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目 錄
前 言
1傳動(dòng)方案的擬定和選擇
1.1 擬定方案 2
1.1.1具體方案的擬定和比較 2
1.2 方案的確定 6
2 電動(dòng)機(jī)的選擇
2. 1 主電動(dòng)機(jī)的選擇 7
2.1.1 電動(dòng)機(jī)類(lèi)型和結(jié)構(gòu)形式選擇 7
2.1. 2選擇電動(dòng)機(jī)容量 7
2. 2 無(wú)級(jí)變速電動(dòng)機(jī)的選擇 8
2.2.1分析絞車(chē)的工作過(guò)程: 8
2.2.2 分析電動(dòng)機(jī)的具體工作情況 8
2.2.3 電動(dòng)機(jī)容量的計(jì)算 10
2.2.4 電動(dòng)機(jī)類(lèi)型的選擇 11
3 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)
3.1 調(diào)速系統(tǒng)介紹 11
3.2 不同交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn) 12
3.3 變頻控制方式的選擇 14
3.4 確定變頻器 15
3.5 JPS變頻器的功能、原理、技術(shù)參數(shù)等 15
3.5.1概述 15
3.5.2型號(hào)意義 16
3.5.3 技術(shù)參數(shù)及性能 17
3.5.4 外形及安裝尺寸 18
3.5.5 使用維護(hù)注意事項(xiàng) 18
4 行星齒輪的計(jì)算
4.1 行星齒輪基本參數(shù)的計(jì)算 19
4.1.1 傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比及分配 19
4.1.2 行星齒輪傳動(dòng)的配比計(jì)算 20
4.1.3 輪齒數(shù)的選擇 22
4.2 行星齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)與計(jì)算 22
4.3 選擇材料、齒輪、傳動(dòng)比 23
4.4 無(wú)級(jí)變速電動(dòng)機(jī)輸入齒輪傳動(dòng)計(jì)算 33
5 傳動(dòng)系統(tǒng)的其他設(shè)計(jì)
5.1均載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 37
5.2 行星架的設(shè)計(jì) 37
5.3 箱體的基本參數(shù) 38
5.4 變速軸的設(shè)計(jì) 38
總 結(jié) 40
參考文獻(xiàn) 41
致 謝 42
南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文
前言
隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,許多設(shè)備都要求變工礦運(yùn)行,例如,交通工具、機(jī)械加工設(shè)備提升設(shè)備等等這些設(shè)備一般都具有調(diào)速功能,而且隨著對(duì)生產(chǎn)、勞動(dòng)條件等要求的提高和改善,要求它們具有無(wú)級(jí)調(diào)速功能。無(wú)機(jī)調(diào)速種類(lèi)繁多,按調(diào)速性能分,調(diào)速設(shè)備可分為普通型和高性能調(diào)速型;按大類(lèi)分可分為機(jī)械調(diào)速和電力調(diào)速(其中電力調(diào)速又分為直流調(diào)速和交流調(diào)速),但不同類(lèi)型的設(shè)備都有自己適用的條件,所以選用設(shè)備時(shí),需要根據(jù)生產(chǎn)要求、環(huán)境等條件來(lái)選擇最適用、最合理的無(wú)級(jí)變速設(shè)備。
本次設(shè)計(jì)的課題是無(wú)級(jí)變速提升絞車(chē)的設(shè)計(jì),考慮到工作環(huán)境、工作要求、經(jīng)濟(jì)等因素,決定采用機(jī)械和電氣混合來(lái)完成無(wú)級(jí)調(diào)速。機(jī)械調(diào)速部分是采用行星齒輪變速器,因?yàn)樾行驱X輪傳動(dòng)是一種行型、高效的傳動(dòng)型式,它具有體積小、重量輕、傳動(dòng)比范圍大、承載能力高、壽命長(zhǎng)、適用面廣等優(yōu)點(diǎn),可滿(mǎn)足不同的工作條件,特別是隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,各種類(lèi)型的行星齒輪傳動(dòng)裝置在國(guó)防、冶金、礦山、煤炭、工程、起重運(yùn)輸、化工、輕工、儀表等工業(yè)部門(mén)得到日益廣泛的應(yīng)用。因此,各種高效的小型行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)懲出不窮。本次采用的是差動(dòng)式NEW型行星齒輪。該輪系具有傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、維修方便等。差動(dòng)調(diào)速是采用無(wú)級(jí)變速電動(dòng)機(jī)。因?yàn)榻涣麟妱?dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。且目前其調(diào)速裝置已處于成熟階段,以顯示出極強(qiáng)的生命力,所以其應(yīng)用范圍愈來(lái)愈廣,而且其性?xún)r(jià)比小。本課題采用了電氣和機(jī)械組合成無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng),因此其結(jié)合了兩方面的優(yōu)點(diǎn),使得該裝置無(wú)論在性能,還是在效率方面都由著其它調(diào)速系統(tǒng)不可比比擬的優(yōu)點(diǎn)。
本次設(shè)計(jì)由于時(shí)間緊張,加之本人水平和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)有限,設(shè)計(jì)中難免會(huì)有錯(cuò)誤,望各位老師批評(píng)指正!
無(wú)級(jí)變速提升絞車(chē)設(shè)計(jì)
1 傳動(dòng)方案的擬定和選擇
1.1 擬定方案
1.1.1具體方案的擬定和比較
隨著世界工業(yè)的迅速發(fā)展,無(wú)論是在機(jī)械生產(chǎn)方面,還是在車(chē)輛運(yùn)輸、拖動(dòng)方面,對(duì)調(diào)速方面的要求已越來(lái)越高,以前的恒速運(yùn)轉(zhuǎn)或有級(jí)調(diào)速在許多場(chǎng)合下已經(jīng)不再適應(yīng)了,因此,對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的要求也就提高到無(wú)級(jí)變速方面了,而且,對(duì)無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)的調(diào)速性能和調(diào)速穩(wěn)定性的要求也越來(lái)越高,以適應(yīng)不同要求的需要。
在無(wú)機(jī)變速傳動(dòng)系統(tǒng)中,就目前來(lái)講已經(jīng)是處于較成熟階段了,主要分為機(jī)械調(diào)速、電氣調(diào)速、電氣機(jī)械組合調(diào)速和液壓機(jī)械組合調(diào)速,各種調(diào)速系統(tǒng)各有千秋,每種系統(tǒng)都有各自適用的場(chǎng)合。
以下是本次設(shè)計(jì)所列出的幾種方案:
方案一:
Ⅰ-輸入軸;Ⅱ-調(diào)速軸;Ⅲ-輸出軸
b-內(nèi)齒圈;g-行星輪;a-太陽(yáng)輪
圖1-1 變頻交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)式無(wú)級(jí)變速器
