CN101136566A

CN101136566A - 机电一体化减速机

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Publication number: CN101136566A
Application number: CNA2006100307405A
Authority: CN
Inventors: 吴小杰
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-09-01
Filing date: 2006-09-01
Publication date: 2008-03-05

Abstract

本发明涉及减速传动和电磁传动技术领域，一种在一个机座里将两大技术有机融为一体的机电一体化减速机。其特征在于：①改进现有Y系列电机机座作为减速机机座；②用圆端盖将机座内孔分为长短二腔，短腔壁厚大于长腔壁厚，其中：长腔内装电磁驱动件，短腔内装齿轮减速传动件；③齿轮啮合面可(在换油时)更换，使原设计使用寿命提高一倍；④用导轨式浮动盘凹－凸接触取代现有平面－凸接触。本发明完全可取代摆线减速机与SEW公司R系列硬齿面，与R系列比较：外形缩短30－40％，减速50－60％，软齿面，工艺难度小，拆装方便。

Description

机电一体化减速机

本发明涉及减速传动和电磁传动技术领域，一种在一个机座里将两大技术有机地融为一体的机电一体化减速机。

[背景技术]

在机械中，称各种齿轮箱的为减速器，而减速器装上电动机的后称为减速机，减速器自身不能运转，而机电一体化减速机则接上电源即可运转。背景技术主要有以下几种：

(一)内含马达减速机(ZL97203564)：

是国际著名齿轮专家ZY减速机系列中的一项发明，属渐开线少齿差传动，因而具有很高承载能力、高效率、低噪音等优点。与“中低速电机”相比较，优点是：转臂轴承作用力小。缺点是①径向尺寸大；②双层双内啮合结构复杂、制造成本较高。

(二)中低速电机(发明02154608)：

是“摆线减速电机”(01116741)的改进，其缺点是由于机座采用壁厚较薄的Y系列电机机座，因而止口刚性差、易变形，以及机座端面用以联接端盖的3～4个凸缘机械强度不够。

(三)SEW公司R系列硬齿面齿轮减速电机：

是一种减速器串联电动机的硬齿面减速机，国内仿造厂家最多，其模块化组合系统最被国内专家、教授所推崇。其主要缺点：①轻量化程度较低；②工艺较复什、装配麻烦及价格高：约为摆线2～3倍。

[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，使用寿命长；(D)工艺与投入：工艺难度小，工艺基础及设备投入资金少；(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：新型减速机，取代传统的减速器串联电动机的结构形式；取代昂贵的SEW公司硬齿面减速电机和住友6000型摆线针轮减速电机。

发明内容：(一)Y系列电机机座的改进方案；(二)浮动盘W机构的改进：导轨式浮动盘W机构；(三)单偏心轮少齿差减速机。

本发明是建立在相关理论基础上完成的，下面较详细予以阐述：

(一)现Y(Y₂，Y₃)系列电动机机座的承载能力：

Y系列电机机座是一个外带散热片，薄壁圆筒状结构。根据“机械工程手册”(补充本第二卷)关于机座壁厚δ与承载能力T之间的理论公式：δ＝0.56K₁K_dT^0.29〔mm〕，其中：表面形状系数K₁＝0.8～0.9，内齿轮分度圆直径系数K_d＝1.8～2.2，因而可以得到下述近似公式：T＝δ⁴〔Nm〕，现将计算结果列表如下：

电机机型号	Y₁₃₂	Y₁₆₀	Y₁₈₀	Y₂₀₀	Y₂₂₅	Y₂₅₀	Y₂₈₀	Y₃₁₅
电机机型号	Y₁₃₂	Y₁₆₀	Y₁₈₀	Y₂₀₀	Y₂₂₅	Y₂₅₀	Y₂₈₀	Y₃₁₅	配用功率(KW)	5.5	11.0	15.0	18.5^*	30^*	37^*	45^*	75^*
机座壁厚δ(mm)	7.0	8.5	9.5	11.0	12.0	13.0	14.0	16.0	配用功率(KW)	5.5	11.0	15.0	18.5^*	30^*	37^*	45^*	75^*
机座壁厚δ(mm)	7.0	8.5	9.5	11.0	12.0	13.0	14.0	16.0	机座承载能力T＝δ₄(Nm)	2400	5220	8145	14600	20700	28500	38400	65500
电机额定输出扭矩T₁	36.5	72	98	180	290	360	440	730	机座承载能力T＝δ₄(Nm)	2400	5220	8145	14600	20700	28500	38400	65500
电机额定输出扭矩T₁	36.5	72	98	180	290	360	440	730	倍数＝T÷T₁	66	73	83	80	70	80	85	90

