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混凝土搅拌运输车减速机行星轮系的改进
更新时间:2015/2/8 16:41:22

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  均载机构的改进

  行星齿轮具有传动结构紧凑、质量小、体积小、承载能力大等优点。这是因为行星齿轮传动充分利用了同心轴齿轮之间的空间,通过采用多个行星轮来均匀分担载荷的方式,使得所传递的功率分流,同时其合理采用了内啮合传动的原因。但实际使用过程中,由于制造以及安装误差不可避免,和受力构件的变形等影响,行星齿轮间载荷的分配做不到绝对均匀,甚至在较为严重的情况下,载荷可能集中到其中某一个行星轮上,而剩余其他行星轮闲置,造成了承受载荷作用的行星轮载荷过大,这也是行星减速器产生工作异常的或者出现事故的主要原因,此种情况对于太阳轮的破坏性尤其大。因此在进行行星齿轮传动设计时,必须考虑到各个行星齿轮间载荷分配均匀性的问题。这对于发挥行星齿轮传动优越性、保证其传动可靠性是非常重要的。为了解决该问题,为实现各行星轮间均载目的的均载机构应运而生,目前来说该均载机构大多数是依靠机械的方法来实现的。

  在最开始阶段人们都是通过提高齿轮的加工制造的精度来实现行星轮间均载的目的的,但这样做就会使得行星齿轮传动的制造和装配困难程度大大提高,增加了其制造成本,为解决此问题,后来人们通过实践,设计了各种机械方式的均载机构,其基本原理即对传动基本构件的径向自由度不加限制或者其他可以使得这些基本构件可以进行自动的调整位置,通过这些措施以达到各行星轮载荷分布均匀的目的。这样即降低了制造装配的难度,降低了成本,也实现了功率分流的目的。目前,行星齿轮减速机所采用的机械均载机构的类型主要有以下两种[28,29,30]。

  (1)静定系统

  该机械系统的均载原理是通过给系统中添加附加的自由度来实现各行星轮间的均载的。由此可知采用基本构件自动调位方式的均载机构即属于静定系统。当行星轮间的载荷不均衡时,具有附加自由度的构件按照所受到实际作用力的不同情况,可在其自由度的范围内进行相应地自动调位,最终使得各行星轮间载荷分配均匀。较常见的静定均载系统有两种组成方案,一是具有浮动基本构件的系统,浮动的基本构件即指行星轮系中某个基本构件没有径向的支撑,如中心轮浮动的方式。该均载机构结构简单,实现轮间均载的效果好,故已在实际中获得广泛的应用;二是全部构件都是刚性连接,但行星轮在工作过程中可以进行自动调位的杠杆系统。例如,采用杠杆联动的均载机构,使 2 4个行星轮浮动,即行星轮可以自动调整位置,以实现行星轮间载荷分布均匀;

  (2)静不定系统

  常见静不定均载系统有两种组成方案,一是完全刚性构件组成,均载的实现完全通过提高各构件的加工精度以及安装精度来实现,即依赖于构件的高精度。但是这种方式将使得行星齿轮传动的制造和安装变的非常困难,且成本较高,后期维护也极为不便;二是采用弹性构件的均载系统,它是通过采用具有弹性的齿轮或者弹性支撑来实现均载的目的,在不均衡载荷作用下,弹性构件会产生相应的变形,从而实现均载的机械系统。

  在上一章的齿轮受力分析中,我们可以看到,轮齿的静强度是满足实际使用要求的。但是在分析中,我们实际假设的情况是行星轮之间载荷分配均匀的情况,即太阳轮输入转矩平均分配到各行星齿轮上。如果考虑到载荷分配不均匀问题,则有可能造成轮齿折断,或者轮齿变形量过大,造成干涉,使得齿面磨损严重从而造成失效,而实际情况中一级太阳轮经常出现故障。通过该型水泥混凝土搅拌运输车减速机装配结构(图 2.7)进行分析,我们可以发现,其在一级行星轮系传动中,并未采取任何均载措施,二级行星轮系采用太阳轮 a1和行星架 X 同时浮动的均载机构,输出级采用了行星架 X1浮动的均载机构,其传动简图如图 5.1 所示。

  

  基于以上分析,为了使得一级太阳轮受载均匀,并且降低其制造和安装困难程度,节约成本,我们改变其结构,使用一级太阳轮浮动均载机构,这样就可以改善一级太阳轮受力不均匀性的问题,提高了安全性,同时也降低了其安装精度要求,为后期维护提供了方便。其结构原理相当于采用单齿浮动齿轮联轴器连接输入轴与一级太阳轮,使得一级太阳轮成为浮动构件,具体结构如图 5.2 所示。

  

  改进结构分析

  行星齿轮传动过程中所谓行星轮间载荷分布均匀就是指输入的太阳轮传递给各行星轮的啮合作用力大小相等。太阳轮 a 上输入转矩 Ta,如图 5.3 所示。

  

  在理想的制造精度和刚度的条件下,太阳轮 a 上的轮齿就会与各行星轮上的轮齿相接触,各行星轮 c1、c2、c3对太阳轮 a 的法向作用力是相等的。取太阳轮 a 为受力对象,法向作用力 Fc1n、F、Fc3n组成一个等边的力三角形,即各行星轮作用于中心轮 a 上的力的主矢为零,而其主矩的大小则等于转矩 Ta,因此太阳轮 a 可达到无径向载荷的传递转矩。但是在实际情况中,如果未采取任何均载措施,那么行星轮间的载荷分布是很难达到完全均匀的,这其中原因有齿轮本身的各种制造误差以及轴承、转臂和齿轮箱体等的制造和安装误差。这些误差将造成轮齿工作齿廓间形成间隙或过盈。各基本构件和行星轮轴线的位移以及各齿轮的运动误差,例如,太阳轮轴线的位移,轴承轴线或内齿轮与箱体配合的径向位移和转臂上安装行星轮的心轴孔的位移等,将形成太阳轮与行星轮啮合时的间隙或过盈。由于上述行星轮与太阳轮啮合时的间隙或过盈的存在,当太阳轮、转臂和内齿轮的轴线都不能自由偏移而实现自由调整时,就可能出现中心轮仅与一个行星轮相接触的情况,而中心轮与其余行星轮的啮合处就会产生间隙Δ2、Δ3

  。如图 5.4所示。

  

  在改进结构中,我们采取了太阳轮浮动机构,由于齿轮联轴器对太阳轮在径向上的自动补偿作用,太阳轮轴线位置在其与各行星轮啮合力的作用下可以自动进行调整,这样就可使得各啮合力最终相等,且组成等边三角形,即使得各行星轮间的载荷分布均匀。故而改进结构是合理的。

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