新型软启动行星减速器结构分析

齐秀丽，鞠彬，王军，刘洋

1.山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛 266590 2.枣庄科技职业学院机械数控部，山东枣庄 277500

新型软启动行星减速器结构分析

齐秀丽1，鞠彬1，王军2，刘洋1

1.山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛 266590 2.枣庄科技职业学院机械数控部，山东枣庄 277500

软启动技术主要是指机械系统在满载的状况下能够按照要求解决整个系统的惯性并且平稳地启动或停车，以缓解电动机对机械传动系统和运输带的启动冲击，延长各个部件的使用寿命。利用汽车差速器结构特点和工作原理对软启动传动机构中行星轮系进行了结构优化设计，并通过ANSYS软件分析方法对锥齿轮啮合部分进行了弯曲应力分析，满足生产要求。

行星减速器；软启动；差速器；弯曲应力；ANSYS

随着现代工业的飞速发展，煤矿生产能力的不断提高，矿用带式输送机的运量不断加大、重载机械设备不断大型化。虽然国内矿产机械设备在大功率、可靠性等方面有着一些成熟的研究和理论，但是相对国外的产品还有很大差距，尤其是在大型的带式输送机的负载起动时，引起的冲击对设备的寿命及其稳定性造成了极大的影响［1］。目前国内外都是采用软启动的方法来克服大型设备负载起动时所造成的破坏性冲击，使机器能安全平稳的启动运行。软启动装置的主要功能是使电动机在负载的工况下能够平稳启动，缓解了电流冲击对电动机造成的损坏；因此研究更加稳定可靠的软启动装置是提高煤矿生产能力和保障煤炭安全生产和运输的关键问题所在［2～3］。

1 行星减速器的设计

目前国内的软启动设备结构体积较大，运输安装不方便，功能上存在应急能力差、转速波动大、噪声大等方面的缺陷，无法满足一些企业的特定要求。本文通过对差速器结构进行改进，使其实现软启动的效果。汽车差速器工作原理如图1所示，输入轴提供动力，带动差速器侧面锥形齿轮转动，2个行星齿轮既可以围绕自身中心线自转，又可以围绕两输出轴线公转。利用两行星轮的这一转动特点，可实现两输出轴输出不同的转速，从而避免了汽车转弯时内侧驱动轮出现打滑现象。

图1 汽车差速器工作原理

利用汽车差速器的工作原理，设计了软启动行星减速器装置，工作原理图如图2所示［4］。输出轴3连接负载，启动前处于静止状态，电动机带动输入轴1转动，由于输出轴3处于负载状态，输出轴不转动，导致行星轮4既自转，又围绕太阳轮5中心线公转，并且带动控制轴2转动。虽然输出轴3处于负载状态，但电动机启动时却相当于空载启动。当电动机启动起后，利用液压装置逐渐压紧控制轴2端部的摩擦片，致使控制轴的旋转速由最高减小到零。此时，输出轴3的转速随着控制轴2的转速减小而增大，直至最高转速，从而实现了在负载状态下转速由零到正常转速的功能，达到软启动效果。

图2 软启动行星减速器工作原理

图3 各轴转速

在整个软启动过程中，各个轴的转速方向和大小如图3所示。0～t1是电动机启动阶段，t1～t2是输出轴启动阶段。在0～t1阶段，输入轴、控制轴以及行星轮（自转）转速分别达从0到达最高转速；在t1时刻时，启动液压装置压紧控制轴端部的摩擦片，使控制轴的转速开始降低，直至减小到0；与此同时，行星轮自转速度开始降低，输出轴开始转动；当行星轮自转速度减小到0时，控制轴和输出轴的转速相等；之后，行星轮转速变向，并随着控制轴的转速降低而增加，直至输出轴达到最高速，至此，整个软启动过程结束。由图3可知，在t1～t2阶段，负载开始启动，但输入轴的转速几乎保持稳定状态，从而保证了电动机在负载状态启动下不会受到冲击振荡的影响。

