行星齒輪減速器在電梯曳引機中的應用設計
General 更新 2024年05月29日
摘要：行星齒輪傳動的電梯曳引機具有體積小、傳動效率高、節能環保、壽命長和維護成本低等優點，一直受到曳引機行業推崇。本文介紹了行星齒輪傳動曳引機的主要優點、市場價值和幾種結構形式的原理以及設計製造中的技術要點。
關鍵詞：曳引機；行星齒輪；齒側間隙
曳引式電梯最早於20世紀初在美國出現。這種電梯的鋼絲繩懸掛在曳引輪上，一端與轎廂連線，另一端與對重連線。曳引輪的轉動帶動鋼絲繩移動，從而使轎廂和對重做升、降的相對運動。
行星齒輪傳動的曳引機很早就出現在提升裝置中，目前還只有少數幾家生產廠擁有這項技術。面對新型曳引機的迅猛發展，無齒曳引機的大量湧現，具有同樣優勢的行星齒輪曳引機仍然有其發展的機遇。針對採用傳統的蝸桿輪式曳引機存在的不足，介紹採用行星齒輪進行電梯曳引機減速器的一種優化設計。曳引式電梯由於鋼絲繩不用纏繞，鋼絲繩的長度和股數不受限制，電梯載重量和提升高度有很大提高，因此曳引式電梯一直髮展沿用至今。
行星齒輪傳動的電梯曳引機具有體積小、傳動效率高、節能環保、壽命長和維護成本低等優點，一直受到曳引機行業推崇。行星齒輪曳引機的機械傳動效率可達98％ ，相對同樣提升力的蝸輪副式曳引機節能30％～40％ ， 體積僅僅是它的一半；其設計壽命超過2萬小時，正常執行l5年以上，免維護，可以做到全密封無滲漏、無汙染； 變速比範圍大，可與多種電機匹配，可用於低速、中速和高速各種電梯；起動電流小，只是額定電流的1.4倍，可大大降低供電系統容量。
與蝸輪副曳引機相比，執行平穩性和噪聲控制是行星齒輪曳引機的弱項，但實踐證明，只要設計恰當，製造精密，行星齒輪曳引機完全能達到和超過蝸輪副曳引機要求的振動和噪聲指標。我們生產的行星齒輪曳引機檢測扭振有效值< 1.5mm ／s，空載噪聲≤62dB***A******1500r／min時***。各種指標均達國外同類產品的水平。
行星齒輪曳引機可以匹配各種電機和普通變頻器，變速範圍寬，制動力矩小，即使在中低速電梯中也能受到廣泛的應用。因此，行星齒輪曳引機首先是蝸桿式曳引機的替代品，其次在中低速新裝電梯中可望成為主選產品， 在舊電梯改造中，行星曳引機其安裝方便和免維護特點， 也會得到廣泛應用。
2 行星齒輪減速器的設計
2.1 蝸輪蝸桿傳動的缺點
採用蝸輪蝸桿傳動方式雖然傳動比較大並且傳動較平穩，但其具有以下難以克服的缺點，導致其不能適應電梯曳引機減速器的發展需要。
2.1.1 傳動效率低，能源浪費大。其總效率低於75％ ，即使採用耐磨材料，由於齒面滑動速度高，使傳動效率仍然難以從根本上得到提高；
2.1.2 體積大，重量較大，使現場安裝較困難；
2.1.3 蝸輪至少要二維對中，甚至要求三維對中，現場維修比較困難，同時保證和恢復裝配的精度困難。
大約4～5年就要調整蝸桿齒隙，這需要高階技師進行操作，使其維修性不好。
2.1.4 每年需要清洗加油，而且油封的使用壽命不長，在使用一段時間後經常出現漏油現象。
2.2 行星齒輪減速器的設計
鑑於蝸輪蝸桿傳動的上述缺點，研究應用行星齒輪傳動用於電梯曳引機減速器的設計上，取得了較好的效果。
