第1章 緒論
1.1 引言
工作機依靠原動機輸入動力才能工作，但原動機的轉(zhuǎn)速（或速度）和運動形式比較單一，而工作機（包括執(zhí)行機構(gòu)）則需滿足多種工作要求。大多數(shù)情況下，工作機的轉(zhuǎn)速不等于原動機的轉(zhuǎn)速，運動形式也不相同。為此，必須在原動機和工作機之間，用傳動裝置（傳動）來協(xié)調(diào)。傳動的功用是：減速、增速或變速，同時改變力或力矩；改變運動形式；傳動還可以實現(xiàn)一個或多個原動機驅(qū)動若干相同或不相同速度的執(zhí)行機構(gòu)。傳動是機械的重要組成部分，機械的工作性能、可靠性、質(zhì)量和成本，在很大程度上取決于傳動裝置設(shè)計和制造的優(yōu)劣。
機械傳動是傳動的一種重要形式，齒輪傳動由于其恒功率輸出的特性，又是機械傳動的一種主要傳動形式，它具有速比范圍寬、功率范圍廣、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊可靠等一系列優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各種機械設(shè)備和儀器儀表中，也是現(xiàn)代機械產(chǎn)品的質(zhì)量，在一定程度上標志著機械工程技術(shù)的水平被公認為工業(yè)和工業(yè)化的象征。為此，國內(nèi)外對齒輪傳動的研究不斷深入。中所占比重最大的一種傳動形式。行星齒輪傳動的功率和速度范圍寬，應(yīng)用條件廣，一直倍受各國的企業(yè)家和學(xué)者的關(guān)注，也成為各國機械傳動方面的一個重點研究方向。漸開線齒輪行星傳動（周轉(zhuǎn)輪系）是一種具有動軸線的齒輪機構(gòu)，它是由一系列互相嚙合的漸開線齒輪所組成，并且在傳動時至少有一個齒輪的幾何軸線是繞另一個齒輪的固定幾何軸線回轉(zhuǎn)的。行星齒輪傳動與普通齒輪傳動相比，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動功率大、承載能力高、工作可靠、傳動效率高、傳動比大等一系列優(yōu)點。常被用作減速器、增速器、差速器和換向機構(gòu)以及其它特殊用途，是世界各國機械傳動發(fā)展的重點。己被廣泛用于航空發(fā)動機、輪船、汽車、電工機械、儀器及儀表、化工機械、輕工機械、冶金機械、農(nóng)業(yè)機械、紡織機械等許多領(lǐng)域。
三環(huán)式齒輪減速器是在普通行星減速器技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種新型傳動裝置，屬于少齒差行星齒輪傳動的范疇。本文所研究的同步帶為一級傳動的油膜浮動均載的兩級三環(huán)傳動是筆者為解決三環(huán)減速器在工作中存在著振動大、各環(huán)板的載荷不均勻系數(shù)大、溫升高及軸承壽命較短等實際問題而提出的一種新型三環(huán)減速器，本文的研究涉及到同步帶傳動理論、平面機構(gòu)平衡理論、少齒差傳動理論、行星傳動的均載原理、摩擦學(xué)原理、機械振動理論、非電量測試技術(shù)及信號處理原理等多個學(xué)科，下面對相關(guān)學(xué)科的發(fā)展概況作簡要的回顧和展望。
1.2 少齒差行星傳動及三環(huán)減速器的研究
