外齿行星差速器
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
与试验
包钢设计院 周福尧
我们对外齿行星差速器进行了试验室试验及两个工业生产点试验 , 初步取得一些成
果 , 下面做简单介绍。
一 、 概 述
、 “简单行星轮系”具有三个基本构件 , 即两个同轴线齿轮 �各自独立地旋转 � 及一个
支架。 这三个基本构件每一个均在外加力矩的作用之下。 在这种结构形式中, 两个同轴
线齿轮 �中心轮�与几个装在中间轴上的相同的等距的齿轮 �行星轮� 相啮合 , 中间轴装
在支架上面 , 支架本身也旋转。 当支架旋转时 , 一装在上面的行星轮围绕着太阳轮做周转
圆运动 , 这时行星轮的中心画出一个圆的运动轨迹 。 如支架固定 , 这个系统成为定轴轮
系 , 就不能称为行星轮系了。
“差速器” 或称行星差速器是所有三个基本构件都旋转的一种简单行星轮系 , 它的
一个 �或两个� 基本构件为驱动件 , 另外两个 �或一个 � 基本构件为从动件。
图 � 为外齿行星差速器 , 它是 由中心轮� 、 � , 行星轮� 、 �和支架 �外壳支 架 � �
所组成。
外齿行星差速器是行星差速器的一种 。 它与内齿行星差速器比较 , 这种外齿行星差
速器机构简单 , 加工精度要求不很高 , 普通机床可 以加工 , 在速比不大情况 下 效 率 很
高 , 但体积及重量比内齿差速器稍大 。它用在速比不大 、功率也不大的差动调速较好 。 目前
国外 已系列生产一千马力以 下各种速比的外齿行星差速器 。
外齿行星差速器工作原理如下 � 当外壳支架�固定时 , 相当于一般定轴 轮 系 减 速
机 , 当太阳轮� 旋转时则行星轮�旋转 , 同轴齿轮�也旋转 , 所以 �轮旋转 , 也就是� 轮
旋转则 �轮即旋转 。
当中心轮� 固定并旋转外壳支架�时 , 因为行星轮的轴装在外壳 支架�上 , 则 行 星
轮轴绕中心轮公转 , 由于太阳轮� 上面的齿导引着行星轮 � 上面的齿 , 所 以 行星 轮不汉
公转 , 而且自转 , 由于和行星轮� 同轴的行星轮�有自转 , 所以中心轮�也旋 转 , 也 就
是外壳 �旋转则 �轮即旋转 。
将差速器外壳也铣成齿轮 , 装入减速机壳 内 , 用一个电动机带动太阳轮� , 另一个
电动机通过两段减速齿轮带动外壳支架 � , 如图�所示。 �轮上面的轴为力矩输出轴 , �
轮输出轴的速度可以调节变化。
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图� � 班外齿 行星减速 器 ·�� �
弓轮输出
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夕卜‘钻 晋 鑫了,
“ 图 � � 班差速减速器
行星差速器在重型机械上应用很广泛 。 如转炉倾动机构中采用行星差速器时传动可
用交流电机代替直流电机同样能满足转护炼钢工艺要求 。 在连轧机上 , 每台机架装有行
星差速器的优点已有专文介绍 〔吕〕。 将外齿行星差速器用于钢板张力平 整 机 �和 过�去单
纯直流调速的张力平整机对比 , 这种系统更为紧凑 , 投资及操作费用低 , 维护工作少。
单纯直流调速的大直流电机需要复杂的 , 易贵的控制设备。 而定轴轮系则需要张力辊上
有非常小的公差 , 才能 良好运行 。
用差速器的钢板张力平整机所用 电动机功率只等于传统钢板张力平整机所用直流系
统的百分之三十 。
� � 吸日卜 � � 一 名匕 皿� ‘ 、 , �卜� 卜� 、 心二留 娜宁� 弓笋 � 啼凡 , � 口年 �
� 、 速比计算
速比公式见表 � �参考图 � �
表中�人。二 � 的速度�的速度 、
�的速度
� 的速度
所以注脚的� 与 �的顺序是重要的 。
表 中�表示齿数 , � �表示齿轮� 的齿数 。
计算出速 比值正号表示主动件与被动件旋转方向相同 , 负号表 示它们相反 。
例如图 �
� � 件 � � � � �� � � �
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表 �
� 一 � 。 � �
速比公式表
基基 本 构 件件 速 比 公 式式
固固定定 主动动 被动动动
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‘‘‘‘‘人” 二 一�玄不花哥一一
