機(jī)械電子式軟起動裝置傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-含PPT【10張cad圖紙+說明書完整資料】
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太原理工大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
課 題 名 稱：機(jī)械電子式軟起動裝置傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
日期：2014年6月16 日
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機(jī)械電子式軟起動裝置傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
摘 要
當(dāng)高速軸由電機(jī)驅(qū)動，帶動太陽輪，然后帶動行星輪轉(zhuǎn)動，內(nèi)齒圈固定，然后帶動行星架輸出運(yùn)動的，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齒輪的幾何軸線繞著固定位置轉(zhuǎn)動圓周運(yùn)動的傳動，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具有以下優(yōu)點(diǎn)：傳動比大，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裝置.
本文設(shè)計(jì)的機(jī)械電子式軟起動傳動系統(tǒng)利用行星傳動、蝸輪傳動及變頻調(diào)速技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對輸送機(jī)輸出速度的有效控制，達(dá)到了軟起動目的。本文通過對機(jī)械電子式軟起動裝置的組成和工作原理的介紹和對傳動系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)通過對調(diào)速電動機(jī)的轉(zhuǎn)速控制, 使行星差動機(jī)構(gòu)差動傳動, 從而達(dá)到對輸出軸無級調(diào)速的目的。
關(guān)鍵詞：差動行星輪系,軟起動,蝸桿傳動機(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
目 錄
摘 要 II
Abstract III
1 緒論 1
1.1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)研究的意義 1
1.2 國內(nèi)外軟起動技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 2
2 總體方案的確定 4
2.1 初始方案的確定 4
2.1.1 根據(jù)給定參數(shù)及工作要求，選取行星齒輪傳動的傳動類型 4
2.1.2 機(jī)械電子式軟起動裝置傳動系統(tǒng)的差動原理分析 4
2.1.3 蝸桿傳動機(jī)構(gòu)的作用 5
2.2 傳動系統(tǒng)傳動比的分配及齒數(shù)的確定 5
3 傳動系統(tǒng)中齒輪參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算 8
3.1 直齒錐齒輪傳動設(shè)計(jì) 8
3.2 蝸輪蝸桿傳動設(shè)計(jì) 12
3.3 差動行星輪系參數(shù)的計(jì)算 14
4 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 31
4.1 輸入軸的校核 31
4.2 蝸桿軸的設(shè)計(jì) 36
4.3 行星輪軸的校核 39
4.4 太陽輪軸和中間軸的校核 39
4.5 輸出軸的校核 43
5 其它設(shè)計(jì) 47
5.1 軸承的計(jì)算 47
5.1.1 計(jì)算輸入軸軸承 47
5.1.2 計(jì)算輸出軸軸承 49
5.2 鍵的設(shè)計(jì) 50
5.2.1 鍵的選擇 50
5.2.2 鍵的校核 51
5.3 銷的設(shè)計(jì) 52
參考文獻(xiàn) 54
總 結(jié) 55
致 謝 56
翻譯部分 57
外文文獻(xiàn) 57
外文文獻(xiàn)翻譯 63
1 緒論
1.1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)研究的意義
隨著我國煤炭生產(chǎn)的機(jī)械化、自動化程度的不斷提高，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，其啟動問題日益突出。研究帶式輸送機(jī)軟啟動器的意義不僅在于保證平穩(wěn)地起動、制動，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）通過對軟起動裝置傳動系統(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?？傊?，為以后的工作打下了一個良好的開端。
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、圖冊等工具書，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，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)起動與停車。軟起動技術(shù)在功能方面有很多優(yōu)勢，可以實(shí)現(xiàn)無級變速、驅(qū)動功率的平衡、過載保護(hù)等功能，具備傳動的效率高、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)械電子式軟起動裝置的基本概況? 機(jī)械電子式軟起動裝置在歐美發(fā)達(dá)國家的研究和使用可以追溯到上個世紀(jì)七十年代，最早的機(jī)械電子式軟起動裝置是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原理的離合器實(shí)現(xiàn)減速器和主驅(qū)動電機(jī)的連接，其電機(jī)會在無負(fù)載的情況下被起動，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摩擦片，以傳遞其動力。? 