減速器的分類創(chuàng)新研究_圖文

1、第47卷第7期2011年4月機(jī)械工程學(xué)報JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERINGVol.47 No.7Apr. 2011減速器的分類創(chuàng)新研究*梁錫昌1呂宏展1, 2(1. 重慶大學(xué)機(jī)械傳動國家重點實驗室重慶 400044;2. 中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所寧波 315201摘要:針對目前裝備領(lǐng)域?qū)Ω黝悳p速裝置的特殊要求,為系統(tǒng)高效地開發(fā)出適合特殊需要的各種減速裝置,對減速器發(fā)展的歷史沿革進(jìn)行研究,從結(jié)構(gòu)上系統(tǒng)地對各類減速器進(jìn)行新的類別歸屬。從創(chuàng)新思維的角度提出對基于運動學(xué)、動力學(xué)、結(jié)構(gòu)學(xué)等方面對減速器的減速器原理分為四類的新方法。并對基于斜面逆螺旋減速器原理、圓

2、周游標(biāo)減速器原理、柔輪變形和工質(zhì)變性減速原理的各類減速器特點、存在問題進(jìn)行分析。同時,結(jié)合工程實際和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω黝愄厥鉁p速器進(jìn)行創(chuàng)新思維來源探索和創(chuàng)新實踐分析。結(jié)果表明,按照新的分類方法對各種減速器創(chuàng)新的系統(tǒng)化分類研究,可以多角度地為各類減速器縱向創(chuàng)新研究和工程需求提供新的思路,也便于為不同類別減速裝置的減速特點進(jìn)行橫向?qū)Ρ妊芯?。關(guān)鍵詞:減速器創(chuàng)新系統(tǒng)化分類解決方案中圖分類號:TG457.23Research on Categorizing Innovation of Speed ReducersLIANG Xichang1 L Hongzhan1, 2(1. State Key Labora

3、tory of Mechanical Transmissions, Chongqing University, Chongqing 400044;2. Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering, Chinese Academy of Sciences, Ningbo 315201Abstract:Targeted at the special requirements of various speed reduction devices in the equipment field, in order to systema

4、tically and efficiently develop a variety of speed reduction devices for special needs, the historical development of speed reducers are investigated and structurally innovative characteristic and rules are categorized systematically. A new research method is advanced from the perspective of creativ

5、e thinking, which divided speed reducers into four categories based on the kinematics, dynamics and structural theory. Meanwhile, innovative thinking sources exploration and innovative practice analysis are implemented by research on problems with a variety of speed reducers and engineering practice

6、s which combined with such speed reduction principles as reverse spiral bevel, circle venire, fleshliness deformation and functional material. The results indicate that the systematic classification research on speed reducers innovation can provide some comprehensive and novel thinking for the futur

7、e speed reducers research and application and also facilitate horizontal comparison study on different categories of speed reducer devices. Key words:Speed reducers Innovation Systematic Categorizing Solutions0 前言在機(jī)械傳動領(lǐng)域,減速器作為連接動力源和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的中間裝置,其發(fā)展已經(jīng)有幾千年的歷史沿革。我國最早有史書記載的具有齒輪傳動機(jī)構(gòu)的裝置出現(xiàn)在西漢,晉代西京雜記記載有:“司南車

8、,駕四,中道”1,即指南車,IFTOMM齒輪重慶市科技攻關(guān)計劃資助項目(CSTC, 2008AB3037。20100516收到初稿, 20101215收到修改稿委員會主席,著名齒輪專家DUDLEY譽(yù)之為“古代齒輪技術(shù)的里程碑”2,這也是具有文字可考最早的齒輪減速機(jī)構(gòu),也是今天各種減速裝置的雛形。減速器的發(fā)展已有數(shù)百年的歷史,已經(jīng)發(fā)展出多種形式的減速器,對于裝備產(chǎn)業(yè)作出了重要貢獻(xiàn)。目前面臨的任務(wù)是,繼續(xù)推動減速器的創(chuàng)新發(fā)展。如何才能全面推動減速器的創(chuàng)新?筆者認(rèn)為,首先應(yīng)研究工程實際應(yīng)用的需求,目前需求有大傳動比減速器、高功率密度減速器、高精度減速器、低噪聲減速器、超大功率減速器、微型減速器、直徑

