高效風(fēng)能增速機(jī)設(shè)計(jì)

緒論1.1課題背景從能源發(fā)展戰(zhàn)略來看，由于化石燃料的有限性和使用化石燃料發(fā)點(diǎn)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的污染，人類必須尋找一條可持續(xù)發(fā)展的能源道路，因此開發(fā)利用純凈的新能源和可再生能源日益收到各國(guó)政府的重視，此時(shí)正是我們利用自然資源為人類謀福利的打好時(shí)機(jī)風(fēng)能作為最有開發(fā)利用前景和技術(shù)最成熟的一種可再生的清潔能源，越來越受到重視。我國(guó)的風(fēng)能資源非常豐富，利用風(fēng)能發(fā)電成本比較低，而且風(fēng)電技術(shù)也日趨成熟，適合大規(guī)模開發(fā)和利用，因此利用風(fēng)力發(fā)電能夠改善能源結(jié)構(gòu)、減少環(huán)境污染和保護(hù)生態(tài)環(huán)境。本課題是為了響應(yīng)世界可持續(xù)發(fā)展計(jì)劃中應(yīng)對(duì)能源及環(huán)境保護(hù)的要求在我國(guó)更好的實(shí)施，也為了適應(yīng)我國(guó)風(fēng)發(fā)電技術(shù)的不斷更新及風(fēng)電廠建設(shè)的逐步擴(kuò)大而設(shè)立的。齒輪增速箱是風(fēng)力達(dá)電機(jī)組中主要的傳動(dòng)部件，因此，齒輪箱的設(shè)計(jì)便是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能否建立成功的關(guān)鍵部分。[1]1.2研究的目的和意義風(fēng)力發(fā)電是清潔的、無污染可再生能源。的優(yōu)勢(shì)已被人們所認(rèn)識(shí)。但是風(fēng)力發(fā)電成本與常規(guī)能源相比仍不具有優(yōu)勢(shì)。別是我國(guó)，力發(fā)電成本還難于同常規(guī)能源相競(jìng)爭(zhēng)，制約了我國(guó)風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展。因此，面地研究我國(guó)風(fēng)力發(fā)電成本、研究影響風(fēng)力發(fā)電成本的因素、找到降低風(fēng)力發(fā)電成本的途徑對(duì)促進(jìn)我國(guó)風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展、改進(jìn)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)、治理我國(guó)的環(huán)境污染具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.3風(fēng)力發(fā)電在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀1.3.1國(guó)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)國(guó)際能源研究報(bào)告表明，如果各國(guó)采取有力措施，風(fēng)力發(fā)電到2010年可提供世界電力需求的10%，創(chuàng)造170萬個(gè)就業(yè)機(jī)會(huì)，并在全球范圍內(nèi)減少100多億噸二氧化碳廢氣。風(fēng)能將成為發(fā)展最快的能源，到2010年風(fēng)電總裝機(jī)容量達(dá)到40.00GW，2020年達(dá)到0.1TW，到2010年德國(guó)新增500萬千瓦，西班牙新增520萬千瓦，年生產(chǎn)能力將達(dá)到800萬千瓦，可滿足全國(guó)電力需求的10%。美國(guó)和加拿大是北美利用風(fēng)能最好的國(guó)家。在美國(guó)的50個(gè)州中，大約有30個(gè)州已經(jīng)開始利用風(fēng)能資源。在1998-2004年期間，美國(guó)風(fēng)力發(fā)電的總裝機(jī)容量已經(jīng)超過6740MW，可以滿足160萬個(gè)中等家庭的日常用電需求。隨著技術(shù)的進(jìn)步和規(guī)模的擴(kuò)大，風(fēng)電發(fā)電成本繼續(xù)下降，估計(jì)10年后它完全可以和清潔的燃煤電廠競(jìng)爭(zhēng)。風(fēng)電技術(shù)開發(fā)的趨勢(shì)是大容量和變轉(zhuǎn)速運(yùn)行。更大單機(jī)容量的機(jī)組仍在繼續(xù)研制。隨著風(fēng)電容量在電力系統(tǒng)中的比例越來越大，對(duì)系統(tǒng)的影響日益明顯。人們已經(jīng)開始利用天氣預(yù)報(bào)的技術(shù)預(yù)測(cè)風(fēng)電場(chǎng)功率輸出，以優(yōu)化運(yùn)行速度。由于600kw級(jí)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組技術(shù)成熟，正在大批量生產(chǎn)，2000kw級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不久將投入商業(yè)運(yùn)行，風(fēng)力發(fā)電的造價(jià)由現(xiàn)在的1000美元/kw有可能下降為600-800美元/kw，發(fā)電成本從現(xiàn)在的4-5美分/（kwh），下降到3-4美分/（kwh），風(fēng)力發(fā)電規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益更加明顯，可以和火電、水電、核電相競(jìng)爭(zhēng)，這也是其它新能源所無法比擬的。由于風(fēng)力發(fā)電是可再生潔凈能源，其環(huán)境效益也十分明顯，隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的日益成熟，發(fā)電成本的進(jìn)一步降低，風(fēng)力發(fā)電會(huì)越來越被更多的人認(rèn)識(shí)和接受。這也是全世界很多國(guó)家都熱衷風(fēng)力發(fā)電的主要原因。風(fēng)力發(fā)電的迅猛發(fā)展也使那些本地能源短缺的發(fā)展中國(guó)家收益，如巴西、阿根廷、摩洛哥、埃及和哥斯達(dá)黎加等國(guó)是發(fā)展中國(guó)家風(fēng)力發(fā)電的佼佼者。中國(guó)、印度也在積極發(fā)展風(fēng)電。1.3.2我國(guó)風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀我國(guó)幅員遼闊，陸疆總長(zhǎng)2萬多千米，海岸線1.8萬多千米，是一個(gè)風(fēng)力資源豐富的國(guó)家，全國(guó)約有2/3的地帶為多風(fēng)帶。風(fēng)能總儲(chǔ)量為32.26億千瓦，實(shí)際可開發(fā)的風(fēng)能儲(chǔ)量為2.53億千瓦，為可再生能源和新能源利用技術(shù)提供了強(qiáng)大的資源條件。兩大風(fēng)能地帶——西北、華北、東北和東南沿海為風(fēng)能資源豐富區(qū)，跨全國(guó)21個(gè)省、市、自治區(qū)。到1999年底已開發(fā)微小戶用型風(fēng)力發(fā)電機(jī)16萬臺(tái)，并網(wǎng)型風(fēng)電場(chǎng)24座，總裝機(jī)容量26萬千瓦，其中絕大多數(shù)機(jī)組是從丹麥、德國(guó)、美國(guó)、比利時(shí)、瑞典引進(jìn)的，最大單機(jī)容量為600kw。