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機(jī)械電子式軟起動(dòng)裝置傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
摘 要
當(dāng)高速軸由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)太陽輪，然后帶動(dòng)行星輪轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)齒圈固定，然后帶動(dòng)行星架輸出運(yùn)動(dòng)的，在行星架上的行星輪既自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，具有相同的結(jié)構(gòu)。行星齒輪減速器是一種至少有一個(gè)齒輪的幾何軸線繞著固定位置轉(zhuǎn)動(dòng)圓周運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)，變速器通常和若干行星輪和傳遞載荷的作用，為了使功率分流。漸開線行星齒輪傳動(dòng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小、質(zhì)量小，效率高，噪音低，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，因此被廣泛應(yīng)用于冶金，工程機(jī)械，起重，運(yùn)輸，航空，機(jī)床，電氣機(jī)械及國防工業(yè)等部門，作為減速、變速或增速的齒輪傳動(dòng)裝置.
本文設(shè)計(jì)的機(jī)械電子式軟起動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)利用行星傳動(dòng)、蝸輪傳動(dòng)及變頻調(diào)速技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸送機(jī)輸出速度的有效控制，達(dá)到了軟起動(dòng)目的。本文通過對(duì)機(jī)械電子式軟起動(dòng)裝置的組成和工作原理的介紹和對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)通過對(duì)調(diào)速電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制, 使行星差動(dòng)機(jī)構(gòu)差動(dòng)傳動(dòng), 從而達(dá)到對(duì)輸出軸無級(jí)調(diào)速的目的。
關(guān)鍵詞：差動(dòng)行星輪系,軟起動(dòng),蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
MECHANICAL ELECTRONIC FORMULA
SOFT STRAT INSTALLMENT TRANSMISSION SYSTEM DESIGN
ABSTRACT
When the high speed shaft is driven by the electric motor, to drive the sun gear, and the planet wheel is driven to rotate, the inner gear ring is fixed, and then drives the planetary frame outputting motion, on the planet carrier planet wheel both rotation and revolution, has the same structure. Planetary gear reducer is driving a at least one gear geometric axis rotated around a circular motion of fixed position, the transmission is usually and planetary gear and transfer load, in order to make the power split. Involute planetary gear transmission has the following advantages: large transmission ratio, compact structure, small volume, small mass, high efficiency, low noise, smooth operation, so it is widely used in metallurgy, engineering machinery, lifting, transportation, aviation, machine tools, electrical machinery and defense industry and other departments, as gear reducer, gear or growth.
The design of the mechanical electronic soft starting transmission system using planetary gear, worm gear drive and frequency conversion technology, realize the effective control of the output conveyor speed, reach the purpose of soft starting. In this paper, the composition and working principle of soft starting device for mechanical and electronic type introduction and analysis and design through to control motor speed control of the drive system, the planetary differential mechanism of differential drive, so as to achieve the purpose of the output shaft of the stepless speed regulation.
KEY WORDS：differential planetary gear train, soft start, worm drive mechanism
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目錄
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 緒論 1
1.1 課題研究背景 1
1.2 課題研究意義 2
第二章 機(jī)械電子式軟起動(dòng)裝置傳動(dòng)系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì) 1
2.1 機(jī)械電子式軟起動(dòng)裝置工作原理及其特點(diǎn) 1
2.2 機(jī)械電子式軟起動(dòng)裝置傳動(dòng)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案的確定 3
2.2.1 根據(jù)給定參數(shù)及工作要求，選取行星齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)類型 3
2.2.2 機(jī)械電子式軟起動(dòng)裝置傳動(dòng)系統(tǒng)的差動(dòng)原理分析 4
2.2.3 蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用 5
2.3 機(jī)械電子式軟起動(dòng)裝置的工況分析 6
2.3.1 空載起動(dòng)階段 6
2.3.2 軟起動(dòng)階段 6
2.3.3 負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行階段 7
2.3.4 軟停車階段 7
2.3.5 緊急停車、完全停車階段 7
