CN101135358A - 啮合面可调行星轮减速器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传动机械技术领域，是“星轮减速器”的改进，一种啮合面可调行星减速器。其特征在于：①机座为一个均匀薄壁圆筒，其外缘均布加强(散热)筋，并且筋延伸至两侧底脚，机座壁厚δ≈0.04(3D+B)^0.774；②机座输入端联接内齿轮，输出端为一个用来支承输出轴的轴承孔；③齿轮的啮合面可定期更换，使原设计使用寿命至少提高一倍；④用凹－凸接触导轨式浮动盘代替平－凸浮动盘。本发明完全取代弗兰德公司硬齿面，取代NGW行星及星轮减速器。本发明比星轮减速器结构简单，重量轻25－35％，效率为1～2.5百分率，齿面不必氮化处理，装拆方便及制造成本低廉。

Description

啮合面可调行星轮减速器

本发明涉及传动机械领域，是发明专利“一种少齿差齿轮副及其传动结构”与“星轮减速器”的重大改进，一种啮合面可调行星轮减速器，一种在输出转向不变情况下可以改变齿轮啮合面的行星轮减速器，从而将原设计使用寿命至少提高一倍。

[背景技术]

(1)一种少齿差齿轮副及其传动机构(ZL89104790)：是国际著名齿轮专家某教授ZY系列减速机发明创造中的核心技术，一种NN型双层齿轮双啮合少齿差行星传动(美国发明专利5232412)的改进，据称其技术居世界第一。该发明充分证明了软齿面渐开线少齿差具有：多齿啮合传动平稳承载力大、效率高及噪音低等优点。本发明的不足之处在于：①双层环形齿轮结构工艺难度较大；②环形齿轮刚性较差不利于改善齿向载荷均匀分布；③双层环形结构不利于散热而影响热功率；④双层齿轮NN传动必须前置一级减速，这是因为单偏心动平衡不易做得好，前置减速会使结构复杂；⑤双层环形结构使径向尺寸增大；⑥双层齿轮双啮合可减少行星轴承负荷，但会因此增加其他构件的制造成本。

(2)发明专利“星轮减速器”：根据渐开线少齿差减速器的改进而来的：销轴式W机构中柱销改为四只双偏心轴。这种结构出现在日本RV工业机器人减速器中，RV为三只双偏心轴。据“星轮减速器JB/T8712-98标准”：最大使用功率2000KW，输出扭矩103万Nm，齿面硬度HV500，单级效率0.95。星轮减速器再次证明了渐开线少齿差具有适用大功率、承载能力大及效率高等优点。星轮减速器的主要缺点在于：(1)在输出转向不变情况下不能更换齿轮啮合面；(2)内齿圈刚性差及输出机构运动件润滑不良；(3)齿面氮化增加了制造成本和延长生产周期；(4)轴承过多：一台单级减速器轴承22只，其中调心滚子轴承18只；(5)结构复杂、工艺性不好、装配和拆卸困难及制造成本高等等。

[发明目的、内容及其理论基础]

发明创造的核心是构思一种最先进的减速器——在轻量化、性能、工艺与投入及前景四个方面超越各种减速器。(A)轻量化：外形小、重量轻及结构简单；(B)性能：效率高，噪音低及使用寿命长；(C)工艺与投入：工艺难度小、设备、工装投入资金少；(D)前景：用途广泛、产品经久不衰显示出很长的生命周期。

本发明目的在于提供一种最先进的构思：啮合面可调行星轮减速器，用以取代星轮减速器，取代SEW公司、弗兰德公司硬齿面减速器，取代日本住友6000型摆线，取代NGW行星减速器等等。

