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基于卷盘式喷灌机的少齿差行星减速器设计

2019-08-15张灿利张晨骏陈智勇赵海军郭冬晖于洋

汽车实用技术 2019年15期
关键词:盘式传动比减速器

张灿利,张晨骏*,陈智勇,赵海军,郭冬晖,于洋

(1.洛阳理工学院 机械系,河南 洛阳 471000;2.天津职业技术师范大学汽车与交通学院,天津 300222)

1 概述

少齿差行星齿轮传动是由普通行星传动逐渐转化发展过来的,其结构主要包括内齿圈、行星架、行星轮、盘型输出轴。它更简单,比其他形式的更有利,并且没有传统的所谓的太阳轮近年来许多大型农场正积极研制大型农务喷灌机。

该设计以普通卷盘式喷灌机为基本研究对象,为解决采用传统水涡轮圆柱齿轮传动装置所带来的减速器效率低,进一步针对体积大、质量大等问题作出改进。本文选用直流电机带动输入轴的设计方案,在原先科技人员研究的基础上重新设计一种新型的高效大传动比少齿差行星减速器。使得喷灌机的喷洒小车能够平稳自由地在田间运动,均匀的喷洒灌溉农作物。

1.1 卷盘式喷灌机工作原理和主要组成部分

传统卷盘式喷灌机主要由以下部件组成:卷筒底盘、PE管、喷雾车、卷盘、喷头、动力传动装置、外齿圈等。可采用柴油泵、并泵、拖拉机泵和电机泵等四种机械装置进行供水。

传统卷盘式喷洒器的动力系统主要由承载底盘、卷轴、PE 管、多功能减速器、轴流水轮机和洒水车等组成,详见图1。

图1 JP75-300 型卷盘式喷灌机结构示意图

1.2 负载转速的大小计算

卷盘式喷灌机的喷洒车在田间的运动线速度一般在8~60m/h,根据卷盘的转速n与喷洒车线速度υ的换算关系得:

式中,n 为卷盘转速,r/min;υ 为喷洒车的线速度,m/h;R 为PE 管回卷半径,m。

2 减速器结构形式及型号的确定

依据行业已有的计算方法和设计理念,大致分为四种基本类型:Z-X-V 型、2Z-X 型、2Z-V 型及Z-X 型。这四种类型国内均有运用。单级传动比:Z-X-V 型及Z-X 型从10~100 左右,实例中不难发现单级传动比达几百甚至几千时,允许的效率较低,外齿轮输出|iX4|较小的Ⅱ型传动方案,主要使用在传动比不足30 时的情况;2Z-V 型前置一级外啮合圆柱齿轮传动,传动比可在50~300 之间方便地调整,其前级传动比取1.5~3 为宜。此处选择内齿轮输出的2Z-X(2K-H)Ι型,其机构简图如下:

图2 2Z-X(2K-H)Ι型机构简图

2.1 传动比及传动效率计算

由于带传动和链传动传动效率相对低,并且为了使传动系统整体体积减小、结构尽量紧实,通过联轴器使得电动机一端的输出轴和行星齿轮一端的输入轴相连接,摒弃了传统的带传动。本文利用具备内部和外部啮合和公共齿轮的2K-H行星齿轮传动。选择驱动装置为直流电机设备,行星齿轮传动系统的输出轴的动力传递给固定在卷盘式喷灌机的卷盘侧面的上,实现卷盘的转动。

式中ηe——行星齿轮的啮合效率;ηp——变速机构的效率;ηb——在旋转臂轴承的效率。

3 行星齿轮传动设计

3.1 主要传动参数的确定

3.1.1 齿数差的确定

顾名思义就是内啮合齿轮对的齿数相对于外啮合齿轮的齿数之差zd=z2-z1,因此被称为齿数差。大多数情况下我们选择将zd=1~8 归为少齿差,相应的zd=0 则归为零齿差。当内齿轮齿的数量是恒定的,在齿的数量上,较小的传动比和较高的效率齿数差越大。在少齿差传动的情况下,它通常取zd=1~4,动力传动宜取zd≥2。零齿差用作为输出机构,因加工较麻烦,故现在较少用。故本文选取zd=2。

3.1.2 齿数的确定

(1)行星轮为双联齿轮

已知传动比为iX4

(2)公共行星轮具

式中,zd为内齿轮与行星轮齿数差。当采用压力角为20°的标准齿轮传动时,若最小内齿轮齿数zN=40~80,取zd=7;若zN=80~100,取zd=6。当选取的齿数差zd小于前面的数值时,要通过角变位及缩短齿顶高来避免干涉。“±”和“”号,正传动比用前一个符号,负传动比用后一个传动比。

3.1.3 齿形角和齿顶高系数

本文采用齿形角α=20°,必要时也可用非标准齿形。当齿数差为1 时,取α=14°~25°;齿数差≥2 时,取α=6°~14°。在齿形角α=20°时,齿顶高系数ha*取0.6~0.8。当ha*减小时,啮合时α'也减小,这对提高效率是有利的。

3.1.4 外齿轮的变位系数

计算外齿轮的变位系数第一步就是要衔接啮合的方程:

表1 外齿轮变位数x1的最大值

综上所述,取z1=100,用滚刀加工,取x1=0.645;z2=103,用z0=17 的插齿刀加工,取x2=1.328。m=2.5,α=20°,ha*=0.8,C*=0.3。

2.1.5 主要零件的材质和齿轮精度等级

重要零部件材料属性和齿轮的精度等级见表2。

表2 主要零件的材质和齿轮精度

3.2 行星齿轮几何尺寸的计算

(1)齿厚增量系数;

(2)啮合角的计算;

(3)其他几何参数计算;

(4)重合度计算。

由此,检查是否许可。

4 渐开线少齿差行星传动的效率

大多数渐开线少齿差行星传动通常都是应用到卷盘机和起重机中,它的重要功率损耗有啮合摩擦损失、输出部分的摩擦损失、滚动轴承的摩擦损失和搅动润滑油的损失等。很明显,上述四种效率构成了传输设备的整体效率。综上所述,传动效率的计算公式可以表示为:

式中,ηM——齿轮的啮合效率;ηW——输出机构的效率;ηB——滚动轴承的效率;ηL——搅动润滑油的效率。

4.1 啮合效率

4.1.1 一对内齿轮啮合的效率

由计算转化机构的啮合效率:

4.2 计算输出机构的效率

输出机构为销轴式,假定制造精度较高,销套能在销轴上灵活转动,同时不存在润滑失效的情况,为避免轴套和销轴之间的摩擦系数过大,则可以规定μW=0.01,所以:

4.3 转臂轴承、输入轴轴承和输出轴承的效率

分别取ηBC=0.985,ηBi=0.995,ηB0=0.995。

润滑油洒溅溢出所导致的亏耗效率暂略不计。

4.4 减速器的总效率

5 结论

渐开线少齿差行星齿轮减速器相较于其他型号减速器具有一定的优势,其传动比大,体积小,结构紧凑的优点。本设计旨在将其应用于浓雾喷灌机上,要求能够传递较大的扭矩,带动卷盘匀速滚动,使得喷洒小车能够在田间自由的行走,灌溉得更加均匀,因此设计此类减速器具有一定的使用价值。

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