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    技術知識:
    曾勵——連桿行星齒輪過約束機構的研究
    時間:2018/3/24 14:13:07

    連桿行星齒輪過約束機構的研究

    (申請重慶大學博士論文)

    博士生:曾勵

    導師:梁錫昌  教授

    副導師:秦大同  教授

    專業:機械制造

    重慶大學機械傳動國家重點試驗室

    1引論
    1.1少齒差行星傳動的發展及其特點
    少齒差行星齒輪傳動是行星傳動中的一種,它由一個外齒輪與一個內齒輪組成一對內嚙合輪子副,內外齒輪的齒數相差很小,故簡稱為少齒差傳動。少齒差傳動的類型很多,德國人首先提出擺線針輪行星齒輪傳動原理,三十年代后期日本開始研制生產這種傳動,由于當時工藝條件落后,齒形加工精度很低,因而產量不高,直到六十年代擺線磨慶的出現,從工藝上保證了擺線齒形的精度,才促進了這種傳動的發展,擺線針輪傳動是少齒差傳動中應用最廣泛,最基本的一種類型,在此基礎上還發展了二齒差傳動,復合齒形、行星軸承與偏心套合并等新結構。擺線針輪傳動承載能力高,運轉平穩,效率高,壽命長。但加工精度要求高,結構復雜。
    漸開線少齒差傳動的原理與擺線少齒差傳動基本相同,其區別在于內外齒輪的齒廓曲線采用漸開線,其輪齒結構簡單、嚙合接觸應力小,承載能力高,可以采用軟齒面,加工也容易得多。但,由于當內嚙合的一對漸七線齒輪齒數差很小時,極易產生各種干涉,在設計過程中選擇齒輪幾何參數的計算十分復雜。早在1949年,蘇聯學者就從理論上解決了實現一齒差傳動的幾何計算問題,但直到六十年代以后,隨著電子計算機的普及運用,漸開線少齒差傳動才得到了較專迅速的發展。目前有柱銷式、零齒差、十字滑塊、浮動盤等多種形式。
    漸開線少齒差傳動的特點是齒輪用普通的漸開線齒輪刀具和齒輪機床就可以進行加工,不需要特殊的刀具與專用設備,材料也可采用普通齒輪材料,因此加工方便、制造成本較低。但其傳動效率不如擺線少齒差傳動高。
    在六十年代,國外就開始探討圓弧少齒差傳動,到七十年中期,日本已開始乾地圓弧少齒差行星減速器的系列化生產。這種傳動的特點在于行星輪的齒廓曲線凹圓弧代替了擺線,輪齒與針齒在嚙合點的曲率方向相同,形成兩凹凸圓弧的內嚙合,從而提高了輪齒的接觸強度和嚙合效率,其針齒不帶齒套,并采用半埋齒結構,既提高了變曲強度又簡化了針齒結構。此外,圓弧形輪齒的加工無需專用機床,精度也易保證,而且修配方便。這種傳動目前在國內也有研制。
    近幾十年來,又相繼出現了一些新的少齒差傳動形式,其中發展較快的有活齒少齒差傳動,錐齒少齒差傳動,雙曲柄輸入式少齒差傳動,以及利用彈性變形來傳遞運動的諧波傳動。實踐表明,少齒差傳動與適用工況相同的其它機械傳動形式相比較,具有許多顯著優點:體積小、重量輕、結構緊湊、傳動比范圍大、效率高等。
    國內是五二年代開始從事少齒差傳動研究的。1958年開始研制擺線針輪減速器,六十年代投入工業化生產,目前已形成系列,制定了相應的杯準。并廣泛用于各類機械設備中。1960年制成第一臺二齒差漸開線行星齒輪減速器,其傳動比37.5,功率為16KW,用于橋式重機的提升機構中。1956年我國著名的機械學家朱景梓教授根據雙曲柄機構的原理提出了一種新型少齒差傳動機構,其特點是當輸入軸旋轉時,行星輪不是作擺線運動(高速公轉與低速自轉的合成),而是通過雙曲柄機構導引作圓周平動。這種獨特的“雙曲柄輸入少齒差傳動機構”得到當時國內外同行的高度平價。1963年未景梓教授在太原工學院學了上發表了“齒數差Zd=1的漸開線K-H-V型行星齒輪減速器及其設計”一文,詳細闡述了漸開線少齒差傳動的原理和設計方法。他所從事的這些創造性工作,為少齒差行星齒輪傳動在我斬草除根推廣應用起了重要的指導作用。雙曲柄輸入少齒差傳動的優點是能使行星軸承的載荷下降,而且當內齒板作為行星輪時,行星軸承的徑向尺寸可不受限制,從而提高了行星軸承的壽命。另外,這種傳動不需要輸出機構,還可實現平行軸傳動,結構簡單,效率高,適用性強。但是,由于歷史原因,雙曲柄輸入式少齒差傳動一直沒有得到應用的發展,直到近十年才逐漸為人們所重視。1985年,冶金工業部重慶鋼鐵設計院陳宗源高級工程師提出了平行軸式少齒差內齒行星齒輪傳動——三環減速器,并于同年以“三環式減速(或增速)傳動裝置”申請了國家發明專利。英國在1989年也出現了類似的少齒差傳動裝置。但是,按這種原理設計出來的減速器,一根曲軸上要安狀三片內齒板,不得不制成偏心套結構、結構復雜,加工分度精度要求高,而且在工作過程中,偏心套受交變扭矩的作用,在與曲軸聯結的表面產生微動磨損,導致發熱;另外,三套互為120°相位差的雙曲柄機構之間存在多次過約束,由于加工及裝配誤差容易導致附加沖擊載荷,引起振動和噪聲。1987年,捷克人Soulek·Josef提出一塊齒板上布置三個曲柄軸的內齒行星傳動,并申請了專利。但他提出的結構方案由于工藝性很差而不能實用。1993年重慶大學博士研究生催建昆提出一種新型軸銷式少齒差行星齒輪傳動,并對其進行了理論分析。
    1.2連桿行星齒輪傳動
    隨著少齒差傳動應用日益廣泛,國內外學者在齒形分析、結構優化、接觸分析、結構強度、動態性能、傳動效率、運動精度等方面進行了大量的研究,取得了許多有價值的成果,并成功地開發出不少新少齒差行星傳動形式。目前,我國正在研究、生產很熱門的一種連桿行星齒輪傳動——平行軸式少齒差內齒行星齒傳輸線傳動。該類傳動是以連桿內齒輪(齒輪)為行星齒輪,采用雙曲柄輸入,且元輸出機構。主要有一齒環(一片連桿行星齒板)=、二齒環(二片連桿行星齒板)、三環(三片連桿行星齒板)及四環(四片行星齒板)等結構形式的減速器。圖1-1是三環減速器的基本結構及工作原理簡圖。兩根互相平行且各具有三個偏心軸頸(或偏心套)的高速軸2,動力通過其中任一軸或兩軸同時輸入,三片連桿行星齒板(內齒輪)1通過軸承裝在高速軸上,外齒輪3的軸為低速軸,其軸線與高速軸2軸線平行,高、低速軸均通過軸承支承在機體上。三片齒板1與外齒輪3嚙合,嚙合的瞬時相位差呈120°角。

