平行軸擺線針輪減速器的研究
博士后姓名：許洪斌
流動(dòng)站（一級(jí)學(xué)科）名稱：機(jī)械工程
專業(yè)（二級(jí)學(xué)科）名稱：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論
研究工作起始時(shí)間：1999年3月
研究工作期滿時(shí)間：2001年5月
1.概述
1.1少齒差傳動(dòng)的發(fā)展及其特點(diǎn)
漸開線行星齒輪傳動(dòng)[1]是一種至少是一個(gè)齒輪及其幾何軸線饒公共幾何軸線作回運(yùn)動(dòng)的齒輪傳動(dòng)裝置掰儿。由于此裝置采用數(shù)個(gè)行星輪同時(shí)傳遞載荷，使功率分流并合理地采用了內(nèi)齒輪窗蠕，因而具有一系列的優(yōu)點(diǎn)：如結(jié)構(gòu)緊湊僚魁、體積小七迂、重量輕、傳動(dòng)比范圍大视樱、傳動(dòng)效率高蒿由、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲小、可進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的合成與分解等扯涝，因而廣泛地應(yīng)用在冶金秸严、化工、礦山锣猜、起重運(yùn)輸恍肢、船舶、透平等領(lǐng)域的設(shè)備上俊伯，作為減速摧辣、增速和變速傳動(dòng)裝置。但行星齒輪傳動(dòng)在使用中還有一些限制阅酪，如：當(dāng)傳動(dòng)比很小時(shí)旨袒，結(jié)構(gòu)上往往不容易實(shí)現(xiàn)；當(dāng)要求主遮斥、從動(dòng)軸不同軸線且在同側(cè)時(shí)峦失，行星齒輪傳動(dòng)無法實(shí)現(xiàn)；對(duì)于大規(guī)格生星齒傳動(dòng)术吗，行星齒輪的軸承壽命無法滿足等。
少齒差行星齒輪運(yùn)[2帆精，3]是行星傳動(dòng)中的一種较屿，它由一個(gè)外齒輪與一個(gè)內(nèi)齒輪組成一對(duì)內(nèi)嚙合齒輪副，內(nèi)外齒輪的齒數(shù)相差很小卓练，故簡稱為少齒差傳動(dòng)隘蝎。少齒差傳動(dòng)的類型很多，德國人首先提出擺線針輪行星齒輪傳動(dòng)原理襟企，三十年代后期日本開始研制生產(chǎn)這種傳動(dòng)嘱么，由于當(dāng)時(shí)工藝上保證了擺線齒形的精度，才促進(jìn)了這種傳動(dòng)的發(fā)展顽悼，到目前為止擺線針輪傳動(dòng)已是少齒差傳動(dòng)中應(yīng)用最廣泛曼振、最基本的一種類型，在此基礎(chǔ)上還發(fā)展了二齒差傳動(dòng)孝仅、復(fù)合齒形群肌、行星軸承與偏心套合并等新結(jié)構(gòu)[4]。擺線針輪傳動(dòng)承載能力高逊参、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)歧晕、效率高及壽命長，但加工精度要求高洪铣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜捕导。我國從1958年開始研制擺線針輪減速器，六十年代投入工業(yè)化生產(chǎn)，目前已形成系列孔选，制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)掘写，已廣泛應(yīng)用于各類機(jī)械設(shè)備中。
漸開線少齒差傳動(dòng)的原理與押線少齒差傳動(dòng)基本相同挫蓝，其區(qū)別在于內(nèi)外齒輪的齒廓曲線采用漸開線陡花，其輪齒結(jié)構(gòu)簡單、嚙合接觸應(yīng)力小抒寂，承載能力高结啼，可以采用軟齒面，不需要特殊的刀具與專用設(shè)備進(jìn)行加工屈芜。但是郊愧，由于當(dāng)內(nèi)嚙合的一對(duì)漸開線齒輪數(shù)差很小時(shí)，極易產(chǎn)生各種干涉井佑，在設(shè)計(jì)過程中選擇齒輪幾何參數(shù)的計(jì)算十分復(fù)雜属铁，且傳動(dòng)效率不如擺線齒輪少齒差傳動(dòng)高。早在1949年躬翁，蘇聯(lián)學(xué)者就從理論上解決了實(shí)現(xiàn)一齒差漸開線齒輪傳動(dòng)的幾何計(jì)算問焦蘑，但直到六十年代以后才得到了較迅速的發(fā)展。目前有柱銷式盒发、零齒差例嘱、十字滑塊、浮動(dòng)簽署等多種形式宁舰。我國是五十年代開始在太原等地研制拼卵，1960年制成第一臺(tái)二齒差漸開線行星齒輪減速器，并獲得了成功的應(yīng)用[5捅我，6窑肾，7]。