近年以來，隨著我國國內(nèi)對機(jī)械電子式軟起動裝置的需求越來越大，很多研究部門與生產(chǎn)單位都對軟起動技術(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、限流起動、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行星齒輪減速器的軟起動裝置，運(yùn)用了差動輪系與磁粉制動器來實(shí)現(xiàn)對重載機(jī)械的可控起動。這種裝置中的差動輪系可以對運(yùn)動進(jìn)行合成，磁粉制動器的力矩可調(diào)，可使電機(jī)空載起動，但其缺點(diǎn)就是制動的力矩有限，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)械電子式軟起動裝置的運(yùn)行效率，但大多還存在傳動的效率較低、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)對機(jī)械設(shè)備的可靠啟動以及停車要求，因此，目前我們還迫切的需要開發(fā)性能更為優(yōu)良、傳動效率更高的機(jī)械電子式軟起動裝置。?二、機(jī)械電子式軟起動裝置控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)? 機(jī)械電子式軟起動裝置有其獨(dú)特的工作原理，對其設(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。
1.2 國內(nèi)外軟起動技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
眾所周知，電機(jī)直接起動所帶來的危害是很大的，起動時高達(dá)6-7倍的額定電流，極易造成電機(jī)繞組溫升過高、電纜接頭燒壞，加速電機(jī)絕緣老化，縮短電機(jī)使用壽命。同時，過大的起動電流也會產(chǎn)生機(jī)械沖擊，縮短機(jī)械的使用壽命，起動瞬間對電網(wǎng)容量的需求較大。過大的直接起動電流易造成電網(wǎng)電壓波動，影響電網(wǎng)中其他設(shè)備的正常運(yùn)行。
軟起動技術(shù)正是為解決電機(jī)直接起動時所帶來的上述諸多危害基礎(chǔ)上慢慢發(fā)展起來的一種技術(shù)。
軟起動技術(shù)的演變
鼠籠異步電動機(jī)在不需要調(diào)速的情況下有直接起動和降壓起動兩種方式。
1.直接起動：也就是全壓起動，起動方式簡單，但是起動電流大，能夠達(dá)到電機(jī)額定電流的4-7倍。所以一般情況下規(guī)定在電機(jī)功率低于7.5KW時才允許直接起動。
2.降壓啟動：傳統(tǒng)的降壓起動主要有以下幾種起動方式。
電阻降壓起動：也就是定子串電阻起動，。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，起動階段的功率因數(shù)高；缺點(diǎn)是起動轉(zhuǎn)矩小，僅適用于輕載或電機(jī)不頻繁起動的場合，起動時電能損耗大，起動成本高。
自耦變壓器降壓起動：利用自耦變壓器降低加到電機(jī)定子繞組的電壓。優(yōu)點(diǎn)是不同的電壓抽頭適用于不同的負(fù)載場合，用于較大容量電機(jī)的起動；缺點(diǎn)是體積大，質(zhì)量大，價格高，維護(hù)量大。
星--三角起動：缺點(diǎn)是只適用于正常運(yùn)行時電機(jī)繞組接成三角形的電機(jī)，只適用于輕載和空載起動；優(yōu)點(diǎn)是體積小重量輕。
延邊三角形起動：優(yōu)點(diǎn)是體積小，允許經(jīng)常起動，缺點(diǎn)是接線復(fù)雜。
飽和電抗器起動：設(shè)備龐大笨重。
在后來的發(fā)展過程中又出現(xiàn)了水電阻軟起動、開關(guān)變壓器軟起動以及磁控軟起動等，最后才發(fā)展到目前最流行的高、低壓固態(tài)軟啟動方式。
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，軟起動技術(shù)具有越來越多的功能和優(yōu)點(diǎn)，它可以實(shí)現(xiàn)無級變速、多點(diǎn)驅(qū)動功率平衡、過載保護(hù)等功能，具有傳動效率高、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)的啟動方式主要有以下幾種：1.調(diào)速型液力偶合器軟啟動；2.CST可控軟啟動；3.液體黏性軟啟動；4.電氣軟啟動。帶式輸送機(jī)的電氣軟啟動由于控制精度高、控制靈活、體積小等優(yōu)點(diǎn)是將來的發(fā)展趨勢。電氣軟啟動又分為晶閘管調(diào)壓調(diào)速和變頻調(diào)速兩種方式，短期來看，軟起動將仍然以性價比較高的晶閘管降壓軟啟動為主要形式。從長期看，隨著變頻器價格的逐漸下降，可靠性的進(jìn)一步提高，也隨著技術(shù)人員水平的提高，變頻軟起動將成為軟起動的主流。
發(fā)達(dá)國家的電動機(jī)軟起動產(chǎn)品主要是固態(tài)軟起動裝置：晶閘管軟起動和兼作軟起動的變頻器。在沒有調(diào)速要求的使用場合下，起動負(fù)載較輕時采用晶閘管軟啟動，晶閘管軟起動裝置是發(fā)達(dá)國家軟起動的主流產(chǎn)品。在重載或負(fù)載功率特別大的時候，才用變頻軟起動。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)壓軟啟動器的價格略高于自耦變壓器啟動器和Y／Δ啟動器，系統(tǒng)工作時對電網(wǎng)無過大沖擊，可大大降低系統(tǒng)的配電容量，機(jī)械傳動系統(tǒng)振動小。啟動、停車平滑穩(wěn)定，可提高電動機(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。使用軟啟動器啟動電動機(jī)時，晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動機(jī)逐漸加速，直到晶閘管全導(dǎo)通，電動機(jī)工作在額定電壓的機(jī)械特性上，實(shí)現(xiàn)平滑啟動，降低啟動電流，避免啟動過流跳閘。待電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)數(shù)時，啟動過程結(jié)束，軟啟動器自動用旁路接觸器取代已完成任務(wù)的晶閘管，為電動機(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。軟啟動器同時還提供軟停車功能，軟停車與軟啟動過程相反，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。
