2 新型雙環(huán)減速器的設(shè)計(jì)及研制
2.1 引言
少齒差雙環(huán)行星減速器项凉，由于具有功率分流孵延、內(nèi)嚙合和多齒接觸等特點(diǎn)恐梅，且具有結(jié)構(gòu)簡單心包、體積小岔爹、重量輕窟绷、傳動(dòng)比大盒蟆、傳動(dòng)效率高鬼店、承載能力強(qiáng)网棍、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。近年來已開始在冶金妇智、水泥确沸、船舶、環(huán)保俘陷、建筑等各工業(yè)部門推廣應(yīng)用境愕。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)。但雙環(huán)減速器目前仍無相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)颁膊。
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(dòng)按傳動(dòng)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(dòng)的基本結(jié)構(gòu)形式之一—環(huán)式減速器（單環(huán)停楞、雙環(huán)、三環(huán)及四環(huán)）撒殷，三環(huán)減速器基本結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)原理見文獻(xiàn)羔漂，四環(huán)減速器是具有四個(gè)偏心軸頸的高速軸，四個(gè)傳動(dòng)內(nèi)齒輪通過軸承安裝在高速軸上杏县，四個(gè)內(nèi)齒輪與外齒輪嚙合來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力匹说，嚙合瞬時(shí)相位差呈晚号。本文雙環(huán)減速器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)實(shí)用新型是由一種由一級(jí)普通齒輪傳動(dòng)和一級(jí)平行動(dòng)軸少齒差傳動(dòng)構(gòu)成的減速裝置（如圖2.1所示），一級(jí)普通齒輪由三個(gè)相互嚙合的外齒輪l卫驯、4 構(gòu)成殃忠，其中兩個(gè)外齒輪4安裝在兩根互相平行且各具有兩個(gè)偏心軸頸的輸入曲軸3上，兩個(gè)傳動(dòng)內(nèi)齒板5通過軸承6安裝在高速輸入偏心軸3上毫痢，外齒輪7的軸8為低速軸趾始，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(jī)體11上耙旦，兩個(gè)內(nèi)齒輪5與外齒輪7嚙合脱羡，嚙合瞬時(shí)相位差呈180°。其運(yùn)動(dòng)是這樣實(shí)現(xiàn)的：動(dòng)力從普通2輸入免都，通過一級(jí)普通齒輪傳動(dòng)1锉罐、4將功率分流到少齒差傳動(dòng)中的兩曲柄輸入軸3上，實(shí)現(xiàn)雙曲柄輸入軸的同步绕娘，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(jī)構(gòu)的死點(diǎn)氓鄙，雙內(nèi)齒板5與輸出外齒輪7嚙合，嚙合相位呈180°业舍，實(shí)現(xiàn)功率合流輸出抖拦。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(bǔ)償因制造和裝置誤差舷暮。
2.3 雙環(huán)減速器的設(shè)計(jì)
對于少齒差內(nèi)嚙合傳動(dòng)态罪，其內(nèi)嚙合齒輪副幾何計(jì)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下面，但隨之而來的是引起重合度的降低复颈，因此幾何計(jì)算的一個(gè)主要內(nèi)容就是從兼顧這兩方面的要求出發(fā)，合理地選擇各項(xiàng)參數(shù)董翻。各參數(shù)限制條件較多圾董，計(jì)算極為復(fù)雜，如果參數(shù)選擇不當(dāng)桨挂，不能滿足全部的限制條件几谐，就會(huì)發(fā)生種種干涉現(xiàn)象，導(dǎo)致減速器質(zhì)量差布布、壽命短坊欢。為了保證內(nèi)嚙合傳動(dòng)的強(qiáng)度和正確嚙合，避免內(nèi)齒輪副干涉鹃封，常規(guī)的設(shè)計(jì)方法甥归，必須從多種方案中通過大量計(jì)算、比較來選擇，即使這樣也不能得到最佳的方案卑保。此外处冰，為減少重復(fù)計(jì)算及縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，將現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法天俺，如有限元分析赞辩、優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)等應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中刨沦；在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行建模、分析膘怕、仿真想诅、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(dòng)齒輪變位系數(shù)的確定
