JPH-A型動平衡試驗(yàn)臺測量檢測系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

榮宣博

濟(jì)寧學(xué)院 山東省濟(jì)寧市 273155

1 JPH-A型動平衡試驗(yàn)臺測量檢測系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的意義

1.1 研究的意義

根據(jù)機(jī)械類相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)械故障中60%是由于轉(zhuǎn)子不平衡為主要因素導(dǎo)致的，轉(zhuǎn)子的不平衡是導(dǎo)致機(jī)械失效的一個(gè)重要因素。如果不平衡轉(zhuǎn)子引起的振動功率太大，將會引起機(jī)器的重大故障或故障，甚至?xí)斐扇藛T傷亡和無法估計(jì)的經(jīng)濟(jì)損失。因此為研究轉(zhuǎn)子的不平衡，人們設(shè)計(jì)了JPH-A型轉(zhuǎn)子動平衡試驗(yàn)臺用以人為制造，觀察，計(jì)算及預(yù)防轉(zhuǎn)子的不平衡。差速器與其外殼上的蝸輪蝸桿副作為JPH-A型轉(zhuǎn)子動平衡試驗(yàn)臺的核心檢測部分，對這兩部分重新優(yōu)化設(shè)計(jì)將清楚直觀的作用于試驗(yàn)臺測量檢測部分。對于轉(zhuǎn)子動平衡實(shí)驗(yàn)臺的精度提升，將對研究機(jī)械中轉(zhuǎn)子的由于不同原因?qū)е碌恼駝?，對轉(zhuǎn)子類機(jī)械設(shè)備的安全穩(wěn)定的運(yùn)行具有非凡意義。

1.2 研究的方向

本次改進(jìn)主要針對JPH-A型動平衡實(shí)驗(yàn)臺測量檢測系統(tǒng)部分中的差速器與其外殼部分蝸輪蝸桿副的設(shè)計(jì)，用以提升JPH-A型動平衡實(shí)驗(yàn)臺的測量檢測能力。本次改進(jìn)主要進(jìn)行的工作有：

（1）對JPH-A型動平衡實(shí)驗(yàn)臺中關(guān)鍵部位——對稱型圓錐齒輪差速器來進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，通過確立差速器齒輪的類型與數(shù)目，根據(jù)前者通過計(jì)算在進(jìn)行具體尺寸標(biāo)定。最后跟據(jù)計(jì)算所得的齒輪的參數(shù)，使用Solidworks軟件，進(jìn)行行星齒輪和半軸齒輪的三維模型建立，在之后根據(jù)上述條件完成對差速器殼體、軸承和螺釘?shù)攘慵哪Ｐ停瓿勺罱K版本差速器總成的建模。（2）設(shè)計(jì)了差速器殼體的驅(qū)動模式，并進(jìn)行了零件的選擇。在通過計(jì)算得到了各部件的參數(shù)，并采用 Solidworks軟件進(jìn)行了三維建模。（3）根據(jù)試驗(yàn)臺工作情況完成電機(jī)選型，并確定電機(jī)型號，通過查找確定其參數(shù)，利用Solidworks進(jìn)行三維模型的制作。

2 差速器齒輪的設(shè)計(jì)和計(jì)算

2.1 差速器齒輪的基本參數(shù)的選擇

2.1.1 行星齒輪數(shù)目的選擇

采用2個(gè)行星齒輪。

2.1.2 行星齒輪球面半徑RB的確定

圓錐行星齒輪差速器的結(jié)構(gòu)尺寸，通常取決于行星齒輪的背面的球面半徑RB，RB作為行星齒輪安裝的尺寸，事實(shí)上也在一定程度上反映了差速器圓錐齒輪的節(jié)錐距，因而其數(shù)值的大小也在一定程度上反映了差速器的強(qiáng)度。

