第1章 绪论
1.1 引言
工作机依靠原动机输入动力才能工作，但原动机的转速（或速度）和运动形式比较单一，而工作机（包括执行机构）则需满足多种工作要求。大多数情况下，工作机的转速不等于原动机的转速，运动形式也不相同。为此，必须在原动机和工作机之间，用传动装置（传动）来协调。传动的功用是：减速、增速或变速，同时改变力或力矩；改变运动形式；传动还可以实现一个或多个原动机驱动若干相同或不相同速度的执行机构。传动是机械的重要组成部分，机械的工作性能、可靠性、质量和成本，在很大程度上取决于传动装置设计和制造的优劣。
机械传动是传动的一种重要形式，齿轮传动由于其恒功率输出的特性，又是机械传动的一种主要传动形式，它具有速比范围宽、功率范围广、传动效率高、结构紧凑可靠等一系列优点，广泛应用于各种机械设备和仪器仪表中，也是现代机械产品的质量，在一定程度上标志着机械工程技术的水平被公认为工业和工业化的象征。为此，国内外对齿轮传动的研究不断深入。中所占比重最大的一种传动形式。行星齿轮传动的功率和速度范围宽，应用条件广，一直倍受各国的企业家和学者的关注，也成为各国机械传动方面的一个重点研究方向。渐开线齿轮行星传动（周转轮系）是一种具有动轴线的齿轮机构，它是由一系列互相啮合的渐开线齿轮所组成，并且在传动时至少有一个齿轮的几何轴线是绕另一个齿轮的固定几何轴线回转的。行星齿轮传动与普通齿轮传动相比，具有体积小、重量轻、结构紧凑、传动功率大、承载能力高、工作可靠、传动效率高、传动比大等一系列优点。常被用作减速器、增速器、差速器和换向机构以及其它特殊用途，是世界各国机械传动发展的重点。己被广泛用于航空发动机、轮船、汽车、电工机械、仪器及仪表、化工机械、轻工机械、冶金机械、农业机械、纺织机械等许多领域。
三环式齿轮减速器是在普通行星减速器技术的基础上开发的一种新型传动装置，属于少齿差行星齿轮传动的范畴。本文所研究的同步带为一级传动的油膜浮动均载的两级三环传动是笔者为解决三环减速器在工作中存在着振动大、各环板的载荷不均匀系数大、温升高及轴承寿命较短等实际问题而提出的一种新型三环减速器，本文的研究涉及到同步带传动理论、平面机构平衡理论、少齿差传动理论、行星传动的均载原理、摩擦学原理、机械振动理论、非电量测试技术及信号处理原理等多个学科，下面对相关学科的发展概况作简要的回顾和展望。
1.2 少齿差行星传动及三环减速器的研究
行星传动是把传统的定轴齿轮传动改为动轴传动，采用功率分流并合理应用内啮合，以及采用合理的均载装置，使行星齿轮传动具有许多显著的优点。少齿差行星传动又是行星齿轮传动中的一种，代表着行星传动的一个发展方向。下面作一简要回顾。
我国关于行星传动的研究开始于50年代，工业化生产始于六十年代。少齿差传动类型较多，按行星轮齿可划分为：摆线少齿差传动、渐开线少齿差传动、圆弧少齿差传动、活齿少齿差传动和锥齿少齿差传动五种类型。最早出现的是以外摆线作为行星轮齿的齿廓曲线的传动方式，由于其中的一个齿轮采用针轮的形式，故称摆线针轮行星齿轮传动。它是一种应用行星传动及摆线针轮滚动啮合原理的减速器，是少齿差传动中应用最广泛、最基本的一种类型。渐开线少齿差传动的原理与摆线少齿差传动的原理基本相同，其区别在于：前者的内、外齿轮的齿廓曲线为渐开线，而后者的齿廓曲线是外摆线。尽管渐开线齿轮结构简单、啮合接触应力小，承载能力高，又可以采用软齿面、加工容易、制造成本低，但由于齿轮几何参数计算十分复杂，故未得到发展。直到60年代以后，随着计算机技术的普及和应用，渐开线少齿差传动才得以迅速的发展。国外首先开展渐开线少齿差传动的研究，前苏联学者1953年在文献中，研究了齿数差为l的渐开线内啮合的啮合计算和加工问题，奠定了渐开线少齿差传动的基础，随后，该作者又在文献中讨论了避免内齿轮干涉的设计问题，解决了渐开线少齿差传动发展中的难题。在我国，渐开线少齿差传动的研制工作开始于50年代，1960年首台二齿差渐开线少齿差齿轮减速器研制成功，并用于桥式起重机的提升机构中。