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機(jī)電工程學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)外文資料翻譯
設(shè)計(jì)題目: 汽車(chē)減速器殼加工工藝及專(zhuān)用機(jī)床設(shè)計(jì)
譯文題目: 少齒差環(huán)式齒輪減速器研究評(píng)述
學(xué)生姓名： 劉延輝
學(xué) 號(hào)： 2004142023
專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 機(jī)自0402
指導(dǎo)教師： 馬玉平
正文：外文資料譯文 附 件：外文資料原文
指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)：
簽名： 年 月 日
正文：
機(jī)械工程學(xué)院，天津大學(xué)，天津，300072,P.R.中國(guó)
少齒差環(huán)式齒輪減速器研究評(píng)述
摘要--由于少齒差環(huán)式齒輪減速器有高傳輸率，高承載能力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及低制造成本的特點(diǎn)，從而在中國(guó)學(xué)術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域被引起高度重視。但是，因?yàn)槿狈ο到y(tǒng)的分析方法和設(shè)計(jì)理論，它的應(yīng)用是有限的。本文對(duì)環(huán)式減速器的介紹涉及到受力分析，承載能力，平衡和減輕振動(dòng)，機(jī)械效率和系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面。此外，還介紹了一些尚待解決問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：環(huán)式齒輪減速器，受力分析，承載能力，平衡，減振，效率。
一、 引言
少齒差環(huán)式齒輪減速器的前身是K-H-V少齒差同軸行星齒輪系，它有兩個(gè)缺點(diǎn)：行星齒輪軸的極限尺寸和它的使用壽命短;并且必須有輸出聯(lián)接機(jī)構(gòu)，如圖1所示。
圖.1 K-H-V 傳輸草圖
1985年，一名中國(guó)工程師陳宗元，發(fā)明了三環(huán)傳輸，巧妙地克服了K-H-V傳輸?shù)纳鲜鰡?wèn)題[ 1 ]。
三環(huán)傳輸如圖2所示。
圖.2三環(huán)傳輸
在平行四桿機(jī)構(gòu)中作為曲柄的輸入軸1和支撐軸2，是偏心輪部件的一部分。平行四桿機(jī)構(gòu)中的聯(lián)接件3，即環(huán)板，同時(shí)也是一個(gè)裝在輸出軸4上的內(nèi)齒輪與外齒輪嚙合旋轉(zhuǎn)圍繞的固定軸。輸入軸不旋轉(zhuǎn)的平移運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)環(huán)板3。三個(gè)平行四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)置，避免曲柄和聯(lián)接件在一直線時(shí)有不定度。這個(gè)相角是120度。單級(jí)傳動(dòng)時(shí)傳動(dòng)比的范圍在11-99，雙級(jí)傳動(dòng)是可達(dá)到9801，如果需要可以達(dá)到更高。
為了達(dá)到可視化的目的，一個(gè)對(duì)稱(chēng)的三環(huán)減速器CAD實(shí)體模型如圖3所示。
與其它變速箱相比，三環(huán)變速箱有高傳輸率，高承載能力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且低生產(chǎn)成本等特征，因此引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)領(lǐng)域關(guān)注。
在中國(guó)，這一變速箱已經(jīng)應(yīng)用在冶金工業(yè)，采礦業(yè)，交通運(yùn)輸，建筑和輕工業(yè)。不過(guò)，由于研究開(kāi)發(fā)的局限和早期設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)，仍然存在一些問(wèn)題，如振動(dòng)，環(huán)板破裂，軸承使用壽命短。在某種程度上，破壞了它的形象，也限制它進(jìn)一步應(yīng)用。
在本文中，是在受力分析，承載能力，平衡和減輕振動(dòng)，機(jī)械效率和系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方面做的評(píng)論。
圖.3.三環(huán)減速器（對(duì)稱(chēng)）
二、 受力分析
這種環(huán)式變速箱，是一種過(guò)自由度機(jī)構(gòu)，由于它對(duì)彈性變形的靈敏性和制造誤差，其受力分析是復(fù)雜的。列變形的相容性方程式是有必要的。