第三章 機(jī)械電子式軟起動(dòng)裝置傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8
3.1 傳動(dòng)比的分配 8
3.2 精確計(jì)算各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的基本參數(shù) 9
3.2.1 行星齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) 9
3.2.2 蝸輪蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì) 21
3.2.3 直齒錐齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) 28
3.3 關(guān)于軸的校核 33
3.3.1 輸入軸的校核 33
3.3.2 太陽輪軸及中間軸的校核 39
3.3.3 輸出軸的校核 43
3.3.4 蝸桿軸的校核 46
3.3.5 行星輪軸的校核 50
3.4 滾動(dòng)軸承的選擇及校核計(jì)算 51
3.5 鍵的選擇與校核 55
3.6 減速器結(jié)構(gòu)與潤滑的概要說明 57
第四章 總結(jié) 60
4.1 設(shè)計(jì)結(jié)果 60
4.2 結(jié)論 60
4.3 問題與展望 60
參考文獻(xiàn) 62
致謝 63
第一章 緒論
1.1 課題研究背景
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，軟起動(dòng)技術(shù)具有越來越多的功能和優(yōu)點(diǎn)，它可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速、多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)功率平衡、過載保護(hù)等功能，具有傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)簡單，安裝便捷等方面的優(yōu)點(diǎn)。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)被越來越多的工業(yè)部門所采用，具有廣闊的市場前景。
帶式輸送機(jī)由于運(yùn)輸能力大、運(yùn)行可靠、效率高、對(duì)地形適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)已成為當(dāng)今散狀物料運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備，應(yīng)用廣泛。帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)方式主要有以下幾種：1.調(diào)速型液力偶合器軟啟動(dòng)；2.CST可控軟啟動(dòng)；3.液體黏性軟啟動(dòng)；4.電氣軟啟動(dòng)。帶式輸送機(jī)的電氣軟啟動(dòng)由于控制精度高、控制靈活、體積小等優(yōu)點(diǎn)是將來的發(fā)展趨勢(shì)。電氣軟啟動(dòng)又分為晶閘管調(diào)壓調(diào)速和變頻調(diào)速兩種方式，短期來看，軟起動(dòng)將仍然以性價(jià)比較高的晶閘管降壓軟啟動(dòng)為主要形式。從長期看，隨著變頻器價(jià)格的逐漸下降，可靠性的進(jìn)一步提高，也隨著技術(shù)人員水平的提高，變頻軟起動(dòng)將成為軟起動(dòng)的主流。
發(fā)達(dá)國家的電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)產(chǎn)品主要是固態(tài)軟起動(dòng)裝置：晶閘管軟起動(dòng)和兼作軟起動(dòng)的變頻器。在沒有調(diào)速要求的使用場合下，起動(dòng)負(fù)載較輕時(shí)采用晶閘管軟啟動(dòng)，晶閘管軟起動(dòng)裝置是發(fā)達(dá)國家軟起動(dòng)的主流產(chǎn)品。在重載或負(fù)載功率特別大的時(shí)候，才用變頻軟起動(dòng)。我國帶式輸送機(jī)的技術(shù)水平仍然落后于國際先進(jìn)水平，對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行深入的理論研究已成為目前的重要工作。晶閘管交流調(diào)壓軟啟動(dòng)技術(shù)于20世紀(jì)90年代現(xiàn)代初引入中國，近年才得到了廣泛的應(yīng)用。晶閘管調(diào)壓軟啟動(dòng)器的價(jià)格略高于自耦變壓器啟動(dòng)器和Y／Δ啟動(dòng)器，系統(tǒng)工作時(shí)對(duì)電網(wǎng)無過大沖擊，可大大降低系統(tǒng)的配電容量，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)小。啟動(dòng)、停車平滑穩(wěn)定，可提高電動(dòng)機(jī)的使用壽命和經(jīng)濟(jì)效益。
軟啟器采用三相反并聯(lián)晶閘管作為調(diào)壓器，將其接入電源和電動(dòng)機(jī)定子之間。這種電路如三相全控橋式整流電路。使用軟啟動(dòng)器啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動(dòng)機(jī)逐漸加速，直到晶閘管全導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)工作在額定電壓的機(jī)械特性上，實(shí)現(xiàn)平滑啟動(dòng)，降低啟動(dòng)電流，避免啟動(dòng)過流跳閘。待電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)，啟動(dòng)過程結(jié)束，軟啟動(dòng)器自動(dòng)用旁路接觸器取代已完成任務(wù)的晶閘管，為電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供額定電壓，以降低晶閘管的熱損耗，延長軟啟動(dòng)器的使用壽命，提高其工作效率，又使電網(wǎng)避免了諧波污染。軟啟動(dòng)器同時(shí)還提供軟停車功能，軟停車與軟啟動(dòng)過程相反，電壓逐漸降低，轉(zhuǎn)數(shù)逐漸下降到零，避免自由停車引起的轉(zhuǎn)矩沖擊。
1.2 課題研究意義
隨著我國煤炭生產(chǎn)的機(jī)械化、自動(dòng)化程度的不斷提高，長距離、大運(yùn)量的帶式輸送機(jī)的使用日益增多，特別是在煤礦等工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)的帶式輸送機(jī)也應(yīng)在向著長距離、高帶速、大運(yùn)量、大傾角、大功率的方向發(fā)展。由于生產(chǎn)集中而造成帶式輸送機(jī)負(fù)載極不均勻，其啟動(dòng)問題日益突出。研究帶式輸送機(jī)軟啟動(dòng)器的意義不僅在于保證平穩(wěn)地起動(dòng)、制動(dòng)，而且還可降低帶式輸送機(jī)的成本，保證生產(chǎn)安全。
通過本次設(shè)計(jì)：
1）通過對(duì)軟起動(dòng)裝置傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，培養(yǎng)了自己進(jìn)行綜合分析和提高解決實(shí)際問題的能力，從而達(dá)到鞏固、擴(kuò)大、深化所學(xué)知識(shí)的目的。設(shè)計(jì)過程包括了基本的機(jī)械設(shè)計(jì)方法，鍛煉了設(shè)計(jì)能力。設(shè)計(jì)內(nèi)容還包括了蝸輪蝸桿和行星架的設(shè)計(jì)，更能鞏固自己的機(jī)械原理知識(shí)?？傊瑸橐院蟮墓ぷ鞔蛳铝艘粋€(gè)良好的開端。