毫無疑問，中國(guó)風(fēng)能等可再生能源的利用受到一系列因素的限制，其中包括資金和技術(shù)資源供應(yīng)的不足、政策的不相配套等。和常規(guī)資源相比，它會(huì)缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。但從可持續(xù)發(fā)展的目的出發(fā)，從中央到地方的各級(jí)政府已對(duì)這些資源的開發(fā)給予了關(guān)注。目前，我國(guó)國(guó)產(chǎn)化機(jī)組產(chǎn)量仍然偏小，遠(yuǎn)未達(dá)到規(guī)模效益，使得零部件采購價(jià)格偏高，利潤(rùn)空間很小。因此，我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電裝備市場(chǎng)至今仍由國(guó)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)組占據(jù)。這一現(xiàn)實(shí)要求我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備制造企業(yè)應(yīng)加快適合中國(guó)國(guó)情的新型風(fēng)力發(fā)電裝備的研制進(jìn)度。盡快提高大型風(fēng)力發(fā)電裝備的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，加大風(fēng)力發(fā)電裝備國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。還應(yīng)注意穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，提高國(guó)產(chǎn)機(jī)組可靠性，以取得風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)者的認(rèn)可，逐步加大市場(chǎng)份額。據(jù)相關(guān)資料報(bào)道，到2020年，預(yù)計(jì)我國(guó)將新增發(fā)電能力500GW，其中121GW為可再生能源。2010年以前，我國(guó)計(jì)劃新建20座風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，每座風(fēng)場(chǎng)的發(fā)電能力達(dá)到100MW以上，且達(dá)到4000MW的風(fēng)力發(fā)電總目標(biāo)，并要求風(fēng)力發(fā)電設(shè)備本土化。1.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)1.4.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)簡(jiǎn)介風(fēng)力發(fā)機(jī)組室友兩大部分組成的，即風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)。其中，風(fēng)力機(jī)的功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械；而發(fā)電機(jī)的功能是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。。因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝備的類型歸屬需要可以從兩個(gè)角度規(guī)劃。本文只從機(jī)械角度介紹風(fēng)力發(fā)電機(jī)。(1)垂直軸風(fēng)輪按形成轉(zhuǎn)矩的機(jī)理分為阻力型和升力型。阻力型的氣動(dòng)力效率遠(yuǎn)小于升力型，故當(dāng)今大型并網(wǎng)型垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪全部為升力型。(2)水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組還可分為上風(fēng)向及下風(fēng)向兩種機(jī)型，上風(fēng)向機(jī)組其風(fēng)輪面對(duì)風(fēng)向，安置在塔架前方。上風(fēng)向機(jī)組需要主動(dòng)調(diào)向機(jī)構(gòu)以保證風(fēng)輪能隨時(shí)對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向。下風(fēng)向機(jī)組其風(fēng)輪背對(duì)風(fēng)向安置在塔架后方。當(dāng)前大型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)幾乎都是水平軸上風(fēng)向型。(3)下風(fēng)向風(fēng)力發(fā)電機(jī)，只在中、小功率機(jī)型中出現(xiàn)過。(4)水平軸上風(fēng)向三葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)是當(dāng)代大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主流；兩葉片的產(chǎn)品也比較多見。1.5風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介由于本文只對(duì)風(fēng)力發(fā)的增速系統(tǒng)的傳動(dòng)齒輪箱進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，所以這里只簡(jiǎn)單的介紹風(fēng)力機(jī)。風(fēng)力機(jī)的作用是把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，它的結(jié)構(gòu)包括風(fēng)輪（包括葉片和輪轂）、傳動(dòng)裝置、增速齒輪箱、制動(dòng)結(jié)構(gòu)、偏航裝置（或稱對(duì)風(fēng)裝置）變槳距機(jī)構(gòu)以及附屬部件。圖1.1為風(fēng)力機(jī)的總體結(jié)構(gòu)示意圖，其組成：1為輪轂，驅(qū)動(dòng)法蘭面與機(jī)艙中齒輪箱的主軸用螺栓進(jìn)行固定連接，三個(gè)外伸端（夾角為120°）用延長(zhǎng)節(jié)和葉片保持連接；2為傳動(dòng)軸；3為塔架，它的主要作用是支撐葉輪和機(jī)艙；4為偏航裝置；5為風(fēng)速風(fēng)向儀；6為發(fā)電機(jī)，它是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備；7為剎車系統(tǒng)；8為增速齒輪箱，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速高而風(fēng)輪轉(zhuǎn)速低，需要在風(fēng)輪軸與發(fā)電機(jī)軸之間設(shè)一個(gè)增速器；9為變槳距機(jī)構(gòu)，作用是控制葉片槳距角的變化。