兩級(jí)NGW型行星齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算及優(yōu)化

1、兩級(jí)NGW型行星齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算及優(yōu)化摘要：隨著社會(huì)的不斷向前發(fā)展和科技進(jìn)步，齒輪的傳動(dòng)在各行各業(yè)都得到了 較快的發(fā)展。齒輪傳動(dòng)尤其在園林工具行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，比如外嚙合齒輪 傳動(dòng)、錐齒輪傳動(dòng)、斜齒輪傳動(dòng)和NGW型行星齒輪傳動(dòng)等。本方案主要講述兩 級(jí)NGW型行星齒輪減速器的設(shè)計(jì)過程和優(yōu)化。齒輪制造的精度要求也相對(duì)比較 高，一般情況下，齒輪的精度不低于8-7-7級(jí)，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的太陽輪和行星輪不低 于5級(jí)，內(nèi)齒輪的精度不低于6級(jí)。關(guān)鍵詞：兩級(jí)NGW型行星齒輪；計(jì)算；不等角變位；變位系數(shù)；強(qiáng)度；精度等級(jí)；嚙 合角、八刖言目前鋰電式園林工具中的綠籬機(jī)，在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下的激烈競(jìng)爭下，制造成本的激烈競(jìng)

2、爭下，所設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造的產(chǎn)品必須向著輕量化，噪音小，體積小的方向發(fā)展。這就迫切需 要研發(fā)設(shè)計(jì)出一套符合體積小，重量輕，噪音小的齒輪傳動(dòng)。所設(shè)計(jì)的齒輪減速器體積的大 小，直接決定了綠籬機(jī)的體積，只有把綠籬機(jī)的主要腔體的體積設(shè)計(jì)的小，才有可能降低材 料成本。一個(gè)體積比較大的綠籬機(jī)，其材料的成本必然會(huì)高，這是我們?cè)O(shè)計(jì)工作者不愿意看 到的現(xiàn)象。而行星齒輪傳動(dòng)，具有效率高，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，傳動(dòng)功 率范圍大，軸向尺寸小等特點(diǎn)。是設(shè)計(jì)者首要選擇和設(shè)計(jì)的對(duì)象。本文僅僅圍繞兩級(jí)NGW 型行星齒輪減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算過程和優(yōu)化，進(jìn)行展開分析。那么如何根據(jù)本公司的要求，設(shè) 計(jì)出符合條件的行星齒輪減速

3、器呢？詳情如下：原理圖一、設(shè)計(jì)要求：直流電機(jī)，電機(jī)功率500w，電機(jī)轉(zhuǎn)速20800r/min左右，電機(jī)的輸出軸5mm。設(shè)計(jì)需 要的切割刀片的速度為1600spm左右。二、設(shè)計(jì)和計(jì)算過程：計(jì)算傳動(dòng)比i輸入轉(zhuǎn)速n1=20800r/min，輸出轉(zhuǎn)速n2=1600spmi= n1/n2=20800/1600=13分配傳動(dòng)比為了減少制造成本，本案的兩級(jí)NGW型行星齒輪減速器的所有齒輪，在強(qiáng)度等符合條 件的情況下，采用粉末冶金件AE粉，而不是采用機(jī)加工的工藝進(jìn)行，這樣大大的減少了機(jī) 加工帶來的不必要的成本。兩級(jí)NGW型行星齒輪減速器的強(qiáng)度考核，主要考核的是太陽輪 和行星輪的強(qiáng)度。他們的轉(zhuǎn)速高，強(qiáng)度大。粉末

4、冶金并進(jìn)行熱處理，采用常規(guī)的工藝完成設(shè) 計(jì)。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)新版第3卷，齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核調(diào)節(jié)和要求進(jìn)行如下參數(shù)選 擇：（接觸疲勞極限材料值）齒輪硬度oHmin1=1350Mpa（接觸疲勞極限材料值）齒輪硬度oHmin2=1350Mpa齒面硬化系數(shù)ZW1=1齒面硬化系數(shù)ZW2=1載荷分布系數(shù)KC1=1載荷分布系數(shù)KC2=1工作硬化系數(shù)ZW1=1工作硬化系數(shù)ZW2=1動(dòng)載系數(shù)KV1=1動(dòng)載系數(shù)KV2=1ZW2/ZW1=1工作硬化系數(shù)ZW1與ZW2相同（材料和工藝相同）（全部齒輪硬度HBS350）（KV1*KH&1*Z2N2）/（KV2*KH&2*Z2N1）=1.9動(dòng)載系數(shù)KV1，動(dòng)載系數(shù)K

