摆线针轮行星减速器方案设计

（山西工程职业学院，山西 太原 030009）

0 引言

摆线针轮行星减速器是机械装备中应用广泛的传动装置。要使机械传动的传动效率高、结构更紧凑，需要具有合理的减速器结构。摆线针轮行星传动是K-H-V 行星齿轮传动的一种，它与渐开线少齿差行星齿轮传动的工作原理基本相似。它们的不同点在于：摆线针轮行星传动的行星齿轮齿廓曲线是变幅外摆线的内侧等距曲线（通常采用短幅外摆线的等距曲线），而不是渐开线。整个传动装置由三部分构成，即输入部分、输出部分、减速部分。

在结构设计等方面，国内学者进行深入研究，建立了一系列设计理论及方法。如韩双江等运用SolidWorks 运动仿真，探讨了摆线成形原理及设计要求对摆线行星减速器的摆线轮齿廓形状复杂、难加工等问题，研究了准确绘制摆线轮齿廓形状的方法[1]。陈兵奎等运用理论分析和数值算例，提出了齿间具有双接触线的新型摆线传动是在摆线针轮行星传动中采用双包络啮合理论产生的，研究了其啮合特性，并试制及测试了传动误差，结果表明双包络理论能够运用于摆线针轮行星传动[2]。

风电变桨减速器通常使用行星轮系2K-H 类NGW型，以及摆线针轮变桨减速器，如吴声震的三个专利：风电单级变桨双摆线减速器[3]、风电双摆线变桨减速器[4]、风电三片摆线变桨减速器[5]。本文通过分析现有风电变桨减速器，并且梳理了国内外减速器结构设计发展情况，合理的设计风电变桨减速器结构，以期提高减速器的传动效率、承载能力以及使用寿命。

1 传动方案设计及选择

图1 传动的运动简图

已知风电变桨减速器的输入功率P0=6.5kW，输入转速n0=1700r/min，传动比要求150～200（按传动比i=151 设计），使用寿命为20 年。根据变桨减速器技术参数要求，查阅相关资料，针对初步确定的摆线针轮行星传动，提出三种不同摆线针轮减速器方案，并通过对比分析选择其中的最佳方案。然后计算所选最佳设计方案中各齿轮参数及传动比，并进行转速计算、效率计算、受力分析等运动学分析。

方案一：采用二级传动，第一级、第二级分别为渐开线圆柱齿轮行星传动和摆线针轮行星传动，传动运动简图如图1 所示。

方案二：采用二级传动，第一级、第二级均采用摆线针轮行星传动，传动运动简图如图2 所示。

方案三：采用一级传动，传动方式为RV 传动（即曲轴式封闭差动轮系），其中应用了摆线针轮行星传动，传动运动简图如图3 所示。

图2 传动运动简图

图3 传动运动简图

由于摆线针轮行星传动的单级传动比为6～119，而本设计要求传动比为150～200，所以方案一、二分别采用了渐开线圆柱齿轮行星传动加摆线针轮行星传动的形式和两级摆线针轮行星传动的形式；方案三采用的是RV 传动，其单级传动比可达31～171。

方案设计中的三种方案均能满足要求，其中方案一、二均为二级传动，方案三为一级传动，方案三采用了RV传动，RV 传动是在摆线针轮行星传动基础上发展起来的一种新型传动，它具有体积小、重量轻、传动比范围大、传动效率高等一系列优点，比普通的摆线针轮行星传动具有更小的体积和更大的过载能力，且输出轴刚度大。因而相对方案一和方案二而言，方案三在体积、重量等方面具有更明显的优势，更适合作为风电变桨减速器的传动方案。

综上所述，最终确定选择方案三，即采用RV 传动。

2 转速与传动比计算

针对前面选择的设计方案，初步确定各齿轮齿数、传动比分配及构件的转速。已知输入转速，总传动比，则，输出转速：

其中：n1为中心轮1 输入转速，n6为输出轴6 输出转速。

根据差动轮系转换轮系法，在渐开线齿轮中，给整个轮系加一个公共的转速“-n6”，此时渐开线圆柱齿轮行星机构转变为定轴轮系，因而有：

当整体轮系加上一个整体转速“-n6”后，摆线针轮行星轮系转化为一个差动轮系，针轮的转速，摆线轮在渐开线行星齿轮自转转速“”推动下做平动，故。摆线轮圆心绕偏心距为e 的曲轴做半径为e、转速为的圆周运动，因此，摆线轮中心可以视为有一个假想的转速为的系杆所带动，按照差动轮系计算传动比的公式得：

所以：

则：

3 传动效率计算

根据RV 传动效率计算公式[6]，假设啮合摩擦损失是功率损失的主要部分，不计轴承摩擦损失，根据行星传动转换机构法[7]，行星传动摩擦损失功率等于转换机构的摩擦损失功率，若：

则：

因封闭差动齿轮传动的RV 传动比i16是组成它的各个传动的运动内传动比（当转臂固定时，相应的各个传动的运动传动比）的函数：

因而，封闭差动齿轮传动效率为：

指数x1、x6取值表示：“+1”表示运动传动比与功率流方向相同，“-1”表示运动传动比与功率流方向相反。

综上，得到：

在RV 传动中，主要功率损失有啮合摩擦损失和滚动轴承的摩擦损失，因而RV 传动的传动效率为：

计算RV 传动的传动效率：

4 受力分析

初步计算时不考虑传动过程中的摩擦损失及载荷分配不均等因素，设输入转矩Ta，输出转矩Tb。

图4 齿轮1 和齿轮2 受力简图

综上可得：

以摆线轮为研究对象，它受到两种作用力[8]：针齿对摆线轮的啮合作用力Fi，其水平方向和垂直方向合力分别表示为∑Fix、∑Fiy；曲轴对摆线轮的反作用力F34，为计算方便将其分解成Fj1、Fj2、Fj3。则：

为了便于分析将曲轴对摆线轮的作用力分解为Fj1、Fj2、Fj3。其中∑Fj1只对摆线轮中心产生力矩，并与Fjx产生的力矩平衡；Fj2、Fj3分别与∑Fjx、∑Fjy平衡。因而有：

以输出轴圆盘为研究对象，设曲轴对圆盘两侧的作用力分别为R1x、R1y和R2x、R2y。输出力矩为Tb，则切向方向根据力矩平衡得：

以曲轴为研究对象，分别对曲轴中心力矩平衡和切向力平衡，曲轴转动到某一角度时的受力简图如图5 所示。

根据受力简图得出方程式：

可以得到：

根据上式可以得出结论：输出转矩等于输入转矩与摆线轮所受转矩之和（不考虑摩擦损失）。

图5 曲轴受力简图

以转臂轴承为研究对象，转臂轴承受力R 大小为：

则：

计算得到：

5 总结

针对风电变桨减速器技术要求，笔者提出了三种不同摆线针轮减速器原理方案，并选择了RV 传动作为最佳设计方案；针对选择的最佳设计方案，确定了各齿轮齿数及进行了传动比分配；推导了减速器整体传动比计算公式，计算了传动效率，并对关键零件进行了受力分析。