结论：(1)计算表明，现有机座承载能力约为额定的66～90倍，为了保证瞬时尖峰负荷或冲击下安全运转，机座壁厚必须增加1～2mm；(2)进一步计算表明，依靠机座3～4个凸缘联接内齿轮的机械强度不能满足要求，这就要求机座壁厚增加2～4mm；(3)原机座由于较薄，因而止口刚性差，易变形造成形位公差超差。

(二)热功率与润滑油的讨论：行星齿轮传动的热功率研究工作尚未完成，下面的讨论是借鉴平行轴，外啮合齿轮箱来作出粗略的判断。

修正后热功率公式P_THM＝B_V·(B_r·B_A·B_T)·P_Q/(1-η)(η<1)

式中：散热量P_Q＝A_c·K·ΔT(K—传热系数)

环境	υ(m/s)	传热系数K	环境空气速度的修正系数B_V
环境	υ(m/s)	传热系数K	环境空气速度的修正系数B_V	小的有效空间	/	0.01～0.014	0.75
大的室内空间	≤1.4	0.016～0.02	1.0	小的有效空间	/	0.01～0.014	0.75
大的室内空间	≤1.4	0.016～0.02	1.0	室外、露天	≥3.7	0.02～0.025	1.9

新型减速机装有风扇，据资料：气流速度υ＝7.5m/s(四极)，传热系数K＝0.034～0.04，因此，修正热功率约为其它齿轮箱的4倍：(0.034～0.04)×1.9÷0.016～.02≈4，根据对样机的实际测试，温升仅为30～45℃。

润滑油的功能是润滑而不是散热降温。储油过多并无益处，因为油的比热容大，是铸铁的4倍，而热导率极低，仅为铸铁的千分之三，因此不存在储油腔过小的问题，只要保证定期(3～6个月)更换优质油品。

(三)渐开线少齿差是现代传动技术中最先进技术：

(A)根据弹性变形理论的研究与台架测试的结果，证实了渐开线少齿差传动因为多齿啮合(3～9个齿)(‘机械设计手册”卷3.14章)而具有超越SWE公司模块化硬齿面、超越住友6000型摆线及NGW行星传动的承载能力，因为硬齿面的试验齿轮弯曲疲劳极限σ_Flim＝400MPa仅仅为软齿面(σ_Flim＝300MPa)的1.3倍；

(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，齿面接触应力还不到许用值(25HB)的九分之一，这是因为计算公式σ_j中的齿数比u较小，然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。这就是说，硬齿面对渐开线少齿差而言毫无价值。

(C)渐开线少齿差传动(内齿轮固定、浮动盘W机构)具有很高的传动效率：

根据对输出扭矩T₂＝240～35000Nm、十种机型39种规格计算结果表明：少齿差传动的机械效率随齿数差Z_d增加而显著提高：Z_d＝3～8时，η＝0.96～0.985，相比之下：(1)硬齿面外啮合模块化系统——双级η＝0.98²＝0.96；(2)NGW行星传动——双级η＝0.98²＝0.96；(3)摆线传动——优等品η＝0.92(见JB/T5334-1997)。

(D)由于多齿(3-9齿)啮合，因而传动平稳，噪音低；结构简单(特别是单偏心轮)、软齿面、设备资金投入少、制造容易故成本最低，重量最轻。摆线亦属于少齿差传动，但由于针齿壳中销孔相邻距的制造偏差无法保证≤0.01～0.02及针销的弹性变形量与载荷密切相关，因而即使是修形也难实现多齿啮合。

(四)导轨式浮动盘输出(W)机构构思的理论基础：

由于销轴式作用在转臂轴承上的作用力为浮动盘式的2.4～2.6倍，使转臂轴承的使用寿命仅为浮动盘式的二十分之一，显然销轴式W机构不可取；然而，因浮动盘十字柱与柱套之间的接触应力很大，故常用轴承钢(GC_r15)、淬硬、磨削。浮动盘笨重、工艺较为复杂及造价高是主要缺点。

导轨式浮动盘输出机构是以两刚性体为凸—凹如柱销与柱面接触时接触应力最小为理论基础作出的发明创造。导轨式的先进性由下述示例得到证明：输出扭矩T₂＝35000Nm，柱销中心圆直径D_W＝370mm，柱销作用力Q＝96400(N)，柱销r₁＝6.0，凹柱面r₂＝6.05，l＝26mm，则接触应力σ_j＝430MPa，显然，盘体可以采用铸铁材料。由抗压强度计算盘体厚度B＝30mm。改进前：盘体厚度B＝50，柱套d_p＝75，其接触应力σ_j＝1210MPa，盘体必须选用轴承钢，淬硬后磨削。