圆弧少齿差传动的结构形式与摆线少齿差传动基本相同，其特点在于行星轮的齿廓曲线采用凹圆弧代替了摆线，轮齿与针轮在啮合点的曲线方向相同并形成两段凹凸圆弧的内啮合，且曲率半径相差很小，从而提高了轮齿的接触刚度和啮合效率。这种传动在日本己形成系列化生产，我国也有研制。活齿少齿差传动是近十几年来出现的新的少齿差传动形式，其特点是固定齿圈上的齿形制成圆狐或其它曲线，行星轮上的各轮齿改用单个的活动构件（如滚珠）代替，当主动偏心盘驱动时，它们将在输出轴盘上的径向槽孔中活动，该传动的效率为0.86～0.87。锥齿少齿差传动是采用一对少齿差的锥齿轮，以轴线运动的锥齿轮与另一固定锥齿轮啮合产生摆动运动代替了原来行星轮的平面运动。另外还有双曲柄输入式少齿差传动等形式。
本文所研制的两级三环减速器属渐开线少齿差传动形式，有必要重点讨论一下渐开线少齿差行星齿轮传动。当渐开线内啮合圆柱齿轮副的内齿轮和外齿轮齿数差很少时（一般为1～4个）所组成的行星齿轮机构，称为少齿差行星齿轮传动。如图1-l所示的K-H-V型（也称N型）是其主要形式，K-H-V型传动，其内齿圈b固定，转臂H是输入轴。由于它的转动和内齿圈的限制，行星轮g作平面运动，即行星轮既绕内齿圈轴线作圆周平移运动，又绕自身轴线作回转运动，再用输出机构W把行星轮的回转运动传递给输出轴，从而起到减速作用。
理论分析和应用实践证明渐开线少齿差行星传动具有下列优点：1.结构紧凑、体积小、重量轻；2.传动比大；3.运载平稳、噪声小、承载能力大；4.结构简单、加工方便、成本低；5.输入轴与输出轴在同一轴线上，安装和使用方便。同时，渐开线少齿差行星传动还存在以下缺点：1.行星轮转臂轴承受力较大，使用寿命较短；2.需要有输出机构，造成结构的复杂；3.有些结构需加平衡块；4.传动效率一般也不够高。
在K-H-V型行星齿轮传动基础上，发展起来的RV传动和双曲柄式少齿差行星传动机构在工程上得到了较好地应用。图1-2所示为RV传动原理图。
它是由一级行星传动部分和二级偏心差动式少齿差传动部分组合而成的两级减速传动装置。电机的高速回转运动通过输入齿轮轴上的直齿轮Z1和曲柄轴上的行星轮Z2的啮合传动实现第一级减速传动。行星齿轮Z2通过曲轴H，使摆线针轮Za做偏心运动。当机壳固定时，摆线针轮Za。绕针轮一边公转一边自转，通过输出圆盘（行星架）输出其自转运动，实现了第二级减速传动。其传动比的公式为：
RV传动作为一种新型传动，由于具有良好的动、静态特性，对其进行的研究和应用较为广泛。双曲柄式少齿差行星传动则将输入运动和输出运动分别由中心轮和行星轮承担，如图1-3所示。该机构一方面省取了输出机构W，避免了由输出机构所带来的弊病，另一方面用一个平行四边形机构（双曲柄）代替了转臂H，设置了同步啮合的定轴齿轮副，经减速后再将运动输送给少齿差轮系，这样可获得更大的速比，使机构更为紧凑和有效；当总速比相同时，动轴上齿轮的转速较低、运转比较平稳、动载荷和噪音较小。
三环减速器就是应用平行曲柄机构的原理在普通行星减速器基础上开发的一种新型传动装置，属于少齿差行星齿轮传动的范畴，它是能实现平行轴传动的一种新颖实用的传动形式，可在许多场合替代多级圆柱齿轮减速器传动，效益明显，有较大的发展前景。自我国首台以双曲柄机构和少齿差行星传动为原理的三环减速器于1985年在重庆专用机械制造公司问世以来，这种传动在国内发展比较快，出现了包括三环减速器在内的多种结构形式。1987年的国家发明专利“三环式减速（或增速）传动装置”提出了高速轴对称或非对称配置在低速轴齿圈一侧或两侧、卧式或立式、动力源从一轴或多轴同时输入的三环减速器，由于双曲柄机构死点位置的存在，在只有一个驱动转臂的条件下，对称型和偏置型三环传动要求环板至少三块。1989年的实用新型专利“浮动式齿差减速器”提出了一种外齿轮作圆周浮动带动内齿轮，由齿差作用，将动力传到输出轴的减速器。