新型雙環(huán)減速器的設(shè)計及研制
2.1 引言
少齒差雙環(huán)行星減速器偏秦，由于具有功率分流臊骂、內(nèi)嚙合和多齒接觸等特點收罢，且具有結(jié)構(gòu)簡單牺幻、體積小润邑、重量輕线梗、傳動比大羽资、傳動效率高汁胆、承載能力強梭姓、制造成本低等優(yōu)點。近年來已開始在冶金、水泥驱请、船舶庵伙、環(huán)保、建筑等各工業(yè)部門推廣應(yīng)用墓永。三環(huán)減速器己經(jīng)系列化生產(chǎn)并有相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)枪笆。但雙環(huán)減速器目前仍無相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
2.2 雙環(huán)減速器的基本原理分析
漸開線少齒差行星齒輪傳動按傳動形式可分為N 型（K-H型）和NN型(2K-H 雙內(nèi)嚙合型）兩大類, N型內(nèi)齒行星齒輪傳動的基本結(jié)構(gòu)形式之一——環(huán)式減速器（單環(huán)毫蚁、雙環(huán)挠辆、三環(huán)及四環(huán)），三環(huán)減速器基本結(jié)構(gòu)及傳動原理見文獻析深，四環(huán)減速器是具有四個偏心軸頸的高速軸华雷，四個傳動內(nèi)齒輪通過軸承安裝在高速軸上，四個內(nèi)齒輪與外齒輪嚙合來傳遞運動和動力郊男，嚙合瞬時相位差呈旱谐。本文雙環(huán)減速器實驗樣機實用新型是由一種由一級普通齒輪傳動和一級平行動軸少齒差傳動構(gòu)成的減速裝置（如圖2.1所示），一級普通齒輪由三個相互嚙合的外齒輪l孵堪、4 構(gòu)成撤防，其中兩個外齒輪4安裝在兩根互相平行且各具有兩個偏心軸頸的輸入曲軸3上，兩個傳動內(nèi)齒板5通過軸承6安裝在高速輸入偏心軸3上棒口，外齒輪7的軸8為低速軸寄月，其軸線與輸入曲軸3的軸線平行，低速軸8通過軸承10支承在機體11上无牵，兩個內(nèi)齒輪5與外齒輪7嚙合漾肮，嚙合瞬時相位差呈180°。其運動是這樣實現(xiàn)的：動力從普通2輸入茎毁，通過一級普通齒輪傳動1克懊、4將功率分流到少齒差傳動中的兩曲柄輸入軸3上，實現(xiàn)雙曲柄輸入軸的同步七蜘，并利用雙輸入來克服由互成180°的曲柄輸入軸3和內(nèi)齒板5所構(gòu)成的雙相并列雙曲柄機構(gòu)的死點谭溉，雙內(nèi)齒板5與輸出外齒輪7嚙合，嚙合相位呈180°橡卤，實現(xiàn)功率合流輸出扮念。在輸出軸8的支承軸承10的外圈加裝有彈性均載裝置9，以補償因制造和裝置誤差碧库。
2.3 雙環(huán)減速器的設(shè)計
對于少齒差內(nèi)嚙合傳動柜与，其內(nèi)嚙合齒輪副幾何計算的突出問題是避免干涉的問題，雖然采用短齒和正變位齒輪可以有效地解決這一問題乞哀，但隨之而來的是引起重合度的降低谤变，因此幾何計算的一個主要內(nèi)容就是從兼顧這兩方面的要求出發(fā)荞谬，合理地選擇各項參數(shù)。各參數(shù)限制條件較多胚砰，計算極為復(fù)雜避纤，如果參數(shù)選擇不當(dāng)，不能滿足全部的限制條件敬魏，就會發(fā)生種種干涉現(xiàn)象，導(dǎo)致減速器質(zhì)量差岔雾、壽命短底盅。