    連桿行星齒輪傳動機構還有如圖1-2所示的各種形式。圖1-1和圖1-2(a)、(b)、(d)、(e)均為平行四邊形機構,圖1-2(e)為反平行四邊形機構。其中圖1-2(d)、(e)的連桿行星齒輪為外齒輪,其余均為內齒輪。

    由于連桿行星齒輪傳動的輸入機構是平行四邊形雙曲柄機構,故存在“死點”問題。即當曲柄與連桿行星齒板中心線共線時,機構處理運動不確定位置。其傳動角為零,機構無法運動。因此,目前國內外關于雙曲柄輸入式連桿行星齒輪傳動的研究,重點在于如何克服雙曲構機構的“死點”的方法,主要有以下幾種。
    1、用多相并列雙曲柄機構克服“死點”
    由于雙曲柄機構在曲柄旋轉一周要經過對稱的兩個“死點”位置,可以采用兩相(套)以上的并列雙曲柄機構以克服“死點”的不確定性。如三環減速器(見圖1-1),它是由相位差互為120°的三套平行雙曲柄機構組成的三相并列雙曲柄機構。當某一套雙曲柄機構位于“死點”位置時,另兩套雙曲柄機構通過支承高速軸傳遞扭矩推動其越過“死點”位置。這種結構的缺點是軸向尺寸大,中間齒板安裝比較困難,必須采用偏心套形式。高速軸上的鍵槽分度精度要求高。另外,三片行星齒輪,運轉過程中容易出現載荷分配不均的現象。采用這種原理克服“死點”的連桿行星齒輪傳動還有單齒環(見圖1-3)等減速器。

    2、用雙曲柄輸入(雙軸輸入)克服“死點”
    雙曲柄機構中,如果在兩根曲軸上都有動力輸入,則“死點”位置也就自然不存在了。因此,可以通過一套定軸傳動機構把動力從一輸入高速軸傳遞到另一高速軸,從而克服機構“死點”。根據這種原理制成的雙曲柄輸入少齒差行星齒輪裝置之不理的類型很多,如太原工學院五十年代研制的雙曲柄輸入漸開線少齒差減速器(見圖1-4)、英國專利(見圖1-5)、、重慶鋼鐵公司研制的單齒環雙曲柄輸入少齒差減速器(見圖1-6)、日本松本和幸等人研制的RV減速器(見圖1-7)。其特點都是通過外嚙合齒輪副將輸入動力分流、傳遞到多個曲柄軸上,形式多軸輸入,從而克服“死點”。這種結構的特點是其傳動比為定軸傳動的傳動比與少齒差行星齒輪傳動的傳動比之乘積,因而可以通過改變外嚙合齒輪的齒數方便函地滿足不同傳動比的要求,適應性強。其不足之處是結構復雜,而且在高速軸之間存在兩平行傳動的剛性傳動鏈(外齒輪嚙合副和雙曲柄機構)對誤差比較敏感,加工精度要求很高。