設計電梯曳引機時，曳引機輸出軸端的平穩性直接影響了電梯的整體效能和乘坐的舒適性。同時行星齒輪曳引機的設計要求體積小、結構緊湊並且傳遞轉矩大。設計採用的行星齒輪傳動方式是普通漸開線斜齒輪行星齒輪傳動 ，這可以令齒輪齧合更加平穩。與直齒輪相比，斜齒輪副的總接觸面積增大，可以承受更大的荷載。同時採用高精密加工將側隙控制在較小的數值內，從而使齒輪在齧合時兒乎只是沿著齧合線作滾動運動，沒有產生齒輪碰擊，避免了輪齒磨損以及由此引起的震動，提高了靜音效果。由於斜齒輪的原因，齒輪副作用於齒輪上沿軸線方向的軸向力較大，所以齒輪箱使用圓錐滾子軸承承受軸向力，這需要有較高的傳動潤滑要求作保證。
太陽輪a的軸為齒輪箱的輸入軸，與電機連線；行星架h是第1級減速裝置的輸出軸，也是第2級減速裝置的輸入軸；行星架H軸為齒輪箱的輸出軸與曳引輪連線， 內齒圈b的轉速等於行星架H的轉速。在行星輪系中該輸出軸同時是第1級齒輪系的內齒圈和第2級齒輪系的行星架，對外與曳引機直接連線；該輸出軸直徑較大，
扭轉剛度高，即可承載大轉矩，同時降低了曳引機的共振頻率；另一方面，這種第1級齒輪系的內齒圈和第2級齒輪系的行星架，對外與曳引輪直接連線，及第2級內齒輪直接加工在減速器箱體上的結構設計，使減速器的結構更緊湊，在結構設計上有效地壓縮了整個減速器的體積。
2.3 行星齒輪設計的特點
2.3.1 結構緊湊、重量輕、體積小。對於行星齒輪傳動方式中，數個行星輪均勻地分佈在中心輪的周圍來共同分擔負載，使得每個齒輪所承受的負荷較小，所以可以採用較小的模數。此外，在結構上充分利用了內齧合承載能力大和內齒圈本身的可容體積，使外廓尺寸縮小。緊湊的結構使得其更適合小機房、無機房電梯的發展趨勢。
2.3.2 傳動效率高。同樣是由於數個行星輪勻稱分佈的特點，使得作用於中心輪和轉臂軸承中的反作用力能互相平衡，有利於傳動效率的提高。在結構佈置合理的情況下，其傳動效率可高達97％以上。與蝸輪蝸桿相比，節電達40％ 以上。
2.3.3 運轉平穩、抗振動和衝擊的能力較強。由於數個相同的行星輪在中心輪周圍的均勻分佈，使得行星輪與轉臂的慣性力互相平衡。齧合齒數的增多也使得傳動執行平穩，抗衝擊和振動能力較強，工作穩定可靠。
2.4 齒輪的修形
為了保證傳動的平穩性，減少振動和噪聲，必須對齒輪進行齒形和齒向修形設計。
曳引機是正反向交替執行的動力裝置，速度和載負變化都很大。實驗證明， 齒輪修形後，噪聲大幅降低。
行星曳引機均應選用硬齒面齒輪，採用磨齒工藝來控制各項精度及齒形、齒向的修形量。
2.5 齒輪變位設計
齒輪變位設計不但可使各級齒輪載荷能力趨於平衡，還可調配齒數比達到均化誤差的作用。通常情況下，曳引機在執行一段時間後振動和噪聲會變得最小。
3 結束語
針對行星齒輪減速器在電梯曳引機中應用的設計方法，並進行了相關引數的設計優化。行星曳引機雖然在設計和製造方面有一定難度，只要我們認真思考，努力攻關，一定會把它做好、做精，讓這種節能、環保、耐用的品種在曳引機市場上佔有一定的位置。
參考文獻：
[1] 胡青春，段福海，莫海軍.複雜行星齒輪系運動學分析及效率計算.中國機械工程，2006，17***20***
[2]成大先 機械設計手冊[M]3版 北京：化學工業出版社，l997
[3]楊實如，段欽華.NGW 型直齒行星傳動的設計方法研究.煤礦機械，2005***10***