2 總體方案的確定
2.1 初始方案的確定
2.1.1 根據(jù)給定參數(shù)及工作要求，選取行星齒輪傳動的傳動類型
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,傳動效率高的2Z-X(A)型行星齒輪傳動.如圖：
圖2-1 2Z-X(A)型行星傳動
2.1.2 機(jī)械電子式軟起動裝置傳動系統(tǒng)的差動原理分析
對于機(jī)械電子式軟起動裝置而言，由于減速機(jī)構(gòu)行星齒輪減速器為差動輪系，該輪系有兩個自由度，因此在中心輪、內(nèi)齒圈和行星架組成的基本構(gòu)件中，必須給定兩個基本構(gòu)件的獨(dú)立運(yùn)動，第三個基本構(gòu)件的運(yùn)動才能唯一確定。由差動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)給定中的任意兩個時，另外一個就可有確定的輸出。對差動輪系來講，齒輪1、內(nèi)齒圈3和系桿H中任意兩個構(gòu)件可以分別接上不同的原動機(jī)，令其中一個以原動件恒速旋轉(zhuǎn)，則可以通過控制另一個原動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。
一個差動輪系在給定兩個原動件的角速度后，只能給定其中的一個原動件的驅(qū)動力矩，而另一個原動件的力矩可能是驅(qū)動力矩，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。
差動輪系有三個外力矩，，在穩(wěn)定輸出的情況下，根據(jù)整個輪系的
力矩平衡條件有：
同時，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：
2.1.3 蝸桿傳動機(jī)構(gòu)的作用
蝸輪蝸桿傳動時在空間交錯的兩軸間傳遞運(yùn)動和動力的一種傳動機(jī)構(gòu)，兩軸線交錯的夾角可為任意角，常用的為90°。這種傳動由于具有下述特點(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，蝸桿旋轉(zhuǎn)一周，蝸輪只轉(zhuǎn)過以各齒距，因而能實(shí)現(xiàn)大得傳動比。在動力傳動中，一般傳動比i=5～80；在分度機(jī)構(gòu)或手動機(jī)構(gòu)的傳動中，傳動比可達(dá)300；若只傳遞運(yùn)動，傳動比可達(dá)1000。由于傳動比大，零件數(shù)目又少，因而結(jié)構(gòu)很緊湊。
⑵ 在蝸桿傳動中，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，同時嚙合的齒對又較多，故沖擊載荷小，傳動平穩(wěn)，噪聲低。
⑶ 當(dāng)蝸桿傳動與螺旋升角小于嚙合面的當(dāng)量摩擦角時，蝸桿傳動便具有自鎖性。
⑷ 蝸桿傳動與螺旋齒輪傳動相似，在嚙合處有相對滑動。當(dāng)滑動速度很大，工作條件不夠良好時，會產(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)傳動具有自鎖性時，效率僅為0.4左右。同時由于摩擦與磨損嚴(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組成減摩性良好的滑動摩擦副。
在機(jī)械電子式軟啟動裝置中，蝸桿機(jī)構(gòu)主要作用：一是與差動行星輪進(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)軟起動結(jié)束時，為確保主電機(jī)的動力施加給負(fù)載，蝸桿傳動機(jī)構(gòu)必須自鎖，使調(diào)速系統(tǒng)處于制動狀態(tài)或穩(wěn)定工作在低速狀態(tài)。在軟起動裝置中，采用能自鎖的蝸桿機(jī)構(gòu)比采用其它制動措施，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。但傳動效率低是存在的主要問題，此外蝸桿傳動機(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裝置中調(diào)速和制動的關(guān)鍵問題。設(shè)計(jì)時，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，這是一對矛盾。本課題研究的目的：就是在軟起動裝置中對蝸桿進(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，解決軟起動裝置中的調(diào)速和制動問題。
2.2 傳動系統(tǒng)傳動比的分配及齒數(shù)的確定
(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)械電子式軟起動的傳動裝置（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（即）
總傳動比： (2-1)
分配傳動裝置傳動比: (2-2)
（2） 當(dāng)行星架轉(zhuǎn)速為零時（即）
總傳動比： (2-3)
分配傳動裝置傳動比: (2-4)
總傳動比： (2-5)
分配傳動裝置傳動比: (2-6)
通常情況下，一級開式圓錐齒輪傳動比為2~4,行星齒輪傳動比為2.8~9。綜合考慮，取=3.57，則=5.6，即=，。
由《行星齒輪傳動設(shè)計(jì)》表3-2,P41，查得 當(dāng)時，
， ，
所以 實(shí)際
= (2-7)
由 =39.6
= 取=41 (2-8)
