帶制動器的二級行星減速機

1、第 6卷第 3期1997年 9月礦冶M IN IN G &M ETALLU R GYV o l. 6, N o. 3Sep tem ber 1997帶制動器的二級行星減速機曹開明石峰(北京礦冶研究總院礦山機械研究室)摘要帶制動器的二級行星減速機是減速機領域的新產品,具有體積小、傳動比大、運行可靠、應用范圍廣、可即時制動的特點,目前國內尚無這類產品。作者通過兩年多的設計、制造及試驗,積累了一些經驗。文章介紹了設計方法及其結構,可為傳動裝置的設計提供參考。關鍵詞行星減速機變位齒輪制動器TW O - STA GE PLAN ET - GEA R SPEEDR EDU CER W ITH A BRA

2、KECao K a im ingS h i F eng(D ep a rtm en t of M in ing M ach inery ,B GR IM M )ABSTRACTT he tw o - stage p lanet- gea r sp eed reducer w ith a b rake, a new p roduct in thet ion, w ide app lica t ion, imm ed ia te b rak ing. How ever, there is no t any w ell- develop ed p roductlike th is reducer i

3、n Ch ina. D u ring the design, m anufactu re and test over tw o yea rs, au tho r ha saccum u la ted som e exp erience in develop ing the sp eed reducer. In th is p ap er, the designm ethod and st ructu re of the sp eed reducer a re b riefly in t roduced, w h ich can p rovide thest rong techn ica l s

4、uppo rt fo r t ran sm ission system.KEY W O RD SP lanet- gea r sp eed reducerP rofile sh ifted gea rB rake1前言“八五”期間,北京礦冶研究總院與協(xié)作單位承擔了“H PC - 11型混凝土噴射車”的研制任務。該噴射車的噴射臂是一個由有線遙控控制的機械手,具有主臂回轉、主臂舉升、前臂折疊、前臂伸縮、噴嘴擺動、噴嘴傾動等動作。其中主臂回轉要求:回轉范圍- 120 + 120在回轉過程中的任一位置具有制動鎖住功能;制動力矩足夠大,制動鎖住后,主臂不打滑。因此,完成主臂回轉的減速機也應具備上述特點,

5、由于現(xiàn)有的減速機無法滿足使用要求,我們研制了帶制動器的二級行星減速機。帶制動器的二級行星減速機是減速機領域的進一步發(fā)展,主要由二級行星減速機和盤式彈簧制動器組成。二級行星減速機具有傳動比大、結構簡單的特點,適用于大傳動比正反兩向的傳動,為減小體積,各級齒輪盡量減少齒數(shù),作了等高變位和等角變位設計,達到了適應小空曹開明:工程師,碩士。sp eed reducer field, ha s the fea tu res of sm a ll body, la rge t ran sm ission - ra t io, reliab le op era2 ;帶制動器的二級行星減速機7間安裝的要求。盤

6、式彈簧制動器靠彈簧的壓力壓緊摩擦片組進行制動,制動力矩的大小由動、靜摩擦片的數(shù)量及彈簧的總體壓力值決定,在一定范圍內通過改變摩擦片和彈簧的數(shù)量就能改變制動力矩。制動力矩的解除采用液壓釋放。輸入的液壓油皆為低壓 (小于 1M Pa) ,操作十分方便。這種方式制動力大、制動性能可靠,很適合機械手主臂回轉。兩者結合,使減速機結構緊湊、傳動比大、即時制動、制動安全可靠。2帶制動器的二級行星減速機的結構及工作原理2. 1結構圖 1是帶制動器的二級行星減速機。主要由級行星減速、級行星減速和盤式彈簧制動器組成。級行星減速的主要零件有小太陽齒輪、小行星齒輪、小內齒輪、小行星齒輪架;級行星減速有大太陽齒輪、大行

7、星齒輪、大內齒輪、大行星齒輪架;盤式彈簧制動器由雙端內花鍵軸、動摩擦片、靜摩擦片、活塞、制動彈簧等組成。輸出軸與大行星齒輪架以花鍵形式聯(lián)接1,大行星齒輪架上均布的 3個大行星齒輪分別作用于大太陽齒輪和大內齒輪上,大太陽齒輪的右端與小行星齒輪架以花鍵聯(lián)接,均布在小行星齒輪架上的 3個小行星齒輪分別作用于小內齒輪和小太陽齒輪上。小太陽齒輪的右端與雙端內花鍵軸以花鍵聯(lián)接,雙端內花鍵軸的右端與液壓馬達或電動機聯(lián)接,其外側分布有動摩擦片,靜摩擦片分布在外殼體上,動、靜摩擦片相間排列形成摩擦片組,左側靠在外殼體上,右側靠在能夠軸向移動的活塞上,當活塞在分布于其體內的制動彈簧作用下向左移動和壓實摩擦片組時,