圖1.1風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖1.6風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速系統(tǒng)簡(jiǎn)介風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的齒輪箱是一個(gè)重要的機(jī)械部件，其主要功用是將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)并使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。通常風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速很低，遠(yuǎn)達(dá)不到發(fā)電機(jī)發(fā)電所要求的轉(zhuǎn)速，必須通過齒輪箱齒輪副的增速作用來實(shí)現(xiàn)，故也將齒輪箱稱之為增速箱。根據(jù)機(jī)組的總體布置要求，有時(shí)將與風(fēng)輪輪轂直接相連的傳動(dòng)軸（俗稱大軸）與齒輪箱合為一體，也有將大軸與齒輪箱分別布置，其間利用脹緊套裝置或聯(lián)軸節(jié)連接的結(jié)構(gòu)。為了增加機(jī)組的制動(dòng)能力，常常在齒輪箱的輸入端或輸出端設(shè)置剎車裝置，配合葉尖制動(dòng)（定漿距風(fēng)輪）或變漿距制動(dòng)裝置共同對(duì)機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合制動(dòng)。1.7課題研究的主要內(nèi)容1、選擇確定傳動(dòng)方案?jìng)鲃?dòng)方案的確定包括傳動(dòng)類型和傳動(dòng)簡(jiǎn)圖的確定。此次設(shè)計(jì)的增速器傳動(dòng)比達(dá)到134，只有通過不斷地比較和分析去合理的選擇一種傳動(dòng)方案，盡量降低增速器的體積和重量。2、設(shè)計(jì)計(jì)算每級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算，都大致包括：傳動(dòng)比的分配，傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算，傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)，軸的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核，軸的選擇與計(jì)算，鍵連接的選擇與計(jì)算，箱體的設(shè)計(jì)，潤(rùn)滑與密封的選擇和傳動(dòng)裝置。水平軸風(fēng)力機(jī)主要由以下幾部分組成：風(fēng)輪、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)（增速箱）、發(fā)電機(jī)、機(jī)座、塔架、調(diào)速器或限速器、調(diào)向器、停車制動(dòng)器等。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖2.2所示：圖2-3風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)圖本課題中主要研究是該裝置系統(tǒng)中的傳動(dòng)裝置，也就是圖2-3中的部3的設(shè)計(jì)。經(jīng)過方案的比較，本文中的機(jī)組傳動(dòng)方式采用的是一級(jí)行星加上兩級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)方式，它的主要特點(diǎn)有：低速級(jí)為行星傳動(dòng)，傳動(dòng)效率高，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，傳遞功率范圍大，使用功率分流，合理使用了內(nèi)嚙合，軸向尺寸小，采用無多余約束浮動(dòng)，浮動(dòng)效果好；末兩級(jí)為平行軸圓柱齒輪傳動(dòng)，可合理分配增速比，提高傳動(dòng)效率。該結(jié)構(gòu)合理有效的綜合利用了行星齒輪的小型化和圓柱齒輪傳動(dòng)的大傳動(dòng)比，從而降低了成本，提高了傳動(dòng)效率，節(jié)約了能源。2增速裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2增速裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)動(dòng)裝置是機(jī)器重要組成部分，它起到的作用有減速（或增速）、調(diào)速、改變運(yùn)動(dòng)形式、增大轉(zhuǎn)矩、動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的傳遞和分配功能。應(yīng)用于變速的方式主要有帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)由于具有瞬時(shí)傳動(dòng)比恒定，傳動(dòng)效率高（可達(dá)98~99%）,工作可靠，使用壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)緊湊，使用范圍大。傳遞功率范圍大等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用最廣泛。齒輪傳動(dòng)的種類多種多樣，以適應(yīng)對(duì)傳動(dòng)的不同要求。按照工作條件不同可以分為開式、半開式和閉式傳動(dòng)；按照齒輪硬度的不同可以分為軟齒面、中硬齒面及硬齒面?zhèn)鲃?dòng)。風(fēng)電系統(tǒng)中用的增速裝置一般也采用齒輪傳動(dòng)，目前我國(guó)300KW的風(fēng)機(jī)主要應(yīng)用于運(yùn)輸和安裝條件不理想的沿海地區(qū)，600KW的風(fēng)機(jī)主要應(yīng)用于地形平坦、運(yùn)輸條件和安裝條件較好的新疆、內(nèi)蒙以及沿海地區(qū)，兆瓦（1000KW~2000KW）的風(fēng)機(jī)技術(shù)還不成熟，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用很少。2.1傳動(dòng)方案的確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱的種類多種多樣，按照傳統(tǒng)類型可分為圓柱齒輪箱、行星齒輪箱以及它們相互組合起來的齒輪箱；按照傳動(dòng)的級(jí)數(shù)分為單級(jí)和多集齒輪箱；按照傳動(dòng)的布置形式可以分為展開式、分流式和同軸式以及混合式。[2]表2.1常用的齒輪傳動(dòng)形式名稱傳動(dòng)方式簡(jiǎn)圖傳動(dòng)特點(diǎn)展開式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、但齒輪相對(duì)于軸承的位置不對(duì)稱，因此要求軸有很大的剛度。分流式結(jié)構(gòu)復(fù)雜、但由于齒輪相對(duì)于軸承對(duì)稱分布，載荷沿齒寬分布均勻、軸承受載均勻。同軸式橫向尺寸小、軸向尺寸和重量較大，且中間軸較長(zhǎng)，剛度差，沿齒寬受載分布不均勻。分流同軸式每對(duì)嚙合齒僅傳遞全部載荷的一半，輸入和輸出軸只承受扭矩，中間軸只承受全部載荷的一半，軸頸尺寸小。