    3、用多曲柄機構克服“死點”
    這種克服“死點”的方法是在連桿上布置兩個以上的曲柄,任意三個曲柄的旋轉中心不共線。這樣在同一平面上形成多個雙曲柄機構。當連桿行星齒板運動到某一曲柄機構的“死點”位置時,另外的雙曲柄機構不處于“死點”位置,可以傳遞動力和運動從而使行星齒板越過該閏置。常見的孔銷式少齒差行星齒輪減速器就是根據這一原理制成的(見圖1-8)。捷克專利“減速裝置(Rductor)”中利用了三曲柄軸機構作為少齒差行星齒輪傳動的輸入機構,三個曲柄軸構成120°均勻分布(見圖1-9)。這種結構的特點是實現單齒板傳動而無“死點”,但由于有兩個以上的曲柄軸,加工精度要求高。另外,結構比較復雜,安裝不太方便。催建昆博士提出的軸銷工落齒差行星齒輪傳動,通過兩偏心軸頸(曲柄)再加一個或兩個銷軸(相當于曲柄軸)構成的三曲柄機構來克服“死點”(見圖1-10),其特點是結構簡單,能實現單齒板傳動。

    1.3 課題的提出
    少齒差連桿行星齒輪傳動克服了同軸式少齒差行星傳動的行星軸承受力大,壽命矩、整機振動大、噪聲大等人們力求解決的難題,具有結構簡單,傳動比大,體積小、重輕、傳動效率高等優點。由于采用軟齒面的漸開線齒輪內嚙合,故接觸承載的齒對數多,具有優良有承載和過載能力,而且齒輪生產成本比硬齒面造價低,加工精度要求低。因此,少齒差連桿行星齒輪傳動比較適合我國目前的經濟發展水平。特別是三環減速器,發展速度非?,已開始批量生產,并已列為冶金工業部部頒標準。也是國家和重慶市重點項目之一。該減速器若能在各大工業部門廣泛應用,必然會帶來巨大的經濟效益,但由于它問世僅幾年時間,在設計、生產和應用過程中存在著許多問題。
    1、缺乏全面的理論分析和實驗研究
    目前,對三環減速器的結構原理運動學分析、動力學分析、材料強度、動態性能和噪聲分析、制造工藝及應用特點等方面,均末開展較全面的,系統的理論和實驗研究,使設計工作缺乏依據,只能用類比設計或借助于二分粗略的模型進行受力計算,使得減速器性能不穩定、大大地阻礙了該產品的推廣應用。
    2、加工、安裝調整要求高
    從三環減速器原理上分析可知,一根曲軸上要安裝三片帶齒的環板,不得不制成偏心套結構,且三塊環板必須互成120°,加工精度要求高,需有專業技術人員安裝和調整,否則,由于加工誤差將使三片環板產生力紛爭,引起振動、沖擊、噪聲等,這樣勢必增加加工成本。
    3、存在較大的振動、沖擊、噪聲等問題
    三環減速器在使用過程中存在著較為嚴重的振動、沖擊、噪聲問題,特別是重載中、高速情況下更為突出。高速軸附近箱體、箱蓋和環板因沖擊載荷時有受研裂的現象出現。
    本課題的提出,在于為少齒差連桿行星齒輪傳動的減速器建立一套較完整的動力分析求解模型。為設計計算、實驗研究三環減速器等內齒行星傳動提供理論依據。它既是重慶市科委資助項目,也是重慶大學機械傳動國家重點實驗室開放基金項目。
    1.4論文的工作概述
    論文對連桿行星齒輪過約束機構的位移協調原是進行了系統的。全面的研究,提出包括間隙、齒形誤差、多齒變化經承載和彈性變形在內的位移協調節器條件,建立了單齒環、雙齒環及齒環減速器的一般動力發分析模型。特別針對三環減速器進行了詳盡的動動力分析和振動研究,得出的結果與實測情況基本一致。
    論文的研究工作主要包括以下幾個方面:
    ●提出了過約束機構的靜不定次數計算方法和構件、組件的位移協調原理,并以此為基礎提出適合于連桿行星齒輪傳動過約束機構的位移協調原理。具體內容見第二章。
    ●針對各類平行軸式少齒差內齒行星傳動機構,進地了詳盡的建模、分析、求解。解決了三環減速器等內齒行星傳動的靜、動載荷及其嚙合力的理論計算問題。具體內容見第三章。
    ●利用有限元法,通過加單位載荷,計算行星齒板、偏心套等構件在各受力作用位置的整體柔度及剛度。具體內容見第四章。
    ●提出了三環減速器的精確動力分析模型,并以SHQ40型三環減速器為例,進行模型求解,分析其動力特性及其影響因素,具體工作見第五章。
    ●提出了三環減速器振動參數的計算公式;從理論與實驗兩方面對三環減速器進行了振動特性研究,驗證了理論的正確性,提出了降低三環減速器振動的改進設計方案。

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