行星傳動是把傳統(tǒng)的定軸齒輪傳動改為動軸傳動，采用功率分流并合理應(yīng)用內(nèi)嚙合，以及采用合理的均載裝置，使行星齒輪傳動具有許多顯著的優(yōu)點。少齒差行星傳動又是行星齒輪傳動中的一種，代表著行星傳動的一個發(fā)展方向。下面作一簡要回顧。
我國關(guān)于行星傳動的研究開始于50年代，工業(yè)化生產(chǎn)始于六十年代。少齒差傳動類型較多，按行星輪齒可劃分為：擺線少齒差傳動、漸開線少齒差傳動、圓弧少齒差傳動、活齒少齒差傳動和錐齒少齒差傳動五種類型。最早出現(xiàn)的是以外擺線作為行星輪齒的齒廓曲線的傳動方式，由于其中的一個齒輪采用針輪的形式，故稱擺線針輪行星齒輪傳動。它是一種應(yīng)用行星傳動及擺線針輪滾動嚙合原理的減速器，是少齒差傳動中應(yīng)用最廣泛、最基本的一種類型。漸開線少齒差傳動的原理與擺線少齒差傳動的原理基本相同，其區(qū)別在于：前者的內(nèi)、外齒輪的齒廓曲線為漸開線，而后者的齒廓曲線是外擺線。盡管漸開線齒輪結(jié)構(gòu)簡單、嚙合接觸應(yīng)力小，承載能力高，又可以采用軟齒面、加工容易、制造成本低，但由于齒輪幾何參數(shù)計算十分復(fù)雜，故未得到發(fā)展。直到60年代以后，隨著計算機技術(shù)的普及和應(yīng)用，漸開線少齒差傳動才得以迅速的發(fā)展。國外首先開展?jié)u開線少齒差傳動的研究，前蘇聯(lián)學(xué)者1953年在文獻中，研究了齒數(shù)差為l的漸開線內(nèi)嚙合的嚙合計算和加工問題，奠定了漸開線少齒差傳動的基礎(chǔ)，隨后，該作者又在文獻中討論了避免內(nèi)齒輪干涉的設(shè)計問題，解決了漸開線少齒差傳動發(fā)展中的難題。在我國，漸開線少齒差傳動的研制工作開始于50年代，1960年首臺二齒差漸開線少齒差齒輪減速器研制成功，并用于橋式起重機的提升機構(gòu)中。圓弧少齒差傳動的結(jié)構(gòu)形式與擺線少齒差傳動基本相同，其特點在于行星輪的齒廓曲線采用凹圓弧代替了擺線，輪齒與針輪在嚙合點的曲線方向相同并形成兩段凹凸圓弧的內(nèi)嚙合，且曲率半徑相差很小，從而提高了輪齒的接觸剛度和嚙合效率。這種傳動在日本己形成系列化生產(chǎn)，我國也有研制。活齒少齒差傳動是近十幾年來出現(xiàn)的新的少齒差傳動形式，其特點是固定齒圈上的齒形制成圓狐或其它曲線，行星輪上的各輪齒改用單個的活動構(gòu)件（如滾珠）代替，當主動偏心盤驅(qū)動時，它們將在輸出軸盤上的徑向槽孔中活動，該傳動的效率為0.86～0.87。錐齒少齒差傳動是采用一對少齒差的錐齒輪，以軸線運動的錐齒輪與另一固定錐齒輪嚙合產(chǎn)生擺動運動代替了原來行星輪的平面運動。另外還有雙曲柄輸入式少齒差傳動等形式。
本文所研制的兩級三環(huán)減速器屬漸開線少齒差傳動形式，有必要重點討論一下漸開線少齒差行星齒輪傳動。當漸開線內(nèi)嚙合圓柱齒輪副的內(nèi)齒輪和外齒輪齒數(shù)差很少時（一般為1～4個）所組成的行星齒輪機構(gòu)，稱為少齒差行星齒輪傳動。如圖1-l所示的K-H-V型（也稱N型）是其主要形式，K-H-V型傳動，其內(nèi)齒圈b固定，轉(zhuǎn)臂H是輸入軸。由于它的轉(zhuǎn)動和內(nèi)齒圈的限制，行星輪g作平面運動，即行星輪既繞內(nèi)齒圈軸線作圓周平移運動，又繞自身軸線作回轉(zhuǎn)運動，再用輸出機構(gòu)W把行星輪的回轉(zhuǎn)運動傳遞給輸出軸，從而起到減速作用。