該方案是用2K-H行星齒輪的差動(dòng)式無(wú)級(jí)變速器,其無(wú)級(jí)變速原理圖如圖(1-1)所示,運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力由Ⅰ軸和Ⅱ軸輸入,軸Ⅰ轉(zhuǎn)速的輸入是固定不變的,即太陽(yáng)輪的轉(zhuǎn)速是固定不變的。其調(diào)速是通過(guò)與軸Ⅱ聯(lián)接的無(wú)級(jí)變速電動(dòng)機(jī)來(lái)調(diào)速的,該電動(dòng)機(jī)是YLJ系列三相力矩異步電動(dòng)機(jī),其無(wú)級(jí)變速是通過(guò)用JPS交流變頻調(diào)速裝置來(lái)控制實(shí)現(xiàn)的(JPS交流變頻系統(tǒng)的輸出頻率為2-50Hz),通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)輸入頻率的控制以達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)的輸出速度,因?yàn)镴PS的變頻式連續(xù)的,所以,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也就是連續(xù)了,電動(dòng)機(jī)通過(guò)與Ⅱ軸的聯(lián)接,從而來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速輪的無(wú)級(jí)變速,由于太陽(yáng)輪的轉(zhuǎn)速式固定不變的,而內(nèi)齒圈是和調(diào)速輪相配合的,調(diào)速輪無(wú)級(jí)變速轉(zhuǎn)化為內(nèi)齒圈b的無(wú)級(jí)變速,從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)齒圈和太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速的連續(xù)差動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)輸出軸的無(wú)級(jí)變速。
這種無(wú)級(jí)變速器主要有以下優(yōu)點(diǎn):1、調(diào)速方便,其調(diào)速是通過(guò)對(duì)JPS面板的按鈕來(lái)控制的,所以方便快捷;2、調(diào)速精確,JPS變頻調(diào)速裝置的頻率精度為1%;3、能根據(jù)系統(tǒng)控制量組成閉環(huán)控制,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)和計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)控制;4、過(guò)載保護(hù);5、故障自診斷顯示。
但是該無(wú)級(jí)變頻系統(tǒng)存在以下幾方面的缺點(diǎn):1、體積和重量較大,該系統(tǒng)為了能達(dá)到調(diào)速穩(wěn)定,提高調(diào)速性能,而采用了兩個(gè)電動(dòng)機(jī),跟軸Ⅱ聯(lián)接的電動(dòng)機(jī)是恒速運(yùn)轉(zhuǎn),跟軸Ⅰ聯(lián)接的電動(dòng)機(jī)是變頻無(wú)級(jí)調(diào)速電動(dòng)機(jī),這樣就使得系統(tǒng)的體積和重量變得較大;2、價(jià)格較高,由于使用了兩個(gè)電動(dòng)機(jī),因此價(jià)格方面也就較高了。然而,隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展,價(jià)格也隨之而降,所以該系統(tǒng)作為一種簡(jiǎn)單的無(wú)級(jí)調(diào)速裝置的也就具有了實(shí)用性了。
方案二:
Ⅰ-輸入軸;Ⅱ-輸出軸
1a、1b-主動(dòng)錐形輪;2a、2b-從動(dòng)錐形輪;3-三角帶;4-螺桿;5-撥叉;6-彈簧
圖1-2 帶式無(wú)級(jí)變速器
該方案是撓性摩擦式無(wú)級(jí)變速器,又稱(chēng)為帶式無(wú)級(jí)變速器,撓性件為寬型三角帶,其變速原理如圖(1-2)所示。運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力由Ⅰ軸輸入,通過(guò)兩對(duì)能互相開(kāi)合的左、右錐形帶輪1a、1b及2a、2b和三角帶3驅(qū)動(dòng)Ⅱ軸轉(zhuǎn)動(dòng)。主動(dòng)左帶輪1a用平鍵固定在Ⅰ軸上,主動(dòng)右?guī)л?b用花鍵固定在Ⅰ軸相聯(lián)接,而且在螺桿4和撥叉5的作用下可沿Ⅰ軸滑移。從動(dòng)左輪2a用花鍵固定在Ⅱ軸上,從動(dòng)右輪2b用導(dǎo)鍵與Ⅱ軸相聯(lián)接,而且在帶輪2a與2b之間裝有壓緊彈簧。當(dāng)用螺桿4和撥叉5操縱帶輪1b向帶輪1a合攏或分開(kāi)時(shí),迫使皮帶在兩輪的錐面間向外或向里移動(dòng)。由于皮帶的長(zhǎng)度是一定的,當(dāng)皮帶在主動(dòng)、從動(dòng)輪的工作半徑,使從動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速.
這種無(wú)級(jí)變速器的變范圍為:
式中 ——帶輪的最大工作半徑,==;
——帶輪的最小工作半徑,==。
這種帶式無(wú)級(jí)變速器的緩沖吸振性能較好,傳遞功率可達(dá)到7KW,變速范圍≤8;缺點(diǎn)是皮帶和帶輪的工作表面磨損較嚴(yán)重,皮帶壽命較短,特別是帶輪與軸的花鍵或?qū)фI聯(lián)接處容易生銹,甚至引起振動(dòng)或聯(lián)接失效。
方案三:
Ⅰ-輸入軸;Ⅱ-中間軸;Ⅲ-輸出軸
1- 主動(dòng)摩擦輪;2-從動(dòng)摩擦輪;3、4、5-齒輪;6-彈簧;7-擺動(dòng)支架
圖1-3 多盤(pán)摩擦式無(wú)級(jí)變速器(a)
圖1-3 多盤(pán)式無(wú)級(jí)變速器(b)
多盤(pán)摩檫式無(wú)級(jí)變速器的變速原理如圖(1-3a)所示。運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力由Ⅰ軸輸入,經(jīng)中間軸Ⅱ從Ⅲ軸輸出。在主動(dòng)軸Ⅰ和中間軸Ⅱ上分別裝有多片摩擦盤(pán)1和2,兩軸上的摩擦盤(pán)相間安裝,并用彈簧6壓緊。中間軸Ⅱ支撐在擺動(dòng)支架7上,而支架7可通過(guò)操縱機(jī)構(gòu)擺動(dòng)一定角度,使中間軸上的從動(dòng)摩擦盤(pán)2靠近或遠(yuǎn)離主動(dòng)摩擦盤(pán)1,借以改變主動(dòng)摩擦盤(pán)在接觸處的摩擦半徑。由于從動(dòng)盤(pán)的摩擦半徑是不變的(見(jiàn)圖1-3b),而主動(dòng)盤(pán)的摩擦半徑在和之間變化,當(dāng)Ⅰ軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),Ⅱ軸便在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速,并經(jīng)過(guò)定軸齒輪3、4、5驅(qū)動(dòng)輸出軸Ⅲ轉(zhuǎn)動(dòng)。這種無(wú)級(jí)變速器通常裝有三組從動(dòng)摩擦盤(pán),分布在主動(dòng)摩擦盤(pán)周?chē)コ?,并用同一個(gè)操縱機(jī)構(gòu)操縱。
這種無(wú)級(jí)變速器的變速范圍為:
該系統(tǒng)(多摩擦盤(pán)式無(wú)級(jí)變速器)主要有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn):1、結(jié)構(gòu)
緊湊、使用方便;2、傳遞功率較大,可達(dá)100KW。該變速器的變速范圍,只作減速傳動(dòng)。
由于該變速器是靠盤(pán)片的磨擦來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速的,因此存在的缺點(diǎn)是:1、效率低;2、發(fā)熱較嚴(yán)重;3、須較常更換摩擦盤(pán)片。因此,目前多盤(pán)摩擦式無(wú)級(jí)變速器雖然還有應(yīng)用在化工及輕工機(jī)械上,但是大部分已經(jīng)被新型的高效率的變速器替換了。
方案四
Ⅰ-輸入軸;Ⅱ-調(diào)速軸;Ⅲ-輸出軸
b-內(nèi)齒圈;g-行星輪;a-太陽(yáng)輪
圖1-4 液壓式無(wú)級(jí)變速器
該方案為液壓機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。行星傳動(dòng)原理同方案一如圖(1-4)所示,不同之處是該方案把方案一的無(wú)級(jí)變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)去掉,換成了變量泵-定量馬達(dá)無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)。泵的輸入由齒輪副從軸Ⅱ分流出一部分功率作為液壓泵的輸入功率。在這個(gè)調(diào)速系統(tǒng)中,在將功率分為液壓和機(jī)械兩路時(shí),液壓馬達(dá)在正向和反向的最大速度之間來(lái)會(huì)無(wú)級(jí)變速,其每一個(gè)行程可以與行星齒輪機(jī)械的一種工況相配合,最后兩路匯合成若干無(wú)級(jí)段落相銜接并逐段升高的無(wú)級(jí)變化輸出速度。此外,液壓元件可顯著減小,只負(fù)擔(dān)最大功率的幾分之一,其它部分都由機(jī)械線(xiàn)路傳遞,相當(dāng)于無(wú)級(jí)變速功率擴(kuò)大幾倍,從而傳動(dòng)總效率顯著提高。
