CN210034325U - 一种高精度行星少齿差双差速减速机构 - Google Patents

一种高精度行星少齿差双差速减速机构 Download PDF

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Abstract

本实用新型提供了一种高精度行星少齿差双差速减速机构,属于传动机械技术领域。减速机构包括两端开口的筒状的机体、以及分别遮闭机体两个开口的前盖和端盖,机体内设有三个行星轮、一个太阳轮、一个外套内齿圈、三片内齿板、一根输出齿轮轴、一根输入轴、三根偏心轴和一个行星架,内齿板的中心位置具有一多齿内齿圈,输出齿轮轴上具有与多齿内齿圈配合形成少齿差传动副的少齿外齿圈;偏心轴上键连接有两个偏心套,偏心套外圆上套装一安装在安装孔内的轴承,使偏心轴呈一曲柄结构;偏心套位于行星架内,行星架与偏心轴之间通过轴承连接,行星轴上的两个偏心套的相位角相差为180°。本实用新型具有精度高、速比大、传动平稳、运行可靠等优点。

Description

一种高精度行星少齿差双差速减速机构
技术领域
本实用新型属于传动机械技术领域,涉及一种高精度行星少齿差双差速减速机构。
背景技术
减速机构应用广泛,通常与各类电机配套,作为各种设备中电机与执行机构之间的传动机构,起着降低转速,增大扭矩,传递功率的作用。精密减速机主要用于机器人、机械手、数控机床、自动化生产线、科学仪器、医疗器械化工、军工、航天航空、智能移动设备、物流、机械停车、起重、冶金、包装、塑料机械等行业装备的驱动机构。也可以作为各类减速器的前端减速装置。
精密减速器是指能够实现精确传动的减速机构,与普通减速器相比,除了满足传动的各个基本性能外,其关键指标是齿轮传动背隙,其主要指标涉及传动效率、噪声和振动等。在许多应用领域,还涉及到减速机的传动速比范围、输入转速范围、功率密度、过载能力等指标。另外,工作可靠性、使用寿命、安装维护保养便易程度、环境适应性等也是评价精密减速机性能的重要依据。
国内外现有精密减速器主要是高精度的行星减速器、圆柱齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速器、少齿差类减速器等。
行星减速器的特点是运行平稳,噪声小,效率高,可靠性强,单级速比一般在12以内,可通过多级叠加实现大速比传动。缺点是设计制作要求高,配齿繁琐,速比匹配较困难,装配和维修难度大。目前,在机器人、机械臂、自动化生产线等领域,中小功率精密行星减速器的应用比重较大。
圆柱齿轮减速器的优点是设计简单,速比匹配容易,是应用最广泛的减速器类型。缺点单级传动速比小,体积大,功率密度低,整机性能受制作条件影响较大。
蜗轮蜗杆减速器的有点是单级传动比较大,传动精确,在一定条件下具有自锁性能。缺点是效率低,磨损大。
少齿差类减速器的传动比特大,同时进入啮合区齿数较多,过载能力大。如果采取了功率分流和相位平衡布置,齿轮啮合背隙可相互抵消,可实现高精度传动,可靠性强,结构简单,制作容易,体积小,功率密度高,在低速重载工况尤其适用。缺点是存在死点冲击,对曲柄上轴承、偏心套的要求高。近年来随着对少齿差类减速机构研发的不断深入,在中小功率高精度传动领域的应用不断增大。
宗上所述,目前的精密减速机,还存在着各方面的缺陷,
本人曾在2008年申请了专利号为CN20081177029Y的中国专利(申请一),其名称为:恒星少齿差减速器,包括恒星齿轮族输入级、少齿差内啮合齿轮副构成的输出级、机座、前端盖、后端盖、轴承盖,恒星齿轮族输入级包括1个太阳轮——圆柱齿轮和3套恒星曲柄机构以星形组合布置构成,所述的少齿差内啮合齿轮副构成的输出级包括输出轴、输出外齿轮、分别由3组,每组各3个呈正三角形布置的偏心轴共同驱动作平面运动的3片内齿轮板,输出外齿轮与内齿轮板中心的内齿轮构成少齿差内啮合齿轮副。并于2014年申请了专利号为CN201410187365.X的中国专利(申请二),名称为:立体车库升降机构用减速电机,申请二为对申请一的进一步升级,并将其应用于立体车库升降电机。
