行星齿轮减速器设计【文献综述】

文献综述

机械设计制造及其自动化

行星齿轮减速器设计

一．前言

齿轮及齿轮变速箱作为机械传动中的关键零部件，几乎在所有的机械设备中都能看到它的身影。因此从某种程度上说，中国的齿轮行业是我国机械制造业的基础，齿轮行业的发展对我国机械行业有着至关重要的作用。我国齿轮行业经过“九五”结构调整与科技攻关，取得了长足的进步。

行星齿轮传动技术是齿轮传动技术的一个重要分支，采用行星齿轮传动技术开发的各类行星齿轮减速箱与行星齿轮增速箱，较之于一般的定轴式齿轮箱，在传递同样的功率与扭矩时，具有更小的体积、更轻的重量以及更高的效率，因而也更易于进行传动系统的布置和便于降低造价及运输和检修成本，因此在水泥、冶金、煤炭、矿山及石化等许多行业得以普遍运用。

行星齿轮传动的发展概况：

我国早在南北朝时代（公元429-500年），祖冲之发明了有行星齿轮的差动式指南车。因此我国行星齿轮传动的应用比欧美各国早1300多年。

1880年德国第一个行星齿轮传动装置的专利出现了。19世纪以来，随着机械工业特别是汽车和飞机工业的发展，对行星齿轮传动的发展有很大的影响。1920年首次成批制造出行星齿轮传动装置，并首先用于汽车的差速器。1938年起集中发展汽车用的行星齿轮传动装置。二次世界大战后，高速大功率船舰、透平发电机组、透平压缩机组、航空发动机及工程机械的发展，促进行星齿轮传动的发展。

高速大功率行星齿轮传动广泛的实际应用，于1951年首先在德国获得成功。1958年后，英、意、日、美、苏、瑞士等国亦获得成功，均有系列产品，并已成批生产，普遍应用。英国Allen齿轮公司生产的压缩机用行星减速器，功率25740kW；德国Renk公司生产的船用行星减速器，功率11030kW。低速重载行星减速器已由系列产品发展到生产特殊用产品，如法国Citroen生产用于水泥磨、榨糖机、矿山设备的行星减速器，重量达125t，输出转矩3900kW·m；德国Renk公司生产矿井提升机的行星减速器，功率1600kW，传动比13，输出转矩350 kW·m；日本宇都兴产公司生产了一台3200 kW，传动比720/280，输出转矩2100 kW·m的行星减速器。

我国从20世纪60年代起开始研制应用行星齿轮减速器，20世纪70年代制定了NGW型渐开线行星

齿轮减速器标准系列JB1799-1976。一些专业定点厂已成批生产了NGW型标准系列产品，使用效果很好。已研制成功多种高速大功率的行星齿轮减速器，如列车电站燃气轮机（3000kW）、高速汽轮机（500kW）和万立方米制氧透平压缩机（6300kW）的行星齿轮箱。低速大转矩的行星齿轮箱也已成批生产，如矿井提升机的XL-30型行星减速器（800kW），双滚筒采煤的行星齿轮减速器

（375kW）。

行星齿轮传动的发展方向：

世界各先进工业国，经由工业化、信息化时代，正在进入知识化时代，行星齿轮传动在设计上日趋完善，制造技术不断进步，使行星齿轮传动已达到了较高水平。我国与世界先进水平虽存在明显差距，但随着改革开放带来设备引进、技术引进，在消化吸收国外先进技术方面取得长足的进步。目前行星齿轮传动正向以下几个方向发展：

1）向高速大功率及低速大扭矩的方向发展。例如年产300kt合成氨透平压缩机的行星齿轮增速器，其齿轮圆周速度已达150m/s；日本生产了巨型船舰推进用的行星齿轮减速箱，功率为

