行星齿轮减速器设计【文献综述】

文献综述

机械设计制造及其自动化

行星齿轮减速器设计

一．前言

齿轮及齿轮变速箱作为机械传动中的关键零部件，几乎在所有的机械设备中都能看到它的身影。因此从某种程度上说，中国的齿轮行业是我国机械制造业的基础，齿轮行业的发展对我国机械行业有着至关重要的作用。我国齿轮行业经过“九五”结构调整与科技攻关，取得了长足的进步。

行星齿轮传动技术是齿轮传动技术的一个重要分支，采用行星齿轮传动技术开发的各类行星齿轮减速箱与行星齿轮增速箱，较之于一般的定轴式齿轮箱，在传递同样的功率与扭矩时，具有更小的体积、更轻的重量以及更高的效率，因而也更易于进行传动系统的布置和便于降低造价及运输和检修成本，因此在水泥、冶金、煤炭、矿山及石化等许多行业得以普遍运用。

行星齿轮传动的发展概况：

我国早在南北朝时代（公元429-500年），祖冲之发明了有行星齿轮的差动式指南车。因此我国行星齿轮传动的应用比欧美各国早1300多年。

1880年德国第一个行星齿轮传动装置的专利出现了。19世纪以来，随着机械工业特别是汽车和飞机工业的发展，对行星齿轮传动的发展有很大的影响。1920年首次成批制造出行星齿轮传动装置，并首先用于汽车的差速器。1938年起集中发展汽车用的行星齿轮传动装置。二次世界大战后，高速大功率船舰、透平发电机组、透平压缩机组、航空发动机及工程机械的发展，促进行星齿轮传动的发展。

高速大功率行星齿轮传动广泛的实际应用，于1951年首先在德国获得成功。1958年后，英、意、日、美、苏、瑞士等国亦获得成功，均有系列产品，并已成批生产，普遍应用。英国Allen齿轮公司生产的压缩机用行星减速器，功率25740kW；德国Renk公司生产的船用行星减速器，功率11030kW。低速重载行星减速器已由系列产品发展到生产特殊用产品，如法国Citroen生产用于水泥磨、榨糖机、矿山设备的行星减速器，重量达125t，输出转矩3900kW·m；德国Renk公司生产矿井提升机的行星减速器，功率1600kW，传动比13，输出转矩350 kW·m；日本宇都兴产公司生产了一台3200 kW，传动比720/280，输出转矩2100 kW·m的行星减速器。

我国从20世纪60年代起开始研制应用行星齿轮减速器，20世纪70年代制定了NGW型渐开线行星

齿轮减速器标准系列JB1799-1976。一些专业定点厂已成批生产了NGW型标准系列产品，使用效果很好。已研制成功多种高速大功率的行星齿轮减速器，如列车电站燃气轮机（3000kW）、高速汽轮机（500kW）和万立方米制氧透平压缩机（6300kW）的行星齿轮箱。低速大转矩的行星齿轮箱也已成批生产，如矿井提升机的XL-30型行星减速器（800kW），双滚筒采煤的行星齿轮减速器

（375kW）。

行星齿轮传动的发展方向：

世界各先进工业国，经由工业化、信息化时代，正在进入知识化时代，行星齿轮传动在设计上日趋完善，制造技术不断进步，使行星齿轮传动已达到了较高水平。我国与世界先进水平虽存在明显差距，但随着改革开放带来设备引进、技术引进，在消化吸收国外先进技术方面取得长足的进步。目前行星齿轮传动正向以下几个方向发展：

1）向高速大功率及低速大扭矩的方向发展。例如年产300kt合成氨透平压缩机的行星齿轮增速器，其齿轮圆周速度已达150m/s；日本生产了巨型船舰推进用的行星齿轮减速箱，功率为

22065kW；大型水泥磨中所用80/125型行星齿轮箱，输出转矩高达4150kN·m。在这类产品的设计制造中需要继续解决均载、平衡、密封、润滑、零件材料与热处理及高效率、长寿命、可靠性等一系列设计制造技术问题。

2）向无级变速行星齿轮传动发展。实现无级变速就是让行星齿轮中三个基本构件都转动并传递功率，这只要对原行星机构中固定的构件附加一个转动（如采用液压泵及液压马达系统来实现）就能成为无级变速器。