上述申请一和申请二均已经成为成熟产品,主要应用在机械停车、起重机、水工机械、冶金、矿山、木工、建材等装备行业,发挥了其速比大、体积小、过载能力强、适合于低速重载工况、性价比高的优势。然而,随着供应商的精度要求越来越高,应用范围越来越广泛,其任然存在如下缺陷:但在精密传动领域,尤其是中小功率精密传动领域,其性能仍然存在缺陷:
精密减速器领域本没有这种减速器,应用最多的是精密行星减速器,要与它比性能,才能进入这个市场。申请一和申请二的出发点是突出大速比、自锁安全性,小体积、适合低速重载工况等优点,主要用途是与特种设备如机械停车和起重机配套的,并不是作为精密减速器而设计。本方案主要是突出高精度、高可靠性,运行平稳、噪声振动小、体积小,重量轻,性价比高的优点,从而适合于替代目前的精密减速器,从原理和结构上固然是继承和借鉴了申请一和申请二,因此要和现在市场上的精密减速器相比。总之,本方案的目的就是用行星少齿差减速器的结构和原理,达到比精密行星减速器好的效果,使产品进入目前精密减速器的应用领域。
本方案高精度高精度的特性主要来自平面少齿差级,由于多块内齿板之间相位平衡,使进入啮合区和退出啮合区的每一齿,都有与之对应的齿,形成背隙对冲抵消,消除了回程间隙。
本方案高可靠性的特性主要来自于在传动链的各环节都进行了功率分流,例如行星轮、偏心轴、内齿板等主要受力构件都是 3个而不是单个,因此构件传递功率承载冗余度大,安全系数大。另一原因是少齿差级多齿啮合,减轻了齿轮受力。
本专利的运行平稳性、噪声小的特性主要来自于1、啮合角大,多齿啮合,减小了齿轮啮合冲击。2、多相位平衡布置使死点振动抵消3、第一组差动使内齿板的平动振动因存在反向差动而抵消。 4、内齿板与输出齿轮啮合副齿形为双摆线,内外齿形成共轭面接触啮合。
本专利结构精巧,体积小,重量轻,性价比高的优势,主要来自于将行星传动和少齿差传动无缝融合,其重点还在少齿差级。行星输入级的主要作用,一是降低输入速度,使少齿差级能平稳运行;二是进行功率和运动分流;三是形成偏心轴的自转和行星架的公转,形成第一级差动,这是很重要的专利点,单独的行星传动或少齿差传动时不可能的,只有将两者对接才能形成。少齿差级传递速比特大,一级少齿差传动就可实现目前多级行星减速器的速比效果,优势突出。目前精密行星减速器用多级组合来解决大速比问题,因而造成体积大,造价高,累积背隙大的缺点。
另外,实施方案中,增加了第二方案,就是不设置内齿圈的,这种方案在软起动性能上有突出优势。
一:输入转速太高会导致行星轮传动平稳性急剧变差,且磨损严重,加上其本身相对较小的尺寸,散热和润滑效果变差。润滑不充分,在卧式(输出轴水平)放置时,处于高位的曲柄轴系中轴承得不到充分的润滑,加上机体内空间体积较小,散热效果差,不适合于连续工作制。
转动惯量比行星减速器大很多,采用伺服电机时,功率响应相对迟钝,转动惯量是刚体绕轴转动时惯性的量度,由于上述的恒星少齿差减速器中行星轮的驱动完全依赖太阳轮,并没有其他传动部件给予其旋转的扭矩,从而造成转动惯量较大,响应迟钝。
输入转速不可过高。对于高速级恒星轴系的设计,在空间尺寸受到限制的条件下,主要是考虑其对分流功率的作用,导致高速级传动比过小,对第二级曲柄轴系的降速效果不大。由于存在曲柄系,所以激励振动振幅峰值比行星减速器高,当输入速度超过1460rpm时,曲柄过死点会有类似发动机的撞击声,虽然平均实测噪声比行星减速器低,但是来自行星轮的噪音和不平稳造成的激励振动振幅峰值较高。
速比受限,在相同外廓尺寸下,虽然上述的恒星少齿差减速器能够达到较高的速比,但是,随着应用范围和应用场景的增多,速比任然不尽如人意,限制了其市场份额。
使用寿命不是很长,上述的恒星少齿差减速器行星轮磨损严重,使其使用寿命较短,且对行星轮对应的轴承的要求较高。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对现有的技术存在的上述问题,提供一种高精度行星少齿差双差速减速机构,本实用新型所要解决的技术问题是如何提高减速运行精度、增大速比的范围和可供选择的速比数量、提高工作靠性、平稳性和使用寿命。
