微小型变厚齿轮减速装置的关键技术研究

第1章 绪论 1.1 研究目的和意义 随着科学技术的进步和国民经济的发展，减速装置正沿着小型化、高速化、标准化、低振动、低噪声的方向发展[1-2]。各行各业对微小型减速装置的要求越来越高，特别是航空航天领域中对微小型减速装置的需求越来越大，要求也越来越苛刻。航空用微小型减速装置必须同时具备体积小、重量轻、输出扭矩大、噪声低、回差小、传动平稳、可调间隙、传动效率高和可靠性高等特点，这使得传统减速装置的性能一直很难满足航空航天领域的发展需要。 航空航天产业属于战略性先导产业。世界航空航天市场总额已高达数千亿美元，并且正以每年10%左右的速度稳步增长。我国政府近年来在该领域的投入明显增加，一系列鼓励航空航天产业发展的配套政策陆续出台并实施。由于在航空航天设备中应用着大量的微小型减速装置，这些装置的性能直接决定着航空航天设备的工作性能。因此，微小型减速装置的设计与制造技术的发展，在一定程度上标志着一个国家航空航天业的发展水平[3-4]。开拓和发展微小型减速装置技术具有重要的战略意义和广阔的发展前景。 根据某型导弹尾翼控制系统调整装置的特殊需要（垂直输入输出、外径100mm、轴向小于80mm、输出扭矩150N-m、输出轴弯矩1500N-m和回差≤8'等），在旋转矢量（rotate vector，RV）减速器的基础上，创造性地将一种新型的RV传动方式应用于微小型减速装置中，本书所研究的微小型RV减速器具有重量轻、体积小、传动效率高、传动比大、刚度大和传动平稳等优点，而且为了减小系统的回差，将渐开线变厚齿轮（简称变厚齿轮，它具有在不同端截面上变位系数不同的特点，若将变位系数设计成沿轴线呈线性变化，则其外形体现为齿顶沿轴向具有一定的锥度，这样，通过控制其轴向位移就可以调节齿轮的啮合侧隙，实现调隙或消隙的目的[5-6]）应用于RV减速器中，通过专门设计的消隙机构，方便地调节两啮合齿轮的啮合侧隙[7]，减少系统回差，实现精密传动，使该减速装置成为具有自动调隙的微小型可调隙变厚齿轮RV减速器。该装置适用于对径向尺寸要求苛刻的各种场合，具有很高的实用价值。 1.2 传动装置的研究现状 1.2.1 谐波传动装置研究现状 谐波传动自20世纪50年代中期出现后成功地用于火箭、卫星等的传动系统中，实际应用证实了这种传动较一般的齿轮传动具有运动精度高、回差小、传动比大、重量轻、体积小、承载能力大并能在密闭空间和辐射介质的工况下正常工作等优点，是一种比较理想的传动装置。因此美国、苏联、日本等技术先进国家对这方面的研制工作一直都很重视，并开展了广泛的研究。如美国国家航空航天局刘易斯研究中心、美国空间技术实验室、美国电能设备集团有限公司、贝尔航空空间公司、麻省理工学院，苏联科学院机械学研究所、莫斯科国立鲍曼技术大学等单位都大力开展谐波传动的研究工作。它们对该领域进行了较系统、深入的基础理论和试验研究，在谐波传动的类型、结构、应用等方面有较大贡献。西欧一些国家也在航空航天、机器人、数控机床等领域采用谐波齿轮传动，并取得了较好的效果。我国从1961年开始这方面的研制工作，并在研究、试制和使用方面取得了较好的成绩。典型的谐波传动装置结构如图1-1所示[8-9]。 图1-1 谐波传动装置结构示意图 由于其本身固有的结构特点，作为决定传动寿命的柔轮强度问题是研究的重心，谐波传动是通过柔轮的弹性变形来实现运动传递的，变形的柔轮与刚轮啮合并非共轭齿廓啮合，可能导致过量的柔顺、过量的间隙，造成刚度不够，在传递载荷时弹性变形回差较大，不可避免地影响传动的精度和寿命。而且随着使用时间的增长，其运动精度还会显著降低。 因此，在航空航天领域采用具有较高的运动精度且使用刚性大、回差小的精密传动装置代替刚性小的谐波传动，具有十分深远的意义。 