在少齒差內(nèi)嚙合傳動(dòng)中岛心，變位系數(shù)的確定是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵来破。齒輪的實(shí)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(jì)算公式來推導(dǎo)變位系數(shù)的迭代公式忘古，所得迭代結(jié)果不一樣徘禁。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(jī)上切制而成髓堪，內(nèi)齒輪通常是采用插齒刀在插齒機(jī)上插制而成送朱。
在少齒差內(nèi)嚙合傳動(dòng)中，各種干涉驗(yàn)算條件是否滿足干旁，取決于齒輪的有關(guān)參數(shù)驶沼，例如，齒輪模數(shù)m朋暴，齒數(shù)Z1佛缕、Z2，齒輪壓力角a下抬，齒頂高系數(shù)ha*陈汇、ha0*，徑向間隙系數(shù)c*紧燎，插齒刀的齒數(shù)Z0燕柠，變位系數(shù)X01、X02戒款、Xl扶取、X2等等。
內(nèi)嚙合的嚙合方程如下：
從式（2.1）可知人狞，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(shí)芜田，嚙合角a′是Z1和Z2的函數(shù)。
在少齒差嚙合傳動(dòng)設(shè)計(jì)中，主要考慮的限制條件是重合度ε和齒廓干涉系數(shù)驗(yàn)算值Gs蜈沛。
GS=Z1(invaa1+δ1)+(Z2-Z1)inva′-Z2(invaa2+δ2) ≥0 （2.2）
目前在少齒差嚙合傳動(dòng)設(shè)計(jì)中只用直齒庞溜，所以用端面重合度評(píng)價(jià)理論上的運(yùn)轉(zhuǎn)連續(xù)性。
顯然碑定，如果按重合度的預(yù)期要求來確定變位系數(shù)流码，當(dāng)齒數(shù)Z1、Z2延刘，齒輪壓力角a漫试，齒頂高系數(shù)ha*為定值時(shí)，式（2.3）中aa1碘赖、-aa2驾荣、a′是Xl、X2的函數(shù)普泡。
同樣播掷，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)，式（2.2）中的各變量也是Xl撼班、X2的函數(shù)歧匈。
將Xl、X2取作獨(dú)立變量砰嘁，a′取作中間變量嚎猛，按滿足重合度及重迭干涉的預(yù)期要求，建立如下限制條件方程組：
方程組（2.4）的[ε]鹤梯、[GS]分別是滿足設(shè)計(jì)要求的重合度值及重迭干涉驗(yàn)算值肄琉。
方程組（2.4）的求解，實(shí)際上是兩條限制曲線交點(diǎn)的求法窟礼，如圖（2.2）所示洋训。根據(jù)文獻(xiàn)，求點(diǎn)X1和X2绰尖，用牛頓法迭代妙散，逐步逼近到交點(diǎn)。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吹磕，變位系數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)要求诅慧，同時(shí)還需要進(jìn)行其他限制條件的驗(yàn)算。變位系數(shù)迭代計(jì)算程序框圖見圖2.3壤牙。
2.3.2 新型雙環(huán)減速器結(jié)構(gòu)的確定
原有的單環(huán)班聂、雙環(huán)、三環(huán)及四環(huán)減速器（專利號(hào)：ZL89213292.2适肠、ZL91230087.6霍衫、CN85106692.5候引、ZL93239404.3)，采用少齒差傳動(dòng)原理敦跌，具有結(jié)構(gòu)簡單澄干、傳動(dòng)比大、承載和過載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)柠傍。但通過理論分析和實(shí)驗(yàn)證明該類傳動(dòng)裝置在實(shí)際使用過程中存在振動(dòng)麸俘、噪聲、溫升及軸承早期破壞等惧笛。在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)从媚、重載、高速患整、大傳動(dòng)比工況下問題更為突出拜效，大大影響了其推廣進(jìn)程，成為亟待解決的技術(shù)難題并级。簡單的依靠提高減速器的加工和安裝精度不能解決問題拂檩。對于三環(huán)和四環(huán)減速器侮腹，由于三相和四相傳動(dòng)環(huán)板互成120°和90°迈窗，加工精度難以保證，致使在三相和四相并列雙曲柄機(jī)構(gòu)不同步栋灿，導(dǎo)致在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)相互干涉而產(chǎn)生振動(dòng)惑妥、噪聲及發(fā)熱；同時(shí)由于采用三相和四相傳動(dòng)環(huán)板浴瞭，兩根高速輸入偏心軸不得了采用偏心套結(jié)構(gòu)示荠，偏心套與高速軸通過鍵連接，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中存在不均勻的微動(dòng)磨損岳散，引起行星軸承發(fā)熱节立、燒傷及偏心套與軸之間配合間隙增大，而導(dǎo)致不同步眠煮。對于單環(huán)和雙環(huán)減速器為了克服死點(diǎn)患并，采用一對過橋齒輪，由于過橋大齒輪采用空套形式茴审，導(dǎo)致了運(yùn)動(dòng)不確定而產(chǎn)生振動(dòng)破溺、噪聲和發(fā)熱；同時(shí)該結(jié)構(gòu)亦采用偏心套方式躁绸，存在微動(dòng)磨損裕循，而導(dǎo)致振動(dòng)噪聲和發(fā)熱。