9、限機(jī)械工程學(xué)報第47卷第7期2制減速器和質(zhì)量限制減速器等。迄今為止,這些問題均未能很好地解決。近半個世紀(jì)以來,現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)促進(jìn)了減速器設(shè)計方法3、誤差分析4、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、接觸分析、動態(tài)性能等研究的發(fā)展,但在結(jié)構(gòu)及傳動原理上,發(fā)展緩慢。本文結(jié)合創(chuàng)新實踐和工程實際,對目前成熟減速器、推廣減速器及在研減速器的輸入原理、減速原理和輸出原理進(jìn)行了系統(tǒng)研究,探索新一代減速器的創(chuàng)新體系和方法,為減速器的后續(xù)研究提供借鑒。1 減速裝置的系統(tǒng)分類從減速器的發(fā)展水平來看,目前已有多種減速器產(chǎn)品,如下表所示。已經(jīng)成熟并已標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品有:圓柱齒輪減速器、蝸輪減速器、行星齒輪減速器、擺線針輪減速器5和諧波減速器6等;已

10、經(jīng)提出并正在推廣的產(chǎn)品有:三環(huán)減速器、活齒減速器等;近年來提出并申請專利的有:濾波減速器7-8、激波減速器9、旋轉(zhuǎn)作動器10、純滾動減速器11和等效橢圓諧波減速器12等?？傮w來講,在新興產(chǎn)業(yè)如航空航天、機(jī)器人、醫(yī)療器械等發(fā)展的需求下,需要創(chuàng)新結(jié)構(gòu)簡單緊湊、傳遞功率大、噪聲低、傳動平穩(wěn)的高性能減速器。圖1中,從結(jié)構(gòu)上將減速器分為三大類:定軸傳動、偏心驅(qū)動、斜面放大,基于這些分類,縱向地從創(chuàng)新思維的角度提出四種減速器的創(chuàng)新思維方法,部分已申請中國發(fā)明專利,本文將其中的典型創(chuàng)新進(jìn)行探討分析,以期為讀者提供借鑒。表各類減速器系統(tǒng)比較序號減速原理舉例技術(shù)成熟度/市場細(xì)分優(yōu)缺點1 一般齒比減速圓柱齒輪減速

11、傳統(tǒng)/成熟/占據(jù)主要市場減速比不大,體積較大擺線針輪減速器很成熟/中比范圍占據(jù)主要市場制造工藝復(fù)雜,制造精度要求高三環(huán)減速器正在試推廣階段/市場份額很小沖擊噪聲大,安裝調(diào)整要求高2 少齒差減速二環(huán)減速器技術(shù)不成熟/試向市場推廣結(jié)構(gòu)簡單、速比范圍寬,傳遞功率不能太大3 三齒輪減速行星減速器技術(shù)較成熟減速零件多,徑向尺寸大4 諧波減速諧波減速器技術(shù)成熟,結(jié)構(gòu)尚需完善/占據(jù)高端市場結(jié)構(gòu)緊湊,速比范圍大,工藝復(fù)雜,成本高5 斜面減速螺旋作動器研究階段/待推向市場結(jié)構(gòu)緊湊,功率密度高,不適用于全轉(zhuǎn)動6 活齒減速活齒減速器尚存在關(guān)鍵技術(shù)問題待突破/市場上尚無結(jié)構(gòu)緊湊,減速輸出機(jī)構(gòu)集成,易發(fā)熱7 工質(zhì)變性磁