本实用新型的目的可通过下列技术方案来实现:一种高精度行星少齿差双差速减速机构,其特征在于,减速机构包括两端开口的筒状的机体、以及分别遮闭机体两个开口的前盖和端盖,所述机体内设有三个行星轮、一个太阳轮、一个外套固定在机体上的内齿圈、三个内齿板、一根输出齿轮轴、一根输入轴、三根偏心轴和一个行星架,三根偏心轴的一端分别固连三个行星轮,所述太阳轮固连输入轴,各所述行星轮周向均匀分布在太阳轮外侧,且各行星轮同时啮合太阳轮和内齿圈,所述内齿圈与机体固定连接,所述内齿板的中心位置具有一多齿内齿圈,所述输出齿轮轴上具有与多齿内齿圈配合形成少齿差传动副的少齿外齿圈;所述内齿板上还开设有三个周向均匀分布在多齿内齿圈外侧的安装孔;所述偏心轴上键连接有三个偏心套,所述偏心套外圆上套装一安装在安装孔内的轴承,使偏心轴呈一曲柄结构;所述偏心套位于行星架内,所述行星架与偏心轴之间通过轴承连接,所述偏心轴上的三个偏心套的相位角相差为分别为0°-180°-360°;所述前盖通过轴承与输入轴相连,所述端盖通过轴承与输出齿轮轴相连。三个行星轮的模数、齿数、几何参数、齿轮旋转相位角完全相同,三根偏心轴的轴心线与太阳轮的轴心线互相平行,并以太阳轮的轴心线为中心线呈正三角形布置,三个行星轮都与太阳轮形成定轴外啮合齿轮副,由太阳轮集中驱动,使三个行星轮同步自转,并在内齿圈的作用下公转;三根偏心轴对应位置的偏心套的相位角完全相同,通过偏心套的作用,三根偏心轴上的曲柄作完全同步的偏心旋转,共同驱动三片内齿板作平面运动,并随行星架的旋转而形成反向公转。
(除了内齿圈驱使行星轮公转和行星架反向自转外,其他结构与在前申请的申请二中减速机部分的结构相同,除必不可少的说明外,其他具体细节和参数在此不予赘述)。
在上述的一种高精度行星少齿差双差速减速机构中,所述内齿圈通过一法兰连接机体和前盖。
在上述的一种高精度行星少齿差双差速减速机构中,所述多齿内齿圈的齿数大于少齿外齿圈的齿数,两者齿数差是1~5之间的整数。
在上述的一种高精度行星少齿差双差速减速机构中,所述行星架包括两块端板和连接在端板之间的若干根连杆,所述端板与偏心轴之间通过轴承相连,所述连杆有六根,且两两一组形成包裹内齿板的球笼结构。
在上述的一种高精度行星少齿差双差速减速机构中,所述多齿内齿圈和少齿外齿圈采用双摆线或渐开线齿轮的齿形。
输入级是一级NGW行星减速装置,内齿圈固定,行星架输出,不同之处在于:行星轮放置在行星架外端部,内齿板位于行星架内。
第二级(输出级)是借用本人的专利(申请一),该机构是在三环减速器基础上变化而来的,与三环减速器相比,其特点如下:
一、偏心轴由2根变成3根,以太阳轮为中心正态分布,以3 支点约束内齿板的平面运动,比2支点要稳定。
二、输入端由太阳轮将功率平均分流到3根偏心轴,因此3 根偏心轴均是主动轴,使少齿差机构运行更加平稳,尺寸减小。三环减速器通常是将输入端功率和旋转传递在2根偏心轴的中的一根上,另一根作为被动支撑轴,造成两根偏心轴的受力情况差异很大。
三、偏心轴上沿轴向依次布置3个偏心套,偏心套的相位依次为0°—180°—360°,两块内齿板平面运动的相位也相应的是0 °—180°—360°,这样的好处是极大抵消了死点对偏心轴支撑轴承的冲击。使振动和噪声峰值明显降低。
四、输出端:内齿板与输出齿轮轴啮合副的齿形为双摆线,内外齿运行中基本上是共轭啮合,啮合面远大于摆线针轮,与渐开线齿形相比,由线接触变为面接触,极大改善了齿轮的受力状况,因此齿轮模数比渐开线小得多。同样尺寸下,可以安排更多的齿数,这对于少齿差机构提高速比范围十分重要。
第一级行星齿轮结构的行星架是第二级平面少齿差机构的安装体。
传动比配置方案:
同一机座号,内齿板不变,行星齿轮系的中心距不变。速比的变化通过改变输入级太阳轮、行星轮、内齿圈的齿数配比和改变输出级齿差数来确定。
行星轮系中心距不变,设定4个配比,根据用户对输入转速和转动惯量的要求,可以分为有内齿圈和无内齿圈两种方式,分别得到4个速比,因此输入级可以得到2*4=8个速比,输出级少齿差啮合副内齿板齿数不变,改变输出齿轮齿数,设定1、2、3、 4、5共5种齿差数,形成5个速比,因此,每个机座号可有8x5=40 个速比可供选择。如果需要超过1000以上的速比,可以前端加行星级。安装方式可以是地脚、法兰、悬挂等。
传动说明
第一级行星传动,太阳轮输入,内齿圈固定,行星架输出,正号机构。行星轮的自转和公转,形成两条传动链:
第一条传动链是行星轮的公转:形成行星架的自转,行星架的自转方向与太阳轮的旋转同向,旋转速度等于行星轮的公转转速;
行星架的自转,形成内齿板的随动自转,其转速和方向均与行星架相同。
第二条传动链是行星轮的自转,形成偏心轴的自转。偏心轴与行星轮连接,其旋转方向和转速均与行星轮相同,其自转方向与太阳轮相反;
偏心轴上装有偏心套,每块内齿板通过轴承安装在3根偏心轴的偏心套上。偏心轴的自转,形成了内齿板的平面运动。由于 3根偏心轴以太阳轮轴心线正态分布,因此内齿板的平面运动轨迹,是以太阳轮轴心线为中心,以偏心套偏心量为半径的圆。内齿板平动的角速度与偏心轴自转速度相同,旋转方向也相同。
由于行星轮的自转和公转,输出的两条传动链在内齿板上汇合,对内齿板形成两个运动,一是自转,二是平动,两者轴心重合,方向相反,形成第一组差动。因此,内齿板沿着太阳轮中心线的平动角速度,是其平动和自转角速度之差,所以该机构总速比远大于行星传动减速机构和少齿差传动机构的速比之和,起到了一加一大于二的作用。
在内齿板中央是多齿内齿圈,与输出轴齿轮形成少齿差啮合付(其原理不再赘述),即第二组差动,内齿板上的齿圈输入,输出齿轮轴输出。至此,形成了行星传动+少齿差传动的双差动减速传动链。
本方案相比申请一和申请二(其中的减速机构)而言具有如下优点:
一:由于行星架系出于旋转动平衡状态,在高速运转中能起到均载作用,因此最大输入转速大大提高。
二、行星轮受到太阳轮传动的同时,也受到内齿圈的传动,转动惯量小,功率响应相对灵敏,噪音降低,传动更加平稳。
三、速比增加,在相同外廓尺寸下,相同齿数的行星轮和少齿差传动机构下,速比可达到申请一和申请二中减速机构的1.5 倍以上(具体数据在实施例中有具体分析和依据)。
四、使用寿命长,由于磨损小,传动平稳,不仅可以减小行星轮对应的轴承、偏心轴对应的轴承的规格,且可以达到更好的延寿效果。
五、精度高,精度高的原因在于:虽然本机构存在多级减速 (具体而言是两级,第一级是行星减速,内齿圈固定,行星轮的自转对偏心轴输出自转,偏心轴的自转形成内齿板的平面运动,行星轮的公转对行星架输出自转,内齿板随行星架同步自转,使内齿板形成平面运动的同时还形成与平面运动转向相反的自转,这是第一级差动。第二级是少齿差减速,内齿板的平面运动和自转叠加后,与输出齿轮形成少齿差啮合副,形成第二级差动减速),但是形成啮合背隙的仅限于行星机构,因为少齿差减速机构啮在理论上可以形成无背隙传动,因为3片内齿板的相位角依次为0°—180°—360°,在任意位置,任意一对齿进入啮合区时,总有另外一片内齿板上的一对齿从反向进入啮合区,因此背隙相互对冲抵消,同时,因为少齿差内啮合传动时,啮合角较大,同时进入啮合区的齿数很多,并且从不同相位包绕着输出齿轮,因此,就该机构的平面少齿差减速级而言,无论传动比多大,其背隙理论上为零。这与目前多级精密行星减速器有明显的区别,多级行星减速机构的背隙误差是由由各级齿轮间传动间隙叠加形成,随着级数的增加减速精依次度低,而本机构的背隙只由第一级行星传动形成,不会随速比最大而增加。因此,只要将第一级行星齿轮的精度控制在一定范围内,就可使整机达到比精密行星减速器高得多的精度。
六、本申请设置一个内齿圈,内齿圈固定,使行星齿轮的自转和公转同时输出到偏心轴和行星架,且二者转向相反,形成第一级差动输出,在不改变原结构的前提下,对内齿板的旋转速度大幅度降低,也即是第二级少齿差传动的输入速度降低,因而总传动比大幅度增加,因为虽然申请一和申请二中的恒星减速机构没有行星架,然而三角形的内齿板反应在圆形的机体上,其内部空间也是浪费的,并不能很好的缩减,从而使得增加了行星架后也不会增大机体的外廓尺寸,内齿圈位于行星轮外侧和机体内侧之间,也没有增大机体原本的外廓尺寸,这对于精度要求较高的机器人、数控机床等设备上的减速应用具有非常好的效果。
七、本申请行星架处于旋转状态,使安装在行星架上的行星轮、偏心轴、偏心套、内齿板、轴承能得到充分的润滑和热交换,从根本上改善了润滑散热状况,同时,对噪声振动也起到很好的抑制效果。因而极大提高了产品的使用寿命和可靠性。
附图说明
图1是本减速机构的原理图。
图2是本减速机构组装后的立体结构示意图。
