乘骑式草坪割草机行星齿轮变速器的设计

本科毕业设计说明书（论文）第1页共33页1引言1.1行星齿轮研究背景及发展现状从1880年行星齿轮传动装置在德国出现，经由工业化、信息化和知识化时代，世界先进工业国在行星齿轮减速器设计上日趋完善，制造技术不断进步，使行星齿轮传动达到了较高的水平。当今世界各国减速器及齿轮技术正朝着六高、二低、二化方向发展。六高即高承载能力、高齿面硬度、高精度、高速度、高可靠性和高传动效率，二低即低声低成本；二化即标准化、多样化。减速器和齿轮的设计与制造技术的发展在一定程度上标志着一个国家的工业化水平。我国从20世纪60年代开始研究行星齿轮传动，如今也取得了不小的成绩，但是与世界先进水平还是有很大的差距。在现代，汽车、坦克、自行火炮、工程机械和履带车辆等机械传动设备中已较广泛地应用了行星齿轮传动，其中，渐开线行星齿轮传动是机械传动最主要的传动形式之一。行星齿轮传动与普通齿轮传动相比较，它具有质量小、体积小、效率高、传动比大、噪声小、可靠性高、寿命长、便于维修等优点。它的最显著的特点是：在传递动力时它可以进行功率分流；同时，其输入轴与输出轴具有同轴性，即输出轴与输入轴均设置在同一主轴线上。所以，行星齿轮传动现已被人们用来代替普通齿轮传动，而作为各种机械传动系统中的减速器、增速器和变速装置。尤其是对于那些要求体积小、质量小、结构紧凑和传动效率高的齿轮传动装置以及需要差速器的汽车和坦克等车辆的齿轮传动装置，它几乎可适用于一切功率和转速范围，故目前行星传动技术已成为世界各国机械传动发展的重点之一。1.2行星齿轮传动在草坪机械上的运用随着人们日益增长的环保意识，城市绿地建设量与维护量也日益增加，于此同时草坪机械的需求量也就相应的与日俱增。我国草坪业发展势头良好，也可以说是在短时间内从无到有，而且在全国大中城市迅猛发展。根据中国国家林业协会统计，我国草坪机械需求量以每年将近40%的速度增长。草坪机械属于传统机械工业领域，是一类用于草坪维护、植保、修剪、施工的机械，草坪割草机又是其中的主流产品，占有大约80%的份额。割草劳动无疑是件枯燥、重复性较高的本科毕业设计说明书（论文）第2页共33页工作，为了减低劳动强度，减少劳动时间，提高割草机的割草效率，需要一些举措，如可以从机构本身研究出发，包括割草机外型，割草机动力(手推，牲畜拉，燃料驱动，电动以及清洁能源—包括氢能源和太阳能等)，人体工作姿势(行走手推，乘骑式等)，机械控制方式，传动方式(单速，多级变速等)，来提高机械割草运动的效率，减轻劳动负担。从草坪割草机市场和使用者情况看，多为手扶式自行家用机，手扶式自行商用机在国内使用者不多，其效率较高，体积小，2把或3把刀片横并，因此刀片小，但在草坪质量不高的情况下，该机型适应能力欠佳。乘骑式草坪割草机在我国尚没普及，该机多用于足球场、高尔夫球场和大面积公园绿地，该机型效率高、作业质量好，工作平稳，操作者基本上无劳动伤害，但相对价格高使用成本高，然而此机型仍是有潜力和发展前途的机型。图1乘骑式草坪割草机乘骑式草坪割草机变速离合器内部变速装置采用了行星齿轮变速器，也正是利用了行星齿轮传动的优点，从而在修剪草坪时可以像汽车一样实现多档的变速，这样就大大提高了劳动效率和草坪的修剪质量。本科毕业设计说明书（论文）第3页共33页1.3行星齿轮变速器工作原理行星齿轮变速器具有体较小、结构简单、操作容易、变速大等优点，应用广泛。其由行星齿轮机构和换档执行机构两部分组成。行星齿轮机构的作用是改变传动比和传动方向，即构成不同的档位。换挡机构的作用是实现挡位的变换。1．3．1行星齿轮机构行星齿轮机构是由太阳轮及均匀分布在太阳轮周围的几个行星轮以及与行星轮相啮合的齿圈组成的，而几个行星轮又都同时安装在一个公用的行星架上。如图所示为一个单级行星排的结构示意图。图2在一个自动变速器内，行星排的多少取决于自动变速器档位的多少。自动变速器就靠这些行星排中的原件不同组合来实现不同的档位的输出。