單級(jí)NGW尺寸小、重量輕、但制造精度要求高，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。兩級(jí)NGW尺寸小、重量輕、但制造精度要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。2.23Z（II）型行星齒輪增速器裝置設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)某風(fēng)力發(fā)電裝置所需配用的行星齒輪增速器，已知該行星傳動(dòng)的輸入功率P1=22KW，輸入轉(zhuǎn)速n1=1500r/min，傳動(dòng)比ip=134，允許的傳動(dòng)比偏差△ip=0.01；且要求該行星齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊、外廓尺寸較小和傳動(dòng)功率較高。2.3設(shè)計(jì)計(jì)算2.3.1選取行星齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)類型和傳動(dòng)簡(jiǎn)圖根據(jù)上述要求：短期間斷，傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)緊湊和外輪廓尺寸較小。據(jù)《行星齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)》傳動(dòng)類型的工作特點(diǎn)可知，3Z型適用于短期間斷的工作方式，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)比大。為了裝配方便，結(jié)構(gòu)更加緊湊，適用具有單齒圈行星齒輪的3Z(II)型行星齒輪傳動(dòng)較合理，其傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。[3]圖2.13Z(II)型行星齒輪增速傳動(dòng)2.3.2配齒計(jì)算根據(jù)3Z（II）型行星傳動(dòng)的傳動(dòng)比ip值和按其齒輪計(jì)算公式可求得內(nèi)齒輪b，e和行星齒輪c的齒數(shù)zb，ze和zc。考慮到該行星齒輪傳動(dòng)的外輪廓尺寸較小，故選擇中心輪的齒數(shù)za=15和行星齒輪數(shù)目np=3。為了使內(nèi)齒輪b與e的齒數(shù)差盡可能小，即應(yīng)取ze-zb=np。再將za，np和ip值代入公式，則的內(nèi)齒輪b的齒數(shù)Zb為：Zb=按以下公式可得內(nèi)齒輪e的齒數(shù)Ze為：Ze=Zb+np=69+3=72因Ze-Za=72-15=57為奇數(shù)，應(yīng)按如下公式求得行星輪c的齒數(shù)Zc為：zc=（ze-za）-0.5=（72-15）-0.5=28再按傳動(dòng)比驗(yàn)算公式驗(yàn)算其實(shí)際的傳動(dòng)比為：ibae===134.4其傳動(dòng)比誤差為：===0.003<故滿足傳動(dòng)比誤差的要求，即得該行星齒輪傳動(dòng)實(shí)際的傳動(dòng)比為=134.4，最后確定該行星傳動(dòng)各齒的齒數(shù)為Za=15，Zb=69，Ze=72和Zc=28。另外，也可根據(jù)傳動(dòng)比i=134.4查表[4]直接可得上述各輪的齒數(shù)。2.3.3初步計(jì)算齒輪的主要參數(shù)齒輪材料和熱處理的選擇：中心輪a和行星輪c均采用20CrMnTi，滲碳淬火，齒面硬度58-62HRC，取=1400N/mm和=340N/mm，中心輪a和行星齒輪c的加工精度6級(jí)；內(nèi)齒輪b和e均采用42CrMo，調(diào)質(zhì)硬度217-259HB，取=780N/mm和=260N/mm，內(nèi)齒輪b和e的加工精度7級(jí)。按彎曲強(qiáng)度的初計(jì)算公式計(jì)算齒輪的模數(shù)m為：m=Km現(xiàn)已知Z1=15，=340N/mm小齒輪名義轉(zhuǎn)矩：T1=9549=9549×=46.68N·M；取算式系數(shù)Km=12.1；查表取使用系數(shù)KA=1.5；取綜合系數(shù)KFΣ=1.8；去接觸強(qiáng)度計(jì)算的行星輪見在和分布不據(jù)黁系數(shù)KHp=1.2。由公式可得KFp=1+1.5（KHp-1）=1+1.5（1.2-1）=1.3查得齒形系數(shù)YFa1=2.67；查得齒寬系數(shù)Фd=0.6。則的齒輪模數(shù)為：m==2.57mm取齒輪模數(shù)m=3mm。2.3.4嚙合參數(shù)計(jì)算在三個(gè)嚙合齒輪副a-c、b-c和e-c中，其標(biāo)準(zhǔn)中心距a為：（mm）（mm）（mm）由此可見，三個(gè)齒輪副的標(biāo)準(zhǔn)中心距不相等，且有。因此，此行星齒輪傳動(dòng)不能滿足非變位的同心條件。為了使該行星齒輪既能滿足給定的傳動(dòng)比=134.4的要求，又能滿足嚙合傳動(dòng)的同心條件，即應(yīng)使各齒輪副的嚙合中心距相等，則必須對(duì)該3Z(II)型行星傳動(dòng)進(jìn)行角度變位。根據(jù)各標(biāo)準(zhǔn)中心距之間的關(guān)系，取選取其嚙合中心距為==66mm作為各齒輪副的中心距值。已知+=43，-=41和-=44，m=3mm，=66mm及壓力角20?，按公式計(jì)算該3Z(II)型行星傳動(dòng)角度變位的嚙合參數(shù)。對(duì)各齒輪副的嚙合參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2.2。表2.23Z(II)型行星傳動(dòng)嚙合參數(shù)計(jì)算項(xiàng)目計(jì)算公式a-c齒輪副b-c齒輪副e-c齒輪副中心距變動(dòng)系數(shù)==1.5嚙合角==變位系數(shù)和=齒頂高變動(dòng)系數(shù)=重合度確定各齒輪的變位系數(shù)：（1）a-c齒輪副在a-c齒輪副中，由于中心輪a的齒數(shù)z=15<z=17,z+z=43>2=34和中心距=64.5mm<=66mm。由此可知，該齒輪副的變位目的是避免小齒輪a產(chǎn)生根切、湊合中心距和改善嚙合性能。其變位方式應(yīng)采用角度變位的正傳，即當(dāng)齒頂高系數(shù)=1，壓力角時(shí)，避免根切的最小變位系數(shù)為：===0.1176按如下公式可求得中心論a的變位系數(shù)為：=0.5=0.5=0.2732>=0.1176按如下公式可得到行星齒輪c的變位系數(shù)：==0.5377-0.2732=0.2645（2）b-c齒輪在b-c齒輪副中，=28>=17，=41>2=34和=61.5mm<=66mm。據(jù)此可知，該齒輪副的變位目的是為了湊合中心距和改善嚙合性能。故其能變位方式也應(yīng)采用角度變位的正傳動(dòng)，即?，F(xiàn)已知其變位系數(shù)和和則可得內(nèi)齒輪b的變位系數(shù)為=。（3）e-c齒輪副在e-c齒輪副中，>,-=44>2=34和mm。由此可知，該齒輪副的變位目的是為改善嚙合性能和修復(fù)嚙合齒輪副。故其變位方式應(yīng)采用高度變位，即。則可得內(nèi)齒輪e的變位系數(shù)為0.2645。2.3.5幾何尺寸計(jì)算對(duì)于該3Z(II)型行星齒輪傳動(dòng)可按下面計(jì)算公式進(jìn)行其幾何尺寸的計(jì)算。各齒輪副的幾何尺寸的計(jì)算結(jié)果見表2.3。