3）向复合式行星齿轮传动发展。近年来，国外将蜗杆传动、螺旋齿轮传动、圆锥齿轮传动与行星齿轮传动组合使用，构成复合式行星齿轮箱。其高速级采用前述各种定轴类型传动，低速级用行星齿轮传动，这样可适应相交轴与交错轴间的传动，可实现大传动比和大转矩输出等不同用途，充分利用各类型的特点，克服各自的弱点，以适应市场上多样化需要。如制碱工业澄清桶用蜗杆涡轮-行星齿轮减速器，总传动比为4462.5，输出轴n=0.215r/min，输出转矩27200N·m。

4）向少齿差行星齿轮传动方向发展。这类传动主要运用于大传动比、小功率传动。

5）制造技术的发展方向。采用新型优质钢材，经热处理获得高硬齿面（内齿轮离子渗氮，外齿轮渗碳淬火），精密加工以获得齿轮精度及低粗糙度（内齿轮精插齿达5-6级精度，外齿轮经磨齿达5级精度，粗糙度0.2-0.4um），从而提高承载能力，保证可靠性和使用寿命。

二．主题

在工业生产中，大转动惯量和必须带负载起动的机械，例如大型皮革转鼓、球磨机、清砂机、刮板输送机和皮带输送机以及矿井提升机和电梯等提升机械在起动时的加速度很大，由此产生的附

加动载荷往往大于电动机所允许的最大转矩，容易造成电动机烧毁或机器传动装置的突然破坏，因此对于这类机械宜采用软起动，即在空载下减小起动并对起动加速度进行控制，可控制起动行星齿轮减速装置就是针对这一目的而设计的。

１．初始起动——传动方案的讨论

传统方案提出了一种针对上述问题的解决方

案，如图1所示。电动机刚起动时，带动周转轮系

的中心轮a转动，此时磁粉制动器CZ并不工作，内

齿圈b处于自由状态，由于负载的作用，系杆H处

于停止状态。因此，电动机在不带负载的情况下

起动可以避免过大的起动转矩和起动电流。接

着，磁粉制动器CZ的励磁电流以一定的规律逐渐

增大，作用于内齿圈b上的制动力矩逐渐加大，而转速逐渐降低，使得系杆H的转速由0逐渐增大，带动负载L进入起动过程。当起动过程结束时，内齿圈b被完全制动，负载达到稳定的转速。这时，装置进入稳定工作阶段，周转轮系由差动轮系成为单自由度的行星轮系。应当肯定，这是一种能满足“带负载软起动，进而稳速传动”功能要求的方案，它有效地避免了因起动过程中的冲击而引起的一系列问题，可以实现节能的效果，并且当出现超载或卡死等意外工况时，磁粉制动器可处于滑差工作状态，从而实现了过载保护。该方案操作工艺和控制方式简单，使用可靠，其设计思想及实现方法均具有新颖性。

２．创新方案的提出

在设计周转轮系时，习惯上往往以中心轮a作为

输入构件，系杆H为输出构件，而将内齿圈b作为固定

件或控制环节，这样做固然有许多优越性。但对于本

文所讨论的设计实例而言，为满足减小制动转矩的要

求，则需要改变这一设计思路。可以提出这样的设

问：在设计中能否通过某种颠倒，如颠倒顺序、方

向、位置等来改进现有方案的不足之处？在这一设问

的提示下，可以考虑将初始方案中的周转轮系的输入

构件与控制环节进行互换，即以内齿圈b作为输入构

件，而将磁粉制动器与中心轮a联接。为了使整个装置的传动比不致降低，在内齿圈b的前级串联一级定轴齿轮副，同时为了使装置满足大传动比减速的要求，还可在输出系杆H的后级再串联一级行星轮系。经过这样改进的装置的起动——传动方案如图2所示。仍按上节对装置的设计要求，经计算可知磁粉制动器对第一级周转轮系的中心轮a需施加的制动转矩仅为175.9N·m，因此可选用制动转矩为300N·m的CZ-30型磁粉制动器，其直径约为380mm，轴向尺寸约为200mm，而装置主体部分的尺寸则略有加大。经过以上设计，装置的总体尺寸得以减小，也美化、协调了装置的外形，同时可产生明显的节能效果，也降低了装置的制造成本。