从图中可知，太阳轮与行星轮属于外啮合，两轮的旋转方向是相反的；行星轮与齿圈的啮合属于内啮合，行星轮与齿圈的旋转方向是相同的。通过离合器，制动器和单向离合器将各元件进行不同的连接、锁止的组合，可得到自动变速器不同的传动比。1.3.2行星齿轮传动类型只要将行星齿轮机构中的太阳轮、齿圈和行星架三者之间以不同的方式组合，便可得到各种传动比，这是采用行星齿轮机构的变速器能实现自动变速的根本所本科毕业设计说明书（论文）第4页共33页在，这种速比的计算公式是根据行星齿轮机构转矩关系推导出来的。单排行星齿轮机构一般运动规律的特性方程：n1+α·n2-(1+α)·n3=0式(1-1)式中，n1是太阳轮的转数；n2是齿圈的转数；n3行星架的转数；α是齿圈齿数与太阳轮齿数之比。太阳轮、齿圈和行星架三者具有同一旋转轴线。由式可以看出，将三者中的任一构件与主动轴相连（作为输入主动件），第二构件与被动轴相连（作为输出从构件），再加上第三个条件---第三构件被强制固定（称为制动，即该构件转速为零），或使其运动受一定的约束（即该构件的转速为某一定值），则整个轮系就以一定的传动比传递动力，实现不同档位速度变化。1．减速传动（1）齿圈制动，太阳轮输入，行星架输出。当输入轴驱动太阳轮以顺时针方（由前往后看）旋转时，会引起各行星轮分别绕各自的行星轮轴做逆时针旋转，这使与行星轮啮合的齿圈必须转动，由于它也被强制制动，于是行星轮必须沿齿圈按顺时针方向滚动，即绕太阳轮公转。此时，行星架也将绕太阳轮旋转，转向于太阳轮转向相同，但转速要比太阳轮慢得多。至于是什么样的传动比，这要取决于齿轮的尺寸和齿数。此时式中n2=0，故传动比i13＝n1/n3＝1＋α式(1-2)若是齿数确定的行星机构，可按此计算公式进行计算，此时转速只有输入的，即得到一种减速传动。（2）太阳轮制动，齿圈输入，行星架输出。在这种情况下，齿圈顺时针旋转，引起各行星轮在各自的轴上做顺时针旋转。同时，它们还将沿太阳轮按顺时针方向滚动。行星架与齿圈按相同的方向旋转。这种组合方案也得到一种减速运动，但其扭矩的增加和转速的降低，均比上一种方案要少。此时式中n1=0，故传动比i23＝n2/n3＝(1＋α)/α式(1-3)2．超速传动（1）太阳轮制动，行星架输入，齿圈输出。行星轮按顺时针方向沿太阳轮滚动，本科毕业设计说明书（论文）第5页共33页引起各行星轮在各自的行星轮轴上顺时针旋转，是齿圈与输入轴同乡旋转。此种组合方案使输出轴转速高于输入轴，为超速传动。此时式中n1=0，故传动比i32＝n3/n2＝α/(1＋α)式(1-4)（2）齿圈制动，行星架输入，太阳轮输出。行星轮按顺时针方向沿齿圈滚动，引起各行星轮分别在各自行星轮轴上逆时针旋转，使太阳轮与输入轴同向旋转。此种方案为超速传动。此时式中n2=0，故传动比i31＝n3/n1＝1/(1＋α)式(1-5)3．倒档（1）行星架制动，太阳轮输入，齿圈输出。行星架被制动，各行星轮只有自转而无公转。此时它们作为惰轮工作，使齿圈与太阳轮反向旋转。此种方案得到减速传动，且输出轴旋转方向与输入轴相反，故为倒挡。此时式中n3=0，故传动比i12＝n1/n2＝－α式(1-5)（2）行星架制动，齿圈输入，太阳轮输出。很容易看出太阳轮与齿圈反向旋转，此种方案为倒档升速。此时式中n3=0，故传动比4．直接档传动若使式中n1=n2，则n3=n1=n2，或n2=n3时，同样可得n1=n2=n3，故太阳轮、行星架和齿圈三者中，有任意两个构件被连接成一体时，各齿轮间均无相对运动，整个行星轮机构将成为一个整体而旋转，此时为直接档传动。5．空档如果太阳轮、行星架和齿圈三者中，无任何一个构件被制动，也无任何两个构件被连成一体，各构件将可做自由转动（空档）不受任何约束；当输入轴转动时，输出轴可以不动，在这种组合方案下，行星轮机构将不传递动力，得到空档。单排行星轮机构的速比范围有限，往往不能满足现实中的实际要求，在实际应用中的行星齿轮变速器中，都是由几个单排的行星轮机构和几组离合器组成的。