1 緒論
推桿減速器是一種以組合活齒為傳動構(gòu)件的活齒少齒差行星齒輪傳動裝置，是我國獨創(chuàng)的一種減速器，在1986年布魯塞爾尤里卡世界發(fā)明博覽會上榮獲最高一級騎士勛章，在第二屆全國發(fā)明展覽會上榮獲銀獎。推桿減速器拋棄了傳統(tǒng)的齒輪、蝸輪、針輪等結(jié)構(gòu)形式，采用推桿結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)正反兩個方向的減速或增速定比傳動，其結(jié)構(gòu)緊湊，傳動比范圍大，效率高，壽命長，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，維修方便。與擺線針輪減速器相比，又具有工藝簡單，價格低廉的優(yōu)點，是一種很有發(fā)展前景的減速器。
1.1推桿減速器研究狀況概述
l.1.1活齒傳動的研究狀況
推桿減速器屬于活齒傳動類機構(gòu)，因而與其它活齒傳動機構(gòu)有某些共同的特似之處。
活齒傳動一類機構(gòu)最突出的特點是省去了一般少齒差行星齒輪傳動機構(gòu)中必須采用的W運動輸出機構(gòu)，因而有效地克服了采用W運動輸出機構(gòu)給少齒差行星齒輪傳動帶來的激波器軸承壽命短的問題，并且傳動鏈也可得到顯著縮短，從而使得活齒傳動具有結(jié)構(gòu)緊湊，承載能力高，效率高等一系列優(yōu)點。并且活齒傳動沒有特別突出的薄弱環(huán)節(jié)，因而從它剛一出現(xiàn)，就引起了國內(nèi)外科技工作者的極大關(guān)注。
早在40年代，德國人就把活齒傳動技術(shù)應(yīng)用到汽車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)中了。70年代，國外開始了對活齒傳動新形式的積極開發(fā)，美國推出了“無齒齒輪傳動技術(shù)”，英國推出了“滑齒減速器”，蘇聯(lián)推出了“正弦滾珠傳動”。到了80年代，國際上對于活齒傳動的研究更加積極，日本、英國、聯(lián)邦德國、保加利嚴等國先后公布了一些有關(guān)活齒傳動的專利和發(fā)明，這表明在羅，活齒傳動的研究與應(yīng)用已形成了行星齒輪研究中一個非活躍的領(lǐng)域。
國內(nèi)對活齒傳動的研究雖然起步較晚，但經(jīng)過十幾年的努力，在理論研究和產(chǎn)品開發(fā)方面都取得了很大的成績，先后推出了多種專利技術(shù)，有些已形成了工業(yè)生產(chǎn)能力。1991年，機械電子工業(yè)部頒發(fā)了《滾柱活齒減速器》 行業(yè)標準，標志著我國活齒傳動的研究已取得階段性的成果，同時在國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物和全國學(xué)術(shù)會議上已有幾十篇有關(guān)活齒傳動的論文發(fā)表，有的還編入專著，表明已形成了較完整的活齒傳動理論體系。其中最有代表性的是“活齒傳動理論”一書，它系統(tǒng)的論述了由結(jié)構(gòu)理論、運動學(xué)理論和嚙合理論組成的研究活齒傳動的機構(gòu)學(xué)理論，利用活齒傳動的“齒形分析瞬時等效機構(gòu)法”和“活齒傳動的嚙合副結(jié)構(gòu)模型”分析了11種典型的活齒傳動結(jié)構(gòu)，是目前國內(nèi)公開發(fā)表的有關(guān)活齒傳動的最全面、系統(tǒng)、深入的研究成果。
1.1.2 推桿減速器的演化過程和擺桿減速器的提出
推桿減速器雖然和其它活齒傳動機構(gòu)在原理上基本相同，但由于采用獨特的推桿作為活齒構(gòu)件，所以機構(gòu)本身有它的特殊性。并且經(jīng)歷了若干次結(jié)構(gòu)上的更新，才發(fā)展成為目前這種已形成工業(yè)生產(chǎn)能力的結(jié)構(gòu)形式。
1976年日本公開的新型減速器專利有兩種結(jié)構(gòu)形式，分別如圖1.1和圖1.2所示
圖1.1為圓盤凸輪式，采用滾柱徑向滑槽式結(jié)構(gòu)，其目的是為了得到大的減速比及大的傳遞扭矩。顯然這種結(jié)構(gòu)由于滾柱系尖頂易磨損，降低了其承載能力。
圖1.2所示大圓柱凸輪式，由圓柱凸輪機構(gòu)完成滾柱推桿的往復(fù)運動，而滾柱推桿頂推其圓柱徑向分布圓盤作轉(zhuǎn)動，這種結(jié)構(gòu)同樣是靠點接觸傳遞動力，磨損及承載能力問題仍未能得到解決。