在20世紀(jì)90年代，有幾個(gè)工程人員論述了變速箱的受力分析。但這個(gè)基本的假設(shè)在工作中可能偏離實(shí)際的應(yīng)用。因此，分析的結(jié)果還有待論證。
在對(duì)減速器的動(dòng)力學(xué)與振動(dòng)的深入分析中，對(duì)環(huán)式減速器動(dòng)態(tài)性能的改進(jìn)是必要的。楊和張[ 2 ]建立了變速箱的彈性動(dòng)力學(xué)方程，并分析了固有頻率，振動(dòng)方式和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。由系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為引起的環(huán)板的變形的影響已不容忽視。
文獻(xiàn)[3,4]，采用有限元建模對(duì)環(huán)板的位移和變形進(jìn)行了分析。據(jù)此顯示，環(huán)板的張力和彎曲變形對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能的影響是不容忽視的。因此，環(huán)板的兩種變形不能忽視，在文獻(xiàn)[ 4 ]中并作為相容性方程的參數(shù)之一。
一個(gè)許多因素都考慮在內(nèi)的變速箱受力分析程序，可能已經(jīng)投入實(shí)際使用[ 5 ] 。通過(guò)這個(gè)程序可以得到齒輪和軸承負(fù)載隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線圖。
三、 承載能力
多齒嚙合的彈性效應(yīng)是研究承載能力的重點(diǎn)，這是一個(gè)在少齒差內(nèi)齒嚙合中特別的現(xiàn)象。如圖.4所示 ，當(dāng)一雙0號(hào)齒嚙合時(shí)，相鄰的齒輪副工作表面的間隙（1- 4）非常小。當(dāng)在荷載作用下牙齒變形，間隙可能消失，從而形成多齒嚙合。
圖.4. 多齒彈性嚙合
早在1965年ястребов [ 6 ]預(yù)言存在這種效應(yīng)，并提出了計(jì)算間隙值的公式。后來(lái)Sunaga [ 7 ] 通過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了它的實(shí)際存在?；邶X剛度，間隙和制造誤差，舒[8，9] 通過(guò)光彈性實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)出同時(shí)嚙合對(duì)齒的數(shù)目和測(cè)量出分布于齒對(duì)的載荷。
據(jù)Sunaga及舒的論證，同時(shí)嚙合對(duì)齒不能超過(guò)3-5 。但是，在他們的實(shí)驗(yàn)中，他們未能給實(shí)驗(yàn)齒輪誤差的標(biāo)準(zhǔn)值。然而該基圓齒距誤差是隨機(jī)的并且對(duì)負(fù)荷分布有很大的影響，他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能作為多齒嚙合實(shí)際效應(yīng)的證據(jù)。后來(lái)，文獻(xiàn)[ 10 ]作出類(lèi)似的努力。因?yàn)樵摶鶊A齒距誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于3號(hào)和4號(hào)對(duì)齒的間隙，他們計(jì)算齒輪誤差的辦法是值得商榷的。
文獻(xiàn)[ 11 ]巧妙推導(dǎo)出間隙的理論值，計(jì)算出彈性變形，并取得了同時(shí)嚙合對(duì)齒的數(shù)量和負(fù)荷分布系數(shù)。結(jié)論是，通常同時(shí)工作的齒對(duì)只有3對(duì) ，還不能像一些產(chǎn)品樣品要求的達(dá)成9-18。
基圓齒距誤差是影響最大的一個(gè)誤差。據(jù)文獻(xiàn)[ 11 ]基圓齒距誤差可能導(dǎo)致瞬時(shí)單齒嚙合。他們提出把負(fù)荷分布系數(shù)引入疲勞強(qiáng)度來(lái)評(píng)價(jià)牙齒彎曲，并認(rèn)為最大彎曲應(yīng)力發(fā)生在同一時(shí)間。對(duì)在載荷分布方面的誤差影響有更準(zhǔn)確的估計(jì)是必要的。首先分析表明，這種現(xiàn)象的積極影響太重要以至于不能忽視，然而誤差的負(fù)面影響也應(yīng)考慮。
四、平衡和減振
三個(gè)環(huán)板相互不平衡產(chǎn)生振動(dòng)力。也存在著一個(gè)周期性振動(dòng)力矩，使得減速器振動(dòng)。在早期設(shè)計(jì)中使用非對(duì)稱(chēng)裝置（如圖2所示）。 這種裝置使減速器振動(dòng)強(qiáng)烈。對(duì)對(duì)稱(chēng)裝置來(lái)說(shuō)平衡也是必要的。因?yàn)樵谠缙谠O(shè)計(jì)中的缺陷，人們不太接受這種減速箱。
文獻(xiàn)[ 12 ] 通過(guò)在輸入和支撐軸上安裝四個(gè)平衡錘，成功地解決了三環(huán)減速器的平衡問(wèn)題，如圖6所示。
