提高NGWN型行星輪用于電動執行機構中的效率

唐曉峰，李杏萍，唐其忠

（肯佐控制設備（上海）有限公司，上海 201700）

0 引言

行星輪傳動按照齒輪嚙合方式劃分有NGW型、NW型、NN型、WW型、NGWN型、N型等[1]。行星輪系用于電動執行機構中也是由來已久，最早全國聯合設計的DDZ、DKJ系列電動執行機構就是采用的少齒差N型行星輪結構，德國的PS系列電動執行機構采用的是NGWN型行星輪結構，本公司的IKJQ、KZQ精小型電動執行機構也采用NGWN型行星輪結構。但因為其加工精度以及工藝性較差，所以實際行星輪傳動在電動執行機構中運用的效率遠比理論效率低很多。如何提高行星輪傳動在電動執行機構中的效率對我們來說也是一個有意義的課題，這里主要分析本公司精小型電動執行機構使用的NGWN型行星輪結構的傳動效率問題，并提出如何提高傳動效率。

1 行星輪傳動的原理和特點

行星輪傳動既具有功率分流，又具有旋轉軸運動的傳動特點[2]。通過配合內嚙合齒輪，其相對常規齒輪傳動具有顯著的優點，如整體機構連接緊密，負載承受能力強，傳動效率高，運行穩定，應用場合廣。因此，行星輪傳動在各行業中得到了非常廣泛的應用。目前，行星輪傳動在整體機構設計上取得了較好的成績，其中最大的成績是成功平均分布了載荷，有效解決了因載荷分配不平均而產生的各種問題，使各個行星輪之間的傳動日趨完善，運行可靠性更加增強。

1.1 行星輪傳動原理

行星輪傳動其實就是常規齒輪傳動的一種特殊形式，它有一個定軸線的齒輪叫太陽輪或者叫中心輪。在太陽輪邊上有環繞的幾個行星輪，其既作為自身軸線自轉，又可在內齒輪內部做公轉。安裝行星輪的支架叫行星架，因為行星架與行星齒輪的連接關系將動力傳輸到輸出軸上，再傳遞給其他需要被執行單元上。它們一般由一組若干外齒輪和內齒輪組成一個傳動輪系，這種周轉輪系稱為行星輪系。

1.2 行星輪傳動特點

行星輪傳動與普通定軸齒輪傳動相比較，它具有多方面的特點。其最顯著的特點是：可現實動力的分流作用；同時，其輸出軸和輸入軸在同一軸線位置上，更方便實現傳動、負載的均配以及傳動的平穩性[3]。

◆ 體積小，重量輕，整體機構連接緊密，負載承受能力強：因為行星輪傳動具有動力分流的特點，所以其結構非常緊湊，可以利用均布的多個行星輪來共同分擔傳動中的負載，所以這些齒輪可以使用較小的模數亦能達到使用的強度需求。

◆ 傳動效率較高：由于行星輪傳動結構比較對稱，均布輪系之間的作用力可以互相平衡，更加有利于提高傳動過程中的效率。在傳動比選擇合理，加工安裝符合要求，負載穩定的情況下，行星輪理論傳動效率最高可達99%。

◆ 相同體積下擁有更大的傳動比：可以用較少的幾個齒輪獲得更大的減速比。

◆ 運行平穩、抗沖擊和振動的能力強：由于行星輪的布置一般比較均勻，可使行星輪運行中各齒輪之間的力相互平衡，所以其不易產生沖擊和振動，工作更加穩定可靠。

在傳動齒輪的材質、加工精度、安裝配置和工作條件等相同的情況下，行星輪傳動相比常規齒輪傳動具有整體機構連接緊密，負載承受能力強，體積小，重量輕，傳動效率高，運行穩定，應用場合廣等優點。目前，行星輪傳動的技術研究方向主要體現在這幾方面[4]：

1） 動態特性研究：考慮行星輪傳動各個構件間運行時的狀態研究、傳動精度、傳動效率、震動、噪音等。

選取2015年10月—2018年10月我院進行治療的肝膽病變中盲選46例作為納入本次研究之中，男與女之比為27：19，年齡25歲～83歲，平均年齡為（57.18±6.39）歲。本次參與研究的患者均接受1.5T磁共振平掃聯合增強掃描。患者均接受了超聲、CT、典型影像學表現、臨床資料以及隨訪相結合，最終確診為肝臟病變性質。

2） 均布載荷機構的研制：均布載荷的類型有多種多樣，對行星輪傳動的均布載荷的動力特性和均載性能進行系統、全面的研究，從而找出適合的均載方案，可以更好地完善行星輪傳動。

