新型擺線鋼球傳動軸承減速器設(shè)計(jì)與研究

摘" 要：該文在對傳統(tǒng)針擺行星減速器的傳動特點(diǎn)和工作原理的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合針輪輸出針擺行星傳動這種具體的傳動結(jié)構(gòu)，提出針輪輸出擺線鋼球新型傳動形式，對其工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等進(jìn)行相關(guān)研究并運(yùn)用Creo7.0軟件對模型進(jìn)行三維建模，通過以上工作，得到符合實(shí)際理論計(jì)算的傳動結(jié)構(gòu)，進(jìn)而為提高整機(jī)動力學(xué)性能的方法和建議做準(zhǔn)備。

關(guān)鍵詞：針擺行星減速器；三維建模；Creo7.0；參數(shù)；擺線

中圖分類號：TH132.46" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）16-0130-04

Abstract： Based on the study of the transmission characteristics and working principle of the traditional cycloidal needle wheel planetary reducer， and combined with the specific transmission structure of cycloid pin geartransmission， this paper puts forward a new transmission form of needle wheel output cycloid steel ball， studies its working principle and structural characteristics， and carries on the three-dimensional modeling of the model using Creo7.0 software. Through the above work， the transmission structure which accords with the actual theoretical calculation is obtained， which provides methods and suggestions for improving the dynamic performance of the whole machine.

Keywords： cycloidal needle wheel planetary reducer; 3D modeling; Creo7.0; parameters; cycloid

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，各類傳動裝置傳動性能均得到極大提高，尤其在精密傳動機(jī)械領(lǐng)域，對于傳動效率及精度要求也不斷提高。精密傳動作為一種高精度的機(jī)械傳動方式，在各個(gè)領(lǐng)域都占據(jù)了重要的地位[1]。因此，圍繞精密減速器設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的研究十分重要，無論從國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人行業(yè)持續(xù)發(fā)展的角度，還是國內(nèi)企業(yè)盡早取得關(guān)鍵技術(shù)突破的角度，均希望能實(shí)現(xiàn)高性能、高穩(wěn)定性的國產(chǎn)精密減速器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造。

1" 總體結(jié)構(gòu)介紹

圖1為本次擺線鋼球傳動軸承減速器的二維結(jié)構(gòu)示意圖，其中8片尺寸一致的擺線輪9裝入到與電機(jī)連接的偏心軸4上。一共6根柱銷2穿過八片擺線輪，柱銷的一端固定在柱銷盤1上，另一端固定在柱銷支撐盤11上。當(dāng)偏心軸4轉(zhuǎn)動時(shí)，擺線輪將以輸入軸中心點(diǎn)為圓心，在針齒殼13內(nèi)進(jìn)行公轉(zhuǎn)。公轉(zhuǎn)過程中與鋼球8進(jìn)行嚙合，由于柱銷盤為固定結(jié)構(gòu)，而柱銷2的一端固定在柱銷盤1上，使得柱銷2對擺線輪9的轉(zhuǎn)動進(jìn)行了限制，擺線輪無法進(jìn)行自轉(zhuǎn)，因此，擺線輪只能進(jìn)行平動。擺線輪與鋼球完成嚙合傳動，又針齒殼13在鋼球通孔內(nèi)使用彈簧將鋼球與緊定螺釘進(jìn)行連接，由此通過針齒殼進(jìn)行動力輸出。本課題通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使用偏心輸入軸代替?zhèn)鹘y(tǒng)RV減速器中的太陽輪、行星輪以及曲柄軸結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)一種齒面為內(nèi)凹球面的擺線輪結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直齒面擺線輪與鋼球嚙合傳動，并使用針齒殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力輸出。