３．方案的进一步改进

在上述改进设计的过程中作者运用了创新设计中的创造性思维，而创造性思维活动还可以进一步扩展，进而提出多种可供选择的设计方案，例如可以在图2所示方案的基础上将电机与磁粉制动器的安装位置进行互换，提出如图3所示的起动——传动方案，在这一方案中，仍以中心轮a作为输入构件，以内齿圈b作为制动控制环节，它除了具有图2方案的可减小制动转矩等优点外，还具有图

1方案的输入、输出同轴线布置的特点，其总体布

局更加合理，装置的外观更为协调，同时在稳速工

作状态下,其传动效率也略高于图2所示的方案。但

是也要看到，图2和图3所示的两个改进设计方案增

加了一级定轴传动副，而且在从输入构件到制动环

节的传动路线上出现了升速传动副，这是两个改进

方案相对于图1所示的初始设计方案的不足之处，

但是这一缺点只存在于装置的起动阶段。在起动结

束，装置进入稳速运行状态后，升速传动副即停止运转。

４．结论

(1)采用周转轮系和磁粉制动器组合的可控制起动装置的传动方案具有新颖性和创造性，它可以使电动机空载起动，并通过控制磁粉制动器的励磁电流来控制工作机的起动过程，使起动过程平稳。当外载荷过大时，磁粉制动器可处于滑差工作状态，实现过载保护，同时进入稳速阶段后节能效果好，有效地解决了因电动机直接带负载起动而导致的需要大功率电动机的情况，降低了装置的运行成本。

(2)本文提出的起动——传动的改进设计方案虽然增加了一级定轴传动副和一级行星传动，使装置的传动效率略有下降，但可以做到保持装置的传动比不变，更重要的是可使制动转矩大大降

低，从而可采用小型号的磁粉制动器，不但减小了装置的总体尺寸，也做到了装置外形的协调和美观，并在一定程度上降低了装置的制造成本。

(3)可控制起动行星齿轮减速装置用于软起动的技术，除了具有起动过程平稳、便于控制和能

够产生节能的效果等特点外，还具有传动比大、传动及控制方式简单、结构紧凑等优点，它在大型转鼓、运输与提升机械等大转动惯量以及需要带负载起动的机械设备中都有广阔的应用前景。

(4)设计者在机械产品的开发过程中强化创新观念，利用创造性思维的特点，综合运用多种思

维技巧，跳出习惯性思维的羁绊，对于创新设计方案的提出和原有方案的改进都具有非常重要的意义。只有在设计过程中有意识地运用创造性思维，才能实现高质量、高效率的设计，进而开发出多种满足功能要求，性能高、质量好、价格低廉、市场竞争性强的新产品。

虽然行星齿轮有上述诸多优点并得到了广泛的使用，但在实际应用过程中，行星齿轮存在振动现象。在行星齿轮减速器中，轮齿啮合刚度、误差和扭矩的变化引起了齿轮轴向、径向和扭转振动，并通过轴的传递引起了轴承的振动，齿轮和轴承的振动传递到箱体上，在齿轮箱的内部产生了高频率的噪音，有时能够超过100dB ，可见行星齿轮的振动是行星齿轮减速器的主要噪音源。研究发现其啮合频率和调谐频率是主要的激振频率。操作者长时间处于噪音的环境中，容易产生疲劳，交流困难和健康损害，普通消费者经常把由于齿轮振动引起的减速器噪音当作由于产品质量和机械问题引起的，影响了对产品质量的认识；在军事上高分贝的噪音更容易引起严重的后果，因此无论是在军事上还是在民用上，都迫切需要解决行星齿轮机构的振动问题。研究发现通过减小行星齿轮振动可以减少噪音，提高可靠性和传动效率，减少保养费用，然而在目前的行星齿轮机构的设计中，对于行星齿轮的振动和噪音问题的解决还依靠经验和试验的方法，缺少工程学上的理解。因此为了优化设计、减小行星齿轮的振动，需要一个指导性的设计准则作为参考，以指导行星齿轮机构的设计。