2）設(shè)計(jì)過程除了要參考大量的書籍以外，還要查找相關(guān)文獻(xiàn)，尤其是外文文獻(xiàn)，提高了查找資料的能力，所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品還涉及到行業(yè)的規(guī)范，培養(yǎng)了自己調(diào)查研究，熟悉有關(guān)技術(shù)政策，運(yùn)用國家新標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊(cè)、圖冊(cè)等工具書，進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、編寫技術(shù)文件的獨(dú)立工作能力，解決實(shí)際問題的能力。
3）畢業(yè)設(shè)計(jì)是教學(xué)環(huán)節(jié)的最后的一環(huán)，因此學(xué)生的知識(shí)較為全面，就本次設(shè)計(jì)而言，所涉及的主要課程有機(jī)械原理，理論力學(xué)，材料力學(xué)，機(jī)械設(shè)計(jì)，液壓傳動(dòng)，可以說所學(xué)主要課程在畢業(yè)設(shè)計(jì)中都有體現(xiàn)。使自己建立正確的設(shè)計(jì)思想，初步掌握解決本專業(yè)工程技術(shù)問題的方法和手段，從而使自己受到一次工程師的基本訓(xùn)練。
機(jī)械電子式軟起動(dòng)裝置就是指機(jī)械設(shè)備在其重載或者滿載的工況下可以實(shí)現(xiàn)可控的地平穩(wěn)起動(dòng)與停車。軟起動(dòng)技術(shù)在功能方面有很多優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速、驅(qū)動(dòng)功率的平衡、過載保護(hù)等功能，具備傳動(dòng)的效率高、結(jié)構(gòu)比較簡單、安裝也很便捷等特點(diǎn)，市場前景被普遍看好。一、機(jī)械電子式軟起動(dòng)裝置的基本概況? 機(jī)械電子式軟起動(dòng)裝置在歐美發(fā)達(dá)國家的研究和使用可以追溯到上個(gè)世紀(jì)七十年代，最早的機(jī)械電子式軟起動(dòng)裝置是cst系統(tǒng)，屬于一種機(jī)械減速和液壓控制結(jié)合在一起的軟特性可控傳輸系統(tǒng)，這種系統(tǒng)采用的是基于液體的粘性傳動(dòng)原理的離合器實(shí)現(xiàn)減速器和主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的連接，其電機(jī)會(huì)在無負(fù)載的情況下被起動(dòng)，并很快就達(dá)到額定的速度。再通過液壓的控制系統(tǒng)，使得離合器的靜摩擦片能逐步靠近動(dòng)摩擦片，以傳遞其動(dòng)力。? 近年以來，隨著我國國內(nèi)對(duì)機(jī)械電子式軟起動(dòng)裝置的需求越來越大，很多研究部門與生產(chǎn)單位都對(duì)軟起動(dòng)技術(shù)投入了大量的人力、物力和財(cái)力進(jìn)行研究，也取得了很多不錯(cuò)的成績，如我們已經(jīng)研發(fā)出來運(yùn)用固態(tài)的繼電器控制技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)機(jī)械的軟起動(dòng)、限流起動(dòng)、自然停車以及軟停車等先進(jìn)功能；還有一種磁粉的可控起動(dòng)行星齒輪減速器的軟起動(dòng)裝置，運(yùn)用了差動(dòng)輪系與磁粉制動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)對(duì)重載機(jī)械的可控起動(dòng)。這種裝置中的差動(dòng)輪系可以對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行合成，磁粉制動(dòng)器的力矩可調(diào)，可使電機(jī)空載起動(dòng)，但其缺點(diǎn)就是制動(dòng)的力矩有限，還只能適用于小功率的場合。還有很多諸如此類的軟起動(dòng)裝置研究已經(jīng)得到推廣應(yīng)用，極大的提高了我國機(jī)械電子式軟起動(dòng)裝置的運(yùn)行效率，但大多還存在傳動(dòng)的效率較低、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜、可靠性較差等問題，無法真正的滿足我國現(xiàn)代化建設(shè)對(duì)機(jī)械設(shè)備的可靠啟動(dòng)以及停車要求，因此，目前我們還迫切的需要開發(fā)性能更為優(yōu)良、傳動(dòng)效率更高的機(jī)械電子式軟起動(dòng)裝置。?二、機(jī)械電子式軟起動(dòng)裝置控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)? 機(jī)械電子式軟起動(dòng)裝置有其獨(dú)特的工作原理，對(duì)其設(shè)計(jì)應(yīng)該是集現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)械傳感技術(shù)、電力電子技術(shù)以及差動(dòng)行星的減速裝置等于一體，是一種與傳統(tǒng)裝置完全不同的的新型控制系統(tǒng)，就其具體的組成而言，應(yīng)該包括主電機(jī)、調(diào)速電機(jī)以及差動(dòng)行星輪系等基本結(jié)構(gòu)，而控制系統(tǒng)則有計(jì)算機(jī)、可編程的控制器以及變頻器等結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)研究比較復(fù)雜。
第二章 機(jī)械電子式軟起動(dòng)裝置傳動(dòng)系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)
2.1 機(jī)械電子式軟起動(dòng)裝置工作原理及其特點(diǎn)
機(jī)械電子式軟起動(dòng)裝置由機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)兩部分組成。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)由主電機(jī)、調(diào)速電機(jī)和差動(dòng)輪系等構(gòu)成。控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、可編程序控制器、變頻器等組成。在軟起動(dòng)，軟停車過程中，通過對(duì)調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出軸的無極調(diào)速。
機(jī)械電子式軟起動(dòng)裝置系統(tǒng)框圖2-1
機(jī)械電子式軟起動(dòng)裝置傳動(dòng)原理圖如下圖所示：
1小錐齒輪 2大錐齒輪 3太陽輪 4行星輪 5內(nèi)齒圈 6蝸輪
7蝸桿 8調(diào)速電機(jī) 9主電機(jī) H行星架
機(jī)械傳動(dòng)原理圖2-2
機(jī)械電子式軟起動(dòng)裝置主要由差動(dòng)行星齒輪減速機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿等機(jī)構(gòu)組成。主動(dòng)電機(jī)9用于驅(qū)動(dòng)差動(dòng)行星齒輪減速機(jī)構(gòu)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)負(fù)載。在起動(dòng)、停車的過程中，通過對(duì)調(diào)速電機(jī)8的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，使差動(dòng)行星機(jī)構(gòu)差動(dòng)傳動(dòng)，達(dá)到對(duì)輸出軸無級(jí)調(diào)速的目的。