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孟孟孟孟孟� � 工 — 孟 � 肠肠
� 、 功率流动方向
外齿行星差速器速度 , 功率流向见表 � 。
� � 力矩分配
差速器的基本构件上的外加力矩分别为� 人 、 � , 及� �其平衡条件为 �
� � � � � � � � � �
外齿行星差速器力分配见表 � 。
� � 效率计算
行星差速器传动中的损失主要由啮合损失 , 轴承损失以及润滑油的动搅和飞溅损失
, � � ·
� � � � � � � � � � � � � � � � �
表 � 外齿行里趁速器速度 , 功率流向表
驱 �驱动卜一从动 ,件速�动件 �度 �件
�� 。 为 正 值
从 动 件 速 度
�� �值
� �
二 �
从动件速 度 功率流向
件向动从方
反 � , �
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� � …� � � 。 � � �� 一�� 。 � � 至 � � 反
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减 速
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无驱动
增 速
增 速
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所组成 。 一般采用滚动轴承 , 其轴承损失很小 , 可以忽略不计 。 确定润滑油搅动和飞溅的
损失是较 困难的 。 当外壳支架低速转动时 , 油池液力损失较小 , 当外壳支架高速转动时损
失增大 , 且油温上升过高 , 最好采用喷油润滑取消油池 。
下面介绍齿廓滑动而引起的啮合损失 。
外壳支架固定时效率 , 当功率由� 流向�时为勺人 � , 当功率由�流 向 � 时 为加 人 , 外
齿行星差速器两个方向效率可取相等 , 即当外壳支架固定时相当于一般定轴 轮 系 减 速
机 �
月� � “ 月� � 侣 � 。 � � 。
外壳支架旋转时效率见表 � 。
关于差动机构效率 , 当外齿行星差速器速比不大 , 而且调速范围不很大时效率较高 ,
一般可以不进行计算 。 如需要计算可以参考下面之实例方法进行计算。
例如图 � 月人。 � 月。‘ � � 。� �
表 � 外齿行星差速器力矩分配
驱动件
上力矩
为驱 动件�从动件
� 人 � 夕〕 ‘止
一决 于 工 … 小 于 ‘
功率流向� � �
� �
����� � � � �
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二 一 �� � � 月� �
功率流向� , �
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月� �
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刀人冬�一�
功率流向� � �
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功率流向� � �
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� 人� 一 勺� �
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� 人� 一 刀� 习
� � 一 �� �
� � 一 i^ 。一 取 。
3 : A = 运动的同轴线齿轮 ,
B
= 固定的同轴 线齿轮;
C = 运动的外壳支架 ,
j
人。 = 支架固定时的速比 ,
j
人B或 刀^ 。 = 外壳支架固定时效率 。
!
表
表4 外齿行星差速器外壳支架C旋转时效率
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一一一一洲一生竺- 二~一牛 一上二一二一-一}1 A I C { 一丛旦一卫困兰l 些 - { -一一 , B五二2 多旦一一- {
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!功率流叫 ”一A { A郑 . }.73.