球面半徑R可按如下的經(jīng)驗(yàn)公式確定：

式中：K—行星齒輪球面半徑系數(shù)，將其值確定在2.52～2.99之間，有2個(gè)行星齒輪的機(jī)構(gòu)選擇了最小值；

—計(jì)算轉(zhuǎn)矩，取從動錐齒輪計(jì)算轉(zhuǎn)矩T，N·m。

從動錐齒輪計(jì)算轉(zhuǎn)矩T

式 中：T—輸 入 的 最 大 轉(zhuǎn) 矩：T=50N·m

i—傳動系數(shù)，i=20.34；

—變速器傳動效率，=0.96；

—變矩系數(shù)，=1；

k—動載系數(shù)，k=1；

則主動錐齒輪計(jì)算轉(zhuǎn)矩：

所以預(yù)選其外錐距=25mm

2.1.3 行星齒輪與半軸齒輪的選擇

在選擇行星齒輪齒數(shù)時(shí)，要想使齒輪模數(shù)大，就要盡量減小齒數(shù)，用以提高齒輪的強(qiáng)度。在設(shè)計(jì)時(shí)為保證高齒輪強(qiáng)度就必須盡量減小齒數(shù)。但是通常的數(shù)值不能低于10。半軸齒輪通常使用14-25齒，而半軸和行星齒輪的齒數(shù)比通常維持在1.5-2.0之間。

在嚙合狀態(tài)下，行星齒輪與兩半軸齒輪在嚙合時(shí)是同步嚙合的。因此，可以通過它們之間的配合關(guān)系，來決定這兩類齒輪的齒數(shù)。在圓錐行星齒輪式差速器中，左半軸齒輪齒數(shù)z2L與右半軸齒輪的齒數(shù)z2R的和需要可以被行星齒輪數(shù)目來進(jìn)行整除，這樣可以使行星齒輪能夠均勻地圍繞著半軸齒輪的軸線進(jìn)行分配。否則，如果不能正好除開，就無法在安裝時(shí)正常安裝差速器，因而在安裝時(shí)應(yīng)滿足的安裝條件為：

式中：，—左右半軸齒輪的齒數(shù)，對于對稱式圓錐齒輪差速器，=

—行星齒輪數(shù)目

—任意整數(shù)

==24時(shí)滿足以上要求。

2.1.4 差速器齒輪模數(shù)與齒輪節(jié)圓直徑

最初先選擇行星齒輪錐角與半軸齒輪錐角

初步求出圓錐齒輪的大端端面模數(shù)：

則分度圓直徑：

2.1.5 壓力角α

差速器的齒輪大都采用格里森制齒輪，壓力角度為22.5°、齒高系數(shù)為0.8，最大齒數(shù)可降低至10。而且，在不使齒頂變尖的前提下，還可以通過對切向進(jìn)行修整，使其齒厚增加，從而使其與半軸齒輪的強(qiáng)度達(dá)到相同的程度。由于齒型的緣故，該齒的最小齒數(shù)小于20°的壓力角。所以此次設(shè)計(jì)可將模數(shù)調(diào)大用以增加輪齒的強(qiáng)度。在此選22.5°的壓力角。

2.1.6 齒輪安裝孔的直徑及其深度

齒輪的安裝孔的直徑通常和齒輪軸的大小一致，所以在計(jì)算行星齒輪的尺寸安裝時(shí)，可以根據(jù)其軸向的支撐長度來確定。通常?。?/p>

為保證壽命，?。?/p>

則：

式 中：—差 速 器 傳 遞 的 轉(zhuǎn) 矩，=50N·m；

—行星齒輪的數(shù)目，=2；

—行星齒輪支承面中點(diǎn)至錐頂?shù)木嚯x，=0.42d；

[σ]—支 承 面 的 許 用 擠 壓 應(yīng) 力，[σ]=69MPa。

2.2 齒輪的強(qiáng)度計(jì)算

差速器齒輪的尺寸需根據(jù)機(jī)械整體框架結(jié)構(gòu)來進(jìn)行確定，僅在手柄部分旋轉(zhuǎn)的情況下，差速齒輪在嚙合傳動中才會相對移動。因此，差速器齒輪載荷很大，需對差動齒輪的彎曲強(qiáng)度進(jìn)行檢驗(yàn)。

輪齒彎曲強(qiáng)度：

—差速器的行星齒輪數(shù)；

—半軸齒輪齒數(shù)；

K—載荷分配系數(shù)，當(dāng)兩個(gè)齒輪均用騎馬式支承型式時(shí)，K=1.00～1.10；其他方式支承時(shí)取1.10～1.25。支承剛度大時(shí)取最小值。