借助离合器操纵，用不同行星轮机构的组合来获得不同的档位速比，使得实本科毕业设计说明书（论文）第6页共33页际行星齿轮变速器的结构比上述单排行星轮机构复杂得多，其形式也可以是多种多样的，但其工作原理仍与单排行星轮机构相同。其传动比可根据单排行星轮机构特性方程式推到出来。1.3.3换档执行元件行星齿轮变速器的换档执行机构和传统的手动齿轮变速器不同。行星齿轮变速器中所有的齿轮都是处于常啮合状态，它的档位变换不是通过移动齿轮进入啮合或脱离啮合进行的，而是通过不同的方式对行星齿轮机构的基本原件进行约束来实现的。通过选择适当的被约束的基本元件和约束方式，可以使该机构具有不同的传动比，从而组成不同的档位。行星齿轮变速器的换档执行机构元件主要有离合器、制动器、和单向离合器三种，其基本作用是连接、固定或锁止。所谓连接是指将行星齿轮变速器的输入轴与行星排中的某个基本原件连接以传递动力，或将前一个行星排中的某一个基本元件与后一个行星排中的某一个基本元件连接以约束这两个基本元件的运动；所谓固定是指将行星排的某一个基本元件与自动变速器的壳体连接，使元件被固定而不能旋转；所谓锁止是指把某个行星排的三个基本元件中的两个连接在一起，从而将该行星排锁止，使其三个基本元件以相同的转速一同旋转，产生直接传动。换挡执行原件通过一定的规律对行星齿轮机构的某些元件进行连接、固定或锁止，使行星齿轮机构获得不同的传动比，从而实现各档位的变换。本科毕业设计说明书（论文）第7页共33页2行星齿轮变速箱方案设计根据乘骑式草坪割草机的一些技术要求，对行星齿轮变速器进行系统设计，拿出方案后，后续的工作就可以继续了。2.1传动结构设计在乘骑式草坪割草机内部变速箱内采用行星齿轮传动机构，也正是利用了行星齿轮传动的优点。这个变速箱，要实现的目标是在割草时可以像汽车变速器一样，更换速度。不仅可以减速，而且可以变换传动比，即实现乘骑式草坪割草机在不同的档位上工作。这样有利于提高效率，同时也可以提高草坪的修剪质量。一般车轮直径为15～22英寸（1英寸等于2.54厘米），考虑在草坪车行驶，选用22英寸的，发动机为科勒柴油机，额定输入:转速3600r/min,总功率约为23匹。该草坪割草机有五个档位：F档（前进挡）、W档（工作档）、B档（倒档）、N档（空档）、P档（制动档）。F档时速在30千米左右，B时速在7千米左右，W档的时速也大约在7～8千米左右，N档挂空，P档制动输出轴（以上数据基于割草机实际工况而定）。由公式100060dnvd：m，n：minr，v：hkm得到各档传动比整理成表如表2.1所示。表2.1各档预计传动比档位FWBNP传动比520-20//这款乘骑式草坪割草机有五个档，但实际确切的传动比只有三个，W档和B档的传动比都比较大。鉴于此，整个系统由变速部分和主减速器构成，变速部分主要起变速作用，主减速器主要起减速作用。原理方案结构如图2.1所示。输入轴变速部分主减速器输出轴图2.1原理方案结构图本科毕业设计说明书（论文）第8页共33页除去空档和制动档还有三个档，档数不多，故变速部分选择二自由度变速箱，并且希望能够通过闭锁离合器与主减速器共同作用以实现前进档，这样能够减少变速部分行星排数，具体见下面的内容。由于NGW型行星齿轮传动是目前动力传动中应用最多、传递功率最大的一种行星传动，所以系统中所有的行星排均取为NGW型。2.2组合设计法原理行星齿轮变速器的设计是一件复杂而困难的工作，通过对由两个单排2K-H型差动轮系构成的复合轮系进行分析，从中找出几个符合乘骑式草坪割草机传动比范围的轮系，并配以制动器，构成传动方案简图，将这些简图和对应的传动比公式及传动比变化范围列入表中。设计时，只需根据变速器所需的传动比数值，从表中选出适合的方案简图进行组合，就可以得到行星齿轮变速器的总体传动方案和机构简图，同时，联立求解由表中查得的传动比公式，各轮系齿轮的齿数也能迅速计算出来。行星齿轮传动类型和传动比在前面的行星齿轮变速器原理有详细的讨论，因此在这里就不一一再详细的解