主電機(jī)9的輸出軸通過聯(lián)軸器與輸入軸相連，將驅(qū)動(dòng)力輸入行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。輸入軸的另一端連接齒輪1，通過齒輪2與中心輪3的輸入軸b相連，中心輪3經(jīng)行星輪4和內(nèi)齒圈5驅(qū)動(dòng)行星架H，通過輸出軸C將動(dòng)力輸出。調(diào)速電機(jī)8為小功率電機(jī)，經(jīng)過蝸輪蝸桿傳動(dòng)，起控制速度(速度合成)的作用，用于控制內(nèi)齒圈5的轉(zhuǎn)速，并通過對(duì)內(nèi)齒圈5的轉(zhuǎn)速控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出軸的轉(zhuǎn)速控制，其功率主要消耗在軟起動(dòng)和軟停車過程中對(duì)差動(dòng)的內(nèi)齒圈的速度控制上。在設(shè)計(jì)過程中，蝸桿設(shè)計(jì)為單頭蝸桿。在調(diào)速電機(jī)起動(dòng)后，通過蝸輪蝸桿正行程實(shí)現(xiàn)減速，帶動(dòng)輪系的其它元件轉(zhuǎn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)的控制端，由于系統(tǒng)選用螺旋升角遠(yuǎn)小于摩擦角的傳動(dòng)，在主電機(jī)傳動(dòng)過程中，蝸輪為主動(dòng)構(gòu)件，不能使從動(dòng)的蝸桿回轉(zhuǎn)，機(jī)構(gòu)出現(xiàn)自鎖，調(diào)速電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。利用蝸輪蝸桿反行程出現(xiàn)自鎖，達(dá)到控制調(diào)速電機(jī)隨時(shí)起停的目的。反行程具有的自鎖特性常用于重型機(jī)械的起動(dòng)過程，以達(dá)到安全可靠的目的。預(yù)起動(dòng)時(shí)，首先通過PLC與變頻器之間的通信啟動(dòng)調(diào)速電機(jī)，由于減速器輸出軸上的負(fù)載通常遠(yuǎn)大于與主電機(jī)輸入軸相連的慣性負(fù)載，來自調(diào)速電機(jī)的動(dòng)力無法驅(qū)動(dòng)行星架轉(zhuǎn)動(dòng)，使得傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際上成為一個(gè)行星架H不動(dòng)的定軸輪系。調(diào)速電機(jī)的動(dòng)力經(jīng)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)和齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將驅(qū)動(dòng)主電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，并使其逐步達(dá)到主電機(jī)的預(yù)期轉(zhuǎn)速如空載轉(zhuǎn)速。此后，控制系統(tǒng)接通主電機(jī)的電源，主電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速已達(dá)到預(yù)期值，不需再對(duì)主電機(jī)的轉(zhuǎn)子進(jìn)行加速，故在接通主電機(jī)電源后，主電機(jī)啟動(dòng)電流非常小(理論上為零)，主電機(jī)實(shí)現(xiàn)空載起動(dòng)。這時(shí)，主電機(jī)和調(diào)速電機(jī)均處于空載工作狀態(tài)，傳動(dòng)系統(tǒng)成為一個(gè)行星架(輸出軸)轉(zhuǎn)速為零的差動(dòng)行星輪系。
主電機(jī)空載起動(dòng)完成后，通過控制變頻器的輸出頻率，使調(diào)速電機(jī)按照預(yù)設(shè)曲線緩慢減速，通過蝸輪蝸桿傳動(dòng)，調(diào)節(jié)內(nèi)齒圈5的轉(zhuǎn)速，將來自主電機(jī)的動(dòng)力逐漸施加到與輸出軸相連的機(jī)械設(shè)備上，隨著調(diào)速電機(jī)的速度的降低，減速器輸出軸的轉(zhuǎn)速以所要求的速度曲線平穩(wěn)輸出，最終達(dá)到額定工作速度。通過主電機(jī)與調(diào)速電機(jī)的速度合成，該傳動(dòng)系統(tǒng)可以在相當(dāng)大的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，并能長期穩(wěn)定地工作在低速狀態(tài)之下，同時(shí)使主電機(jī)的起動(dòng)電流和輸送帶的起動(dòng)張力控制在允許范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟起動(dòng)。
2.2 機(jī)械電子式軟起動(dòng)裝置傳動(dòng)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案的確定
2.2.1 根據(jù)給定參數(shù)及工作要求，選取行星齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)類型
根據(jù)設(shè)計(jì)要求:選取結(jié)構(gòu)簡單,制造容易,外型尺寸小,質(zhì)量小,傳動(dòng)效率高的2Z-X(A)型行星齒輪傳動(dòng).如圖：
2Z-X(A)型行星傳動(dòng)圖2-3
2.2.2 機(jī)械電子式軟起動(dòng)裝置傳動(dòng)系統(tǒng)的差動(dòng)原理分析
對(duì)于機(jī)械電子式軟起動(dòng)裝置而言，由于減速機(jī)構(gòu)行星齒輪減速器為差動(dòng)輪系，該輪系有兩個(gè)自由度，因此在中心輪、內(nèi)齒圈和行星架組成的基本構(gòu)件中，必須給定兩個(gè)基本構(gòu)件的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，第三個(gè)基本構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)才能唯一確定。由差動(dòng)輪系的變速原理可以求得：
其中，齒輪1為太陽輪，3為內(nèi)齒圈。和分別為太陽輪和內(nèi)齒圈的齒數(shù)，k為兩者的齒數(shù)比。由公式可以看出，當(dāng)給定中的任意兩個(gè)時(shí)，另外一個(gè)就可有確定的輸出。對(duì)差動(dòng)輪系來講，齒輪1、內(nèi)齒圈3和系桿H中任意兩個(gè)構(gòu)件可以分別接上不同的原動(dòng)機(jī)，令其中一個(gè)以原動(dòng)件恒速旋轉(zhuǎn)，則可以通過控制另一個(gè)原動(dòng)件的速度和加速度可以達(dá)到可控的輸出，實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)。
一個(gè)差動(dòng)輪系在給定兩個(gè)原動(dòng)件的角速度后，只能給定其中的一個(gè)原動(dòng)件的驅(qū)動(dòng)力矩，而另一個(gè)原動(dòng)件的力矩可能是驅(qū)動(dòng)力矩，也可能是阻抗力矩性質(zhì)的平衡力矩，這要根據(jù)力分析的結(jié)果來確定，不能隨便指定。
差動(dòng)輪系有三個(gè)外力矩，，在穩(wěn)定輸出的情況下，根據(jù)整個(gè)輪系的
力矩平衡條件有：
同時(shí)，在不計(jì)摩擦損失的前提下，輸入輸出功率也應(yīng)該是平衡的。即：
結(jié)合以上公式可得：
2.2.3 蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用
蝸輪蝸桿傳動(dòng)時(shí)在空間交錯(cuò)的兩軸間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的一種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，兩軸線交錯(cuò)的夾角可為任意角，常用的為90°。這種傳動(dòng)由于具有下述特點(diǎn)，故應(yīng)用頗為廣泛。
⑴ 當(dāng)使用單頭蝸桿（相當(dāng)于單線螺紋）時(shí)，蝸桿旋轉(zhuǎn)一周，蝸輪只轉(zhuǎn)過以各齒距，因而能實(shí)現(xiàn)大得傳動(dòng)比。在動(dòng)力傳動(dòng)中，一般傳動(dòng)比i=5～80；在分度機(jī)構(gòu)或手動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)中，傳動(dòng)比可達(dá)300；若只傳遞運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)比可達(dá)1000。由于傳動(dòng)比大，零件數(shù)目又少，因而結(jié)構(gòu)很緊湊。