根據(jù)以上分析净刮，本文設(shè)計(jì)了如圖2.1 所示的新型雙環(huán)減速器結(jié)構(gòu)剥哑，并申請獲得了國家實(shí)用新型專利（專利號(hào)：ZL 01 2 06843.8)硅则，其特點(diǎn)如下：
1、由一級(jí)普通齒輪傳動(dòng)和一級(jí)平行軸少齒差傳動(dòng)構(gòu)成的減速裝置星持，其特點(diǎn)是通過一級(jí)普通齒輪傳動(dòng)1抢埋、4 使功率分流到平行軸少齒差傳動(dòng)中的兩曲柄輸入軸3上，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(jī)構(gòu)的死點(diǎn)督暂，雙內(nèi)齒板5與輸出外齒輪7互成180°嚙合揪垄，實(shí)現(xiàn)功率合流輸出。
2逻翁、通過一級(jí)傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)雙軸同步輸入饥努，兩塊傳動(dòng)內(nèi)齒板5與輸出齒輪7互成1 80°嚙合，兩塊傳動(dòng)內(nèi)齒板5通過軸承6安裝在兩根二級(jí)輸入高速曲柄軸5的曲柄上八回，克服了微動(dòng)磨損酷愧。
3、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撼烹。在加工工藝上采用兩輸入偏心曲軸3作為一根曲軸加工濒垫，待加工好后再一分為二的方法。
4远燕、在輸出軸8的支承軸承10久泞、11的外圈加裝有彈性均載裝置9，以補(bǔ)償因制造和裝置引起的誤差奖放。
5淡藻、根據(jù)特點(diǎn)1，本傳動(dòng)裝置具有多級(jí)輸入的特點(diǎn)砚粒，即可以使用一個(gè)及一以上的個(gè)動(dòng)力源缔沐。
根據(jù)上述特點(diǎn)分析，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(dòng)磨損的平行動(dòng)軸少齒差環(huán)式減速器益柳，該減速器結(jié)構(gòu)緊湊尊陪，傳動(dòng)比大，承載和過載能力強(qiáng)捕谢，加工工藝簡單段物，加工精度易保證，制造成本低狞洋，能很好的解決在運(yùn)轉(zhuǎn)過程的發(fā)熱快弯淘、振動(dòng)和噪聲大這一問題，使該類減速器的實(shí)用范圍得到進(jìn)一步推廣吉懊。
本實(shí)用新型是由一種由一級(jí)普通齒輪傳動(dòng)和一級(jí)平行動(dòng)軸少齒差傳動(dòng)構(gòu)成的減速裝置庐橙，一級(jí)普通齒輪由三個(gè)相互嚙合的外齒輪1、4構(gòu)成借嗽，其中兩個(gè)外齒輪4安裝在兩根互相平行且各具有兩個(gè)偏心軸頸的輸入曲軸3上态鳖，兩個(gè)傳動(dòng)內(nèi)齒板5通過軸承6安裝在高速輸入偏心軸3上转培，外齒輪7的軸8為低速軸，其軸線與輸入曲軸3的軸線平行浆竭，低速軸8通過軸承10浸须、11支承在機(jī)體12上，兩個(gè)內(nèi)齒輪5與外齒輪7嚙合邦泄，嚙合瞬時(shí)相位差呈180°删窒。其運(yùn)動(dòng)是這樣實(shí)現(xiàn)的：動(dòng)力從普通2輸入，通過一級(jí)普通齒輪傳動(dòng)1顺囊、4將功率分流到少齒差傳動(dòng)中的兩曲柄輸入軸3上很撩，實(shí)現(xiàn)雙曲柄輸入軸的同步，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(jī)構(gòu)的死點(diǎn)端辛，雙內(nèi)齒板5與輸出外齒輪7嚙合咨只，嚙合相位呈180°，實(shí)現(xiàn)功率合流輸出希没。在輸出軸8的支承軸承10械拉、11的外圈加裝有彈性均載裝置，以補(bǔ)償因制造和裝置誤差腿伟。兩根輸入曲軸3互成180°的兩個(gè)偏心曲拐在加工工藝上采用一根曲軸加工鸿铐，再一分為二，以保正兩根偏心曲軸偏心量的精度铣佛。因去掉了偏心套黔巨，克服了微動(dòng)磨損握帘，同時(shí)加工工藝簡單袜晌，加工精度易保證。
2.4 雙環(huán)減速器齒輪參數(shù)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)樣機(jī)制造
在少齒差內(nèi)嚙合傳動(dòng)中篱俊，變位系數(shù)的確定是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵但惶。齒輪的實(shí)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(jì)算公式來推導(dǎo)變位系數(shù)的迭代公式湿蛔，所得迭代結(jié)果不一樣膀曾。內(nèi)嚙合齒輪參數(shù)計(jì)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(dòng)的各種實(shí)際加工情況下的變位系數(shù)的計(jì)算迭代公式阳啥，圖（2.3）為齒輪變位系數(shù)計(jì)算框圖添谊。