22065kW；大型水泥磨中所用80/125型行星齿轮箱，输出转矩高达4150kN·m。在这类产品的设计制造中需要继续解决均载、平衡、密封、润滑、零件材料与热处理及高效率、长寿命、可靠性等一系列设计制造技术问题。

2）向无级变速行星齿轮传动发展。实现无级变速就是让行星齿轮中三个基本构件都转动并传递功率，这只要对原行星机构中固定的构件附加一个转动（如采用液压泵及液压马达系统来实现）就能成为无级变速器。

3）向复合式行星齿轮传动发展。近年来，国外将蜗杆传动、螺旋齿轮传动、圆锥齿轮传动与行星齿轮传动组合使用，构成复合式行星齿轮箱。其高速级采用前述各种定轴类型传动，低速级用行星齿轮传动，这样可适应相交轴与交错轴间的传动，可实现大传动比和大转矩输出等不同用途，充分利用各类型的特点，克服各自的弱点，以适应市场上多样化需要。如制碱工业澄清桶用蜗杆涡轮-行星齿轮减速器，总传动比为4462.5，输出轴n=0.215r/min，输出转矩27200N·m。

4）向少齿差行星齿轮传动方向发展。这类传动主要运用于大传动比、小功率传动。

5）制造技术的发展方向。采用新型优质钢材，经热处理获得高硬齿面（内齿轮离子渗氮，外齿轮渗碳淬火），精密加工以获得齿轮精度及低粗糙度（内齿轮精插齿达5-6级精度，外齿轮经磨齿达5级精度，粗糙度0.2-0.4um），从而提高承载能力，保证可靠性和使用寿命。

二．主题

在工业生产中，大转动惯量和必须带负载起动的机械，例如大型皮革转鼓、球磨机、清砂机、刮板输送机和皮带输送机以及矿井提升机和电梯等提升机械在起动时的加速度很大，由此产生的附

加动载荷往往大于电动机所允许的最大转矩，容易造成电动机烧毁或机器传动装置的突然破坏，因此对于这类机械宜采用软起动，即在空载下减小起动并对起动加速度进行控制，可控制起动行星齿轮减速装置就是针对这一目的而设计的。

１．初始起动——传动方案的讨论

传统方案提出了一种针对上述问题的解决方

案，如图1所示。电动机刚起动时，带动周转轮系

的中心轮a转动，此时磁粉制动器CZ并不工作，内

齿圈b处于自由状态，由于负载的作用，系杆H处

于停止状态。因此，电动机在不带负载的情况下

起动可以避免过大的起动转矩和起动电流。接

着，磁粉制动器CZ的励磁电流以一定的规律逐渐

增大，作用于内齿圈b上的制动力矩逐渐加大，而转速逐渐降低，使得系杆H的转速由0逐渐增大，带动负载L进入起动过程。当起动过程结束时，内齿圈b被完全制动，负载达到稳定的转速。这时，装置进入稳定工作阶段，周转轮系由差动轮系成为单自由度的行星轮系。应当肯定，这是一种能满足“带负载软起动，进而稳速传动”功能要求的方案，它有效地避免了因起动过程中的冲击而引起的一系列问题，可以实现节能的效果，并且当出现超载或卡死等意外工况时，磁粉制动器可处于滑差工作状态，从而实现了过载保护。该方案操作工艺和控制方式简单，使用可靠，其设计思想及实现方法均具有新颖性。

２．创新方案的提出

在设计周转轮系时，习惯上往往以中心轮a作为

输入构件，系杆H为输出构件，而将内齿圈b作为固定

件或控制环节，这样做固然有许多优越性。但对于本

文所讨论的设计实例而言，为满足减小制动转矩的要

求，则需要改变这一设计思路。可以提出这样的设

问：在设计中能否通过某种颠倒，如颠倒顺序、方

向、位置等来改进现有方案的不足之处？在这一设问

的提示下，可以考虑将初始方案中的周转轮系的输入

构件与控制环节进行互换，即以内齿圈b作为输入构