[实施技术方案]

(一)机座壁厚依靠专用胎具可以加厚1.3～3.2mm：根据实测，原机座毛坯的单边加工余量为3～5mm，因此必须改变原来的工艺、工装；

(二)导轨式浮动盘与滑块：由于接触应力可控制在400～450MPa，因而可选用HT200铸铁材料，利用工装(主要是钻模)上钻、铰即可完成加工；

本发明与国际著名齿轮专家的发明“内含马达减速机”均属于软齿面少齿差，因而具有很高的承载能力、效率高及噪音低等特点。“内含马达减速机”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的工艺难度、制造成本增加以及径向尺寸增大。相较之下：“内含马达减速机”得要小于失。

本发明与SEW公司硬齿面、模块组合系统齿轮减速机的比较如下表：

	轻量化	性能	工艺与投入	前景
	轻量化	性能	工艺与投入	前景	SEWR系列	/	η＝0.96(二级)＝0.94(三级)齿轮精度6级	工艺难度：磨齿，齿修形，热处理，需磨齿机加工中心镗床及上百模块以形成模块系统。	/

本发明D系列

外形缩短30-40％减轻50-60％

η≥0.96(Z_d≥3)空载噪音60～70dB(A)使用寿命长

软齿面，工艺难度小，设备投入装配、维修方面。仅用十一个机座与双个法兰取代模块硬齿面。

由于轻量化等三大因素超越硬齿面，因而必将取代硬齿面，市场前景极好。

下面结合附图对本发明详加描述。

图1：实施例一双偏心少齿差机电一体化减速机结构原理图

图2：实施例二单偏心少齿差机电一体化减速机结构原理图

图3：机座装配小端盖[14]和内齿轮[2]结构示意图

图4：导轨式浮动盘输出机构的结构示意图

图5：实施例三内装NGW行星减速的机电一体化减速机结构示意图

附图中编号名称如下：

[1]—机座，[2]—内齿轮，[3]—行星轮，[4]—长柱销，[5]—柱套，[6]—浮动盘，[7]—偏心轴承，[8]、[11]—轴承，[9]—大端盖，[10]—输出轴，[12]—均载环，[13]—短柱销，[14]—薄壁短圆筒状小端盖，[15]—轴承，[16]—转子(轴)，[17]—定子，[18]—后端盖，[19]—风扇，[20]—平衡块，[21]—柱销，[22]—滑块，[23]—导轨式浮动盘，[24]—轴承，[25]—中心轮，[26]—行星轮，a—定位销。

参见图1.3.4，实施例一双偏心少齿差机电一体化减速机，由电磁驱动与少齿差传动构成，其中：电磁驱动包括转子轴[16]及定子[17]；少齿差传动件包括内齿轮[2]、装在转子轴上的偏心轴承[7]、相位角错开180°的二行星轮[3]、浮动盘W机构、输出轴[10]及支承轴承[8]，大端盖[9]，其特征是机座[1]由Y系列电机机座改进而成：(1)机座内腔加工成直径分别为D₁与D₂阶梯孔：D₁＝D₂-(3～8)，其长度比为1∶2.5～3.5；(2)在孔D₁中压入薄壁筒状小端盖[14]，用1～3只定位销a固定，端盖中心孔的轴承[15]支承转子轴[16]轴伸端，端盖的圆端面将机座内腔分隔为长、短二腔，其中长腔D₂内装电磁驱动件，短腔D₁内装渐开线行星(NGW或少齿差)传动件。其进一步特征在于：

浮动盘式两侧支承输出轴部件由输出轴[10]圆盘上紧配六只长柱销[4]依次穿过浮动盘[6]、二行星轮[3]，另一浮动盘[6]上相应的槽与孔后联接均载环[12]而成，长柱销中有二只是中心对称，另四只置于其两侧对称、均布，输出轴由轴承[8]支承在大端盖[9]内孔，大端盖与内齿轮外缘联接，均载环由轴承[11]支承在小端盖[14]轴颈上，浮动盘十字槽与柱销之间有柱套[5]，浮动盘与行星轮上分别有与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，二行星轮上在中心对称二孔的垂直方向上紧配二中心对称的短柱销[13]，销外有柱套[5]置于各自对应的浮动盘十字槽中。

转子轴两端由轴承分别支承在小端盖[14]与后端盖[18]内孔中，后端盖联接在机座后端面上，转子非轴伸端联接风扇[19]，风扇作用不仅在于降低电磁驱动产生的热量，而且大大提高了减速部件的热功率。转子轴伸端置于输出腔D₁内；