12、觸變無級變速器研究階段/市場尚無振動小、噪聲低、無級變速 圖1 減速器的系統(tǒng)分類2 基于斜面逆螺旋的創(chuàng)新2.1高功率密度特種傳動減速器傳統(tǒng)的斜面螺旋對力的放大是通過連續(xù)旋轉(zhuǎn)的斜面將沿斜面運動的圓周力在其正交方向放大,從而將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動,最典型的應(yīng)用是滾珠絲桿和蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)。梁錫昌等13-14在承擔(dān)某型飛機(jī)研制的課題中,對基于斜面放大原理的直線運動-旋轉(zhuǎn)運動的逆螺旋機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究,研制出了飛機(jī)機(jī)翼旋轉(zhuǎn)或折疊作動器,并申請了發(fā)明專利,其原理及實物如圖2所示。 圖2 斜面螺旋原理及實物圖2中,F f是來自動力源螺桿的推力,F t是大升角運動放大后螺旋套的圓周力,v t是螺桿的運動速度,v是

13、螺旋套的圓周線速度,v s是鋼球沿螺旋槽運動速度。其運動關(guān)系如下v r= (12011年4月 梁錫昌等:減速器的分類創(chuàng)新研究3t tan tan v v r = (2s cos v v = (3 式中,是螺旋套的輸出角速度,是螺旋槽升角,r 是作動器旋轉(zhuǎn)半徑。本機(jī)構(gòu)的動力參數(shù)如下 tan M rP = (4220(4F D d p = (5t tan F P = (6 式中,M 是螺旋套輸出轉(zhuǎn)矩,F 是螺桿的軸向推力,p 0是液壓力,D 、d 分別為液壓缸結(jié)構(gòu)參數(shù),F t 是螺旋套上均布圓周力,是作動器的工作效率。其樣機(jī)如圖3所示,分別是機(jī)翼旋轉(zhuǎn)或折疊作動器(M p =2 kN m和驅(qū)動內(nèi)置式

14、高功率密度艦船舵機(jī)15(M s =75 kN m,本減速器的特點是:結(jié)構(gòu)緊湊、受載均勻、功率密度高、傳動鏈短、傳動平穩(wěn)、噪聲低,通過大升角螺旋的放大,將直線運動轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)動。 圖3 高功率密度特種減速器樣機(jī)2.2 逆螺旋機(jī)器人關(guān)節(jié)與通用減速器相比,機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器要求具 有傳動鏈短、體積小,功率大,質(zhì)量小,易于控制等特點。綜合斜面原理減速器的優(yōu)點,在國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃的支持下,梁錫昌 等16-17設(shè)計完成了基于逆滾動螺旋結(jié)構(gòu)的機(jī)器人系列關(guān)節(jié)的創(chuàng)新研究,如圖4所示。 圖4 機(jī)器人關(guān)節(jié)逆螺旋特種傳動機(jī)構(gòu)為今后的高功率密度,低噪聲、低能耗的特種減速器的開發(fā)提供了新的思路,通過控制螺旋升

15、角和機(jī)構(gòu)徑向尺寸實現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩的放大,在目前的各類通用減速器中,功率密度最大。另外,基于這種斜面減速原理,又設(shè)計出一種轉(zhuǎn)-直-轉(zhuǎn)型螺旋減速器18,它可以實現(xiàn)全轉(zhuǎn)動。3 偏心驅(qū)動的圓周游標(biāo)減速原理創(chuàng)新圓周游標(biāo)減速原理是利用具有相對運動的、存在度量差的兩運動件的微差累積來實現(xiàn)減速器的力矩放大和低速輸出。為便于系統(tǒng)化研究,把具有少齒差轉(zhuǎn)動特征的各類減速器,都可歸結(jié)為圓周游標(biāo)減速傳動。但是,目前的各類通用少齒差減速器又不同程度的存在一些問題。為此,對圓周游標(biāo)傳動原理的減速器進(jìn)行了系統(tǒng)化理論和實踐研究。 3.1 純滾動減速器 赫茲理論所給出的接觸應(yīng)力計算公式是沒有考慮摩擦力的,宋樂民19認(rèn)為,把齒面摩擦因