发明内容：(1)提出在输出轴转向不变时，改变齿轮啮合面可以将原设计使用寿命至少提高一倍；(2)渐开线少齿差星轮减速器的改进，特别是导轨式浮动盘W机构的创新等等。

本发明是建立在相关理论基础上完成的，所以有必要予以较详细阐述：

(一)渐开线少齿差是现代传动机械中最先进的传动技术

(A)根据弹性变形理论的研究与台架测试结果，证实了渐开线少齿差因为多齿(3～9齿)(“机械设计手册”卷3.14章)而具有超越SEW公司、弗兰德公司硬齿面减速器，超越日本住友6000型摆线和NGW行星传动等等的承载能力。这是因为硬齿面试验齿轮弯曲疲劳极限σ_Flim＝400MPa仅仅为软齿面(σ_Flim＝300MPa)的1.33倍，显然其承载能力远不如少齿差中(二片轮)6～18对啮合轮齿的承载能力；

(B)渐开线少齿差传动属于软齿面使工艺大为简化。其理论依据是：在满载时，齿面的接触应力还不到许用值(25HB)的九分之一，这是因为σj计算公式中的齿数比i较小。而硬齿面试验齿轮的接触疲劳极限σ_Hlim＝1400MPa仅仅为软齿面(σ_Hlim＝700MPa)的二倍。显然，如若在渐开线少齿差中采用硬齿面是个浪费；

(C)渐开线少齿差传动(内齿轮固定，浮动盘W机构)具有很高的机械效率：

根据对T₂＝240～35000Nm，十种机型39种规格计算结果表明：渐开线少齿差传动具有很高的机械效率，齿数差Z_d越大越高：Z_d＝3～8时，η＝0.96～0.985。相比之下：①硬齿面外啮合模块组合系统——双级η＝0.96，三级η＝0.94；②NGW行星传动——双级η＝0.96；③摆线——优等品η＝0.92(JB/T5334-1997)；

(D)由于多齿啮合，因而传动平稳，噪音低；结构简单(尤其单偏心)，软齿面，设备资金投入少，易加工，重量最轻，成本最低。摆线传动亦属少齿差，但由于针齿壳销孔相邻距制造偏差无法保证≤0.01～0.02，因而即使修形也难实现较多齿啮合。

(二)导轨式浮动盘W机构设计构思的理论基础：

浮动盘W机构的优点是偏心轴承使用寿命是销轴式二十多倍；缺点是浮动盘十字槽与柱套间的接触应力很大，故用轴承钢GCr15淬硬后磨削，盘体笨重工艺复杂造价高。根据两刚性体为凸—凹接触时应力最小的理论，提出了导轨式浮动盘W机构。其构思是：滑块与十字槽两侧面为凹柱面，中间为柱销形成凹—凸接触。导轨式的先进性可以从下述示例中得到证明：T₂＝35000Nm，柱销r＝6.0，柱面R＝6.05，l＝26，Q＝96400，σj＝190[Ql^-1(r^-1-R^-1)]^1/2＝430。而改进前：D＝370，盘体厚度b＝50，d＝75，接触应力σj＝8485(T₂D^-1bd^-1)^1/2＝1210MPa。

(三)更换润滑油同时改变啮合面，使用寿命至少提高一倍的新概念：

输齿失效四种现象(裂纹、断齿、胶合及齿面疲劳)中齿面疲劳主要取决于接触应力与应力循环次数。显然，在许用应力范围内，齿面疲劳仅与应力循环次数N_L密切相关。由实验中得出：调质钢齿轮的接触疲劳极限循环基数N₀＝(10～20)10⁶(“机械设计手册”卷2.11-165页)，相当于少齿差齿轮运转7～11个月。而大多数减速器规定在3～6个月必须更换润滑油。因此，在输出转向不变情况下，在更换润滑油同时改变齿轮啮合面是一种几乎不花什么代价而能提高使用寿命的、极有价值的新设计思想。现代各种减速器因结构上原因，无法实现啮合面的更换，因此减速器因磨损报废时，齿的另一面却完好。

[实施技术方案]