但該方案存在以下幾方面的缺點(diǎn):1、成本較高,液壓元件(如液壓泵、液壓馬達(dá)等)的制造精度要求高,因而導(dǎo)致該系統(tǒng)成本較高;2、環(huán)境污染,因液壓系統(tǒng)的密封性問(wèn)題,總會(huì)產(chǎn)生漏油現(xiàn)象。還有更換下來(lái)的液壓油,都會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染;3、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,安裝較麻煩;4、進(jìn)行維護(hù)、檢修復(fù)雜麻煩。
1.2 方案的確定
根據(jù)對(duì)各具體方案的介紹和比較可知:
方案一和方案四的機(jī)械部分相同,只是在調(diào)速部分不同而已,從性能、經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)、使用和維護(hù)的方便等方面優(yōu)缺點(diǎn)總體評(píng)價(jià)一下。方案一具有調(diào)速范圍寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用和維護(hù)方便等的優(yōu)點(diǎn);方案四具有調(diào)速范圍寬、效率高等優(yōu)點(diǎn),但是該方案結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,維護(hù)麻煩和調(diào)速精確性不高等,所以方案一的可行性是較高的。
方案二和方案三結(jié)構(gòu)也差不多,方案二是帶式無(wú)級(jí)變速器,其緩沖吸振性能較好,傳遞功率可達(dá)到7KW,變速范圍≤8;缺點(diǎn)是皮帶和帶輪的工作表面磨損較嚴(yán)重,皮帶壽命較短,特別是帶輪與軸的花鍵或?qū)фI聯(lián)接處容易生銹,甚至引起振動(dòng)或聯(lián)接失效。方案三是多摩擦盤(pán)式無(wú)級(jí)變速器,其結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便,而且傳遞功率較大,可達(dá)100KW,變速范圍,只作減速傳動(dòng),缺點(diǎn)是效率低、發(fā)熱較嚴(yán)重。從兩個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)衡量一下,選擇方案二還是較可行的。
最后,再把兩個(gè)較可行的方案再比較一下,從中選出一個(gè)最好的方案來(lái)。比較一下方案一和方案二,總體權(quán)衡一下,再結(jié)合一下本次的課題的要求和現(xiàn)在的發(fā)展方向來(lái)看,選擇方案一是最可行的。
所以本次設(shè)計(jì)就把方案一定為這次設(shè)計(jì)的基本設(shè)計(jì)思想,下面就是開(kāi)始該方案的設(shè)計(jì)和論證了。
2 電動(dòng)機(jī)的選擇
2. 1 主電動(dòng)機(jī)的選擇
2.1.1 電動(dòng)機(jī)類(lèi)型和結(jié)構(gòu)形式選擇
工業(yè)上一般用三相交流電源,由于本次設(shè)計(jì)中使用的電動(dòng)機(jī)無(wú)特殊要求,所以選擇三相交流異步電動(dòng)機(jī)。從電動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性比較來(lái)看,選用Y系列籠型三相異步電動(dòng)機(jī)(YZ)。
2.1. 2選擇電動(dòng)機(jī)容量
1〉 工作機(jī)所需功率 P=5(KW)
輸出轉(zhuǎn)距 T(N.m)
輸出轉(zhuǎn)距 =0~100(r/min)
(N.m)
2〉 電動(dòng)機(jī)的輸出功率
(1) 2K-H行星齒輪的傳動(dòng)功率約為:
=0.970--0.990
(2) 二級(jí)減速器的傳動(dòng)效率約為:
=0.9
所以:(KW)
再綜合一下其它一些因數(shù)的影響或損失,決定選(KW)
3〉 轉(zhuǎn)速
1500(r/min)
4〉 型號(hào)
根據(jù)課程設(shè)計(jì)(P196表20-1)進(jìn)行選擇可得:
電機(jī)型號(hào):Y132M-4
功率:7.5 KW
轉(zhuǎn)速:1440 r/min
額定轉(zhuǎn)距:2.2 KN.m
同步轉(zhuǎn)速:1500 r/min
2. 2 無(wú)級(jí)變速電動(dòng)機(jī)的選擇
2.2.1分析絞車(chē)的工作過(guò)程:
1〉 啟動(dòng)階段:滾筒轉(zhuǎn)速由r/min,屬增速過(guò)程。
電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速由高到低,屬減速過(guò)程。
2〉 工作階段:滾筒轉(zhuǎn)速恒定為100r/min。
電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速也恒定,為0r/min。
3〉 停車(chē)階段:滾筒轉(zhuǎn)速由r/min,屬減速過(guò)程。
電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速由低到高,屬增速過(guò)程。
以上工作過(guò)程的速度變化曲線(xiàn)可用圖(2-1)表示:
2.2.2 分析電動(dòng)機(jī)的具體工作情況
由圖(2-1)的速度變化曲線(xiàn)可以得出,電動(dòng)機(jī)緊在啟動(dòng)和停車(chē)階段運(yùn)轉(zhuǎn),其在兩過(guò)程中的速度變化是一致的,但方向相反。而在主電動(dòng)機(jī)恒速運(yùn)動(dòng)時(shí),電動(dòng)機(jī)是不工作的。
變速系統(tǒng)各齒輪在某一時(shí)刻的速度方向如圖(2-2)所示,根據(jù)參考文獻(xiàn)3,P17 第一節(jié)中的式(2-1)、(2-2)、(2-3)計(jì)算行星齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比有如下關(guān)系:
1〉 計(jì)算行星齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比
圖2-1 無(wú)級(jí)變速電動(dòng)機(jī)輸出速度變化曲線(xiàn)
圖2-2 輪系速度方向
- - - - - - - - - - - - - -(2-1)
再由文獻(xiàn)3,第一節(jié)的公式(2-2)可得:
由以上三個(gè)公式可推出:
- - - - - - - - - - - (2-2)
式中:--太陽(yáng)輪a的齒數(shù);
--內(nèi)齒圈b的齒數(shù)。
在圖(2-2)所示的電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)圖中,a-b-H-調(diào)速輪組成2K-H差動(dòng)輪系。由式(2-2)可以得出當(dāng)與反向時(shí)[如圖(2-2)所示],下降,從而達(dá)到調(diào)速目的。
當(dāng)要求輸出為零,即起動(dòng)前和停車(chē)后滾筒不轉(zhuǎn)的狀態(tài)時(shí),有:
=0
由式(2-2)得:
- - - - - - - - - -- (2-3)
=-360(r/min)
式中負(fù)號(hào)表示與速度方向相反。
的工況速度變化范圍為0-360 r/min,變化時(shí)序圖見(jiàn)圖(2-3),假設(shè)圖(2-3)中輪3余內(nèi)齒圈b的傳動(dòng)比為,則可的馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速范圍為:
(0-360)
其中為的值在后面計(jì)算時(shí)確定。
2.2.3 電動(dòng)機(jī)容量的計(jì)算
設(shè)絞車(chē)在工作時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)提升速度為,在過(guò)渡階段需要調(diào)速至最小速度為。主電動(dòng)機(jī)到滾筒的總傳動(dòng)比為,二級(jí)減速器的傳動(dòng)比為,對(duì)于周轉(zhuǎn)輪系可列一下傳動(dòng)比公式:
或 - - - - - (2-4)