许多学者也对减小行星齿轮的振动进行了研究，1979 年 Toda 和Botman通过实验的方法发现通过改变行星轮的分布形式，可以将由于误差引起的行星齿轮振动程度降到最低。2000 年 Parker 和Agashe证实了通过改变行星轮啮合相位可以抑制行星齿轮的振动。在行星齿轮动态分析的其它方面，在1975 年Seager 研究了误差激励对于行星齿轮振动的影响。1999 年谢志江、朱才朝对内齿行星齿轮机构的传动机理进行了研究，在此基础上建立起带传动副间隙的内齿行星齿轮传动机构运动学、动力学分析模型，导出了其运动学、动力学计算公式,并且利用计算程序对带传动副间隙的

内齿行星齿轮传动机构进行了动力学分析，讨论了运动副间隙对其动态特性的影响。1999 年J.Lin 和 Parker 研究了行星齿轮振动模态应变能和模态动能的特点。2002 年孙涛、胡海岩利用离散傅立叶变换及其逆变换处理 2K-H 型行星齿轮传动的弯扭耦合非线性动力学模型中非线性恢复力与位移

坐标之间的函数关系，发展了一种可以求解多阶谐波响应的数值谐波平衡法。2002 年Baier 和Demkowicz用有线元方法，对行星齿轮二维模型进行了研究，探讨了齿轮动态啮合的能量分布问题。行星齿轮传动与普通平行轴齿轮传动相比结构比较复杂，对其研究包括多齿啮合、啮合刚度的时变性、误差激励、接触非线性和弹性内齿圈的振动等许多方面内容，对这些方面的研究比较困难，因此对其动力学研究的文献相对较少，并且大多数以前的研究用试验或经验的方法，一些关键性的问题没有被解决。本次选题是以齿轮动力学为出发点，尝试着通过对影响行星齿轮振动和噪音的关键性因素进行进一步的探讨，并期望所得结论，能为以后的行星齿轮优化设计提供指导。

[参考文献]

[1] 渐开线齿轮行星传动的设计与制造编辑委员会．渐开线齿轮行星传动的设计与制造．北京：机械工业出版社，2002.4

[2] 濮良贵,纪名刚等．机械设计，第八版．北京：高度教育出版社，2006.5

[3] 王知行,刘廷荣．机械原理，第二版．北京：高度教育出版社，2006.5

[4] 成大先．机械设计手册，第五版第3卷．北京：化学工业出版社，2008.1

[5] 成大先．机械设计手册，第五版第4卷．北京：化学工业出版社，2008.1

[6] 成大先．机械设计手册，第五版第2卷．北京：化学工业出版社，2008.1

[7] 龚溎义．机械设计课程设计图册，第三版．北京：高等教育出版社，1989.5

[8] 李明．齿轮工实用手册，浙江：浙江科学技术出版社，1996.1

[9] 红耕华．机械传动设计手册，修订本．北京：煤炭工业出版社，1992.12

[10] 王之煦．新标准机械图图集．北京：机械工业出版社，1989.1

[11] 现代机械传动手册编辑委员会．现代机械传动手册．北京：机械工业出版社，1995.4

[12] 机械零件设计手册东北大学编写组．机械零件设计手册.(第三版)．北京：冶金工业出版社，1994.4

[13] 饶振纲．行星齿轮转动设计．北京:化学工业出版社，2003.9

[14] 机械结构图册第五,六设计院编写组．机械结构图册－减速器．北京:国防工业出版社，1974.11

[15] 谭建荣，张树有等．图学基础教程．北京:高度教育出版社，2002.5

[16] 张培金等.机械设计课程设计．上海:上海交通大学出版社，1989.5

[17] 刘仁家等．机械设计常用元器件手册．北京:机械工业出版社，1994.3

[18] 申屠留芳，郭润兰．行星齿轮传动装置机械式均载机构的均载原理．淮海工学院学报，2000年02期．

[19] Li Haixiang.A New Type off Meshing Transmission in Crane or Transport Machinety-Point-Line Meshing Gear Transmission.ICMH/ICP’99

[20] Zhang Yuchuan.Analysis of Bending Strength on Point-Line Meshing Gear Transmission.ICMH/ICFP’99