表2.33Z(II)型行星齒輪傳動(dòng)幾何尺寸計(jì)算項(xiàng)目計(jì)算公式a-c齒輪副b-c齒輪副e-c齒輪副變位系數(shù)==0.2732=0.2645=0.2645=2.1022=0.2645=0.2645分度圓直徑===45=207=84=207=84=216基圓直徑===42.2862=78.9342=78.9342=194.5164=78.9342=202.9736節(jié)圓直徑===46.0465=85.9535=90.1463=222.1463=84=216齒頂圓直徑外嚙合52.41391.3608內(nèi)嚙合-齒根圓直徑外嚙合內(nèi)嚙合用插齒刀加工78.087224.712678.087225.0204關(guān)于用插齒刀加工內(nèi)齒輪，起齒根圓直徑的計(jì)算：已知模數(shù)=3mm，插齒刀齒數(shù)=25，齒頂高系數(shù)=1.25，變位系數(shù)=0（中等磨損程度）。試求被插制內(nèi)齒輪的齒根圓直徑。齒根圓直徑按下式計(jì)算，即=+2式中：—插齒刀的齒頂圓直徑；—插齒刀與被加工內(nèi)齒輪的中心距。==325=82.5（mm）現(xiàn)對(duì)內(nèi)嚙合齒輪副b-c和e-c分別計(jì)算如下。（1）b-c內(nèi)嚙合齒輪副（，=69）==0.049683查表得==加工中心距為=（mm）按一下公式計(jì)算內(nèi)齒輪b齒根圓直徑為=82.5+271.1063=224.7126mm(2)e-c內(nèi)嚙合齒輪副（，=72）===0.019001查表得====（mm）則得內(nèi)齒輪e的齒根圓直徑為：mm2.3.6裝配條件的計(jì)算對(duì)于所設(shè)計(jì)的上述行星輪傳動(dòng)應(yīng)滿足如下的裝配條件：按如下公式驗(yàn)算其鄰接條件，即將已知的、和值代入上式，則得：91.3608mm<266=114.3154mm即滿足鄰接條件。按如下公式驗(yàn)算該3Z(II)型行星傳動(dòng)的同心條件，即各齒輪副的嚙合角為、、和；且知、、和。代入上式，即得=46.82按以下公式驗(yàn)算其安裝條件，即得所以，滿足其安裝條件。2.3.7傳動(dòng)效率的計(jì)算由查[6]表得到的幾何尺寸計(jì)算結(jié)果可知，內(nèi)齒輪b的節(jié)圓直徑222.1463mm大于內(nèi)齒輪e的節(jié)圓直徑mm，即>,故該3Z(II)行星傳動(dòng)的傳動(dòng)功率可采用如下公式進(jìn)行計(jì)算，即=已知和=69/15=4.6其嚙合損失系數(shù)：和可按如下公式計(jì)算，即有=2.3=2.3取齒輪的嚙合摩擦因數(shù)，且將、和代入上式，可得=2.3=2.3即有=0.00488+0.00502=0.0099所以，其傳動(dòng)效率為=可見，該行星齒輪傳動(dòng)的效率較高，可以滿足短期間斷工作方式的使用要求。2.3.8結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)3Z(II)行星傳動(dòng)的工作特點(diǎn)、傳遞功率的大小和轉(zhuǎn)速的高低等情況，對(duì)其進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。首先應(yīng)確定中心輪a的結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗闹睆絛較小，所以，輪a應(yīng)該采用齒輪軸的結(jié)構(gòu)型式；既將中心輪a與輸出軸連成一個(gè)整體。且按該行星的輸入功率P和轉(zhuǎn)速n的初步估算輸入軸的直徑，同時(shí)進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為了便于軸上零件的裝拆，通常將軸制成階梯形?？傊?，在滿足使用要求的情況下，軸的形狀和尺寸應(yīng)力求簡(jiǎn)單，以便于加工制造。=112=27mm按照3﹪-5﹪增大，試取為30mm,帶有單鍵槽的輸入軸直徑確定為30mm，再過臺(tái)階d1為36mm滿足密封元件的孔徑要求。軸環(huán)用于軸承的軸向定位和固定?？芍猟2為45mm，寬度為135mm。根據(jù)軸承的選擇確定軸肩d3為52mm，d4為38mm。=112=50mm帶有單鍵槽，與齒輪e同體相連作為輸出軸。取d1為57mm，選擇16X10的鍵槽。（1）內(nèi)齒輪b采用緊固螺釘與箱體連接起來，從而可以將其固定。其尺寸如上已算出。（2）內(nèi)齒輪e采用齒輪軸設(shè)計(jì)，既將輪e與輸出軸連成一個(gè)整體。且按該輪的輸入功率P和轉(zhuǎn)速n的初步估算輸出軸的直徑，同時(shí)進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?？傊?，在滿足使用要求的情況下，軸的形狀和尺寸應(yīng)力求簡(jiǎn)單，以便于加工制造。一個(gè)結(jié)構(gòu)合理的轉(zhuǎn)臂x應(yīng)是外廓尺寸小，質(zhì)量小，具有足夠的強(qiáng)度和剛度，動(dòng)平衡性好，能保證行星齒輪間的載荷分布均勻，而且具有良好的加工和裝配工藝。對(duì)于3Z(II)型中的轉(zhuǎn)臂x不承受外力矩的作用，也不是行星傳動(dòng)的輸入或輸出構(gòu)件（此時(shí)它不是基本構(gòu)件），故采用雙側(cè)板整體式轉(zhuǎn)臂（其側(cè)板兩端無凸緣）。雙側(cè)板整體式轉(zhuǎn)臂，可采用連接板將兩塊側(cè)板連接在一起。整體式轉(zhuǎn)臂的毛皮是采用鍛造或焊接的范式得到的，即在其毛坯上已將兩側(cè)板與連接板制成一個(gè)整體。轉(zhuǎn)臂x中所需連接板得數(shù)目一般應(yīng)等于行星齒輪數(shù)。壁厚為=mm取壁厚為15，其中為實(shí)際嚙合中心距。溝槽寬度為80mm。外圓直徑2=168mm，取外圓直徑170mm。轉(zhuǎn)臂X1上各行星齒輪軸孔與轉(zhuǎn)臂軸線的中心極限偏差fa可按公式計(jì)算：已知高速級(jí)的嚙合中心距a=66mm，則得0.0323（mm）取=32.3各行星齒輪軸孔的孔距相對(duì)偏差按公式計(jì)算，即取0.0300=30轉(zhuǎn)臂X1的偏心誤差為孔距相對(duì)偏差的，即=15先已知低速級(jí)的嚙合中心距a=66mm，則得=0.0323mm取=32.3各行星齒輪軸孔的孔距相對(duì)偏差按公式計(jì)算，即取0.0300=30轉(zhuǎn)臂X1的偏心誤差為孔距相對(duì)偏差的，即按照行星傳動(dòng)的安裝類型的不同，則該行星減速器選用臥式不剖分機(jī)體，為整體鑄造機(jī)體，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊，能有效多用于專用的行星齒輪傳動(dòng)中，鑄造機(jī)體應(yīng)盡量的避免壁厚突變，應(yīng)設(shè)法減少壁厚差，以免產(chǎn)生疏散等鑄造缺陷。材料選為灰鑄鐵[7]。壁厚：其中：Kt—機(jī)體表面的形狀系數(shù)，取1Kd—與內(nèi)齒輪直徑有關(guān)的系數(shù)，取2.6Td—作用在機(jī)體上的轉(zhuǎn)矩。螺釘?shù)倪x擇：大多緊固螺釘選擇六角螺釘。吊環(huán)的設(shè)計(jì)參照標(biāo)準(zhǔn)。通氣塞的設(shè)計(jì)參照設(shè)計(jì)手冊(cè)自行設(shè)計(jì)[7]。以及油標(biāo)的設(shè)計(jì)根據(jù)GB1161-89的長(zhǎng)形油標(biāo)的參數(shù)來設(shè)計(jì)。