16、數(shù)減少一半,點蝕極限負(fù)荷可以提高4倍,純滾動減速器的創(chuàng)新思維來源于漸開線少齒差行星傳動中嚙合滑動摩擦問題。研究表明,輪齒間的相對滑動再加上輪齒間的摩擦作用是影響齒面接觸疲勞強(qiáng)度的重要因素20-22。一對內(nèi)嚙合齒輪副如圖5所示,B 是內(nèi)齒輪2與外齒輪1理論嚙合線N 1N 2上任意一點,v B 2和v B 1分別是兩齒輪在點B 處的絕對線速度,由齒輪接觸條件和相對運動理論,v B 2和v B 1在嚙合線N 1N 2上的投影必須相等,即 1122cos cos B B B B v v = (7在嚙合點B 兩輪齒間的相對移動速度為 121122sin sin B B B B B v v v = (8圖

17、5 輪齒嚙合運動分析一對嚙合輪齒間的這種相對移動的存在,對齒輪的齒面接觸疲勞強(qiáng)度、潤滑摩擦情況、轉(zhuǎn)速性能、降噪等在一定程度上都有很大的影響。為了消除少齒差行星傳動內(nèi)嚙合副間的相對移動摩擦對減速器性能的影響,梁錫昌等11發(fā)明設(shè)計了純滾動減速 器,工作截面圖如圖6所示。輪齒的齒形采用具有標(biāo)準(zhǔn)壓力角的漸開線齒形,在內(nèi)齒輪1與外齒輪3之間通過彈性隔離套4將齒輪滾柱2均勻圓周布置。這樣,嚙合過程中兩輪齒之間v B 12產(chǎn)生的滑動摩擦就轉(zhuǎn)換為與齒輪滾柱之間的滾動摩擦,彈性隔離套補(bǔ)償齒輪滾柱產(chǎn)生的機(jī) 械 工 程 學(xué) 報 第47卷第7期 4圖6 純滾動減速器1. 內(nèi)齒輪2. 滾柱3. 外齒輪4. 彈性隔離套位

18、移量,輪齒脫離嚙合后,彈性隔離套復(fù)位,滾柱回到原來位置,準(zhǔn)備下一個循環(huán)。若內(nèi)齒輪固定,則其單級傳動比121(i z z z = (9式中,z 1,z 2分別為外齒輪3和內(nèi)齒輪1的齒數(shù)。 按照計入摩擦后工程應(yīng)用中輪齒表面接觸疲勞應(yīng)力計算方法23,則純滾動減速器齒面接觸疲勞強(qiáng)度滿足E HH Z Z (10 式中,f 為純滾動減速器的齒面和齒輪滾柱間的滾動摩擦因數(shù);Z E 為齒面和滾柱間的彈性系數(shù);Z H 是純滾動嚙合系數(shù);T i 為輸入轉(zhuǎn)矩;K 為載荷系數(shù);u 是齒數(shù)比;d 是齒寬系數(shù);為壓力角。 純滾動減速器是基于圓周游標(biāo)減速原理的一類在改變輪齒間的力的作用狀態(tài)的一種創(chuàng)新,它保留了少齒差行星傳動

19、的結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點,回差小,精度高,使輪齒在齒面接觸疲勞強(qiáng)度上有了改進(jìn),提高了效率。 3.2 通用減速器多年來,在少齒差行星傳動的研究中,動力輸出一直是困擾少齒差行星減速器發(fā)展的一個瓶頸,機(jī)械設(shè)計手冊中介紹的兩種2K-H 型傳動方式,在傳動原理上是正確的,但在傳遞動力上是很難實現(xiàn)的,它直接將負(fù)載的反作用力通過雙聯(lián)齒輪作用于第一級的輸入端,這在根本上違背了減速器動力放大逐級傳遞的原則,在做濾波減速器試驗時在效率分析中,發(fā)現(xiàn)了這一問題。一些專著中提出了幾種輸出機(jī)構(gòu),但沒有得到大規(guī)模推廣應(yīng)用。擺線針輪減速器使用了銷軸式輸出機(jī)構(gòu),它繼承了K-H-V 型減速器的大速比、緊湊的優(yōu)點,但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造精度高