在轉(zhuǎn)化輪系中,齒輪a的功率,為輪a受到的轉(zhuǎn)矩,齒輪b的功率,為輪b受到的轉(zhuǎn)矩,行星架H功率為零,若不計(jì)摩擦,且構(gòu)件的勻速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),有,從而有:
- - - - - - - - - - - - - - (2-5)
因電機(jī)的功率,將式(2-4)、(2-5)代入此式,得:
- - - - - - - - - - - (2-6)
當(dāng)輸出軸的轉(zhuǎn)速為零時(shí),即=0時(shí),電動(dòng)機(jī)需要的功率最大,這時(shí)式(2-6)轉(zhuǎn)化為:
=5kw
2.2.4 電動(dòng)機(jī)類(lèi)型的選擇
本次設(shè)計(jì)的無(wú)級(jí)變速部分是由兩部分組成:一、瑞安電氣控制設(shè)備廠(chǎng)生產(chǎn)的JPS交流調(diào)速裝置;二、三相異步電動(dòng)機(jī)。
由于JPS交流調(diào)速裝置對(duì)電動(dòng)機(jī)無(wú)特殊要求(JPS交流調(diào)速裝置主要用于工頻電壓為380V、功率2.2KW至75KW的三相異步電動(dòng)機(jī)),但是由圖(2-1)可知電動(dòng)機(jī)需要有一段時(shí)間工作在靜止?fàn)顟B(tài),因此選擇YLJ交流力矩電動(dòng)機(jī)。
根據(jù)容量和類(lèi)型確定電動(dòng)機(jī)為:型號(hào):YLJ132-16/6
堵轉(zhuǎn)力矩:16(N.m)
極數(shù):6
堵轉(zhuǎn)時(shí)間:30(min)
最大電流:6(A)
3 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)
3.1 調(diào)速系統(tǒng)介紹
直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)是在19世紀(jì)中期先后誕生的。交流電動(dòng)機(jī)比起直流電動(dòng)機(jī)來(lái),省去了換向器,使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、結(jié)實(shí)、緊湊,維修工作量小,運(yùn)行效率高,轉(zhuǎn)動(dòng)慣性小,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,可以做到高電壓、大容量、高速化。以往由于缺少響應(yīng)的控制手段,控制調(diào)速比較困難。但隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展,新的控制系統(tǒng)不斷推出,從而使交流調(diào)速得到迅速發(fā)展。
在交流異步電動(dòng)機(jī)中,從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率可以分為兩部分:一部分是拖動(dòng)負(fù)載的有效功率;另一部分是轉(zhuǎn)差功率,與轉(zhuǎn)差率s成正比,它的去向是調(diào)速系統(tǒng)效率高低的標(biāo)志。就轉(zhuǎn)差功率的去向而言,異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)可以分成三大類(lèi)。
1、 轉(zhuǎn)差功率消耗型
這種調(diào)速系統(tǒng)全部轉(zhuǎn)差功率都被消耗掉,用增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來(lái)?yè)Q取轉(zhuǎn)速的降低,因而效率也隨之降低。降低電壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器及繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速這三種方法都屬于這一類(lèi)。
2.轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速系統(tǒng)
這種調(diào)速系統(tǒng)的大部分轉(zhuǎn)差功率通過(guò)交流裝置回饋給電網(wǎng)或者加以利用,轉(zhuǎn)速越低回饋的功率越多,但是,增設(shè)的裝置也要多消耗一部分功率。繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串級(jí)調(diào)速即屬于這一類(lèi)。
3.轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)
這種調(diào)速系統(tǒng)中,轉(zhuǎn)差功率仍舊消耗在轉(zhuǎn)子里,但無(wú)論轉(zhuǎn)速高低,轉(zhuǎn)差功率基本不變。如變極對(duì)數(shù)調(diào)速、變頻調(diào)速兩種調(diào)速方法即屬于這一類(lèi)。
3.2 不同交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)
圖3-1 異步電動(dòng)機(jī)在改變定子電壓時(shí)的機(jī)械特性
U1 〉U2 〉U3
1.調(diào)壓調(diào)速
當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)定子與轉(zhuǎn)子回路的參數(shù)為恒定時(shí),在一定的轉(zhuǎn)差率下,電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與加在其定子繞組上電壓U的平方成正比,因此,改變電動(dòng)機(jī)的定子繞組就可以改變其機(jī)械特性的函數(shù)關(guān)系,從而改變電動(dòng)機(jī)在一定輸出轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速。圖(3-1)表示異步電動(dòng)機(jī)在調(diào)速調(diào)壓時(shí)的機(jī)械特性。
2.電磁轉(zhuǎn)差離合調(diào)速系統(tǒng)
電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速系統(tǒng),是由鼠籠異步電動(dòng)機(jī)、電磁轉(zhuǎn)差離合器以及控制裝置組合成。鼠籠電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)以恒速帶動(dòng)電磁離合器的
電樞轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)對(duì)電磁力合器勵(lì)磁電流的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)其刺激的調(diào)速調(diào)節(jié)。
在不加反饋控制時(shí)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性就是電磁轉(zhuǎn)差離合器的機(jī)械特性。
由于電磁轉(zhuǎn)差離合器的工作原理與異步電動(dòng)機(jī)相似。而改變電磁轉(zhuǎn)差離合
器的勵(lì)磁電流相當(dāng)于異步電動(dòng)機(jī)在改變定子供電電壓時(shí)的工作,所以它們兩者的調(diào)速特性也相似,電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性如圖3-2所示。
圖3-2 電磁轉(zhuǎn)差離合器機(jī)械特性
3.繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串級(jí)調(diào)速
對(duì)于交流繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)可以在通過(guò)在轉(zhuǎn)子回路串電阻來(lái)進(jìn)行調(diào)
3-3 轉(zhuǎn)子串Rf調(diào)速系統(tǒng)(a>調(diào)速原理圖 b>機(jī)械特性)
速,它的原理圖和機(jī)械特性如圖(3-3)所示,由圖[3-3(b)]可見(jiàn),假定不變,當(dāng)動(dòng)作在自然特性上時(shí),則有轉(zhuǎn)速;當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻增大為,則轉(zhuǎn)速降到,依此類(lèi)推。由圖(3-3)可見(jiàn),這種調(diào)速方法比較簡(jiǎn)單、方便,但存在以下幾個(gè)缺點(diǎn):
(1) 調(diào)速是有機(jī)地,不平滑.