行星齒輪c采用帶有內(nèi)孔的結(jié)構(gòu)，它的齒寬b應(yīng)當(dāng)加大；以便保證該行星齒輪c與中心輪a的嚙合良好，同時(shí)還應(yīng)保證其與內(nèi)齒輪b和e相嚙合。在每個(gè)行星輪的內(nèi)孔中，可以安裝兩個(gè)滾動(dòng)軸承來支撐著。而行星齒輪軸在安裝到轉(zhuǎn)臂x的側(cè)板上之后，還采用了矩形截面的彈性擋圈來進(jìn)行軸向固定。由于該3Z型行星傳動(dòng)的轉(zhuǎn)臂x不承受外力矩，也不是行星傳動(dòng)的輸入或輸出構(gòu)件；而且還具有個(gè)行星輪。因此，其轉(zhuǎn)臂x采用了雙側(cè)板整體式的結(jié)構(gòu)型式。該轉(zhuǎn)臂x可以采用兩個(gè)向心球軸承支承在中心輪a的軸上。轉(zhuǎn)臂x上各行星輪軸孔與轉(zhuǎn)臂軸線的中心距極限偏差可按如下公式計(jì)算?，F(xiàn)已知嚙合中心距mm，則得：（mm）取各行星輪軸孔的孔距先對(duì)偏差可按以下公式計(jì)算，即取=0.030mm=30m轉(zhuǎn)臂x的偏心誤差約為孔距相對(duì)偏差的1/2,即=15m在對(duì)所設(shè)計(jì)的行星齒輪傳動(dòng)進(jìn)行了其嚙合參數(shù)和幾何尺寸計(jì)算，驗(yàn)算其裝配條件，且進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后，便可以繪制該行星齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖。2.3.9齒輪強(qiáng)度驗(yàn)算由于3Z(II)型行星齒輪齒輪傳動(dòng)具有短期間間斷的工作特點(diǎn)，且具有結(jié)構(gòu)緊湊、外輪廓尺寸較小和傳動(dòng)比大的特點(diǎn)。針對(duì)其工作特點(diǎn)，只需按其齒根彎曲應(yīng)力的強(qiáng)度條件公式進(jìn)行校核計(jì)算，即首先按以下公式計(jì)算齒輪的齒根應(yīng)力，即其中，齒根應(yīng)力的基本值可按以下公式計(jì)算，即=許用齒根應(yīng)力可按以下公式計(jì)算，即=現(xiàn)將該3Z(II)行星傳動(dòng)按照三個(gè)齒輪副a-c、b-c和e-c分別驗(yàn)算如下。=1\*GB3①名義切向力。中心輪a的切向力=可按如下公式計(jì)算；已知N·m,和mm。則得（N）=2\*GB3②有關(guān)系數(shù)。a．使用系數(shù)，使用系數(shù)按中等沖擊查表得=1.5b.動(dòng)載荷系數(shù)，先按下式計(jì)算輪a相對(duì)于轉(zhuǎn)臂x的速度，即其中（m/s）所以（m/s）已知中心輪a和行星齒輪c的精度為6級(jí)，即精度系數(shù)C=6；再按下公式計(jì)算動(dòng)載荷系數(shù)，即=式中：B=0.25=A=50+56則得=因此中心輪a和行星輪c的動(dòng)載荷系數(shù)=1.06c.齒向載荷分布系數(shù)，齒向載荷分布系數(shù)可按下式計(jì)算，即=1+，查表得。=查表得，代入上式，則得=1+（1.3-1）1=1.3d.齒間載荷分配系數(shù)。齒間載荷分配系數(shù)查表得，=1.1。e.行星輪間載荷分配系數(shù)。行星輪間載荷分配系數(shù)按下式計(jì)算，即=1+1.5，已取，則得=1+1.5=1.3f.齒形系數(shù)。齒形系數(shù)查得，g.應(yīng)力修正系數(shù)。應(yīng)力修正系數(shù)查得，。h.重合度系數(shù)。重合度系數(shù)可按下式計(jì)算，即==0.25+i.螺旋角系數(shù)。螺旋角系數(shù)查得=1。因行星輪c不僅與中心論a嚙合，且同時(shí)與內(nèi)齒輪b和e相嚙合，故取齒寬b=60mm。=3\*GB3③計(jì)算齒根彎曲應(yīng)力。按下式計(jì)算齒根彎曲應(yīng)力，即==（N/mm2）（N/mm2）取彎曲應(yīng)力=110N/mm2=4\*GB3④計(jì)算許用齒根應(yīng)力。按以下公式計(jì)算許用齒根應(yīng)力，即=已知齒根彎曲疲勞極限=340N/mm2，由查表[9]得最小安全系數(shù)。式中各系數(shù)、、、和取值如下。應(yīng)力系數(shù)，按所給定的區(qū)域圖取時(shí)，取=2。壽命系數(shù)由下式計(jì)算，即=式中應(yīng)力循環(huán)次數(shù)由表相應(yīng)公式計(jì)算，且可按照每年工作300天，每天工作16小時(shí)，即=6060=1.06則得==0.89齒根圓角敏感系數(shù)查得=1。先對(duì)齒根表面狀況系數(shù)按表中對(duì)應(yīng)公式計(jì)算，即=1.674-0.529取齒根表面微觀不平度=12.5m，代入上式得=1.674-0.529=0.98尺寸系數(shù)按表中相對(duì)應(yīng)公式計(jì)算，即=1.05-0.01=1.05-0.01=1.02代入下公式可得許用齒根應(yīng)力為：=378（N/mm2）因齒根應(yīng)力=110N/mm2小于許用齒根應(yīng)力=378N/mm2，即<。所以，a-c齒輪副滿足齒根彎曲強(qiáng)度條件。在內(nèi)嚙合齒輪副b-c中只需要校核內(nèi)齒輪b的齒根彎曲強(qiáng)度，即仍按公式計(jì)算其齒根彎曲應(yīng)力及按公式計(jì)算許用齒根應(yīng)力。已知，=260N/mm2。a．使用系數(shù)。使用系數(shù)按中等沖擊查表得=1.11b.動(dòng)載荷系數(shù)。先按下式計(jì)算輪a相對(duì)于轉(zhuǎn)臂x的速度，即其中（m/s）所以（m/s）已知中心輪a和行星齒輪c的精度為6級(jí)，即精度系數(shù)C=6；再按下公式計(jì)算動(dòng)載荷系數(shù)，即=式中：B=0.25=A=50+56則得=中心輪a和行星輪c的動(dòng)載荷系數(shù)=1.26c.齒向載荷分布系數(shù)齒向載荷分布系數(shù)可按下式計(jì)算，即=1+查表得=查表得，代入上式，則得=1+（1.3-1）1=1.3d.齒間載荷分配系數(shù)。齒間載荷分配系數(shù)查表得=1.1e.行星輪間載荷分配系數(shù)。行星輪間載荷分配系數(shù)按下式計(jì)算即=1+1.5已取，則得=1+1.5=1f.齒形系數(shù)。齒形系數(shù)查得。，g.應(yīng)力修正系數(shù)。應(yīng)力修正系數(shù)查得，h.重合度系數(shù)。重合度系數(shù)可按下式計(jì)算，即==0.25+i.螺旋角系數(shù)。螺旋角系數(shù)查得=1通過查表或采用相應(yīng)公式計(jì)算，可得到取值與外嚙合不同的系數(shù)為,,，，，=2.65，,=1.03和。代入上式則得：=（N/mm2）取N/mm2（N/mm2）可見，，故b-c齒輪副滿足齒根彎曲強(qiáng)度條件。e-c齒輪副只需要校核內(nèi)齒輪e的齒根彎曲強(qiáng)度，即仍按以上公式計(jì)算和。仿上，與內(nèi)齒輪b不同的系數(shù)為：和=0.68。代入上式，則得=98（N/mm2）因N/mm2，取N/mm2（N/mm2）3齒輪傳動(dòng)的回差分析可見，，故e-c齒輪副滿足彎曲強(qiáng)度條件。3齒輪傳動(dòng)的回差分析齒輪增速裝置是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的重要組成部分。我國(guó)電力系統(tǒng)的頻率要求為50HZ，因此要求該系統(tǒng)由較高的傳動(dòng)精度。