8、動、靜摩擦片間可產生足夠大的摩擦力,使得雙端內花鍵軸上的動摩擦片無法轉動,從而緊緊箍住雙端內花鍵軸,實現(xiàn)制動2。2. 2工作原理圖 2是帶制動器的二級行星減速機的工作原理。當減速機工作時,低壓油 (小于圖 1帶制動器的二級行星減速機F ig. 1 Tw o - stage p lanet- gea r sp eed reducer w ith b rake1.輸出軸2.大太陽輪3.小行星輪架4.小行星輪5.制動器油缸6.油馬達7.雙端內花鍵軸8.制動器彈簧9.靜摩擦片10.動摩擦片11.小太陽輪12.大行星輪13.大行星輪架1M Pa )由 A口進入制動器內腔推動活塞右移,釋放作用在摩擦片組上

9、的正壓力,動、靜摩擦片間隙排列,摩擦力消失,雙端內花鍵軸可以轉動。同時,電動機或液壓馬達啟動,通過雙端內花鍵軸驅動級減速的小太陽齒輪,作用在小太陽齒輪上的小行星齒輪隨之轉動并驅動小行星齒輪架,小行星齒輪架將動力和速度傳遞給大太陽齒輪,此時完成了一次減速和增力傳遞。同理,大太陽齒輪通過大行星齒輪和大行星齒輪架將動力傳遞給輸出軸,完成二次減速和增力,同時驅動負載工作。當輸出軸轉動到某一位置要停止時,供油回路切換至泄油位置,制動器內的液壓油由A口泄出,制動器內的活塞在制動彈簧的作用下左移、壓實摩擦片組,動、靜摩擦片間可產生足夠大的摩擦力阻礙動摩擦片轉動,使得雙端內花鍵軸無法旋轉傳遞動力,同時切斷主機

10、、實現(xiàn)即時制動。8礦冶圖 2工作原理F ig. 2W o rk ing p rincip le該減速機的減速和制動由流經 A口的液壓油控制,當液壓油由制動器內腔流出時,活塞在制動彈簧力的作用下擠壓摩擦片組,使之產生足夠大的摩擦力,實現(xiàn)制動。當液壓油從A口流入制動器內腔時,活塞克服了彈簧力,動、靜摩擦片可相對旋動,減速機可實現(xiàn)減速傳動。液壓油的流向由換向閥控制,簡單方便,該減速機的傳動和制動易于操作。3帶制動器的二級行星減速機的設計采用二級行星減速與制動器一體化設計。根據(jù)各級齒輪的齒數(shù)關系,級減速為等高變位,級減速為等角變位,設計結果如表所示。制動器采用 24個彈簧,均布在活塞上,彈簧材料為 6

11、5Si2M nW A ,摩擦片組設計結果D esig n resu lts由 4個動摩擦片和 5個靜摩擦片組成。齒輪減速機ACB3. 1級行星減速的設計級齒數(shù) z123072在級行星齒輪傳動中,各齒輪的齒數(shù)分別為 Z A = 12、Z C = 30、Z B = 72。其同心狀況為: Z A + Z C = 42, Z B - Z C = 42,說明行星輪系宜采用標準齒輪傳動或等(m = 2. 5)齒頂高系數(shù) h a變位系數(shù) x級齒數(shù) z(m = 4. 5)齒頂高系數(shù) h a變位系數(shù) x10. 41110. 46451- 0. 42310. 10001- 0. 4580. 80. 1112高變位

12、齒輪傳動。由于小太陽輪齒數(shù) (Z AA為大太陽齒輪, C為行星齒輪,B為內齒輪。= 12)小于標準齒輪的最小齒數(shù) (Z = 17) ,無法采用標準齒輪傳動。為避免加工時的根切現(xiàn)象,該輪系必須采用等高變位輪系的設計。其中A齒輪與 C齒輪是外嚙合傳動, C齒輪與B齒輪是內嚙合傳動,變位系數(shù)的關系有: X A + X C = 0, X C - X B = 0,各變位系數(shù)分別選定為: X A =0. 4、X C = - 0. 4、X B = - 0. 4。初步選取變位系數(shù)后,并不能確認所選取的結果正確,適宜的變位系數(shù)應能滿足傳動中的嚙合條件,因此級齒輪傳動要滿足外嚙合、內嚙合、行星傳動的條件。3. 1

