CN102927207A - 一种零背隙行星传动减速装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种零背隙行星传动减速装置，其特征是：一个传动装置内设有两个电机驱动的两个减速机构，通过电信号控制补偿脉冲的运转模式完全消除啮合间隙，两个电机同时启动同时停止，两个电机同步运转，无论顺时针还是逆时针都将无背隙存在，达到零背隙传动；同时，当长期运转造成运转件磨损，出现更大的啮合间隙的情况下，通过设置加大电信号控制补偿脉冲值来完全消除啮合间隙，达到整个装置为零背隙传动。本发明经过预调试使一个电机与装置的顺时针方向无间隙啮合，另一个电机与装置逆时针方向无间隙啮合，保证装置零背隙传动。

Description

一种零背隙行星传动减速装置

技术领域

本发明涉及机械传动中的行星齿轮传动，特别是自动消除背隙的一种零背隙行星传动减速装置。

背景技术

行星齿轮传动装置中，通常采用数个行星轮同时传递载荷、使功率分流并合理地采用了内啮合，因而具有一系列的优点：如结构紧凑、体积小、重量轻、传动比范围大，传动效率高、运转平稳、噪音小、可进行运动的合成与分解等等，因而广泛应用于多种机械上，作为减速、增速和变速传动装置。

有一类行星传动，要求行星传动的输出转轴有逆时针和顺时针两种工作状态，同时要求两种工作状态转换的角度回差非常小，又称小背隙、零背隙传动。背隙定义为：将输入端固定,输出端顺时针和逆时针方向旋转,使输出端产生额定扭矩±20%扭矩时,减速机输出端有一个微小的角位移,此角位移就是回程间隙.单位是"分",就是一度的六十分之一。如伺服电机、步进电机用减速器，主要应用于CNC数控机床，制袋机械，塑料机械，印刷机械等。一般渐开线行星传动减速器每一级减速的背隙不作要求，如果有背隙要求而且不小于0.5°，则不做任何处理，仅仅是减小齿轮啮合侧隙并验证其啮合侧隙即可；但如果是高精度要求的很小背隙的减速器（如10′或者是5′），则齿轮的加工精度和行星轮架的加工精度必须很高，否则无法保证在极小啮合间隙下的装配和运转的良好性。其存在的不足之处是：

1、高精度齿轮的磨齿加工，高精度行星轮架的加工中心加工，加工周期时间长，成本大幅上升。

2、齿轮磨损造成的啮合侧隙和行星轮与销轴配合间隙的加大，根本无法解决背隙变大的问题，只有报废。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种零背隙行星传动减速装置，通过采用两个电机驱动的减速机构，经过预调试使一个电机与装置的顺时针方向无间隙啮合，另一个电机与装置逆时针方向无间隙啮合，保证装置在停止和运转的过程始终是无间隙的，即零背隙传动。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

本发明零背隙行星传动减速装置的结构特点是：输出轴由第二内六角螺钉固定在内齿圈上，在内齿圈下端面设有下平面轴承，输出轴外台阶端面设有上平面轴承，在齿圈座内孔的上端和下端分别安装定心轴承和齿圈定心轴承；输出轴压盖由第一外六角螺栓固定在齿圈座的开口端；设置两个分别由上电机和下电机驱动的减速机构，上内转子和下内转子与内齿圈相啮合；

所述上电机驱动的减速机构是：上电机通过第四内六角螺钉与连接板固定，上向心球轴承安装在上电机输出轴和连接板之间；连接板通过三只连接销轴与上支架固定；上支架、中支架通过三根支撑销轴与一根中心支柱固定成一个整体框架；上支架的三处内孔分别安装三只上支架轴承，中支架的三处内孔分别安装三只中支架轴承；上内转子的内孔分别安装上内转子轴承，三根上曲轴分别与上支架轴承、上内转子轴承、中支架轴承组成滑动旋转副；三只上被动齿轮分别安装在三根上曲轴上；上主动齿轮安装在上电机的输出轴上；