2 锥齿齿根弯曲强度分析

行星齿轮尺寸受结构限制，承受的载荷较大，在承受载荷时，在齿根处产生的弯曲应力最大。当轮齿工作时受到交变应力重复作用，受拉一侧的齿根处会产生疲劳裂纹，随着时间的增长疲劳裂纹将不断扩展，最终导致齿轮弯曲疲劳折断。因此文中利用ANSYS有限元分析软件对行星齿轮齿根弯曲应力进行强度校核［5］。

文中选定锥齿轮材料为刚性材料45钢，弹性模量为Ex＝2.1e×105MPa，泊松比取μ＝0.3。整个模型划分为148 850个节点和37 886个单元，其中在轮齿的啮合线上自由划分了546个节点。为使结果更加精确，在两齿轮啮合处的重点部位即齿根处进行了网格的细化，细化的节点都分布在齿轮之间的啮合线处，模型划分的网格如图4所示［6～8］。

图4 锥齿轮对网格划分模型

行星齿轮有限元模型啮合时的受力包含3个部分（集中力、面力和体力），根据锥齿轮之间的啮合受力情况，为了使得计算简化，假定载荷在齿宽中点处加载，并选取模数为中点处的模数，在齿轮啮合线处加载为33 369.6 N·m。文中齿轮啮合接触面处选择接触单元为CONTA173，目标单元为TARGE170。

分析结束后，从ANSYS后处理模块中调取行星锥齿轮啮合时齿轮弯曲应力和应变相关的图形、数据，如图5、6所示。

图5 弯曲应力分布

图6 应变分布

由图5弯曲应力分布图可知，行星锥齿轮轮齿的最大弯曲应力发生在齿轮的啮合线处且最大弯曲应力为1 225.7 MPa。

锥齿轮齿根许用弯曲疲劳计算公式：

式中：δFlim为齿轮材料弯曲疲劳强度值，取550 MPa；YSF为尺寸系数，取2；Yn为轮齿的寿命系数，取2.5；δFmin为轮齿齿根最小抗弯强度安全系数，取1.3。

将上述取值代入公式计算行星齿轮齿根的许用弯曲疲劳应力δFw＝2 115.38 MPa。

实际齿根弯曲强度计算公式：

计算得：

因此文中利用ANSYS分析所得弯曲应力1 225.7 MPa，而通过传统方法计算的最大弯曲校核强度为1 141.428 MPa，两者非常吻合。

在图6锥齿轮对的应变分布云图中，应变最大量发生在行星锥齿轮齿顶位移处，最大应变为0.193 37 mm，仍在许用应变范围内，符合技术要求。［9～10］。

3 结束语

通过对差速器结构进行改进，设计了软启动行星减速器，该软启动装置具有体积小、调速平衡、调节灵敏、应用范围广泛等优点。通过有限元ANASYS软件对行星锥齿轮进行弯曲强度校核，结果符合技术要求。利用有限元分析软件进行分析，为今后软启动减速器设计分析提供了重要的参考依据。

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Structural analysis of a new type of soft start planetary reducer

QI Xiuli1，JU Bin1，WANG Jun2，LIU Yang1
1.College of Mechanical and Electronic Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China 2.Mechanical CNC Department，Zaozhuang Vocational College of Science and Technology，Zaozhuang 277500，China

The soft start technology mainly refers to a mechanical system，which is able to solve the inertia of the whole system，and start or stop smoothly as requested in full load condition.The soft start device can alleviate the impact brought by electromotor on the mechanical transmission system and conveyor belt during the starting process，and prolong the service life of the parts.Combining structural characteristics and working principle of automobile differential mechanism，an optimization design was carried out on the planetary gear train in this paper.Bend stress analysis using ANSYS software shows that the soft start reducer can meet the production requirement well.

planetary reducer；soft start technology；differential；bend stress；ANSYS

TD403

A

1009-671X（2014）05-067-03

10.3969／j.issn.1009-671X.201403004

2014-03-11.

日期：2014-09-26.

齐秀丽（1957-），女，教授；

鞠彬（1988-），男，硕士研究生.

鞠彬，E-mail：skdjubin2008＠163.com.

〛http：／／www.cnki.net／kcms／doi／10.3969／j.issn.1009-671X.201403004.html