行星齿轮减速器的系列化设计—3.X系列优化

煤炭科学研究总院上海分院开发了X系列行星齿轮减速器的系列产品。X系列行星齿轮减速器是以德国某公司P系列行星齿轮减速器为依照，根据国内现有材料性能和机加工能力，通过模块化设计、系列化设计、优化设计，自主开发的具有替代同规格进口产品的系列行星齿轮减速器产品，基本结构如图6-114所示。

X系列行星齿轮减速器产品共有27种规格，承载能力涵盖20～1900kN·m。采用法兰盘安装；行星传动级数为两级，输入配以一级平行轴或锥齿轮垂直轴总共15种速比规格，范围为25～125；输出轴种类有内花键轴、空心轴（收缩盘式）、外花键轴和实心轴四种。以此来满足不同用户的不同需求。X系列行星齿轮减速器设计中的精益思想主要体现在下面几个方面：

图6-114 X系列行星齿轮减速器结构图

（1）模块化设计 模块化设计是减速器产品系列化和减少系列产品内部多样性的最重要部分。

模块化设计的根本就是实现积木式的组合设计，根据用户的不同需要，进行可变化的组合设计。X系列行星齿轮减速器的模块化设计主要包括定单级速比和速比级间优化分配设计。

1）单级传动比。减速器传动的一个基本特点：多级传动减速器的速比由单级速比乘积而得。单级速比的无穷多选择是造成减速器内部多样性的罪魁祸首。X系列减速器在单级速比的选择上采用R₂₀优先数系，其基本值：1.12、1.25、1.4、1.6、1.8、2.0、2.25、2.5、2.8、3.15、3.55、4.0、4.5、5.0、5.6、6.3、7.1、8.0、9.0、10.0。

把上列的数据乘以10或10²，得到的数同样为优先数。

采用优先数系主要有以下优点：

①可满足减速器的总传动比等于各级传动比乘积的条件，即如果总传动比是一个优先数，则一定可以找到另一个优先数作为它的单级传动比，使齿轮在跨系列互换的条件下进行各级等强度优化成为可能。例：25≈4×6.3≈4.5×5.6≈5×5；180≈7.1×5.6×4.5。

②便于积木式组合设计。末级决定减速器的承载能力的大小，结构上可以末级为基础往前组合。

③随着用户需求多样性的变化，系列可以扩充为较密的R₄₀系列（原来的系列保持不变），满足用户的个性化需求。

使用优化数可使零件的尺寸规格简化统一，大大减少系列产品内零件和毛坯的数量。

2）速比级间优化。X系列化行星齿轮减速器的速比级间优化是指在选择速比分配时各速比级采用等强度或高速级强度略富裕低速级的设计。

速比的级间分配直接影响各级传动的承载能力和外形尺寸、质量是否最小化。相同承载能力下传动体积最小化的速比分配方案遵循同种形式下低速级速比小于高速级速比的分配。

行星齿轮传动可参照以下优化的经验方法分配各级速比：

两级传动低速级传动比：

三级传动低速级传动比：

三级传动中间级传动比：

在多级传动中，低速级的传动比常取4～5.6；中间级的传动比范围一般为5～7.1；高速级的传动比范围较大为3.15～9左右。单级速比过大，将损失太多的承载能力，一般推荐单级速比不应大于8。充分利用各种传动形式的最佳传动比范围是提高系列设计水平的重要基础。多级传动的总传动比应由各组成级最佳传动比段落的不同乘积求得。(www.xing528.com)

X系列减速器全部采用R20优化数系，行星结构两级传动比包括25、28、31.5、35.5、40五种规格。按速比级间优化原则将单级速比分级，末级速比5和5.6两种规格，高速级速比5、5.6、6.3、7.1、8五种规格，如表6-84示。

若输入端配以一级平行轴或锥齿轮垂直轴速比1.12，1.25，1.4，1.6，1.8，2.0，2.25，2.5，2.8，3.15，可派生出45、50、56、63、71、80、90、100、112、125共十种速比规格。

（2）系列化设计 所谓系列化产品就是指在某个确定的应用范围内按照一定的规律分其参数等级，用相同的方法实现相同功能和相同工作原理的技术对象（整机、部件或零件），这些技术对象应该用尽可能相同的方法进行制造，而这些参数和性能指标之间又具有一定的公比级差。

减速器产品是以额定承载能力为主要性能参数来满足不同用户需求的。这种承载能力按齿轮模数m的大小，具有一定的级差。

X系列行星减速器的系列化设计，是在同一速比和固定太阳轮齿宽比的约束条件下，按使用工况系数K_A=1计算额定承载能力，并以齿轮模数m按序排列，如图6-115所示。

X系列行星减速器的系列化设计优点：同一速比某一承载能力范围内的标准传动结构只有一种。整机设计时以末级行星结构决定减速器的承载能力，并以末级为基础往前组合其他速比的行星结构。因为同一速比系列化中某一承载能力的标准传动结构只有一种，所以只需选型即可，即避免了重复设计，又能发挥成本优势、保证质量和生产周期，也使后续单系列结构的优化成为可能。

整机承载能力的系列化等同于末级行星结构承载能力的系列化。X系列行星齿轮减速器末级采用四行星结构，并以速比5和5.6形成四行星结构的系列化（如表6-78）。采用四行星结构是为了弥补国内的材料性能和机加工水平与国外的差距，功率由一般的三分流变化为四分流，从而使承载能力提高33%。四行星结构作为末级使用，其单级速比不大于6.07的限制也正好满足了级间等强度要求的末级速比要求。

（3）相似性、重用性设计X系列行星齿轮减速器的系列化设计，充分运用了相似性和重用性设计理念，主要体现在行星结构系列化的合理配齿设计上，见表6-78所列。

1）传动比分段，同一速比分段中相同模数的不同速比共用一个行星架。

传动比分段是利用相邻不同传动比的太阳轮齿数+行星轮齿数和Z∑相近的特性，通过优化配齿方案，将不同速比齿轮的齿数和Z∑配成相等，以满足不同速比相同中心距的要求。

图6-115 X系列传动比=6.3的系列化行星结构图

表6-78 X₂系列行星齿轮减速器产品配齿方案和几何参数

X系列行星齿轮减速器共两个速比分段（见表6-78），既行星架Ⅰ和行星架Ⅱ。行星架Ⅰ分三行星和四行星两种规格，齿数和Z∑=Z_a+Z_g=47，同时满足速比5和5.6的要求；行星架Ⅱ齿数和Z∑=Z_a+Zg=59，同时满足速比6.3、7.1和8的要求。X系列行星齿轮减速器太阳轮和行星轮全部采用05变位制，齿数和Z∑相同时，中心距不变，满足共用同一个行星架的要求。其优点体现为：

①同一传动比分段中不同速比的啮合可共用一个规格的行星架，可减少产品系列化中的行星架数量。

②同一传动比分段中的内齿圈齿数相近（如101、103和105），可共用同一个齿圈毛坯，且使相近齿数的齿圈与箱体连接尺寸相同，从而减少总的箱体数量。

2）同一行星架同时满足三行星和四行星的装配要求。

行星结构配齿时需满足装配要求：（Z_a+Z_b）/n_p=常数。X系列行星齿轮减速器行星架Ⅰ分三行星和四行星两种规格，要同时满足三行星和四行星的装配要求，则n_p需取3和4的最小公倍数，既Z_a+Z_b为12的整数倍。