单相曲柄输入式少齿差行星齿轮传动

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 2.76MB 74 页 15积分
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摘要
少齿差行星齿轮具有传动比大、结构紧凑、体积小、传动效率高等优点，在
冶金机械、起重运输机械、工程机械、化工机械等方面得到广泛应用。传统的少
齿差传动一般是同轴式的，常采用浮动盘、孔销式、双滑块等形式的输入机构带
动行星轮运动，结构相对复杂。上世纪九十年代以来，以三环减速器为代表的平
行轴式双曲柄少齿差传动形式得到了广泛的重视。本文的研究是以两种结构简单
的新型平行轴式单相曲柄输入少齿差传动机构为基础，完成机构的运行学分析，
动力学分析，样机设计以及并在此基础上提出了新型机构。
本文主要研究内容包括：对单相曲柄摆块和单相曲柄滑块两种少齿差行星齿
轮传动机构进行内齿轮中心轨迹分析、传动比计算、样机验证、机构的受力分析、
机构的平衡研究、新型同轴式单相曲柄传动机构的提出以及运动学分析。内齿轮
中心轨迹分析目的是确定内齿轮中心输出轨迹是否满足齿轮副的啮合条件，然后
分析各个杆件的尺寸对中心轨迹误差的影响。在对机构进行运动学分析时，首先
求解了各个杆件的角速度和角加速度，利用传动机构中各个构件几何关系，求出
齿轮的输出角速度，进而求得机构的瞬时传动比。机构的动力学分析，计算了外
齿轮和内齿轮之间的啮合力，分析了机构其他构件的受力状况，并绘制各个构件
受力的变化曲线。机构平衡方面，通过计算得出机构在高速运转情况下摆动力和
摆动力矩的变化规律以及摆动力和摆动力矩的平衡条件。
分析结果表明这两种平行轴式少齿差机构内齿轮中心运动轨迹能满足少齿差
内啮合齿轮副的运动条件，同时在运动过程中机构不存在死点，但是传动比波动
较大，在高速运行中对机座冲击较大。在机构平衡中，通过调整机构中原件的质
量合理分配能减小摆动力，但不能消除摆动力矩。新型的同轴式单相曲柄输入式
少齿差机构的优点是消除了内齿轮中心轨迹误差，使得在运动学特性方面显示了
一定的优越性，这种新型少齿差传动机构形式独特新颖，结构简单，有一定的研
究意义和应用价值。
关键词：少齿差行星传动 单项曲柄机构 同轴式单相曲柄机构
ABSTRACT
Planetary gear drive with small tooth number difference is widely applied in
metallurgical machinery, lifting transportation machinery, engineering machinery, and
chemical machinery, etc. The biggest advantages are it's extensive transmission ratio,
compact structure, small volume, and high efficiency.
Some types like traditional mechanisms is usually coaxial and complex, as it's
output unit normally adopts hole-pin form, float plate or double sliding blocks. Since
1990s, some double-cranks mechanisms, three ring redactor for example, have obtained
very popular attention. This paper studies two planetary gear with small tooth number
difference structure, one mechanism uses crank-swaying as input unit and the other one
uses crank-slide as input unit, based on which, the author devised one new structure.
Based on the mechanism principle, the author researched and analyzed the internal
gear censored, dynamics, the vibration force, the balance condition of the two
mechanisms and proposed new coaxial type of single phase crank shaft transmission
structure. By analyzing of internal gear censored, we can see whether the internal gear
censored output can meet the gear meshing requirement and judge the impact among
different size unit. When analyzing the mechanism kinematics, after the angular speed
and acceleration of all linkages has been calculated, the output angular speed is
analyzed by means of calculating the stress state among other units, and then forces
curve graph of each unit is drawed. By mechanism kinematics, resolve the gear mesh
balance problem between outer and inner gear. By four bar linkage mechanism balance
analysis, we can know its changing regularity and balance condition of swing force and
swing torque.
