平行軸擺線針輪減速器的研究
博士后姓名：許洪斌
流動(dòng)站（一級(jí)學(xué)科）名稱：機(jī)械工程
專業(yè)（二級(jí)學(xué)科）名稱：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論
研究工作起始時(shí)間：1999年3月
研究工作期滿時(shí)間：2001年5月
1.概述
1.1少齒差傳動(dòng)的發(fā)展及其特點(diǎn)
漸開線行星齒輪傳動(dòng)[1]是一種至少是一個(gè)齒輪及其幾何軸線饒公共幾何軸線作回運(yùn)動(dòng)的齒輪傳動(dòng)裝置。由于此裝置采用數(shù)個(gè)行星輪同時(shí)傳遞載荷，使功率分流并合理地采用了內(nèi)齒輪，因而具有一系列的優(yōu)點(diǎn)：如結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、傳動(dòng)比范圍大、傳動(dòng)效率高、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲小、可進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的合成與分解等，因而廣泛地應(yīng)用在冶金、化工、礦山、起重運(yùn)輸、船舶、透平等領(lǐng)域的設(shè)備上，作為減速、增速和變速傳動(dòng)裝置。但行星齒輪傳動(dòng)在使用中還有一些限制，如：當(dāng)傳動(dòng)比很小時(shí)，結(jié)構(gòu)上往往不容易實(shí)現(xiàn)；當(dāng)要求主、從動(dòng)軸不同軸線且在同側(cè)時(shí)，行星齒輪傳動(dòng)無法實(shí)現(xiàn)；對(duì)于大規(guī)格生星齒傳動(dòng)，行星齒輪的軸承壽命無法滿足等。
少齒差行星齒輪運(yùn)[2，3]是行星傳動(dòng)中的一種，它由一個(gè)外齒輪與一個(gè)內(nèi)齒輪組成一對(duì)內(nèi)嚙合齒輪副，內(nèi)外齒輪的齒數(shù)相差很小，故簡(jiǎn)稱為少齒差傳動(dòng)。少齒差傳動(dòng)的類型很多，德國(guó)人首先提出擺線針輪行星齒輪傳動(dòng)原理，三十年代后期日本開始研制生產(chǎn)這種傳動(dòng)，由于當(dāng)時(shí)工藝上保證了擺線齒形的精度，才促進(jìn)了這種傳動(dòng)的發(fā)展，到目前為止擺線針輪傳動(dòng)已是少齒差傳動(dòng)中應(yīng)用最廣泛、最基本的一種類型，在此基礎(chǔ)上還發(fā)展了二齒差傳動(dòng)、復(fù)合齒形、行星軸承與偏心套合并等新結(jié)構(gòu)[4]。擺線針輪傳動(dòng)承載能力高、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、效率高及壽命長(zhǎng)，但加工精度要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。我國(guó)從1958年開始研制擺線針輪減速器，六十年代投入工業(yè)化生產(chǎn)，目前已形成系列，制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，已廣泛應(yīng)用于各類機(jī)械設(shè)備中。
漸開線少齒差傳動(dòng)的原理與押線少齒差傳動(dòng)基本相同，其區(qū)別在于內(nèi)外齒輪的齒廓曲線采用漸開線，其輪齒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、嚙合接觸應(yīng)力小，承載能力高，可以采用軟齒面，不需要特殊的刀具與專用設(shè)備進(jìn)行加工。但是，由于當(dāng)內(nèi)嚙合的一對(duì)漸開線齒輪數(shù)差很小時(shí)，極易產(chǎn)生各種干涉，在設(shè)計(jì)過程中選擇齒輪幾何參數(shù)的計(jì)算十分復(fù)雜，且傳動(dòng)效率不如擺線齒輪少齒差傳動(dòng)高。早在1949年，蘇聯(lián)學(xué)者就從理論上解決了實(shí)現(xiàn)一齒差漸開線齒輪傳動(dòng)的幾何計(jì)算問，但直到六十年代以后才得到了較迅速的發(fā)展。目前有柱銷式、零齒差、十字滑塊、浮動(dòng)簽署等多種形式。我國(guó)是五十年代開始在太原等地研制，1960年制成第一臺(tái)二齒差漸開線行星齒輪減速器，并獲得了成功的應(yīng)用[5，6，7]。