3） 標準化、多種類：目前有數10種行星輪傳動系列，但為適應多種行業的各種需要，依舊需要更多、更完善的行星輪傳動方案出現。

4） 行星輪傳動齒面的硬度、齒形精度也變得越來越高：齒面有合理硬度、齒面加工精度高的齒輪，不僅可以提高傳動的承載能力，使整機機構能夠進一步減小，從而實現低成本設計，還能提高整體傳動的效率。

5） 高速度、大功率：因為行星輪傳動能實現均載，所以其在高速狀態下運轉更平穩，可以傳遞的功率更大，具有定軸輪傳動無法實現的優點。

6） 大規格、大轉矩：在一些大功率傳動產品方面，行星輪傳動具有更高的經濟比。

7） 低噪音、低振動：降低行星齒輪傳動的噪音，提高傳動過程的平穩性，可以應用到更多場合，也是研究的一個方向。

當減速機構的輸出傳動比需求很大時，采用單級齒輪傳動一般很難實現，而采用多級齒輪傳動雖然可實現大傳動比，但體積大、結構復雜、故障點多、傳動效率影響大。而采用行星輪傳動則只需要少數幾個外齒輪和內齒輪便可獲得較大的傳動比，且結構十分緊湊、運轉平穩、噪音低、效率高。

2 行星輪傳動的條件

針對行星輪傳動的諸多特點，本公司開發精小型電動執行機構時，首先想到并使用的就是行星輪傳動作為主傳動，理論上可以利用更輕的重力和更小的體積達到產品的使用需求。

圖1為本公司精小型電動執行機構的傳動結構簡圖，其采用的是NGWN型行星輪傳動方式。該機構擁有兩個自由度，太陽輪a為傳動輸入時，內齒輪b和輸出內齒輪e為傳動輸出。電動工作狀態時，內齒輪b由于蝸輪蝸桿的自鎖而保持不動，動力傳遞最后由輸出內齒輪e輸出[5]。

圖1 NGWN行星輪傳動簡圖Fig.1 Schematic diagram of NGWN planetary gear transmission

2.1 傳動比條件

電動狀態時內齒輪b固定，太陽輪a為主動齒輪，內齒輪e作為最終輸出部件并帶動負載運行，本課題設計輸出傳動比為135。手動狀態時，中心路a保持不動，手輪轉動蝸桿G帶動內齒輪b轉動，內齒輪e仍然作為最終輸出部件傳遞輸出力矩。手動狀態對傳動效率不敏感，本文只討論電動狀態時如何提高傳動效率。

2.2 同心條件

由圖1可知，3個基本部件齒輪a、b、e的旋轉軸線必須重合于主軸線，即由太陽輪、行星輪組及內齒輪的實際配合中心距必須相等。通過計算選擇合適的齒數和模數，使其滿足同心條件的要求，才能使行星輪傳動正常運行。

2.3 裝配條件

保證各行星輪能均布地安裝于太陽輪和內齒輪之間，并且與這兩個齒輪嚙合良好沒有錯位現象，其也是對工藝和裝配要求相對較高的條件。同樣的設計，加工工藝和裝配條件不同，對產品最后的輸出效率會有較大的影響，本課題也是主要從此方面優化來提高行星輪傳動效率。

2.4 鄰接條件

在傳遞動力時，行星輪數目越多越容易發揮行星輪的優點，承載能力也會越大。但行星輪數目的增加會很難實現均勻分布載荷，而且由于鄰接條件的限制會減小傳動比的范圍，采用3個行星輪的設計是目前較多見的，其既滿足產品傳動需要，又可減小設計難度和加工難度。

設計行星輪傳動除了需要滿足以上幾點要求外，還需滿足其他一些附加條件。例如，嚙合齒輪的齒數最好沒有公約數以此降低重復嚙合而導致的磨損；齒面硬度需滿足帶載長運運行是強度和壽命滿足要求；配齒數決定減速比和產品外形尺寸；加工精度既影響傳動效率又影響整機的控制精度，各方面都達到一定的要求才能提高整套產品的使用強度和效率[6]。

以上這些都會對產品傳動的效率和強度產生影響，主要就是從這幾點出發，發現并解決了NGWN型行星輪結構用于本公司精小型電動執行機構中效率較低的問題[7]，同時也提升了產品的整體強度和使用壽命。

3 影響傳動效率的主要因素

實際精小型產品的行星輪傳動效率與理論值相差太多，行星齒輪傳動效率主要由嚙合效率、軸承效率和潤滑攪動飛濺效率組成。此產品的行星輪結構減速比為135。理論傳動效率應該在70%左右，但初始設計時實際測試效率只有30%左右，遠低于理論值，無法滿足產品的設計要求。