(一)改变齿轮啮合面提高齿轮的使用寿命：行星轮与内齿轮应快捷正、反向装配；

(二)采用内齿轮固定，导轨式浮动盘W机构：内齿轮固定可以提高齿轮的刚性及改善输出机构的润滑状况；导轨式浮动盘机构中浮动盘与滑块采用铸铁与专用夹具加工；

本发明与国际著名齿轮专家的发明“一种少齿差齿轮副及其传动机构”均属于软齿面少齿差，因而具有高承载能力、高效率及噪音低等共同特点。“一种少齿差齿轮副及其传动机构”比之本发明：优点是转臂轴承作用力小，缺点是双层双内啮合结构工艺难度与制造成本增加以及径向尺寸增大，相较之下：“一种少齿差齿轮副及其传动机构”的得要小于失。

本发明比之星轮减速器：结构简单，重量减轻25～35％，效率高1～2.5个百分点，齿面毋需氮化处理，装拆方便及制造成本低等等。典型减速器重量比较表：

轴径	弗兰德硬齿面		三环减速器		行星减速器		星轮减速器(单级)
									型号	重量	型号	重量	型号	重量	型号	重量
	130	SD-280	750	SH-350	590	NGW-315	360	HJ-26B									415
140									-320	1050	/	/	-355	468	-30B	595
	170	-360	1400	-450	1170	-450	830	-33B									800
200									/	/	-550	2220	-500	1250	-42B	1450
	240	-500	3800	-670	4100	-630	2300	-47B									2245

下面结合附图对本发明详加描述

图1实施例一，双偏心轮啮合面可调行星轮减速器结构原理图

图2实施例二，单偏心轮啮合面可调行星轮减速器结构原理图

图3导轨式浮动盘W机构的结构原理图

图4实施例三，NGW传动啮合面可调行星轮减速器结构原理图

附图中的编号名称如下：[1]—机座，[2]—内齿轮，[3]—柱套，[4]—输出轴，[5]—短柱销，[6]、[7]、[12]、[14]—轴承，[8]—浮动盘，[9]—行星轮，[10]—长柱销，[13]—输入轴，[15]—偏心轴承，[16]—小端盖，[17]—大端盖，[18]—平衡块，[19]—导轨式浮动盘，[20]—柱销，[21]—滑块，[22]—行星轮，[23]—中心轮

参见图1实施例一，双偏心轮啮合面可调行星轮减速器，机座[1]内装N型渐开线少齿差传动件，主要由输入轴[13]及支承轴承[7]、[14]、轴上的偏心轴承[15]、相位角错开180°的二行星轮[9]、内齿轮[2]、输出轴[4]及支承轴承[6]、机座[1]及浮动盘W机构组成，W机构由浮动盘[8]、柱销及柱套[3]构成，其中：轴承[7]、[14]分别支承在输出轴圆盘与端盖[16]内孔，其特征在于：

(a)内齿轮[2]用键联接在机座输入端内孔，内齿轮上均布3～6个顶丝孔，用顶丝能快速将内齿轮取出，然后以键槽为中心转过180°，对准平键重新装进去。此时，二行星轮[9]连同偏心轴承从输入轴上取出，转过180°重新装进去，于是在不改变输出方向情况下，改变为齿轮的啮合面。在更换润滑油时，改变啮合面，可以将原设计使用寿命至少提高一倍，而且几乎不花什么费用。改变齿轮“啮合面”是减速器设计中的一个新思想；

(b)浮动盘两侧支承输出轴部件由输出轴[4]圆盘上紧配的六只长柱销[10]依次穿过浮动盘、二行星轮及另一浮动盘上相应的槽与孔联接均载环[11]而成，柱销中有二只是中心对称，另四只置于其两侧对称且均布，输出轴由轴承[6]支承在机座输出端内孔，均载环由轴承[12]支承大大端盖[17]内孔，大端盖与机座输入端面联接，浮动盘十字槽与柱销之间有柱套[3]，浮动盘与行星轮上分别有与长柱销相对应的四孔与六孔，孔径略大于柱销直接加上二倍偏心距，二行星轮在中心对称二孔的垂直方向上紧配中心对称的二短柱销[5]，销外有柱套[3]置于各自对应的浮动盘十字槽中。两侧支承的优点在于：径向负荷能力大，轴向可缩短，输出轴重量轻，改悬臂柱销为简支结构。