13、. 1符合外嚙合傳動條件的校驗小太陽齒輪與小行星齒輪是外嚙合傳動,應滿足的嚙合條件有:加工時不根切、齒頂不過薄、具備一定的重合度、不產生過渡曲線干涉等。(1)小太陽齒輪加工不根切。小太陽齒輪的齒數(shù) Z A = 12 S a 0. 25m計算得: 1 0. 908 0. 625成立,小太陽齒輪不過薄(3)不產生過渡曲線干涉。當所選變位系數(shù)的絕對值大時,會發(fā)生過渡曲線干涉。校驗條Z C 4 (h a - X A )2。代入數(shù)據(jù)得: 0. 0884 0. 0528,說明小太陽齒輪齒根與小行星輪頂不產生過渡曲線干涉。(4)保證一定的重合度。在外嚙合傳動中,如果變位系數(shù)之和 (X A + X C )過大

14、,就會使重合度過小,不利于連續(xù)傳動,在級行星傳動中 X A + X C = 0, X C + X B = - 0. 8 0. 2695,滿足判斷條件。(3)徑向不干涉。判斷條件為3:1-1- (Z B Z C ) 2Z B(Z B Z C ) 2 - 1。代入相應的數(shù)據(jù)計算得: 1. 42 0,說明內嚙合傳動時徑向不干涉。在通常情況下應校驗小行星齒輪的齒頂與小內齒輪的齒根過渡曲線部分的接角狀況。為消除了過度曲線干涉的因素,因此可不作校驗。3. 1. 3級行星傳動的較驗X A h a - Z A sin 2X A = 0. 4、壓力角 = 20計算得 0. 4 0. 298,滿足小太陽齒輪加工不

15、根切的條件。齒頂厚 S為齒頂圓直徑 2d atg 37mminvinv為漸開線函數(shù),數(shù)學表達式為 inv= tg tg -( tgaC -tg) tg-件為:Z A sin Z A為嚙合角,在高變位中 = 20Z C Z B1- tgaB tg (B齒輪齒頂圓壓力角 aB = 13. 605a + r aB a - raC+ ( inv+ invaB )a rcco s式中:過渡值 = 0. 652;齒數(shù)比 u = 2. 4; B齒輪齒頂圓半徑 raB = 87. 24; C齒輪齒頂圓半徑 raC(co saC co saB ) 2+ ( invaB -inv)a rc sin(co saB

16、co saC ) 2 - 1 -inv) 0+ ( invaB -Z C a rc sinC齒輪頂圓壓力角 aC = 25. 371防止發(fā)生過度曲線干涉,在小內齒輪幾何參數(shù)設計時,已經將其齒頂高減去了 h。am ,從根本上10在礦冶級行星輪系中,除了有內嚙合傳動、外嚙合傳動外,齒輪A、B、C共同組成了行星傳動,為正常進行行星傳動,應校驗同心條件、裝配條件和鄰接條件。(1)同心條件。同心是指各齒輪圍繞同一個圓心轉動,即各齒輪副間的中心距相同。由于級行星輪系采用高變位設計,各齒輪副的中心距相等時: Z A + Z C = Z B - Z C , Z A + Z C = 42, Z B- Z C =

17、 42,適應同心的條件。(2)裝配條件。為保證傳動的均勻穩(wěn)定性,行星齒輪須均勻分布,形成對稱結構,為此太陽齒輪的齒數(shù)與內齒輪的齒數(shù)之和須等于行星輪數(shù)目的整數(shù)倍,即 (Z A + Z B ) C S = K , (K為正整數(shù), CS為行星輪數(shù)目)。在本輪系中, C S = 3, K = 28,可以實現(xiàn)裝配時的均勻性。由上述可知,齒輪A、C、B間的齒數(shù)存在特定的關系,這種關系決定各齒輪的齒數(shù)不能隨意改變,因此行星輪系中的齒輪只能作變位設計。(3)鄰接條件。在行星輪傳動中,兩相鄰的行星輪須留有大于 0. 5mm的間隙4,即相鄰兩輪互不相碰。綜上所述。級行星齒輪的結構參數(shù)在進行高變位設計后可以實現(xiàn)外嚙