在六十年代灿打，國外就開始探討圓弧少齒差傳動(dòng)玛纹，到七十年代中期，日本已開始進(jìn)行圓弧少齒差行星減速器的系列化生產(chǎn)[8]酥徽。這種傳動(dòng)的特點(diǎn)在于行星輪的齒廓曲線用凹圓弧代替了擺線暑苍，輪齒與針齒在嚙合點(diǎn)的曲率方向相同，形成凹凸圓弧的內(nèi)嚙合铸老，從而提高了彎曲強(qiáng)度又簡化了針齒結(jié)構(gòu)越稻。
近幾十年業(yè)，又相繼出現(xiàn)了一些新的少齒差傳動(dòng)形式[3翰谋，9键瓢，10秤歼，11]，其中發(fā)展較快的有活齒少齒差傳動(dòng)[12]订骂，錐齒少齒差傳動(dòng)射桅，雙曲柄輸入式少齒差傳動(dòng)，以及利用彈性變形來傳遞運(yùn)動(dòng)諧波傳動(dòng)[13膜钓，14嗽交，15]。實(shí)踐證明颂斜，少齒差傳動(dòng)與工況相同的其它機(jī)械傳動(dòng)形式相比較夫壁，具有許多顯著優(yōu)點(diǎn)。
眾所周知沃疮，漸開線齒輪由于加工方便盒让，成本低，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛司蔬。但目前國內(nèi)生產(chǎn)的少齒差減速器中邑茄，90%以上是擺線針輪減速器，漸開線少齒差減速器的市場占有率很低俊啼，而且都是小功率的肺缕。造成這種局面的主要原因是我國生產(chǎn)的漸開線少齒差減速器絕大多數(shù)都采用同軸傳動(dòng)方式，即輸入軸與輸出軸在同一根軸線上授帕，行星輪通過行星軸承安裝在曲軸的偏心軸頸上搓谆，并通過輸出機(jī)構(gòu)與輸出軸相連。采用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的漸開線少齒差減速器存在以下缺點(diǎn)：
1）行星軸承受力大词羹，壽命矩。少齒差嚙合傳動(dòng)容易發(fā)生各種干涉笋据，為了消除干涉現(xiàn)象膛灯，設(shè)計(jì)中一般采用正角度變位傳動(dòng)，齒輪正變位后捏合角增大下碗，使行星軸承徑向載荷增大谚熙；另一方面，由于結(jié)構(gòu)上的原因僵棍，行星軸承的徑向尺寸受到一定的限制摘形，在設(shè)計(jì)中很難滿足壽命要求。而擺線針輪減速器行星軸承徑向載荷 為相同尺寸的漸開線少齒差減速器的60%癞屹，軸承壽命由此可提高五倍左右垒土。
2）振動(dòng)、噪音較大嫁料，運(yùn)行平穩(wěn)性差妥迷。擺線針輪減速器的擺線輪與針齒有半數(shù)齒同時(shí)接觸昆淡，而且兩者都經(jīng)過磨削，故其運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)刽严，噪單低昂灵。漸開線少齒差減速器同時(shí)嚙合的齒數(shù)少，由于內(nèi)齒輪精加工比較困難舞萄，輪齒制造精度較低眨补，嚙合時(shí)沖擊、噪音較大倒脓。
3）傳動(dòng)效率低撑螺。擺線針輪減速器單級(jí)傳動(dòng)效率可達(dá)90%～95%，而漸開線少齒差減速器僅為85%～90%把还。
其中最主要的是行星軸承徑向載荷過大实蓬，造成軸承壽命短，使得行星軸承成為減速器的薄弱環(huán)節(jié)吊履。因此安皱，如何減小行星軸承載荷，提高少齒差行星齒輪減速器行星軸承的壽命艇炎，一直是人們力求解決的問題酌伊。