為了保證內(nèi)嚙合傳動的強度和正確嚙合，避免內(nèi)齒輪副干涉黑乞，常規(guī)的設(shè)計方法揉贡，必須從多種方案中通過大量計算、比較來選擇拟祖，即使這樣也不能得到最佳的方案拣挪。此外，為減少重復(fù)計算及縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期俱诸，將現(xiàn)代設(shè)計方法菠劝，如有限元分析、優(yōu)化設(shè)計睁搭、可靠性設(shè)計等應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計中赶诊；在計算機上進行建模、分析园骆、仿真舔痪、干涉檢查等等都是非常必要的。
2.3.1 少齒差內(nèi)嚙合齒輪傳動齒輪變位系數(shù)的確定
在少齒差內(nèi)嚙合傳動中锌唾，變位系數(shù)的確定是設(shè)計的關(guān)鍵锄码。齒輪的實際幾何尺寸與齒輪的加工方法有直接的關(guān)系，所以用不同的齒輪加工方法的計算公式來推導(dǎo)變位系數(shù)的迭代公式晌涕，所得迭代結(jié)果不一樣滋捶。目前使用最廣泛的行星齒輪和中心齒輪的加工方法是范成法。外齒輪大都采用螺旋形的齒輪滾刀在滾齒機上切制而成渐排，內(nèi)齒輪通常是采用插齒刀在插齒機上插制而成馆柬。
在少齒差內(nèi)嚙合傳動中，各種干涉驗算條件是否滿足烤酌，取決于齒輪的有關(guān)參數(shù)吻霎，例如，齒輪模數(shù)m惫康，齒數(shù)Z
1睹梢、Z
2联缝，齒輪壓力角a，齒頂高系數(shù)
九窿，徑向間隙系數(shù)
苇葫，插齒刀的齒數(shù)Z
0，變位系數(shù)X
01坦膘、X
02堰聪、X
l、X
2等等承跟。
內(nèi)嚙合的嚙合方程如下：
從式（2.1）可知缝帝，當(dāng)齒輪的齒數(shù)Z1和Z2及齒輪壓力角a為固定不變的數(shù)值時，嚙合角a′是Z1和Z2的函數(shù)花墩。
在少齒差嚙合傳動設(shè)計中悬秉，主要考慮的限制條件是重合度 和齒廓干涉系數(shù)驗算值Gs。
（2.2）
目前在少齒差嚙合傳動設(shè)計中只用直齒冰蘑，所以用端面重合度評價理論上的運轉(zhuǎn)連續(xù)性和泌。
顯然，如果按重合度的預(yù)期要求來確定變位系數(shù)祠肥，當(dāng)齒數(shù)Z
1武氓、Z
2，齒輪壓力角a搪柑，齒頂高系數(shù)
為定值時聋丝，式（2.3）中a
a1、
a
a2工碾、a′是X
l弱睦、X
2的函數(shù)。
同樣渊额，如果按不產(chǎn)生齒廓重迭干涉的預(yù)期要求來確定變位系數(shù)况木，式（2.2）中的各變量也是Xl、X2的函數(shù)驶滚。
將Xl靡勾、X2取作獨立變量，a′取作中間變量换秧，按滿足重合度及重迭干涉的預(yù)期要求悦级，建立如下限制條件方程組：
方程組（2.4）的
分別是滿足設(shè)計要求的重合度值及重迭干涉驗算值。
方程組（2.4）的求解辫航，實際上是兩條限制曲線交點的求法斑渠，如圖（2.2）所示。根據(jù)文獻漓惕，求點X1和X2榕诬，用牛頓法迭代决榔，逐步逼近到交點。其迭代程序如下：
接上述迭代程序求得齒輪變位系數(shù)X1和X2菜犀，變位系數(shù)是否滿足設(shè)計要求乡鼻，同時還需要進行其他限制條件的驗算。變位系數(shù)迭代計算程序框圖見圖2.3栽斑。