1990年的实用新型专利“双曲柄单齿环少齿差行星减速器”提出了一种能克服死点的单齿环少齿差减速器，它由输入轴和支承轴上的两个传动齿轮和输出轴上的空套过桥齿轮啮合实现输入，克服死点。1992年的实用新型专利“双曲柄双齿环少齿差行星减速器”提出了环板的偏心距在同一轴上的相位差为180°的对称型少齿差减速器，它由输入轴和支承轴上的两个传动齿轮和输出轴上的空套过桥齿轮啮合实现输入，克服死点，输入轴和输出轴可以同轴或不同轴。1992年三环减速器被列为国家级重点科技推广项目。1998年的实用新型专利“全对称平移连杆减速箱”提出了将环板对称布置的同一轴上的偏心相位差为180°的对称型少齿差减速器，双曲柄机构的死点采用带传动、链传动和齿轮传动来克服。
由于三环减速器问世时间不长，在使用过程中存在振动、冲击、发热、轴承早期损坏等诸多问题，大大影响了其性能的发挥。因而，在功率较大时只能采用价格较昂贵的低速电机。三环减速器受力情况的好坏直接影响其产品性能，为此，许多学者除对三环传动的传动理论、传动效率、装配条件和功率分流等理论问题进行系统研究外，还重点对三环减速器的动力学进行了研究。在假设啮合过程中每块环板受力情况相同，啮合力恒定或符合某一变化规律的前提下，文献借助粗略的模型，按一般刚体力学方法对考虑重力、惯性力和啮合力的环板的动态受力进行了分析；由于三环减速器机构中存在虚约束，运动链不满足静定条件，用一般刚体力学方法无法对其精确求解的实际，文献从平面连杆机构组成原理出发，提出了考虑运动副的接触变形和环板、轴的整体变形，并利用构件刚性位移和运动副接触变形建立了机构的变形协调条件，从而建立和求解了有过约束三相并列双曲柄三环减速器在瞬时啮合力恒定和瞬时啮合力不恒定的受力分析模型；文献提出了考虑环板拉压变形的变形协调条件，建立了三环减速器的受力平衡方程，得到其受力。由于其未考虑三环减速器输入、输出轴的变形，故其简化计算过于粗略。考虑到轮齿过程中各构件的变形，尤其是环板的拉压变形和曲柄轴的弯曲变形是主要的变形形式这一事实，文献提出了考虑环板的拉压变形和曲柄轴的弯曲变形的变形协调方程，作为进行三环减速器力分析的补充方程。该文分别求解了对称型、星型和偏置型三环减速器的受力情况，结果表明：在相同的传动技术参数下，对称型受力性能最佳。但由于该文将环板处理成等截面的圆柱杆，这与实际相差较大，影响了其计算精度。三环传动的受力分析表明：在相同工况下，对称型较偏置型三环减速器的力学性能要优。
在三环减速器的设计中，文献用有限元方法计算内、外齿轮的接触应力和齿根弯曲应力；文献用有限元方法确定齿轮沿接触线的载荷分配、齿向偏差和应力等。文献分析了刀具的类型和几何尺寸对齿轮应力大小的影响，指出：优化刀具尺寸是减小齿轮应力的重要手段。文献 利用I-DEAS软件对偏置型内齿环板的应力和变形进行了有限元计算，文献还用该软件对对称型内齿环板、外齿轮和偏心套的应力和变形进行了有限元计算，计算结果表明：采用对称布置的结构方案可减小有内齿轮啮合力的弯、剪作用产生的应力，改善三环减速器的工作条件。文献运用有限元方法此对齿轮应力进行了研究，在能量定理的基础上，把有限元解法与传统的分析方法有机地结合起来。
对三环减速器有关问题进行研究，找出产生振动和噪声大、温升较高的等制约三环减速器优越性发挥的原因和影响因素，提出解决问题的方法和措施十分重要。研究表明，双曲柄机构死点位置对输入轴和输出轴产生的冲击、和对齿轮副造成的冲击以及啮合冲击是引起三环减速器振动和噪声的三个主要激励源；SHQ630型三环减速器的箱体和环板的振动分析和实验研究，也得出环板过死点产生的冲击力在箱体上产生的与啮合力成正比的不平衡冲击力偶是造成整机振动的根源，其研究结果还显示，高速轴双侧布置较单侧布置的振动要小。文献提出“外界负载和环板平面运动产生的附加惯性力”和“轮齿间的挤油功率损耗”是三环减速器产生热量的主要根源；文献采用红外热成像技术对三环减速器箱体及环板的温度场分布进行了测试分析，证明三环减速器支撑及环板高速轴轴承是主要的发热源，其中，高速输入轴发热更为严重，振动和温升均源于高速轴的恶劣承载条件，特别是过大的死点冲击；文献对三环减速器环板的振动进行了研究。