[4] 貿振華，雙排行星齒輪變速機構的傳動分析，山東交通學院學報，2006，14***4***
當代中國工業設計中涵蓋的三種關係
工業設計獲獎作品
關鍵詞：曳引機；行星齒輪；齒側間隙
曳引式電梯最早於20世紀初在美國出現。這種電梯的鋼絲繩懸掛在曳引輪上，一端與轎廂連線，另一端與對重連線。曳引輪的轉動帶動鋼絲繩移動，從而使轎廂和對重做升、降的相對運動。
行星齒輪傳動的曳引機很早就出現在提升裝置中，目前還只有少數幾家生產廠擁有這項技術。面對新型曳引機的迅猛發展，無齒曳引機的大量湧現，具有同樣優勢的行星齒輪曳引機仍然有其發展的機遇。針對採用傳統的蝸桿輪式曳引機存在的不足，介紹採用行星齒輪進行電梯曳引機減速器的一種優化設計。曳引式電梯由於鋼絲繩不用纏繞，鋼絲繩的長度和股數不受限制，電梯載重量和提升高度有很大提高，因此曳引式電梯一直髮展沿用至今。
行星齒輪傳動的電梯曳引機具有體積小、傳動效率高、節能環保、壽命長和維護成本低等優點，一直受到曳引機行業推崇。行星齒輪曳引機的機械傳動效率可達98％ ，相對同樣提升力的蝸輪副式曳引機節能30％～40％ ， 體積僅僅是它的一半；其設計壽命超過2萬小時，正常執行l5年以上，免維護，可以做到全密封無滲漏、無汙染； 變速比範圍大，可與多種電機匹配，可用於低速、中速和高速各種電梯；起動電流小，只是額定電流的1.4倍，可大大降低供電系統容量。
與蝸輪副曳引機相比，執行平穩性和噪聲控制是行星齒輪曳引機的弱項，但實踐證明，只要設計恰當，製造精密，行星齒輪曳引機完全能達到和超過蝸輪副曳引機要求的振動和噪聲指標。我們生產的行星齒輪曳引機檢測扭振有效值< 1.5mm ／s，空載噪聲≤62dB***A******1500r／min時***。各種指標均達國外同類產品的水平。
行星齒輪曳引機可以匹配各種電機和普通變頻器，變速範圍寬，制動力矩小，即使在中低速電梯中也能受到廣泛的應用。因此，行星齒輪曳引機首先是蝸桿式曳引機的替代品，其次在中低速新裝電梯中可望成為主選產品， 在舊電梯改造中，行星曳引機其安裝方便和免維護特點， 也會得到廣泛應用。
2 行星齒輪減速器的設計
2.1 蝸輪蝸桿傳動的缺點
採用蝸輪蝸桿傳動方式雖然傳動比較大並且傳動較平穩，但其具有以下難以克服的缺點，導致其不能適應電梯曳引機減速器的發展需要。
2.1.1 傳動效率低，能源浪費大。其總效率低於75％ ，即使採用耐磨材料，由於齒面滑動速度高，使傳動效率仍然難以從根本上得到提高；
2.1.2 體積大，重量較大，使現場安裝較困難；
2.1.3 蝸輪至少要二維對中，甚至要求三維對中，現場維修比較困難，同時保證和恢復裝配的精度困難。
大約4～5年就要調整蝸桿齒隙，這需要高階技師進行操作，使其維修性不好。
2.1.4 每年需要清洗加油，而且油封的使用壽命不長，在使用一段時間後經常出現漏油現象。
2.2 行星齒輪減速器的設計
鑑於蝸輪蝸桿傳動的上述缺點，研究應用行星齒輪傳動用於電梯曳引機減速器的設計上，取得了較好的效果。