图3是图2的分解图。
图4是图2沿输入齿轮轴轴线方向的截面图。
图5是图4中B-B方向上的截面图。
图6是图4中C-C方向上的截面图。
图中,P、行星轮;S、太阳轮;R、内齿圈;I、内齿板;T、输出齿轮轴;Q、输入轴;E、偏心轴;C、行星架;C1、端板;C2、连杆;A1、多齿内齿圈;A2、少齿外齿圈;1、机体;2、前盖;3、端盖;4、安装孔;5、偏心套。
具体实施方式
以下是本实用新型的具体实施例并结合附图,对本实用新型的技术方案作进一步的描述,但本实用新型并不限于这些实施例。
如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示,减速机构包括两端开口的筒状的机体1、以及分别遮闭机体1两个开口的前盖2 和端盖3,机体1内设有三个行星轮P、一个太阳轮S、一个内齿圈R、两个内齿板I、一根输出齿轮轴T、一根输入轴Q、三根偏心轴E和一个行星架C,三根偏心轴E的一端分别固连三个行星轮P,太阳轮S固连输入轴Q,各行星轮P周向均匀分布在太阳轮 S外侧,且各行星轮P同时啮合太阳轮S和内齿圈R,内齿圈R 与机体1固定连接,内齿板I的中心位置具有一多齿内齿圈A1,输出齿轮轴T上具有与多齿内齿圈A1配合形成少齿差传动副的少齿外齿圈A2;内齿板I上还开设有三个周向均匀分布在多齿内齿圈A1外侧的安装孔4;偏心轴E上键连接有两个偏心套5,偏心套5外圆上套装一安装在安装孔4内的轴承,使偏心轴E呈一曲柄结构;偏心套5位于行星架C内,行星架C与偏心轴E之间通过轴承连接,偏心轴E上的两个偏心套5的相位角相差为180°;前盖2通过轴承与输入轴Q相连,端盖3通过轴承与输出齿轮轴 T相连。
三个行星轮P的模数、齿数、几何参数完全相同,三根偏心轴E的轴心线与太阳轮S的轴心线互相平行,并以太阳轮S的轴心线为中心线呈正三角形布置,三个行星轮P都与太阳轮S形成定轴外啮合齿轮副,由太阳轮S集中驱动,使三个行星轮P同步自转,并在内齿圈R的作用下公转;三根偏心轴E对应偏心套5 的相位角完全相同,通过偏心套5的作用,三根偏心轴E上的曲柄作完全同步的偏心旋转,共同驱动两片内齿板I作平面运动,并在行星架C的作用下反向公转(此部分内容除了内齿圈R驱使行星公转和行星架C反向公转外,其他结构与在前申请的申请二中减速机部分的结构相同,除必不可少的说明外,其他具体细节和参数在此不予赘述)。
内齿圈R通过一法兰连接机体1和前盖2;多齿内齿圈A1的齿数大于少齿外齿圈A2的齿数,两者齿数差在1~5之间。
行星架C包括两块端板C1和连接在端板C1之间的若干根连杆C2,端板C1与偏心轴E之间通过轴承相连,连杆有六根,且两两一组形成包裹内齿板I的球笼结构。多齿内齿圈和少齿外齿圈A2采用双摆线齿轮。
输入级是一级NGW行星减速装置,内齿圈R固定,行星架C 输出,不同之处在于:行星轮P放置在行星架C外,内齿板I位于行星架C内。
第二级(输出级)是借用本人的专利(申请一),该机构是在三环减速器基础上变化而来的,与三环减速器相比,其特点如下:
一、偏心轴E由2根变成3根,以太阳轮S为中心正态分布,以3支点约束内齿板I的平面运动,比2支点要稳定。
二、输入端由太阳轮S将功率平均分流到3根偏心轴E,因此 3根偏心轴E均是主动轴,使少齿差机构运行更加平稳,尺寸减小。三环减速器通常是将输入端功率和旋转传递在2根偏心轴E 的中的一根上,另一根作为被动支撑轴,造成两根偏心轴E的受力情况差异很大。
三、偏心轴E上沿轴向依次布置2个偏心套5,偏心套5的相位依次为0°—180°—360°,两块内齿板I平面运动的相位也相应的是0°—180°—360°,这样的好处是极大抵消了死点对偏心轴E 支撑轴承的冲击。使振动和噪声峰值明显降低。
四、输出端:内齿板I与输出齿轮轴T啮合副的齿形为双摆线,内外齿运行中基本上是共轭啮合,啮合面远大于摆线针轮,与渐开线齿形相比,由线接触变为面接触,极大改善了齿轮的受力状况,因此齿轮模数比渐开线小得多。同样尺寸下,可以安排更多的齿数,这对于少齿差机构提高速比范围十分重要。
第一级行星齿轮结构的行星架C是第二级平面少齿差机构的安装体。
传动说明
第一级行星传动,太阳轮S输入,内齿圈固定,行星架C输出,正号机构。行星轮P的自转和公转,形成两条传动链:
第一条传动链是行星轮P的公转:形成行星架C的自转,行星架C的自转方向与太阳轮S的旋转同向,旋转速度等于行星轮 P的公转转速;
行星架C的自转,形成内齿板I的随动自转,其转速和方向均与行星架C相同。
第二条传动链是行星轮P的自转,形成偏心轴E的自转。偏心轴E与行星轮P连接,其旋转方向和转速均与行星轮P相同,其自转方向与太阳轮S相反;
偏心轴E上装有偏心套5,每块内齿板I通过轴承安装在3 根偏心轴E的偏心套5上。偏心轴E的自转,形成了内齿板I的平面运动。由于3根偏心轴E以太阳轮S轴心线正态分布,因此内齿板I的平面运动轨迹,是以太阳轮S轴心线为中心,以偏心套5偏心量为半径的圆。内齿板I平动的角速度与偏心轴E自转速度相同,旋转方向也相同。
由于行星轮P的自转和公转,输出的两条传动链在内齿板I 上汇合,对内齿板I形成两个运动,一是自转,二是平动,两者轴心重合,方向相反,形成第一组差动。因此,内齿板I沿着太阳轮S中心线的平动角速度,是其平动和自转角速度之差,所以该机构总速比远大于行星传动减速机构和少齿差传动机构的速比之和。
在内齿板I中央是多齿内齿圈A1,与输出轴齿轮形成少齿差啮合付(其原理不再赘述),即第二组差动,内齿板I上的齿圈输入,输出齿轮轴T输出。至此,形成了行星传动+少齿差传动的双差动减速传动链。
传动链路线图如下表
Figure DEST_PATH_GDA0002288549780000141
传动计算,下表为各传动件的转向示意
机构 代号 自转方向 公转方向
太阳轮 S +
行星轮 P - +
行星架 C +
内齿圈 R 0 0
偏心轴 E - +
内齿板 I + -平动
输出齿轮 T +
第一级,NGW行星传动,太阳轮输入,行星架输出,内齿圈固定,正号机构。
iSC R=1+ZR/ZS 方向相同 1
行星架转速为
ψSC R=ψS/iSC R
=ψS/(1+ZR/ZS) 2
行星轮转速为:
ψP=ψS*ZS/ZP 3
平面少齿差机构传动,公转+自转,行星架的自转给平面少齿差附加了一个公转差动,与内齿板运动方向相反,此时,
内齿板的总转速为:
ψI=ψPSC R
=ψS*ZS/ZPS/(1+ZR/ZS)
=ψS*ZS(1/ZP-1/(ZS+ZR)) 4
平面少齿差机构传动,自转,假设行星架固定
iIT C=ZT/(ZI-ZT) 方向相反 5
输出齿轮转速为:
ψC=ψI/iIT C
=ψC*ZS(1/ZP-1/(ZS+ZR))*(ZI-ZT)/ZT 6
减速器总速比为:
i=ψCS
=ZT/ZS/(1/ZP-1/(ZS+ZR))/(ZI-ZT) 7
式7是本传动机构的速比计算的基本公式。
第二种实施方式:取消输入级内齿圈,形成惯性软起动特性。
从式1可以看出,当ZR=0(即取消内齿圈)时,
iSC R=1+ZR/ZS=1+0/Zs=1 8
此时,减速器总速比为:
i=ZT/ZS/(1/ZP-1/(ZS+ZR))/(ZI-ZT)
=ZT/ZS/(1/ZP-1/(ZS+0))/(ZI-ZT)
=ZT/ZS/(1/ZP-1/ZS)/(ZI-ZT) 9
从式8可以看出:在取消内齿圈的情况下,行星架的转速与输入太阳轮相等,旋转方向相同,为1:1传动。此时行星架与电机轴同速自转,除了向下一级传递转速和功率的减速功能外,因行星架系统具有很大的转动惯量,起到了惯性飞轮的效果,在起动时储存能量,从起动到达到额定运行速度之间有一个缓冲时间和缓冲行程,在制动时也是逐渐释放能量,这一特性有着很特殊的意义:
在很多应用场合,例起重机大小车运行机构、冶金铁水包转运装置、平面移动式机械停车库、数控机床旋转工作台等,为了减轻运行机构起动和停止时的惯性冲击,要求电机的起动和制动能量逐渐释放,即软起动和软制动。为了达到这种效果,有的电机是在电机轴上串联设置一个惯性飞轮,以增大电机的转动惯量,即惯性飞轮式软起动电机,这种设置在进口软起动电机中使用较常见,其优点是软起动和软制动效果好,且没有影响到电机绕组本身的运行功率特性,不存在功率损失,效率很高。但这毕竟是为了单一的目的而设置的,从结构上看有些累赘,并且对电机轴的运转平衡有影响,需要对转子轴系进行精确的动平衡实验和校正,制作繁琐且增大了成本,这种软起动电机的价格通常增加20%以上,而且电机轴向尺寸明显加长。