傳動(dòng)誤差是影響傳動(dòng)精度的主要因素之一，而影響傳動(dòng)精度的誤差包括兩類，一類是單向傳動(dòng)誤差（簡(jiǎn)稱傳動(dòng)誤差），另一類是回城誤差（簡(jiǎn)稱1，空回或空城誤差）?；夭顣?huì)造成輸入軸在相角上的滯后，使系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度減小，影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，是系統(tǒng)在單位階躍信號(hào)作用下過渡時(shí)間加長(zhǎng)，震蕩次數(shù)增多?；夭钸_(dá)到一定值時(shí)，系統(tǒng)甚至?xí)霈F(xiàn)自振，稱為“齒隙震蕩”，這時(shí)系統(tǒng)就不再穩(wěn)定了，所以對(duì)于齒輪傳動(dòng)的回差分析是保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定所必不可少的。3.1側(cè)隙與回差的關(guān)系及來源在齒輪傳動(dòng)中，齒輪副的側(cè)隙能夠保持齒輪齒面的正常潤(rùn)滑，消除由于動(dòng)力引起的非工作齒輪面的撞擊而引起齒面?zhèn)鲃?dòng)過程中的燒傷、卡死、甚至失效。與此同時(shí)，側(cè)隙赫爾回差又有直接的關(guān)系，也是影響回差的主要因素。齒輪的誤差對(duì)傳動(dòng)性能（傳遞運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性、工作的平穩(wěn)性、載荷分布的均勻性）有很大的影響。因此，我們要分析側(cè)隙的類型，并分析回差的來源，為減小回差打下基礎(chǔ)。3.1.1側(cè)隙的分類兩個(gè)相配齒輪的工作齒面接觸是，會(huì)在兩個(gè)非工作齒輪間形成間隙，有時(shí)節(jié)圓上的齒槽寬度會(huì)超過相嚙合的齒輪厚，這些都會(huì)形成側(cè)隙。[10]側(cè)隙有三種不同的度量方式：（1）沿分度圓度量圓周側(cè)隙——裝配好的齒輪副，當(dāng)一個(gè)齒輪固定時(shí)，另一個(gè)齒輪的圓周晃動(dòng)量，用jt表示。以分度圓上弧長(zhǎng)計(jì)值。（2）沿嚙合線度量法相側(cè)隙——裝配好的齒輪副，當(dāng)工作齒輪面接觸是，非工作齒面間的最小值，用jh表示。（3）沿軸線中心距度量徑向側(cè)隙——將兩個(gè)相配齒輪的中心距縮小，直到左側(cè)和右側(cè)的齒面都接觸是，這個(gè)縮小的量即為徑向側(cè)隙，用jr表示。詳見圖3.1所示。圖3.1齒輪副側(cè)隙3.1.2不同側(cè)隙的關(guān)系不同嚙合形式的齒輪側(cè)隙的關(guān)系如圖3.2所示。圖3.2各種側(cè)隙的關(guān)系可以得到側(cè)隙間的關(guān)系如下：式中：αn—齒形角，分度圓壓力角。法向側(cè)隙jn通常是用鉛筆或者塞尺測(cè)量，應(yīng)用于小模數(shù)和精密齒輪時(shí)，測(cè)量不便，讀數(shù)精度不高；而圓周側(cè)隙jt的測(cè)量，可以將齒輪副的一個(gè)齒輪固定，在另一個(gè)齒輪的分度圓切線方向上放置一個(gè)百分表。圓周側(cè)隙jt是一個(gè)線值，相對(duì)于兩個(gè)相配齒輪，該值大小相同。而回差是一個(gè)角度值，它的大小與分度圓半徑有關(guān)。因此同一圓周側(cè)隙換算到不同的齒輪軸上所得到的回差大小不同。所以在具體分析系統(tǒng)的回差指標(biāo)的時(shí)候，應(yīng)該說明是折算到哪根軸上的回差。本文中，無特殊說明都是折算到從動(dòng)輪上的。[11]3.3本章小結(jié)回差是衡量齒輪傳動(dòng)精度的一項(xiàng)重要標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈敏性很大程度取決于回差的大小。因此，本章主要針對(duì)第二章所確定的增速箱結(jié)構(gòu)，首先分析了齒輪傳動(dòng)中造成的回差的三類來源，然后詳細(xì)計(jì)算了各級(jí)傳動(dòng)中的回差大小，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)確定精度分配的正確性，并得到系統(tǒng)的總回差為85.387arcmin，最后提出提高一級(jí)傳動(dòng)精度，提高齒輪的安裝和加工精度，采用齒輪結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)均載機(jī)構(gòu)等措施減小系統(tǒng)回城誤差。4中心輪和行星輪齒面接觸分析4中心輪和行星輪齒面接觸分析齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度是評(píng)價(jià)齒輪承載能力的一個(gè)重要尺度。齒面在單、雙齒嚙合交替處的接觸應(yīng)力最大，因而在本文中，主要考慮單、雙嚙合交替處的接觸應(yīng)力。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，目前已廣泛采用有限元法對(duì)齒輪傳動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行分析計(jì)算，因?yàn)橛邢拊芎芎玫靥幚睚X輪受載后嚙合接觸面力學(xué)和邊界條件，從而可對(duì)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)作更為準(zhǔn)確的應(yīng)力變形分析。[12]4.1齒輪接觸有限元算法ABAQUS被廣泛地認(rèn)為是功能最強(qiáng)的有限元軟件，可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，特別是能夠駕馭非常龐大復(fù)雜的問題和模擬高度非線性問題。優(yōu)秀的分析能力和模擬復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性使得ABAQUS被各國(guó)的工業(yè)和研究機(jī)構(gòu)廣泛采用，其產(chǎn)品也在大量的高科技產(chǎn)品研究中發(fā)揮著巨大的作用。ABAQUS中計(jì)算接觸非線性問題有罰函數(shù)法、拉格朗日乘子法與增強(qiáng)的拉格朗日乘子法。罰函數(shù)法的基本原理是在原目標(biāo)函數(shù)中加上一個(gè)罰（障礙）函數(shù)，而得到一個(gè)增廣目標(biāo)函數(shù)，接觸分析中也就是接觸剛度因子FKN。在接觸對(duì)之間設(shè)置一個(gè)壓縮剛度非常大而拉伸剛度為零的彈簧，當(dāng)接觸體間距離接近時(shí)彈簧就會(huì)停止它們相互嵌入，這是基于物理上的解釋，其中的彈簧剛度和接觸剛度稱為罰函數(shù)，這種施加接觸協(xié)調(diào)條件的方法為罰函數(shù)法。接觸剛度（記為k）越大，接觸表面的浸入越少，然而，若該值太大，會(huì)導(dǎo)致收斂困難。因此罰函數(shù)法在理論上是可行的，在實(shí)際計(jì)算中很難把握罰因子M的取值。最有效的方式就是進(jìn)行試驗(yàn)然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來選取該罰值，基于這個(gè)原因，本文不采用這個(gè)本方法進(jìn)行齒面接觸分析。