⑵ 在蝸桿傳動(dòng)中，由于蝸桿齒是連續(xù)不斷的螺旋齒，它和蝸輪齒是逐漸進(jìn)入嚙合及逐漸退出嚙合的，同時(shí)嚙合的齒對(duì)又較多，故沖擊載荷小，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低。
⑶ 當(dāng)蝸桿傳動(dòng)與螺旋升角小于嚙合面的當(dāng)量摩擦角時(shí)，蝸桿傳動(dòng)便具有自鎖性。
⑷ 蝸桿傳動(dòng)與螺旋齒輪傳動(dòng)相似，在嚙合處有相對(duì)滑動(dòng)。當(dāng)滑動(dòng)速度很大，工作條件不夠良好時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的摩擦與磨損，從而引起過分發(fā)熱，使?jié)櫥闆r惡化。因此摩擦損失較大，效率低；當(dāng)傳動(dòng)具有自鎖性時(shí)，效率僅為0.4左右。同時(shí)由于摩擦與磨損嚴(yán)重，常需耗用有色金屬制造蝸輪（或輪圈），以便與鋼制蝸桿配對(duì)組成減摩性良好的滑動(dòng)摩擦副。
在機(jī)械電子式軟啟動(dòng)裝置中，蝸桿機(jī)構(gòu)主要作用：一是與差動(dòng)行星輪進(jìn)行速度合成，即控制調(diào)速體中內(nèi)齒圈的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)對(duì)輸出軸轉(zhuǎn)速的控制；另一作用是當(dāng)帶式輸送機(jī)軟起動(dòng)結(jié)束時(shí)，為確保主電機(jī)的動(dòng)力施加給負(fù)載，蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)必須自鎖，使調(diào)速系統(tǒng)處于制動(dòng)狀態(tài)或穩(wěn)定工作在低速狀態(tài)。在軟起動(dòng)裝置中，采用能自鎖的蝸桿機(jī)構(gòu)比采用其它制動(dòng)措施，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉、在現(xiàn)場易于安裝和維護(hù)，是較理想的方案。但傳動(dòng)效率低是存在的主要問題，此外蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能否有效地實(shí)現(xiàn)自鎖，受到摩擦、潤滑條件，嚙合狀態(tài)、滑動(dòng)速度等因素的影響。
所以蝸桿機(jī)構(gòu)的自鎖性和效率問題是軟起動(dòng)裝置中調(diào)速和制動(dòng)的關(guān)鍵問題。設(shè)計(jì)時(shí)，螺旋升角是滿足保證自鎖和較高效率要求的關(guān)鍵參數(shù)，前者要求螺旋升角小，后者要求螺旋升角大，這是一對(duì)矛盾。本課題研究的目的：就是在軟起動(dòng)裝置中對(duì)蝸桿進(jìn)行合理選型，采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，如模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)蝸桿的螺旋升角等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其在能滿足自鎖條件下，在調(diào)速過程中有較高傳動(dòng)效率，還要使控制電機(jī)最省電，以求得結(jié)構(gòu)和參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，解決軟起動(dòng)裝置中的調(diào)速和制動(dòng)問題。
2.3 機(jī)械電子式軟起動(dòng)裝置的工況分析
機(jī)械電子式軟起動(dòng)裝置在工作中，呈現(xiàn)出以下幾種工況:
2.3.1 空載起動(dòng)階段
空載起動(dòng)即控制電機(jī)起動(dòng)到一定階段，主電機(jī)再起動(dòng)。可使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過
程中的大電流沖擊時(shí)間減少到最短，避開頻繁起動(dòng)的大電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊。
轉(zhuǎn)速的變化：調(diào)速電機(jī)8首先啟動(dòng)并加速，通過蝸輪蝸桿及差動(dòng)輪系將控制電機(jī)動(dòng)力傳遞給主電機(jī)輸出軸和減速器輸出軸，主電機(jī)隨著調(diào)速電機(jī)被動(dòng)旋轉(zhuǎn)，減速器輸出軸c 端由于負(fù)載阻力轉(zhuǎn)矩T H大，轉(zhuǎn)速為零。此時(shí)，調(diào)速體中的差動(dòng)輪系由于行星架轉(zhuǎn)速nH=0，可等效為以蝸桿為輸入軸的定軸輪系。
2.3.2 軟起動(dòng)階段
當(dāng)主電機(jī)9轉(zhuǎn)速NI在空載階段被動(dòng)加速到接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，主電機(jī)通電啟動(dòng)。然后控制電機(jī)8從額定轉(zhuǎn)速NII開始減速，負(fù)載開始從零按照一定的加速度和速度進(jìn)行軟起動(dòng)。當(dāng)調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)速降至NII=0時(shí)，負(fù)載軟起動(dòng)結(jié)束。
2.3.3 負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行階段
當(dāng)軟起動(dòng)結(jié)束后，主電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下平穩(wěn)運(yùn)行，負(fù)載開始進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段，此時(shí)，由于蝸桿機(jī)構(gòu)反行程自鎖，固聯(lián)于蝸輪的內(nèi)齒圈5的轉(zhuǎn)速n5=0，減速器的差動(dòng)輪系相當(dāng)于從太陽輪3為輸入動(dòng)力的行星輪系。
2.3.4 軟停車階段
當(dāng)需要軟停車時(shí)，即主電機(jī)9不停車，空載運(yùn)行，而由調(diào)速電機(jī)8加速，使負(fù)載轉(zhuǎn)速逐步減至零。
2.3.5 緊急停車、完全停車階段
為了防止工作過程中出現(xiàn)意外情況，在軟件設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)了緊急停車階段，包括主電機(jī)斷電、調(diào)速電機(jī)斷電兩個(gè)步驟，帶式輸送機(jī)在極短的時(shí)間內(nèi)停止工作。
當(dāng)出現(xiàn)意外情況時(shí)，迅速切斷主電機(jī)電源，然后切斷調(diào)速電機(jī)電源?？梢杂行p小突然失電對(duì)負(fù)載及供電設(shè)備所帶來的沖擊，保護(hù)工作設(shè)備。當(dāng)工作需要緊急停車或完全停車時(shí)，則主電機(jī)先停車，其轉(zhuǎn)速由額定轉(zhuǎn)速快速減至零。此時(shí)，由于負(fù)載有機(jī)械慣性，所以調(diào)速電機(jī)需要繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)克服負(fù)載的慣性力矩，直到兩者的轉(zhuǎn)矩達(dá)到平衡，即負(fù)載轉(zhuǎn)速為零，調(diào)速電機(jī)停車。
第三章 機(jī)械電子式軟起動(dòng)裝置傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.1 傳動(dòng)比的分配