1979年，我國首次提出的推桿減速器結(jié)構(gòu)如圖1.3所示，這種結(jié)構(gòu)在推桿兩端增加了滾輪，雖然減小了尖頂磨損問題，但承載能力問題也沒能得到解決。
1985年，我國參加第十三屆日內(nèi)瓦世界發(fā)明展覽會的推桿針輪活齒減速器，吸收了日本專利兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，采用圓盤凸輪（由偏心滾動軸承代）及帶滾套的針齒組成的固定齒圈結(jié)構(gòu)，如圖1.4所示。此種減速器具有承載能力大，傳動比大，體積小，工藝性好，不需加工特種齒形的優(yōu)點。
為了進一步增大承載能力，解決磨損問題，又發(fā)展成為目前由解放軍7435工廠批量生產(chǎn)的這種推桿減速器結(jié)構(gòu)形式，如圖1.5所示。比起尖頂和圓柱接觸，它的受力情況得到了改善，同時，推桿兩端增加了滾柱，使其滾動摩擦比率增加，有利于改善磨損。生產(chǎn)實踐表明，推桿減速器有較強的競爭力，已顯示出廣闊的發(fā)展前景。
然而，事物并非都是完美無缺的，在推桿減速器中，在推桿減速器中，由于推桿與導(dǎo)槽之間所組成的嚙合副為移動副，其滑動摩擦的存在影響了推桿減速器嚙合效率的進一步提高以及大功率的實現(xiàn)。當然，合理選用潤滑油，合理選用與組成移動副相匹配的材料，以及對機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，可將摩擦減小到最低限度，但廣大科技工作者一直在尋求用轉(zhuǎn)動副來代替移動副的辦法。
由文獻提出的擺動活齒傳動機構(gòu)較好地解決了用轉(zhuǎn)動副來代替推桿與導(dǎo)槽之間所組成的移動副問題。擺動活齒傳動用擺動活齒代替移動活齒，即用擺桿代替推桿，從根本上解決了移動活齒嚙合副的磨損問題，有希望成為推桿減速器及各種活齒傳動機構(gòu)的更新?lián)Q代產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式。
l.1.3推桿減速器的理論研究現(xiàn)狀
推桿減速器結(jié)構(gòu)上的特殊性，決定了對其性能的分析和計算也與其它活齒傳動機構(gòu)不完全相同。下面將會看到，對于運動學(xué)及內(nèi)齒圈齒形的解算，只需將滾柱活齒減速器的計算公式稍作修改即可。但對于受力分析及效率計算就與其它活齒傳動機構(gòu)差別較大。從目前發(fā)表的文獻來看，系統(tǒng)研究推桿減速器的內(nèi)容并不太多。特別是對于多激波理論研究開展很少，僅見到雙激波的研究。
隨著計算機的普及和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，各種機械的CAD/CAM系統(tǒng)不斷出現(xiàn)，但用于推桿減速器的以CAD/CAM系統(tǒng)目前還沒有見到。用計算機來輔助優(yōu)化設(shè)計推桿減速器的工作還沒有獲得滿意的成果。為了對推桿減速器進行優(yōu)化設(shè)計，必須要有正確的好的數(shù)學(xué)模型。因而必須要對推桿減速器有完整的研究，對推桿減速器的受力狀況，承載能力情況以及各種材料參數(shù)對它們的影響要有細致的分析計算。
推桿減速器的發(fā)展方向主要是朝著產(chǎn)品系列化，規(guī)格化，以及大功率的方向發(fā)展。
1.2推桿減速器的生產(chǎn)狀況及存在問題
解放軍7435工廠是批量生產(chǎn)推桿減速器的大型廠家，積累了豐富的推桿減速器生產(chǎn)經(jīng)驗，該廠從1986年試制，1987年批量生產(chǎn)，至今產(chǎn)品已有5種型號60多種規(guī)格，單級傳動比從10到60，傳動功率從0.3KW到20KW，產(chǎn)品銷售國內(nèi)外，獲得了顯著的社會和經(jīng)濟效益。其產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于糧食食品、輕工、化工、塑料紡織、礦山、起重運輸、印刷、造紙等領(lǐng)域的減速裝置中。
在生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)推桿減速器還存在一些問題有待解決。其中最主要的問題是推桿磨損問題和內(nèi)齒圈齒廓的測量方法問題。