2.3.2 新型雙環(huán)減速器結(jié)構(gòu)的確定
原有的單環(huán)艇挨、雙環(huán)、三環(huán)及四環(huán)減速器（專利號：ZL89213292.2畏铆、ZL91230087.6雷袋、CN85106692.5、ZL93239404.3)辞居，采用少齒差傳動原理，具有結(jié)構(gòu)簡單蛋勺、傳動比大瓦灶、承載和過載能力強等優(yōu)點。但通過理論分析和實驗證明該類傳動裝置在實際使用過程中存在振動抱完、噪聲贼陶、溫升及軸承早期破壞等。在連續(xù)運轉(zhuǎn)巧娱、重載碉怔、高速、大傳動比工況下問題更為突出禁添，大大影響了其推廣進程撮胧，成為亟待解決的技術(shù)難題。簡單的依靠提高減速器的加工和安裝精度不能解決問題与笛。對于三環(huán)和四環(huán)減速器围娃，由于三相和四相傳動環(huán)板互成120°和90°，加工精度難以保證得惩，致使在三相和四相并列雙曲柄機構(gòu)不同步碎痘，導(dǎo)致在運轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)相互干涉而產(chǎn)生振動、噪聲及發(fā)熱皇苫；同時由于采用三相和四相傳動環(huán)板创靴，兩根高速輸入偏心軸不得了采用偏心套結(jié)構(gòu)，偏心套與高速軸通過鍵連接烈拉，在運轉(zhuǎn)過程中存在不均勻的微動磨損偶刃，引起行星軸承發(fā)熱、燒傷及偏心套與軸之間配合間隙增大捅没，而導(dǎo)致不同步叭舰。對于單環(huán)和雙環(huán)減速器為了克服死點玫斋，采用一對過橋齒輪，由于過橋大齒輪采用空套形式忱当，導(dǎo)致了運動不確定而產(chǎn)生振動蚯涮、噪聲和發(fā)熱；同時該結(jié)構(gòu)亦采用偏心套方式卖陵，存在微動磨損遭顶，而導(dǎo)致振動噪聲和發(fā)熱。
根據(jù)以上分析泪蔫，本文設(shè)計了如圖2.1 所示的新型雙環(huán)減速器結(jié)構(gòu)棒旗，并申請獲得了國家實用新型專利（專利號：ZL 01 2 06843.8 )，其特點如下：
1撩荣、由一級普通齒輪傳動和一級平行軸少齒差傳動構(gòu)成的減速裝置铣揉，其特點是通過一級普通齒輪傳動1、4 使功率分流到平行軸少齒差傳動中的兩曲柄輸入軸3上餐曹，利用雙輸入來克服由互成180°的曲柄軸和內(nèi)齒板5所構(gòu)成的雙相并列雙曲柄機構(gòu)的死點逛拱，雙內(nèi)齒板5與輸出外齒輪7互成180°嚙合，實現(xiàn)功率合流輸出台猴。
2朽合、通過一級傳動實現(xiàn)雙軸同步輸入，兩塊傳動內(nèi)齒板5與輸出齒輪7互成1 80°嚙合饱狂，兩塊傳動內(nèi)齒板5通過軸承6安裝在兩根二級輸入高速曲柄軸5的曲柄上祖擦，克服了微動磨損。
3装魁、為了保證兩根曲柄輸入軸3的偏心曲拐的偏心量具有同等精度酷豫。在加工工藝上采用兩輸入偏心曲軸3作為一根曲軸加工，待加工好后再一分為二的方法歉冷。
4汗势、在輸出軸8的支承軸承10、11的外圈加裝有彈性均載裝置9乳后，以補償因制造和裝置引起的誤差锁熟。
5、根據(jù)特點1确奄，本傳動裝置具有多級輸入的特點麸媒，即可以使用一個及一以上的個動力源。