本实用新型的第二种实施方式,在取消输入级内齿圈后,减速器内的行星轮系自然成为了惯性飞轮,其软起动原理和效果与前述软起动电机相同。相较而言,因本实用新型中因行星轮系中各零件均是绕主轴中线均布,不存在运动平衡问题,减速器也没有增加任何装置,成本不增反降,只需配套普通电机,就可以达到与软起动电机同等的软起动效果,也为用户节省了成本,一举三得。
举例计算:
Figure DEST_PATH_GDA0002288549780000161
Figure DEST_PATH_GDA0002288549780000171
第一种实施方案:
第一级行星轮:
假设太阳轮转速ψS=1460rpm
速比:iSC R=1+ZR/ZS=1+210/39=6.3846
行星架转速(内齿板自转转速):
ψSC R=ψS/iSC R=ψS/(1+ZR/ZS)
=1460/(1+210/39)
=228.6748rpm
行星轮转速为:
ψP=ψS*ZS/ZP
=1460*39/81=702.960rpm
输出齿轮转速为:
ψC=ψI/iIT C
=ψS*ZS(1/ZP-1/(ZS+ZR))*(ZI-ZT)/ZT
=1460*39*(1/81-1/(39+210))*(30-29)/29
=16.35477rpm
减速器总速比为:
i=ψCS
=ZT/ZS/(1/ZP-1/(ZS+ZR))/(ZI-ZT)=29/39/(1/81-1/ (39+210))/(30-29)=89.27
对比计算:在同样的齿轮参数下:
相同尺寸参数下,行星齿(传统行星减速机构)的速比为
I=(ZS+ZR)/ZS
=(210+39)/39
=6.3846
相同尺寸参数下,申请二中恒星少齿差减速器速比为:
IS=ZP*ZT/(ZI-ZT)/ZS
=81*29/(30-29)/39
=60.23077
由此可见,在不改变齿轮参数的情况下,这种行星+少齿差总速比有明显的优势,是行星传动总速比的14倍,是恒星少齿差传动的1.48倍。
第二种实施方案:不设置输入级内齿圈,ZR=0
减速器总速比为:
i=ZT/ZS/(1/ZP-1/ZS)/(ZI-ZT)
=29/39/(1/81-1/39)/(30-29)=-55.9286
性能特点比较分析
以额定输出转矩相当的精密行星减速器与我们生产的少齿差减速器进行对比,在小速比时,两者参数相当,
就背隙精度而言,如果不考虑前端行星传动机构齿轮的背隙,后端的少齿差传动级精度远高于精密行星机构。所以该指标主要决定于行星级。
由于行星少齿差双差动减速器单级速比可达到1:1000左右,并不明显增大构件重量和尺寸,在大速比时,不需要通过增加级数来增大速比,因此表现出比较明显的优势。目前精密行星减速器用多级组合来解决大速比问题,因而造成体积大,造价高,累积背隙大的缺点。特别是在低速重载工况时,本专利相对于行星减速器、圆柱齿轮减速器、少齿差减速器、三环减速器而言,优势更加突出。
就制作成本而言,同等输出扭矩下,行星少齿差双差动减速器,特别是扭矩较大时,行星少齿差双差动减速器优势较为明显。比硬齿面圆柱齿轮减速器低40%左右。
润滑状况比三环、圆柱齿轮减速器要好。
噪音方面,根据经验,2000Nm以下,100速比以内,本减速机构可控制在64分贝以下。
Figure DEST_PATH_GDA0002288549780000191
从对比表可以看出,本方案相比申请一和申请二(其中的减速机构)而言具有如下优点:
一:由于行星轮P受太阳轮S和内齿圈R的限制,啮合更加平稳,最大输入转速大大提高。
二、行星轮P受到太阳轮S传动的同时,也受到内齿圈R的传动,转动惯量小,功率响应相对灵敏,噪音降低,传动更加平稳。
三、速比增加,在相同外廓尺寸下,相同齿数的行星轮P和少齿差传动机构下,速比可达到申请一和申请二中减速机构的 1.5倍左右(具体数据在实施例中有具体分析和依据)。
四、使用寿命长,由于磨损小,传动平稳,不仅可以减小行星轮P对应的轴承、偏心轴E对应的轴承的规格,且可以达到更好的延寿效果。