我國是五十年代開始從事少齒差齒輪傳動(dòng)研究的。1956年我國著名的機(jī)械學(xué)家朱景梓教授根據(jù)雙曲柄機(jī)構(gòu)的原理提出了一種新型少齒差傳動(dòng)機(jī)械拼仆，其特點(diǎn)是當(dāng)輸入軸旋轉(zhuǎn)時(shí)吏辫，行星輪不是作擺線運(yùn)動(dòng)（高速公轉(zhuǎn)與低速自轉(zhuǎn)的合成），而是通過雙曲柄機(jī)構(gòu)導(dǎo)引作圓周運(yùn)動(dòng)撑停。這種獨(dú)特的“雙曲柄輸 入少齒差傳動(dòng)機(jī)構(gòu)”得到當(dāng)時(shí)國內(nèi)外同行的高度評(píng)價(jià)劳威。1963年朱景梓教授在太原工學(xué)院學(xué)報(bào)上發(fā)表了“齒數(shù)差Zd=1的漸開線K-H-V型行星齒輪減速器及其設(shè)計(jì)“[16]，詳細(xì)闡述了少齒差傳動(dòng)的原理和設(shè)計(jì)方法适唆，為少齒行星齒輪傳動(dòng)在我國的推廣應(yīng)用起了重要的指導(dǎo)和推動(dòng)作用鸯式。雙曲柄輸入少齒差傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是能使行星軸承的載荷下降，而且當(dāng)內(nèi)齒板作為行星輪時(shí)榛娶，行星軸承的徑向尺寸可不受限制用印，從而提高了行星軸承的壽命。另外堰漾，這種傳動(dòng)不需要輸出機(jī)械做鸽，還可實(shí)現(xiàn)平行軸傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡單就餐，效率高范咨，適用性強(qiáng)。
根據(jù)K-H-V型少齒差行星齒輪傳動(dòng)的原理和設(shè)計(jì)方法谐区，太原工學(xué)院湖蜕、煤炭部研究總院及重慶鋼鐵公司等單位根據(jù)這種原理成功地研制出了不同類型的雙曲柄輸入少齒差減速器[17逻卖，14，28昭抒，31评也，32，33灭返，36]盗迟。1985年，冶金工業(yè)部重慶鋼鐵設(shè)計(jì)院陳宗源高級(jí)工程師提出用三相并列雙曲機(jī)構(gòu)來克服死點(diǎn)熙含，并于同年以“三環(huán)減速（或增速）傳動(dòng)裝置”申請(qǐng)了國家發(fā)明專利[13]罚缕。英國在1989年出現(xiàn)了類似的少齒差傳動(dòng)裝置。但是怎静，按這種原理設(shè)計(jì)出來的減速器邮弹，一根曲軸上要安裝三片內(nèi)齒板，不得不制成偏心套結(jié)構(gòu)祟背、結(jié)構(gòu)復(fù)雜沸芍，加工分度精度要求高，而且在工作過種中歇拦，偏心套受交變扭矩的作用累变，在與曲軸連接的表面產(chǎn)生微動(dòng)磨損，導(dǎo)致發(fā)熱命画；另外囊弥，三套互為120°相位差的雙曲柄機(jī)構(gòu)之間存在多次過約束，曲于加工及安裝誤差容易導(dǎo)致附加沖擊載荷唁狼，引起震動(dòng)和噪音姚库。1987年，捷克人Soulek.Josef提出在一塊齒板上布置三個(gè)曲柄軸铁魁，利用平面多曲柄機(jī)構(gòu)的原理克服死點(diǎn)的設(shè)想错这，把齒板數(shù)減少為兩個(gè)，并申請(qǐng)了專利[9]赐匕。1993年重慶大學(xué)博士研究生崔建昆提出一種新型軸銷式少齒差行星齒輪傳動(dòng)[18]，并對(duì)其進(jìn)行了理論分析仓坞。由此可見背零，國內(nèi)外關(guān)于雙曲柄輸入少齒差傳動(dòng)的研究，重點(diǎn)在于如何克服雙曲柄機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)无埃，主要的方法是利用一套齒輪機(jī)構(gòu)把動(dòng)力從輸入軸傳遞到另一根曲軸上去徙瓶，形成兩根曲柄同時(shí)驅(qū)動(dòng)，從而克服機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)嫉称。
1.2本課題的提出