(1)結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有工作條件，給定15ＫＷ（Ｙ160Ｌ-4）異步電動(dòng)機(jī)作為主電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為1460r/min,調(diào)整范圍為0-73r/min,選用4ＫＷ異步電機(jī)（Ｙ112Ｍ-2）作為調(diào)整電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為2890 r/min；在變頻作用下，變頻調(diào)整可達(dá)到3510 r/min,行星傳動(dòng)速比為20，要求在滿足調(diào)速性能的前提下，設(shè)計(jì)機(jī)械電子式軟起動(dòng)的傳動(dòng)裝置（行星齒輪減速器與蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)）．
（2）在實(shí)驗(yàn)室條件下，選用輸入功率4ＫＷ，調(diào)速轉(zhuǎn)速為3510r/min，故選Ｙ112Ｍ-2型電動(dòng)機(jī)．其參數(shù)為：額定轉(zhuǎn)速n=2890 r/min; 電流i=8.2A;功率因數(shù)Cos￠=0.87;因其額定轉(zhuǎn)速小于調(diào)帶轉(zhuǎn)速，故采用變頻調(diào)速技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)．
已知條件,主電機(jī)工作時(shí)的額定轉(zhuǎn)速,輸出主軸轉(zhuǎn)速為，調(diào)速電機(jī)變頻調(diào)速可達(dá)到3510。
（1） 當(dāng)調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速為零時(shí)（即）
總傳動(dòng)比： (3-1)
分配傳動(dòng)裝置傳動(dòng)比: (3-2)
（2） 當(dāng)行星架轉(zhuǎn)速為零時(shí)（即）
總傳動(dòng)比： (3-3)
分配傳動(dòng)裝置傳動(dòng)比: (3-4)
總傳動(dòng)比： (3-5)
分配傳動(dòng)裝置傳動(dòng)比: (3-6)
通常情況下，一級(jí)開式圓錐齒輪傳動(dòng)比為2~4,行星齒輪傳動(dòng)比為2.8~9。綜合考慮，取=3.57，則=5.6，即=，。
由《行星齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)》表3-2,P41，查得 當(dāng)時(shí)，
， ，
所以 實(shí)際
= (3-7)
由 =39.6
= 取=40 (3-8)
3.2 精確計(jì)算各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的基本參數(shù)
3.2.1 行星齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)
1. 初步計(jì)算齒輪的主要參數(shù)：
由3.1中可知，， ，
⑴ 選擇材料：中心輪和行星輪采用20CrMnTi，滲碳淬火,齒面硬度56~58HRC據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本》圖13-1-24和圖13-1-53，取,,加工精度為6級(jí)；內(nèi)齒圈采用40Cr，調(diào)質(zhì)硬度為241~286HB，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本》圖13-1-23和圖13-1-52，取，，加工精度為7級(jí)。
⑵ 按齒面接觸強(qiáng)度初算小齒輪分度圓直徑：
(3-9)
其中 ——算式系數(shù)，對(duì)于鋼對(duì)鋼配對(duì)的齒輪副，直齒輪傳動(dòng)
——嚙合齒輪副中小齒輪的名義轉(zhuǎn)矩，N·m
——使用系數(shù)，由《行星齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)》表6-7得=1.5
——綜合系數(shù)，由《行星齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)》表6-5得=2
——計(jì)算接觸強(qiáng)度的行星齒輪載荷分布不均勻系數(shù)，取=1.2
——小齒輪齒寬系數(shù)，由《行星齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)》表6-6得
——齒數(shù)比，
——試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限，由《行星齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)》
圖6-11、圖6-15取其中的較小值得
計(jì)算如下：
由于 ——聯(lián)軸器，——圓柱滾子軸承，——行星齒輪，
——圓錐齒輪，——圓錐滾子軸承
(3-10)
(3-11)
(3-12)
(3-13)
取=57mm
⑶ 按齒根彎曲強(qiáng)度初算齒輪模數(shù)m：
(3-14)
其中 ——算式系數(shù)，對(duì)于直齒輪傳動(dòng)=12.1
——綜合系數(shù)，由《行星齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)》表6-5得=1.8
——計(jì)算彎曲強(qiáng)度的行星輪間載荷分布不均勻系數(shù)
=1+1.5（-1）=1.3
——小齒輪齒形系數(shù)，由《行星齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)》圖6-22得=2.82
——齒輪副中小齒輪齒數(shù)，=19
——試驗(yàn)齒輪彎曲疲勞極限，按圖6-26、圖6-30選取，
取
計(jì)算如下：
(3-15)
取 則 mm
⒉ 嚙合參數(shù)計(jì)算：
在兩個(gè)嚙合齒輪副a-c，b-c中
=m()= (3-16)
m( (3-17)
滿足非變位同心條件。
⒊ 幾何尺寸的計(jì)算：
，按GB1356-1988, ，
行星齒輪傳動(dòng)表3-1
項(xiàng)目
公式
中心輪
行星輪
內(nèi)齒圈
齒數(shù)
Z
19
35
89
分度圓直徑
57mm
105mm
267mm
齒頂高
；
3mm
3mm
2.7mm
齒根高
3.75mm
3.75mm
3.75mm
全齒高
6.75mm
6.75mm
6.45mm
齒頂圓直徑
；
63mm
111mm
259.5mm
齒根圓直徑
49.5mm
97.5mm
273mm
基圓直徑
53.56mm
98.67mm
250.90mm
⒋ 裝配條件的驗(yàn)算：
對(duì)于所設(shè)計(jì)的上述行星齒輪傳動(dòng)應(yīng)滿足如下的裝配條件：
⑴ 鄰接條件
按《行星傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》公式（3-7）驗(yàn)算其鄰接條件：
(3-18)
其中 為行星輪的齒頂圓直徑；為齒輪嚙合副的中心距
代入數(shù)據(jù)得:
111mm<281sin=140.30mm (3-19)
即滿足鄰接條件。
⑵ 同心條件
由《行星傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》表2—1知，對(duì)于2Z-X（A）型行星齒輪傳動(dòng)，其同心條件為：
(3-20)
代入數(shù)據(jù)得：
19+235=89 (3-21)
因此滿足同心條件。
⑶ 安裝條件
按《行星傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》公式（3-20）驗(yàn)算其安裝條件，即得：
（整數(shù)） (3-22)
所以滿足其安裝條件。
⒌ 傳動(dòng)效率的計(jì)算：
根據(jù)《行星傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》表2-1，得
由《行星傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》公式（5-15），得行星齒輪傳動(dòng)效率為：
其中 p===4.68 (3-23)
其中為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的損失系數(shù)：
=+ (3-24)
