对少齿差行星减速器结构的改进

2009-11-29黄清世周传喜长江大学机械工程学院湖北荆州434023

长江大学学报(自科版) 2009年1期

黄清世，周传喜 (长江大学机械工程学院，湖北荆州 434023)

对少齿差行星减速器结构的改进

黄清世，周传喜 (长江大学机械工程学院，湖北荆州 434023)

针对现有少齿差减速器存在的问题，对其结构提出了改进意见，从而得到了一种新型的少齿差减速器——完全平衡少齿差减速器。它主要由一根输入轴、两个对称安装的双偏心套、两个薄行星齿轮、一个厚行星齿轮、一个内齿轮和输出系统等组成。无需附加任何配重，便能实现整机的完全平衡。具有运转平稳、承载能力大、机械效率高等许多优点，特别适用于高速、重载场合。

少齿差减速器；结构；平衡；机械效率

渐开线少齿差行星齿轮减速器具有结构紧凑、体积小、重量轻、传动比范围大、运转平稳、制造容易、运转可靠的特点，已在轻工、化工、食品、纺织、冶金、建筑、军事装备等方面得到广泛应用。但由于其结构上的原因，也还存在承载能力不高及传动效率偏低的缺点，一般只宜用于轻载及短时工作的场合[1～3]。因此，尚有对其结构加以改进的必要。

1 现有渐开线少齿差行星齿轮减速器的问题分析

图1 常用少齿差减速器的结构简图

现有最常用的少齿差减速器的结构简图如图1。它主要由固联着2个偏心块的输入轴、装在偏心块上的转臂轴承、一个固定于机座的内齿轮、2个相位相差1800并与内齿轮啮合的齿数略小于内齿轮的行星齿轮、端面上装有若干个销轴的输出轴以及套在销轴上的销套等组成。工作时，输入轴上的2个偏心块分别通过2个转臂轴承带动行星齿轮绕内齿轮的轴线作高速的公转运动和绕自身的轴线作低速的自转运动。作行星运动的2个行星齿轮再通过其上作出的若干个柱销孔的内壁压迫销套从而推动输出轴作低速转动。

实践证明，少齿差传动主要存在如下不足：

1)转臂轴承寿命过短。转臂轴承所受的力可以分解成一个沿输入轴及偏心块中心连线方向的径向力和与之垂直的切向力。该径向力等于行星轮所受柱销的压力及轮齿啮合力的径向分力的总和。由于在少齿差情况下啮合角很大，故该径向力的值很大。而切向力等于输入扭矩除以偏心距。因偏心距极小，故该切向力也很大。这就造成了转臂轴承所受的总载荷很大。此外，因行星齿轮与输入轴的转向相反，这就使得转臂轴承内外圈的相对转速等于两者转速绝对值之和。转臂轴承一是受力过大、二是转速过高，这是造成它易于失效的原因。

2)机械效率偏低。实测结果表明，少齿差行星减速器总机械效率大约在0.73～0.91之间。连续运行时功率损失较大，并会造成机体过热等不良情况，一般只宜用于轻载及短时工作的场合。影响少齿差行星减速器总机械效率的因素很多，但最主要的是轮齿啮合效率、转臂轴承效率和输出机构效率。前两者效率偏低，是各种正号机构存在的共性问题。但同样也存在这2个问题的三环传动能获得0.92～0.98的高效率表明，输出机构的效率低才是造成少齿差传动总效率偏低的最主要原因。少齿差传动的输出机构有如图1所示的孔销式，此外常用的还有十字滑块式、零齿差式等。十字滑块式输出机构有好几个滑动摩擦副，效率不高；零齿差式的啮合效率在中心距很小时较高，但随中心距的增大会明显下降。孔销式输出机构为目前公认的最好的输出机构，但其销轴和销套间仍为滑动摩擦，传动效率仍不够高。

3)输入轴的转速不能太高。由于2个相位相差1800的行星齿轮不是位于同一平面内，只实现了惯性力合力的平衡而未实现惯性力合力偶矩的平衡。当输入轴的转速过高时，将会产生较大的振动和噪声。

2 改进少齿差减速器的结构措施

针对现有的少齿差减速器存在的问题，提出了相应的结构改进措施，从而得到了一种新型的少齿差减速器——完全平衡少齿差行星减速器。

图2 完全平衡渐开线少齿差减速器

图3 输出轴系统

渐开线完全平衡少齿差行星减速器的结构如图2所示。它主要由输入轴2个对称安装的双偏心套、薄行星齿轮、厚行星齿轮(其厚度为薄行星齿轮的2倍)、内齿轮、机壳和输出系统等组成。每个双偏心套均制有2个互差1800的偏心圆柱，2个双偏心套的4个偏心圆柱上均装有转臂轴承，以支承如图2所示的1个厚的和2个薄的行星齿轮。与各行星齿轮同时啮合的内齿轮固联在机壳上。输入轴高速转动时，行星齿轮同时作公转和低速自转运动。输出系统(见图3)由端板、若干个两端用滚动轴承支撑的转动销轴、若干个两端用螺母将端板和输出轴连接成一个整体的固定销轴及挡板等组成。转动销轴和固定销轴在同一圆周上间隔配置。固定销轴的圆柱面与行星齿轮的柱销孔不接触。转动销轴则和行星齿轮的柱销孔内壁接触，并在行星轮的驱动下将其低速运动传递给输出轴。

完全平衡少齿差行星减速器与现有的少齿差减速器比较，主要采取了2项改进性结构措施：

1)采用了一厚两薄3个行星齿轮。其中，厚行星齿轮的厚度为薄行星齿轮的2倍，且2个薄行星齿轮同步运行，厚行星齿轮和薄行星齿轮中心偏离方向互差1800。这样，它们在每一瞬时产生的惯性力都大小相等，方向相反，彼此抵消，理论上实现了机构的完全平衡，可以有效地降低减速器的振动和噪声，因而可以适当提高输入轴的转速。再者，由于转臂轴承的数量有成倍增加，提高了转臂轴承的承载能力。此外，由于完全平衡少齿差减速器的3个行星轮是对称布置的，厚行星轮和薄行星轮对高速轴的径向作用力的合力为0，在偏心套所在的轴段内已达到了彼此抵消。因此，尽管高速轴两端支撑轴承间的距离有所增大，但其高速轴的刚度并未因此而降低，两端支撑轴承的载荷也达到了最小。

2)采用了简支梁式转动销轴输出机构。由于转动销轴两端有滚动轴承支撑，取消了原结构中的滑动摩擦副，因而可以较大幅度提高输出机构的传动效率。这样可望使整机的总效率达到三环传动的水平，将少齿差减速器用于连续传动的场合就会变成现实。这里需要说明的是，尽管转动销轴比现有的少齿差减速器的销轴减少了一半，但由原来的悬臂结构改为了简支梁结构，且其直径也增大为原销套的直径，故仍可传递更大的功率。