【正文】 少齒差行星減速器的設計 第 １ 頁 共 37 頁 少齒差行星減速器的設計 前言 少齒差行星齒輪傳動技術是一種新型的機械傳動技術，由于它具有體積小、重量輕、傳動比范圍大、效率高等優(yōu)點，而且能適應特種條件下的工作，已引起國內外工程界的重視。如今已在國防，冶金，礦山，紡織，食品，輕工，儀表制造，起重運輸以及建筑工程等工業(yè)部門中得到廣泛的應用 ，但是我國的這種新型傳動技術的水平與國際上一些工業(yè)科技水平發(fā)達的國家相比，還有很大差距，主要是由于我國從事該項技術研究設計及應用的單位和個人比較少，同時，相關的書籍和資料也比較欠缺。 目前，國內外的減速器種類 繁多，但普通的圓柱齒輪減速器由于 體積大，機構笨重，而且在傳遞大的傳動比時效率較低等缺點，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需要，因此，設計研究具有體積小、效率高、重量輕的新型減速器就呈現(xiàn)在各國工程技術人員面前。經(jīng)過幾十年的研究，減速器得到了飛速的發(fā)展，出現(xiàn)了各式各樣的新型減速器，目前國內外的動力齒輪傳動正沿著小型化、高速化、標準化、小振動、低噪音的方 向 發(fā)展，而行星齒輪傳動和少齒差及零齒差 內輪副的應用是當代齒輪傳動的一大特征，是具有上述發(fā)展方向的一個典型標志。行星齒輪傳動把定軸傳動改為動軸傳動，采用功率分流，并合理的 采用了內嚙合及均載裝置，使行星傳動具有顯著優(yōu)點。 選題背景 研究意義 隨著我國現(xiàn)代工業(yè)技術的發(fā)展，對機械傳動裝置的技術性能和經(jīng)濟指標提出了越來越高的要求，普通減速器由于種種缺點已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需要，而研制新型高性能傳動元件是機械行業(yè)中重要的課題之一，因此，具有傳動比大、體積較小等優(yōu)點的行星減速器得到廣泛的關注和研究，在眾多研究課題之中，少齒差行星齒輪減速器就是其中的一種。 對少齒差行星齒輪減速器的研究具有重要的實際意義，普通的齒輪減速器傳動比小、體積大、機械性能差而且工作壽命 較短，相比之下，研究設計少齒差行星齒輪減速器對提高傳動裝置的總體機械性能、機械效率非常重要，更 進 一步說，會帶來較好的社會效益和經(jīng)濟效 益。 少齒差行星減速器的特點及應用前景 機構緊湊、體積小、重量輕 由于漸開線少齒差行星傳動裝置采用的是內嚙合，以及結構緊湊的 W型輸出機構，因此使得整體傳動裝置體積小、重量輕。當傳動比相同時，它與同功率 的定軸 少齒差行星減速器的設計 第 ２ 頁 共 37 頁 圓柱齒輪減速器相比，體積和重量可以減少將近一半。 傳動比范圍大 對于單級的 K— H— V傳動形式的漸開線少齒差行星齒輪減速器，其傳動比范圍是 10～ 100，兩級單聯(lián)的減速器傳動比可達 100～ 10000。對于 2K— H雙嚙合正號的減速裝置，其傳動比可達 50～ 1000,或者更大。 效率高 國內生產的單級漸開線少齒差行星齒輪減速器的效率一般為 80﹪～ 90﹪ ，如果設計合理、制造精度較高的可達 94﹪。 加工方便、成本較低 這種采用漸開線齒形的減速裝置，由于齒輪副的加工不需要特殊的刀具與專用設備，普通的漸開線齒輪刀具和齒輪機床就可以完成加工制造，材料也可以選用通用的齒輪材料，因此加工方便、制造成本低。 結構形式多、應用范圍廣 由于其輸入 軸與輸出軸可在同一軸線上，也可以不在同一軸線上， 所以能適應各種機械的需要。 運轉平穩(wěn)、噪音小、承載能力大 由于是內嚙合傳動，兩嚙合輪齒一為凹齒、一為凸齒，兩者的曲率中心在同一方向，曲率半徑又接近相等， 因此接觸面積大， 使輪齒的接觸強度大為提高 ；又因采用短齒制，輪齒的彎曲強度也提高了。此外，少齒差傳動時，不是一對輪齒嚙合，而是 3～ 9 對輪齒同時接觸受力，所以運轉平穩(wěn)，噪音小，并且相同模數(shù) 的情況下，其傳遞力矩比普通圓柱齒輪減速器大?；谝陨咸攸c，小到機器人的關節(jié)，大到冶金礦山機械，以及從 要求不高的農用，食品機械，到要求較高的印刷和國防工業(yè)都有應用實例。 