按《行星傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》公式（5-337）求損失系數(shù)：
(3-25)
其中重合度等于端面重合度與縱向重合度之和
(3-26)
(3-27)
所以 =+=1.6，=+=1.9
根據(jù)《行星傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》圖5-1，取，
1.550.1（）=0.02 (3-28)
1.850.1()=0.006 (3-29)
=0.02+0.006=0.026 (3-30)
0.026=0.978577 (3-31)
6. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)2Z-X（A）型行星齒輪傳動(dòng)的工作特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。首先應(yīng)確定中心輪a的結(jié)構(gòu)。因?yàn)樗闹睆捷^小，所以輪a應(yīng)用齒輪軸的結(jié)構(gòu)形式，即將中心輪a與輸入軸連成一個(gè)整體。且按該行星傳動(dòng)輸入功率P和轉(zhuǎn)速n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。總之，在滿足使用要求的情況下，軸的形狀和尺寸應(yīng)力求簡單，以便于加工制造。
內(nèi)齒圈b采用將其與蝸輪連成一體的結(jié)構(gòu)。
行星輪c采用帶內(nèi)孔的結(jié)構(gòu)，它的齒寬b應(yīng)當(dāng)加大，以便于保證該行星輪c與中心輪a 的良好嚙合。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，采用矩形截面的彈性擋圈來進(jìn)行軸向固定。
由于該2Z-X（A）型行星齒輪傳動(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)形式。該轉(zhuǎn)臂x可以采用兩個(gè)圓錐滾子軸承支承在輸出軸上。
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式（9-1）計(jì)算?，F(xiàn)已知嚙合中心距，則得
(3-32)
取=34.6
各行星輪軸孔的孔距相對(duì)偏差可按公式（9-2）計(jì)算，
即 =0.027~0.0405mm (3-33)
取=0.030mm=30
轉(zhuǎn)臂x的偏心誤差約為孔距相對(duì)偏差的，
即 =15 (3-34)
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，便可繪制該行星齒輪傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)圖。
7. 齒輪強(qiáng)度驗(yàn)算：
由于2Z-X（A）型行星齒輪傳動(dòng)具有短期間斷的工作特點(diǎn)，具有結(jié)構(gòu)簡單，外型尺寸小，傳動(dòng)效率高的特點(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
(3-35)
首先按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本》表13-1-111的公式計(jì)算齒輪的齒根應(yīng)力，即
(3-36)
其中，齒根應(yīng)力的基本值
(3-37)
許用齒根應(yīng)力
(3-38)
現(xiàn)將2Z-X（A）型行星齒輪傳動(dòng)按照兩個(gè)齒輪副a-c，b-c，分別驗(yàn)算如下：⑴ a-c齒輪副
① 名義切向力
中心輪a的切向力可按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本》表 13-5-17公式計(jì)算，已知， =95.033N·m和
則得 = (3-39)
② 有關(guān)系數(shù)
a.使用系數(shù)
使用系數(shù)按中等沖擊查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本》表13-1-81得
=1.5
b.動(dòng)載荷系數(shù)
先按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本》公式計(jì)算輪a相對(duì)轉(zhuǎn)臂x的速度，即
其中 (3-40)
(3-41)
已知中心輪a和行星輪c的精度為6級(jí)，
即精度系數(shù)，再按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本》表13-1-90的公式
計(jì)算動(dòng)載荷系數(shù)，即
(3-42)
式中
=92
則得 (3-43)
中心輪a和行星輪c的動(dòng)載系數(shù)=1.04
c.齒向載荷分布系數(shù)
齒向載荷分布系數(shù)可按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本》公式13-5-12計(jì)算，即
(3-44)
由圖6-7（b）得 =0.87
(3-45)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本》圖6-8得 =1.3，代入上式，則得
=1+（1.3-1）0.87=1.26 (3-46)
d.齒間載荷分配系數(shù)
齒間載荷分配系數(shù)由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本》表13-1-102可查得
=1.0 (3-47)
e.行星輪間載荷分配系數(shù)
行星輪間載荷分配系數(shù)按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本》表13-5-18得
即 (3-48)
已取=1.2，則得
=1.3 (3-49)
f.齒形系數(shù)
齒形系數(shù)由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本》圖13-1-38查得
=2.82，=2.54 (3-50)
g.應(yīng)力修正系數(shù)
應(yīng)力修正系數(shù)由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本》圖13-1-44查得
=1.53， =1.62 (3-51)
h.重合度系數(shù)
重合度系數(shù)可按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本》公式計(jì)算，即
(3-52)
=1.6 (3-53)
(3-54)
i.螺旋角系數(shù)
螺旋角系數(shù)由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本》圖13-1-49得 =1.00因行
星輪c 不僅與中心輪a 嚙合,同時(shí)與內(nèi)齒輪b相嚙合,故取齒寬=60mm
③ .計(jì)算齒根彎曲應(yīng)力
按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本》表13-1-111公式計(jì)算齒根彎曲應(yīng)力,即
(3-55)
(3-57)
取彎曲應(yīng)力=121 N/mm
④.計(jì)算許用齒根應(yīng)力
按表13-1-111公式計(jì)算許用齒根應(yīng)力,即
(3-58)
已知齒根彎曲疲勞極限
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本》表13-1-110查得最小安全系數(shù)
式中各系數(shù)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)，按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本》表13-1-118中的公式計(jì)算，即
(3-59)
式中應(yīng)力循環(huán)次數(shù)按下式計(jì)算，且按每年工作300天，每天工作16h，即
(3-60)
則得 (3-61)
齒根圓角敏感系數(shù)按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本》圖13-1-57查得