因此，在本次設(shè)計(jì)中，具體結(jié)構(gòu)為：將傳統(tǒng)針輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為鋼球結(jié)構(gòu)，擺線輪的齒面設(shè)計(jì)為一種內(nèi)凹的球面包絡(luò)曲面擺線齒形結(jié)構(gòu)，鋼球與擺線輪齒進(jìn)行嚙合形成傳動，并帶動針齒殼進(jìn)行轉(zhuǎn)動。本次設(shè)計(jì)中擺線輪的齒形面由一系列不同曲率半徑的擺線曲線構(gòu)成的圓弧形面組成[2]，本文將對擺線輪齒形面的形成過程進(jìn)行說明。

根據(jù)行星齒輪結(jié)構(gòu)傳動比的計(jì)算方法以及傳動特點(diǎn)[3]，可知行星減速器的傳動比為i12=■＝■，其中zc與zp分別為擺線輪的齒數(shù)及鋼球數(shù)。本次設(shè)計(jì)共采用了8片擺線輪，減速器的主要特點(diǎn)是電機(jī)輸出端與下圖中所示偏心軸進(jìn)行連接，通過偏心軸插入減速器的內(nèi)部，同時(shí)偏心軸的前后兩端分別支撐柱銷盤以及針齒殼上，通過軸承連接。并將8片擺線輪兩兩一組安裝在4個(gè)相位相差180°的偏心軸承上。由于減速器的工作過程中轉(zhuǎn)速較高，導(dǎo)致偏心軸承需要承受較大的力，為了提高輸入軸的使用壽命，本次設(shè)計(jì)的偏心軸的偏心距為1 mm。擺線輪在輸入軸的驅(qū)動下，與針齒殼內(nèi)部的鋼球嚙合，同時(shí)擺線輪與柱銷嚙合，而針齒殼通過輸入軸末端以及柱銷支撐盤的軸承支撐在輸入軸上，則鋼球可以帶動針齒殼轉(zhuǎn)動并進(jìn)行動力輸出。由于鋼球與固定在針齒殼外表面的緊定螺釘通過彈簧進(jìn)行連接，當(dāng)減速器作為行走減速器時(shí)可提高行走減速器的減震性。可將輸入軸、柱銷及柱銷套組支撐結(jié)構(gòu)看作簡支梁結(jié)構(gòu)，從而提高了減速器的剛性和承載能力[4-8]。

2" 減速器尺寸參數(shù)計(jì)算及建模

2.1" 減速器尺寸計(jì)算

本節(jié)主要介紹在zc=29、zp=30等已知參數(shù)的條件下如何確定減速器其他一系列設(shè)計(jì)參數(shù)，參考傳統(tǒng)的擺線針輪行星傳動設(shè)計(jì)方法，對針輪輸出擺線鋼球傳動減速器進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算。本型號減速器是參考RV-6E減速器的基本設(shè)計(jì)參數(shù)及外形尺寸完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而RV-6E減速器的額定值見表1。

注：1.柱銷盤；2.柱銷；3.彈簧擋圈；4.偏心軸；5.輸入軸軸承；6.緊定螺釘；7.彈簧；8.鋼球；9.擺線輪；10.柱銷支撐盤軸承；11.柱銷支撐盤；12.針齒殼蓋；13.針齒殼；14.擺線輪軸承；15.柱銷套。 圖1" 擺線鋼球傳動軸承減速器結(jié)構(gòu)示意圖

基本參數(shù)為功率p=0.4 kW，經(jīng)換算可得輸入轉(zhuǎn)速n=1 740 r/min，擺線輪齒數(shù)zc=29個(gè)，鋼球數(shù)zp=30個(gè)。根據(jù)上述基本參數(shù)整理出主要零部件的結(jié)構(gòu)尺寸如下：

1）總輸出軸轉(zhuǎn)矩T=9 550 000■×i×？濁，式中i為傳動比，即i=zp=30個(gè)；？濁為擺線傳動的傳動效率，由經(jīng)驗(yàn)可取？濁=0.92。將基本參數(shù)代入可得：T=60 593 N·mm。

