張燦利，張晨駿*，陳智勇，趙海軍，郭冬暉，于洋

（1.洛陽(yáng)理工學(xué)院 機(jī)械系，河南 洛陽(yáng) 471000；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222）

1 概述

少齒差行星齒輪傳動(dòng)是由普通行星傳動(dòng)逐漸轉(zhuǎn)化發(fā)展過(guò)來(lái)的，其結(jié)構(gòu)主要包括內(nèi)齒圈、行星架、行星輪、盤型輸出軸。它更簡(jiǎn)單，比其他形式的更有利，并且沒(méi)有傳統(tǒng)的所謂的太陽(yáng)輪近年來(lái)許多大型農(nóng)場(chǎng)正積極研制大型農(nóng)務(wù)噴灌機(jī)。

該設(shè)計(jì)以普通卷盤式噴灌機(jī)為基本研究對(duì)象，為解決采用傳統(tǒng)水渦輪圓柱齒輪傳動(dòng)裝置所帶來(lái)的減速器效率低，進(jìn)一步針對(duì)體積大、質(zhì)量大等問(wèn)題作出改進(jìn)。本文選用直流電機(jī)帶動(dòng)輸入軸的設(shè)計(jì)方案，在原先科技人員研究的基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)一種新型的高效大傳動(dòng)比少齒差行星減速器。使得噴灌機(jī)的噴灑小車能夠平穩(wěn)自由地在田間運(yùn)動(dòng)，均勻的噴灑灌溉農(nóng)作物。

1.1 卷盤式噴灌機(jī)工作原理和主要組成部分

傳統(tǒng)卷盤式噴灌機(jī)主要由以下部件組成：卷筒底盤、PE管、噴霧車、卷盤、噴頭、動(dòng)力傳動(dòng)裝置、外齒圈等?？刹捎貌裼捅?、并泵、拖拉機(jī)泵和電機(jī)泵等四種機(jī)械裝置進(jìn)行供水。

傳統(tǒng)卷盤式噴灑器的動(dòng)力系統(tǒng)主要由承載底盤、卷軸、PE 管、多功能減速器、軸流水輪機(jī)和灑水車等組成，詳見(jiàn)圖1。

圖1 JP75-300 型卷盤式噴灌機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 負(fù)載轉(zhuǎn)速的大小計(jì)算

卷盤式噴灌機(jī)的噴灑車在田間的運(yùn)動(dòng)線速度一般在8～60m/h，根據(jù)卷盤的轉(zhuǎn)速n與噴灑車線速度υ的換算關(guān)系得：

式中，n 為卷盤轉(zhuǎn)速，r/min；υ 為噴灑車的線速度，m/h；R 為PE 管回卷半徑，m。

2 減速器結(jié)構(gòu)形式及型號(hào)的確定

依據(jù)行業(yè)已有的計(jì)算方法和設(shè)計(jì)理念，大致分為四種基本類型：Z-X-V 型、2Z-X 型、2Z-V 型及Z-X 型。這四種類型國(guó)內(nèi)均有運(yùn)用。單級(jí)傳動(dòng)比：Z-X-V 型及Z-X 型從10～100 左右，實(shí)例中不難發(fā)現(xiàn)單級(jí)傳動(dòng)比達(dá)幾百甚至幾千時(shí)，允許的效率較低，外齒輪輸出|iX4|較小的Ⅱ型傳動(dòng)方案，主要使用在傳動(dòng)比不足30 時(shí)的情況；2Z-V 型前置一級(jí)外嚙合圓柱齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比可在50～300 之間方便地調(diào)整，其前級(jí)傳動(dòng)比取1.5～3 為宜。此處選擇內(nèi)齒輪輸出的2Z-X(2K-H)Ι型，其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下：

圖2 2Z-X（2K-H）Ι型機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.1 傳動(dòng)比及傳動(dòng)效率計(jì)算

由于帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)傳動(dòng)效率相對(duì)低，并且為了使傳動(dòng)系統(tǒng)整體體積減小、結(jié)構(gòu)盡量緊實(shí)，通過(guò)聯(lián)軸器使得電動(dòng)機(jī)一端的輸出軸和行星齒輪一端的輸入軸相連接，摒棄了傳統(tǒng)的帶傳動(dòng)。本文利用具備內(nèi)部和外部嚙合和公共齒輪的2K-H行星齒輪傳動(dòng)。選擇驅(qū)動(dòng)裝置為直流電機(jī)設(shè)備，行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的輸出軸的動(dòng)力傳遞給固定在卷盤式噴灌機(jī)的卷盤側(cè)面的上，實(shí)現(xiàn)卷盤的轉(zhuǎn)動(dòng)。

式中ηe——行星齒輪的嚙合效率；ηp——變速機(jī)構(gòu)的效率；ηb——在旋轉(zhuǎn)臂軸承的效率。

3 行星齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)