理論分析和應(yīng)用實踐證明漸開線少齒差行星傳動具有下列優(yōu)點：1.結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕；2.傳動比大；3.運載平穩(wěn)、噪聲小、承載能力大；4.結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、成本低；5.輸入軸與輸出軸在同一軸線上，安裝和使用方便。同時，漸開線少齒差行星傳動還存在以下缺點：1.行星輪轉(zhuǎn)臂軸承受力較大，使用壽命較短；2.需要有輸出機構(gòu)，造成結(jié)構(gòu)的復(fù)雜；3.有些結(jié)構(gòu)需加平衡塊；4.傳動效率一般也不夠高。
在K-H-V型行星齒輪傳動基礎(chǔ)上，發(fā)展起來的RV傳動和雙曲柄式少齒差行星傳動機構(gòu)在工程上得到了較好地應(yīng)用。圖1-2所示為RV傳動原理圖。
它是由一級行星傳動部分和二級偏心差動式少齒差傳動部分組合而成的兩級減速傳動裝置。電機的高速回轉(zhuǎn)運動通過輸入齒輪軸上的直齒輪Z1和曲柄軸上的行星輪Z2的嚙合傳動實現(xiàn)第一級減速傳動。行星齒輪Z2通過曲軸H，使擺線針輪Za做偏心運動。當機殼固定時，擺線針輪Za。繞針輪一邊公轉(zhuǎn)一邊自轉(zhuǎn)，通過輸出圓盤（行星架）輸出其自轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)了第二級減速傳動。其傳動比的公式為：
RV傳動作為一種新型傳動，由于具有良好的動、靜態(tài)特性，對其進行的研究和應(yīng)用較為廣泛。雙曲柄式少齒差行星傳動則將輸入運動和輸出運動分別由中心輪和行星輪承擔，如圖1-3所示。該機構(gòu)一方面省取了輸出機構(gòu)W，避免了由輸出機構(gòu)所帶來的弊病，另一方面用一個平行四邊形機構(gòu)（雙曲柄）代替了轉(zhuǎn)臂H，設(shè)置了同步嚙合的定軸齒輪副，經(jīng)減速后再將運動輸送給少齒差輪系，這樣可獲得更大的速比，使機構(gòu)更為緊湊和有效；當總速比相同時，動軸上齒輪的轉(zhuǎn)速較低、運轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)、動載荷和噪音較小。
三環(huán)減速器就是應(yīng)用平行曲柄機構(gòu)的原理在普通行星減速器基礎(chǔ)上開發(fā)的一種新型傳動裝置，屬于少齒差行星齒輪傳動的范疇，它是能實現(xiàn)平行軸傳動的一種新穎實用的傳動形式，可在許多場合替代多級圓柱齒輪減速器傳動，效益明顯，有較大的發(fā)展前景。自我國首臺以雙曲柄機構(gòu)和少齒差行星傳動為原理的三環(huán)減速器于1985年在重慶專用機械制造公司問世以來，這種傳動在國內(nèi)發(fā)展比較快，出現(xiàn)了包括三環(huán)減速器在內(nèi)的多種結(jié)構(gòu)形式。1987年的國家發(fā)明專利“三環(huán)式減速（或增速）傳動裝置”提出了高速軸對稱或非對稱配置在低速軸齒圈一側(cè)或兩側(cè)、臥式或立式、動力源從一軸或多軸同時輸入的三環(huán)減速器，由于雙曲柄機構(gòu)死點位置的存在，在只有一個驅(qū)動轉(zhuǎn)臂的條件下，對稱型和偏置型三環(huán)傳動要求環(huán)板至少三塊。1989年的實用新型專利“浮動式齒差減速器”提出了一種外齒輪作圓周浮動帶動內(nèi)齒輪，由齒差作用，將動力傳到輸出軸的減速器。