3 傳動系統(tǒng)中齒輪參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1 直齒錐齒輪傳動設(shè)計(jì)
在本傳動機(jī)構(gòu)中，錐齒輪主要起中小減速換向作用，故對其要求不需要太高。
已知：軸交角=900，傳遞功率P=15KW，小齒輪轉(zhuǎn)速n1=1460r/min。，由3.1傳動比的分配知錐齒輪的傳動比i=u=3.52，又因?yàn)樽钌冽X數(shù)不少于17，故取。小齒輪選45鋼，調(diào)質(zhì)處理后表面火焰淬火，取平均硬度為45HRC；大齒輪選用45鋼，調(diào)質(zhì)處理后表面火焰淬火，取平均硬度為45HRC。
1.齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算
精度等級： 估計(jì)，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.6，選8級精度
使用壽命： 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.9查得
動載系數(shù)： 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖12.9查得
齒間載荷分配系數(shù)：由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.10，估計(jì)
= (3-1)
= (3-2)
(3-3)
(3-4)
(3-5)
(3-6)
(3-7)
齒向載荷分配系數(shù)： 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.20及注3，取
載荷系數(shù)K： (3-8)
轉(zhuǎn)矩: (3-9)
彈性系數(shù): 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.12查得
節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù): 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖12.16查得
接觸疲勞極限： 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖12.17c查，
接觸最小安系數(shù)： 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.14查得=1.05
許用接觸應(yīng)力： (3-10)
(3-11)
小輪大端分度圓直徑：取=0.3
(3-12)
驗(yàn)算圓周速度及：
(3-13)
（與估計(jì)值接近）
(3-14)
(3-15) (3-16)
（與原估計(jì)相符）
2.確定傳動主要尺寸
大端模數(shù)m： ， 由表12.3，取
實(shí)際大端分度圓直徑d： (3-17)
(3-18)
錐距R：
齒寬b： ，取
3.齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算
齒形系數(shù)： 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖12.30 (3-19)
(3-20)
應(yīng)力修正系數(shù)： 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖12.31 (3-21)
(3-22)重合度系數(shù)： (3-23)
齒間載荷分配系數(shù)： (3-24)
(3-25)
載荷系數(shù)： (3-26)
彎曲疲勞極限： 由圖12.23c (3-27)
(3-28)
彎曲最小安全系數(shù) (3-29)
彎曲壽命系數(shù)： (3-30)
尺寸系數(shù) ： 由圖12.25 (3-31)
許用彎曲應(yīng)力： (3-32)
(3-33)
驗(yàn)算： (3-34)
=176.72
安全
(3-35)
=165.68
安全
4.直齒錐齒輪傳動的主要尺寸
直齒錐齒輪傳動表3-1
項(xiàng)目
公式
數(shù)據(jù)
齒形角
標(biāo)準(zhǔn)
齒頂高系數(shù)
標(biāo)準(zhǔn)
1
大端端面模數(shù)m
標(biāo)準(zhǔn)
4
節(jié)錐角
分度圓直徑
84
320
錐距
153.84
頂錐角
齒頂高
4mm
4mm
齒根高
4.8mm
4.8mm
齒高h(yuǎn)
8.8mm
8.8mm
齒頂圓直徑
91.86mm
328mm
根錐角
外錐高
163mm
38mm
當(dāng)量齒數(shù)
21.83
270.78
齒頂角
齒根角
3.2 蝸輪蝸桿傳動設(shè)計(jì)
蝸桿傳動用于傳遞交錯軸之間的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。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，最大傳動功率可達(dá)750KW，通常用在50KW以下,最高滑動速度可達(dá)35m/s，通常用在15m/s以下。
蝸桿傳動的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、工作平穩(wěn)、無噪音、沖擊振動小以及能得到很大的單級傳動比。在傳遞動力時，傳動比一般為8-100，常用的為15-50。在機(jī)床工作臺中，傳動比可達(dá)幾百，甚至到1000。這時，需采用導(dǎo)程角很小的單頭蝸桿，但傳動效率很低，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的效率，多頭蝸桿的傳動效率已可達(dá)到98%。與多級齒輪傳動相比，蝸桿傳動零件數(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比相同的條件下，蝸桿傳動的效率比齒輪傳動低，同時蝸輪一般需用貴重的減磨材料制造。蝸桿傳動多用于減速，以蝸桿為原動件。也可用于增速，齒數(shù)比單級多5-15，但應(yīng)用很少。
本蝸桿傳動主要用于自鎖，故選用單頭蝸桿，增大了傳動比，但大大降低了傳動效率。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=41，選用單頭蝸桿，故，。