所述下电机驱动的减速机构是：下电机通过第三内六角螺钉与过渡底座固定，下向心球轴承安装在下电机输出轴和过渡底座之间；过渡底座通过第二外六角螺栓与齿圈座固定；齿圈座、中支架通过三只支撑销轴、中心支柱固定成一个整体框架；齿圈座的三处内孔分别安装三只下支架轴承，中支架的三处内孔分别安装三只中支架轴承，下内转子的内孔分别安装下内转子轴承；三根下曲轴分别与下支架轴承、内转子轴承、中支架轴承组成滑动旋转副；三只下被动齿轮分别固定在三根下曲轴上，下主动齿轮安装在下电机的输出轴上；支架座由第四外六角螺栓固定在过渡底座上。

本发明零背隙行星传动减速装置的结构特点也在于：

所述的上内转子和下内转子与内齿圈相啮合的啮合曲线为共轭摆线。

工作时上电机和下电机同时启动、同时停止，且旋转方向相同。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、减速装置可以使用常规精度等级（7级）的齿轮组装整机；这是因为通过本结构可以消除系统背隙，确保零背隙，实现运转控制；

2、如果因为齿轮的磨损造成的啮合间隙加大而产生背隙的增加，可以通过两个电机和两个减速机构相互之间的扭转自动消除产生的啮合间隙，使得系统始终保持零背隙状态直到寿命结束。

附图说明

图1为本发明结构剖视总图；

图2为本发明中过渡底座主视图；

图3为本发明中齿圈座剖视图；

图4为本发明中输出轴压盖剖视图；

图5为本发明中支架座剖视图；

图6为本发明中输出轴剖视图；

图7为本发明中上支架主视图；

图8为本发明中上支架俯视图；

图9为本发明中下内转子主视图；

图10为本发明中下内转子俯视图；

图11为本发明中上被动齿轮和上主动齿轮啮合俯视图；

图12为本发明中内齿圈主视图；

图13为本发明中内齿圈俯视图；

图14为本发明中上曲轴主视图；

图15为本发明中上平面轴承剖视图；

图16为本发明中上电机驱动的减速机构结构图；

图17为本发明中下电机驱动的减速机构结构图；

图18为本发明中系统电控图。

图中标号：1输出轴、2上电机、3a一号内六角螺钉、3b第二内六角螺钉、3c第三内六角螺钉、3d第四内六角螺钉、4a上被动齿轮、4b下被动齿轮、5a第一外六角螺栓、5b第二外六角螺栓、5c三号外六角螺栓、5d第四外六角螺栓、6输出轴压盖、7定心轴承、8齿圈座、9上支架轴承、10内齿圈、11a上曲轴、11b下曲轴、12a上内转子轴承、12b下内转子轴承、13中支架轴承、14齿圈定心轴承、15下支架轴承、16过渡底座、17a下主动齿轮、17b上主动齿轮、18下电机、19a下向心球轴承、19b上向心球轴承、20支架座、21中心支柱、22支撑销轴、23a下内转子、23b上内转子、24a上平面轴承、24b下平面轴承、25中支架、26上支架、27连接销轴、28连接板。

具体实施方式

参见图1，本实施例是一种太阳光自动跟踪系统用零背隙减速装置。

本发明的零背隙行星传动减速装置，输出轴1（参见图6）由第二内六角螺钉3b固定在内齿圈10上，在内齿圈10下端面设有下平面轴承24b（参见图15），输出轴1外台阶端面设有上平面轴承24a，在齿圈座8内孔的上端和下端分别安装定心轴承7和齿圈定心轴承14；输出轴压盖6（参见图4）由第一外六角螺栓5a固定在齿圈座8的开口端；设有两个分别由上电机2和下电机18驱动的减速机构，其上内转子23b和下内转子23a（参见图9和图10）与内齿圈10（参见图12和图13）相啮合。

参见图16，上电机2驱动的减速机构是：上电机2通过第四内六角螺钉3d与连接板28固定，上向心球轴承19b安装在上电机2输出轴和连接板28之间；连接板28通过三只连接销轴27和与上支架26固定；上支架26（参见图7和图8）、中支架25通过三根支撑销轴22与一根中心支柱21固定成一个整体框架；上支架26的三处内孔分别安装三只上支架轴承9，中支架25的三处内孔分别安装三只中支架轴承13；上内转子23b的内孔分别安装上内转子轴承12a，三根上曲轴11a（参见图14）分别与上支架轴承9、上内转子轴承12a、中支架轴承13组成滑动旋转副；三只上被动齿轮4a分别安装在三根上曲轴11a上；上主动齿轮17b安装在上电机2的输出轴上。