1990年的實用新型專利“雙曲柄單齒環(huán)少齒差行星減速器”提出了一種能克服死點的單齒環(huán)少齒差減速器，它由輸入軸和支承軸上的兩個傳動齒輪和輸出軸上的空套過橋齒輪嚙合實現(xiàn)輸入，克服死點。1992年的實用新型專利“雙曲柄雙齒環(huán)少齒差行星減速器”提出了環(huán)板的偏心距在同一軸上的相位差為180°的對稱型少齒差減速器，它由輸入軸和支承軸上的兩個傳動齒輪和輸出軸上的空套過橋齒輪嚙合實現(xiàn)輸入，克服死點，輸入軸和輸出軸可以同軸或不同軸。1992年三環(huán)減速器被列為國家級重點科技推廣項目。1998年的實用新型專利“全對稱平移連桿減速箱”提出了將環(huán)板對稱布置的同一軸上的偏心相位差為180°的對稱型少齒差減速器，雙曲柄機構(gòu)的死點采用帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動來克服。
由于三環(huán)減速器問世時間不長，在使用過程中存在振動、沖擊、發(fā)熱、軸承早期損壞等諸多問題，大大影響了其性能的發(fā)揮。因而，在功率較大時只能采用價格較昂貴的低速電機。三環(huán)減速器受力情況的好壞直接影響其產(chǎn)品性能，為此，許多學(xué)者除對三環(huán)傳動的傳動理論、傳動效率、裝配條件和功率分流等理論問題進行系統(tǒng)研究外，還重點對三環(huán)減速器的動力學(xué)進行了研究。在假設(shè)嚙合過程中每塊環(huán)板受力情況相同，嚙合力恒定或符合某一變化規(guī)律的前提下，文獻借助粗略的模型，按一般剛體力學(xué)方法對考慮重力、慣性力和嚙合力的環(huán)板的動態(tài)受力進行了分析；由于三環(huán)減速器機構(gòu)中存在虛約束，運動鏈不滿足靜定條件，用一般剛體力學(xué)方法無法對其精確求解的實際，文獻從平面連桿機構(gòu)組成原理出發(fā)，提出了考慮運動副的接觸變形和環(huán)板、軸的整體變形，并利用構(gòu)件剛性位移和運動副接觸變形建立了機構(gòu)的變形協(xié)調(diào)條件，從而建立和求解了有過約束三相并列雙曲柄三環(huán)減速器在瞬時嚙合力恒定和瞬時嚙合力不恒定的受力分析模型；文獻提出了考慮環(huán)板拉壓變形的變形協(xié)調(diào)條件，建立了三環(huán)減速器的受力平衡方程，得到其受力。由于其未考慮三環(huán)減速器輸入、輸出軸的變形，故其簡化計算過于粗略。考慮到輪齒過程中各構(gòu)件的變形，尤其是環(huán)板的拉壓變形和曲柄軸的彎曲變形是主要的變形形式這一事實，文獻提出了考慮環(huán)板的拉壓變形和曲柄軸的彎曲變形的變形協(xié)調(diào)方程，作為進行三環(huán)減速器力分析的補充方程。該文分別求解了對稱型、星型和偏置型三環(huán)減速器的受力情況，結(jié)果表明：在相同的傳動技術(shù)參數(shù)下，對稱型受力性能最佳。但由于該文將環(huán)板處理成等截面的圓柱桿，這與實際相差較大，影響了其計算精度。三環(huán)傳動的受力分析表明：在相同工況下，對稱型較偏置型三環(huán)減速器的力學(xué)性能要優(yōu)。