1、選擇蝸桿傳動類型
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),傳動中心距
(1) 確定蝸輪轉(zhuǎn)矩： (3-36)
(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)：
(3-37)
由于轉(zhuǎn)速不高,沖擊不大,可取動載系數(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 (3-38)
=149.94 取a=200mm
3.3 差動行星輪系參數(shù)的計(jì)算
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)手冊單行本》圖13-1-24和圖13-1-53，取,,加工精度為6級；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)手冊單行本》圖13-1-23和圖13-1-52，取，，加工精度為7級。
⑵ 按齒面接觸強(qiáng)度初算小齒輪分度圓直徑：
(3-39)
其中 ——算式系數(shù)，對于鋼對鋼配對的齒輪副，直齒輪傳動
——嚙合齒輪副中小齒輪的名義轉(zhuǎn)矩，N·m
——使用系數(shù)，由《行星齒輪傳動設(shè)計(jì)》表6-7得=1.5
——綜合系數(shù)，由《行星齒輪傳動設(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
(3-40)
(3-41)
(3-42)
(3-43)
取=57mm
⑶ 按齒根彎曲強(qiáng)度初算齒輪模數(shù)m：
(3-44)
其中 ——算式系數(shù)，對于直齒輪傳動=12.1
——綜合系數(shù)，由《行星齒輪傳動設(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：
(3-45)
取 則 mm
⒉ 嚙合參數(shù)計(jì)算：
在兩個嚙合齒輪副a-c，b-c中
=m()= (3-46)
m( (3-47)
滿足非變位同心條件。
⒊ 幾何尺寸的計(jì)算：
，按GB1356-1988, ，
行星齒輪傳動表3-2
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：
對于所設(shè)計(jì)的上述行星齒輪傳動應(yīng)滿足如下的裝配條件：
⑴ 鄰接條件
按《行星傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》公式（3-7）驗(yàn)算其鄰接條件：
(3-48)
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 (3-49)
即滿足鄰接條件。
⑵ 同心條件
由《行星傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》表2—1知，對于2Z-X（A）型行星齒輪傳動，其同心條件為：
(3-50)
代入數(shù)據(jù)得：
19+235=89 (3-51)
因此滿足同心條件。
⑶ 安裝條件
按《行星傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》公式（3-20）驗(yàn)算其安裝條件，即得：
（整數(shù)） (3-52)
所以滿足其安裝條件。
⒌ 傳動效率的計(jì)算：
根據(jù)《行星傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》表2-1，得
由《行星傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》公式（5-15），得行星齒輪傳動效率為：
其中 p===4.68 (3-53)
其中為傳動機(jī)構(gòu)中的損失系數(shù)：
=+ (3-54)
按《行星傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》公式（5-337）求損失系數(shù)：
(3-55)
其中重合度等于端面重合度與縱向重合度之和
(3-56)
(3-57)
所以 =+=1.6，=+=1.9
根據(jù)《行星傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》圖5-1，取，
1.550.1（）=0.02 (3-58)
1.850.1()=0.006 (3-59)
=0.02+0.006=0.026 (3-60)
0.026=0.978577 (3-61)
6. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)2Z-X（A）型行星齒輪傳動的工作特點(diǎn)，對其進(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與輸入軸連成一個整體。且按該行星傳動輸入功率P和轉(zhuǎn)速n初步估算輸入軸的直徑，同時進(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?？傊跐M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。在每個行星輪的內(nèi)孔中，可以安裝兩個滾動軸承來支撐著，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）型行星齒輪傳動的轉(zhuǎn)臂x不承受外力矩，也不是行星傳動的輸入或輸出構(gòu)件，而且還具有個行星輪。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
(3-62)
取=34.6
各行星輪軸孔的孔距相對偏差可按公式（9-2）計(jì)算，
即 =0.027~0.0405mm (3-63)
取=0.030mm=30
轉(zhuǎn)臂x的偏心誤差約為孔距相對偏差的，
即 =15 (3-64)
在對所設(shè)計(jì)的行星齒輪傳動進(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，傳動效率高的特點(diǎn)。針對其工作特點(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