18、合、內嚙合及行星傳動的正常進行。同時表明高變位的設計結果正確3 2級行星減速的設計在級行星輪系中,各齒輪的齒數(shù)分別為太輪 Z A 11、行星輪 Z C = 23、內齒輪 Z B = 58。由于Z A = 11 17,為防止加工時的根切,須作變位設計。但 Z A + Z C = 34, Z B - Z C = 35, Z A + Z CZ B- Z C ,只適宜作角變位設計。級行星減速的變位設計時先給出中心距 a = 78. 8mm ,由此求出總變位系數(shù)為: X C + X A = 0. 5645, X B - X C = 0. 0112。經反復驗算,最后得出各齒輪的變位系數(shù)分別為:太陽齒輪X

19、A = 0. 4645,行星齒輪 X C = 0. 100,內齒輪 X B = 0. 1112。各齒輪的變位系數(shù)初步選定后,計算各齒輪的幾何參數(shù),并進行齒輪嚙合狀況校驗。太陽輪與行星輪是外嚙合傳動,要作外嚙合傳動狀況校驗。行星輪與內齒輪是內嚙合傳動,要進行內嚙合傳動狀況校驗。內、外嚙合傳動校驗方法同于級行星輪系。校驗結果表明:太陽輪與行星輪能夠實現(xiàn)正常的外嚙合傳動,行星輪與內齒輪能夠實現(xiàn)內嚙合傳動。太陽齒輪、行星齒輪、內齒輪三者共同組成行星傳動,為此要作同心條件、裝配條件及鄰接條件校驗,裝配條件與鄰接條件的校驗方法與級行星齒輪系的方法相同,校驗結果是合理的。級行星齒輪系是角變位設計,其同心條件

20、驗證須涉及外嚙合角及內嚙合角,外嚙合角為, ,等式丙邊計算結果均為 37. 27,滿足行星傳動的同心條件。由此可知,二級行星減速機中各齒輪的變位系數(shù)正確,滿足正常嚙合傳動的各種條件,可以實現(xiàn)正常的減速功能,其總傳動比為 43. 91。3. 3盤式彈簧制動器的設計該制動器的核心零部件有:由 4個動摩擦片和 5個靜摩擦片組成的摩擦片組、活塞及 24個圓柱壓縮彈簧。圓柱壓縮彈簧產生的正壓力作用于摩擦片組上,通過 4個動摩擦片轉化成制動力矩。圓柱壓縮彈簧的幾何性能參數(shù)為:彈簧絲直徑 2. 0mm、彈簧中徑 10mm、有效圈數(shù) 15、總圈數(shù) 17、自由高度 55. 5mm、節(jié)距 3. 5mm、剪切彈性模

21、量 80000N mm 2、單圈剛度 160N2行星輪齒頂圓半徑之和小于其中心距: d aC 2a sin ( C s)計算得 78 90. 93,滿足兩相鄰行星A C = 24. 183內嚙合角為 CB = 20. 1應滿足:(Z A + Z C ) co sA C = (Z B - Z C ) co sB Cmm、材料 65Si2M nW A、右旋。.帶制動器的二級行星減速機11單個彈簧產生的彈簧力為: N 1= 197. 3N , 24個彈簧產生的彈簧力為: N = 24N 1 = 4736N ,當 A口泄油時,動摩擦片與靜摩擦片表面上的作用力均為N = 4736N ,相互間的作用力可產

22、生的制動力矩 T = 8s計算得: T = 328. 7Nm制動力矩直接作用在減速機的輸入軸上,通過減速機的減速和增力傳動,作用在減速機輸出軸上的制動力矩可高達 14433. 2Nm ,是作用在輸入軸上制動力矩的 43. 9倍。如果不將制動器布置在輸入軸上而直接作用于輸出軸上,在同樣制動力矩作用下,制動器的體積將大許多,無法適應較小的工作環(huán)境。將制動器置于輸入端,可用較小的制動力矩產生較大的制動效果,其效果十分顯著。在一定范圍內,每增加一對摩擦副 (一個動摩擦片和一個靜摩擦片) ,在輸入軸上的制動力矩將增加 82. 175N. m ,輸出軸上可承載的力矩增為 3608. 3N. m ,制動器厚度只增加 5. 2mm。這種制動器結構并不復雜,其體積小、制動力矩大、性