7435工廠胡天明等在文獻中指出了推桿減速器存在的兩點問題：一是推桿兩側(cè)磨損較嚴重，二是在超載情況下偏心滾珠軸承外圈接觸疲勞破壞問題。推桿磨損的問題可以從不同的路線研究，其一是選擇合適的潤滑油及組成移動副相匹配的材料，以期減小摩擦力，提高耐磨力；另一個是從推桿減速器的原理（運動學(xué)、動力學(xué)性能）入手，力求改進推桿受力狀況，減小造成激烈磨損的根本原因。對于推桿減速器內(nèi)齒圈齒廓的加工，目前使用的是用機械加具進行范成加工的方法。生產(chǎn)中是靠分別測量內(nèi)齒圈外徑至齒根的厚度及齒頂?shù)暮穸葋砉烙嫳患庸ち慵暮细衽c否，缺乏正確的測量手段。
為了提高產(chǎn)品質(zhì)量和市場競爭能力，也為了二炮裝備改革的需要，從1993年初開始，在二炮特管部的領(lǐng)導(dǎo)下，由7435 工廠和我們聯(lián)合組成了“推桿減速器改造工程”課程組，主要任務(wù)是：
（1）利用計算機對推桿減速器進行優(yōu)化設(shè)計，改善產(chǎn)品性能，減小推桿磨損問題。
（2）研究一種能用于生產(chǎn)實際的內(nèi)齒圈齒廓測量方法。
（3）研究內(nèi)齒圈齒廓的數(shù)控加工。
（4）研制一個專用的推桿減速器CAD/CAM系統(tǒng)。
（5）開發(fā)新結(jié)構(gòu)，研制性能更好的新型減速器，研究大功率減速器的生產(chǎn)。
1.3本文的主要工作
為了解決推桿減速器生產(chǎn)中存在的實際問題，完成“推桿減速器改造工程”中的各項任務(wù)，必須要對推桿減速器的傳動性能進行全面的分析。盡管目前在活齒傳動方面的研究成果較多，但由于推桿減速器具有自己的特殊性，在很多問題上不能照搬這些結(jié)論。對于新型擺桿減速器，文獻只提出了一般結(jié)構(gòu)方案，重點分析了擺動活齒的特例——偏心滾子活齒傳動。要使提出的結(jié)構(gòu)變?yōu)閷嶋H產(chǎn)品，不僅要在理論上作深入、細致的分析、計算，還要經(jīng)過反復(fù)的實際試制及驗證。
本文對推桿減速器進行了全面的分析，形成了一套較完整的推桿減速器理論體系，本文主要完成了以下新的工作：
（1）找出了推桿內(nèi)外滾子工作角之間的關(guān)系，并以此來分析內(nèi)齒圈的齒廓曲線及機構(gòu)傳動特性，形成一套獨特的推桿減速器分析方法，與傳統(tǒng)的包絡(luò)法相比，具有概念清晰、所得公式簡練的特點。是分析研究多激波推桿減速器的有力工具。
（2）考慮了慣性力的影響，嚴格按效率定義推導(dǎo)出了較為精確的機構(gòu)總體效率計算公式，運用計算機技術(shù)，采用大量離散點數(shù)值計算和理論分析相結(jié)合的方法來進行效率、強度計算的研究。
（3）提出了易于在數(shù)控加工中實現(xiàn)的齒廓分段修形法，使經(jīng)過修形后的齒廓能夠達到較理想的修形狀態(tài)。
（4）提出了在內(nèi)齒圈齒廓加工中，利用公法線誤差來分析計算加工調(diào)整參數(shù)誤差的方法，較好地解決了目前工廠生產(chǎn)中的實際問題。
（5）應(yīng)用本文所研究的數(shù)學(xué)模型，對推桿減速器進行了優(yōu)化設(shè)計，達到了較理想的效果。
（6）設(shè)計并實現(xiàn)了推桿減速器cAD系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用現(xiàn)有的AutoCAD/12.0 軟件進行工程繪圖，并對其進行了二次開發(fā)。組建了推桿減速器的工程數(shù)據(jù)庫，采取了一系列相關(guān)的算法加速動態(tài)圖形顯示的速度，并實現(xiàn)了直接用普通微機來控制數(shù)控擂齒機床。
（7）給出了按純滾動原則設(shè)計非圓行星齒輪傳動機構(gòu)的方法、步驟，得到了相鄰兩行星輪中心角在傳動中會發(fā)生變化的結(jié)論，證明了按傳動比固定原則設(shè)計的活齒傳動機構(gòu)都不可能做成各運動副都是純滾動的。而純滾動的非圓行星傳動機構(gòu)適合于制作液壓馬達。
（8）系統(tǒng)地進行了新型擺桿減速器的運動學(xué)、齒廓形成及傳動特性分析，并討論了效率計算，強度校核以及內(nèi)齒圈齒廓的公法線測量等理論問題。
（9）設(shè)計并制造出了一臺新型擺桿減速器樣機，證明了理論分析的正確性，為新型擺桿減速器形成產(chǎn)品打下了基礎(chǔ)。
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