平行轴摆线针轮减速器的研究

博士后姓名：许洪斌

流动站（一级学科）名称：机械工程

专业（二级学科）名称：机械设计及理论

研究工作起始时间：1999年3月

研究工作期满时间：2001年5月

1.概述

1.1少齿差传动的发展及其特点

渐开线行星齿轮传动[1]是一种至少是一个齿轮及其几何轴线饶公共几何轴线作回运动的齿轮传动装置。由于此装置采用数个行星轮同时传递载荷，使功率分流并合理地采用了内齿轮，因而具有一系列的优点：如结构紧凑、体积小、重量轻、传动比范围大、传动效率高、运转平稳、噪声小、可进行运动的合成与分解等，因而广泛地应用在冶金、化工、矿山、起重运输、船舶、透平等领域的设备上，作为减速、增速和变速传动装置。但行星齿轮传动在使用中还有一些限制，如：当传动比很小时，结构上往往不容易实现；当要求主、从动轴不同轴线且在同侧时，行星齿轮传动无法实现；对于大规格生星齿传动，行星齿轮的轴承寿命无法满足等。

少齿差行星齿轮运[2，3]是行星传动中的一种，它由一个外齿轮与一个内齿轮组成一对内啮合齿轮副，内外齿轮的齿数相差很小，故简称为少齿差传动。少齿差传动的类型很多，德国人首先提出摆线针轮行星齿轮传动原理，三十年代后期日本开始研制生产这种传动，由于当时工艺上保证了摆线齿形的精度，才促进了这种传动的发展，到目前为止摆线针轮传动已是少齿差传动中应用最广泛、最基本的一种类型，在此基础上还发展了二齿差传动、复合齿形、行星轴承与偏心套合并等新结构[4]。摆线针轮传动承载能力高、运转平稳、效率高及寿命长，但加工精度要求高，结构复杂。我国从1958年开始研制摆线针轮减速器，六十年代投入工业化生产，目前已形成系列，制定了相应的标准，已广泛应用于各类机械设备中。
渐开线少齿差传动的原理与押线少齿差传动基本相同，其区别在于内外齿轮的齿廓曲线采用渐开线，其轮齿结构简单、啮合接触应力小，承载能力高，可以采用软齿面，不需要特殊的刀具与专用设备进行加工。但是，由于当内啮合的一对渐开线齿轮数差很小时，极易产生各种干涉，在设计过程中选择齿轮几何参数的计算十分复杂，且传动效率不如摆线齿轮少齿差传动高。早在1949年，苏联学者就从理论上解决了实现一齿差渐开线齿轮传动的几何计算问，但直到六十年代以后才得到了较迅速的发展。目前有柱销式、零齿差、十字滑块、浮动签署等多种形式。我国是五十年代开始在太原等地研制，1960年制成第一台二齿差渐开线行星齿轮减速器，并获得了成功的应用[5，6，7]。
在六十年代，国外就开始探讨圆弧少齿差传动，到七十年代中期，日本已开始进行圆弧少齿差行星减速器的系列化生产[8]。这种传动的特点在于行星轮的齿廓曲线用凹圆弧代替了摆线，轮齿与针齿在啮合点的曲率方向相同，形成凹凸圆弧的内啮合，从而提高了弯曲强度又简化了针齿结构。
近几十年业，又相继出现了一些新的少齿差传动形式[3，9，10，11]，其中发展较快的有活齿少齿差传动[12]，锥齿少齿差传动，双曲柄输入式少齿差传动，以及利用弹性变形来传递运动谐波传动[13，14，15]。实践证明，少齿差传动与工况相同的其它机械传动形式相比较，具有许多显著优点。
众所周知，渐开线齿轮由于加工方便，成本低，在实际生产中应用最为广泛。但目前国内生产的少齿差减速器中，90%以上是摆线针轮减速器，渐开线少齿差减速器的市场占有率很低，而且都是小功率的。造成这种局面的主要原因是我国生产的渐开线少齿差减速器绝大多数都采用同轴传动方式，即输入轴与输出轴在同一根轴线上，行星轮通过行星轴承安装在曲轴的偏心轴颈上，并通过输出机构与输出轴相连。采用这种结构设计的渐开线少齿差减速器存在以下缺点：
1）行星轴承受力大，寿命矩。少齿差啮合传动容易发生各种干涉，为了消除干涉现象，设计中一般采用正角度变位传动，齿轮正变位后捏合角增大，使行星轴承径向载荷增大；另一方面，由于结构上的原因，行星轴承的径向尺寸受到一定的限制，在设计中很难满足寿命要求。而摆线针轮减速器行星轴承径向载荷 为相同尺寸的渐开线少齿差减速器的60%，轴承寿命由此可提高五倍左右。
2）振动、噪音较大，运行平稳性差。摆线针轮减速器的摆线轮与针齿有半数齿同时接触，而且两者都经过磨削，故其运转平稳，噪单低。渐开线少齿差减速器同时啮合的齿数少，由于内齿轮精加工比较困难，轮齿制造精度较低，啮合时冲击、噪音较大。
3）传动效率低。摆线针轮减速器单级传动效率可达90%～95%，而渐开线少齿差减速器仅为85%～90%。
其中最主要的是行星轴承径向载荷过大，造成轴承寿命短，使得行星轴承成为减速器的薄弱环节。因此，如何减小行星轴承载荷，提高少齿差行星齿轮减速器行星轴承的寿命，一直是人们力求解决的问题。
我国是五十年代开始从事少齿差齿轮传动研究的。1956年我国著名的机械学家朱景梓教授根据双曲柄机构的原理提出了一种新型少齿差传动机械，其特点是当输入轴旋转时，行星轮不是作摆线运动（高速公转与低速自转的合成），而是通过双曲柄机构导引作圆周运动。这种独特的“双曲柄输 入少齿差传动机构”得到当时国内外同行的高度评价。1963年朱景梓教授在太原工学院学报上发表了“齿数差Zd=1的渐开线K-H-V型行星齿轮减速器及其设计“[16]，详细阐述了少齿差传动的原理和设计方法，为少齿行星齿轮传动在我国的推广应用起了重要的指导和推动作用。双曲柄输入少齿差传动的优点是能使行星轴承的载荷下降，而且当内齿板作为行星轮时，行星轴承的径向尺寸可不受限制，从而提高了行星轴承的寿命。另外，这种传动不需要输出机械，还可实现平行轴传动，结构简单，效率高，适用性强。

