CN1046154C - 多拐曲柄内啮合行星传动机构 - Google Patents
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Abstract
一种行星传动机构，其特征是四只行星齿轮安装在相互平行的四组连杆机构上，用两曲轴带动，围绕一只中心轮流转啮合。其优点是动平衡；效率90-97%；能传递上万KW功率；噪音低于70dB(A)；当Z2-Z1≥2时，每一瞬间各齿轮啮合重迭系数ε≡2.000；单级减速比可大于100，能承受冲击和高峰载荷；寿命超过4万小时；传动精度很高；能减速又能增速；KW/kg和KW/m3值高；单位KW的成本较低。本专利设计难度较大，但结构是简单地重叠，零件制造不难，装配需技巧。
Description
本发明属机械学科行星传动技术领域。根据国际专利分类表ⅠPC5规定，可归纳于F16H1/oo或F16H21/oo的分类位置。
本申请的背景技术，是机械学科的基础理论——“平面连杆机构”和“内啮合行星轮系”这二个学术课题。行星传动，是动力机与执行机构的中介体机构。它的性能优越，正在许多领域，特别是大减速比传动中，取代常规的齿轮、蜗轮等传统方式，发展前景远大。
但行星传动技术，尚待完善。长期来看到存在以下课题：
1．运转时所产生的惯性力和惯性力矩，动不平衡，难以高速工作；
2．系杆拐臂轴承位于心脏部位，受力很大，寿命不长；
3．W输出机构不理想，很多机型采用悬臂梁格局，经常损坏；
4．多数机型结构复杂，特别是摆线针轮传动，周圈有许多孔、肖、套，齿型更难加工，工艺设计水平不高；
5．行星传动必不可缺的渐开线少齿差内啮合几何计算与强度计算方法，缺乏统一标准，众家学说纷纭，莫衷一是，实际上各有长偏。此外设计用数据相互抄袭，造成基层工厂设计人员难以适从，更需用电脑程序，推广困难。
故多年以来我们一直在酝酿着解决以上课题的具体方案。
近几年翻阅80年代出版的苏联书刊，看到《单环内啮合行星传动》的资料，经大量计算分析，认定“单环机”解决了以上大部问题，并为处理动平衡难题开辟了路径。
1991年又查到英国改进“单环机”为“三环机”的情报，受到启发。在上述基础，我们多年研究、设计并试制样机，提出了《多拐曲柄内啮合行星传动机构》专利申请(以下简称PS机)。
我们认为专利号为“85106692”，发明名称为《三环式减速(或增速)传动装置》优点很多，但存在的主要问题是并未解决惯性力与惯性力矩的动平衡。《三环式减速(或增速)传动装置》内二根曲轴的力学模型，与西北工业大学孙桓教授所著《机械原理》书第547页图13-6相同。该书的结论是：“…是动不平衡的刚性转子…需要加配重，才得完全平衡”。(1989年3月，高等教育出版社版)。所有《机械原理》高校教材，均是此观点，因此不必再论证。
本发明的目的在于避免上述现有技术中的不足之处而提供一种惯性力和惯性力矩平衡的多拐曲柄内啮合行星传动机构。
本发明的目的可以通过以下措施来达到：
一种多拐曲柄内啮合行星传动机构，它由高速轴齿轮1经过减速，带动两根曲柄轴6和环片4，使内齿轮9与中心轮5啮合，经输出轴7传出动力，其特征在于：
两根曲柄轴(6)上，各带有不少于四段的等偏心曲拐和不少于四只的环片，在空间组合成平面连杆机构，这些曲拐在空间的相位角角度差是：第一段与第二段之间为90°，第二段与第三段之间为180°，第三段与第四段之间为90°。
每只环片(4)的几何对称中心，安装内齿轮(9)。
本发明的目的还可以通过以下措施来达到：
中心轮(5)与内齿轮(9)的基准齿形为渐开线齿形或摆线齿形；内齿轮(9)与环片(4)之间装有弹性缓冲零件(8)-它是尼龙材质的圆柱销或65Mn钢材质的弹性圆柱销。
图1是本发明的传动原理图
图2是图1横剖面图。
图3是本发明的立体结构原理图。
图中：1、高速轴齿轮2、中介轮3、端齿轮 4、环片5、中心轮 6、曲柄轴7、输出轴 8、弹性缓冲零件9、内齿轮
由《理论力学》知：一个双曲柄平行四边形连杆机构，当它们的曲柄作等速旋转时，连杆上各点之运动，与曲柄梢端点的运动，完全相同。本专利申请的环片4，就是由以上连杆演化而成，而内齿轮9的中心，则设在连杆中心。
于是当双曲柄轴由机壳定位而旋转时，内齿轮9的中心，将绕输出轴7的中心而旋转。
由《机械原理》知：双曲柄的长度，如与内啮合轮副的中心距等长，则双曲柄机构旋转时，内齿轮9将围绕中心轮5作行星啮合运动，由中心轮5输出动力。
这就是《单环内啮合行星传动》的理论根据。将四片以上的“单环”串叠起来，装在一个中心轮5上，再与两根相同的曲柄轴联接(曲柄轴上各制出呈中心反对称几何形状的四段等偏心曲柄)于是就组合而成为《四拐曲柄内啮合行星传动机构》。四片内齿轮9将有顺序地绕中心轮5流转啮合。