(2) 串入較大的電阻后,電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性很軟,低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)負(fù)載稍有變化,轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大。
(3) 電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí),效率甚低,電能損耗很大。
4. 變極對(duì)數(shù)調(diào)速
交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的一般表達(dá)式為:
(3-1)
式中:——極對(duì)數(shù);
——頻率;
——轉(zhuǎn)差率。
圖3-4變極調(diào)速機(jī)械特性
由式(3-1)可見(jiàn)若改變交流電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù),即可改變交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,這種控制方式比較簡(jiǎn)單,只要求電動(dòng)機(jī)定有多個(gè)抽頭,然后通過(guò)觸點(diǎn)的通斷來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)。采用這種控制方式,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是有級(jí)的,不是連續(xù)的,一般只有三擋,最多也就只有五擋。圖(3-4)是變極對(duì)數(shù)調(diào)速的機(jī)械特性。
5.變頻調(diào)速
變頻調(diào)速是最有發(fā)展前途的一種交流調(diào)速方式。變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)是變頻器。目前常用的變頻器有交-直-交變頻器、交-交變頻器以及PWM型變頻器。其中脈寬調(diào)制(PWM)型、多重化電流型及交-交變頻器與上升的趨勢(shì)。變頻器所用的電力半導(dǎo)體器件正向著模塊化、快速化、光控化、高耐壓大電流化自關(guān)斷化和高可靠性化方向發(fā)展;變頻調(diào)速正向著高性能、高精度、大容量、微型化、數(shù)字化和理想化的方向發(fā)展。
目前,交流調(diào)速控制技術(shù)得到了迅速的發(fā)展,新的控制方式不斷問(wèn)世。以下是近來(lái)交流調(diào)速控制技術(shù)發(fā)展的幾個(gè)方面:1、相位控制;2、VVVF控制;3、轉(zhuǎn)差頻率控制;4、脈寬調(diào)制(PWM)控制;5、矢量變換控制;6、磁場(chǎng)控制;7、微計(jì)算機(jī)控制等等。
3.3 變頻控制方式的選擇
比較以上幾種變頻控制方式,以性?xún)r(jià)比高、使用方便的控制方式作為本次設(shè)計(jì)的方案。所以,本次設(shè)計(jì)采用的控制方式是脈寬調(diào)制(PWM)控制中的正弦脈沖寬度調(diào)劑(SPWM)方式。
3.4 確定變頻器
根據(jù)變頻控制方式是正弦脈寬調(diào)制(SPWM)控制,查閱相關(guān)資料( 王忠茂編的《常用調(diào)速設(shè)備技術(shù)手冊(cè)》 機(jī)械工業(yè)出版社),變頻調(diào)速的變頻器有很多種類(lèi),如PI89系列、JPS系列、JBT系列、TP系列等等,S確定JPS變頻器,以下是本次設(shè)計(jì)中無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功能、原理、技術(shù)參數(shù)及性能、使用和維護(hù)要求以及一些相關(guān)的注意事項(xiàng)。
3.5 JPS變頻器的功能、原理、技術(shù)參數(shù)等
3.5.1概述
JPS交流變頻調(diào)速裝置采用正玄脈沖寬度調(diào)劑(SPWN)方式,有大功率晶體管(JPS)組成電壓型逆變器,具有調(diào)速范圍寬、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、保護(hù)功能完善、能夠自診斷故障、安裝和使用方便、體積小、重量輕等特點(diǎn)。
JPS在額定頻率以下輸出特性為恒轉(zhuǎn)矩特性,在額定頻率以上輸出特性為恒功率特性。
JPS 交流變頻調(diào)速裝置主要用于工頻電壓380V、功率2.2~75KW的三項(xiàng)異步電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速拖動(dòng),并能根據(jù)系統(tǒng)的控制(如風(fēng)量、流量、溫度等)組成閉環(huán)控制,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制或計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)控制。
下面簡(jiǎn)述其工作原理:
1) 電路:如圖(3-5)所示,50/60HZ、380V三相交流電源經(jīng)R、S、T三端輸入 ,由整流器整流成直流電源,經(jīng)電容器濾波后給逆變器供電,在
圖3-5 JPS變頻器調(diào)速裝置主電路圖
控制回路下把直流電變換成三相可變電壓、可變頻率的交流電,由U、V、W三端輸出供給電動(dòng)機(jī)。
2)控制電路:控制電路的結(jié)構(gòu)有兩部分組成,一部分是產(chǎn)生PWN脈沖的專(zhuān)用IC機(jī)器外圍電路;另一部分為系統(tǒng)的故障診斷及保護(hù)電路,如圖(3-6)所示。
3)基級(jí)驅(qū)動(dòng)電路(見(jiàn)圖3)
PWM信號(hào)
GTR
電路
整形
電路
級(jí)晶體管V1
短路保
護(hù)電路
光耦
光耦
級(jí)晶體管V2
圖3-7 JPS變頻調(diào)速裝置基極驅(qū)動(dòng)電路原理框圖
3.5.2型號(hào)意義
圖3-8型號(hào)意義
3.5.3 技術(shù)參數(shù)及性能
經(jīng)計(jì)算得本次設(shè)計(jì)所需的JPS的型號(hào)為:JPS—8。下面使該型號(hào)的技術(shù)參數(shù)及性能:
表3-1 本次設(shè)計(jì)使用的JPS變頻調(diào)速裝置技術(shù)參數(shù)及性能:
型號(hào)
JPS—8
額定容量(KVA)
8
額定輸出電流(A)
12
適用電動(dòng)機(jī)最大功率(KW)
5.5
相數(shù)
三相
電壓
380±10% V
頻率
50±2 Hz
控制方式
PWM控制
輸出電壓
3×380V(最高),輸出電壓正比于輸入電壓
輸出頻率
2~50 Hz
輸出精度
±1%
電壓頻率比
一定
過(guò)載能力(電流)
110%連續(xù),150%30s
頻率設(shè)定信號(hào)
DC:0~10V,DC:4~20Ma(可切換)、0~10Ma(外部接口由傳感信號(hào)輸入)
變換頻率
≥95%
功
能
加/減速時(shí)間
1~30s(精度±20%)(可任意設(shè)定)
制動(dòng)
電容充電制動(dòng)20%以上
啟動(dòng)停止
面板上按鈕直接操縱
正傳/反轉(zhuǎn)
可用外部接觸器切換或機(jī)內(nèi)切換
保護(hù)
失速保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)、短路保護(hù)、瞬時(shí)停電保護(hù)、晶體管過(guò)熱保護(hù)
顯
示
輸出頻率顯示
由3位七段LED顯示
故障自診斷顯示
短路、過(guò)電流、過(guò)電壓、欠電壓、過(guò)熱保護(hù)時(shí)LED分別顯示
結(jié)構(gòu)形式
壁掛式
柜式
3.5.4 外形及安裝尺寸
(1) JPS-6型外形和安裝尺寸(見(jiàn)圖3-9表3-2)
型號(hào)
容量(KVA)
W
H
D
A
B
C
固定螺栓
重量(kg)
JPS-8
8
292
6.5
215
262
550
510
M6
18
表3-2 JPS變頻器調(diào)速裝置技術(shù)參數(shù)圖
3.5.5 使用維護(hù)注意事項(xiàng)
1) 裝之宜安裝在清潔、干燥、通風(fēng)良好、避免日光直射、無(wú)高溫和高濕、無(wú)灰塵及腐蝕性可燃性氣體的場(chǎng)合。
因變頻器本身在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定熱量,所以安裝時(shí)周?chē)粲幸欢臻g,以利散熱(四周均應(yīng)留200mm以上)。
環(huán)境溫度不得高于40℃,環(huán)境溫度過(guò)高,將影響變頻器的壽命,環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)為離機(jī)體50mm處
2) 應(yīng)安裝在無(wú)強(qiáng)烈振動(dòng)的場(chǎng)所。
3) 應(yīng)安裝在距離大功率電磁設(shè)備稍遠(yuǎn)的地方。
4) 變頻器按高度方向豎立,無(wú)外罩的安裝而靠墻(或?qū)S弥Ъ埽?,面板朝操作者,文字方向豎立,用螺釘固緊,使用帶有內(nèi)附操作面板的變頻器要安裝在便于操作的地方。
5) 配線(xiàn)時(shí)使用的電線(xiàn),電器規(guī)格見(jiàn)表3-3
表3-3
注:1.絕對(duì)禁止將工頻電源接到輸出端子上。
2.接地端必須用4以上的電線(xiàn)接地。
型號(hào)
JPS
電動(dòng)機(jī)(KW)
3.7
漏電短路器
額定電流(A)
16
標(biāo)準(zhǔn)電線(xiàn)
規(guī)格()
2.5
4 行星齒輪的計(jì)算
4.1 行星齒輪基本參數(shù)的計(jì)算
4.1.1 傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比及分配
1. 計(jì)算總傳動(dòng)比
=14.4
2.分配各級(jí)傳動(dòng)比
1〉確定
2K-H行星齒輪機(jī)構(gòu)如圖所示:
允許值為2.8-13,
推薦值是:3-9。
效率≈0.97-0.99
根據(jù)推薦值,再結(jié)合經(jīng)驗(yàn)得:
取傳動(dòng)比=5
圖(3-11)2K-H行星齒輪機(jī)構(gòu)
本次設(shè)計(jì)的機(jī)械傳動(dòng)部分是由差動(dòng)式行星齒輪變速器和二級(jí)減速器組成,圖3-1是本次設(shè)計(jì)的傳動(dòng)路線(xiàn)方框圖,如下:
圖3-12 傳動(dòng)路線(xiàn)圖
由于總傳動(dòng)比=14.4,一級(jí)傳動(dòng)比、=5,所以二級(jí)傳動(dòng)比為:
=2.88
所以各級(jí)傳動(dòng)比為:一級(jí)傳動(dòng)比=5;二級(jí)傳動(dòng)比=2.88
4.1.2 行星齒輪傳動(dòng)的配比計(jì)算
1. 傳動(dòng)比條件
如圖(4-14)所示2K-H行星(型)傳動(dòng),中心輪a輸入時(shí),給定傳動(dòng)比為
根據(jù)式(2-3)有:
即:
圖(3-14)2K-H行星齒輪機(jī)構(gòu)
2.同軸條件:
對(duì)于行星齒輪傳動(dòng),由于兩中心輪軸線(xiàn)與主軸重合,為保證行星輪g同時(shí)與兩中心輪a、b實(shí)現(xiàn)正確嚙合,對(duì)于圓柱齒輪行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu),要求外嚙合副的中心距與嚙合副得相等,即
3.變位的選擇
在標(biāo)準(zhǔn)傳動(dòng)中,外嚙合齒輪副的接觸強(qiáng)度遠(yuǎn)低于內(nèi)嚙合齒輪副的接觸強(qiáng)度,而采用角度變位傳動(dòng)可適當(dāng)調(diào)整內(nèi)、外嚙合的接觸強(qiáng)度。為此,外嚙合齒輪副通常采用大的嚙合角的正傳動(dòng),;內(nèi)嚙合齒輪副一般采用小嚙合角的正傳動(dòng)或負(fù)傳動(dòng),。這時(shí),整個(gè)行星傳動(dòng)的接觸強(qiáng)度也可提高30%。因此,本次設(shè)計(jì)采用角度變位齒輪的行星傳動(dòng)。
4.變位后的同軸條件
5.裝配條件
在多行星輪的結(jié)構(gòu)時(shí),為保證個(gè)行星輪均勻分布在中心輪的周?chē)夷軠?zhǔn)確的裝入兩個(gè)中心輪的齒間實(shí)現(xiàn)正確嚙合。必須確定各行星輪與中心輪之間的裝配條件,為此以下是具有三個(gè)行星輪的裝配過(guò)程,本課題中行星輪的數(shù)目=3,相鄰兩行星輪的中心對(duì)中心輪所夾的中心角為=1200。設(shè)想先將中心輪b的位置固定,并在圖5-1所示A-A線(xiàn)位置上裝上第一個(gè)行星輪,當(dāng)行星輪的齒數(shù)為偶數(shù)時(shí),若兩個(gè)中心輪a、b的輪齒齒軸同時(shí)位于A-A線(xiàn)上,第一個(gè)行星輪可正確的裝入嚙合位置,然后把行星架H由位置Ⅰ轉(zhuǎn)到Ⅱ,其轉(zhuǎn)角為:
===120
這時(shí)中心輪a轉(zhuǎn)過(guò)相應(yīng)的角度,如果齒輪a的某一輪齒齒軸正好找到A-A線(xiàn)上,仍與固定的中心輪b的輪齒相對(duì)應(yīng),則第二個(gè)行星輪A-A線(xiàn)上同樣能正確的裝入嚙合位置,為此必須等于中心輪a轉(zhuǎn)過(guò)整數(shù)倍齒距所對(duì)應(yīng)的中心角。設(shè)中心輪a轉(zhuǎn)過(guò)的整齒數(shù)應(yīng)有:
=
式中:為太陽(yáng)輪a轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒(齒距)所對(duì)的中心角。
4.1.3 輪齒數(shù)的選擇
行星輪的設(shè)計(jì)除了滿(mǎn)足上述四個(gè)條件,還須滿(mǎn)足其它一些附加條件。比如,高速重載的行星傳動(dòng),應(yīng)有良好的工作平穩(wěn)性,為此,行星輪和內(nèi)齒圈各嚙合副的齒數(shù)最好沒(méi)有公因數(shù)。當(dāng)用插齒刀或剃齒刀加工太陽(yáng)輪時(shí),太陽(yáng)輪的齒數(shù)和插齒刀或剃齒刀齒數(shù)不應(yīng)該成倍數(shù)。
此外齒數(shù)大于100的質(zhì)數(shù)齒輪(如101、103、107 ……),因加工時(shí)切齒機(jī)床調(diào)整較困難,應(yīng)盡量少用。
因此,在選擇齒數(shù)應(yīng)綜合考慮個(gè)因素的相互影響。齒數(shù)的選擇一般有以下幾種方法:
1)比例法; 2)查線(xiàn)圖法; 3)查表法。
本次設(shè)計(jì)用的是角度變位行星齒輪傳動(dòng),因此采用的是查表法,表中的是考慮了強(qiáng)度、嚙合性能等條件的角度變位行星齒輪的齒數(shù)選擇和組合,適用于重載和外形尺寸受到限制的傳動(dòng)裝置。表中的所列的齒數(shù)均滿(mǎn)足同軸、裝配和鄰接條件,且按Δ==-2,-1,0,1,2進(jìn)行配齒的。
傳動(dòng)中a-g嚙合副的齒數(shù)是符合接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度以及膠合強(qiáng)度條件確定的,而對(duì)于b輪(內(nèi)齒圈)主要是改善它的耐磨性。
根據(jù)計(jì)算所得的數(shù)據(jù),用查表法查得:=15 =22 =60
4.2 行星齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)與計(jì)算
基本行星齒輪傳動(dòng)的計(jì)算包括配齒計(jì)算、變位計(jì)算、齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算等。若負(fù)載變化較大或載荷不穩(wěn)定,則還要進(jìn)行短期峰值的靜強(qiáng)度核算。具體的計(jì)算項(xiàng)目視情況而定。下面是本次設(shè)計(jì)中行星齒輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算(表4-1)。
原始數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)要求:
1〉 輸出軸(滾筒)功率:5KW;
2〉 滾筒轉(zhuǎn)速:0-100r/min;
3〉 要求無(wú)極變速
4〉 工作情況:二班制,載荷有輕微沖擊;
5〉 使用年限:8年。
表4-1
項(xiàng)目名稱(chēng)
計(jì)算公式及數(shù)值
說(shuō)明
原 始 數(shù) 據(jù)
傳動(dòng)類(lèi)型
單級(jí)2K-H差動(dòng)式行星齒輪傳動(dòng)
見(jiàn)圖
設(shè)計(jì)目標(biāo)
(假定內(nèi)齒圈b固定)型行星傳動(dòng)
基本參數(shù)
精度等級(jí)
7級(jí)
受載情況
正反向工作、有輕微沖擊
名義功率
KW
額定輸入轉(zhuǎn)速
r/min
最大輸出轉(zhuǎn)數(shù)
=100r/min
使用壽命
L=8×300×16=38400(h)
傳動(dòng)比
失效概率
1%
4.3 選擇材料、齒輪、傳動(dòng)比
序號(hào)
項(xiàng)目名稱(chēng)
計(jì)算公式及數(shù)值
說(shuō)明
1
材料選擇
太陽(yáng)輪和行星輪選用45#鋼滲碳淬火、齒面硬度HB210~260,中心齒輪內(nèi)齒圈選用40Cr調(diào)質(zhì),HB260~280。
見(jiàn)文獻(xiàn)3
p81
表(4-2)
2
選擇齒數(shù)
外嚙合副:
內(nèi)嚙合副:
見(jiàn)文獻(xiàn)1
p730
表(5-1-7)
3
齒數(shù)比
外嚙合副:
內(nèi)嚙合副:
計(jì) 算 接 觸 疲 勞 許 用 應(yīng) 力
4
接觸疲勞極限應(yīng)力
外嚙合副:按框圖中值級(jí)查取
MPa
內(nèi)嚙合副:按框圖MQ級(jí)查取
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P143
圖(4-8、4-17)
5
安全系數(shù)
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P98
表(4-10)
6
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
=60(1440-288)×3×38400
=7.96×
=60×785.45×38400
=1.8×
=60×288×3×38400
=2×
式中:
=
=785.45
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P143
式(5-66)
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P143
式5-66
7
壽命系數(shù)
對(duì)于表面硬化鋼和調(diào)質(zhì)鋼,取=
太陽(yáng)輪:,取,
有
行星輪:,取,
有
內(nèi)齒輪:,取,
有
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P99
表(4-11)
允許有少量的收斂特點(diǎn)。
8
表面硬化系數(shù)
小輪與大輪均為表面硬化鋼
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P98
式(4-43)
9
尺寸系數(shù)
估計(jì)5mm,取
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P98
圖(4-20)
10
接觸疲勞許用應(yīng)力
=×1×1×1=450(Mpa)
×1×1×1=450(Mpa)
×1×1×1=710(Mpa)
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P96
式(4-40)
外嚙合副a~g按齒面接觸疲勞強(qiáng)度初算中心距
11
計(jì)算轉(zhuǎn)距
×1.1=18.236
式中,取
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P139
值選取
12
齒寬系數(shù)
按表,取有
=0.567
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P144
表(5-2)
13
工況系數(shù)
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P76
表(4-1)
14
載荷系數(shù)
初取=1.2×
k=
(1.1~1.3)
15
初算中心距
=
=60.474(mm)
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P88
式(4-23)
16
小輪節(jié)圓直徑
=49.027(mm)
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P106
式(4-59)
17
小輪齒寬
0.7×49.027=34.319(mm)
18
小輪相對(duì)節(jié)圓速度
=2.956(m/s)
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P143
式(5-68)
19
動(dòng)載系數(shù)
0.44
按值查?。?