在六十年代，國(guó)外就開始探討圓弧少齒差傳動(dòng)，到七十年代中期，日本已開始進(jìn)行圓弧少齒差行星減速器的系列化生產(chǎn)[8]。這種傳動(dòng)的特點(diǎn)在于行星輪的齒廓曲線用凹圓弧代替了擺線，輪齒與針齒在嚙合點(diǎn)的曲率方向相同，形成凹凸圓弧的內(nèi)嚙合，從而提高了彎曲強(qiáng)度又簡(jiǎn)化了針齒結(jié)構(gòu)。
近幾十年業(yè)，又相繼出現(xiàn)了一些新的少齒差傳動(dòng)形式[3，9，10，11]，其中發(fā)展較快的有活齒少齒差傳動(dòng)[12]，錐齒少齒差傳動(dòng)，雙曲柄輸入式少齒差傳動(dòng)，以及利用彈性變形來傳遞運(yùn)動(dòng)諧波傳動(dòng)[13，14，15]。實(shí)踐證明，少齒差傳動(dòng)與工況相同的其它機(jī)械傳動(dòng)形式相比較，具有許多顯著優(yōu)點(diǎn)。
眾所周知，漸開線齒輪由于加工方便，成本低，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛。但目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的少齒差減速器中，90%以上是擺線針輪減速器，漸開線少齒差減速器的市場(chǎng)占有率很低，而且都是小功率的。造成這種局面的主要原因是我國(guó)生產(chǎn)的漸開線少齒差減速器絕大多數(shù)都采用同軸傳動(dòng)方式，即輸入軸與輸出軸在同一根軸線上，行星輪通過行星軸承安裝在曲軸的偏心軸頸上，并通過輸出機(jī)構(gòu)與輸出軸相連。采用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的漸開線少齒差減速器存在以下缺點(diǎn)：
1）行星軸承受力大，壽命矩。少齒差嚙合傳動(dòng)容易發(fā)生各種干涉，為了消除干涉現(xiàn)象，設(shè)計(jì)中一般采用正角度變位傳動(dòng)，齒輪正變位后捏合角增大，使行星軸承徑向載荷增大；另一方面，由于結(jié)構(gòu)上的原因，行星軸承的徑向尺寸受到一定的限制，在設(shè)計(jì)中很難滿足壽命要求。而擺線針輪減速器行星軸承徑向載荷 為相同尺寸的漸開線少齒差減速器的60%，軸承壽命由此可提高五倍左右。
2）振動(dòng)、噪音較大，運(yùn)行平穩(wěn)性差。擺線針輪減速器的擺線輪與針齒有半數(shù)齒同時(shí)接觸，而且兩者都經(jīng)過磨削，故其運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪單低。漸開線少齒差減速器同時(shí)嚙合的齒數(shù)少，由于內(nèi)齒輪精加工比較困難，輪齒制造精度較低，嚙合時(shí)沖擊、噪音較大。
3）傳動(dòng)效率低。擺線針輪減速器單級(jí)傳動(dòng)效率可達(dá)90%～95%，而漸開線少齒差減速器僅為85%～90%。
其中最主要的是行星軸承徑向載荷過大，造成軸承壽命短，使得行星軸承成為減速器的薄弱環(huán)節(jié)。因此，如何減小行星軸承載荷，提高少齒差行星齒輪減速器行星軸承的壽命，一直是人們力求解決的問題。