五、精度高,精度高的原因在于:虽然本机构存在多级减速 (具体而言是三级,分别为行星机构减速、少齿差减速和行星架 C公转减速),但是形成啮合间隙的仅限于行星机构,因为少齿差减速机构啮合面极大,在理论上可以判定为无间隙传动(假如无限大的齿数,且齿数差仅仅为1的话,而实际上其传动间隙也是非常小的),行星架C与偏心轴E轴承连接,也可以判定为无传动间隙,且内齿圈R的存在,对行星轮P的限位和应力抵消作用,使行星减速机构的传动间隙进一步缩小,从而具有非常高的精度,传统多级行星减速机构的误差由各齿轮间传动间隙叠加形成,减速精度低。
六、本申请设置一个内齿圈R,且将行星架C与偏心轴E相连,使行星架C形成第三级减速,在不改变原结构的外廓的前提下,对速比进行了再一次的缩减,因为虽然申请一和申请二中的恒星减速机构没有行星架C,然而三角形的内齿板I反应在圆形的机体1上,其内部空间也是浪费的,并不能很好的缩减,从而使得增加了行星架C后也不会增大机体1的外廓尺寸,内齿圈R位于行星轮P外侧和机体1内侧之间,也没有增大机体1原本的外廓尺寸,这对于精度要求较高的机器人、数控机床等设备上的减速应用具有非常好的效果。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代,但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种高精度行星少齿差双差速减速机构,其特征在于,减速机构包括两端开口的筒状的机体(1)、以及分别遮闭机体(1)两个开口的前盖(2)和端盖(3),所述机体(1)内设有三个行星轮(P)、一个太阳轮(S)、一个内齿圈(R)、三片内齿板(I)、一根输出齿轮轴(T)、一根输入轴(Q)、三根偏心轴(E)和一个行星架(C),三根偏心轴(E)的一端分别固连三个行星轮(P),所述太阳轮(S)固连输入轴(Q),各所述行星轮(P)周向均匀分布在太阳轮(S)外侧,且各行星轮(P)同时啮合太阳轮(S)和内齿圈(R),所述内齿圈(R)与机体(1)固定连接,所述内齿板(I)的中心位置具有一多齿内齿圈(A1),所述输出齿轮轴(T)上具有与多齿内齿圈(A1)配合形成少齿差传动副的少齿外齿圈(A2);所述内齿板(I)上还开设有三个周向均匀分布在多齿内齿圈(A1)外侧的安装孔(4);所述偏心轴(E)上键连接有两个偏心套(5),所述偏心套(5)外圆上套装一安装在安装孔(4)内的轴承,使偏心轴(E)呈一曲柄结构;所述偏心套(5)位于行星架(C)内,所述行星架(C)与偏心轴(E)之间通过轴承连接,所述偏心轴(E)上的三个偏心套(5)的相位角相差为分别为0°-180°-360°;所述前盖(2)通过轴承与输入轴(Q)相连,所述端盖(3)通过轴承与输出齿轮轴(T)相连,三个行星轮(P)的模数、齿数、几何参数、齿轮旋转相位角完全相同,三个行星轮(P)的轴心线与太阳轮(S)的轴心线互相平行,并以太阳轮(S)的轴心线为中心线呈正三角形布置,三个行星轮(P)都与太阳轮(S)形成定轴外啮合齿轮副,由太阳轮(S)集中驱动,使三个行星轮(P)同步自转,并在内齿圈(R)的作用下公转;三根偏心轴(E)对应位置的偏心套(5)的相位角完全相同,通过偏心套(5)的作用,三个行星轴上的曲柄作完全同步的偏心旋转,共同驱动三片内齿板作平面运动,并随行星架(C)的旋转而形成反向公转。
2.根据权利要求1所述一种高精度行星少齿差双差速减速机构,其特征在于,所述内齿圈(R)通过一法兰连接机体(1)和前盖(2)。
3.根据权利要求1或2所述一种高精度行星少齿差双差速减速机构,其特征在于,所述多齿内齿圈(A1)的齿数大于少齿外齿圈(A2)的齿数,两者齿数差在0~5之间的整数。
4.根据权利要求1或2所述一种高精度行星少齿差双差速减速机构,其特征在于,所述行星架(C)包括两块端板(C1)和连接在端板(C1)之间的若干根连杆(C2),所述端板(C1)与偏心轴(E)之间通过轴承相连,所述连杆(C2)有六根,且两两一组形成包裹内齿板(I)的球笼结构。
5.根据权利要求1或2所述一种高精度行星少齿差双差速减速机构,其特征在于,所述多齿内齿圈(A1)和少齿外齿圈(A2)采用双摆线渐开线齿轮的齿形。
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