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P88
圖(4-9)
20
載荷分配系數(shù)
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P99
表(4-8)
21
載荷分配系數(shù)
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P89
圖(4-10)
22
載荷系數(shù)
K=1×1.10×1.1×1.37=1.66
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P88
式(4-24)
23
復(fù)算中心距
=67.351(mm)
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P106
式(4-60)
24
模數(shù)
=3.64
取m=4(mm)
見(jiàn)文獻(xiàn)
P107
式(4-65)
25
標(biāo)準(zhǔn)中心距
=74
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P128
式(5-28)
計(jì) 算 和 選 擇 變 為 系 數(shù)
26
初選工作中心距
為獲得正傳動(dòng),取(mm)
27
a-g工作嚙合角
所以:
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P128
式(5-35)
28
a-g總變位系數(shù)
=
=0.548
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P128
式(5-35)
29
分配變?yōu)橄禂?shù)
按和查表:
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P127
圖(5-3)
30
校正小輪節(jié)圓直徑及齒寬
=61.62(mm)
0.7×61.62=43.134 (mm)
31
g-b工作嚙合角
所以可得:
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P128
式(5-39)
=76
32
g-b總變位系數(shù)
=0
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P128
式(5-39)
33
分配變位系數(shù)
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P128
式(5-39)
內(nèi)嚙合副g-b齒面按接觸疲勞強(qiáng)度校核
34
計(jì)算轉(zhuǎn)距
=26.746(mm)
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P142
式(5-65)
35
齒寬系數(shù)
=4×22
=88(mm)
36
小輪節(jié)圓直徑
=88 (mm)
37
小輪相對(duì)節(jié)圓直徑
=3.618
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P143
式(5-68)
38
動(dòng)載系數(shù)
按查取
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P88
圖(4-9)
39
載荷分配系數(shù)
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P89
表(4-8)
40
載荷分布系數(shù)
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P89
圖(4-10)
41
載荷系數(shù)
=1×1.06×1.1×1.02=1.189
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P88
式(4-24)
42
節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)
=2.49
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P86
式(4-19)
43
材料彈性系數(shù)
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P86
表(4-5)
44
重合度系數(shù)
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P88
近似按ε=1.2算
45
校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度
≤
==157.458(Mpa)
≤
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P86
式(4-19)
計(jì) 算 彎 曲 疲 勞 許 用 應(yīng) 力
46
彎曲疲勞極限應(yīng)力
外嚙合副:按框圖中值查取
(Mpa)
內(nèi)嚙合副:按框圖MQ級(jí)查取
(Mpa)
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P100
圖(4-24)
圖(4-23)
47
安全系數(shù)
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P98
表(4-10)
48
壽命系數(shù)
取,有
49
應(yīng)力修正系數(shù)
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P101
圖(4-27)
50
尺寸系數(shù)
mm ,取
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P101
圖(4-27)
51
彎曲疲勞許用應(yīng)力
=
=456(Mpa)
=
=428(Mpa)
=
=298(Mpa)
見(jiàn)文獻(xiàn)
P98
式(4-44)
52
動(dòng)載系數(shù)
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P88
圖(4-9)
53
a-g計(jì)算轉(zhuǎn)距
(N·m)
式中
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P138
式(5-54)
=33.156
=1.1
54
g-b計(jì)算轉(zhuǎn)距
=27.962 (N·m)
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P142
式(5-65)
55
載荷分配系數(shù)
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P98
表(4-8)
56
載荷分布系數(shù)
式中:
=0.814
=(2×1+0.25-0.1798)×4
=8.28
見(jiàn)文獻(xiàn)3
P94
式(4-36)
57
載荷系數(shù)
見(jiàn)文獻(xiàn)
P94
式(4-35)
58
齒形系數(shù)
要根據(jù)變位系數(shù)選擇
見(jiàn)文獻(xiàn)
P94
圖(4-13)
59
重合度系數(shù)
見(jiàn)文獻(xiàn)
P93
式(4-34)
60
校核彎曲疲勞強(qiáng)度
=21.659
=24.779
見(jiàn)文獻(xiàn)
P93
式(4-33)
61
結(jié)論
合 格
4.4 無(wú)級(jí)變速電動(dòng)機(jī)輸入齒輪傳動(dòng)計(jì)算
如圖(4-15),設(shè)計(jì)齒輪1和齒圈b的外齒,由于內(nèi)齒圈作為一個(gè)輸入自由度,故將其設(shè)計(jì)為組合式,即由齒輪圈和支撐架構(gòu)成,支撐架和齒圈的聯(lián)接用螺釘聯(lián)接固定,所以在設(shè)計(jì)齒圈b的外齒時(shí),將齒圈雙邊徑向距離設(shè)為120/2=60mm,即取齒圈外齒齒數(shù)為88,同時(shí),考慮到加工制造方便,將齒輪模數(shù)取為m=4,而輪1與齒圈b的傳動(dòng)比為=4,所以輪1的齒數(shù)為22,
圖4-15傳動(dòng)示意圖
以下就是齒輪1和齒圈b的外嚙合齒的設(shè)計(jì)和計(jì)算。
表4-2:齒輪1和齒圈b外嚙合齒的設(shè)計(jì)和計(jì)算
序號(hào)
設(shè)計(jì)項(xiàng)目
計(jì)算公式及說(shuō)明
1
選擇齒輪齒數(shù)、材料、熱處理及精度等級(jí)
1〉齒輪1:45#鋼調(diào)質(zhì),齒面平均硬度取260HBS。
