如何提升摆线针轮减速机承载能力

发布时间：2017-10-05 22:37:00 点击：

泰兴减速机：对目前国内外

摆线针轮减速机

市场和减速机的结构形式进行了对比。对带均载机构的行星摆线针轮减速机的结构、受力、均载理论进行了分析;并提出了相应的计算方法。通过对新产品的设计、制造与实验,验证了提升承载能力的可靠性,证实了采用该方法的有效性与实用性。

近年来,由于硬齿面齿轮减速机的迅猛发展,市场竞争日趋激烈。减速机的发展方向是:“六高、三化、二低”,即:高承载能力、高齿面硬度、高精度、高速度、高可靠性、高传动效率;标准化、多样化、小型化;低噪声、低成本。如何在现有产品的基础上提升

摆线针轮减速机

的承载能力,值得进一步探讨。

通过对比中外大量的减速机产品及设计理论,发现国外的减速机更注重在基础工艺、加工及材质方面做更深入的研究与改进,如硬齿面技术等,而产品大部分却采用最传统的结构加以高水平的模块化设计与严格、成熟的企业管理,凭借先进的齿轮设计与制造技术及稳定的材料性能组合成高品质的产品牢牢地占领着我国减速机的高端市场,如ＳＥＷ,ＦＬＥＮＤＥＲ等著名公司。国内的大部分减速机企业只是仿造,在品质上很难超越。但在中低端市场,这些企业却凭借价格优势,具有很好的市场占有率。此外,国内也有一些产、学、研相结合的减速机厂家生产的新产品,如星轮减速机、ＲＶ减速机、三环减速机等,虽然在提升减速机承载能力上各有所长,但都存在一个共同的弱点,即过于注重理论和结构的创新而导致工艺性复杂、加工困难,缺乏良好的性价比和最佳选用性,有些产品甚至存在理论上的先天不足,产品优势不是非常突出。这也是这些产品形式虽然新颖却长期不能被市场广泛认同,得不到较大发展和推广的主要原因。目前发现大部分“发

明”均处在理论研究层面,缺乏可操作性。目前国内有些中小型企业处于产品品牌、质量、价格的市场中间位置,企业产品的竞争力大大降低。它的前提是在明显提升产品性能的同时,尽量不打乱现有的生产工艺、尽量减少现有零件的变动、尽量保持现有主打产品的批量化生产以节约成本。这就需要从现有产品的设计中寻找不足。首先是在现有理论上进行了分析、提出传统

摆线针轮减速机

采用的孔销式Ｗ机构,由于其柱销为悬臂结构,造成左右摆线轮传递功率严重不均衡,导致减速机效率较低,并极大限制了输出转矩的提高的论点。在文献[1]中,根据柱销的悬臂结构,从左右柱销受力变形和变形协调条件出发,全部导出并建立了各柱销受力、左右摆线轮传递转矩的计算方法,并计算出了传递转矩不均衡的准确值。

1　均载机构的结构设计和受力分析

1.1　均载机构的结构

均载机构(如图1所示)是在传统孔销式Ｗ机构的右侧加了一均载环而构成的。均载环上环形布置的孔与柱销右端的轴台一一对应,紧密配合,将全部柱销连接成整体。因此理论上均载环将与输出轴做同步刚体平面运动。

图2为(从输入轴端看)左右摆线轮对柱销传动原理图[2]。图中,当摆线轮沿顺时针方向转动时,Ｗ机构在反时针方向作用于摆线轮上一个阻力矩Ｍａ,此时,左摆线轮在ｙ轴右边及右摆线轮在ｙ轴左边的柱销孔与柱销(套)有离开的趋势,所以在它们之间没有作用力存在;左摆线轮在ｙ轴左边及右摆线轮在ｙ轴右边的柱销孔与柱销(套)间有作用力和反作用力存在。左摆线轮的柱销孔作用于ｉ位置柱销的力Ｑｉ必然是接触点的法线方向,即ｙ向。在仅考虑传动负载转矩时,各柱销变形相当于输出轴相对于摆线轮产生了逆时针旋转了一个微小的Δλ的角位移(此时不考虑均载环作用),其ｙ向变形Ｓｙｉ最大值在αｉ=90°时,即水平位值,为Ｒｗ·Δλ(Ｒｗ为柱销中心分布圆半径)。并有:

上式即处于不同位置各柱销在ｙ向的变形协调条件。可见处于水平位置的柱销ｙ向变形最大,因此受力也最大。

同理,当柱销处于ｙ轴上,即αｉ=180°时,其变形的ｙ向分量将等于0,即不受垂直方向的力,因此不传动输出转矩。

由此可见,均载环的作用就是将各柱销相对固定,其在ｘ,ｙ向的刚度将产生反作用力于柱销端点3(见表1),通过均载环,使受力较小的柱销帮助受力较大(变形也应较大)的柱销减小变形,使端点3起到支承作用,因此受力趋于均衡。这就是均载环起到均载作用的理论基础。

