行星齿轮传动在农业收割机中的应用
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[摘 要]随着技术全球化及加入WTO后带来的冲击， 联合收割机市场的竟争更加激烈。人们在追求联合收割机高品质的同时， 更加关注产品的可靠性。渐开线行星齿轮摆环箱传动由于制造精度高、结构复杂等特点，在联合收割机上应用较少， 但其可靠性高的优点近年来已受到联合收割机生产厂家的重视。开发、应用渐开线行星齿轮摆环箱代替传统摆环箱已成为一种发展趋势。
[关键词]行星齿轮传动；农业收割机；应用；
中图分类号：J62.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）07-0144-01
农业收割机切割器作往复运动，可采用多种传动机构，常见的有曲柄连杆机构、摆环机构、曲柄滑槽机构等。其中利用摆环机构生产的摆环箱由于运动平稳、传动功率大等优点已被广泛应用于大型联合收割机上，其工作原理是利用摆环、摆叉和偏心原理将圆周运动变成平面往复运动。随着技术的不断发展，人们在追求联合收割机高性能的同时，更加关注产品的可靠性。渐开线行星齿轮传动机构在可靠性方面的优势近年来已受到联合收割机生产厂家的重视，开发、应用渐开线行星齿轮传动机构代替传统摆环箱已纳入了收割机生产企业的日程。
一、工作原理
行星齿轮传动机构主要由壳体、固定内齿圈、行星齿轮、曲柄、转臂、刀头、割刀杆等组成 ，其主要工作部件是行星齿轮。工作时行星齿轮在大齿圈的作用下绕中心部件（或叫太阳轮，这里指大齿圈中心）转动，同时也自转。当选择一个合理的参数时，行星齿轮节圆上的点沿直线运动，其余各点均是不规则的曲线运动。为了使行星齿轮传动机构的输出具有直线特性，必须保证两点： ①固定内齿圈的齿数是行星齿轮齿数的2倍； ②转臂的长度= 曲柄的长度= 行星齿轮节圆半径= 固定内齿圈节圆半径的1/2。在这两个条件的共同约束下，同一时间内行星齿轮的公转角恒为行星齿轮自转角的一半； 节圆上的点沿直线运动。如果将输出端（刀头）的理论点固定在行星齿轮节圆上，其运动轨迹则是通过固定内齿圈中心的直线运动。当行星齿轮转过一角度从速度和加速度与时间的关系上可以看出，其运动特性随时间呈正弦或余弦曲线规律运动。这与偏置式曲柄连杆机构运动特性基本相同。
二、行星齿轮传动机构的运动分析
行星齿轮式割刀传动机构由转臂、行星齿轮、曲柄和固定齿圈等组成，当转臂绕轴心回转时， 行星齿轮在固定齿圈上滚动，从而曲柄带动割刀做往复直线运动。割刀往复直线运动需要行星齿轮机构的尺寸来保证。因为内啮合行星齿轮的运动规律一般为内摆线方程， 这样输出端的运动轨迹为复杂曲线， 不符合割刀运动要求。要满足割刀的运动规律，输出端在运动过程中要不偏离齿圈的直径线。为了保证输出端在固定齿圈的直径线上， 实现割刀的往复直线运动， 需建立输出端点的运动方程， 并进行分析。考虑一般情况， 作行星齿轮传动机构的平面运动简图， 应用运动学理论可以建立输出端曲柄长度等于行星齿轮半径。设转臂长经过时间后系统运动到图示位置，一时间内行星齿轮的公转角恒为行星齿轮自转角的1 /2； 输出端的理论点固定在行星齿轮节圆上， 其运动轨迹则是通过固定内齿圈中心的直线运动。
三、行星齿轮传动在农业收割机中的应用
1. 运动特性分析。把联合收割机传动机构的输入转速和所设计的曲柄半径和为改进前参数分别代入机构的位移、速度以及加速度与时间的函数关系中。在MATLAB语言下编制程序（程序略） ， 得到割刀的位移速度曲线虚线表示用摆环机构传动的割刀运动特性曲线， 实线是指用行星齿轮机构传动的割刀运动特性曲线。两种传动机构的位移曲线基本重合， 速度加速度曲线相似。也就是说， 传动系统的改进并没有对割刀的运动发生大的影响， 但是保证了其不受侧向力。行星齿轮机构割刀的运动特性随时间呈正弦或余弦曲线规律运动， 摆环机构割刀的运动特性随时间呈近似的正弦或余弦曲线规律运动。以往的设计方法由于缺少高效的算法，有时仅是根据经验和结构需要，在几种方案中选择较佳方案。单方面的提高某一目标而使另一目标下降，使设计在初期就有了不完备性，而多目标优化设计能够解决此类问题。多目标算法是多目标优化设计学科首要研究的问题。对于多目标优化问题，通常存在一个解集，其特点是：在改进任何一个目标函数的同时不削弱其它任何一个目标函数。在行星轮系传动设计中，总是要求结构具有体积小、重量轻、承载能力大和效率高等优点，这就要求进行多目标优化设计。从运动原理上分析， 渐开线行星齿轮摆环箱输出端更能保证割刀做往复直线运动而无有害的侧向运动， 因而振动小， 能够减少对刀片的磨损， 可以提高割刀运动速度， 更有利于切割粗茎杆植物。