K—質(zhì)量系數(shù)，當(dāng)齒輪接觸良好，周節(jié)及徑向跳動精度高時(shí)，可取1.0；

—計(jì)算差速器齒輪彎曲應(yīng)力用的綜合系數(shù)，查由彎曲計(jì)算用綜合系數(shù)可得=0.225

所以，差速器齒輪滿足彎曲強(qiáng)度要求。

2.3 差速器齒輪的幾何計(jì)算，見表1

表1 汽車差速器直齒錐齒輪的幾何尺寸計(jì)算用表

如圖1所示，此圖為根據(jù)上述計(jì)算獲得的此次設(shè)計(jì)所需尺寸來進(jìn)行設(shè)計(jì)的差速器齒輪圖。

圖1 齒輪圖

2.4 半軸的設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)根據(jù)試驗(yàn)臺需要選取半浮式半軸，其結(jié)構(gòu)特征為：半軸的外端支承軸承在半軸的外端處，而補(bǔ)償片和聯(lián)軸器則是安裝在半軸上。

2.4.1 半浮式半軸桿部半徑的確定

在對半軸進(jìn)行選定時(shí)，其最重要的尺寸值就是它的直徑。在對其設(shè)計(jì)與計(jì)算時(shí)，最開始就應(yīng)該合理地確定它的計(jì)算載荷。

2.4.2 軸的設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算

半軸與行星齒輪之間的傳動比為：

可以確定功率的傳動變化，即：

帶入得：

將其帶入校核公式有：

計(jì)算可得：

因而行星軸直徑在其大小不小于8.29mm時(shí)是符合標(biāo)準(zhǔn)的。

通過行星軸的工作要求，可在通過其實(shí)際需求此確定行星齒輪軸的長度為=103mm，因此此次改進(jìn)行星軸直徑選=10mm即可以滿足工作需求。

2.4.3 軸承的校核選擇

（a）軸承的選擇：根據(jù)使用條件，初步選擇為常用的深溝球軸承，型號為7003和61900。

（b）軸承的校核：假定軸承使用壽命為9000小時(shí)，其當(dāng)量動載荷可由以下公式得到：

式中：F—軸承的徑向載荷，F=5000N；

F—軸承所受的軸向載荷，F=3.5KN；

—徑向動載荷系數(shù)，=0.27；

—軸向動載荷系數(shù)，=1.04。

其中：=3

得：

（c）計(jì)算軸承的基本額定壽命L：

所以軸承7003和61900都合格。

3 外殼渦輪蝸桿副設(shè)計(jì)

3.1 蝸輪蝸桿傳動參數(shù)的選擇

蝸輪蝸桿傳動的中心距是95.5mm，可根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊上的資料獲得蝸輪的傳動參數(shù)。

3.2 蝸輪蝸桿傳動幾何尺寸計(jì)算

從機(jī)械設(shè)計(jì)手冊中的查詢可以看出，蝸桿的尺寸與其匹配的蝸輪的尺寸。

4 結(jié)語

論文通過對轉(zhuǎn)子動平衡試驗(yàn)臺測量檢測系統(tǒng)分析，得出此次對實(shí)驗(yàn)臺的改進(jìn)計(jì)劃主要是對差速器及外殼部分的蝸輪蝸桿副來進(jìn)行設(shè)計(jì)。在分析其對試驗(yàn)臺作用后，開始對差速器及蝸輪蝸桿進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。在對差速器進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，首先對齒輪的參數(shù)進(jìn)行選定；其次在選定參數(shù)的基礎(chǔ)上對差速器齒輪進(jìn)行幾何計(jì)算與強(qiáng)度計(jì)算；最后在根據(jù)之前差速器齒輪的數(shù)據(jù)確定與之配合的軸與軸承的尺寸大小，并對軸與軸承進(jìn)行選型與強(qiáng)度計(jì)算。在對蝸輪蝸桿副進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)，因運(yùn)動力來源主要為人手搖操作，因而對其的改進(jìn)主要側(cè)重于蝸輪與蝸桿的配合。通過對蝸輪蝸桿配合計(jì)算來確定蝸輪蝸桿的尺寸大小。