相對速度較大的兩機(jī)
23、件之間。 (4)離合器接合的兩元件應(yīng)靠近。 (5)不能將制動(dòng)器包在機(jī)構(gòu)部。 再根據(jù)乘騎式草坪割草機(jī)的技術(shù)要求和行駛速度要球,計(jì)算的出的傳動(dòng)比根據(jù)表2.2中列出的方案進(jìn)行組合設(shè)計(jì),因?yàn)檫€要求可以實(shí)現(xiàn)倒檔,所以我們選擇方案5和一個(gè)單行星排組合,最終得到以下的傳動(dòng)簡圖。 1: 行星排1; 2:行星排2; 3:行星排3 圖2.3 傳動(dòng)方案簡圖 表2.4 變速器換擋結(jié)合元件 檔位 C1 C2 B1 B2 B3 F 1 1 0 0 0 B 1 0 0 1 0 W 1 0 1 0 O N 0 0 1
24、 0 0 P 0 0 0 0 1 在表2.4中C代表離合器,B代表制動(dòng)器,從左到右,第一個(gè)離合器為C1,第二個(gè)為C2,制動(dòng)器也是如此標(biāo)記。1表示元件工作,即離合器接合元件,制動(dòng)器制動(dòng)元件,0表示不工作。下面對前進(jìn)檔(F檔),工作檔(W)和倒檔(B)進(jìn)行簡單地說明。 當(dāng)乘騎式草坪割草機(jī)掛到前進(jìn)檔時(shí),離合器C1接通,使動(dòng)力傳入變速箱,離合器C2接通時(shí),輸入軸與行星排1的齒圈就接合了,使得變速部分的傳動(dòng)比為1,即為直接檔,從而乘騎式草坪割草機(jī)快速前進(jìn)。當(dāng)乘騎式草坪割草機(jī)掛到工作檔(W檔)時(shí),離合器C1接通,使動(dòng)力傳入變速箱,制動(dòng)器制動(dòng)行星排1的齒圈,由于行星排1
25、和行星排2的行星架固聯(lián)在一起,又與行星排3共同作用,從而可以得到較大的傳動(dòng)比,實(shí)現(xiàn)乘騎式草坪割草機(jī)邊慢速前進(jìn)邊割草。當(dāng)乘騎式草坪割草機(jī)掛到倒檔時(shí),離合器C1接通,使動(dòng)力傳入變速箱,制動(dòng)器制動(dòng)行星排1和行星排2的行星架,因此得到負(fù)的傳動(dòng)比,可以實(shí)現(xiàn)倒檔。 2.4 行星齒輪齒數(shù)確定 行星齒輪傳動(dòng)具有自身許多特點(diǎn),其各齒輪齒數(shù)的確定也受許多條件的制約。在行星輪系中,各輪齒數(shù)的選配需盡可能近似地實(shí)現(xiàn)給定的傳動(dòng)比,滿足同心條件,因?yàn)橐行禽喯的苷_\(yùn)轉(zhuǎn),其基本構(gòu)件的回轉(zhuǎn)軸線必須在同一直線上,此即同心條件。同時(shí)為使行星輪能均布地裝配,行星輪的個(gè)數(shù)與各輪齒數(shù)之間必須滿足一定的關(guān)系,否則將會(huì)因行星輪與太陽
26、輪輪齒的干涉而不能裝配,此即應(yīng)滿足均布條件。這里我根據(jù)行星排的K值以與傳動(dòng)比公式進(jìn)行了計(jì)算。 另外,所選用的齒輪全都是標(biāo)準(zhǔn)漸開線圓柱直齒輪,因?yàn)槠鋫鲃?dòng)的速度和功率圍很大,傳動(dòng)效率又高,對中心距地敏感性小,裝配和維修比較方便,可以進(jìn)行變位切削與各種修形、修緣,以適應(yīng)提高傳動(dòng)質(zhì)量的要求,而且也易于精確加工,但是由于其結(jié)構(gòu)緊湊,僅適用于近距離傳動(dòng),制造成本也較高,有些還制造工藝復(fù)雜,沒有過載保護(hù)作用。三個(gè)行星排行星輪數(shù)np均取為3。具體數(shù)據(jù)如下表2.5所示。 表2.5 齒輪基本參數(shù) 排號(hào) 太陽輪 行星輪 齒圈 np 備注 1 20 19 58 3 40Cr,標(biāo)準(zhǔn)漸開線圓柱
27、直齒輪,表面淬火,硬齒面表面硬度HRC48~55, 7級(jí)精度 2 47 19 85 3 3 23 37 97 3 根據(jù)上表便可以得到實(shí)際傳動(dòng)比與乘騎式草坪割草機(jī)的行駛速度(按發(fā)動(dòng)機(jī)額定輸出計(jì)算),具體情況如下表2.6所示。 表2.6 各檔實(shí)際傳動(dòng)比與行駛速度 檔位 F W N P B 傳動(dòng)比 5.2 20.28 / / -21.84 行駛速度() 30.36 7.79 / / -7.23 3 行星齒輪傳動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì) 3.1 行星輪系的均載裝置 行星輪系的特點(diǎn)之一是可采用多個(gè)行星輪來分擔(dān)
28、載荷。但實(shí)際上,由于制造和裝配的誤差,往往會(huì)出現(xiàn)各行星輪受力極不均勻的現(xiàn)象。為了降低載荷分配不均現(xiàn)象,常把行星輪系中的某些構(gòu)件做成可以浮動(dòng)的,如各行星輪受力不均勻,由于這些構(gòu)件的浮動(dòng),可減輕載荷分布不均現(xiàn)象,此即均載裝置。 均載裝置的類型很多,有使行星輪浮動(dòng)的,有使行星架浮動(dòng)的,也有使幾個(gè)構(gòu)件同時(shí)浮動(dòng)的。如下圖3.1所示為采用彈性元件而使太陽輪浮動(dòng)的均載裝置。 圖 3.1 3.2 行星齒輪動(dòng)力學(xué)分析 行星輪系可以看作是由定軸輪系轉(zhuǎn)化而來的,它們之間的根本差別在于前者中有轉(zhuǎn)動(dòng)的行星架,故其傳動(dòng)比不能直接按定軸輪系的傳動(dòng)比的求法來計(jì)算。以行星排為例來看,可把太陽輪、齒圈、行星輪都看作是
