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行星齿轮机构原理及应用

  

我们熟知的齿轮绝大部分都是转动轴线固定的齿轮。例如机械式钟表、普通机械式变速箱、减速器,上面所有的齿轮尽管都在做转动,但是它们的转动中心(与圆心位置重合)往往通过轴承安装在机壳上,因此,它们的转动轴都是相对机壳固定的,因而也被称为"定轴齿轮"。

有定必有动,对应地,有一类不那么为人熟知的称为"行星齿轮"的齿轮,它们的转动轴线是不固定的,而是安装在一个可以转动的支架(蓝色)上(图中黑色部分是壳体,黄色表示轴承)。行星齿轮(绿色)除了能象定轴齿轮那样围绕着自己的转动轴(B-B)转动之外,它们的转动轴还随着蓝色的支架(称为行星架)绕其它齿轮的轴线(A-A)转动。绕自己轴线的转动称为"自转",绕其它齿轮轴线的转动称为"公转",就象太阳系中的行星那样,因此得名。

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也如太阳系一样,成为行星齿轮公转中心的那些轴线固定的齿轮被称为"太阳轮",如图中红色的齿轮。 在一个行星齿轮上、或者在两个互相固连的行星齿轮上通常有两个啮合点,分别与两个太阳轮发生关系。如右图中,灰色的内齿轮轴线与红色的外齿轮轴线重合,也是太阳轮。

  轴线固定的齿轮传动原理很简单,在一对互相啮合的齿轮中,有一个齿轮作为主动轮,动力从它那里传入,另一个齿轮作为从动轮,动力从它往外输出。也有的齿轮仅作为中转站,一边与主动轮啮合,另一边与从动轮啮合,动力从它那里通过。

在包含行星齿轮的齿轮系统中,情形就不同了。由于存在行星架,也就是说,可以有三条转动轴允许动力输入/输出,还可以用离合器或制动器之类的手段,在需要的时候限制其中一条轴的转动,剩下两条轴进行传动,这样一来,互相啮合的齿轮之间的关系就可以有多种组合:

单排行星齿轮机构的结构组成为例

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(1)行星齿轮机构运动规律

·设太阳轮、齿圈和行星架的转速分别为n1、n2和n3,齿数分别为Z1、Z2、Z3;齿圈与太阳轮的齿数比为α。则根据能量守恒定律,由作用在该机构各元件上的力矩和结构参数可导出表示单排行星齿轮机构一般运动规律的特性方程式:

·n1+αn2-(1+α)n3=0 和 Z1+Z2=Z3

(2)行星齿轮机构各种运动情况分析

·由上式可看出,由于单排行星齿轮机构具有两个自由度,在太阳轮、齿圈和行星架这三个基本构件中,任选两个分别作为主动件和从动件,而使另一元件固定不动(即使该元件转速为0),或使其运动受一定的约束(即该元件的转速为某定值),则机构只有一个自由度,整个轮系以一定的传动比传递动力。下面分别讨论各种情况。

固定件

  主动件

  从动件

  转速成

  转向

太阳轮

行星架

齿圈

增速

同向

太阳轮

齿圈

行星架

减速

同向

齿圈

行星架

太阳轮

增速

同向

齿圈

太阳轮

行星架

减速

同向

行星架

齿圈

太阳轮

增速

反向

行星架

太阳轮

齿圈

减速

反向

 

下面的FLASH 动画左上角的几个按钮是控制键,大家有兴趣可以点击看一下其工作状态。因行星架没有标出所以需要先读懂前面的解释。

在 n3= n1 或n2= n3 时,同时可得 n1= n2= n3。故,若使三元件中的任何两个元件连成一体旋转,则第三元件转速必与二者转速相等,即行星排按直接挡传动,传动比i=1。

·当所有元件都不受约束,可以自由转动,则行星齿轮机构失去传动作用,此种状态相当于空挡。

 单排行星齿轮机构主要应用在简单减速器、重载机械式变速箱(带副箱)及驱动桥(轮边减速桥)上。

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