It has been proved by the researches in this article that the censored of the two new
type gear structure can meet the movement condition of small tooth number difference
gear mesh with no dead point, but it fluctuates too much，which will cause great
impact to the bed plate when it moves in high speed. In the mechanism balance analysis,
it can only reduce the swing force by adjusting the unit weight distribution, but it can't
eliminate swing torque. The new type of coaxial single phase crank shaft solved this
problem through eliminating the internal gear censored error, which shows it's great
superiority in kinematic characteristics. This new coaxial type of planetary gear drive
with small teeth difference is innovative with simple structures. It has significant
importance in mechanism theory and practical transmission field.
Key Words：Small Teeth Difference Drive, Single crank Mechanism,
Coaxial single-crank mechanism
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论.................................................................................................................. 1
§1.1 引言 ................................................................................................................... 1
§1.2 少齿差行星齿轮传动概述 ............................................................................... 3
§1.3 双曲柄少齿差行星传动机构的发展及现状 ................................................... 4
§1.4 课题研究的对象和内容 .................................................................................. 7
§1.4.1 单项曲柄输入式少齿差传动 ................................................................. 7
§1.4.2 课题研究的意义 ..................................................................................... 8
§1.4.3 课题研究的具体内容 ............................................................................. 9
第二章 单相曲柄输入少齿差机构的运动分析与样机设计 .......................................11
§2.1 单相曲柄输入少齿差传动机构轨迹分析 ......................................................11
§2.1.1 单相曲柄摆块输入少齿差机构组成和工作原理 ................................11
§2.1.2 单相曲柄滑块输入少齿差机构组成和工作原理 ...................................... 12
§2.2 单相曲柄摆块输入少齿差传动机构运动学分析及设计 ............................. 13
§2.2.1 单相曲柄摆块机构内齿圈中心运动轨迹及偏差 ............................... 13
§2.2.2 单相曲柄摆块少齿差机构径向偏差影响因素 ................................... 15
§2.2.3 瞬时传动比计算 ................................................................................... 18
§2.2.4 瞬时传动比影响因素 ........................................................................... 20
§2.2.5 内齿轮中心瞬时角加速度分析 ........................................................... 22
§2.3 单相曲柄滑块输入少齿差传动机构运动学分析及设计 ............................. 23
§2.3.1 单相曲柄滑块机构内齿圈中心运动轨迹及偏差 ............................... 23
§2.3.2 单相曲柄滑块少齿差机构径向偏差影响因素 ................................... 25