根据K-H-V型少齿差行星齿轮传动的原理和设计方法，太原工学院、煤炭部研究总院及重庆钢铁公司等单位根据这种原理成功地研制出了不同类型的双曲柄输入少齿差减速器[17，14，28，31，32，33，36]。1985年，冶金工业部重庆钢铁设计院陈宗源高级工程师提出用三相并列双曲机构来克服死点，并于同年以“三环减速（或增速）传动装置”申请了国家发明专利[13]。英国在1989年出现了类似的少齿差传动装置。但是，按这种原理设计出来的减速器，一根曲轴上要安装三片内齿板，不得不制成偏心套结构、结构复杂，加工分度精度要求高，而且在工作过种中，偏心套受交变扭矩的作用，在与曲轴连接的表面产生微动磨损，导致发热；另外，三套互为120°相位差的双曲柄机构之间存在多次过约束，曲于加工及安装误差容易导致附加冲击载荷，引起震动和噪音。1987年，捷克人Soulek.Josef提出在一块齿板上布置三个曲柄轴，利用平面多曲柄机构的原理克服死点的设想，把齿板数减少为两个，并申请了专利[9]。1993年重庆大学博士研究生崔建昆提出一种新型轴销式少齿差行星齿轮传动[18]，并对其进行了理论分析。由此可见，国内外关于双曲柄输入少齿差传动的研究，重点在于如何克服双曲柄机构的死点，主要的方法是利用一套齿轮机构把动力从输入轴传递到另一根曲轴上去，形成两根曲柄同时驱动，从而克服机构的死点。

1.2本课题的提出

少齿差传动原理被提出后，国际上对其传动的研究十分活跃，此外还出二齿差传动、复合齿形等新机械。九十年代国际上出现了一些新结构少齿差传动的发明专利，但均有利弊。如三环减速（或增速）传动装置的内齿轮加工需要专度是当前齿轮技术发展主要趋向，工业发达国家正积极推广使用硬齿面多级圆柱齿轮减速器和行星齿轮减速器。同轴摆线会轮减速机通常用柱销输出机构，结构复杂。针齿连杆行星减速机（ZL 96236353.7 CN2265454Y）[19]在只有一个输入轴时，没有解决克服机构死点的问题。同步带双曲柄环板式针摆减速器（ZL96207312.1 CN2258239Y）[20]在只有一块齿环板时，齿环板的两侧需各设置一块平稀板，安装困难，成本高。此外，齿环板或平衡板通过偏心套与输入轴相联，因微动磨损，偏心套或轴承将会过早失效。
本文提出一种全新摆线针轮减速器，即平行轴摆线针轮减速器，并获得实用新型专利（ZL98 2 28454.3）[21]。它的技术方案为：减速（或增速）传动装置，具有两根高速轴和一根低速轴，两商由支撑轴承安装在箱体上；高速轴上有相位差成180°的平行双曲柄机构，其中环板起连杆作用；环板内孔的圆周上均布着针齿销，针齿销外有滚动套；当两块环板上针齿销与固联在低速轴上相应相位差成180°的两个摆线齿轮啮合时，实现无滑动的少齿差传动；为了解决机构在共线时从动曲柄存在运动不确定的问题，本研究采用两种方案，即方案（一）：在箱体外，两根高速轴的同侧用一与齿环板不同相位的连杆相连，连杆驱动高速轴通过运动不确定点；方案（二）：在箱体内，两根高速轴固联相同的小齿轮，在低速轴上空套一个过棋逢对手大齿轮，两对齿轮的外啮合驱动双曲柄通过运动不确定点。
与现有的传动装置相比，本装置的创新新点主要有：
1）偏心轴颈与高速轴做成一体（称为偏心轴）。结构简单，安装方便，彻底解决了传统设计中存在的偏心轴颈微动磨损和发热问题。偏心轴的加工工艺性较好；
2）两个相位差成180°的摆线轮通过键固定在低速轴上，摆线轮制造工艺简单；
3）摆线轮和针轮均可做成硬齿面，且同时啮合齿数多，重合度大；
4）齿面间实现无滑动啮合，传动交率高；
5）结构上可采用多种方法解决双曲柄四杆机构的运动不确定问题；
6）本减速器无特殊材料和特殊加工工艺或设备要求，且安装维修方便。
1.3 本文所做的工作
本文所做的工作是在重庆市科委攻关项目的资助下完成的。
1）新型结构的总体设计及齿形优化；
2）根据变形协调方程建立力学模型，建立多相平行四边形双曲柄机构的通用数学模型进行传动系统的动力学分析，分析压力角、曲柄长主蔗糖化时对载荷分布的影响；
3）对比分析不同结构形式行星环板的承载能力；
4）样机的试制与试验研究。

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