5、V2齒向載荷分布系數(shù)KH61，齒向載荷分布系數(shù)KH62接觸強(qiáng)度的壽命系數(shù)ZN1，接觸強(qiáng)度的壽命系數(shù)ZN2三項(xiàng)乘積的比值范圍（硬齒面）（1.8-2）載荷不均勻系數(shù)KC1=1.15載荷不均勻系數(shù)KC2=1.15直徑比B=dB2/dB1=1 （同一齒圈）齒圈的分度圓直徑dB1，齒圈的分度圓直徑dB2的選擇有如下定義：多級(jí)行星齒輪傳動(dòng) 傳動(dòng)比分配原則是各級(jí)強(qiáng)度之間等強(qiáng)度，并希望獲得最小的外廓尺寸，對(duì)于兩級(jí)NGW型行 星齒輪傳動(dòng)，欲使得徑向尺寸最小?？墒沟玫退偌?jí)內(nèi)齒圈的分度圓直徑dB1與高速級(jí)的內(nèi)齒 圈的分度圓直徑dB2之比接近于1.行星輪個(gè)數(shù)Cw1=4根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)新版第3卷-表17.2-1選取適合

6、傳動(dòng)比要求的行星輪數(shù)目nW1=4二級(jí)傳動(dòng)比 i2=i/i1=13/4=3.253.確定模數(shù)材料：太陽輪和行星輪的材料為粉末冶金（AE粉）經(jīng)熱處理，齒面的硬度要求為35- 43HRC；屈服極限強(qiáng)度oHmin=300Mpa NGW型行星齒輪傳動(dòng)的效率n=0.97（NGW型行星齒輪傳動(dòng)的效率：0.97-0.99）許用接觸應(yīng)力oHp=275Mpa載荷系數(shù)K=1.5輸入功率P=0.5Kw，輸入轉(zhuǎn)速n1=20800r/min輸入扭矩 T1=9550*P/n1=9550*0.5/20800=0.23 N.m設(shè)載荷不均勻系數(shù)KC=1.15則模數(shù)為：m=2* a /（ZA1+ ZC1）m=2*12.097/（1

7、2+12）=1.008=14.確定齒數(shù)（計(jì)算法配齒）1）高速級(jí)由上述知行星輪數(shù)目nW1=4確定齒圈ZB由前面得到的模數(shù)等條件，結(jié)合內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的齒輪箱體積的限制，即齒輪箱的最大直 徑 不大于48mm，由于齒輪箱的材料為PA+GF30，在強(qiáng)度要求的情況下，需要保證齒輪箱的 壁厚為2mm，由此可知齒圈的最大外徑為44mm。同時(shí)保證齒輪箱和齒圈的配合間隙0.5mm （單邊間隙為0.25mm），同時(shí)需要保證齒圈的壁厚為2mm左右，所以齒圈的最大外徑約DB=39mm，由此可初步計(jì)算齒圈的齒數(shù)為ZB=37ZB=DB/m-2=39/1-2=37確定太陽輪齒數(shù)：ZA1（ibaH*ZA1/nW1=C）；根據(jù)ib

8、aH并適當(dāng)調(diào)整且使C等于整數(shù)，則可求ZA1=C由公式：ibaH=1+ZB/ZA1=1+37/ZA1=4 可得到 ZA1=C=12.33=12 （保留整數(shù)）且保證：ibaH*ZA1/nW1=C為整數(shù)，符合設(shè)計(jì)要求確定行星輪齒數(shù)：ZC1=0.5* (ZB-ZA1) =0.5* (36-12) =12為了提高齒輪的承載能力，故采用不等角變位，將所得的行星輪齒數(shù)減T來實(shí)現(xiàn)變位，所以 ZC1=12-1=112）低速級(jí)確定太陽輪齒數(shù) ZA2:由公式 i2=1+ZB/ZA2 可得（i2=1+36/ZA2=3.25）ZA2=16兩級(jí)行星輪減速公用同一齒圈，第二級(jí)的減速比i2=3.25 （由前面設(shè)計(jì)計(jì)算得出）確

9、定行星輪齒數(shù)ZC2：ZC2=0.5* （ZB-ZA2）=0.5*（36-16）=105.確定中心距aAC1）高速級(jí)中心距aT變位前的中心距 aA1C1=0.5*m*（ZA1+ ZC1）aA1C1=0.5*1* （12+12）=12壓力角a=20預(yù)取嚙合角aA1C1=24.5預(yù)取嚙合角aC1B=20根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)新版第3卷則A1-C1傳動(dòng)中心距的變動(dòng)系數(shù)為yA1C1yA1C1=0.5*（ZA1+ZC1）*（cosa/cosaA1C1-1）=0.5*（12+11）*（cos20/ cos24.5-1）=0.3757則新的（變位后的）中心距a1a1=aA1C1+yA1C1*m=12+0.3757*