§2.3.3 单相曲柄滑块少齿差机构瞬时传动比计算 ....................................... 28
§2.3.4 单相曲柄滑块机构瞬时传动比影响因素 ........................................... 30
§2.3.5 单相曲柄滑块机构内齿轮中心瞬时角加速度分析 ........................... 32
§2.4 基于 proe 软件单相曲柄摆块少齿差样机设计和验证 ................................ 33
§2.4.1 单相曲柄滑块少齿差机构 proe 模型建立 .......................................... 33
§2.5 小结 ................................................................................................................. 38
第三章 单相曲柄少齿差传动机构受力分析 .............................................................. 39
§3.1 单相曲柄摆块少齿差机构受力分析 ............................................................. 39
§3.1.1 单相曲柄摆块内外齿圈啮合力计算 ................................................... 39
§3.1.2 单相曲柄摆块输入少齿差机构支座反力的计算 ............................... 40
§3.2 单相曲柄滑块输入少齿析差机构的受力分析 ............................................. 42
§3.2.1 曲柄滑块输入少齿差机构啮合力分析 ............................................... 43
§3.2.2 单相曲柄滑块少齿差机构支座反力的计算及分析 ........................... 43
第四章 单相曲柄少齿差传动机构平衡分析 .............................................................. 46
§4.1 单相曲柄摆块少齿差传动机构的平衡分析 ................................................. 46
§4.1.1 机构摆动力的平衡 ............................................................................... 46
§4.1.2 机构摆动力矩的平衡 ........................................................................... 50
§4.2 单相曲柄滑块少齿差传动机构的平衡分析 ................................................. 52
§4.2.1 单相曲柄滑块少齿差机构摆动力的平衡 ........................................... 53
§4.2.2 机构摆动力矩的平衡 ........................................................................... 56
§4.3 单相曲柄少齿差传动机构的平衡总结 ......................................................... 59
第五章 新型单相曲柄输入少齿差传动机构介绍和分析 .......................................... 60
§5.1 新型单相曲柄摇杆少齿差变速机构来源 ..................................................... 60
§5.2 新型单相曲柄摇杆少齿差机构运动学分析 ................................................. 61
§5.2.1 新型单相曲柄连杆少齿差行星齿轮机构平均传动比 ....................... 62
§5.2.2 新型单相曲柄摇杆少齿差行星齿轮机构瞬时传动比 ....................... 62
§5.2.3 新型曲柄摇杆少齿差机构瞬时角加速度 ........................................... 65
§5.3 新型单相曲柄摇杆输入式少齿差行星齿轮机构小结 ................................. 65
第六章 总结和展望 ...................................................................................................... 66
参考文献 ........................................................................................................................ 67
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 70
致 谢.............................................................................................................................. 71
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 引言
随着近代制造业的快速发展，机械加工和生产水平的不断提高，工业部门对
齿轮传动装置提出了多样化需求，要求齿轮传动装置的重量轻、结构紧凑、传动
比大、承载能力强、效率高、寿命长，运行可靠。
