基于Inventor的少齒差行星傳動(dòng)育苗大棚卷膜器的設(shè)計(jì)

于麗穎

摘要：少齒差行星減速器適用于制造大棚卷膜器。利用Inventor輔助設(shè)計(jì)功能完成內(nèi)嚙合齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算，建立一種高效機(jī)械傳動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提高設(shè)計(jì)效率和可靠性，從而實(shí)現(xiàn)快捷、精準(zhǔn)設(shè)計(jì)的目的。

關(guān)鍵詞：卷膜器;少齒差行星傳動(dòng);優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH132.425? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1674-1161（2020）03-0018-05

隨著我國(guó)水稻機(jī)械化插秧技術(shù)的大面積推廣，工廠化育苗規(guī)模也逐年增加。目前我國(guó)工廠化育苗大棚長(zhǎng)度多為幾十米至百米，卷膜器布置在大棚兩側(cè)，卷膜時(shí)存在無(wú)法同步問(wèn)題，極易損壞棚膜。本課題設(shè)計(jì)將大棚卷膜器布置在大棚中間，通過(guò)卷膜軸回轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)卷膜和放膜，這就要求卷膜器必須具有體積小、質(zhì)量輕、傳動(dòng)比大、效率高、承載能力強(qiáng)、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠及壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。少齒差行星減速器基本能夠滿足以上要求，但其設(shè)計(jì)工作復(fù)雜繁重，同時(shí)受設(shè)計(jì)人員人為因素影響，直接關(guān)系到減速器的設(shè)計(jì)質(zhì)量。本課題利用Autodesk Inventor軟件完成三維參數(shù)化實(shí)體模擬，再利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)完成繁瑣的設(shè)計(jì)計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)快捷、精準(zhǔn)設(shè)計(jì)的目的。

1 Inventor軟件簡(jiǎn)介

Inventor是美國(guó)Autodesk公司推出的一款三維可視化實(shí)體模擬軟件，可以直接進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，代替以往人工設(shè)計(jì)中查表（圖）選擇參數(shù)、計(jì)算、分析、校核計(jì)算等繁重的工作。應(yīng)用Autodesk Inventor軟件中計(jì)算機(jī)輔助功能，直接輸入設(shè)計(jì)參數(shù)，就可以建立三維模型，并進(jìn)行測(cè)評(píng)，不僅大大縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，還杜絕了人為因素的影響，實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

2 育苗大棚電動(dòng)卷膜器阻力矩及電機(jī)功率計(jì)算

大棚卷膜器安裝于大棚中間，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)減速器驅(qū)動(dòng)卷膜輥軸沿育苗大棚骨架向上滾動(dòng)，在滾動(dòng)過(guò)程中將棚膜纏繞在輥軸上，實(shí)現(xiàn)卷膜;反之實(shí)現(xiàn)放膜。設(shè)計(jì)大棚高度H=3.0 m，前端放風(fēng)高度h=1.2 m，暖棚跨度B=10.0 m，放風(fēng)長(zhǎng)度l=0.8 m，棚長(zhǎng)度L=80.0 m ，棚膜厚度s=0.01 mm。卷膜作業(yè)時(shí)間為3 min。

2.1 阻力矩計(jì)算

大棚卷膜器安裝示意圖如圖1所示。為便于計(jì)算，假設(shè)各主要部件的作用點(diǎn)均在卷膜軸中心線上。卷膜軸主要構(gòu)成為電機(jī)、減速器、卷膜軸和棚膜。卷膜電機(jī)和減速器為一體設(shè)計(jì)，其質(zhì)量為G1=2.8 kg;卷膜軸選用薄壁鋼管（外徑φ27，壁厚為1.00 mm;理論質(zhì)量0.593 kg/m），故80.0 m大棚實(shí)際卷膜軸質(zhì)量為G2=81.00×0.593=48.0 kg;最大卷膜膜質(zhì)量G3=8×800×0.01×0.94=60.0 kg。