在三環(huán)減速器的設(shè)計中，文獻用有限元方法計算內(nèi)、外齒輪的接觸應(yīng)力和齒根彎曲應(yīng)力；文獻用有限元方法確定齒輪沿接觸線的載荷分配、齒向偏差和應(yīng)力等。文獻分析了刀具的類型和幾何尺寸對齒輪應(yīng)力大小的影響，指出：優(yōu)化刀具尺寸是減小齒輪應(yīng)力的重要手段。文獻 利用I-DEAS軟件對偏置型內(nèi)齒環(huán)板的應(yīng)力和變形進行了有限元計算，文獻還用該軟件對對稱型內(nèi)齒環(huán)板、外齒輪和偏心套的應(yīng)力和變形進行了有限元計算，計算結(jié)果表明：采用對稱布置的結(jié)構(gòu)方案可減小有內(nèi)齒輪嚙合力的彎、剪作用產(chǎn)生的應(yīng)力，改善三環(huán)減速器的工作條件。文獻運用有限元方法此對齒輪應(yīng)力進行了研究，在能量定理的基礎(chǔ)上，把有限元解法與傳統(tǒng)的分析方法有機地結(jié)合起來。
對三環(huán)減速器有關(guān)問題進行研究，找出產(chǎn)生振動和噪聲大、溫升較高的等制約三環(huán)減速器優(yōu)越性發(fā)揮的原因和影響因素，提出解決問題的方法和措施十分重要。研究表明，雙曲柄機構(gòu)死點位置對輸入軸和輸出軸產(chǎn)生的沖擊、和對齒輪副造成的沖擊以及嚙合沖擊是引起三環(huán)減速器振動和噪聲的三個主要激勵源；SHQ630型三環(huán)減速器的箱體和環(huán)板的振動分析和實驗研究，也得出環(huán)板過死點產(chǎn)生的沖擊力在箱體上產(chǎn)生的與嚙合力成正比的不平衡沖擊力偶是造成整機振動的根源，其研究結(jié)果還顯示，高速軸雙側(cè)布置較單側(cè)布置的振動要小。文獻提出“外界負載和環(huán)板平面運動產(chǎn)生的附加慣性力”和“輪齒間的擠油功率損耗”是三環(huán)減速器產(chǎn)生熱量的主要根源；文獻采用紅外熱成像技術(shù)對三環(huán)減速器箱體及環(huán)板的溫度場分布進行了測試分析，證明三環(huán)減速器支撐及環(huán)板高速軸軸承是主要的發(fā)熱源，其中，高速輸入軸發(fā)熱更為嚴重，振動和溫升均源于高速軸的惡劣承載條件，特別是過大的死點沖擊；文獻對三環(huán)減速器環(huán)板的振動進行了研究。由此可以得出結(jié)論：動態(tài)載荷是三環(huán)減速器振動、發(fā)熱和噪聲的產(chǎn)生根源。采取措施降低或消除它的影響對推廣三環(huán)減速器意義重大。文獻分析計算了三環(huán)減速器的擺動力和擺動力矩，揭示了三環(huán)減速器動力矩的不平衡性，并提出了平衡擺動力矩的方法。由于沖擊力與嚙合力成正比關(guān)系，而傳動中過程中各環(huán)板的上作用的實際嚙合力又不等，采用均載裝置，改善三環(huán)減速器的均載效果可達到減振的目的。文獻采用在SH175型三環(huán)減速器的輸出軸和其支承軸承之間加入聚四氟乙烯襯套的均載方式來提高均載效果，試驗樣機的理論分析和試驗結(jié)果表明：采用均載機構(gòu)能明顯地改善三環(huán)減速器載荷分配不均的問題，傳動平穩(wěn)性增強。改進型機（加上聚四氟乙烯襯套）的載荷分配不均勻系數(shù)較原型機（未加聚四氟乙烯襯套）有較大的降低。文獻提出了在SH145三環(huán)減速器的輸出軸軸承外圈和軸承座之間加裝彈性均載環(huán)的均載方案，試驗結(jié)果表明：加裝均載環(huán)后，三環(huán)減速器均載效果明顯。文獻將彈性均載環(huán)分別加裝在其設(shè)計的的兩級三環(huán)減速器HITSH145 的輸出軸和一級輸入軸的軸承外圈和軸承座孔之間，彈性均載環(huán)的變形實現(xiàn)了輸出軸和一級輸入軸上的外齒輪浮動，實現(xiàn)了三環(huán)減速器的均載，樣機實驗的測試結(jié)果顯示，HITSH145原型機（未加均載環(huán)）的載荷分配不均勻系數(shù)由1.314降低為改進型機（加上均載環(huán)）的1.073，均載效果顯著。另外，有些文獻還研究了三環(huán)減速器的多齒嚙合問題，少齒差內(nèi)嚙合傳動參數(shù)，彈性均載環(huán)的設(shè)計以及傳動性能實驗等諸多問題。