29、支承在行星架上的齒輪,當(dāng)行星架固定不動(dòng)時(shí)為定軸輪系,當(dāng)行星架以太陽輪軸線為中心旋轉(zhuǎn)起來就成了行星輪系。因此,行星排的運(yùn)作可以看作是兩部分運(yùn)動(dòng)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)速作整體運(yùn)動(dòng),這是牽連運(yùn)動(dòng)。牽連運(yùn)動(dòng)中各齒輪不產(chǎn)生嚙合運(yùn)動(dòng);相互嚙合的齒輪相對行星架作嚙合運(yùn)動(dòng),這是相對運(yùn)動(dòng)。根據(jù)相對運(yùn)動(dòng)原理,我們把行星輪系轉(zhuǎn)化為定軸輪系。這種轉(zhuǎn)化所得的假想的定軸輪系,稱為原周轉(zhuǎn)輪系的轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)。 下面來討論行星排扭矩。單對嚙合的齒輪傳遞的扭矩,是總傳遞扭矩的,而太陽輪行星架以與齒圈在不考慮自重和摩擦的情況下都只受扭矩,且行星齒輪對行星輪軸的轉(zhuǎn)矩為零。經(jīng)過簡單分析,可以發(fā)現(xiàn)
30、由于傳動(dòng)比較大,在同等條件下,各齒輪受力都是處于工作檔較大,故一下數(shù)據(jù)都是乘騎式草坪割草機(jī)處于工作檔的情況,應(yīng)力循環(huán)系數(shù)按10年,每年300天,每天8小時(shí)考慮行星架轉(zhuǎn)速后計(jì)算而得,而且為了簡化計(jì)算,并未考慮重力、摩擦力以與傳動(dòng)效率的影響。不計(jì)傳動(dòng)效率影響是偏于安全的。軸的標(biāo)記也是從左到右依次為軸0軸1直到輸出軸軸2,軸2與第三行星排行星架做成一體,而且軸0與軸1之間有齒式聯(lián)軸器。軸0傳遞的扭矩這一參數(shù)考慮了其受力情況,所以填入的并非是輸入扭矩,這樣方便在估算直徑的時(shí)候計(jì)算。 根據(jù)公式 ,Pd---電動(dòng)機(jī)功率(w),nm---電動(dòng)機(jī)的滿載轉(zhuǎn)速()。得到輸入轉(zhuǎn)矩為。 排號(hào) a輪應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
31、 b輪應(yīng)力循環(huán)次數(shù) c輪應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 1 1010 2 1010 1010 3 表3.1 3.3 行星齒輪幾何規(guī)劃優(yōu)化設(shè)計(jì) 幾何規(guī)劃的特征是:工程優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)是由廣義多項(xiàng)式構(gòu)成,利用對偶性原理將問題轉(zhuǎn)化為具有線性約束的最優(yōu)化問題來求解,使計(jì)算大大簡化。同時(shí),利用幾何規(guī)劃的對偶關(guān)系,獲得有關(guān)問題的許多重要信息,有助于深入認(rèn)識(shí)和理解問題的一些特征和本質(zhì)。 幾何規(guī)劃的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是幾何不等式定理。以齒輪體積為目標(biāo)的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型即屬于正向幾何規(guī)劃,整個(gè)優(yōu)化過程如下圖3.2所示。 選擇各項(xiàng)權(quán)數(shù),按輪齒承載能力計(jì)算公式,建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型
32、構(gòu)造優(yōu)化模型的對偶規(guī)劃 按非負(fù)性條件、規(guī)性條件以與正交性條件求解對偶規(guī)劃 將對偶規(guī)劃的求解結(jié)果回代至優(yōu)化模型,從而得到最優(yōu)解 圖3.2 優(yōu)化過程流程圖 另外,在一般條件下,NGW型行星齒輪傳動(dòng),其承載能力主要取決于外嚙合,所以我首先根據(jù)外嚙合的強(qiáng)度(彎曲強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度)建立優(yōu)化模型,對行星排中嚙合只做校核,如不滿足再做變更。 3.4 行星排傳動(dòng)齒輪模數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 3.4.1 排1a-c 傳動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì) 變量有兩個(gè):模數(shù)m和齒寬系數(shù),令m=x1,=x2,X=,先按抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì),參數(shù)如下: T=18600,預(yù)取K=1.3,S=1.5 小齒輪z=19YFa=2.