卷膜器通過(guò)卷膜輥與大棚連接，其受力分析如圖2所示。

圖2中：G為卷膜器整體重力，G=G1+G2+G3=110.8 kg;N為大棚對(duì)卷膜器的支撐力，Gy為卷膜器整體重力作用于大棚的分力，由大棚支撐力平衡，即N=Gy;F為卷膜器整體重力沿大棚切線方向的分力，F(xiàn)=Gx。

由于Y軸是大棚圓弧曲面的法線，X軸為切線，故卷膜器整體重力G的X軸分力F=Gx=G×sinα。卷膜器整體重力最大時(shí)，夾角為α角，受力分析如圖3所示。

經(jīng)分析計(jì)算，此時(shí)α角為34 °，故卷膜器整體重力G的X軸分力F=Gx=G×sinα=110.8×sin34 °=58.622 kg。

卷膜輥外徑為φ27，最大卷膜圈數(shù)為9圈，最大卷膜半徑r=14.40 mm，最小卷膜半徑為13.50 mm。

由于卷膜過(guò)程中運(yùn)動(dòng)速度很慢，近似勻速直線運(yùn)動(dòng)，故最大卷膜阻力矩MZ=F×r=83.0 N·m。卷膜器扭矩N=k×MZ=1.2×83.0=99.6 N·m。式中k為安全系數(shù)，取1.2。

2.2 電動(dòng)機(jī)選擇

按工作要求和工作條件，綜合考慮微型直流電機(jī)和減速器的尺寸、質(zhì)量、價(jià)格等因素，為使傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)緊湊，選用24 V，100 W，3 000 r/min的直流微型電機(jī)和少齒差行星減速器。

電機(jī)結(jié)構(gòu)為全封閉。電機(jī)有效功率為：

P==41.7 W

式中：n為卷膜器工作轉(zhuǎn)速，設(shè)計(jì)取3.6 r/min。

減速器與電機(jī)直聯(lián)，減速器效率設(shè)計(jì)為η=0.7，安全系數(shù)K=1.3。電機(jī)功率為：

Pd==77.44 W

3 少齒差行星減速器設(shè)計(jì)

3.1 齒輪傳動(dòng)型式選擇

少齒差行星減速器按傳動(dòng)類(lèi)型可分為4類(lèi)，即K-H-V型、2K-H型、2K-V、K-H型（K代表中心輪，H代表輸入轉(zhuǎn)臂，V代表從動(dòng)輸出）。根據(jù)傳動(dòng)比i的大小確定少齒差行星減速器的結(jié)構(gòu)型式。當(dāng)i>100時(shí)常采用內(nèi)齒輪輸出的2K-H型，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2K-H型少齒差行星減速器結(jié)構(gòu)由2個(gè)中心輪K和行星架（即輸入轉(zhuǎn)臂軸）H組成，共同完成減速與輸出任務(wù)。傳動(dòng)由2對(duì)內(nèi)嚙合齒輪副組成，齒輪1，2為一級(jí)傳動(dòng)，齒輪3，4為二級(jí)傳動(dòng)。傳動(dòng)比i的計(jì)算公式為：

ix4=z1z4/（z1z4-z2z3）

3.2 齒數(shù)差確定

內(nèi)嚙合齒輪副外齒輪數(shù)與內(nèi)齒輪齒數(shù)之差稱(chēng)為齒數(shù)差zd，計(jì)算公式為：

zd=z2-z1

傳動(dòng)比i的絕對(duì)值等于行星輪齒數(shù)除以中心輪與行星輪的齒數(shù)差，齒數(shù)差愈小，則傳動(dòng)比i的絕對(duì)值愈大。因此為了得到較大的傳動(dòng)比i，希望齒數(shù)差小，一般取齒數(shù)差為zd=1，大動(dòng)力傳輸時(shí)取zd>2。由于本設(shè)計(jì)傳動(dòng)動(dòng)力較小，但需要的傳動(dòng)比大，故選擇齒數(shù)差zd=1。

