1 绪论
推杆减速器是一种以组合活齿为传动构件的活齿少齿差行星齿轮传动装置，是我国独创的一种减速器，在1986年布鲁塞尔尤里卡世界发明博览会上荣获最高一级骑士勋章，在第二届全国发明展览会上荣获银奖。推杆减速器抛弃了传统的齿轮、蜗轮、针轮等结构形式，采用推杆结构，可实现正反两个方向的减速或增速定比传动，其结构紧凑，传动比范围大，效率高，寿命长，运转平稳，维修方便。与摆线针轮减速器相比，又具有工艺简单，价格低廉的优点，是一种很有发展前景的减速器。
1.1推杆减速器研究状况概述
l.1.1活齿传动的研究状况
推杆减速器属于活齿传动类机构，因而与其它活齿传动机构有某些共同的特似之处。
活齿传动一类机构最突出的特点是省去了一般少齿差行星齿轮传动机构中必须采用的W运动输出机构，因而有效地克服了采用W运动输出机构给少齿差行星齿轮传动带来的激波器轴承寿命短的问题，并且传动链也可得到显著缩短，从而使得活齿传动具有结构紧凑，承载能力高，效率高等一系列优点。并且活齿传动没有特别突出的薄弱环节，因而从它刚一出现，就引起了国内外科技工作者的极大关注。
早在40年代，德国人就把活齿传动技术应用到汽车的转向机构中了。70年代，国外开始了对活齿传动新形式的积极开发，美国推出了“无齿齿轮传动技术”，英国推出了“滑齿减速器”，苏联推出了“正弦滚珠传动”。到了80年代，国际上对于活齿传动的研究更加积极，日本、英国、联邦德国、保加利严等国先后公布了一些有关活齿传动的专利和发明，这表明在罗，活齿传动的研究与应用已形成了行星齿轮研究中一个非活跃的领域。
国内对活齿传动的研究虽然起步较晚，但经过十几年的努力，在理论研究和产品开发方面都取得了很大的成绩，先后推出了多种专利技术，有些已形成了工业生产能力。1991年，机械电子工业部颁发了《滚柱活齿减速器》 行业标准，标志着我国活齿传动的研究已取得阶段性的成果，同时在国内外学术刊物和全国学术会议上已有几十篇有关活齿传动的论文发表，有的还编入专著，表明已形成了较完整的活齿传动理论体系。其中最有代表性的是“活齿传动理论”一书，它系统的论述了由结构理论、运动学理论和啮合理论组成的研究活齿传动的机构学理论，利用活齿传动的“齿形分析瞬时等效机构法”和“活齿传动的啮合副结构模型”分析了11种典型的活齿传动结构，是目前国内公开发表的有关活齿传动的最全面、系统、深入的研究成果。
1.1.2 推杆减速器的演化过程和摆杆减速器的提出
推杆减速器虽然和其它活齿传动机构在原理上基本相同，但由于采用独特的推杆作为活齿构件，所以机构本身有它的特殊性。并且经历了若干次结构上的更新，才发展成为目前这种已形成工业生产能力的结构形式。
1976年日本公开的新型减速器专利有两种结构形式，分别如图1.1和图1.2所示
图1.1为圆盘凸轮式，采用滚柱径向滑槽式结构，其目的是为了得到大的减速比及大的传递扭矩。显然这种结构由于滚柱系尖顶易磨损，降低了其承载能力。
图1.2所示大圆柱凸轮式，由圆柱凸轮机构完成滚柱推杆的往复运动，而滚柱推杆顶推其圆柱径向分布圆盘作转动，这种结构同样是靠点接触传递动力，磨损及承载能力问题仍未能得到解决。
1979年，我国首次提出的推杆减速器结构如图1.3所示，这种结构在推杆两端增加了滚轮，虽然减小了尖顶磨损问题，但承载能力问题也没能得到解决。
1985年，我国参加第十三届日内瓦世界发明展览会的推杆针轮活齿减速器，吸收了日本专利两种结构的优点，采用圆盘凸轮（由偏心滚动轴承代）及带滚套的针齿组成的固定齿圈结构，如图1.4所示。此种减速器具有承载能力大，传动比大，体积小，工艺性好，不需加工特种齿形的优点。
为了进一步增大承载能力，解决磨损问题，又发展成为目前由解放军7435工厂批量生产的这种推杆减速器结构形式，如图1.5所示。比起尖顶和圆柱接触，它的受力情况得到了改善，同时，推杆两端增加了滚柱，使其滚动摩擦比率增加，有利于改善磨损。生产实践表明，推杆减速器有较强的竞争力，已显示出广阔的发展前景。
然而，事物并非都是完美无缺的，在推杆减速器中，在推杆减速器中，由于推杆与导槽之间所组成的啮合副为移动副，其滑动摩擦的存在影响了推杆减速器啮合效率的进一步提高以及大功率的实现。当然，合理选用润滑油，合理选用与组成移动副相匹配的材料，以及对机构进行优化设计，可将摩擦减小到最低限度，但广大科技工作者一直在寻求用转动副来代替移动副的办法。
由文献提出的摆动活齿传动机构较好地解决了用转动副来代替推杆与导槽之间所组成的移动副问题。摆动活齿传动用摆动活齿代替移动活齿，即用摆杆代替推杆，从根本上解决了移动活齿啮合副的磨损问题，有希望成为推杆减速器及各种活齿传动机构的更新换代产品结构形式。
l.1.3推杆减速器的理论研究现状
推杆减速器结构上的特殊性，决定了对其性能的分析和计算也与其它活齿传动机构不完全相同。下面将会看到，对于运动学及内齿圈齿形的解算，只需将滚柱活齿减速器的计算公式稍作修改即可。但对于受力分析及效率计算就与其它活齿传动机构差别较大。从目前发表的文献来看，系统研究推杆减速器的内容并不太多。特别是对于多激波理论研究开展很少，仅见到双激波的研究。