33、85 YSa=1.54 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 大齒輪 z=19YFa=2.33 YSa=1.71 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 代入大者 數(shù)學(xué)模型: 對偶規(guī)劃: 其中 回代入原優(yōu)化模型 優(yōu)化結(jié)果:x1=1.068,x2=1 結(jié)果修正: 圓整為標(biāo)準(zhǔn)值:取m=2.5 3.4.2 排2a-c傳動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì) 變量有兩個(gè):模數(shù)m和齒寬系數(shù),令m=x1,=x2,X= T=32410,預(yù)取K=1.3,S=1.5 按抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì) 按接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 數(shù)學(xué)模型: 優(yōu)化結(jié)果:x1=1.472,x2=1 結(jié)果修正: 圓整為標(biāo)準(zhǔn)值:取m=3
34、3.4.3 排3a-c傳動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)
變量有兩個(gè):模數(shù)m和齒寬系數(shù),令m=x1,=x2,X=
T=264800,預(yù)取K=1.3,S=1.5
按抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)
按接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
數(shù)學(xué)模型:
優(yōu)化結(jié)果:x1=2.048,x2=1
結(jié)果修正:
圓整為標(biāo)準(zhǔn)值:取m=3
3.5 齒輪強(qiáng)度校核
齒輪材料一樣,力學(xué)性能也一樣,均為。
3.5.1 排1a-c傳動(dòng)校核
m=2.5 b=57 KA=1.75
計(jì)算的小齒輪圓周速度
另外
取S=1.5,代入齒輪彎曲強(qiáng)度校核公式
右邊=2.1 35、mz1=57 安全
3.5.2 排1b-c傳動(dòng)校核
m=3 b=57 KA=1.75
計(jì)算的小齒輪圓周速度
另外
取S=1.5,代入齒輪彎曲強(qiáng)度校核公式
右邊=1.6 36、
計(jì)算的小齒輪圓周速度
另外
取S=1.5,代入齒輪彎曲強(qiáng)度校核公式
右邊=2.1 37、m=3 安全
取S=1,代入齒輪接觸強(qiáng)度校核公式
右邊=61.3 38、,平穩(wěn)無沖擊,分離徹底,動(dòng)作準(zhǔn)確可靠;
2. 結(jié)構(gòu)簡單,重量輕,慣性小,外形尺寸小,工作安全,效率高;
3. 接合元件耐磨性好,使用壽命長,散熱條件好;
4. 操縱方便,制造容易,調(diào)整維修方便。
因此綜上,這里選用的是搏信機(jī)電公式的HLW20液2操作多盤離合器,其所允許的最大動(dòng)態(tài)扭矩為200N·m,最大轉(zhuǎn)速3800,完全可以滿足使用要求。
4.2 制動(dòng)器的選用
制動(dòng)器的作用是降低機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度,或停止運(yùn)動(dòng)的裝置。選用制動(dòng)器,首先應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)制動(dòng)器中根據(jù)以下因素進(jìn)行選擇。
1. 制動(dòng)器的應(yīng)用場合,配套主機(jī)的性能和條件。
2. 充分重視制動(dòng)器的重要性,制動(dòng)力矩必須要有足夠的 39、儲(chǔ)備,即保證一定的安全系數(shù)。
3. 考慮安裝條件,即制動(dòng)器安裝空間的大小。
4. 高速軸與低速軸。制動(dòng)器通常安裝在傳動(dòng)系統(tǒng)的高速軸上,此時(shí),需要的制動(dòng)力矩小,制動(dòng)器體積小,質(zhì)量輕,但安全可靠性相對較低。如安裝在低速軸上,則比較安全可靠,但轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大,所需的制動(dòng)力矩較大,制動(dòng)器的體積和質(zhì)量也相對較大。安全制動(dòng)器通常安裝在低速軸上。
5. 配套主機(jī)的使用壞境、工作和保養(yǎng)條件。