渐开线少齿差传动原理在机械设计手册中已有详细的描述故不予赘述。

参见图2，实施例二单偏心轮机电一体化减速机是将双偏心轮中去掉一只行星轮与一只浮动盘，其优点是结构最简单，成本最低。单偏心轮两侧各有一平衡块[20]，平衡块与偏心轴承[7]之间必须满足：①静平衡m₁e₂＝m₂e₂；②转动惯量相等：J₁＝J₂，J＝J₀+me₂＝1/2mr²+me²(m—质量，e—偏心距，r—半径)。

参照图3，机座内装小端盖[14]与内齿轮[2]的结构示意图。

参见图4，导轨式浮动盘W机构的结构示意图，是一种创新：浮动盘与滑块可以是铸铁，成本低，工艺简单重量轻等等。其特征在于：由浮动盘[23]、滑块[22]及柱销[21]组成，滑块与浮动盘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，两侧为凸—凹接触，柱销起着导轨作用。凸—凹接触时的接触应力最小，且改善润滑状态。

参照图5，小速比机电一体化减速机，齿轮减速采用由中心轮[25]、均布的行星轮[26]、内齿轮[2]及转臂组成的NGW行星减速部件，行星轮由轴承[24]支承在柱销[4]上，其特征在于：内齿轮断面呈“⊥”状，两侧对称，内齿轮以机座止口为定位联接在机座端面上、内齿轮、行星轮及中心齿轮可同时快速卸下然后反装，从而改变了啮合面，以提高使用寿命。

Claims

1.一种机电一体化减速机，由电磁驱动与减速齿轮构成，其中：电磁驱动包括转子(轴)[16]及定子[17]，其特征在于：机座[1]由Y系列电机机座改进而成：

(1)内腔加工成直径分别为D₁与D₂阶梯孔：D₁＝D₂-(3～8)，其长度比为1∶2.5～3.5；

(2)在孔D₁中压入薄壁筒状小端盖[14]，用1～3只定位销a固定，端盖中心孔中有一只轴承[15]用来支承转子轴[16]轴伸端，端盖的圆端面将机座内腔分隔为长、短二腔，其中长腔D₂内装电磁驱动件，短腔D₁内装渐开线行星(NGW或少齿差)传动件。

2.根据权利要求1所述的机电一体化减速机，短腔D₁内齿轮减速为渐开线少齿差传动件，包括内齿轮[2]、装在转子轴上的偏心轴承[7]、相位角错开180°的二只行星轮[3]、浮动盘W机构、输出轴[10]及支承轴承[8]、大端盖[9]，其特征在于：浮动盘式两侧支承输出轴部件由输出轴[10]圆盘上紧配六只长柱销[4]依次穿过浮动盘、二行星轮及另一浮劝盘上相应的槽与孔联接均载环[12]而成，长柱销中有二只是中心对称，另四只置于其两侧对称、均布，输出轴由轴承[8]支承在大端盖[9]内孔，大端盖与内齿轮外缘联接，均载环由轴承[11]支承在小端盖[14]轴颈上，浮动盘十字槽与柱销之间有柱套[5]，浮动盘与行星轮上分别有与长柱销相对应的四孔与六孔，孔径略大于长柱销直径加上二倍偏心距，二行星轮上在中心对称二孔的垂直方向上紧配二中心对称的短柱销[13]，销外有柱套[5]置于各自对应的浮动盘十字槽中。

3.根据权利要求2所述的机电一体化减速机，其特征在于：行星轮[3]为单偏心轮，其两侧各有一只平衡块[20]，平衡块与偏心轴承[7]之间满足下述条件：

①m₁e₂-m₂e₂(m-质量，e-偏心)；②J₁＝J₂(转动惯量J＝J₀+me²)。

4.根据权利要求2或3所述的机电一体化减速机，浮动盘W机构改进为导轨式，其特征在于：导轨式浮动盘W机构由浮动盘[6]、滑块[22]及柱销[21]组成，滑块与浮动盘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，构成凹-凸接触，柱销起着导轨作用。

5.根据权利要求1所述的机电一体化减速机，机座短腔D₁内的齿轮减速部件为NGW行星轮传动件：包括中心轮[25]、均布的行星轮[26]、内齿轮[2]及转臂，其特征在于：内齿轮[2]断面呈“⊥”状，两侧对称，内齿轮以机座止口为定位联接在机座端面上，内齿轮、行星轮[26]及中心轮可同时快速卸下然后反装。