渐开线少齿差传动原理在机械设计专著已有详细叙述，故不予重复。

参见图2实施例二，单偏心啮合面可调行星轮减速器，其特征在于行星轮[9]为单偏心轮，其两侧各有一只平衡块[18]，平衡块与偏心轴承[15]之间满足下述条件：①m₁e₁＝m₂e₂(m—质量，e——偏心距)；②J₁＝J₂(转动惯量J＝J₀+me²)

参见图3导轨式浮动盘W机构是现有浮动盘W机构的重要改进，其特征在于：由浮动盘[19]、滑块[21]及柱销[20]组成，四滑块与各自相应的十字槽两侧面均为凹柱面，其曲率半径稍稍大于柱销半径，柱销置于两凹柱面之间，从而形成凹—凸接触，柱销起导轨作用。由于是凹—凸接触，曲率半径又是相差很小，因而接触应力可以控制在400～450MPa，显然可以选用HT200材料，铸铁材料具有工艺性能好，重量轻，减震性能好，成本低及资源可重复使用(废铁回炉)等优点。

参照图4实施例三，机座[1]内装NGW型传动件的啮合面可调行星轮减速器，大多用于速比<9的机型(少齿差属于N型啮合，用于速比较大机型)，主要由中心轮[23]、均布的行星轮[22]、内齿轮[2]及转臂组成，其特征在于：内齿轮用键联接在机座输出端内孔，其端面上均布3～6个顶丝孔，用顶丝可快速将内齿轮取出然后转过180°，对准键槽装进去，与此同时中心轮与行星轮拆下然后反装，从而更换了啮合面。

Claims (4)

1.一种啮合面可调行星轮减速器，机座内为N型少齿差传动件，包括输入轴[13]、轴上的偏心轴承[15]、错开180°的二行星轮[9]、内齿轮[2]、输出轴[4]及支承轴承[6]、机座[1]及由浮动盘[8]、柱销及柱套[3]组成的W机构，其特征在于：

(a)联接在机座输入端内孔靠紧固圆环壁的内齿轮可用顶丝旋入顶丝孔快速拆下然后反装，同时将行星轮连同偏心轴承从输入轴上卸下然后反装，改变了齿轮啮合面；

(b)输出部件由输出轴圆盘上紧配六只长柱销[10]依次穿过浮动盘、二行星轮及另一浮动盘上相应的槽与孔后联接均载环[11]组成，柱销中有二只中心对称，另四只置于其两侧对称且均布，输出轴由轴承[6]支承在机座输出端孔内，均载环由轴承[12]支承在大端盖[17]内孔，大端盖与机座输入端联接，浮动盘十字槽与柱销之间有柱套[3]，浮动盘与行星轮上分别有与长柱销相对应的四孔与六孔，孔径稍大于柱销直径加上二倍偏心距，与行星轮上中心对称二孔相垂直方向上紧配中心对称二短柱销[5]，销外有柱套[3]置于各自对应的浮动盘十字槽中。

2.根据权利要求1述的啮合面可调行星轮减速器，其特征在于：行星轮为单偏心轮，其两侧各有一只平衡块[18]，平衡块与偏心轴承[15]之间满足下述条件：①m₁e₁＝m₂e₂(m-质量，e-偏心距)；②J₁＝J₂(转动惯量J＝J₀+me²)。

3.根据权利要求1或2所述的啮合面可调行星轮减速器，浮动盘式W机构改进为导轨式，其特征在于：导轨式浮动盘W机构中浮动盘[19]、滑块[21]及柱销[20]组成，四滑块与各自相应的十字槽的两侧面均为凹柱面，其曲率半径稍稍大于柱销半径，柱销置于两凹柱面之间，从而形成凹-凸接触，柱销起导轨作用。

4.一种啮合面可调行星轮减速器，机座内为NGW型行星传动件，包括中心轮[23]、均布的行星轮[22]、内齿轮[2]及转臂，其特征在于：内齿轮、中心轮及行星轮可同时卸下然后反装。

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