.......匕. . . . . . . ~
二 同轴线齿轮 (太阳轮) ;
B 二 同轴线齿轮 (太阳轮) ;
C 二 运动的外壳支架 ,
j
* : 二 外壳支架固定时速 比j人。 = v ^ / v 。;
湘‘ = 月^ . == 外壳支架固定时效率 , 功率流动方向分别为A , B或 B~ A 。
相应公式得出效率
勺ea = 1
一 i ^ .
月a^ 一 i ^ a
_ 1 一 2 。 0 4
0
。
9 7 一 2 。 0 4
= 0
。
9 7 2
当两个电动机同时转动即进行差动调速时的效率
_e。 _ 输出功率 _ N : _ 】M on。】11 ‘“ 一 裔灭劝三军一下百了丽 一而而!下「丽西可
(为简便起见都省去 171620
M a= 一i。 a 月。。M -
n 。二 金 “ + l“I’
式中::
S—调速范围 。 如调速范围为士 2 2.6 % 则 15 }” 0 . 2 26
n 。 = ‘卫终旦 !5 1 二 1 5 1 0 . i
一。
i 一‘一 i == 1 5 } n
- 1
i 一‘一 1
( : i c B 二 ~少互二)1.‘一 1
M c = 一 ( M B + M . ) 二 一 ( 一 i ‘B n 一B
M’a +M 二 )
一 M . ( 1 一 1 .‘n .‘)
代入上式
, 、 万 : 一 11 -
l撒.几 J ’1. . ~万丁古 已万 ( 1
+ 1
5
1 ) 1
月忿B 二二 一一-~~户, ~ ~~ ‘~‘-一一一一I M 。 n 。 ! + ! M 。 ( 1 一 i叨门.。) 1 5 } n -i。 e
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1 1 + 吸l 一 i一刀一2 下—., 二 !1 . B 一 工 .
当”一。“ 0 。 9 7 ; i 一‘“ 2 。 0 4 , } S ! = 0 。 2 2 6
月tB = ( 1
+ 0 。 2 2 6 ) 0 。 9 月
l + ,
}
」
(
1 一 2 . 0 4 x 0 .”7 , 0 。 2 2 6
2
。
0 4 一 1
= 9 8 。 5 %
·
7 4
·
三 试验情况
1.初步试验成果
1)外齿行星差速器能承受冲击负荷 , 负载启动及连轧机上的连续负荷 。
2 ) 实践证明外齿差速器在一般机床上可 以保证精度加工 。
齿轮用滚齿机加工即可 , 不用剃齿或磨齿即能满足外齿差速器要求 。
差速器外壳上的行星轮轴孔在普通镬床采取措施加工即能满足差速器要求 。 其他另
件精度要求更不高 。
3) 外齿差速器在速比不大的情况下效率较高 , 试验证明用普通机床加工出来的 差
速器效率在 95 % 以 上 , 与前面公式计算结果基本相符。
4 ) 差速器参数分配得到验证
差速器之速度分 配 、 力矩分配 、 功率分配 、 经过试验都得到准确证实 , 这对设计及
使用差速器都是很重要的 。
( 1 ) 速度分配 (如图 2 )
n。 二 ~奥 一 士 一典1^a l名日
式中:
n:—差速器B 轮输出轴转速n :—D:电动机转速;n :—D:电动机转速 ,
i
人。—外壳支架固定时速 比i^ B = vA /九i:。—D:电动机通过差速器外面挂轮速比和差速器内速 比之总速 比 。式中的正号为两电动机旋转方向相同时 , 负号为两电动机旋转方向相反时 。 、
如 图 2 的差动减速机n ;“ 1 4 8 0 转/ 分 , n : = 士 15 0 0转/ 分 , i ^ 。 == 2 。 0 4 、 1 2 。二 9 。 2 -
n B = 一二三- 士一二兰匕 目
^
B
l :
B
二工丛些十 飞旦gQ2。 0 4 一 9 。 2
二 5 6 3 ~ 8 8 9转/ 分
( 2 ) 力矩分配
M B 澎M 11^ B 澎M Zi:B 澎 9 7 5
式中:
N :土 N :
M B—在忽略效率时B 轮输出轴 力矩 ;M :—D:电动机轴 上力矩 ;M :—D:电动机轴 上力矩 ,
N
;—D:电动机输出功率 ,
N
:—D:电动机输出功率 。如图 Z N ;二 7 5 K W 、 N : = 1 7 K W 、 i A B 二 2 . 0 4 、 i : B 二 9 。 2 、 n B = 5 6 3 , 889转/ 分 、
n : = 1 4 8 0 转/分 , n : = 土1500转 / 分 。
.