参见图17，下电机18驱动的减速机构是：下电机18通过第三内六角螺钉3c与过渡底座16（参见图2）固定，下向心球轴承19a安装在下电机18输出轴和过渡底座16之间；过渡底座16通过第二外六角螺栓5b与齿圈座8（参见图3）固定；齿圈座8、中支架25通过三只支撑销轴22、中心支柱21固定成一个整体框架；齿圈座8的三处内孔分别安装三只下支架轴承15，中支架25的三处内孔分别安装三只中支架轴承13，下内转子23a的内孔分别安装下内转子轴承12b；三根下曲轴11b分别与下支架轴承15、内转子轴承12b、中支架轴承13组成滑动旋转副；三只下被动齿轮4b分别固定在三根下曲轴11b上，下主动齿轮17a安装在下电机18的输出轴上；支架座20（参见图5）由第四外六角螺栓5d固定在过渡底座16上。

上内转子23b和下内转子23a与内齿圈10相啮合的啮合曲线为共轭摆线。

上电机2和下电机18是两只完全相同的电机，工作时上电机2和下电机18同时启动、同时停止，且旋转方向相同。

1、动力输出：

参见图16：上电机2经向心球轴承19定心将动力传输到主动齿轮17，主动齿轮17分别与三只被动齿轮4啮合（参见图11），动力通过三只被动齿轮4分别传输到三根曲轴11，三根曲轴11驱动内转子23做平面摆动运动，内转子23驱动内齿圈10产生定轴旋转运动。内转子23和曲轴11的旋转面之间有内转子轴承12支撑，减少摩擦。曲轴11的两端均有上支架轴承9和中支架轴承13做滑动运转支撑。

参见图17：下电机18经向心球轴承19定心将动力传输到主动齿轮17，主动齿轮17分别与三只被动齿轮4啮合，动力通过三只被动齿轮4传输到三根曲轴11，三根曲轴11驱动内转子23做平面摆动运动，内转子23驱动内齿圈10产生定轴旋转运动。内转子23和曲轴11的旋转面之间有内转子轴承12支撑，减少摩擦。曲轴11的两端均有下支架轴承15和中支架轴承13做滑动运转支撑。

2、系统动力输出：

上电机2与下电机18均能将动力传输到内齿圈10上，装置装配完成后，经过预调试使上电机2与装置的顺时针方向无间隙啮合，下电机18与装置逆时针方向无间隙啮合。在第一次启动的情况下，上电机2先启动，下电机18再启动（保证内齿圈10顺时针运转），然后下电机18停止并刹车，但是上电机2依然运动返回到初始位置再停止，使得内部的啮合间隙始终为零；再次启动时，则两电机同时启动、同时停止，这样就保证了装置在停止和运转的过程始终是无间隙的。系统电控参见图18。

3、传动比计算：

设计内齿圈齿数Z4为25，内转子23齿数Z3为24，被动齿轮4齿数Z2=45，主动齿轮17齿数Z1=15,

上电机2带动的减速传动和下电机18带动的减速传动具有相同的减速比；设定上电机2减速比为i1，下电机18减速比为i2，则有：

i1=(z4/(z4-z3))*(z2/z1)=25/(25-24)*(45/15)=75；

i2=(z4/(z4-z5))*(z6/z7)=25/(25-24)*(45/15)=75；

i1=i2=75；

4、背隙计算：

装置安装完毕后，在输出轴上分别施加正反方向额定扭矩，测出输出轴转过的角度即为装置的背隙

其中摆线转子与齿圈的背隙占整个装置的主要部分，另外被动齿轮与主动齿轮侧隙也是装置背隙的一部分（本装置忽略温度与弹性对背隙的影响）。

①渐开线齿轮传动部分的背隙：

a、公法线长度平均偏差引起的侧隙

b、中心距误差△Fn引起的侧隙：

c、齿轮齿圈径向误差△Fr引起的齿轮侧隙：

$\{{\mathrm{JE}}_3=0$

$D\left({\mathrm{JE}}_3\right)={\left(\frac{\mathrm{\ΔFrK\α}\tan \mathrm{\α}}{3}\right)}^2\≈0$

d、渐开线齿轮减速部分回差的综合：

式中T(JE)-渐开线齿轮传动侧隙公差， $T\left(J_E\right)=6\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{\τ}=1}^{3}D\left(J{E}_1\right),}\mathrm{mm}.$

