基於模組化概念之多階行星齒輪機構設計方法

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劉俊佑(Jun-You Liu) 查詢紙本館藏

畢業系所

機械工程學系

論文名稱

基於模組化概念之多階行星齒輪機構設計方法
(Multi-stage Planetary Gear Drives Design Method Based on Modular Concept)

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摘要(中)

行星齒輪機構具有高速比、高功率重量比、結構緊湊和輸入端與輸出端同軸心等優點，故廣泛應用於各種機械傳動系統，如自動化設備、車輛傳動、風力發電等。而行星齒輪機構在實際運用為達到更大的速比範圍，一般常利用多階行星齒輪組之各階間的環齒輪、太陽齒輪、托架來建立不同的連結關係，以得到符合需求的行星齒輪機構。
而多階行星齒輪機構之設計在機構型式確定後，需先進行整體機構的分析。而一般常用的分析方法係利用與結構相關的關係式來進行，但由於多階行星齒輪機構的組合方式相當多元，使得整體的分析過程會過於繁瑣。因此本論文將以模組化概念來建立多階行星齒輪機構之設計流程。首先透過各階間之連接關係，建立結構編碼，據以建立轉速、扭矩和效率關係的矩陣計算式，以可快速地完成初步的整體機構分析，得到符合設計需求之機構基本齒輪設計參數。隨後建立行星齒輪機構之環齒輪、太陽齒輪、托架等主要元件間各種連接型式的設計目錄，以提供設計時參考之用。因此本論文所建立之從基本設計到細部設計的方法可以提升在多階行星齒輪機構之設計效率。
在本研究中，亦透過此設計方法完成一個二階差速分流式行星齒輪機構的分析與設計，並將其加工製造出成品。同時亦進行齒輪嚙合齒印量測，並從齒輪嚙合之齒印情況推測出，行星齒輪會因托架的軸偏心量過大，而造成運轉不順的情況。此推論亦與2.5D量測儀進行量測結果一致。

摘要(英)

The planetary gear train has the advantages of high speed ratio, high power to weight ratio, compact structure, and coaxial input and output axes. Hence, it is widely applied in various mechanical transmission systems such as automation equipment, vehicle transmission, wind power generation, etc. In order to achieve a larger speed ratio of the planetary gear drive, a multi-stage planetary gear drive is generally employed with combination between the individual stages to fullfil the design requirements. The combination can be achieved by connecting the annular gear, sun gear, and carrier.
The first step for design of of the multi-stage planetary gear drive is analysis of the complete mechanism after the structure is determined. In general, the analysis methods for planetary gear drives are derived from the relations of the structure. Hence the analysis of multi-stage planetary gear drives will be laborious due to structure diversification. The aim of the thesis is thus to propose a design approach for multiple stage of planetary gear drives based on modularization concept. At first, the structure coding scheme is determined from the connection relations between each stage. Various matrix equations are therefore established based on the coding scheme so as to calculate quickly the speeds, torques, and complete mechanical efficiency of the planetary gear train. With this analysis, the basic gearing design parameter can be obtained for the required design specification. Afterwards, a design catalog for various connection types of ring gears, sun gears and carrier of the planetary gear train is proposed for design aid. The proposed design approach from basic design to detialed design can incrase the efficiency for designing the planetary gear train.
In this study, a differential type two-stage planetary gear drive was analyzed and designed according to the proposed approach. It was manufactured and assembled. The measurement of the contact pattern of the gears was also conducted. It can be inferred from the measured contact patterns that the running of the planetary drive is not smooth due to a larger eccentricity of the carrier. This inference is in good agreement with the measurement result of the components on a 2.5D Measuring Machine.

關鍵字(中)

★ 模組化
★ 多階行星齒輪機構
★ 差速分流式行星齒輪機構

關鍵字(英)

★ Modulization
★ Multi-stage planetary gear drive
★ Differential type planetary gear drive

論文目次

摘要 i
Abstract ii
謝誌 iii
目錄 iv
圖目錄 vii
表目錄 xiii
符號說明 xv
第1章前言 1
1.1 研究背景 1
1.2 文獻回顧 6
1.3 研究目的 14
1.4 論文架構 14
第2章行星齒輪機構模組化 15
2.1 行星齒輪系統之模組化概念 15
2.1.1 模組化設計的基本概念 15
2.1.2 行星齒輪模組化特點 16
2.2 行星齒輪機構模組化之功能結構 17
2.2.1 行星齒輪機構之功能分解 17
2.2.2 串聯式行星齒輪機構之功能結構圖 21
2.2.3 並聯式行星齒輪機構之功能結構圖 22
第3章行星齒輪機構設計方法 23
3.1 行星齒輪機構之基本設計流程 23
3.2 行星齒輪機構連接型式 25
3.2.1 串聯式行星齒輪機構 25
3.2.2 並聯式行星齒輪機 25
3.3 行星齒輪機構之基本參數設計 26
3.4 行星齒輪機構之轉速計算方法 28
3.4.1 單階行星齒輪機構之基本轉速關係 28
3.4.2 多階行星齒輪機構之轉速計算方法 29
3.5 行星齒輪機構之扭矩計算方法 33
3.5.1 單階行星齒輪機構之扭矩與功率平衡 33
3.5.2 多階行星齒輪機構之扭矩計算方法 34
3.6 行星齒輪機構之效率分析方法 37
3.6.1 單階行星齒輪機構之效率分析方法 37
3.6.2 多階行星齒輪機構之效率分析方法 39
3.7 齒輪承載能力計算方法 41
3.7.1 KISSsoft行星齒輪計算模組 41
3.7.2 KISSsys軟體介紹 44
3.8 設計協助表 45
第4章案例設計 56
4.1 二階差速分流式行星齒輪機構之組成 56
4.2 齒數決定 57
4.2.1 單階速比估算可能齒數 57
4.2.2 整體機構效率分析 58
4.3 齒輪承載能力計算 61
4.3.1 KISSsys模型建立 61
4.3.2 KISSsoft齒輪參數設定與承載能力計算結果 62
4.4 整體設計架構 64
4.4.1 細部設計 65
4.5 固定組件設計與配置 66
4.5.1 箱體總成設計 67
4.5.2 軸承座設計 70
4.6 輸入組件設計與配置 70
4.6.1 環齒輪輪鼓設計 71
4.6.2 輸入軸與輸入連接件設計 72
4.7 差速輸出組件設計與配置 74
4.7.1 托架設計 74
4.7.2 輸出軸設計 75
第5章製作、測試與討論 77
5.1 齒輪箱組裝 77
5.1.1 箱體與增速階行星齒輪次組立 78
5.1.2 環齒輪輪鼓與環齒輪次組立 79
5.1.3 差速階行星齒輪組與托架次組立 80
5.1.4 輸入聯軸器次組立 81
5.1.5 前蓋板次組立 82
5.1.6 軸承座次組立 83
5.1.7 組裝順序 84
5.2 齒印測試結果與討論 84
5.2.1 問題分析 84
5.2.2 齒印量測規劃 86
5.2.3 齒印量測結果 87
5.2.4 小結 99
5.3 問題檢討與改進方向 100
第6章結論與未來展望 102
6.1 結論 102
6.2 未來展望 102
參考文獻 103

參考文獻

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指導教授

蔡錫錚(Shyi-Jeng Tsai)

審核日期

2020-8-20

推文