7 5 倪
. .............. .
二 M 11 ^ B = 9
7 5 益2· O ‘“ ‘。‘公斤米
M B 二 M : i^ B 二 9 7 5 1 7
1 5 0 0
9 . 2 澎 10 1公斤米
M B骊5瑞里二 , 。‘公斤米
M B 二 ”7 5豁 澎 ‘“‘公斤米从上面计算结果及试验室试验 , 工业生产试验都证 明B 轮输出轴为等力矩输出 。 说
明只开某一个电动机 , 同时开动两个电动机 , 两电动机旋转方向相同 , 两电动机旋转方
向相反 , 这四种情况B 轮输出轧的输出力矩近似相等 。 当外负荷增减时B轮输出轴 力矩
也增减 , 可是一定按照等力矩输出原则增减 。
( 了) 功率分配
N B = N ,土 N Z
式中
N B—在忽略效率时B 轮输出轴之输出功率;N ,—D:电动机输出功率;N :—D:电动机输出功率 。式中之正号为两电动机旋转方向相同时 , 负号为两电机旋转方向相反时 。试验证 明当
两电动机旋转方向相同时B 轮输出功率为两电动机功率相加 , 两个电动机 都 是 电 动 状
态 , 当两个电动树旋转方向相反时 , B 轮输出功率为两电动机功率相确 大电动机是电
动状态 , 小电动机为发电状态 , 发出的电流逆变后 回电网 。
( 4 ) 飞车问题褥到解决
当差速器三个基本构件其一为驱动件 , 另外两个为从动件时 , 这两个从动件如那一
个阻力加大 , 则它速度减少到停止 , 而另外一个从动件速度加大 。如用在差动调速交流连
轧时交流大 电动机开动时轧机正在轧钢 , 这时如出现直流电机失压 (间控硅电源停电或
未合闸 , 可控硅快速熔断烧断等) , 失流 (直 流主回路跳闸 、 断路等) , 失励 (励磁电
流消失) 则直流电机不工作 , 所 以差速器基本构件B阻力大; 基本构件C阻力非 常 小 ,
所以造成交流大 电动机开动通过差速器外壳 C 及外面挂轮增速使直流电机超速旋转 。 如
图 2 可以计算出飞车最高转速:
1人c = 一 1 。 0 4
交流电动机转速 n , = 1 4 8 0 转/ 分___ _ , 月 。 。 1
i 孟一吃= 一任 o V ee 一二一二厂 口 .一 1 . U 4
1 0 4
2 8 矜=一 6 7。。转/ 分
当小直流电机被迫旋转 一 6 7 0 0 转/ 分可能造成设备损坏或安全事故 。 在试验中虽然
出现过飞车未造成损失 。 随后在 电气上采取措施使直流电机发出电流用自动开关接至能
耗电阻 , 使直流电机处于有负荷状态产生制动力矩 (转速愈高 , 能耗制动力矩愈强) ,
因此能有效地防止和制止飞车 。 采取这种措施后都再未出现飞车 。
之.今后设计的参考意见
1) 速比
外齿行星差速器的速比i人B 不要太小 , 因为iAB蕊太小时差速器的飞轮力矩折算到 调
速电机轴_卜太大 。如i人B ( 1 . 4 时 , 则飞轮力矩明显加大 , 如认B ( 1 。 2 时 , 不仅调速不 灵 活
丈韶红困难 , 另外‘人“小则需差速器外壳转的很快而差速器里面齿轮润滑也不方便。 但‘“也
二留娇大 , 因为太大贝叮差速器外壳尺寸加大 , 重量也加大 。单纯为了差动调速 , 一般连轧哄万采用‘““澎 “ , 这样飞轮力矩 、 外形尺寸 , 差速器重量等全面考虑较合适 。另外‘人“太大时一 , 除了差速器重量稍增加一些 , 还得考虑行星轮不要碰上 , 如采用三组行星轮时 ,
i
人B < 。都可以设示I一 。
2 ) 齿轮轴旋角与齿数