設計電梯曳引機時，曳引機輸出軸端的平穩性直接影響了電梯的整體效能和乘坐的舒適性。同時行星齒輪曳引機的設計要求體積小、結構緊湊並且傳遞轉矩大。設計採用的行星齒輪傳動方式是普通漸開線斜齒輪行星齒輪傳動 ，這可以令齒輪齧合更加平穩。與直齒輪相比，斜齒輪副的總接觸面積增大，可以承受更大的荷載。同時採用高精密加工將側隙控制在較小的數值內，從而使齒輪在齧合時兒乎只是沿著齧合線作滾動運動，沒有產生齒輪碰擊，避免了輪齒磨損以及由此引起的震動，提高了靜音效果。由於斜齒輪的原因，齒輪副作用於齒輪上沿軸線方向的軸向力較大，所以齒輪箱使用圓錐滾子軸承承受軸向力，這需要有較高的傳動潤滑要求作保證。
太陽輪a的軸為齒輪箱的輸入軸，與電機連線；行星架h是第1級減速裝置的輸出軸，也是第2級減速裝置的輸入軸；行星架H軸為齒輪箱的輸出軸與曳引輪連線， 內齒圈b的轉速等於行星架H的轉速。在行星輪系中該輸出軸同時是第1級齒輪系的內齒圈和第2級齒輪系的行星架，對外與曳引機直接連線；該輸出軸直徑較大，
扭轉剛度高，即可承載大轉矩，同時降低了曳引機的共振頻率；另一方面，這種第1級齒輪系的內齒圈和第2級齒輪系的行星架，對外與曳引輪直接連線，及第2級內齒輪直接加工在減速器箱體上的結構設計，使減速器的結構更緊湊，在結構設計上有效地壓縮了整個減速器的體積。
2.3 行星齒輪設計的特點
2.3.1 結構緊湊、重量輕、體積小。對於行星齒輪傳動方式中，數個行星輪均勻地分佈在中心輪的周圍來共同分擔負載，使得每個齒輪所承受的負荷較小，所以可以採用較小的模數。此外，在結構上充分利用了內齧合承載能力大和內齒圈本身的可容體積，使外廓尺寸縮小。緊湊的結構使得其更適合小機房、無機房電梯的發展趨勢。
2.3.2 傳動效率高。同樣是由於數個行星輪勻稱分佈的特點，使得作用於中心輪和轉臂軸承中的反作用力能互相平衡，有利於傳動效率的提高。在結構佈置合理的情況下，其傳動效率可高達97％以上。與蝸輪蝸桿相比，節電達40％ 以上。
2.3.3 運轉平穩、抗振動和衝擊的能力較強。由於數個相同的行星輪在中心輪周圍的均勻分佈，使得行星輪與轉臂的慣性力互相平衡。齧合齒數的增多也使得傳動執行平穩，抗衝擊和振動能力較強，工作穩定可靠。
2.4 齒輪的修形
為了保證傳動的平穩性，減少振動和噪聲，必須對齒輪進行齒形和齒向修形設計。
曳引機是正反向交替執行的動力裝置，速度和載負變化都很大。實驗證明， 齒輪修形後，噪聲大幅降低。
行星曳引機均應選用硬齒面齒輪，採用磨齒工藝來控制各項精度及齒形、齒向的修形量。
2.5 齒輪變位設計
齒輪變位設計不但可使各級齒輪載荷能力趨於平衡，還可調配齒數比達到均化誤差的作用。通常情況下，曳引機在執行一段時間後振動和噪聲會變得最小。
3 結束語
針對行星齒輪減速器在電梯曳引機中應用的設計方法，並進行了相關引數的設計優化。行星曳引機雖然在設計和製造方面有一定難度，只要我們認真思考，努力攻關，一定會把它做好、做精，讓這種節能、環保、耐用的品種在曳引機市場上佔有一定的位置。
參考文獻：
[1] 胡青春，段福海，莫海軍.複雜行星齒輪系運動學分析及效率計算.中國機械工程，2006，17***20***
[2]成大先 機械設計手冊[M]3版 北京：化學工業出版社，l997
[3]楊實如，段欽華.NGW 型直齒行星傳動的設計方法研究.煤礦機械，2005***10***
[4] 貿振華，雙排行星齒輪變速機構的傳動分析，山東交通學院學報，2006，14***4***
工業設計獲獎作品