随着计算机的普及和数控技术的发展，各种机械的CAD/CAM系统不断出现，但用于推杆减速器的以CAD/CAM系统目前还没有见到。用计算机来辅助优化设计推杆减速器的工作还没有获得满意的成果。为了对推杆减速器进行优化设计，必须要有正确的好的数学模型。因而必须要对推杆减速器有完整的研究，对推杆减速器的受力状况，承载能力情况以及各种材料参数对它们的影响要有细致的分析计算。
推杆减速器的发展方向主要是朝着产品系列化，规格化，以及大功率的方向发展。
1.2推杆减速器的生产状况及存在问题
解放军7435工厂是批量生产推杆减速器的大型厂家，积累了丰富的推杆减速器生产经验，该厂从1986年试制，1987年批量生产，至今产品已有5种型号60多种规格，单级传动比从10到60，传动功率从0.3KW到20KW，产品销售国内外，获得了显著的社会和经济效益。其产品被广泛应用于粮食食品、轻工、化工、塑料纺织、矿山、起重运输、印刷、造纸等领域的减速装置中。
在生产实践中发现推杆减速器还存在一些问题有待解决。其中最主要的问题是推杆磨损问题和内齿圈齿廓的测量方法问题。
7435工厂胡天明等在文献中指出了推杆减速器存在的两点问题：一是推杆两侧磨损较严重，二是在超载情况下偏心滚珠轴承外圈接触疲劳破坏问题。推杆磨损的问题可以从不同的路线研究，其一是选择合适的润滑油及组成移动副相匹配的材料，以期减小摩擦力，提高耐磨力；另一个是从推杆减速器的原理（运动学、动力学性能）入手，力求改进推杆受力状况，减小造成激烈磨损的根本原因。对于推杆减速器内齿圈齿廓的加工，目前使用的是用机械加具进行范成加工的方法。生产中是靠分别测量内齿圈外径至齿根的厚度及齿顶的厚度来估计被加工零件的合格与否，缺乏正确的测量手段。
为了提高产品质量和市场竞争能力，也为了二炮装备改革的需要，从1993年初开始，在二炮特管部的领导下，由7435 工厂和我们联合组成了“推杆减速器改造工程”课程组，主要任务是：
（1）利用计算机对推杆减速器进行优化设计，改善产品性能，减小推杆磨损问题。
（2）研究一种能用于生产实际的内齿圈齿廓测量方法。
（3）研究内齿圈齿廓的数控加工。
（4）研制一个专用的推杆减速器CAD/CAM系统。
（5）开发新结构，研制性能更好的新型减速器，研究大功率减速器的生产。
1.3本文的主要工作
为了解决推杆减速器生产中存在的实际问题，完成“推杆减速器改造工程”中的各项任务，必须要对推杆减速器的传动性能进行全面的分析。尽管目前在活齿传动方面的研究成果较多，但由于推杆减速器具有自己的特殊性，在很多问题上不能照搬这些结论。对于新型摆杆减速器，文献只提出了一般结构方案，重点分析了摆动活齿的特例——偏心滚子活齿传动。要使提出的结构变为实际产品，不仅要在理论上作深入、细致的分析、计算，还要经过反复的实际试制及验证。
本文对推杆减速器进行了全面的分析，形成了一套较完整的推杆减速器理论体系，本文主要完成了以下新的工作：
（1）找出了推杆内外滚子工作角之间的关系，并以此来分析内齿圈的齿廓曲线及机构传动特性，形成一套独特的推杆减速器分析方法，与传统的包络法相比，具有概念清晰、所得公式简练的特点。是分析研究多激波推杆减速器的有力工具。
（2）考虑了惯性力的影响，严格按效率定义推导出了较为精确的机构总体效率计算公式，运用计算机技术，采用大量离散点数值计算和理论分析相结合的方法来进行效率、强度计算的研究。
（3）提出了易于在数控加工中实现的齿廓分段修形法，使经过修形后的齿廓能够达到较理想的修形状态。
（4）提出了在内齿圈齿廓加工中，利用公法线误差来分析计算加工调整参数误差的方法，较好地解决了目前工厂生产中的实际问题。
（5）应用本文所研究的数学模型，对推杆减速器进行了优化设计，达到了较理想的效果。
（6）设计并实现了推杆减速器cAD系统，该系统利用现有的AutoCAD/12.0 软件进行工程绘图，并对其进行了二次开发。组建了推杆减速器的工程数据库，采取了一系列相关的算法加速动态图形显示的速度，并实现了直接用普通微机来控制数控擂齿机床。
（7）给出了按纯滚动原则设计非圆行星齿轮传动机构的方法、步骤，得到了相邻两行星轮中心角在传动中会发生变化的结论，证明了按传动比固定原则设计的活齿传动机构都不可能做成各运动副都是纯滚动的。而纯滚动的非圆行星传动机构适合于制作液压马达。
（8）系统地进行了新型摆杆减速器的运动学、齿廓形成及传动特性分析，并讨论了效率计算，强度校核以及内齿圈齿廓的公法线测量等理论问题。
（9）设计并制造出了一台新型摆杆减速器样机，证明了理论分析的正确性，为新型摆杆减速器形成产品打下了基础。
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