一般设计外齿行星差速器齿轮习惯采用斜齿 , 实际如齿轮线速度不高时 , 采用直齿
比斜齿方便些 。 因为斜齿在装配时稍困难些 , 轴承选择也要有所考虑 。
外齿差速器的齿轮不像内齿差速器那样齿数一定要满足某种关系 , 齿轮主要根据速
比来决定齿数 , 如能做到中心轮齿数 一可被行星轮组数 目uI涂得整数时 , 装配时稍方便些。
…里三= c
Z互一 C
式中: C—为正数。如 图 1 2丈二 2 1 , Z B 二 3 0 , u 二 3
誓一 7 ‘整数 ,
警一 10 ‘整数,
3) 轴承改进
( 1 ) 行星轮轴承 一 ’ 一 ‘ 、 ,
在试验过程中行星轮采用过锥辊轴承 , 调整起来困难 , 运转一段时间还得调整 , 调
紧了损坏轴承 , 有时调的很松往往不易发现 , 因而造成行星轮与中心轮的中心距加大 , 、
则这组行星轮已经不起作用 了 。 这种情况在装配时不注意就容易发生。
在试验过程中行星轮也采用过调心轴承 , 这种轴承不用调 , 强度大 , 使 用 当 中 刊
靠; 但调心轴 承太灵活装差速器时往轴承土套侧盖太费事 。
如图 1 行星轮用辊柱轴承 , 这种轴承不用调 , 强度大 , 好析装 , 因为不能承受轴向
力 , 用于直齿行星轮较好 。 ’
实践证明用辊柱轴承和调心轴承较好 。
( 2 ) 中心轮轴承
太阳轮A 两支轴承不要距离太近 , 拉开一些受力较好如图 1 。
中心轮A 孔巾心的调心轴承装两个轴承较好 , 一 个文承在差动减速机外壳位置 , 另
‘ 7 7 协
一个支承在中心轮A 中线位置如图1 。
中心轮B轴的支承大调心轴承及中心轮人轴上的轴章应注意防正串动如自 工 采用并
口圆螺母加防松垫圈就 比较有力 。
4) 公差
中心轮A 的空心轴孔里面放轴承 (如图 1 ) , 这个孔应 比轴承外径大。. 12 ~ 0 . 18 毫
米才能好装 , 实践证明大点不影响使用 。
行星轮轴承拆装次数较多 , 也应该松点 , 行星轮轴直径比轴承不径小0.01 ~ 0.02 毫
米为好 。
中心轮与行星轮的中心距也不要求特别精密 , 只要根据中心距尺寸及 侧 擦D 、查 表
取 “正公差 ” 即可 , 如中心距A 二 1 53 毫米侧隙结合形式为D 、则中心距偏差 为 十 0 . 0 65 毫
米即可 。
齿轮齿圈跳动公差取负公差值并要求严一点 , 同心度公差可要求严一点 。
差速器齿轮精度可以根据圆周速度按JB1 79 一60 来决定。
差速器齿轮齿形最好检查公法线长度公差 。
万) 齿轮材料与热处理
差速器齿轮材料无特殊要求 , 可采用 4o C r 、 3 5 C r M o 、 4 2 C r M o 、 3 5 S I M n 等 都可
以 。
齿表面热处理可用高频 、 渗碳 、 氮化 、 氯化 , 上述处理方法必须保证质量 , 如质量
把握性不大时 , 可采用低应力软齿面 , 在齿硬度H B灯280 时 , 齿坯先粗车或粗铣后进 行调
质处理达到要求硬度 , 再进行最后加工 , 这样差速器运转时不为淬火问题而担心 。
6 ) 润滑
差速器齿轮如采用油浴润滑 , 靠油池油流到差速器内 , 则油池油需要较多. 因为外壳
C 旋转搅动润滑油 , 当转的慢时无问题 , 当转的快时润滑油温度升高 , 可采用 循环喷汕
润滑取消油池 , 差速器外壳不要封闭 , 润滑油可直接喷到内部内轮上 (如图 1 ) 。 循环
系统如断油时 , 轧机应自动停车 。
也可 以用M o S, 喷涂法 , 这样要常保膜 , 观查比较费事 。 、.