=1 (3-62)
相對(duì)齒根表面狀況系數(shù)按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本》表13-1-122中對(duì)應(yīng)公式計(jì)算，即
(3-63)
取齒根表面微觀不平度，代入上式得
(3-64)
尺寸系數(shù)按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本》表13-1-119中對(duì)應(yīng)的公式計(jì)算，即
(3-65)
代入公式可得許用齒根應(yīng)力為
(3-66)
因齒根應(yīng)力小于許用齒根力，
即﹤。所以a-c齒輪副滿足齒根彎曲強(qiáng)度條件。
⑵ b-c齒輪副
在嚙合齒輪副b-c中只需要校核內(nèi)齒輪b的齒根彎曲強(qiáng)度，按上述公式計(jì)算其齒根彎曲應(yīng)力及許用齒根應(yīng)力。
已知，。
同上，通過查表或采用相應(yīng)的計(jì)算公式，可得到取值與外嚙合不同的系數(shù)為=1.06，=1.17，=1.1，=1.075，=2.25，=1.77，，=0.92，=1.03和=1.025。代入上式，得
(3-67)
取 =122
(3-68)
可見， ﹤，故b-c齒輪副滿足齒根彎曲強(qiáng)度條件。
3.2.2 蝸輪蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)
蝸桿傳動(dòng)用于傳遞交錯(cuò)軸之間的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在絕大多數(shù)情況下，兩軸在空間是互相垂直的，軸交角為90度。它廣泛應(yīng)用在機(jī)床、汽車、儀器、起重運(yùn)輸機(jī)械以及其他機(jī)械制造部門中，最大傳動(dòng)功率可達(dá)750KW，通常用在50KW以下,最高滑動(dòng)速度可達(dá)35m/s，通常用在15m/s以下。
蝸桿傳動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、工作平穩(wěn)、無噪音、沖擊振動(dòng)小以及能得到很大的單級(jí)傳動(dòng)比。在傳遞動(dòng)力時(shí)，傳動(dòng)比一般為8-100，常用的為15-50。在機(jī)床工作臺(tái)中，傳動(dòng)比可達(dá)幾百，甚至到1000。這時(shí)，需采用導(dǎo)程角很小的單頭蝸桿，但傳動(dòng)效率很低，只能用在功率小的場合。在現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中正力求提高蝸桿傳動(dòng)的效率，多頭蝸桿的傳動(dòng)效率已可達(dá)到98%。與多級(jí)齒輪傳動(dòng)相比，蝸桿傳動(dòng)零件數(shù)目少，結(jié)構(gòu)尺寸小，重量輕。缺點(diǎn)是在制造精度和傳動(dòng)比相同的條件下，蝸桿傳動(dòng)的效率比齒輪傳動(dòng)低，同時(shí)蝸輪一般需用貴重的減磨材料制造。蝸桿傳動(dòng)多用于減速，以蝸桿為原動(dòng)件。也可用于增速，齒數(shù)比單級(jí)多5-15，但應(yīng)用很少。
本蝸桿傳動(dòng)主要用于自鎖，故選用單頭蝸桿，增大了傳動(dòng)比，但大大降低了傳動(dòng)效率。根據(jù)GB/T10085——1988的推薦，采用阿基米德螺線蝸桿。蝸桿采用45鋼，表面硬度>45HRC，芯部調(diào)質(zhì)，表面滲碳淬火，蝸輪選用ZCuSn10P1，金屬模鑄造。已知：i=40，選用單頭蝸桿，故，。
1、選擇蝸桿傳動(dòng)類型
根據(jù)GB/T10085—1988的推薦,采用漸開線蝸桿(ZI) 。
2、選擇材料
考慮到蝸桿傳動(dòng)功率不大,速度只是中等,故蝸桿采用45鋼;因希望效率高些,耐磨性好些,故蝸桿螺旋齒面要求淬火,硬度為45～55HRC。蝸輪用鑄錫磷青銅ZCuSn10P1,金屬模鑄造。為了節(jié)約貴重的有色金屬,僅齒圈用青銅制造,而輪芯用灰鑄鐵HT100制造。
3、按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)
根據(jù)閉式蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì),再校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。由教材【1】P254式(11—12),傳動(dòng)中心距
(1) 確定蝸輪轉(zhuǎn)矩： (3-69)
(2)確定載荷系數(shù)K
因工作載荷有輕微沖擊,故由教材【1】P253取載荷分布不均系數(shù)=1;由教材P253表11—5選取使用系數(shù)
轉(zhuǎn)速系數(shù)：
(3-70)
由于轉(zhuǎn)速不高,沖擊不大,可取動(dòng)載系數(shù);則由教材P252
(3)確定彈性影響系數(shù)
因選用的是鑄錫磷青銅蝸輪和鋼蝸桿相配,故=160。
接觸系數(shù)： 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖13.12I 線查出
壽命系數(shù)： (式13.19)
接觸疲勞極限 查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表13.2
接觸疲勞最小安全系數(shù):自定
(6)計(jì)算中心距
中心距 (3-71)
=149.94 取a=200mm
取a=200mm
3.傳動(dòng)的基本尺寸
蝸桿的頭數(shù): 要求反行程自鎖 取
蝸輪的齒數(shù): (3-72)
模數(shù): (式13.23) (3-73)
取m=8
蝸桿分度圓直徑: (3-74)
取=80mm
蝸輪分度圓直徑: (3-75)
蝸桿導(dǎo)程角: b (3-76)
蝸輪的寬度: (3-77)
取
蝸桿圓周速度: (3-78)
相對(duì)滑動(dòng)速度: (3-79)
當(dāng)量摩擦系數(shù): 由表13.6 查得(與假設(shè)有出入無須作調(diào)整)
4.齒面接觸疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算:
許用接觸應(yīng)力: (3-80)
最大接觸應(yīng)力: (3-81)
=
合格
5.齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算
齒根彎曲疲勞極限： 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表13.2 查出
彎曲疲勞最小安全系數(shù)：自取
許用彎曲疲勞應(yīng)力： (3-82)
齒輪最大彎曲應(yīng)力： (3-83)
合格
6.蝸桿撓度驗(yàn)算
軸慣性矩： (3-84)
許用蝸桿撓度： (3-85)
蝸桿軸撓度： (3-86)
合格
7.溫度計(jì)算
潤滑油黏度和潤滑方法
潤滑油粘度 根據(jù) 由表13.7 選取
潤滑方法 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表13.7,可采用壓力油噴油潤滑
其中噴油壓力為0.2MPa
傳動(dòng)嚙合效率：
攪油效率： 自定
軸承效率： 自定
總效率： (3-87)
散熱面積估算：初步估計(jì)散熱面積： (3-88)
取(周圍空氣的溫度)為。
(3-89)
箱體工作溫度： (3-90)
合格
此處取，中等通風(fēng)環(huán)境。
8.潤滑油粘度和潤滑方法
潤滑油粘度： 根據(jù)，由表13.7選取
潤滑方法： 由表13.7得，可采用壓力噴油潤滑，噴油壓力0.07
9.圓柱蝸桿傳動(dòng)基本尺寸
注： c=0.2m
圓柱蝸桿傳動(dòng)表3-2
項(xiàng)目
公式
數(shù)據(jù)
蝸桿軸向齒距
25.12mm
蝸桿導(dǎo)程
25.12mm
蝸桿分度圓直徑
80mm
蝸桿齒頂圓直徑
96mm
蝸桿齒根圓直徑
60.8mm
蝸桿節(jié)圓直徑
72mm
蝸桿分度圓導(dǎo)程角
蝸桿節(jié)圓導(dǎo)程角
蝸桿齒寬（螺紋長度）
101.2mm
蝸輪分度圓直徑
320mm
蝸輪喉圓直徑
328mm
蝸輪齒根圓直徑