3.3 傳動(dòng)比計(jì)算

由于本設(shè)計(jì)要求卷膜速度為4 r/min左右，故總傳動(dòng)比i預(yù)定為i=3 000÷3.5=857.14。

由傳動(dòng)比和齒輪差的計(jì)算公式可得出齒輪z2的計(jì)算公式為：

z2=（1/2）[zd+zc+]

計(jì)算取整后，得：z1=41，z2=42，z3=39，z4=40。

所以，總傳動(dòng)比i=840，齒差數(shù)zd=1，實(shí)際轉(zhuǎn)速n=3.571 r/min，滿足要求。

3.4 齒輪傳動(dòng)參數(shù)選擇

在少齒差內(nèi)嚙合齒輪傳動(dòng)中，主要干涉是發(fā)生在齒輪頂?shù)凝X廓重迭干涉。可采用短齒和正變位齒輪修正。一般是在保證重合度εa>1的條件下，合理選擇齒頂高系數(shù)h*和嚙合角α′，然后選出適宜的外齒輪變位系數(shù)x1和內(nèi)齒輪變位系數(shù)x2，從而保證齒廓重迭干涉度達(dá)到較理想的期望值Ga。

3.4.1 齒形角和齒頂高系數(shù) 采用標(biāo)準(zhǔn)齒形角齒輪，由于齒數(shù)差取定為zd=1，故齒形角取值為14～25 °，選擇標(biāo)準(zhǔn)齒形角為20 °，便于加工和降低制造成本。齒形角取20 °時(shí)，齒頂高系數(shù)h*=0.6～0.8。當(dāng)h*減小時(shí)，嚙合角α′也減小，有利于提高效率。但當(dāng)h*過(guò)小時(shí)，變位系數(shù)x1和x2太小，會(huì)發(fā)生外齒輪切齒干涉（根切）或插齒加工時(shí)負(fù)嚙合。

3.4.2 重合度εa 重合度εa是表示齒輪傳動(dòng)連續(xù)性的參數(shù)，必須保證εa>1。當(dāng)變位系數(shù)選定后，需要進(jìn)行重合度驗(yàn)算，若εa<1，應(yīng)減小外齒輪變位系數(shù)x1重新計(jì)算。重合度εa應(yīng)符合如下公式：

εa=

[z1（tanαa1-tanα′）-z2tanαa2-tanα′]>1

3.4.3 嚙合角α′ 嚙合角α′受齒輪嚙合齒數(shù)差zd=z2-z1和變位系數(shù)差x2-x1的影響，在變位系數(shù)沒(méi)有確定前查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，根據(jù)齒數(shù)差選取。

3.4.4 齒廓重迭干涉度Ga 齒廓重迭干涉度Ga是指外齒輪與內(nèi)齒輪嚙合結(jié)束后，外齒輪齒頂退出內(nèi)齒輪齒槽時(shí)，外齒輪和內(nèi)齒輪齒頂所發(fā)生的重迭干涉程度。當(dāng)Ga<0時(shí)，表示存在重疊干涉;當(dāng)Ga>0時(shí)，表示無(wú)重疊干涉。一般取齒廓重迭干涉度Ga≥0.05 mm。齒廓重迭干涉度Ga應(yīng)符合如下公式：

Ga=z1（invαa1+δ1）-z2（invαa2+δ2）+zdinvα>0

3.4.5 變位系數(shù)差x2-x1 變位系數(shù)差x2-x1應(yīng)符合如下公式：

invα=invα+2tanα[（x2-x1）/z2-z1]

經(jīng)綜合計(jì)算和實(shí)際確定，嚙合角α′=54.092 °，則變位系數(shù)差x2-x1=0.32。

4 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)

4.1 模數(shù)確定

本設(shè)計(jì)傳動(dòng)功率較小，僅為77 W（100 W電機(jī)）。根據(jù)2K-H型傳動(dòng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在偏心軸上安裝2個(gè)行星輪。外齒輪選用45號(hào)鋼調(diào)質(zhì)，硬度HB=220～250，齒輪的彎曲極限應(yīng)力σim1=650 MPa;內(nèi)齒輪選用45號(hào)鋼調(diào)質(zhì)后表面淬火，硬度HRC=40～50，查得齒輪的彎曲極限應(yīng)力σim2=850 MPa。由于原動(dòng)機(jī)為電動(dòng)機(jī)，工作載荷變化均勻，工作機(jī)僅有輕微振動(dòng)，故系數(shù)KA=2.0，動(dòng)載荷KV=1.4，經(jīng)計(jì)算取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m=1。