3.1 主要傳動(dòng)參數(shù)的確定

3.1.1 齒數(shù)差的確定

顧名思義就是內(nèi)嚙合齒輪對(duì)的齒數(shù)相對(duì)于外嚙合齒輪的齒數(shù)之差zd=z2-z1，因此被稱為齒數(shù)差。大多數(shù)情況下我們選擇將zd=1～8 歸為少齒差，相應(yīng)的zd=0 則歸為零齒差。當(dāng)內(nèi)齒輪齒的數(shù)量是恒定的，在齒的數(shù)量上，較小的傳動(dòng)比和較高的效率齒數(shù)差越大。在少齒差傳動(dòng)的情況下，它通常取zd=1～4，動(dòng)力傳動(dòng)宜取zd≥2。零齒差用作為輸出機(jī)構(gòu)，因加工較麻煩，故現(xiàn)在較少用。故本文選取zd=2。

3.1.2 齒數(shù)的確定

（1）行星輪為雙聯(lián)齒輪

已知傳動(dòng)比為iX4

（2）公共行星輪具

式中，zd為內(nèi)齒輪與行星輪齒數(shù)差。當(dāng)采用壓力角為20°的標(biāo)準(zhǔn)齒輪傳動(dòng)時(shí)，若最小內(nèi)齒輪齒數(shù)zN=40～80，取zd=7；若zN=80～100，取zd=6。當(dāng)選取的齒數(shù)差zd小于前面的數(shù)值時(shí)，要通過(guò)角變位及縮短齒頂高來(lái)避免干涉?！啊馈焙汀啊碧?hào)，正傳動(dòng)比用前一個(gè)符號(hào)，負(fù)傳動(dòng)比用后一個(gè)傳動(dòng)比。

3.1.3 齒形角和齒頂高系數(shù)

本文采用齒形角α=20°，必要時(shí)也可用非標(biāo)準(zhǔn)齒形。當(dāng)齒數(shù)差為1 時(shí)，取α=14°～25°；齒數(shù)差≥2 時(shí)，取α=6°～14°。在齒形角α=20°時(shí)，齒頂高系數(shù)ha*取0.6～0.8。當(dāng)ha*減小時(shí)，嚙合時(shí)α'也減小，這對(duì)提高效率是有利的。

3.1.4 外齒輪的變位系數(shù)

計(jì)算外齒輪的變位系數(shù)第一步就是要銜接嚙合的方程：

表1 外齒輪變位數(shù)x1的最大值

綜上所述，取z1=100，用滾刀加工，取x1=0.645；z2=103，用z0=17 的插齒刀加工，取x2=1.328。m=2.5，α=20°，ha*=0.8，C*=0.3。

2.1.5 主要零件的材質(zhì)和齒輪精度等級(jí)

重要零部件材料屬性和齒輪的精度等級(jí)見(jiàn)表2。

表2 主要零件的材質(zhì)和齒輪精度

3.2 行星齒輪幾何尺寸的計(jì)算

（1）齒厚增量系數(shù)；

（2）嚙合角的計(jì)算；

（3）其他幾何參數(shù)計(jì)算；

（4）重合度計(jì)算。

由此，檢查是否許可。

4 漸開線少齒差行星傳動(dòng)的效率

大多數(shù)漸開線少齒差行星傳動(dòng)通常都是應(yīng)用到卷盤機(jī)和起重機(jī)中，它的重要功率損耗有嚙合摩擦損失、輸出部分的摩擦損失、滾動(dòng)軸承的摩擦損失和攪動(dòng)潤(rùn)滑油的損失等。很明顯，上述四種效率構(gòu)成了傳輸設(shè)備的整體效率。綜上所述，傳動(dòng)效率的計(jì)算公式可以表示為：

式中，ηM——齒輪的嚙合效率；ηW——輸出機(jī)構(gòu)的效率；ηB——滾動(dòng)軸承的效率；ηL——攪動(dòng)潤(rùn)滑油的效率。

4.1 嚙合效率

4.1.1 一對(duì)內(nèi)齒輪嚙合的效率

由計(jì)算轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)的嚙合效率：

4.2 計(jì)算輸出機(jī)構(gòu)的效率

輸出機(jī)構(gòu)為銷軸式，假定制造精度較高，銷套能在銷軸上靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)不存在潤(rùn)滑失效的情況，為避免軸套和銷軸之間的摩擦系數(shù)過(guò)大，則可以規(guī)定μW=0.01，所以：

4.3 轉(zhuǎn)臂軸承、輸入軸軸承和輸出軸承的效率

分別取ηBC=0.985，ηBi=0.995，ηB0=0.995。

潤(rùn)滑油灑濺溢出所導(dǎo)致的虧耗效率暫略不計(jì)。

4.4 減速器的總效率

5 結(jié)論

漸開線少齒差行星齒輪減速器相較于其他型號(hào)減速器具有一定的優(yōu)勢(shì)，其傳動(dòng)比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)旨在將其應(yīng)用于濃霧噴灌機(jī)上，要求能夠傳遞較大的扭矩，帶動(dòng)卷盤勻速滾動(dòng)，使得噴灑小車能夠在田間自由的行走，灌溉得更加均勻，因此設(shè)計(jì)此類減速器具有一定的使用價(jià)值。