拉格朗日乘子法，是通過增加一個(gè)附加自由度（接觸壓力），以滿足不浸入條件。將拉格朗日算法和罰函數(shù)方法結(jié)合起來，施加接觸協(xié)調(diào)條件稱為增強(qiáng)的拉格朗日算法。增強(qiáng)的拉格朗日法對(duì)接觸剛度系數(shù)具有較小的敏感性。有限元分析方法使用牛頓-拉普森平衡迭代算法，迫使每個(gè)載荷增量的末端解達(dá)到平衡收斂(容限范圍內(nèi))。求解前，采用完全的NR方法估算殘差矢量，然后使用非平衡載荷進(jìn)行線性求解，核查收斂性，如果不收斂則重新估算非平衡載荷，修改剛度矩陣，重新計(jì)算直到收斂。接觸問題是一種高度非線性行為，需要較大的計(jì)算資源，而且目前，接觸分析方法和理論還不太健全，軟件也沒有提供專門的方法使得利用有限元方法進(jìn)行接觸分析有很大的難度。為了進(jìn)行有效的計(jì)算，建立和真實(shí)模型盡可能相符合的模型，設(shè)定接近于真實(shí)情況的參數(shù)是必須的，在本分析中，選用非線性功能強(qiáng)大的ABAQUS軟件進(jìn)行單個(gè)齒的三維接觸分析。4.2接觸分析4.2.1齒輪接觸有限元模型對(duì)行星圓柱齒輪進(jìn)行有限元分析時(shí)，首先要對(duì)齒輪建立力學(xué)模型并進(jìn)行離散化處理，提供各單元和節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)、編號(hào)、載荷及約束等數(shù)據(jù)。計(jì)算表明：有限元模型的建立合理與否是影響接觸邊界迭代求解收斂的關(guān)鍵。精確求解齒輪嚙合每一瞬時(shí)的齒間載荷分配和齒向載荷分布是精確分析齒輪強(qiáng)度的基礎(chǔ)?，F(xiàn)有的計(jì)算方法都是建立在某種假定接觸區(qū)形狀的基礎(chǔ)上，按赫茲（Hertz）的接觸理論進(jìn)行求解，這與實(shí)際接觸情況有所偏離。圓柱齒輪的瞬時(shí)接觸區(qū)形狀及壓力分布是典型的接觸非線性問題，有限元法可以很好地解決。齒輪在傳動(dòng)過程中，隨著嚙合位置的不斷變化，沿齒向輪齒剛度和承載位置不斷變化，齒間載荷的分配情況也是變化的。[13]由于受到計(jì)算機(jī)條件的限制，在本課題研究中，采用單個(gè)齒接觸模型進(jìn)行分析。首先利用PRO/E軟件進(jìn)行單個(gè)齒的建模，并進(jìn)行裝配，然后存為.x_t格式的文件，最后導(dǎo)入ABAQUS中進(jìn)行三維的接觸分析；也可以利用PRO/E將裝配圖轉(zhuǎn)化成AutoCAD平面圖，并在AutoCAD中建立面域存為SAT格式的文件導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行二維分析。單個(gè)齒的裝配圖如圖4.1和圖4.2所示，有限元模型如圖4.3。圖4.1行星輪a-c三維接觸模型圖4.2行星輪a-c二維接觸模型圖4.3中心輪和行星輪的有限模型4.2.2齒輪副齒面接觸應(yīng)力求解ABAQUS軟件和ANSYS軟件一樣，都有前處理模塊，求解器模塊和后處理模塊，而且功能相似，所以在這里不再贅述。這里將所要選擇的材料和接觸對(duì)的建立過程以及材料參數(shù)的設(shè)定簡(jiǎn)單的敘述一下。該行星輪系選擇的材料為優(yōu)質(zhì)合金鋼，泊松比μ=0.3，在三維分析中，利用ABAQUS軟件中的三個(gè)接觸分析模塊(INTERACTION，CONSTRAINT，CONNECTOR)中的INTERACTION模塊，選擇四面體單元C3D4結(jié)構(gòu)單元建立兩個(gè)面(SLAVESURFACE和MASTER)，由于沒有相對(duì)滑動(dòng)，因此切向定義的為FRICTIONLESS，法向定義的是‘HARD’CONTACT。[14]在接觸分析中，為了能夠使接觸迭代計(jì)算能夠更好的進(jìn)行和保證分析結(jié)果的可靠性，需要施加正確地約束和建立合適的接觸對(duì)，并設(shè)置合理的接觸參數(shù)和單元屬性及求解參數(shù)。兩輪之間建立接觸對(duì)如下：中心輪為目標(biāo)面，行星輪為接觸面。行星輪繞著中心輪轉(zhuǎn)動(dòng)。4.2.3ABAQUS三維接觸分析結(jié)果在該接觸分析的建模、分網(wǎng)、加載、求解過程中產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)，不能夠馬上看到求解結(jié)果,要進(jìn)入后處理模塊查看分析結(jié)果，在ABAQUS/CAE的Visualization(可視化)模塊(也可以授權(quán)為ABAQUS/Viewer)允許用戶應(yīng)用不同的方法觀察圖形化的結(jié)果，該分析中，進(jìn)入后處理器能夠看到兩個(gè)接觸的齒輪的應(yīng)力和變形圖。利用ANSYS軟件的非線性分析模塊進(jìn)行分析，在進(jìn)行迭代過程中常常出現(xiàn)不收斂的情況。利用ABAQUS軟件雖然比用ANSYS軟件的收斂性好多了，但是仍然會(huì)出現(xiàn)不收斂的情況，因此要不斷的重新設(shè)置參數(shù)和劃分網(wǎng)格以致模型能夠收斂，經(jīng)過多次反復(fù)。得到變形、接觸應(yīng)力圖如圖所示：圖4.4兩個(gè)齒輪的接觸應(yīng)力云變圖從接觸應(yīng)力云變圖中可以看出行星輪的接觸應(yīng)力比中心輪的接觸應(yīng)力大，它的接觸應(yīng)力為520.6Mpa，而數(shù)值計(jì)算所得到的接觸應(yīng)力為514.148MPa，有一定的誤差，這里產(chǎn)生的差距主要是由于模型的建立和導(dǎo)入時(shí)引起了模型信息的丟失，這樣一來，利用有限元的方法進(jìn)行計(jì)算所得到的結(jié)果和理論計(jì)算的有一定的誤差，所以本文計(jì)算的接觸應(yīng)力結(jié)果已經(jīng)比較精確，如果再經(jīng)過試驗(yàn)數(shù)據(jù)調(diào)整各接觸參數(shù)后，接觸應(yīng)力結(jié)果會(huì)有更好的計(jì)算精度。所得的結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果相符，同時(shí)也驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的合理性。而且從變形圖中能夠得到兩個(gè)齒輪接觸時(shí)的變形是毫米級(jí)的。[15]4.3本章小結(jié)比較ANSYS軟件和ABAQUS軟件的接觸分析功能，選擇ABAQUS的接觸分析模塊(INTERACTION，CONSTRAINT，CONNECTOR)中INTERACTION模塊進(jìn)行行星齒輪傳動(dòng)副中a-c副的三維單個(gè)齒接觸分析，從分析的結(jié)果可以看出行星輪的接觸應(yīng)力比中心輪的接觸應(yīng)力大，它的接觸應(yīng)力為520.6MPa，而數(shù)值計(jì)算所得到的接觸應(yīng)力為514.148MPa，數(shù)值計(jì)算的許用應(yīng)力值為652.39MPa，總體來說該分析結(jié)果和理論計(jì)算很貼近，說明了結(jié)構(gòu)的合理性，同時(shí)得到接觸變形為毫米級(jí)的。從分析的結(jié)果可知行星輪沿齒廓線的應(yīng)力分布最大值點(diǎn)并不在接觸處，而是在接觸處向齒根方向的某一點(diǎn)處。中心輪的最大應(yīng)力值點(diǎn)為接觸處附近。5總結(jié)5總結(jié)此次畢業(yè)設(shè)計(jì)是我