20、、工藝復(fù)雜;三環(huán)減速器24是近幾年發(fā)展起來的一種新型的少齒差環(huán)板式減速器,它將輸出機(jī)構(gòu)進(jìn)行了變異,形成了一種曲柄連桿式的新輸出機(jī)構(gòu),但其加工、安裝、調(diào)整要求高,振動沖擊噪聲大;活齒傳動利用活齒的徑向運動濾去了行星輪的平動而將運動和動力輸出。通用減速器是基于圓周游標(biāo)減速原理在動力輸出與分配方面的創(chuàng)新,它克服了機(jī)械設(shè)計手冊中少齒差行星傳動中動力不能輸出、傳動效率低的缺點,巧妙的設(shè)計了一種同步機(jī)構(gòu),通過同步器z 1z 2的運動濾波及反作用載荷承受,將動力穩(wěn)定輸出,其結(jié)構(gòu)如圖7所示。其單級傳動比334i z z z = (11 式中,z 3,z 4分別為輸出齒輪3和行星輪4的齒數(shù),方向同輸入轉(zhuǎn)速方向。

21、圖7 通用減速器結(jié)構(gòu)及實物z 1,z 2同步器 z 3輸出軸 z 4行星輪通用減速器在輸入端應(yīng)用一同步機(jī)構(gòu)將行星輪的平動進(jìn)行濾波及卸載,同時實現(xiàn)了運動的傳遞和動力的平穩(wěn)輸出,從根本上解決了濾波減速器中因負(fù)載反作用力造成的嚙合紊亂,動力不能傳遞的問題。其優(yōu)點是,速比范圍寬、結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力大、質(zhì)量輕、效率高、制造裝配成本低,最簡單的只有4個零件。這是圓周游標(biāo)減速器原理一類減速器的穩(wěn)定動力輸出方式的創(chuàng)新,并申請了中國發(fā)明專利25。4 基于柔輪變形的創(chuàng)新諧波減速器是柔輪傳動的典型,近幾年,國內(nèi)外學(xué)者對諧波減速器的研究比較多,并取得了一些成果26-27。但是,諧波減速器又存在以下問題:長筒的杯形柔輪

22、使諧波減速器軸向尺寸、柔輪嚙合的不確定性增加;短筒杯形柔輪的變形力和應(yīng)力隨著筒長的減小而急劇增加;非純滾動接觸等問題?；诒稳彷喌淖冃渭按嬖诘膯栴},對諧波減速器的激波器、杯形柔輪進(jìn)行了研究,使柔輪和輸出機(jī)構(gòu)分開工作,其結(jié)構(gòu)及輸入輸出如圖8所示:在輸入端,等效橢圓諧波減速器用標(biāo)準(zhǔn)軸承3、4在凸輪上對稱布置(圖8b,形成新的激波器;在中間機(jī)構(gòu)柔輪上,將杯形柔輪變成直筒形;在輸出端,同樣采用標(biāo)準(zhǔn)軸承8、9對稱布置。2011年4月梁錫昌等:減速器的分類創(chuàng)新研究 5圖8 等效橢圓諧波減速器1. 輸入軸2. 左蓋 3, 4. 滾動軸承 5. 剛輪 6. 輸出圓柱內(nèi)齒輪7. 柔輪8, 9. 滾動軸承 10