了) 行星轮固定方法
行星轮的固定方法很重要 , 在试验中曾用过尼龙柱钠一键装配比较麻烦 , 这样只能一
组行星轮先打上尼龙柱销键 , 其他行星轮先空套在轴上试装配 , 并进行试转 , : 当运转非
常灵活 , 其他几组行星轮与轮轴也自动找到适当位置 , 折下后将行星轮与轮轴点焊住 ,
然后钻孔打尼龙柱销键 , 再进行最后组装:所以装配费事 , 如改成图 1 的方法 , 差速器的
几组行星轮 , 一 组行星轮用键与轴固定 , 另外几组行星轮用锥孔 , 轴用锥轴 , 像锥形离
合器一样 (如图 1 ) 齿轮位置调好后用螺母锁紧。
锥孔锥轴结合计算 。
、 , _ , :
N
。 , _
W 皿二 日了匕 一一 二 U 了勺n
7 5
1 4 8 0
二 4 9 . 3公斤米 (额定力矩 )
式中 N = 75 醛 、 n 二 1 4 8 0转/ 分
三组行星轮按两组行星轮承受负荷计算 , 锥孔锥轴传递摩擦力矩:
. 78 .
叭 = 掣喂二 3 5 . 2 公斤米
二 3 5 2 0 0公斤毫米
传递力矩时在锥孔.产生的摩擦力为: 付牛 呈P 二 多旦丝955 二 6 4 0 公斤。 刁 川00
(半径近似取 1102 = 55 毫米)
需要的正压力 N =
摩擦角6 “一 70
P
卜t
卜L 二 t g 6 “ O 。 1
N
如图 3
二箫=6‘”。公斤
推动齿轮锥孔的力F 为多大
尸尸一~ 三= 三匕二二二二 }}}!!!
111000000
F一N才‘能产生 N 二 6 4 0 0公斤的正压力tga 圈 3
F = N .tg a = 6400 x 0 .0 05 二 3 2 公斤 。
计算用多大力搬动谈紧螺母时 , 而锁紧螺母才能对齿轮产生32 公斤力 。
锁紧螺母为M 10o 又 2 其平均直径dep = 100一 2 . 7 0 1 二 9 7 . 2 9 9
螺旋角饱入二 S几d e P
2 。 。 。 , , 。
一 元交丽.碗 “ U · U U 。”“入二 2 2 ,
t g p == f p
二 6 ” f 二 0 。 l
t 、 (入+ p ) 二 t g ( 6 0 十22, ) 二 0 . 1 1 1
Q = F tg (入月一 p ) 二 3 2 又 0 . 1 1 1 二 3 . 5 5 2公斤
M 二 Q 全卫 二 3 . 55 2 .鱿
, 艺
。
2 9 9 _
2
1 7 3 公斤毫米
用 20。毫米左右长的搬手 , 用不到 1公斤力即可满足锁紧要求 。
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