齒圈b外齒:40Cr調(diào)制處理,齒面平均硬度取270HBS。
2〉由文獻(xiàn)1,表5-5初選取8級(jí)精度。
齒輪1:260HBS
外齒圈:270HBS
初選精度等級(jí)為8
2
參數(shù)選擇
1〉取齒輪1的齒數(shù)=22
齒圈b的外齒數(shù)=22
齒數(shù)比=4
2〉傳動(dòng)誤差
×100%=0
3〉由文獻(xiàn)1,表5-13取齒寬系數(shù)
=22
=22
3
計(jì)算齒輪1轉(zhuǎn)矩
4
確定載荷系數(shù)
1〉使用系數(shù)
由已知條件,查文獻(xiàn)1,表5-11,取=1.25
2〉動(dòng)載荷系數(shù)
由查文獻(xiàn)1,圖5-10a取=1.13
3〉齒向載荷分布系數(shù)
由=1及已知條件,查文獻(xiàn)4,
圖5-13,取=1.14
4〉齒間載荷分配系
由文獻(xiàn)4,式5-9
=1.70
由文獻(xiàn)4,圖5-25,取=1.22
5〉載荷系數(shù)
由文獻(xiàn)4式5-6
=1.25×1.13×1.14×1.22
=1.96
=1.25
=1.13
=1.14
=1.70
=1.96
5
求總工作時(shí)間
=300×8×16×20%
=7680(h)
=7680(h)
6
確定模數(shù)
1〉由于太陽(yáng)輪,內(nèi)齒圈b內(nèi)齒均為m=4的齒輪,現(xiàn)將內(nèi)齒圈外齒及與其相嚙合的齒輪設(shè)計(jì)成同,模數(shù)的,這樣在制造上更易于實(shí)現(xiàn)。
2〉基本設(shè)計(jì)參數(shù)
=22 =88
m=4
=22
=88
7
確定傳動(dòng)尺寸
1〉分度園直徑、
=4×22=88(mm)
=4×88=352(mm)
2〉中心距
=
=220
3〉確定齒寬
=
=44
取=45與行星輪同一。
m=4
=88
=352
=220
=45
取==45
8
齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核
1〉求許用應(yīng)力[] 見(jiàn)文獻(xiàn)1
由式(5-4)及表5-10,應(yīng)力循環(huán)次數(shù)、分別為:
=60×1×1200×7680×(×0.2+×0.5+×0.3)
=1.41×
=3.52×
由圖5-26取壽命系數(shù)
由圖5-25取彎曲疲勞極限(用外插法加工)。
=220MPa
=200MPa
由圖5-27,取尺寸系數(shù)=1
參照表5-25,取安全系數(shù)
=1.4
由式(5-18)(普通齒輪傳動(dòng))
≈314Mpa
=286Mpa
2〉齒型系數(shù)、,見(jiàn)文獻(xiàn)1
由圖(5-21),?。?2.73
=2.17
3〉應(yīng)力修正系數(shù)、 見(jiàn)文獻(xiàn),由圖(5-22),取=1.57
=1.80
4〉重合度系數(shù) 見(jiàn)文獻(xiàn)1
由式(5-15):
=0.69
5〉校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 見(jiàn)文獻(xiàn)1,由式(5-13)
=22.67(Mpa)〈
=20.66(Mpa)〈
9
結(jié)論
經(jīng)校核:彎曲強(qiáng)度足夠。
合格
5 傳動(dòng)系統(tǒng)的其他設(shè)計(jì)
5.1均載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于內(nèi)齒圈、行星輪和中心輪的制造、裝配存在誤差等一系列問(wèn)題,使得行星齒輪機(jī)構(gòu)輸入的力矩不可能均勻的的分配到各行星輪上,因此就造成了行星輪之間的載荷不均勻和載荷沿齒寬分布不均勻,為了解決該問(wèn)題,在設(shè)計(jì)行星齒輪機(jī)構(gòu)時(shí),必須合理的選擇均在機(jī)構(gòu)(使得行星齒連載荷分配均勻的機(jī)構(gòu)叫均在機(jī)構(gòu)或均在裝置)。在行星齒輪中為了保證行星齒輪間載荷分配均勻,一般采用齒輪聯(lián)軸器和聯(lián)軸器連接套作為均載機(jī)構(gòu)。但這兩種機(jī)構(gòu)都較復(fù)雜,因此為了簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu),本次設(shè)計(jì)所采用如圖(4-1)所示的均載機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)是將連軸器和軸作為一個(gè)整體,變成齒輪軸。這樣就使得制造和安裝方便多了,而且機(jī)構(gòu)的尺寸也就減小了。
圖5-1 均載機(jī)構(gòu)
5.2 行星架的設(shè)計(jì)
1、行星架是行星齒輪的主要構(gòu)件之一。一般有如下幾種機(jī)構(gòu):
構(gòu)式行星架。這種行星架剛度大、變形小,適用于中、重型減速器。其缺點(diǎn)是:加工切削量過(guò)大、金屬耗材多。
2、焊接結(jié)構(gòu)式行星架。這種型行星架加工切削量小,特別適用于大型減速器和單件生產(chǎn)的減速器。
3、側(cè)板可拆式行星架。這種型架制造簡(jiǎn)單,裝配容易,特別是對(duì)于中心輪直徑較大時(shí),使用該機(jī)構(gòu)能減小機(jī)構(gòu)尺寸。
4、單側(cè)板懸臂心軸式行星架。這種行星架的剛性比以上3種都要小,因此只能用于小功率減速器。
本次設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)是2K-H型減速器,由于中心輪較大,因此就采用側(cè)板可拆式行星架,以減小減速其的機(jī)構(gòu)尺寸。
5.3 箱體的基本參數(shù)
箱體在整個(gè)系統(tǒng)中起著支承軸系、保證傳動(dòng)件和軸系正常運(yùn)行的作用。下面是本次設(shè)計(jì)中箱體的部分基本參數(shù):
名稱(chēng)
符號(hào)
尺寸
箱座壁厚
δ
據(jù)δ=0.025a+Δ≥8
?。?2
箱蓋壁厚
δ1
同理,取10
加強(qiáng)肋厚
M
m=0.85δ=8.5
地腳螺釘數(shù)目
N
a≤250,n=4
軸承蓋螺釘
直徑和數(shù)目
D3,n
見(jiàn)文獻(xiàn)2表9-9得
軸承蓋外徑
D2
見(jiàn)文獻(xiàn)2表9-9
5.4 變速軸的設(shè)計(jì)
對(duì)于變速軸按扭矩強(qiáng)度條件計(jì)算:參考文獻(xiàn)6,P169、式(9-1)、(9-2)。
軸受扭矩的強(qiáng)度條件為:
≤(Mpa)
或 - - - - - - - - - - -(5-1)
式中:、—軸的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力、材料的許用扭矩應(yīng)力;
T ------------軸傳遞的扭矩;
----------軸的抗扭截面系數(shù),對(duì)于實(shí)心軸=0.2;
d ------------軸的截面直徑;
Pn -----------軸的傳遞功率、轉(zhuǎn)速。
由于整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)中,電動(dòng)機(jī)輸入軸徑最小,故由此進(jìn)行校核設(shè)計(jì):
P=7.5(KW) n=1440(r/min)
值查文獻(xiàn)6,P170表9-2得:=35(Mpa)
代入式4-1得:=19.23(mm)
從上式得出的結(jié)果可知,設(shè)計(jì)的軸徑均大于該值,所以在強(qiáng)度等方面均滿(mǎn)足要求。
總 結(jié)
經(jīng)過(guò)近四個(gè)月的艱苦的奮斗,雖然經(jīng)歷了種種困難,但在我的指導(dǎo)老師的幫助、指導(dǎo)下,終于完成了。本次設(shè)計(jì)的題目是無(wú)級(jí)變速提升絞車(chē),主要是進(jìn)行絞車(chē)傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì),這次設(shè)計(jì)所采用的是行星齒輪差動(dòng)輪系和無(wú)級(jí)調(diào)速力矩電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)絞車(chē)的無(wú)級(jí)變速部分,即采用電氣和機(jī)械組合,集結(jié)了機(jī)電兩大方面的優(yōu)點(diǎn)于一身,使得該系統(tǒng)的總體性能得到很大的提高,從而使得該系統(tǒng)的適用范圍更廣,因此該產(chǎn)品有著更廣闊的市場(chǎng)前景。
參考文獻(xiàn)
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國(guó)防工業(yè)出