少齒差傳動(dòng)原理被提出后侦镇，國際上對(duì)其傳動(dòng)的研究十分活躍灵疮，此外還出二齒差傳動(dòng)、復(fù)合齒形等新機(jī)械壳繁。九十年代國際上出現(xiàn)了一些新結(jié)構(gòu)少齒差傳動(dòng)的發(fā)明專利震捣，但均有利弊。如三環(huán)減速（或增速）傳動(dòng)裝置的內(nèi)齒輪加工需要專度是當(dāng)前齒輪技術(shù)發(fā)展主要趨向闹炉，工業(yè)發(fā)達(dá)國家正積極推廣使用硬齒面多級(jí)圓柱齒輪減速器和行星齒輪減速器蒿赢。同軸擺線會(huì)輪減速機(jī)通常用柱銷輸出機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜渣触。針齒連桿行星減速機(jī)（ZL 96236353.7 CN2265454Y）[19]在只有一個(gè)輸入軸時(shí)羡棵，沒有解決克服機(jī)構(gòu)死點(diǎn)的問題。同步帶雙曲柄環(huán)板式針擺減速器（ZL96207312.1 CN2258239Y）[20]在只有一塊齒環(huán)板時(shí)玖生，齒環(huán)板的兩側(cè)需各設(shè)置一塊平稀板鹤莹，安裝困難，成本高丑钱。此外坑遥，齒環(huán)板或平衡板通過偏心套與輸入軸相聯(lián)，因微動(dòng)磨損夸莱，偏心套或軸承將會(huì)過早失效伙二。
本文提出一種全新擺線針輪減速器，即平行軸擺線針輪減速器恤柴，并獲得實(shí)用新型專利（ZL98 2 28454.3）[21]崔三。它的技術(shù)方案為：減速（或增速）傳動(dòng)裝置，具有兩根高速軸和一根低速軸扯蕾，兩商由支撐軸承安裝在箱體上软旁；高速軸上有相位差成180°的平行雙曲柄機(jī)構(gòu)，其中環(huán)板起連桿作用锚署；環(huán)板內(nèi)孔的圓周上均布著針齒銷扛肩，針齒銷外有滾動(dòng)套；當(dāng)兩塊環(huán)板上針齒銷與固聯(lián)在低速軸上相應(yīng)相位差成180°的兩個(gè)擺線齒輪嚙合時(shí)骨田，實(shí)現(xiàn)無滑動(dòng)的少齒差傳動(dòng)耿导；為了解決機(jī)構(gòu)在共線時(shí)從動(dòng)曲柄存在運(yùn)動(dòng)不確定的問題，本研究采用兩種方案态贤，即方案（一）：在箱體外舱呻，兩根高速軸的同側(cè)用一與齒環(huán)板不同相位的連桿相連，連桿驅(qū)動(dòng)高速軸通過運(yùn)動(dòng)不確定點(diǎn)悠汽；方案（二）：在箱體內(nèi)箱吕，兩根高速軸固聯(lián)相同的小齒輪，在低速軸上空套一個(gè)過棋逢對(duì)手大齒輪柿冲，兩對(duì)齒輪的外嚙合驅(qū)動(dòng)雙曲柄通過運(yùn)動(dòng)不確定點(diǎn)茬高。
與現(xiàn)有的傳動(dòng)裝置相比兆旬，本裝置的創(chuàng)新新點(diǎn)主要有：
1）偏心軸頸與高速軸做成一體（稱為偏心軸）。結(jié)構(gòu)簡單怎栽，安裝方便丽猬，徹底解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的偏心軸頸微動(dòng)磨損和發(fā)熱問題。偏心軸的加工工藝性較好婚瓜；
2）兩個(gè)相位差成180°的擺線輪通過鍵固定在低速軸上宝鼓，擺線輪制造工藝簡單；
3）擺線輪和針輪均可做成硬齒面拖见，且同時(shí)嚙合齒數(shù)多乾爆，重合度大；
4）齒面間實(shí)現(xiàn)無滑動(dòng)嚙合滓莱，傳動(dòng)交率高舆伺；
5）結(jié)構(gòu)上可采用多種方法解決雙曲柄四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)不確定問題；
6）本減速器無特殊材料和特殊加工工藝或設(shè)備要求咏哈，且安裝維修方便阀洛。
1.3 本文所做的工作
本文所做的工作是在重慶市科委攻關(guān)項(xiàng)目的資助下完成的。
1）新型結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)及齒形優(yōu)化萄罐；
2）根據(jù)變形協(xié)調(diào)方程建立力學(xué)模型调拳，建立多相平行四邊形雙曲柄機(jī)構(gòu)的通用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析，分析壓力角吧玉、曲柄長主蔗糖化時(shí)對(duì)載荷分布的影響杀肩；
3）對(duì)比分析不同結(jié)構(gòu)形式行星環(huán)板的承載能力；
4）樣機(jī)的試制與試驗(yàn)研究警畴。
下一頁