(3-65)
首先按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本》表13-1-111的公式計(jì)算齒輪的齒根應(yīng)力，即
(3-66)
其中，齒根應(yīng)力的基本值
(3-67)
許用齒根應(yīng)力
(3-68)
現(xiàn)將2Z-X（A）型行星齒輪傳動按照兩個齒輪副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)手冊單行本》表 13-5-17公式計(jì)算，已知， =95.033N·m和
則得 = (3-69)
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)手冊單行本》表13-1-81得
=1.5
b.動載荷系數(shù)
先按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本》公式計(jì)算輪a相對轉(zhuǎn)臂x的速度，即
其中 (3-70)
(3-71)
已知中心輪a和行星輪c的精度為6級，
即精度系數(shù)，再按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本》表13-1-90的公式
計(jì)算動載荷系數(shù)，即
(3-72)
式中
=92
則得 (3-73)
中心輪a和行星輪c的動載系數(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)手冊單行本》公式13-5-12計(jì)算，即
(3-74)
由圖6-7（b）得 =0.87
(3-75)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本》圖6-8得 =1.3，代入上式，則得
=1+（1.3-1）0.87=1.26 (3-76)
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)手冊單行本》表13-1-102可查得
=1.0 (3-77)
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)手冊單行本》表13-5-18得
即 (3-78)
已取=1.2，則得
=1.3 (3-79)
f.齒形系數(shù)
齒形系數(shù)由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本》圖13-1-38查得
=2.82，=2.54 (3-80)
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)手冊單行本》圖13-1-44查得
=1.53， =1.62 (3-81)
h.重合度系數(shù)
重合度系數(shù)可按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本》公式計(jì)算，即
(3-82)
=1.6 (3-83)
(3-84)
i.螺旋角系數(shù)
螺旋角系數(shù)由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本》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)手冊單行本》表13-1-111公式計(jì)算齒根彎曲應(yīng)力,即
(3-85)
(3-87)
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
(3-88)
已知齒根彎曲疲勞極限
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本》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，取=2；
壽命系數(shù)，按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本》表13-1-118中的公式計(jì)算，即
(3-89)
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
(3-90)
則得 (3-91)
齒根圓角敏感系數(shù)按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本》圖13-1-57查得
=1 (3-92)
相對齒根表面狀況系數(shù)按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本》表13-1-122中對應(yīng)公式計(jì)算，即
(3-93)
取齒根表面微觀不平度，代入上式得
(3-94)
尺寸系數(shù)按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本》表13-1-119中對應(yīng)的公式計(jì)算，即
(3-95)
代入公式可得許用齒根應(yīng)力為
(3-96)
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
(3-97)
取 =122
(3-98)
可見， ﹤，故b-c齒輪副滿足齒根彎曲強(qiáng)度條件。
取a=200mm
3.傳動的基本尺寸
蝸桿的頭數(shù): 要求反行程自鎖 取
蝸輪的齒數(shù): (3-99)
模數(shù): (式13.23) (3-100)
取m=8
蝸桿分度圓直徑: (3-101)
取=80mm
蝸輪分度圓直徑: (3-102)
蝸桿導(dǎo)程角: b (3-103)
蝸輪的寬度: (3-104)
取
蝸桿圓周速度: (3-105)
相對滑動速度: (3-106)
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: (3-107)
最大接觸應(yīng)力: (3-108)
=
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： (3-109)
齒輪最大彎曲應(yīng)力： (3-110)
合格
6.蝸桿撓度驗(yàn)算
軸慣性矩：
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