23、. 右蓋 11. 輸出軸 12. 機(jī)殼等效橢圓諧波減速器的這種傳動結(jié)構(gòu)的改變,縮短了傳統(tǒng)諧波減速器的軸向尺寸,消除了柔輪的變形對其應(yīng)力的影響,提高了柔輪的壽命和輪齒嚙合效率;在制造工藝上,使直筒柔輪的制造成本降低、精度提高;在裝配上,應(yīng)用軸承標(biāo)準(zhǔn)件,降低了生產(chǎn)成本,提高了效率。此外,根據(jù)需要,可以通過均布軸承標(biāo)準(zhǔn)件的個數(shù),形成多次激波。5 基于工質(zhì)變性的創(chuàng)新基于工質(zhì)變性的減速器創(chuàng)新是新型功能材料在傳動領(lǐng)域應(yīng)用的典型,也是應(yīng)用新材料的性能進(jìn)行無齒傳動研究一次嘗試。目前,功能材料作為傳動介質(zhì)研究比較多的有電流變材料、磁流變材料、磁致伸縮材料等。主要進(jìn)行了磁流變材料的研究與應(yīng)用。磁流變傳動原理上利用

24、磁流變體材料的剪切式工作模型如圖9,在輸入轉(zhuǎn)子1和輸出轉(zhuǎn)子2之間填充磁流變材料3,當(dāng)輸入轉(zhuǎn)子1在外力F的作用下,通過電流控制的磁場強(qiáng)度B改變磁膠的流變性,使之在毫秒間由觸變狀態(tài)變成固體或類固體,在克服剪切屈服強(qiáng)度后,帶動從動轉(zhuǎn)子輸出,通過電流的調(diào)控實現(xiàn)自動控制和無級變速。 圖9 磁流變工質(zhì)變性傳動原理1. 輸入轉(zhuǎn)子2. 輸出轉(zhuǎn)子3. 磁流變體2002年,梁錫昌等28就開始了磁流變無級變速器的研究,由于磁流變液的化學(xué)物理性質(zhì)久置后不穩(wěn)定,影響了磁流變功能材料在機(jī)械工程中的應(yīng)用,發(fā)明設(shè)計了磁膠,它從根本上解決了磁粉、磁流變液的銹蝕、沉降團(tuán)聚等問題,磁性能優(yōu)越,傳遞力矩大,為新一代傳動及減振器件的開

25、發(fā)提供了新的思路,尤其用于機(jī)器人柔性指關(guān)節(jié)、汽車三器(剎車器、離合器、減振器方面的研究,并申請了多項中國發(fā)明專利29-33。6 結(jié)論(1 基于斜面逆螺旋減速器是高功率密度、低噪聲、大力矩應(yīng)用場合的首選,已由只有液壓直線驅(qū)動的作動器機(jī)構(gòu)發(fā)展到轉(zhuǎn)直轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的電動機(jī)驅(qū)動大力矩減速機(jī)構(gòu),并應(yīng)用于400 kNm船舶舵機(jī)。(2 基于圓周游標(biāo)減速器原理是將少齒差各形式減速器的系統(tǒng)化歸納,通用減速器解決了2K-H傳動原理中負(fù)載反作用力造成的運動紊亂而不能傳遞動力的問題,是目前最簡單的大速比范圍減速器,已應(yīng)用于某油田的采油設(shè)備中。(3 基于柔輪變形的等效橢圓諧波減速器,使諧波減速器的動力性能提高,壽命延長,制造工

26、藝成本降低。(4 基于工質(zhì)變性的減速裝置是新一代無齒傳動發(fā)展的新領(lǐng)域,將新型功能材料和機(jī)械相結(jié)合,在重慶大學(xué)機(jī)械傳動國家重點實驗室的減速器性能試驗中,效果明顯,是減速器系統(tǒng)化創(chuàng)新的新思路。參考文獻(xiàn)1 劉仙洲. 中國機(jī)械工程發(fā)明史第一編M. 北京:科學(xué)出版社,1962.LIU Xianzhou. Innovation history of Chinese mechanicalengineering (Part IM. Beijing:Scientific Press,1962.2 梁桂明. 齒輪技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展J.中國工程科學(xué),2000,2(3:1-6.LIANG Guiming. Innova

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