2.齿轮。行星齿轮传动机构动力传递主要靠齿轮，从割刀的运动形式上可以看出，该传动机构所受的力主要是冲击载荷，这就要求齿轮工作过程中要的中啮合间隙要合理，而且齿轮要有相当高的承载能力。随着计算机技术、信息技术和自动化技术的推广应用，汽车齿轮企业的组织结构和运作方式已从传统的金字塔式多层次生产管理结构向扁平的网络化结构转变，从传统的顺序工作方式向并行工作方式转变。一些先进的汽车齿轮企业已经通过精益生产、敏捷制造、智能制造，实现了高精度、高效益的智能化齿轮生产线计算机网络化管理。汽车齿轮企业在进行产品设计的同时进行工艺过程设计，安排好生产周期的各个环节，缩短了产品投放市场的时间。并行工程在美国和日本的汽车齿轮行业应用广泛。快速原形制造技术在国外汽车齿轮行业发展十分迅速。产品的试制周期是3 个月，产品的设计周期是3 個星期。汽车齿轮向大型化、专业化、国际方向发展。比如，世界最大齿轮传动系统集团ZF已经发展成为年产值达50 亿美元的跨国公司，有50%的产品出口。发达国家的汽车公司纷纷和齿轮厂脱钩，实行国际采购。近几年来，美国、日本和德国的一些汽车公司已经开始来中国寻找齿轮、变速箱配套。汽车齿轮必将完全成为国际采购和国际配套的产品。技术创新已经成为国际汽车齿轮市场竞争的关键。汽车齿轮企业之间的技术创新竞争主要表现在四个方面；新产品开发快速地适应市场需求，关键工艺技术不断创新，产品质量不断上升，员工素质不断提高。计算机技术和数控技术快速发展，提高了汽车齿轮产品的加工精度和加工效率，推动汽车齿轮产品向多样化、整机配套模块化、标准化和造型设计艺术化方向发展。国际上动力传动齿轮装置正沿着小型化、高速化、标准化方向发展、特殊齿轮的应用、行星齿轮装置的发展、低振动、低噪声齿轮装置的研究是齿轮设计方面的一些特点。为达到齿轮装置小型化的目的，可以提高现有渐开线齿轮的承载推力。各国普遍采用硬齿面技术，提高硬度以缩小装置的尺寸；也可应用以圆弧齿轮为代表的特殊齿形。英法合作研制的舰载直升飞机主传动系统采用圆弧齿轮后，使减速器高度大为降低。随着船舶动力由中速柴油机代替的趋势，在大型船上采用大功率行星齿轮装置确有成效；现在冶金、矿山、水泥──轧机等大型传动装置中，行星齿轮以其体积小、同轴性好、效率高的优点而应用愈来愈多。 四、应考虑的几个因素
1.割刀往复运动频率。行星齿轮传动机构动力由皮带轮传给主动轴，主动轴通过一对锥齿轮把动力传递给行星齿轮，通过输出端将动力以直线运动的方式输出到割刀上。为了保证切割器工作时的频率要求，设计时在充分考虑结构配置的同时，应严格计算输入皮带轮的传动比和锥齿轮的传动比。
2.装配要求。由分析可知， 行星齒轮摆环箱只有行星齿轮节圆上的点能做通过圆心的直线运动， 其它任何一点都是不规则的曲线运动。而割刀运动是水平直线往复运动。所以， 要使输出具有水平直线特性， 装配时应考虑以下两个条件：①输出端中心必须位于行星齿轮节圆上；②在摆环箱整体与收割机整体配置固定的前提下， 确保输出端运动方向与割刀运动方向一致， 以便减少刀片的磨损。
3.齿轮。行星齿轮传动机构动力传递主要靠齿轮，从割刀的运动形式上可以看出，该传动机构所受的力主要是冲击载荷，这就要求齿轮工作过程中的啮合间隙要合理，而且齿轮要有相当高的承载能力。实际上，由于零件加工中的误差、工作中的热变形、装配时的误差等，齿轮很难达到理想的啮合状态。所以齿轮强度对该传动机构可靠性的影响尤为重要。该设计中，齿轮精度均按国家标准8级要求，齿轮齿面硬度均要求HRC52～ 58。
通过对行星齿轮机构进行运动分析， 得出了割刀实现往复直线运动时行星齿轮机构的尺寸要求， 即转臂的长度等于曲柄的长度， 等于行星齿轮节圆半径，等于固定内齿圈节圆半径。在这个条件的基础上， 根据弯曲强度联合收割机的行星齿轮传动机构的主要零件， 经弯曲疲劳强度和接触疲劳强度校核表明， 所设计的机构是安全的。经实践证明，该种传动机构除具有传动功率大、可靠性高等明显优点外，与传统式摆环箱相比具有重量轻、体积小、利用空间小等特点，更便于与联合收割机配套。
参考文献
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