4.2 齒輪傳動(dòng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算

利用Autodesk Inventor Professional 2015完成齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算。首先啟動(dòng)Inventor軟件，進(jìn)入設(shè)計(jì)加速器中齒輪設(shè)計(jì)中，在顯現(xiàn)界面的對(duì)應(yīng)項(xiàng)中輸入前面確定的設(shè)計(jì)參數(shù)。

4.2.1 一級(jí)傳動(dòng)設(shè)計(jì) 圖5和圖6為一對(duì)嚙合齒輪外齒輪和內(nèi)齒圈的參數(shù)信息輸入界面。

輸入齒輪參數(shù)后，回到“正齒輪零部件生成器”中，輸入齒輪傳動(dòng)特性參數(shù)（如圖7所示）。

輸入齒輪傳動(dòng)特性參數(shù)后，點(diǎn)擊“計(jì)算”，出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果界面（如圖8所示）。

軟件直接告知計(jì)算結(jié)果表示設(shè)計(jì)是否正確。如果設(shè)計(jì)符合要求，可直接采用;如果存在問(wèn)題，則返回修正參數(shù)，直到計(jì)算結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。圖8為經(jīng)過(guò)修正后的計(jì)算結(jié)果，軟件告知“計(jì)算結(jié)果表示設(shè)計(jì)正確”，同時(shí)SH（點(diǎn)蝕安全系數(shù)）、SF（齒強(qiáng)度安全系數(shù)）、SHst（靜態(tài)接觸強(qiáng)度）、SFst（靜態(tài)彎曲強(qiáng)度）的值均較為合理，表示該設(shè)計(jì)安全可靠，并已進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，傳動(dòng)設(shè)計(jì)合理。

4.2.2 二級(jí)傳動(dòng)設(shè)計(jì) 二級(jí)傳動(dòng)設(shè)計(jì)與一級(jí)傳動(dòng)相同。圖9為外齒輪參數(shù)信息輸入界面，圖10為內(nèi)齒圈參數(shù)信息輸入界面，圖11為齒輪傳動(dòng)特性參數(shù)信息輸入界面，圖12為二級(jí)傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果。在對(duì)應(yīng)界面輸入設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果適當(dāng)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，完成優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語(yǔ)

少齒差行星減速器廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械傳動(dòng)中，可以節(jié)省能耗和降低機(jī)具制造成本。利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)功能可極大地簡(jiǎn)化少齒差行星減速器設(shè)計(jì)中繁瑣的人工計(jì)算，避免人為因素影響，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

[1] 張鵬，楊坤，儲(chǔ)恒超，等.雙滾柱少齒差行星傳動(dòng)齒形綜合與精度優(yōu)化[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2019，47（4）：482-488.

[2] 陳岱民，溫堅(jiān)，何平，等.少齒差行星齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)[J].光學(xué)精密工程，1996（6）：30-42.

[3] 田建忠.少齒差行星齒輪傳動(dòng)的虛擬裝配與動(dòng)態(tài)仿真運(yùn)動(dòng)[J].山西科技，2016，31（5）：52-54.

Design of A Planetary Transmission with Less Tooth Difference Seedling

Greenhouse Film Reeler based on Inventor

YU Liying

（Liaoning Agricultural Technical College， Yingkou Liaoning 115009， China）

Abstract： Planetary gear reducer with less tooth difference is suitable for manufacturing greenhouse film reeler. Inventor assisted design function is used to complete the design calculation of internal meshing gear drive， and an efficient mechanical drive optimization design scheme is established to improve the design efficiency and reliability， so as to realize the purpose of fast and accurate design.

Key words： film reeler; planetary transmission with less tooth difference; optimization design