并于上世紀 80 年代應用于國防工業(yè)軍事裝備中。例如通信設備，導彈與火箭發(fā)射裝備等等。 自 20 世紀 40 年代末，蘇聯(lián)的學者解決了 漸開線少齒差避免齒廓重疊干涉的計算方法以后，少 齒 差行星齒輪傳動猜得到廣泛應用。我國對少齒差行星傳動的研制開始于 1956 年，首先是由太原工學院進行的。第一臺用于工業(yè)的產品是在 1960 年制造的，是一臺傳動比為 ，功率為 16kw 的二齒差減速裝置，安裝在橋式起重機的卷揚機構中，至今情況良好。 直 到 70 年代少齒差減速裝置才得到較多單位的研制，制造和使用。目前已用于工業(yè)、農業(yè)以及國防等許多部門，顯示出體積小、效率高等優(yōu)點。 1989 年我國的產量已經(jīng)達到 3～ 4 萬臺，大多用于力的傳動。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今的少齒差減速裝置開始向著小型化 、高效率、低噪音等方向發(fā)展。依產品來劃分，可將其分為通用系列減速器和專用配套型（或專用齒輪裝置）兩種。目前大部分的少齒差行星傳動都屬于 K— H— V型和 2K— H型。 2K— V 型的曲柄式的少齒差行星傳動，在蘇聯(lián)早已用于采煤機械。我國也有研制成功且已用于膠印機的小型雙曲柄單偏心及雙偏 心兩種減速器產品，年需量目前 少齒差行星減速器的設計 第 ３ 頁 共 37 頁 已達 1200 臺套。這種傳動裝置的傳動比范圍大，制造成本低、機械性能好，有廣闊的應用前景。 K— H 型減速器，又稱三環(huán)減速器，是由重慶 鋼鐵設計研究院研制成功的專利產品，由浙江平陽機械制造廠、重慶冶金機械制造廠等 制造 和生產，是 1990 年獲國家優(yōu)秀專利的新型通用減速裝置。多年的使用情況表明，其技術性能優(yōu)越，制造成本低，過載能力強，大、中、小功率都適用，其輸出轉矩已達 71kn m，從 1985 年起，已陸續(xù)投入批量生產與使用。 綜上所述，少齒差行星齒輪傳動就國內水平來講，其性能已達到擺線針輪減 速器的水平，其精度已與諧波減速器相仿，而且加工方便，結構形式多，速比范圍廣，能適應各種機械的需要，是一種很有發(fā)展前景的傳動裝置。 國外目前主要有俄國 、日本、 美國 、 英國 、德國、瑞士等國家從事該方面的研制工作，產品主要用于小功率的傳動。 傳動原理 如圖 1 為 2K— H 型行星齒輪傳動原理圖，它由兩個中心輪 a、 b 和一個星架 H組成，傳動比為 Hai =1+Zb/Za ,它演變出兩種典型的少齒差 齒輪傳動形式，如 圖 2 所示， K— H— V 行星齒輪傳動如圖 2(a)所示 ,基本構件為中心輪ｂ ,轉臂 Ｈ 和構件 V。當中心輪ｂ固定，轉臂 H 主動，構件 V 從動時，傳動比為 / ( )g b gHg Z Z Zi ? ? ? 。把構件 V 固定，轉臂 H 主動，中心輪ｂ輸出，如圖 2（ｂ）所示。其傳動比為/ ( )b b gHb Z Z Zi ??。少齒差行星齒輪傳動機構實質上是一個由平面四連桿機構和內嚙合齒輪副組成的齒輪連桿機 構的 結構。 上述 K— H— V 行星齒輪傳動中， K 是指有一個中心齒輪即內齒輪； H 是指行星架（或稱為轉臂）， V是指一個 帶 W機構的輸出裝置。整個傳動部分包括：輸入，減速，輸出三個部分。 a． 輸入 電動機聯(lián)接輸入軸，輸入軸上裝有偏心套，電動機帶動輸入軸上的偏心套轉動作為輸入。 少齒差行星減速器的設計 第 ４ 頁 共 37 頁 b．減速 當偏心套轉動時，由于內齒輪與機座固定不動 ，迫使行星外齒輪既繞內齒輪作公轉又繞偏心套中心作低速自轉，從而達到減速的目的。 c．輸出 從結構上保證行星齒輪上的銷孔與銷軸套直徑大兩倍偏心距，在運動過程中使銷軸套始終與行星外齒輪對應的銷孔壁接觸，從而使行星外齒輪繞內齒輪的平動不傳遞給銷軸，僅將繞偏心套中心的低速轉動通過銷軸套傳遞給輸出軸 ，實現(xiàn)與輸入軸 相反的減速運動 。 結構形式 少齒差減速器的結構型式較多，常見的型式 有兩類，一類是 K— H— V 型漸開線少齒差行星減速裝置，只有一對內嚙合齒副，又稱為 N 型減速裝置；另一類是 2K— H型雙內嚙合正號機構 漸開線少齒差行星減速裝置，它有兩對內嚙合齒輪副，又被稱為 NN 型減速裝置。 