我國(guó)是五十年代開始從事少齒差齒輪傳動(dòng)研究的。1956年我國(guó)著名的機(jī)械學(xué)家朱景梓教授根據(jù)雙曲柄機(jī)構(gòu)的原理提出了一種新型少齒差傳動(dòng)機(jī)械，其特點(diǎn)是當(dāng)輸入軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，行星輪不是作擺線運(yùn)動(dòng)（高速公轉(zhuǎn)與低速自轉(zhuǎn)的合成），而是通過雙曲柄機(jī)構(gòu)導(dǎo)引作圓周運(yùn)動(dòng)。這種獨(dú)特的“雙曲柄輸 入少齒差傳動(dòng)機(jī)構(gòu)”得到當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)外同行的高度評(píng)價(jià)。1963年朱景梓教授在太原工學(xué)院學(xué)報(bào)上發(fā)表了“齒數(shù)差Zd=1的漸開線K-H-V型行星齒輪減速器及其設(shè)計(jì)“[16]，詳細(xì)闡述了少齒差傳動(dòng)的原理和設(shè)計(jì)方法，為少齒行星齒輪傳動(dòng)在我國(guó)的推廣應(yīng)用起了重要的指導(dǎo)和推動(dòng)作用。雙曲柄輸入少齒差傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是能使行星軸承的載荷下降，而且當(dāng)內(nèi)齒板作為行星輪時(shí)，行星軸承的徑向尺寸可不受限制，從而提高了行星軸承的壽命。另外，這種傳動(dòng)不需要輸出機(jī)械，還可實(shí)現(xiàn)平行軸傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高，適用性強(qiáng)。
根據(jù)K-H-V型少齒差行星齒輪傳動(dòng)的原理和設(shè)計(jì)方法，太原工學(xué)院、煤炭部研究總院及重慶鋼鐵公司等單位根據(jù)這種原理成功地研制出了不同類型的雙曲柄輸入少齒差減速器[17，14，28，31，32，33，36]。1985年，冶金工業(yè)部重慶鋼鐵設(shè)計(jì)院陳宗源高級(jí)工程師提出用三相并列雙曲機(jī)構(gòu)來克服死點(diǎn)，并于同年以“三環(huán)減速（或增速）傳動(dòng)裝置”申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利[13]。英國(guó)在1989年出現(xiàn)了類似的少齒差傳動(dòng)裝置。但是，按這種原理設(shè)計(jì)出來的減速器，一根曲軸上要安裝三片內(nèi)齒板，不得不制成偏心套結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工分度精度要求高，而且在工作過種中，偏心套受交變扭矩的作用，在與曲軸連接的表面產(chǎn)生微動(dòng)磨損，導(dǎo)致發(fā)熱；另外，三套互為120°相位差的雙曲柄機(jī)構(gòu)之間存在多次過約束，曲于加工及安裝誤差容易導(dǎo)致附加沖擊載荷，引起震動(dòng)和噪音。1987年，捷克人Soulek.Josef提出在一塊齒板上布置三個(gè)曲柄軸，利用平面多曲柄機(jī)構(gòu)的原理克服死點(diǎn)的設(shè)想，把齒板數(shù)減少為兩個(gè)，并申請(qǐng)了專利[9]。1993年重慶大學(xué)博士研究生崔建昆提出一種新型軸銷式少齒差行星齒輪傳動(dòng)[18]，并對(duì)其進(jìn)行了理論分析。由此可見，國(guó)內(nèi)外關(guān)于雙曲柄輸入少齒差傳動(dòng)的研究，重點(diǎn)在于如何克服雙曲柄機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)，主要的方法是利用一套齒輪機(jī)構(gòu)把動(dòng)力從輸入軸傳遞到另一根曲軸上去，形成兩根曲柄同時(shí)驅(qū)動(dòng)，從而克服機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)。
1.2本課題的提出