雙環(huán)式減速器（如圖5所示）設(shè)計(jì)，由王[ 13,14 ] ，用一個(gè)分裂軌道裝置來(lái)避免運(yùn)動(dòng)的欠自由度，有一個(gè)更好的動(dòng)態(tài)性能。不過(guò)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多了。
圖.5 .有分裂軌道裝置的雙環(huán)減速器
上文作者提出了一種新型的雙環(huán)式減速器，如圖6所示，在圖中，兩個(gè)平行四桿機(jī)構(gòu)之間的相位角不到180° ，撤銷(xiāo)了分裂軌道裝置。安在高速軸上的四個(gè)平衡錘使得這個(gè)變速箱平衡性很好[15] 。
圖. 6 .沒(méi)有分裂軌道裝置的雙環(huán)減速器
為了獲得三個(gè)平行機(jī)構(gòu)的負(fù)載平衡，文獻(xiàn)[ 16-18 ]提出了彈性環(huán)和獨(dú)自油膜漂浮理論。
五、機(jī)械效率
小齒差內(nèi)嚙合齒輪之間的相對(duì)滑動(dòng)是輕微的。齒輪表面的摩擦，并不是功率損耗的主要原因。在這個(gè)方面它不同于其他變速器。劉[19,20]指出在凸、凹齒面之間幾乎沒(méi)有間隙。產(chǎn)生熱量是潤(rùn)滑油膜被擠出主要原因，影響了機(jī)械效率。劉提議使用固體潤(rùn)滑劑。他的實(shí)驗(yàn)表明，用固體潤(rùn)滑，工作效率可達(dá)到97.4 ％，而使用液體潤(rùn)滑只有90.6 ％ 。
劉的這一點(diǎn)是被接受的，采用傳統(tǒng)機(jī)械效率評(píng)價(jià)公式不能正確評(píng)價(jià)減速器的效率。因此，環(huán)式減速器的效率低于2K- H型行星減速器。當(dāng)在高功率和持續(xù)運(yùn)行時(shí)，熱量平衡分析是必不可少的。
六、系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)
生產(chǎn)這種減速機(jī)的廠大部分在中國(guó)，都采用了1995年由中國(guó)冶金工業(yè)部制定的標(biāo)準(zhǔn) [21,22] 。理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)都表明，實(shí)際負(fù)荷能力遠(yuǎn)大于給出的標(biāo)準(zhǔn)。明顯地，原來(lái)的設(shè)計(jì)沒(méi)有把多齒的彈性嚙合納入考慮范圍，承載能力評(píng)價(jià)也很保守。
現(xiàn)在，在對(duì)環(huán)式變速箱充分成熟的理論分析下，推動(dòng)了先進(jìn)的制造標(biāo)準(zhǔn)的成熟：
1．考慮環(huán)板變形的運(yùn)動(dòng)-彈性靜力學(xué)分析方法 [ 4 ] 。
2.考慮多齒的彈性嚙合的承載能力評(píng)價(jià)方法 [ 11 ] 。
3.CAD技術(shù)程序包，它可以自動(dòng)地確定小齒差內(nèi)嚙合齒輪幾何參數(shù)[23] 。
4.參數(shù)優(yōu)化方法，它可以保證一個(gè)合適的軸承壽命及齒輪強(qiáng)度[ 5 ] 。
通過(guò)總結(jié)了以上提到的所有論述，天津大學(xué)的機(jī)械傳動(dòng)試驗(yàn)室已經(jīng)完成了系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，其中包括400個(gè)模型（ 20個(gè)型號(hào)，每個(gè)有20個(gè)傳動(dòng)比） 。全新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品負(fù)載容量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于舊標(biāo)準(zhǔn)，有些甚至高于硬齒面減速機(jī)[ 5 ] 。
七、提議與展望
這種變速箱具有廣闊的應(yīng)用前景。在要求較低的應(yīng)用中，許多普通齒輪和蝸桿減速器，甚至兩級(jí)行星齒輪減速器都應(yīng)該被他代替。為了充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，以下工作應(yīng)該得到實(shí)施。
1.齒輪彎曲強(qiáng)度的可靠性設(shè)計(jì)方法的確定，應(yīng)把制造誤差考慮在內(nèi)。
2.在更高的速度情況下（超過(guò)1500轉(zhuǎn)/每分鐘 ），一個(gè)完全的彈性動(dòng)力學(xué)分析應(yīng)該要想辦法核實(shí)它是否可以被使用。
一種新型雙環(huán)齒輪減速器的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真