在變位系數(shù)的迭代計(jì)算過程中，齒輪變位系數(shù)的迭代值會(huì)影響實(shí)際中心距值察迟，考慮到工廠加工的實(shí)際情況斩狱，對實(shí)際中心距值要進(jìn)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扎瓶，外齒輪齒數(shù)Zl=56所踊，內(nèi)齒輪齒數(shù)Z2=58泌枪，齒頂高系數(shù)ha*=0.7，徑向間隙系數(shù)c*=0.25秕岛，插齒刀的齒數(shù)為Z0=38碌燕，齒頂高系數(shù)ha0*=1.25，變位系數(shù)X0=0.42继薛。取重合度[ε]=1.1预旺，齒廓干涉系數(shù)[GS]=0.05進(jìn)行迭代計(jì)算，當(dāng)外齒輪用滾齒刀加工灯彩，內(nèi)齒輪用插齒刀加工時(shí)萤考，迭代結(jié)果為X1=1.37，X2=1.685黎撤，圓整中心距a=2.42mm乒柳，嚙合角a′=39.039°，實(shí)際重合度ε=1.124侄灭，齒廓干涉系數(shù)GS=0.05047彭铐。當(dāng)內(nèi)外齒輪都用插齒刀加工時(shí)，迭代結(jié)果為X1=1.231亏傅，X2=1.528摊谢，圓整中心距a=2.4mm，嚙合角a′=38.456°醉装，實(shí)際重合度ε=1.1025辕芳，齒廓干涉系數(shù)Gs=0.050。計(jì)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 |
ha* |
c* |
Z0 |
X0 |
ha0* |
[ε] |
[GS] |
2 |
56 |
58 |
0.7 |
0.25 |
38 |
0.42 |
1.25 |
1.14 |
0.5 |
迭代計(jì)算結(jié)果 |
X1 |
X2 |
a |
a′ |
ε |
GS |
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′ |
ε |
GS |
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(jì)算的齒輪參數(shù)宵睦，用內(nèi)齒環(huán)板CAD子系統(tǒng)對齒輪的彎曲強(qiáng)度记罚、接觸強(qiáng)度、有限壽命進(jìn)行初步校校壳嚎，然后在ideas軟件中進(jìn)行環(huán)板及輸出齒輪的實(shí)體建模桐智，再采用網(wǎng)格自動(dòng)剖分技術(shù)實(shí)現(xiàn)齒輪和齒廓的有限元網(wǎng)格劃分，進(jìn)而采用有限元分析技術(shù)烟馅，對齒輪進(jìn)行更精確的靜说庭、動(dòng)態(tài)力學(xué)分析，校合強(qiáng)度郑趁，分析齒廓的變形刊驴，分析齒廓的幾何形狀，預(yù)測齒輪的重合度寡润。在分析和修改后最終確定齒輪的形狀和參數(shù)捆憎，計(jì)算齒輪的加工參數(shù)，生成齒輪的零件圖悦穿，轉(zhuǎn)入圖形數(shù)據(jù)庫攻礼。
圖2.4 為根據(jù)計(jì)算參數(shù)业踢，在ideas軟件中得到的內(nèi)齒環(huán)板實(shí)體造型圖。
圖2.5為本文雙環(huán)減速器輸出齒輪軸實(shí)體造型圖甚宜。圖2.6為本文雙環(huán)減速器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的裝配圖的俯視圖种洛。本文的雙環(huán)減速器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，采用一種新型的環(huán)式行星傳動(dòng)裝置映情。
圖2.7為本文雙環(huán)減速器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的實(shí)體裝配造型圖
2.5本章小結(jié)
在闡述雙環(huán)減速器工作原理的基礎(chǔ)上拔泪，分析了原的單環(huán)、雙環(huán)阱墩、三環(huán)及四環(huán)減速器（專利號(hào)：ZL89213292.2谍臀、ZL91230087.6、CN85106692.5局该、ZL93239404.3）的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及運(yùn)動(dòng)特性抡杈，針對不足，設(shè)計(jì)涉佑、研制了一種新型的雙環(huán)減速器加梁，并制造了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，用I-Deas軟件建立了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的所有零件的實(shí)體模型淮超，進(jìn)行了虛擬裝配及運(yùn)動(dòng)模擬融蹂。同時(shí)申請并獲得國家實(shí)用新型專利（專利號(hào)：ZL 01 2 06843.8）。
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