按照同样的方法，将六片以上的“单环”串叠起来，装在一个中心轮5上，再与两根相同的曲柄轴联接(曲柄轴上各制出呈中心反对称几何形状的六段等偏心曲柄)，于是就组合而成为《六拐曲柄内啮合行星传动机构》。六片内齿轮9将有顺序地绕中心轮5流转啮合。《六拐PS机》使用于大功率和传动角误差要求特别严格之场合。
以上两种情况，作主动旋转的两根曲柄轴6，是由高速轴齿轮1，通过中介轮2带动端齿轮3而传给曲柄轴6，最后由输出轴7输出动力。
PS机的传动比计算方法
i15=n1/n5=i13×i47
i13=(Z2/Z1)×(Z3/Z2)=Z3/Z1
i45=-Z5/(Z4-Z5)
∴i15=-Z3Z5/Z1(Z4-Z5)
n7=n1/i15
Z1——高速轴齿轮齿数
Z2——中介轮齿数
Z3——端齿轮齿轮
Z4——环片上的内齿轮齿数
Z5——中心轮齿数
n1——高速轴转速(转/分)
n7——输速轴转速(转/分)
i13——从高速轴到端齿轮之间传动比
i47——内齿轮与中心轮之间传动比
i15——高轴到输出轴之间传动比
经过多年研究，试制、改进，预定的技术目标，已基本上实现。今以实例与背景技术相关的产品作效果比较：
PS——160减速机
参数如下：中心高Ho=160，中心距=150，输出轴直径d2=70，外形尺寸长×宽×高=560×310×330,imax=99，当电机1500rpm时，输出转距T2=2000Nm
A、对比重庆三环机产品样本：中心高Ho=165，中心距=175，输出轴直径d2=75，外形尺寸长×宽×高=585×200×433,imax=99，当电机1500rpm时，输出转距T2=1424Nm
结论：以Ho为对比基数，二者外形尺寸与重量接近，PS机的T2值比三环机提高1.4倍。PS机解决了动平衡，允许以3000rpm电机输入功率。
B、对比上海摆线机产品样本：中心高Ho=160者，属13号机座，d2=55，外形尺寸为390×300×355,imax=87，当电机1500rpm时，T2=800Nm
结论：以Ho为对比基数，PS机宽，但PS机比摆线机输出转矩提高2.5倍，PS机动态性能好，震动小，噪音低，允许以3000rpm电机输入功率。
C、对比SJ型少齿差行星齿轮减速器(上海核工程研究设计院研制)
中心高Ho=160者，属80机型，d2=55，外形尺寸为320×330×438,imax=91(单级)当电机1500rpm时，许用扭矩T2=800Nm
结论：与B略同，略
本发明相比现有技术具有如下优点：
1．它取消了常规的W输出机构，使行星传动形式得到彻底精简；它实现了多环、多相位、多齿流转啮合，充分发挥了齿轮内啮合传动承载能力大、性能稳定的长处。故具备了作为巨型、重载、高精度设备的条件，传递扭矩大于400千牛顿米，传动角误差小于3′～10′，可应用于冶金、矿山、起重等重型工业和精密机床、仪器、机器人、微型医药器械、彩色印刷机等领域。
2．<PS机>妥善解决了常规行星传动运转时惯性力和惯性力矩必然不能平衡的难题，故具备了作为高速机组条件，每分钟输入动力的转速可达3000转～5000转以上，能运用于航空、航天、军事科学以及增速机械领域。
3．<PS机>实现了功率分流原则，使常规行星传动拐臂轴承的沉重负荷分摊到8个(或12个)曲拐颈部；又因所有零件相对于输出轴均处于几何中心对称状态，故各支点反作用力因彼此相互抵持而大幅度降低，出现了全机组无薄弱环节的良性受力格局。所以<PS机>寿命稳定延长，具有高可靠性、高安全度，可应用于高空机械、索道缆绳运输、旅游业、高危险性作业、有毒介质环境等领域。对人体生命安全及贵重物资财产保护具有高保险系数。
4．<PS机>本质上是内外两对轮齿啮合，满足共轭齿廓啮合定理要求的充分而必要的条件，滑动比率小，又避免了各种干涉，且在各活动关节装滚动轴承，机组总传动效率η=92～98％，且η不随传动比i增大而急剧降低。〔η≠f(i-1)，效率不是传动比i的一次反比函数〕，故<PS机>是一种节能产品，比常规的蜗轮蜗杆传动，WW、N、NN、RV行星传动效率高很多。
Claims (3)
1．一种多拐曲柄内啮合行星传动机构，它由高速轴齿轮(1)经过减速，带动两根曲柄轴(6)和环片(4)，使内齿轮(9)与中心轮(5)啮合，经输出轴(7)传出动力，其特征在于：
A、两根曲柄轴(6)上，各带有不少于四段的等偏心曲拐和不少于四只的环片，在空间组合成平面连杆机构；这些曲拐在空间的相位角角度差是第一段与第二段之间为90°，第二段与第三段之间为180°，第三段与第四段之间为90°；
B、每只环片(4)的几何对称中心，安装内齿轮(9)；
2．根据权利要求1所述的多拐曲柄内啮合行星传动机构，其特征在于中心轮(5)与内齿轮(9)的基准齿形为渐开线齿形或摆线齿形。
3．根据权利要求1所述的多拐曲柄内啮合行星传动机构，其特征在于内齿轮(9)与环片(4)之间装有弹性缓冲零件(8)-它是尼龙材质的圆柱销或65Mn钢材质的弹性圆柱销。
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