由此可得到渐开线齿轮传动部分引起装置输出轴的回差

为：

②摆线齿轮传动的背隙：

a、摆线轮修形对背隙的影响

等距、移距修形引起的背隙为：

b、摆线轮齿圈径向圆跳动误差引起的背隙：

c、摆线轮齿距累计误差引起的背隙：

d、修行误差与偏心距误差引起的背隙：

e、齿圈公法线偏差引起的背隙：

f、摆线齿轮传动部分背隙的综合：

③轴承间隙对背隙的影响：

式中u-转臂轴承的间隙最大值，mm；

T-转臂轴承的间隙最大值，mm。

则轴承间隙对装置输出轴引起的背隙为：

传动系统总的几何回差的数学模型：

综合各级传动的回差，得到装置输出轴传动系统的总几何回差的均值和公差

因此，传动系统的总回差为：

所有机加工件均以7级精度加工，则传动的总回差为：

Claims (3)

1.一种零背隙行星传动减速装置，其特征在于：输出轴(1)由第二内六角螺钉（3b）固定在内齿圈（10）上，在内齿圈（10）下端面设有下平面轴承（24b），输出轴（1）外台阶端面设有上平面轴承（24a），在齿圈座（8）内孔的上端和下端分别安装定心轴承（7）和齿圈定心轴承（14）；输出轴压盖（6）由第一外六角螺栓（5a）固定在齿圈座（8）的开口端；设置两个分别由上电机（2）和下电机（18）驱动的减速机构，上内转子（23b）和下内转子（23a）与内齿圈（10）相啮合；

所述上电机（2）驱动的减速机构是：上电机（2）通过第四内六角螺钉（3d）与连接板（28）固定，上向心球轴承（19b）安装在上电机（2）输出轴和连接板（28）之间；连接板（28）通过三只连接销轴（27）与上支架（26）固定；上支架（26）、中支架（25）通过三根支撑销轴（22）与一根中心支柱（21）固定成一个整体框架；上支架（26）的三处内孔分别安装三只上支架轴承（9），中支架（25）的三处内孔分别安装三只中支架轴承（13）；上内转子（23b）的内孔分别安装上内转子轴承（12a），三根上曲轴（11a）分别与上支架轴承（9）、上内转子轴承（12a）、中支架轴承（13）组成滑动旋转副；三只上被动齿轮（4a）分别安装在三根上曲轴（11a）上；上主动齿轮（17b）安装在上电机（2）的输出轴上；

所述下电机（18）驱动的减速机构是：下电机（18）通过第三内六角螺钉（3c）与过渡底座（16）固定，下向心球轴承（19a）安装在下电机（18）输出轴和过渡底座（16）之间；过渡底座（16）通过第二外六角螺栓（5b）与齿圈座（8）固定；齿圈座（8）、中支架（25）通过三只支撑销轴（22）、中心支柱（21）固定成一个整体框架；齿圈座（8）的三处内孔分别安装三只下支架轴承（15），中支架（25）的三处内孔分别安装三只中支架轴承（13），下内转子（23a）的内孔分别安装下内转子轴承（12b）；三根下曲轴（11b）分别与下支架轴承（15）、内转子轴承（12b）、中支架轴承（13）组成滑动旋转副；三只下被动齿轮（4b）分别固定在三根下曲轴（11b）上，下主动齿轮（17a）安装在下电机（18）的输出轴上；支架座（20）由第四外六角螺栓（5d）固定在过渡底座（16）上。

2.根据权利要求1所述的零背隙行星传动减速装置，其特征在于：所述的上内转子（23b）和下内转子（23a）与内齿圈（10）相啮合的啮合曲线为共轭摆线。

3.根据权利要求1或2所述的零背隙行星传动减速装置，其特征在于：工作时上电机（2）和下电机（18）同时启动、同时停止，且旋转方向相同。

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