平行軸擺線針輪減速器的研究
博士后姓名：許洪斌
流動站（一級學(xué)科）名稱：機械工程
專業(yè)（二級學(xué)科）名稱：機械設(shè)計及理論
研究工作起始時間：1999年3月
研究工作期滿時間：2001年5月
1.概述
1.1少齒差傳動的發(fā)展及其特點
漸開線行星齒輪傳動[1]是一種至少是一個齒輪及其幾何軸線饒公共幾何軸線作回運動的齒輪傳動裝置。由于此裝置采用數(shù)個行星輪同時傳遞載荷，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：如結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、傳動比范圍大、傳動效率高、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲小、可進行運動的合成與分解等，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、增速和變速傳動裝置。但行星齒輪傳動在使用中還有一些限制，如：當(dāng)傳動比很小時，結(jié)構(gòu)上往往不容易實現(xiàn)；當(dāng)要求主、從動軸不同軸線且在同側(cè)時，行星齒輪傳動無法實現(xiàn)；對于大規(guī)格生星齒傳動，行星齒輪的軸承壽命無法滿足等。
少齒差行星齒輪運[2，3]是行星傳動中的一種，它由一個外齒輪與一個內(nèi)齒輪組成一對內(nèi)嚙合齒輪副，內(nèi)外齒輪的齒數(shù)相差很小，故簡稱為少齒差傳動。少齒差傳動的類型很多，德國人首先提出擺線針輪行星齒輪傳動原理，三十年代后期日本開始研制生產(chǎn)這種傳動，由于當(dāng)時工藝上保證了擺線齒形的精度，才促進了這種傳動的發(fā)展，到目前為止擺線針輪傳動已是少齒差傳動中應(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、復(fù)合齒形、行星軸承與偏心套合并等新結(jié)構(gòu)[4]。擺線針輪傳動承載能力高、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、效率高及壽命長，但加工精度要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。我國從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)的標準，已廣泛應(yīng)用于各類機械設(shè)備中。
漸開線少齒差傳動的原理與押線少齒差傳動基本相同，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)備進行加工。但是，由于當(dāng)內(nèi)嚙合的一對漸開線齒輪數(shù)差很小時，極易產(chǎn)生各種干涉，在設(shè)計過程中選擇齒輪幾何參數(shù)的計算十分復(fù)雜，且傳動效率不如擺線齒輪少齒差傳動高。早在1949年，蘇聯(lián)學(xué)者就從理論上解決了實現(xiàn)一齒差漸開線齒輪傳動的幾何計算問，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、浮動簽署等多種形式。我國是五十年代開始在太原等地研制，1960年制成第一臺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，國外就開始探討圓弧少齒差傳動，到七十年代中期，日本已開始進行圓弧少齒差行星減速器的系列化生產(chǎn)[8]。這種傳動的特點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，從而提高了彎曲強度又簡化了針齒結(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形式[3，9，10，11]，其中發(fā)展較快的有活齒少齒差傳動[12]，錐齒少齒差傳動，雙曲柄輸入式少齒差傳動，以及利用彈性變形來傳遞運動諧波傳動[13，14，15]。實踐證明，少齒差傳動與工況相同的其它機械傳動形式相比較，具有許多顯著優(yōu)點。
眾所周知，漸開線齒輪由于加工方便，成本低，在實際生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛。但目前國內(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，并通過輸出機構(gòu)與輸出軸相連。采用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計的漸開線少齒差減速器存在以下缺點：
1）行星軸承受力大，壽命矩。少齒差嚙合傳動容易發(fā)生各種干涉，為了消除干涉現(xiàn)象，設(shè)計中一般采用正角度變位傳動，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、噪音較大，運行平穩(wěn)性差。擺線針輪減速器的擺線輪與針齒有半數(shù)齒同時接觸，而且兩者都經(jīng)過磨削，故其運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪單低。漸開線少齒差減速器同時嚙合的齒數(shù)少，由于內(nèi)齒輪精加工比較困難，輪齒制造精度較低，嚙合時沖擊、噪音較大。
3）傳動效率低。擺線針輪減速器單級傳動效率可達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。