根據(jù)上述特點分析闪铸，證明本文使用新型雙環(huán)減速器是提供一種具有既保證同步輸入又克服微動磨損的平行動軸少齒差環(huán)式減速器胚览，該減速器結(jié)構(gòu)緊湊，傳動比大需五，承載和過載能力強鹉动，加工工藝簡單轧坎，加工精度易保證，制造成本低泽示，能很好的解決在運轉(zhuǎn)過程的發(fā)熱快缸血、振動和噪聲大這一問題，使該類減速器的實用范圍得到進一步推廣械筛。
本實用新型是由一種由一級普通齒輪傳動和一級平行動軸少齒差傳動構(gòu)成的減速裝置捎泻，一級普通齒輪由三個相互嚙合的外齒輪1、4構(gòu)成埋哟，其中兩個外齒輪4安裝在兩根互相平行且各具有兩個偏心軸頸的輸入曲軸3上笆豁，兩個傳動內(nèi)齒板5通過軸承6安裝在高速輸入偏心軸3上，外齒輪7的軸8為低速軸赤赊，其軸線與輸入曲軸3的軸線平行闯狱，低速軸8通過軸承10、11支承在機體12上抛计，兩個內(nèi)齒輪5與外齒輪7嚙合扩氢，嚙合瞬時相位差呈180°。其運動是這樣實現(xiàn)的：動力從普通2輸入京佃，通過一級普通齒輪傳動1、4將功率分流到少齒差傳動中的兩曲柄輸入軸3上言丧，實現(xiàn)雙曲柄輸入軸的同步崔狂，并利用雙輸入來克服由互成180°的曲柄輸入軸3和內(nèi)齒板5所構(gòu)成的雙相并列雙曲柄機構(gòu)的死點，雙內(nèi)齒板5與輸出外齒輪7嚙合辕寺，嚙合相位呈180°茶链，實現(xiàn)功率合流輸出。在輸出軸8的支承軸承10误扯、11的外圈加裝有彈性均載裝置颓之，以補償因制造和裝置誤差。兩根輸入曲軸3互成180°的兩個偏心曲拐在加工工藝上采用一根曲軸加工骇瓦，再一分為二鹤梳，以保正兩根偏心曲軸偏心量的精度。因去掉了偏心套庶咨，克服了微動磨損岁九，同時加工工藝簡單，加工精度易保證检碗。
2.4 雙環(huán)減速器齒輪參數(shù)設(shè)計及實驗樣機制造
在少齒差內(nèi)嚙合傳動中据块，變位系數(shù)的確定是設(shè)計的關(guān)鍵。齒輪的實際幾何尺寸與齒輪的加工方法有直接的關(guān)系折剃，所以用不同的齒輪加工方法的計算公式來推導(dǎo)變位系數(shù)的迭代公式另假，所得迭代結(jié)果不一樣像屋。內(nèi)嚙合齒輪參數(shù)計算模塊中，已經(jīng)由公式（2.5 ）～（2.9 ）推導(dǎo)了少齒差內(nèi)嚙合傳動的各種實際加工情況下的變位系數(shù)的計算迭代公式边篮，圖（2.3）為齒輪變位系數(shù)計算框圖己莺。
在變位系數(shù)的迭代計算過程中，齒輪變位系數(shù)的迭代值會影響實際中心距值苟耻，考慮到工廠加工的實際情況篇恒，對實際中心距值要進行兩位小數(shù)的圓整。本文的雙環(huán)減速器的內(nèi)嚙合齒輪參數(shù)為：齒輪模數(shù)m=2凶杖，外齒輪齒數(shù)Z
l=56胁艰，內(nèi)齒輪齒數(shù)Z
2=58，齒頂高系數(shù)
智蝠，徑向間隙系數(shù)
腾么，插齒刀的齒數(shù)為Z
0=38，齒頂高系數(shù)
铭梯，變位系數(shù)X
0=0.42靡隔。取重合度
，齒廓干涉系數(shù)
進行迭代計算巷同，當(dāng)外齒輪用滾齒刀加工谆纸，內(nèi)齒輪用插齒刀加工時，迭代結(jié)果為X
1=1.37豁箱，X
