用于自动洗衣机的行星齿轮减速器设计

        本文把行星齿轮减速器应用到洗衣机中进行了设计分析说明。文章着重从行星齿轮减速器齿轮和轴两方面进行计算分析，验证设计，校核数据，达到了设计预期。该设计能有效降低自动洗衣机的重量、体积和噪声，改善了装配工艺，增强了负载，提高了洗衣效率，市场价值潜力很大。

　　减速器是一种在原动机和工作机之间匹配转速和传递转矩的闭式传动装置，主要作用是减速和增加转矩。行星齿轮减速器是其中的一种，因类似太阳系行星运行而得名，有着诸多优点：质量和体积相对较小，传动比和传动效率相对较高且运行平稳，抗振动和抗冲击能力都比较强;也有一些缺点：结构相对复杂，制造用材料成本较高，且制造和安装方面要求严格。随着科技的不断发展，行星齿轮减速器的优缺点得到了较好的平衡和优化，应用十分广泛。

　　减速器也是自动洗衣机中的关键装置，鉴于行星齿轮减速器的优点，本文把其引入洗衣机中，设计分析，提升自动洗衣机的性能要求，满足更多消费者的生活需要。

　　一、减速器系统组成及传动方案设计

　　根据调研及统计分析，消费者对洗衣机的使用平均每天一次，通常工作时间为一小时，洗衣机的使用寿命大约为8年，设定其输入功率P为1Kw，输入转速n_d为 1460r/min，输出转速 n_w为 165r/min，减速器的效率 η 为 0.98，行星轮个数n_p为3，输出转矩p_w为100Nm。

　　减速器系统组成

　　为了更好地分析行星齿轮减速器的系统组成，首先需要了解自动洗衣机的工作原理，如图1所示。在洗涤过程中，1处装置进行制动，2处装置处于松开状态，动力通过带传动，依次达到中心齿轮和行星轮，再通过行星架传输到波轮完成动作;脱水过程中，1处装置处于松开状态，2处装置进行制动，动力通过带传动到脱水桶，依次经过中心齿轮、行星轮和行星架，致使波轮和脱水桶旋转完成动作。行星齿轮减速器的系统组成如图2所示。

　　传动方案设计

　　电动机输出动力传输到行星齿轮减速器上，往往伴随着载荷冲击大、运行不平稳且存在噪声等缺点，文章选用带传动能有效规避这些问题，还能通过载荷过大时皮带打滑的方式对洗衣机零部件进行保护。由于电动机和皮带都有具体的国家标准和型号，这里不做赘述。考虑到行星齿轮减速器的诸多优点，依据国家 JB1988-1976的分类标准，文章选择2K-HNGW型的行星齿轮减速器进行具体的设计分析计算。

　　二、行星齿轮减速器齿轮的设计

　　行星齿轮配齿及几何尺寸计算

　　考虑到行星齿轮减速器齿轮的设计计算较多，下面只就关键计算予以说明，其它计算用文字进行简述。由已知条件知道减速器总的传动比i_p为8.9，本文取太阳轮的齿数z_a为20，通过配齿计算并查阅文献中，内齿圈齿数z_b为160，行星齿轮齿数z_c为70，校核后的i_p为 9，误差在范围之内。

　　由公式(1)知太阳轮分度圆直径 d_a为 30.92mm，可计算太阳轮模数 m_a 为 1.54，根据优先选择标准和 GB1357-1987最终确定m_a为2，通过计算可得太阳轮与行星轮中心距 a_ac 和太阳轮齿宽 b_a 分别为 90mm 和 20mm。

　　因为a=a₀，所以无需变位，即X_a=X_b=X_c=0，Δy=0，h_a* =1，c* =0.25。

　　d = mz     (2)

　　由公式(2)可知，分度圆直径 d_(a) 、d_(b) 、d_(c)分别为 40mm、320mm、140mm。

　　d_b = d × cos 20°    (3)

　　由公式(3)可知，基圆直径 d_b(a) 、d_b(b) 、d_b(c)分别为 37.59mm、300.70mm、131.56mm。

　　由公式(4)可知，外齿合时，齿顶圆直径d_a(a) 、d_a(c) 分别为 44mm、144mm，内齿合时，齿顶圆直径 d_a(b) 为 316mm。

　　由公式(5)可知，外齿合时，齿根圆直径 d_f(a) 、d_f(c)分别为 35mm、135mm，内齿合时，齿根圆直径 d_f(b) 为 325mm。

　　齿轮结构设计和装配验算

　　为了装配方便和减轻减速器重量，太阳轮选择输入轴和太阳轮合为一起的齿轮轴，行星轮选择中间开孔的齿轮，内齿圈选择直径D₀为365mm的齿轮。

　　由公式(6)可知，传动比为9，符合传动比条件。

　　由公式(7)结合n_w=3可得计算结果为60，符合装配要求。

　　由公式(8)计算可得，144<155.58，符合邻接要求。

　　由公式(9)~(10)计算可得，a_ac=a_bc=90，说明内、外齿合齿轮的中心距相等，符合同轴要求。

　　三、减速器轴的设计

　　选用经过调制处理的45# 钢作为输入、输出轴的材料，查阅文献中得到 A₀=125，许用弯曲应力为[σ_-1]= 60MPa。减速器输入轴的结构设计如图3所示，输出轴的结构设计如图4所示。

 

　　由公式(11)知，输入轴d_min为11.02mm，考虑到截面处键槽，联轴器的直径，故 d_min取 20mm。综合考虑轴承、轴承端盖、环形槽、行星架等部件的装配合结构要求，最终确定 d₁=20mm，l₁=38mm;d₂=25mm，l₂=35mm;d₃ =30mm，l₃=65mm;d₄=49mm，l₄=56.5mm;d₅=44mm，l₅= 11.5mm;d₆=32mm，l₆=43.5mm。

　　由于输入轴会受到脉动循环变应力影响，结合输入轴弯矩图，分析输入轴的危险截面在轴③上，取 α= 0.6，由公式(12)知，σ_ca=3.08MPa<[σ_-1]，故该轴符合要求。

　　同减速器输入轴的计算分析，最终确定d₁=30mm，l₁ =58mm;d₂=35mm，l₂=43mm;d₃=40mm，l₃=90mm;d₄= 49mm，l₄=12mm;d₅=150mm，l₅=12.5mm;d₆=50mm，l₆= 22.5mm，该轴同样符合要求。

　　四、结论

　　本文把行星齿轮减速器应用到洗衣机中进行了设计分析说明，基本达到了设计预期，该设计能有效降低自动洗衣机的重量、体积和噪声，改善了装配工艺，增强了负载，提高了洗衣效率。下一步还将在减速器齿轮间的啮合精度和传动精度上做进一步研究，不断提升行星齿轮减速器的传动效率和精度。

　　参考文献略.