我國是五十年代開始從事少齒差齒輪傳動研究的。1956年我國著名的機械學(xué)家朱景梓教授根據(jù)雙曲柄機構(gòu)的原理提出了一種新型少齒差傳動機械，其特點是當(dāng)輸入軸旋轉(zhuǎn)時，行星輪不是作擺線運動（高速公轉(zhuǎn)與低速自轉(zhuǎn)的合成），而是通過雙曲柄機構(gòu)導(dǎo)引作圓周運動。這種獨特的“雙曲柄輸 入少齒差傳動機構(gòu)”得到當(dāng)時國內(nèi)外同行的高度評價。1963年朱景梓教授在太原工學(xué)院學(xué)報上發(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“[16]，詳細闡述了少齒差傳動的原理和設(shè)計方法，為少齒行星齒輪傳動在我國的推廣應(yīng)用起了重要的指導(dǎo)和推動作用。雙曲柄輸入少齒差傳動的優(yōu)點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，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，這種傳動不需要輸出機械，還可實現(xiàn)平行軸傳動，結(jié)構(gòu)簡單，效率高，適用性強。
根據(jù)K-H-V型少齒差行星齒輪傳動的原理和設(shè)計方法，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)計院陳宗源高級工程師提出用三相并列雙曲機構(gòu)來克服死點，并于同年以“三環(huán)減速（或增速）傳動裝置”申請了國家發(fā)明專利[13]。英國在1989年出現(xiàn)了類似的少齒差傳動裝置。但是，按這種原理設(shè)計出來的減速器，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)生微動磨損，導(dǎo)致發(fā)熱；另外，三套互為120°相位差的雙曲柄機構(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，引起震動和噪音。1987年，捷克人Soulek.Josef提出在一塊齒板上布置三個曲柄軸，利用平面多曲柄機構(gòu)的原理克服死點的設(shè)想，把齒板數(shù)減少為兩個，并申請了專利[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[18]，并對其進行了理論分析。由此可見，國內(nèi)外關(guān)于雙曲柄輸入少齒差傳動的研究，重點在于如何克服雙曲柄機構(gòu)的死點，主要的方法是利用一套齒輪機構(gòu)把動力從輸入軸傳遞到另一根曲軸上去，形成兩根曲柄同時驅(qū)動，從而克服機構(gòu)的死點。
1.2本課題的提出
少齒差傳動原理被提出后，國際上對其傳動的研究十分活躍，此外還出二齒差傳動、復(fù)合齒形等新機械。九十年代國際上出現(xiàn)了一些新結(jié)構(gòu)少齒差傳動的發(fā)明專利，但均有利弊。如三環(huán)減速（或增速）傳動裝置的內(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)達國家正積極推廣使用硬齒面多級圓柱齒輪減速器和行星齒輪減速器。同軸擺線會輪減速機通常用柱銷輸出機構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。針齒連桿行星減速機（ZL 96236353.7 CN2265454Y）[19]在只有一個輸入軸時，沒有解決克服機構(gòu)死點的問題。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，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)，因微動磨損，偏心套或軸承將會過早失效。
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°的兩個擺線齒輪嚙合時，實現(xiàn)無滑動的少齒差傳動；為了解決機構(gòu)在共線時從動曲柄存在運動不確定的問題，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)動高速軸通過運動不確定點；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過棋逢對手大齒輪，兩對齒輪的外嚙合驅(qū)動雙曲柄通過運動不確定點。
與現(xiàn)有的傳動裝置相比，本裝置的創(chuàng)新新點主要有：
1）偏心軸頸與高速軸做成一體（稱為偏心軸）。結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，徹底解決了傳統(tǒng)設(shè)計中存在的偏心軸頸微動磨損和發(fā)熱問題。偏心軸的加工工藝性較好；
2）兩個相位差成180°的擺線輪通過鍵固定在低速軸上，擺線輪制造工藝簡單；
3）擺線輪和針輪均可做成硬齒面，且同時嚙合齒數(shù)多，重合度大；
4）齒面間實現(xiàn)無滑動嚙合，傳動交率高；
5）結(jié)構(gòu)上可采用多種方法解決雙曲柄四桿機構(gòu)的運動不確定問題；
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)項目的資助下完成的。
1）新型結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計及齒形優(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構(gòu)的通用數(shù)學(xué)模型進行傳動系統(tǒng)的動力學(xué)分析，分析壓力角、曲柄長主蔗糖化時對載荷分布的影響；
3）對比分析不同結(jié)構(gòu)形式行星環(huán)板的承載能力；
4）樣機的試制與試驗研究。
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