10、1=12.38 （保留2位小數(shù)）2）低速級(jí)中心距a2變位前的中心距 aA2C2=0.5*m*（ZA2+ ZC2）aA2C2=0.5*m*（ZA2+ ZC2）=0.5*1* （10+16）=13 （前述過程已經(jīng)確定了模數(shù)和齒數(shù)）壓力角a=20預(yù)取嚙合角aA2C2=24.5預(yù)取嚙合角aC2B=20則A2-C2傳動(dòng)中心距的變動(dòng)系數(shù)為yA2C2yA2C2=0.5* (ZA2+ZC2) * (cosa/cosaA2C2-1)=0.5* (16+9) * (cos20/ cos24.5-1)=0.4084則新的(變位后的)中心距a2a2=aA2C2+yA2C2*m=13+0.4084*1=13.41 (保

11、留2位小數(shù))確定嚙合角aAC高速級(jí)嚙合角aA1C1cosaA1C1= (aA1C1/aT)*cosa=(12/12.38)* cos20=0.91116所以得高速級(jí)的外嚙角aA1C1=24.345=24.3。低速級(jí)嚙合角aA2C2cosaA2C2= (aA2C2/a2)*cosa=(13/13.41)* cos20=0.91107所以得低速級(jí)的外嚙角aA2C2=24.358=24.4確定變位系數(shù)x2AC、xA、xC1)高速級(jí)x2A1C1.計(jì)算A1-C1傳動(dòng)的變位系數(shù)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所以行星輪的變位系數(shù)為xC1=x2A1C1-xA1=0.4-0.23=0.17 （也可由圖16.2-8查得）計(jì)算C1-B傳動(dòng)的中心距變動(dòng)系數(shù)Yc1B和嚙合角aC1B由前面的計(jì)算可得C1-B變位前的中心距為aC1BaC1B=0.5*m*（ZB-ZC1）=0.5*1*（36-12）=12 （mm）則C-B的變位后的中心距為：aC1B= a1=12.38（mm）則變動(dòng)系數(shù) yC1B=（aC1B-a1）/m=（12.38-12）/1=0.3757由前面的計(jì)算可得嚙合角的余弦值為

13、：cosaC1B=（aC1B/a）*cosa=（12/12.097）* cos20=0.93所以aC1B=21 （由三角函數(shù)計(jì)算得）確定齒圈的變位系數(shù)xBxZC1B=（ZC1+ZB）（invaC1B-inva）/（2*tana）=（11+36）（inv21- inv20）/（2*tan20）=0.18則齒圈的變位系數(shù)xB = xZC1B+xC1=0.18+0.17=0.35綜上：模數(shù)m=1齒數(shù)和變位系數(shù)：ZA1=12, ZC1=11, xA1=0.23, xC1=0.17ZA2=16, ZC2=9, xA2=0.23, xC1=0.21ZB=36, xB=0.35根據(jù)以上設(shè)計(jì)計(jì)算的結(jié)果，利用3

14、D設(shè)計(jì)軟件，形成3D結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文件，針對(duì)經(jīng)濟(jì)款的， DC有刷電機(jī)的輸出軸的軸徑一般為g-5mm，則對(duì)應(yīng)的太陽輪的安裝孔也必須是g-5mm， 如下圖所示?？偨Y(jié)：本文介紹了一種兩級(jí)NGW型行星齒輪減速器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用范圍的優(yōu)化，更好的迎合了 市場(chǎng)的發(fā)展方向，具備了好的產(chǎn)品必須具備的體積小，輕量化，效率高特征。參考文獻(xiàn)：機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（新版）齒輪手冊(cè)第2版齒輪制造工藝手冊(cè)第2版CREO齒輪參數(shù)化建模SOLIDWORKS齒輪參數(shù)化建模研發(fā)項(xiàng)目管理作者簡介：張華（1985-），男，安徽阜陽人，工程師。杭州葛高機(jī)械有限公司，精加 工車間技術(shù)廠長，負(fù)責(zé)龍門加工中心，數(shù)控加工中心，數(shù)控車床等加工工藝編制，程序編制。 杭州科龍電器工具有限公司，研發(fā)部技術(shù)副總工，負(fù)責(zé)新項(xiàng)目產(chǎn)品的開發(fā)，技術(shù)參數(shù)的排版， 研發(fā)流程的修訂等。浙江中堅(jiān)科技股份有限公司，主辦工程師，負(fù)責(zé)新產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)，技 術(shù)瓶頸突破，解決技術(shù)難題。曾獲得，中級(jí)工程師職業(yè)資格，杭州蕭山區(qū)第十屆青工五小科 技優(yōu)勝獎(jiǎng)，PTO試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)獲得國家農(nóng)業(yè)部科技獎(jiǎng)，入選2020年度金華市321專業(yè)人才 培