基于卷盤式噴灌機的少齒差行星減速器設計

張燦利，張晨駿*，陳智勇，趙海軍，郭冬暉，于洋

（1.洛陽理工學院 機械系，河南 洛陽 471000；2.天津職業技術師范大學汽車與交通學院，天津 300222）

1 概述

少齒差行星齒輪傳動是由普通行星傳動逐漸轉化發展過來的，其結構主要包括內齒圈、行星架、行星輪、盤型輸出軸。它更簡單，比其他形式的更有利，并且沒有傳統的所謂的太陽輪近年來許多大型農場正積極研制大型農務噴灌機。

該設計以普通卷盤式噴灌機為基本研究對象，為解決采用傳統水渦輪圓柱齒輪傳動裝置所帶來的減速器效率低，進一步針對體積大、質量大等問題作出改進。本文選用直流電機帶動輸入軸的設計方案，在原先科技人員研究的基礎上重新設計一種新型的高效大傳動比少齒差行星減速器。使得噴灌機的噴灑小車能夠平穩自由地在田間運動，均勻的噴灑灌溉農作物。

1.1 卷盤式噴灌機工作原理和主要組成部分

傳統卷盤式噴灌機主要由以下部件組成：卷筒底盤、PE管、噴霧車、卷盤、噴頭、動力傳動裝置、外齒圈等。可采用柴油泵、并泵、拖拉機泵和電機泵等四種機械裝置進行供水。

傳統卷盤式噴灑器的動力系統主要由承載底盤、卷軸、PE 管、多功能減速器、軸流水輪機和灑水車等組成，詳見圖1。

圖1 JP75-300 型卷盤式噴灌機結構示意圖

1.2 負載轉速的大小計算

卷盤式噴灌機的噴灑車在田間的運動線速度一般在8～60m/h，根據卷盤的轉速n與噴灑車線速度υ的換算關系得：

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

2 減速器結構形式及型號的確定

依據行業已有的計算方法和設計理念，大致分為四種基本類型：Z-X-V 型、2Z-X 型、2Z-V 型及Z-X 型。這四種類型國內均有運用。單級傳動比：Z-X-V 型及Z-X 型從10～100 左右，實例中不難發現單級傳動比達幾百甚至幾千時，允許的效率較低，外齒輪輸出|iX4|較小的Ⅱ型傳動方案，主要使用在傳動比不足30 時的情況；2Z-V 型前置一級外嚙合圓柱齒輪傳動，傳動比可在50～300 之間方便地調整，其前級傳動比取1.5～3 為宜。此處選擇內齒輪輸出的2Z-X(2K-H)Ι型，其機構簡圖如下：

圖2 2Z-X（2K-H）Ι型機構簡圖

2.1 傳動比及傳動效率計算

由于帶傳動和鏈傳動傳動效率相對低，并且為了使傳動系統整體體積減小、結構盡量緊實，通過聯軸器使得電動機一端的輸出軸和行星齒輪一端的輸入軸相連接，摒棄了傳統的帶傳動。本文利用具備內部和外部嚙合和公共齒輪的2K-H行星齒輪傳動。選擇驅動裝置為直流電機設備，行星齒輪傳動系統的輸出軸的動力傳遞給固定在卷盤式噴灌機的卷盤側面的上，實現卷盤的轉動。

式中ηe——行星齒輪的嚙合效率；ηp——變速機構的效率；ηb——在旋轉臂軸承的效率。

3 行星齒輪傳動設計

3.1 主要傳動參數的確定

3.1.1 齒數差的確定

顧名思義就是內嚙合齒輪對的齒數相對于外嚙合齒輪的齒數之差zd=z2-z1，因此被稱為齒數差。大多數情況下我們選擇將zd=1～8 歸為少齒差，相應的zd=0 則歸為零齒差。當內齒輪齒的數量是恒定的，在齒的數量上，較小的傳動比和較高的效率齒數差越大。在少齒差傳動的情況下，它通常取zd=1～4，動力傳動宜取zd≥2。零齒差用作為輸出機構，因加工較麻煩，故現在較少用。故本文選取zd=2。

3.1.2 齒數的確定

（1）行星輪為雙聯齒輪

已知傳動比為iX4

（2）公共行星輪具

式中，zd為內齒輪與行星輪齒數差。當采用壓力角為20°的標準齒輪傳動時，若最小內齒輪齒數zN=40～80，取zd=7；若zN=80～100，取zd=6。當選取的齒數差zd小于前面的數值時，要通過角變位及縮短齒頂高來避免干涉?！啊馈焙汀啊碧枺齻鲃颖扔们耙粋€符號，負傳動比用后一個傳動比。

3.1.3 齒形角和齒頂高系數

本文采用齒形角α=20°，必要時也可用非標準齒形。當齒數差為1 時，取α=14°～25°；齒數差≥2 時，取α=6°～14°。在齒形角α=20°時，齒頂高系數ha*取0.6～0.8。當ha*減小時，嚙合時α'也減小，這對提高效率是有利的。

3.1.4 外齒輪的變位系數

計算外齒輪的變位系數第一步就是要銜接嚙合的方程：

表1 外齒輪變位數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 主要零件的材質和齒輪精度等級

重要零部件材料屬性和齒輪的精度等級見表2。

表2 主要零件的材質和齒輪精度

3.2 行星齒輪幾何尺寸的計算

（1）齒厚增量系數；

（2）嚙合角的計算；

（3）其他幾何參數計算；

（4）重合度計算。

由此，檢查是否許可。

4 漸開線少齒差行星傳動的效率

大多數漸開線少齒差行星傳動通常都是應用到卷盤機和起重機中，它的重要功率損耗有嚙合摩擦損失、輸出部分的摩擦損失、滾動軸承的摩擦損失和攪動潤滑油的損失等。很明顯，上述四種效率構成了傳輸設備的整體效率。綜上所述，傳動效率的計算公式可以表示為：

式中，ηM——齒輪的嚙合效率；ηW——輸出機構的效率；ηB——滾動軸承的效率；ηL——攪動潤滑油的效率。

4.1 嚙合效率

4.1.1 一對內齒輪嚙合的效率

由計算轉化機構的嚙合效率：

4.2 計算輸出機構的效率

輸出機構為銷軸式，假定制造精度較高，銷套能在銷軸上靈活轉動，同時不存在潤滑失效的情況，為避免軸套和銷軸之間的摩擦系數過大，則可以規定μW=0.01，所以：

4.3 轉臂軸承、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。

潤滑油灑濺溢出所導致的虧耗效率暫略不計。

4.4 減速器的總效率

5 結論

漸開線少齒差行星齒輪減速器相較于其他型號減速器具有一定的優勢，其傳動比大，體積小，結構緊湊的優點。本設計旨在將其應用于濃霧噴灌機上，要求能夠傳遞較大的扭矩，帶動卷盤勻速滾動，使得噴灑小車能夠在田間自由的行走，灌溉得更加均勻，因此設計此類減速器具有一定的使用價值。