A． K— H— V 型漸開線少齒差行星減速裝置 K— H— V型漸開線少齒差行星減速裝置通常按輸出機構的形式、 減速器的級數(shù)、行星齒輪的數(shù)目、使用安裝的型式分類。 （一）按輸出機構形式 （ 1） 銷軸式 這種減速器使用歷 史較長，應用范圍較廣，實踐證明效率較高；在高速連續(xù)運轉，功率較大或扭矩較大的使用場合下，可采用銷軸式輸出機構 。 銷軸是懸臂梁式，銷軸的固定端與輸出軸緊配合，懸臂梁端相應的插入行星外齒輪端面的銷孔內，雖然結構形式簡單，但銷軸受力情況不好，并且磨損不均勻。 （ 2） 十字滑塊式 這種結構形式較簡單，加工方便，但是承載能力及效率較銷軸式低， 常用于小功率、只有一個行星齒輪的結構中。 （ 3） 浮動盤式 這種結構形式較新穎，比銷軸式容易加工，使用效果好。但對其效率 和承載能力還缺乏測試數(shù)據(jù)。 （ 4） 零齒差式 零齒差式輸出機構的零件數(shù)量要少一些，結構緊湊、制造方便 。 （ 5）雙曲柄式 高速軸減速后帶動行星齒輪，動負荷小。這種結構的軸向尺寸較大，加工精度要求高 。 （二）按減速器級數(shù) （ 1）單級減速器 傳動比從 9～ 100左右，這種形式應用最普遍。 （ 2）雙級減速器 將兩個 K— H— V 型機構串聯(lián)，傳動比可以從幾十到一萬多，如果要傳動的傳動比比單級的大比雙級的小，可采用單級 K— H— V 機構傳動與一級定軸齒輪串聯(lián)或與 2K— H型機構串聯(lián)。 （三）按安裝類型 安裝類型有臥式和立式兩種。 少齒差行星減速器的設計 第 ５ 頁 共 37 頁 B． 2K— H 減速裝置 2K— H型減速裝置由兩對漸開線少齒差副組成，它們共同承擔減速任務，不需要其他的輸出機構，由內齒輪或齒輪軸直接輸出 ，由于這種減速裝置有兩個中心齒輪，因此他不屬于 K— H— V 傳動，而屬于 2K— H型雙嚙合正號機構傳動。 按其輸出機構不同可分為三類： a．外齒輪輸出 b．內齒輪輸出 c．錐齒少齒差減速裝置 2．漸開線少齒差行星減速裝置的傳動比計算 漸開線少齒差行星減速器裝置的一個重要特點就是傳動比范圍大，它的傳動比可以采用多種方法計算，例如直觀推算法、作圖法以及相對速度等方法求得。我們這里采用比 較簡單的相對速度計算方法計算單內嚙合的 K— H— V型，雙內嚙合的 2K— H型錐齒少齒差 減速裝置的傳動比。 — H— V 型（ N 型）減速裝置的傳動比計算 如圖 3 表示 K— H— V（ N型） 減速裝置的傳動原理，設行星外齒輪 1 的轉動角速度為ω 1，內齒輪 2 的轉動角速度為ω 2，高速轉臂（偏心軸）的轉動角速度為ω H。對行星的上述構件都加上一個角速度 ω H，則ω 1 變?yōu)?ω 1=ω 1ω H；ω 2=ω 2ω H，而ω H 變?yōu)?0，從而將行星輪系轉化為定軸輪系，可得： 圖 3 12Hi = 12HH??= 12HH??????= 21ZZ (1) 當內齒輪固定時的傳動比計算 少齒差行星減速器的設計 第 ６ 頁 共 37 頁 內齒輪固定即將 ω 2=0,高速軸（轉臂）輸入，行星外齒輪低速自轉輸出，計算傳動比為 1Hi ， 有 ： 12Hi = 12HH?? = 12HH??????=1 12?? 11 Hi?? 。 1 212 1 12111 ZZZZH H Zii ?? ?? ? 1 111 2 2 1Z Z Z ZH ZZi ? ?? (2) 從公式 2可以看出，為了獲得大的傳動比， 1Z 越大越好，內外齒數(shù)差越少越好，當 1Z 一定， 21ZZ =1 時傳動比最大，少齒差減速器可以按實際需要做成一、二、或三、四齒差形式，公式前的負號表示輸入軸與輸出軸轉速相反。 當內齒輪輸出時的傳動比計算 輸出軸固定，高速軸（轉臂）輸入，內齒輸出（圖 4）這時行星外齒輪輪徑只做平動， 不做轉動即ω 1=0，計算傳動比 2Hi 。 圖 4 12 21 H 2211 1 ZH HH Zii ????? ???? 2 1 2 1221 ZZZHi ??? ? , 2 221ZZH Zi ??? （ 3） 由公式（ 3）可以看出， 2Z 越大， 21Z Z? 越小，則獲得的傳動