少齒差傳動(dòng)原理被提出后，國(guó)際上對(duì)其傳動(dòng)的研究十分活躍，此外還出二齒差傳動(dòng)、復(fù)合齒形等新機(jī)械。九十年代國(guó)際上出現(xiàn)了一些新結(jié)構(gòu)少齒差傳動(dòng)的發(fā)明專利，但均有利弊。如三環(huán)減速（或增速）傳動(dòng)裝置的內(nèi)齒輪加工需要專度是當(dāng)前齒輪技術(shù)發(fā)展主要趨向，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家正積極推廣使用硬齒面多級(jí)圓柱齒輪減速器和行星齒輪減速器。同軸擺線會(huì)輪減速機(jī)通常用柱銷輸出機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。針齒連桿行星減速機(jī)（ZL 96236353.7 CN2265454Y）[19]在只有一個(gè)輸入軸時(shí)，沒有解決克服機(jī)構(gòu)死點(diǎn)的問題。同步帶雙曲柄環(huán)板式針擺減速器（ZL96207312.1 CN2258239Y）[20]在只有一塊齒環(huán)板時(shí)，齒環(huán)板的兩側(cè)需各設(shè)置一塊平稀板，安裝困難，成本高。此外，齒環(huán)板或平衡板通過偏心套與輸入軸相聯(lián)，因微動(dòng)磨損，偏心套或軸承將會(huì)過早失效。
本文提出一種全新擺線針輪減速器，即平行軸擺線針輪減速器，并獲得實(shí)用新型專利（ZL98 2 28454.3）[21]。它的技術(shù)方案為：減速（或增速）傳動(dòng)裝置，具有兩根高速軸和一根低速軸，兩商由支撐軸承安裝在箱體上；高速軸上有相位差成180°的平行雙曲柄機(jī)構(gòu)，其中環(huán)板起連桿作用；環(huán)板內(nèi)孔的圓周上均布著針齒銷，針齒銷外有滾動(dòng)套；當(dāng)兩塊環(huán)板上針齒銷與固聯(lián)在低速軸上相應(yīng)相位差成180°的兩個(gè)擺線齒輪嚙合時(shí)，實(shí)現(xiàn)無滑動(dòng)的少齒差傳動(dòng)；為了解決機(jī)構(gòu)在共線時(shí)從動(dòng)曲柄存在運(yùn)動(dòng)不確定的問題，本研究采用兩種方案，即方案（一）：在箱體外，兩根高速軸的同側(cè)用一與齒環(huán)板不同相位的連桿相連，連桿驅(qū)動(dòng)高速軸通過運(yùn)動(dòng)不確定點(diǎn)；方案（二）：在箱體內(nèi)，兩根高速軸固聯(lián)相同的小齒輪，在低速軸上空套一個(gè)過棋逢對(duì)手大齒輪，兩對(duì)齒輪的外嚙合驅(qū)動(dòng)雙曲柄通過運(yùn)動(dòng)不確定點(diǎn)。
與現(xiàn)有的傳動(dòng)裝置相比，本裝置的創(chuàng)新新點(diǎn)主要有：
1）偏心軸頸與高速軸做成一體（稱為偏心軸）。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，徹底解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的偏心軸頸微動(dòng)磨損和發(fā)熱問題。偏心軸的加工工藝性較好；
2）兩個(gè)相位差成180°的擺線輪通過鍵固定在低速軸上，擺線輪制造工藝簡(jiǎn)單；
3）擺線輪和針輪均可做成硬齒面，且同時(shí)嚙合齒數(shù)多，重合度大；
4）齒面間實(shí)現(xiàn)無滑動(dòng)嚙合，傳動(dòng)交率高；
5）結(jié)構(gòu)上可采用多種方法解決雙曲柄四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)不確定問題；
6）本減速器無特殊材料和特殊加工工藝或設(shè)備要求，且安裝維修方便。
1.3 本文所做的工作
本文所做的工作是在重慶市科委攻關(guān)項(xiàng)目的資助下完成的。
1）新型結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)及齒形優(yōu)化；
2）根據(jù)變形協(xié)調(diào)方程建立力學(xué)模型，建立多相平行四邊形雙曲柄機(jī)構(gòu)的通用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析，分析壓力角、曲柄長(zhǎng)主蔗糖化時(shí)對(duì)載荷分布的影響；
3）對(duì)比分析不同結(jié)構(gòu)形式行星環(huán)板的承載能力；
4）樣機(jī)的試制與試驗(yàn)研究。
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