摘要：一種獲得專(zhuān)利的雙環(huán)形齒輪減速機(jī),本文闡述了它的設(shè)計(jì)原理及其動(dòng)態(tài)性能模擬性能。這種新型的驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)獨(dú)特的特點(diǎn)是兩個(gè)平行四桿機(jī)構(gòu)的相位角是不同的，并且略小于180度，四個(gè)安裝在兩曲軸上的平衡錘，以平衡這個(gè)機(jī)構(gòu)的慣性力和慣性力矩。對(duì)它的工作原理、優(yōu)點(diǎn)和設(shè)計(jì)上的問(wèn)題進(jìn)行了論述?？紤]到環(huán)板、齒輪、軸承等的彈性變形，提出一個(gè)彈性動(dòng)力學(xué)模型來(lái)分析其動(dòng)態(tài)響應(yīng)。模擬結(jié)果表明，與軸承套相比，行星軸承工作在更苛刻的條件下。齒輪和軸承波動(dòng)載荷表明減速器振動(dòng)的主要原因是系統(tǒng)的彈性變形而非機(jī)構(gòu)的慣性力和慣性力矩。
關(guān)鍵詞：雙環(huán)齒輪減速器;行星齒輪傳動(dòng);彈性動(dòng)力學(xué)
三環(huán)減速器，即內(nèi)嚙合行星齒輪變速箱，有許多優(yōu)勢(shì)，包括大傳動(dòng)比，高負(fù)荷能力，以及體積緊湊[ 1 ] 。但是，在其應(yīng)用中也存在著一些弊端。一個(gè)是在曲軸工作過(guò)程中，軸承套有不平衡的慣性力矩產(chǎn)生。這個(gè)不平衡力矩就是振動(dòng)力矩，有可能產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲負(fù)面的影響[ 2 ] 。由于輸入速度的增加，振動(dòng)變得更加嚴(yán)重。另外一個(gè)弊端是偏心輪軸套的微動(dòng)磨損[ 3 ] 。六個(gè)偏心軸襯不僅帶來(lái)裝配困難，而且使行星軸承過(guò)早疲勞。
為消除上述弊端，辛等人[ 4 ] 提出了一個(gè)完全平衡的三環(huán)減速器。中間和兩側(cè)環(huán)板的相位角差都是180度，中間環(huán)板厚度是兩側(cè)的兩倍。因此，三相位機(jī)構(gòu)的慣性力和慣性力矩是完全平衡的。不過(guò)，從機(jī)理出發(fā)， 這種內(nèi)嚙合行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是三個(gè)平行四桿結(jié)構(gòu)和內(nèi)嚙合齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)合。
連接器和曲柄在一條直線時(shí)該誰(shuí)運(yùn)動(dòng)將不確定。這一位置往往取名為"死點(diǎn)" 。由于兩個(gè)相鄰機(jī)構(gòu)的相位角差是180度，平行四桿機(jī)構(gòu)的三個(gè)相位將同時(shí)達(dá)到"死點(diǎn)"。因此，要克服"死點(diǎn)" ，這個(gè)設(shè)備需要增設(shè)兩個(gè)同步帶來(lái)同步驅(qū)動(dòng)曲軸，這使得結(jié)構(gòu)減速器更加復(fù)雜化。除了復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，偏心軸襯的微動(dòng)磨損依然存在。為解決關(guān)于偏心軸襯的問(wèn)題，唐等人提出了一個(gè)類(lèi)似的雙環(huán)齒輪減速機(jī)[ 5 ] 。固定在兩個(gè)曲軸的四個(gè)平衡錘用來(lái)平衡慣性力矩。同樣，并置的平行四桿機(jī)構(gòu)相位角差是180度，也是這個(gè)道理。由于"死點(diǎn)"問(wèn)題 ，需要增設(shè)橋式齒輪副使輸入分流到兩個(gè)曲軸。上述兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器需要一個(gè)第一期傳輸，以克服"死點(diǎn)" ，這使得驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)相對(duì)松散。
在本文中，為消除前面所提到內(nèi)嚙合行星齒輪傳動(dòng)的弊端設(shè)計(jì)了一種新型的雙環(huán)齒輪減速機(jī)[ 6 ]?？紤]到零件的彈性變形，設(shè)計(jì)了一個(gè)彈性動(dòng)力學(xué)模型系統(tǒng)來(lái)顯示其動(dòng)態(tài)性能。
3.結(jié)論
一種新型的雙環(huán)齒輪減速機(jī)的設(shè)計(jì)及其動(dòng)態(tài)性能用彈性動(dòng)力學(xué)模型來(lái)模擬。這個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置的特點(diǎn)是有不到180度的相位差。這一設(shè)置使減速器單功率輸入，和體積減小變?yōu)榭赡?。安裝在曲軸四個(gè)平衡錘來(lái)平衡這個(gè)機(jī)構(gòu)的慣性力和慣性力矩。
與軸承套相比的動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果表明，行星齒輪機(jī)構(gòu)在更苛刻的條件下工作。此調(diào)查表明，零件的彈性變形是這種新型雙環(huán)齒輪減速機(jī)振動(dòng)的主要因素，而不是慣性力和慣性力矩，這是不同于慣性力和慣性力矩是環(huán)式齒輪減速機(jī)振動(dòng)的主要因素這一主流認(rèn)識(shí)的[ 2 ] 。