由于三環(huán)傳動是我國的發(fā)明，且研究的較為全面，國外尚未有有關(guān)文獻的報道。
盡管我國在三環(huán)減速器的研究方面取得了許多令人矚目的成果，但由于三環(huán)減速器的研發(fā)時間較短，對有些問題研究的還不夠深入，生產(chǎn)中存在的一些實際問題還未從根本上得到解決，制約了這種新裝置的推廣使用。我國開發(fā)的三環(huán)減速器的基本型結(jié)構(gòu)主要有兩種，一是兩高速軸對稱布置于輸出軸兩側(cè)的對稱型三環(huán)減速器，如圖1-4所示，另一種是兩高速軸布置于輸出軸同側(cè)的偏置型三環(huán)減速器。
三環(huán)減速器是以內(nèi)齒環(huán)板作為行星輪，并利用三相并列平行雙曲柄機構(gòu)來克服死點而傳遞動力的，而單相雙曲柄機構(gòu)的最大缺點就是存在死點位置，即當曲柄與連桿共線時，機構(gòu)處于運動不確定位置，此時傳動角為零，機構(gòu)無法運動。克服機構(gòu)死點的辦法主要有：1.雙曲柄軸動力同步輸入；2.多相并列雙曲柄機構(gòu)；3.多曲柄機構(gòu)。目前主要用的是采用多相并列雙曲柄機構(gòu)。在三環(huán)減速器的研究、設(shè)計和生產(chǎn)應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)其存在的主要問題表現(xiàn)在：
1.在三環(huán)減速器中，每個內(nèi)齒環(huán)板都相當于雙曲柄機構(gòu)中的連桿，由輸入軸帶動作高速曲線平動，慣性力和嚙合力呈周期性變化，使機構(gòu)產(chǎn)生沖擊和振動。
2.由于三個完全相同的內(nèi)齒環(huán)板并列地呈120°相位差運轉(zhuǎn)，慣性力理論上是平衡的，但是慣性力偶矩是不平衡的。尤其在中高速旋轉(zhuǎn)時，慣性力偶矩就成為三環(huán)減速器產(chǎn)生振動的重要激振源。三相互為120°相位差的雙曲柄機構(gòu)之間存在過約束和死點沖擊，由于其本身的原因以及制造安裝誤差導(dǎo)致了附加沖擊動載荷，引起機體振動和噪聲。
3.由于不可避免的制造和安裝誤差，以及零件受力變形，致使三個完全相同的內(nèi)齒環(huán)板工作時不能均勻受載，既增大了振動，又嚴重地影響其功率分流式結(jié)構(gòu)優(yōu)點的充分發(fā)揮。
從目前的理論分析、試驗研究的文獻和實際應(yīng)用都證實和發(fā)現(xiàn)，三環(huán)減速器振動普遍較大，并隨著原動機轉(zhuǎn)速提高、傳動比增大及功率增加而加劇，嚴重時可導(dǎo)致內(nèi)齒環(huán)板斷裂、軸承發(fā)熱失效，縮短了整機使用壽命，降低了三環(huán)減速器的優(yōu)越性，嚴重地影響三環(huán)減速器的實際推廣應(yīng)用。此外，對于功率較大的三環(huán)減速器，必須采用低速電機以降低其振動，這又增大了電機的成本。
上一頁
下一頁