因此綜上考慮,和受尺寸的限制,這里選用的是堂瑩的DFB-10型空壓制動(dòng)器,每次制動(dòng)器由左右對稱放置的兩個(gè)制動(dòng)器同時(shí)完成,這樣保證了系統(tǒng)尺寸的不加大,制動(dòng)盤受力也更好些。
4.3 齒式聯(lián)軸器的選用
聯(lián)軸器是用 40、來連接不同機(jī)構(gòu)中的兩根軸(主動(dòng)軸和從動(dòng)軸)使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機(jī)械零件。在高速重載的動(dòng)力傳動(dòng)中,有些聯(lián)軸器還有緩沖、減振和提高軸系動(dòng)態(tài)性能的作用。聯(lián)軸器由兩半部分組成,分別為主動(dòng)軸和從動(dòng)軸聯(lián)接。一般動(dòng)力機(jī)大都借助于聯(lián)軸器與工作機(jī)相聯(lián)接。
聯(lián)軸器品種、型式、規(guī)格很多,在正確理解品種、型式、規(guī)格各自概念的基礎(chǔ)上,根據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)的需要來選擇聯(lián)軸器,首先從已經(jīng)制訂為標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)軸器中選擇,目前我國制訂為國標(biāo)和行標(biāo)的有十幾種,這些標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)軸器絕大多數(shù)是通用聯(lián)軸器,每一種聯(lián)軸器都有各自的特點(diǎn)和適用圍,基本能夠滿足多種工況的需要。
名義傳遞扭矩T=114.2 N·m,取工作系數(shù)KA=2.4,則計(jì)算力矩Tca 41、=KAT=274.08 N·m,綜合考慮選用TGLA型齒式聯(lián)軸器,具體型號(hào)為TGLA9,轉(zhuǎn)矩、允許轉(zhuǎn)速等均滿足要求,總寬度為124mm,其中半聯(lián)軸器寬度60mm,中間間隙為4mm,聯(lián)軸器最大外徑140mm。
4.4 軸徑估算
軸是組成與其的重要零件之一,其功用主要是支承回轉(zhuǎn)零件與傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力,因此大多數(shù)軸都要承受轉(zhuǎn)矩和彎矩的作用。該變速箱中共有4個(gè)軸:軸0、軸1、軸2和輸出軸軸b,材料均采用40Cr,調(diào)質(zhì)處理,用于載荷較大而無很大沖擊的重要軸。
4.4.1 軸0
軸徑估算公式:(或)這里用后一個(gè)公式,取
, ,考慮鍵槽的影響,擴(kuò)大7﹪,取dmin=21mm。
4.4. 42、2 軸1
用公式 ,代入P=12.625kw,n=288.6,取A0=106mm,考慮鍵槽的影響,擴(kuò)大10%,,取dmin=31mm。
4.4.3軸2
用公式 ,代入P=12.625kw,n=74,取A0=106mm,考慮鍵槽的影響,擴(kuò)大3%,取dmin=45mm。
因?yàn)樾行驱X輪傳動(dòng)由多個(gè)行星輪共同作用,所以軸都只受扭矩,最終的軸的尺寸都是在估算的基礎(chǔ)上加大后取的,故沒有校核的必要了。
4.5 主要零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
以下主要以各零件的三維視圖來形象的表示其結(jié)構(gòu),主要有齒輪和軸的結(jié)構(gòu)圖。其中齒輪包括各行星排中的太陽輪和行星輪。
太陽輪a1
行星輪c1
43、
太陽輪a2
行星輪c2
太陽輪a3
行星輪c3
軸0
軸1
軸2
結(jié) 論
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我系統(tǒng)地鞏固了大學(xué)四年的學(xué)習(xí)課程,通過畢業(yè)設(shè)計(jì)使我更加了解到行星齒輪傳動(dòng)在實(shí)際工程傳動(dòng)和變速機(jī)構(gòu)中的重要地位。
通過畢業(yè)設(shè)計(jì),我系統(tǒng)地鞏固了《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》、《機(jī)械制圖》、《機(jī)械制造基礎(chǔ)》、《互換性與技術(shù)測量》以與《行星齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)》等許多課程。從最初傳動(dòng)方案的確定到最終總的裝配圖的繪制,在導(dǎo)師的帶領(lǐng)和指導(dǎo)下,每一個(gè)環(huán)節(jié)我都付出了自己辛勤的汗水。