但是由于结构中每一柱销已不是悬臂梁结构,使求解的未知数大大增加,计算将极为复杂;另一方面,由于制造和装配误差不可忽视的影响,将使理论计算与实际产生较大误差,因此,文中仅做理论分析,探讨求解方法。

1.2　均载环作用下各柱销受力分析

1.2.1　各柱销端点的位移

由于均载环相对于输出轴并不是刚性结构,因此在输出轴负载作用下,由于柱销传力变形,各柱销右端点3也将产生相应挠度。处于不同αｉ角的柱销受力大小不同,因此均载环(假设为刚体,由于两端面受约束,因此仅做刚体平面位移)相对于摆线轮将产生相对位移。均载环中心点理论上将有3个位移分量:Δｘ,Δｙ,Δα(设为顺时针)。由于均载环强制使各柱销右端变形后仍在均载环的相应配合孔内,因此各柱销端点的Ｊｘｉ,Ｊｙｉ必然是该3个位移分量的函数。对第ｉ个柱销,端点位移为:

由于柱销在端点3受均载环的强制变形,必然在该点上对柱销产生ＱＬｘｉ,ＱＬｙｉ的作用力。

1.2.2　各柱销受力和变形

文献[1]中的图2和图3是为简化分析计算和建立通用计算模型,在此取柱销数为8;由于柱销剪切变形均小一数量级,故本计算仅考虑弯曲变形。表1为计算图,分析步骤如下:

(1)首先在柱销的悬臂梁上1,2,3点分别作用一单位力,求出其在1,2,3点上的变形量。这由材料力学可直接导出:

λｉｊ的力学意义为:在ｉ点作用一单位力是在ｊ点引起的变形量。

(2)顺序求出各梁在图示载荷作用下,在1,2,3点的ｙ向总变形ｆ1,ｆ2,ｆ3和ｘ向变形ｆ3ｘ。

因为在弹性力学范围内,载荷对任一点引起的变形与该载荷成比例;各载荷对同一点引起的总变形也可叠加。故根据每一柱销的图形,即可方便地写出在各点的变形方程(见表1)。

(3)找出与全部未知载荷数量相等的变形协调条件,以便联立求解。

该算例的8个柱销共有29个未知载荷,因此需要29个独立的变形协调条件。因为各柱销变形受左右摆线轮和均载环约束;同时通过全部柱销的受力形成输出转矩,故其变形协调条件并不难求出,其中:左右摆线轮对柱销1～5在ｙ向有ｆ1=ｆ2,故可得到5个方程左右摆线轮约束的对称性,使处于对称位置(如2与8;3与7;4与6;)的左柱销和右柱销在2点的ｙ向变形相等,因此可得到3个方程。

柱销1～5各ｙ向变形由式(2)可得到4个方程。

各柱销右端,即第3点在,ｘ,ｙ向受均载环约束,即式(3)和式(4),可得到16个方程。注意:这些方程中都有均载环中心点的3个未知数,它们可用任选柱销变形的3个分量方程代入(例如:Ｊｙ2,Ｊｙ8,Ｊｘ5)即可转换成相应力的函数。

最后一个变形协调条件可由Ｑ1～Ｑ13形成的力矩等于减速机输出力矩得到。

通过以上步骤,将得到29个方程。全部方程均为Ｑ1～Ｑ29的线性方程,可用矩阵表示为:

矩阵中各系数ａｉｊ和Ｋｉ均为结构尺寸Ｌ1,Ｌ2,Ｌ3和柱销直径ｄ,销孔分布圆半径Ｒｗ,以及减速机输入功率Ｎ,转速ｎ,和速比ｉ的函数,均为已知,因此可以求解。

求解的方法分为两步:(1)消元,将矩阵消元为上三角矩阵;然后迭代:将Ｑ29代回ｉ=28行求出,然后再代入上一行求Ｑ27,如此继续可将全部载荷求出。这一过程工作量太大不可能用手工完成,必须使用计算机程序求解。

2　均载机构对提升

摆线针轮减速机

承载能力的实际效果

经过大量的加载试验,以及大批用户对该产品的实际使用,证明带均载环结构的

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可提升承载能力20%以上、降低温升20%以上。对提升摆线针轮减速机的承载能力有明显的效果,是一个成功的改进。所以在提升摆线针轮减速机的承载能力的解决方法中力推均载机构,并非认为它是最好的方案,而是认为它是目前最适合现有摆线针轮减速机产品的方案。该结构的实用性是:工艺性、经济性好,仅对减速机的输入法兰盘、销轴、输出轴等结构进行了简单改动以腾出均载环的安放空间,未牵扯其标准木型、铸件的改动。成本增加极少,减速机的外形及安装尺寸丝毫未变,却能明显地提升承载能力。达到了企业对老产品升级改造的初衷与要求。

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