由此可以得出结论：动态载荷是三环减速器振动、发热和噪声的产生根源。采取措施降低或消除它的影响对推广三环减速器意义重大。文献分析计算了三环减速器的摆动力和摆动力矩，揭示了三环减速器动力矩的不平衡性，并提出了平衡摆动力矩的方法。由于冲击力与啮合力成正比关系，而传动中过程中各环板的上作用的实际啮合力又不等，采用均载装置，改善三环减速器的均载效果可达到减振的目的。文献采用在SH175型三环减速器的输出轴和其支承轴承之间加入聚四氟乙烯衬套的均载方式来提高均载效果，试验样机的理论分析和试验结果表明：采用均载机构能明显地改善三环减速器载荷分配不均的问题，传动平稳性增强。改进型机（加上聚四氟乙烯衬套）的载荷分配不均匀系数较原型机（未加聚四氟乙烯衬套）有较大的降低。文献提出了在SH145三环减速器的输出轴轴承外圈和轴承座之间加装弹性均载环的均载方案，试验结果表明：加装均载环后，三环减速器均载效果明显。文献将弹性均载环分别加装在其设计的的两级三环减速器HITSH145 的输出轴和一级输入轴的轴承外圈和轴承座孔之间，弹性均载环的变形实现了输出轴和一级输入轴上的外齿轮浮动，实现了三环减速器的均载，样机实验的测试结果显示，HITSH145原型机（未加均载环）的载荷分配不均匀系数由1.314降低为改进型机（加上均载环）的1.073，均载效果显著。另外，有些文献还研究了三环减速器的多齿啮合问题，少齿差内啮合传动参数，弹性均载环的设计以及传动性能实验等诸多问题。
由于三环传动是我国的发明，且研究的较为全面，国外尚未有有关文献的报道。
尽管我国在三环减速器的研究方面取得了许多令人瞩目的成果，但由于三环减速器的研发时间较短，对有些问题研究的还不够深入，生产中存在的一些实际问题还未从根本上得到解决，制约了这种新装置的推广使用。我国开发的三环减速器的基本型结构主要有两种，一是两高速轴对称布置于输出轴两侧的对称型三环减速器，如图1-4所示，另一种是两高速轴布置于输出轴同侧的偏置型三环减速器。
三环减速器是以内齿环板作为行星轮，并利用三相并列平行双曲柄机构来克服死点而传递动力的，而单相双曲柄机构的最大缺点就是存在死点位置，即当曲柄与连杆共线时，机构处于运动不确定位置，此时传动角为零，机构无法运动。克服机构死点的办法主要有：1.双曲柄轴动力同步输入；2.多相并列双曲柄机构；3.多曲柄机构。目前主要用的是采用多相并列双曲柄机构。在三环减速器的研究、设计和生产应用过程中，发现其存在的主要问题表现在：
1.在三环减速器中，每个内齿环板都相当于双曲柄机构中的连杆，由输入轴带动作高速曲线平动，惯性力和啮合力呈周期性变化，使机构产生冲击和振动。
2.由于三个完全相同的内齿环板并列地呈120°相位差运转，惯性力理论上是平衡的，但是惯性力偶矩是不平衡的。尤其在中高速旋转时，惯性力偶矩就成为三环减速器产生振动的重要激振源。三相互为120°相位差的双曲柄机构之间存在过约束和死点冲击，由于其本身的原因以及制造安装误差导致了附加冲击动载荷，引起机体振动和噪声。
3.由于不可避免的制造和安装误差，以及零件受力变形，致使三个完全相同的内齿环板工作时不能均匀受载，既增大了振动，又严重地影响其功率分流式结构优点的充分发挥。
从目前的理论分析、试验研究的文献和实际应用都证实和发现，三环减速器振动普遍较大，并随着原动机转速提高、传动比增大及功率增加而加剧，严重时可导致内齿环板断裂、轴承发热失效，缩短了整机使用寿命，降低了三环减速器的优越性，严重地影响三环减速器的实际推广应用。此外，对于功率较大的三环减速器，必须采用低速电机以降低其振动，这又增大了电机的成本。
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