在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中,通過參考、查閱各種有關(guān)行星齒輪傳動(dòng)和變速器方面的資料,特別是行星齒輪在 44、變速器實(shí)際應(yīng)用問題中遇到的具體問題,使我在這短暫的時(shí)間里,對行星齒輪傳動(dòng)有了一個(gè)更為深刻的理解。使我對行星齒輪變速器設(shè)計(jì)的整個(gè)過程,主要零件的設(shè)計(jì),主要工藝參數(shù)的計(jì)算和選擇,變速器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與零部件的設(shè)計(jì)等都有了進(jìn)一步的理解和掌握。行星齒輪傳動(dòng)在當(dāng)今工程機(jī)械中運(yùn)用得十分廣泛,掌握行星齒輪傳動(dòng)原理和設(shè)計(jì)方法,對我們以后得工作和發(fā)展都有著十分重要的。
致
畢業(yè)設(shè)計(jì)是對我們大學(xué)四年所學(xué)知識(shí)運(yùn)用能力的一次全面綜合考核,也是對我們進(jìn)行科學(xué)研究基本功的訓(xùn)練,培養(yǎng)我們綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)獨(dú)立地分析問題和解決問題的能力,為以后撰寫專業(yè)學(xué)術(shù)論文和工作打 45、下良好基礎(chǔ)。
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠順利完成,首先我要衷心感我的導(dǎo)師祖莉老師,從一開始的前期工作到最后的順利定稿,從一開始課題的理論研究,到最終方案的確定都凝結(jié)著祖莉老師辛勤的汗水,也正是在老師悉心的指導(dǎo)下和不斷地提出新的問題,方能使我的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題能夠更深入得進(jìn)行下去,也使我接觸到了許多理論和實(shí)際上的新問題,使我做出許多有益的思考。在此表示誠摯的感和由衷的敬意。
其次我要感我的同學(xué)石夢喆,他在我后期的繪圖過程中給了我很大的幫助,是他一次次跟我討論和分析,使我對整個(gè)變速箱的結(jié)構(gòu)和工作原理有了更為深刻的理解。還要感在圖書館工作的同學(xué),感他每次幫我指引找到我所需要的參考文獻(xiàn)。
最后我要感我所有的組 46、員,我能夠順利的完成畢業(yè)設(shè)計(jì),也有他們的的共同協(xié)助。還要感在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中所有對我有過幫助的朋友們,以與我的室友和家人,他們在我的畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中給予了極關(guān)心和幫助!大家!
參 考 文 獻(xiàn)
[1] 王華坤,元?jiǎng)? 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)(Ⅰ)[M]. :兵器工業(yè),2001.6.
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[4] 徐灝. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第4冊)[M]. :機(jī)械工業(yè),1991.
[5] 王忠茂. 減速器實(shí)用技術(shù)手冊[M].:機(jī)械工業(yè),19 47、92.5.
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目 次
1 引言1
1.1 行星齒輪研究背景與發(fā)展現(xiàn)狀1
1.2 行星齒輪傳動(dòng)在草坪機(jī)械上的運(yùn)用1
1.3 行星齒輪變速器工作原理3
2 行星齒輪變速箱方案設(shè)計(jì)7
2.1 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)7
2.2 組合設(shè)計(jì)法原理8
2.3 傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)11
2.4 行星齒輪齒數(shù)確定13
3 行星齒輪傳動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)15
3.1 行星輪系的均載裝置15
3.2 行星齒輪動(dòng)力學(xué)分析15
3.3 行星齒輪幾何規(guī)劃優(yōu)化設(shè)計(jì)16
3.4 行星排傳動(dòng)齒輪模數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)17
3.5 齒輪強(qiáng)度校核20
4 乘騎式草坪割草機(jī)行星齒輪變速箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)24
4.1 離合器的選用24
4.2 制動(dòng)器的選用25
4.3 齒式聯(lián)軸器的選用25
4.4 軸徑估算26
4.5 主要零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)27
結(jié)論31
致32
參考文獻(xiàn)33
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