1.2.2 少齿差传动装置研究现状 少齿差传动是行星齿轮传动中的一种，而且代表着行星齿轮传动的一个发展方向。少齿差内啮合行星传动，就是指内外齿轮齿数差很小的内啮合的变位齿轮传动，因组成其啮合副的内外齿轮的齿数相差较少（一般为1～4）而得名，通常简称为少齿差传动[1]。按照齿轮齿形的不同，可以将少齿差传动分为渐开线少齿差传动、摆线少齿差传动、圆弧齿少齿差传动、活齿少齿差传动、锥齿少齿差传动、双曲柄输入式少齿差传动等类型[10-11]。 目前在工程上已广泛采用的渐开线少齿差行星传动均属K-H-V型行星传动[12-13]。K-H-V型少齿差行星传动机构具有传动比大、结构紧凑、体积小和重量轻等优点，因而得到了广泛的应用。该种传动装置通常都带有W运动输出机构，行星齿轮既做公转运动又做自转运动。公转运动是减速装置的输入运动，自转运动是输出运动，两者又汇集在行星轮上，如图1-2所示。这种传动机构刚度低、附加动载荷大，特别是传递较大功率时，振动和噪声大，严重影响了它的应用和推广。基于上述问题，国内外学者进行了深入广泛的研究，在K-H-V型行星齿轮传动的基础上又发展出双曲柄输入式少齿差行星传动机构，其机构简图如图1-3所示。这样，一方面省去了等角速度比机构W，避免了由它所带来的弊病；另一方面用一个平行四边形机构（双曲柄）代替行星架，设置了同步啮合的定轴齿轮副，经减速后再将运动输送给少齿差轮系，这样可获得更大的速比，使机构更为紧凑和有效，当总速比相同时，动轴上齿轮的速度较低，运转比较平稳，动载荷和噪声较小。 图1-2 K-H-V型行星传动 b-内齿轮；g-行星轮；H-行星架；W-等角速度比机构；V-输出轴 图1-3 双曲柄输入式少齿差行星传动 1-太阳轮；2，3，g-行星轮；4-输出轴； b-内齿轮；H-行星架 德国学者首先提出以外摆线为齿廓曲线，而且其中的一个齿轮采用摆线针轮少齿差行星传动原理，并于20世纪30年代后期在日本研制生产。中国从1958年开始研究摆线针轮减速器，20世纪60年代投入工业化生产，目前已形成系列，制定了相应的标准，并被广泛应用于各类机械设备中[14]。摆线针轮行星齿轮传动由于其主要零部件皆采用轴承钢并且经过磨削加工制成，传动时又是多齿啮合，故其承载能力高、运转平稳、效率高、寿命长，但其精度要求高、结构复杂。渐开线少齿差传动的内外齿轮的齿廓曲线采用渐开线，但是因为内外齿轮的齿数差很小而容易引起各种干涉，但早在1949年苏联学者Skvolzova就从理论上解决了实现一齿差传动的几何计算问题，但直到60年代以后才得到了较迅速的发展[15]。1961年，日本开始从事双曲柄输入式行星传动装置的开发和生产，这种传动具有刚性高、超负荷能力强等优点。1983年，日本又开始进行高刚性、高精度、低振动的机器人用传动装置（RV传动机构）的研究[16-17]。20世纪70年代，联邦德国Chrisholm-Moore制造公司生产的两种起重用卷扬机也采用了双曲柄输入式少齿差行星传动机构。1986年，法国专利局也公布了与RV传动机构类似的摆线齿形、渐开线齿形两种行星减速器专利[6，12]。 我国太原理工大学的朱景梓教授所提出的双曲柄输入式少齿差减速器，其理论分析和实验研究工作在1985年即已完成，并于同年在太原工学院机械厂试制出**台样机。1983年，天津卷扬机厂成功把输入功率为7.5kW的双曲柄输入式二齿差减速器应用于该厂生产的一吨快速卷扬机上。1990年，华东化工学院与天津职业技术师范学院共同研制双曲柄输入式渐开线行星减速器，并应用在北京人民机器厂生产的PZ4-880型双开四色胶印机上[6，12]。 实践证明，与工况相同的其他机械传动形式相比较，渐开线少齿差传动具有以下优点： （1）加工方便、制造成本较低。渐开线少齿差传动的特点是用普通的渐开线齿轮刀具和齿轮机床就可以加工齿轮，不需要特殊的刀具与专用设备，材料也可采用普通齿轮材料。 （2）传动比范围大，单级传动比为10～1000以上。 （3）结构形式多，应用范围广。由于其输入轴与输出轴可以在同一轴线上，也可以不在同一轴线上，所以能适应各种机械的需要。 （4）结构紧凑、体积小、重量轻。由于采用内啮合行星传动，所以结构紧凑。当传动比相等时，与同功率的普通圆柱齿轮减速器相比，体积和重量均可减少1/3～2/3。 （5）效率高。当传动比为10～200时，效率为80%～94%，效率随着传动比的增加而降低。 （6）运转平稳、噪声小、承载能力大。由于是内啮合传动，两啮合轮齿一为凹齿、一为凸齿，两者的曲率中心在同一方向，曲率半径又接近，因此接触面积大，使轮齿的接触强度大为提高；又因采用短齿制，轮齿的弯曲强度也提高了。此外，少齿差传动时，不是一对轮齿啮合，而是3～5对轮齿同时接触受力，所以运转平稳、噪声小，并且在相同的模数情况下，其传递力矩比普通圆柱齿轮减速装置大。 由于历史原因，双曲柄输入式少齿差传动一直没有得到应用发展，直到近二十年才逐渐为人们所重视。1985年，冶金工业部重庆钢铁设计院李宗源高级工程师提出了平行轴式少齿差内齿行星齿轮传动——三环减速器，该装置继承了双曲柄输入式少齿差传动的优点，但是，按这种原理设计出来的减速器具有如下的缺点： （1）不适合高速运转。由于三环减速器本身传动机构由三块大的环板组成，其运动惯量很大，在高速运行的时候，其不稳定性会凸现出来，运转噪声会随着速度的加快而上升。同时高速运行情况下，会对轴承和轴产生很大的剪切力，缩短使用寿命。 （2）加工成本高。现在三环减速器需要比较精密的加工设备，才能达到其加工和装配精度的要求，同时加工周期也需要很长的时间。 （3）重量大。由于三环减速器必须有三个互相平行的轴，其空间要求比较大，材料浪费比较严重。 1.2.3 RV传动装置研究现状 20世纪80年代中期，日本出现了在双曲柄输入式少齿差行星传动机构基础上完善起来的RV传动机构，并由日本帝人株式会社成功研制出应用于机器人的摆线针轮RV减速器。自1986年投放市场以来，其独特的优越性能引起学术界的关注，系列产品也得到用户的青睐。同年，日本专利局公开了日本住友重机械工业株式会社研制的应用在油压机上的RV减速器专利[18]。 1986年，法国专利局也公布了两种与RV传动机构类似的摆线齿形、渐开线齿形行星减速器专利。综上所述，在双曲柄输入式少齿差行星传动机构基础上发展起来的RV系列减速器具有许多独特的性能，适应现代机械发展的要求，是少齿差行星传动的一个新的发展方向。 RV传动与其他少齿差传动相比较，其优点为刚度大、弹性回差小、抗冲击能力强，具有突出的优势。此外，RV减速器是机器人用减速器中刚性*高的低振动减速器，对提高传动的精度和动态特性非常有利，因此在航空航天领域、高精度机器人关节传动中，RV减速器已成为谐波减速器的换代产品。目前，RV技术主要用于航空航天和高端机器人领域，以日本公司为主基本垄断商业市场。主要生产商有日本帝人株式会社、三菱集团和住友重机械工业株式会社等，世界年销量超过五十万台，占据工业机器人关节传动市场的60%以上。图1-4为日本帝人制造的RV系列减速器外形图。 图1-4 日本帝人制造的RV系列减速器外形图 日本生产的RV减速器，均采用一级渐开线齿轮和一级摆线针轮传动，为了得到小回差和使载荷均匀分布，要求很高的制造精度，所以售价也比较高。 机器人用RV减速器采用一级渐开线齿轮传动和一级少齿差内啮合变厚齿轮传动，是哈尔滨工业大学李瑰贤教授领导的团队在国家863项目的资助下，针对机器人关节等精密传动的需要而开发的一种新型的具有完全自主知识产权的传动装置[19]。该团队首次成功地将变厚齿轮应用于减速装置中，用变厚齿轮来代替RV传动中的摆线针轮，使该减速装置具有体积小、传动比大、承载能力大、刚度大、运动精度高以及传动效率高等优点，为RV减速器的国