市场上传动机构类型繁多且各有特点，普通的外啮合直尺或斜齿圆柱齿轮减
速器其优点是易于加工，方便安装；但是传动比受到限制且体积较大，结构相对
笨重。摆线针轮行星齿轮传动的优点是体积小，结构紧凑；但是当传动要求发生
变化时，摆线轮要重新设计参数及摆线轮廓，计算量大加工也比较复杂，制造成
本相对较高。蜗轮传动可以成批加工并且设计方便，但是应用在大传动比情况下
传动效率较低。
当今世界各国减速器及齿轮技术发展总趋势是向六高、二低、二化方向发展，
六高是指高承载能力、高齿面硬度、高精度、高速度、高可靠性和高传动效率；
二低即为低噪音、低成本；二化即为标准化、多样化。减速器中齿轮的设计技术
与制造水平的高低，在一定程度上标志着一个国家的工业发展水平。
根据工业部门的多种需求，行星齿轮传动机构凭借自身的众多优点得到了广
泛的应用。它不仅满足机构紧凑，传动比大，效率高，承载力强等优点，而且几
乎能应用于任何场合，它不仅适用于高转速、大功率工况，而且在低速大转矩的
传动中也获得了良好的应用。因此，行星齿轮传动技术已经成为世界各国机械传
动发展的重点之一 ]1[]2[ 。
行星齿轮传动的类型繁多，分类方法也多种多样。常用的分类方法主要有三
种：第一种分法是按照传动机构中齿轮啮合的方式进行区分，如 NGW、NN、WW
、
NGWN、和 ZUWGW 等。代表型号的字母含义为：N-内啮合，W-外啮合，G-内外
啮合公用行星齿轮，ZU-锥齿轮[2]。第二种是按其自由度的数目可分为简单行星齿
轮机构和差动行星齿轮机构，具有一个自由度的行星齿轮机构称为简单行星齿轮
机构；具有两个自由度的行星齿轮机构称为差动行星齿轮机构。第三种是根据前
苏联 B.H.库德略夫采夫提出的按照行星齿轮机构的基本构件进行分类，这种分类
的方法能很好地体现行星传动的特点。在库氏分类法中，行星齿轮传动的基本代
号为：K—中心轮，H—转臂，V—输出轴。根据基本代号，行星齿轮传动可以分
为：2K-H、3K 和K-H-V 三种基本类型，其他结构形式的行星齿轮传动大都是它
们的演化形式或组合形式[1]。
第一章 绪论
2
行星齿轮传动在我国已有许多年的历史，约在 60 年代以后，我国对行星传动
才进行了较全面、系统的研究和开发工作。经过多年的研究使行星齿轮传动机构
广泛地应用于冶金、矿山、起重运输、化工、纺织、汽车、兵器、船舶和航空航
天等工业部门。
行星齿轮传动最基本的形式之一是 2K-H 型(两个中心轮 a、b 和一个转臂 H)，
如图 1-1 所示为 2K-H 型的典型代表结构：
图1-1 2K-H 型行星齿轮传动
该机构传动比为
a
b
aH Z
Z
i1 （1-1）
从式（1-1）中可以看出如要获得较大的传动比可以适当减少中心轮齿数 a
Z，
但a
Z 受到最小根切齿数的限制，变化值受限。如需进一步获得更大传动比，可去
掉中心轮，并将行星轮直径加大，并使内齿圈 b与行星轮 g的齿数差变得很少；
然后将从动轮 g的运动通过机构 W传到输出轴 V，则可构成由转臂 H主动和行星
轮g从动的少齿差行星齿轮传动，结构如图 1-2 所示:
图1-2 同轴式少齿差行星齿轮传动
第一章 绪论
3
图1-2 所示同轴式少齿差行星齿轮传动，基本构件为中心轮 b、转 臂 H和构件
V因为行星轮 g的轴线与输出轴 V存在偏心距离，因此设置了一个由行星轮 g的
回转运动机构传递到输出轴 V、传动比等于 1的输出机构（即 W机构）。常用平面
四杆机构作为少齿差行星传动的输出机构，如双曲柄机构或双滑块机构，它们都
能在空间两平行轴之间实现传动比为 1的等速运动。少齿差行星齿轮传动机构实
质上是一个由平面四连杆机构和内啮合齿轮副组成的齿轮连杆机构。
当中心轮 b 固定，转臂 H 主动，构件 V 从动时，传动比为
gb
g
Hg ZZ
Z
i
（1-2）
少齿差行星齿轮传动具有以下优点：
(1)传动比范围大，单级传动比为范围 10～1000。
(2)易于加工、制造成本较低。采用普通的渐开线齿轮刀具和齿轮机床就可以
加工齿轮，不需要特殊的刀具与专用设备，材料也可采用普通齿轮材料。
(3)结构紧凑、体积小、重量轻。因为采用内啮合行星传动，所以结构紧凑。
当传动比相同时，与同功率的普通圆柱齿轮减速器相比，体积和重量均可减少 1/3～
2/3。
(4)效率高。当传动比为 10～200 时，传动效率为 80%～94%。传动效率随着
传动比的增加而减小。
(5)结构形式多样，应用范围广泛。由于其输入轴与输出轴可在同一轴线上，
也可以不在同一轴线上，所以能适应各种机械的需要。
(6)运转平稳、噪音小、承载能力大。由于齿差相差较少和变形的作用少齿差
传动时不是一对轮齿啮合，而是 3对轮齿同时接触受力[34，37]，故在相同的模数情
况下，其传递力矩比普通圆柱齿轮减速器大。
§1.2 少齿差行星齿轮传动概述
少齿差行星齿轮传动是行星齿轮传动中的特例,所谓渐开线少齿差行星齿轮传
动就是由齿数差很小（一般 Zp=1
～
4）的渐开线内啮合变位齿轮副组成的 K-H-V
型传动或 2K-H(E)型传动。若其齿数差 Zp=Zb-Zg=1，则称为一齿差行星传动[1]。
由于少齿差行星齿轮的众多优点，国内外学者作了大量的研究。渐开线少齿
差行星机构最早在上个世纪 20 年代由德国人发明。首先提出的是以外摆线为齿廓
曲线的摆线针轮少齿差行星传动，于 30 年代后期在日本研制生产。在 1953 年苏
联学者就对齿差数为 1的内啮合的啮合计算和加工问题进行了理论研究。1987 年
捷克人 Soucek.Josef 提出在一块齿板上布置三个曲柄轴的内齿行星传动机构，并申
摘要：

摘要少齿差行星齿轮具有传动比大、结构紧凑、体积小、传动效率高等优点，在冶金机械、起重运输机械、工程机械、化工机械等方面得到广泛应用。传统的少齿差传动一般是同轴式的，常采用浮动盘、孔销式、双滑块等形式的输入机构带动行星轮运动，结构相对复杂。上世纪九十年代以来，以三环减速器为代表的平行轴式双曲柄少齿差传动形式得到了广泛的重视。本文的研究是以两种结构简单的新型平行轴式单相曲柄输入少齿差传动机构为基础，完成机构的运行学分析，动力学分析，样机设计以及并在此基础上提出了新型机构。本文主要研究内容包括：对单相曲柄摆块和单相曲柄滑块两种少齿差行星齿轮传动机构进行内齿轮中心轨迹分析、传动比计算、样机验证、机构的...

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