3.1 加工精度及熱處理

行星輪系中的齒輪加工精度一般要求達到7級精度，但因為本公司齒輪加工設備不夠先進，實際加工后零部件無法達到應有的精度等級。另外，為了保證能長時間的帶負載運轉，齒輪齒面必須有一定的硬度，所以齒形加工完后需要進行熱處理，熱處理后齒形不可避免地會發生形變。這種形變會導致各齒間處于不良嚙合狀態，而電動執行機構中的齒輪又不會進行“跑合”處理，所以這些對整體機構的效率影響很大[8]。

3.2 結構與安裝形式

本公司的NGWN型行星輪原結構如圖2。

圖2 原NGWN行星輪結構Fig.2 The structure of the original NGWN planetary gear

行星架浮動于機構中，主要靠太陽輪a和內齒輪b、輸出內齒輪e的嚙合去保證它的同心。但實際使用中，因為齒側間隙的存在，行星架H并不一定在中心位置，以及在側裝時因為重力的關系，行星架H也會始終偏向一邊，從而導致太陽輪a與行星輪c、d，行星輪c、d與內齒輪b、輸出內齒輪e的嚙合不均勻，嚴重影響齒輪的傳動效率，并且長時間處在不均勻嚙合狀態下，容易導致齒輪磨損不一，從而出現振動過大、噪聲大以及斷齒等問題。

3.3 各傳動之間的摩擦損耗

因為本公司精小型電動執行機構的行星輪結構以電機為輸入源，電機本身的功率較小只有10W，傳動過程中的各種阻力和摩擦損耗對于整個機構來說就是相當大的功率損耗，而原結構有幾處是滑動軸承，如果配合精度等達不到要求，與滑動軸承的運行配合摩擦阻力會較大，對整個機構的效率會有很大的影響。

4 具體的改進措施

4.1 加工工藝的改進

因為本公司加工設備達不到精度等級要求，所以采用外協的方式加工齒輪，利用小型化、高精度設備加工，保證其精度能達到7級。另外，原先采用的先加工齒形后熱處理淬火的工藝改為先粗加工齒輪，留一定的余量進行淬火，淬火完后再進行最后的精加工。這樣既保證了齒輪的硬度、韌性等要求，又能保證齒形的正確性和精度，加工完后其表面粗糙度可達Rz0.8。利用此工藝加工后，齒輪在運轉中嚙合較流暢，不會產生原先結構形式的噪音，也不再出現“咬死”現象。

4.2 定位結構的改進

考慮到行星架的浮動以及摩擦阻力的影響對整個機構的效率影響最大，對結構做了如下改動（見圖3）：

圖3 改進后NGWN行星輪結構Fig.3 Improved NGWN planetary gear structure

1） 太陽輪a的上下兩端用滾動軸承進行定位。相較于之前的一端定位，減少太陽輪晃動，也能有效地保證太陽輪a的中間位置，保證與行星輪c、d一直處于均勻嚙合狀態，減少太陽輪晃動引起的為正常嚙合現象。

2） 箱體上原先與輸出軸之間使用滑動軸承進行軸心定位，摩擦阻力相對輸出扭矩所占百分比較大，會直接影響最終輸出扭矩?，F改為滾針軸承進行定位，減少摩擦阻力，增加整套機構轉動效率。

3） 行星架H初始設計并沒有中心定位，其浮動于內齒輪b和輸出內齒輪e中，僅靠齒輪嚙合中心定位?，F在改變行星架H的結構，上下兩端設計凸臺并用滾動軸承進行中心定位，使其能均勻與各齒之間嚙合傳動，減少不良嚙合、負載不均產生的功率損耗。

4） 行星輪c、d內孔初始設計與行星輪轉軸直接配合并轉動，帶載運行時其摩擦阻力較大，對輸出功率有較大損耗，改進后兩者之間用滾針軸承進行過渡，有效減少兩者之間的摩擦阻力。

5 結論

經過上述設計改進后，對樣機進行了負載測試。初始設計時，整機最大可以帶動20Nm負載，并且在最大負載位置啟動時電機功率表現的明顯不足，完全無法達到設計時的標準要求。更改設計后，同樣的實驗環境條件下，可以帶動40Nm的負載，比原先增加了50%的負載能力。NGWN型行星輪的使用效率增加了30%以上，對于一個精小型結構的電動執行機構來說是相當可觀的效率增加，也解決了此款產品的力矩輸出不達標問題，對于精小型電動執行機構以后的開發也有相當大的促進作用。