2=1.685耻炕，圓整中心距a=2.42mm，嚙合角a′=39.039°归闺，實際重合度
定邪，齒廓干涉系數(shù)G
S=0.05047。當(dāng)內(nèi)外齒輪都用插齒刀加工時临辨，迭代結(jié)果為X
1=1.231买臣，X
2=1.528，圓整中心距a=2.4mm筏拢，嚙合角a′=38.456°术陶，實際重合度
，齒廓干涉系數(shù)Gs=0.050窃这。計算結(jié)果見表2.1所示：
表2.1 內(nèi)嚙合齒輪參數(shù)
|
原
始
參
數(shù) |
m |
Z1 |
Z2 |
|
|
Z0 |
X0 |
|
|
|
|
2 |
56 |
58 |
0.7 |
0.25 |
38 |
0.42 |
1.25 |
1.14 |
0.5 |
|
迭
代
計
算
結(jié)
果 |
X1 |
X2 |
a |
a′ |
|
|
外齒輪用滾齒加工
內(nèi)齒輪用插齒加工 |
|
1.37 |
1.685 |
2.42 |
39.039° |
1.124 |
0.05047 |
|
X1 |
X2 |
a |
a′ |
|
|
外齒輪和內(nèi)齒輪都用插齒加工 |
|
1.231 |
1.528 |
2.4 |
38.456° |
1.1025 |
0.050 |
根據(jù)以上計算的齒輪參數(shù)瞳别，用內(nèi)齒環(huán)板CAD子系統(tǒng)對齒輪的彎曲強度、接觸強度杭攻、有限壽命進行初步校校祟敛，然后在ideas軟件中進行環(huán)板及輸出齒輪的實體建模，再采用網(wǎng)格自動剖分技術(shù)實現(xiàn)齒輪和齒廓的有限元網(wǎng)格劃分，進而采用有限元分析技術(shù)馆铁，對齒輪進行更精確的靜跑揉、動態(tài)力學(xué)分析，校合強度埠巨，分析齒廓的變形历谍，分析齒廓的幾何形狀，預(yù)測齒輪的重合度辣垒。在分析和修改后最終確定齒輪的形狀和參數(shù)望侈，計算齒輪的加工參數(shù)，生成齒輪的零件圖勋桶，轉(zhuǎn)入圖形數(shù)據(jù)庫猛疗。
圖2.4 為根據(jù)計算參數(shù)，在ideas軟件中得到的內(nèi)齒環(huán)板實體造型圖牛跷。
圖2.5為本文雙環(huán)減速器輸出齒輪軸實體造型圖定合。圖2.6為本文雙環(huán)減速器實驗樣機的裝配圖的俯視圖。本文的雙環(huán)減速器實驗樣機叛榆，采用一種新型的環(huán)式行星傳動裝置喂惜。
圖2.7為本文雙環(huán)減速器實驗樣機的實體裝配造型圖
圖2.7雙環(huán)減速器實體裝配造型圖（圖略）
2.5本章小結(jié)
在闡述雙環(huán)減速器工作原理的基礎(chǔ)上，分析了原的單環(huán)码遥、雙環(huán)服半、三環(huán)及四環(huán)減速器（專利號：ZL89213292.2、ZL91230087.6班粥、CN85106692.5乘澈、ZL93239404.3）的結(jié)構(gòu)特點及運動特性，針對不足扳九，設(shè)計、研制了一種新型的雙環(huán)減速器瞻绝，并制造了實驗樣機玖瘸，用I-Deas軟件建立了實驗樣機的所有零件的實體模型，進行了虛擬裝配及運動模擬檀咙。同時申請并獲得國家實用新型專利（專利號：ZL 01 2 06843.8）雅倒。