2）短幅系數(shù)k1：其值具體選擇見表2。因?yàn)閦c=29，所以依據(jù)表2可知0.65≤k1≤0.75。

3）針徑系數(shù)k2：初選值k2通常根據(jù)擺線輪齒數(shù)確定，其值具體選擇見表3。

因?yàn)閦c=29個(gè)，根據(jù)表3可知：1.25≤k2≤2.0。

4）針齒中心圓半徑rp=■。

5）擺線輪齒寬bc=（0.1～0.2）rp，上式系數(shù)按經(jīng)驗(yàn)取值為0.15。

6）鋼球半徑rrp0=■×sin■。

7）相切平面半徑rrp=■，在鋼球所在的空間直角坐標(biāo)系中，垂直于z軸與鋼球相切所在的平面即為相切圓面，相切圓面的半徑即為相切平面當(dāng)量針齒半徑rrp，那么rrp0、rrp和z1三者構(gòu)成勾股定理關(guān)系。

8）針徑系數(shù)k2=■sin■。

9）偏心距a=■。

再由1）到9）可知設(shè)計(jì)參數(shù)為范圍值難以得到確定值且環(huán)環(huán)相扣，為了得到設(shè)計(jì)參數(shù)確定值，使用Matlab編程語言軟件，通過圖形化界面顯示的方式優(yōu)化出處在不同平面中擺線輪與鋼球無根切嚙合時(shí)的平滑曲線，從而達(dá)到確定基本設(shè)計(jì)參數(shù)值的目的。

如圖2所示，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)公式在Matlab程序中進(jìn)行編程，將上述基本設(shè)計(jì)參數(shù)的取值范圍按照對應(yīng)的格式要求即可在對應(yīng)的輸入窗口中進(jìn)行編輯輸入。

當(dāng)所有的參數(shù)要求編輯完成后，單擊繪圖按鈕即可得到擺線輪與鋼球的多組分層嚙合曲線圖。通過以上操作可以優(yōu)化出一組合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，通過圖3可知擺線輪與鋼球在嚙合時(shí)的曲線圖較為平滑，無出現(xiàn)尖點(diǎn)的現(xiàn)象，該組參數(shù)值同時(shí)滿足機(jī)械設(shè)計(jì)手冊上相對應(yīng)的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)擺線輪與鋼球的嚙合曲線圖可在下文中進(jìn)一步驗(yàn)證，所以該組參數(shù)值是合理可行的。表4為最終確定擺線輪基本設(shè)計(jì)參數(shù)。

當(dāng)確定擺線輪的基本設(shè)計(jì)參數(shù)后，需要進(jìn)一步確定其他的設(shè)計(jì)參數(shù)。

1）等距修形量△rrp=■，csjx為設(shè)計(jì)初始間隙，其取值根據(jù)鋼球中心圓半徑rp及傳動比i，由于rp=62 mm，i=30，查看初始間隙參考值表，可得出csjx的值為0.105，將參數(shù)代入四舍五入可得△rrp=0.437 3 mm。

2）移距修形量△rp=△rrp-csjx，同理可得△rp=0.332 3 mm。

3）擺線輪齒頂圓半徑

rac=rp+a-rrp-△rrp+△rp，將參數(shù)代入可得rac=42.095 mm。

4）擺線輪齒根圓半徑rfc=rp-a-rrp-△rrp+△rp，將參數(shù)代入可得rfc=40.095 mm。

5）輸出機(jī)構(gòu)尺寸計(jì)算。

擺線輪中心孔半徑Rn=（0.4～0.5）rp，上式系數(shù)按經(jīng)驗(yàn)取值為0.4，可得Rn=17.2 mm，圓整可取得Rn=17.5 mm。

擺線輪中心圓半徑Rw=0.5rfc+0.5Rn，將參數(shù)代入可得Rw=29.797 5 mm，圓整可取得Rw=30 mm。

6）柱銷尺寸計(jì)算。

柱銷數(shù)目zw，其值通常根據(jù)鋼球中心圓直徑?jīng)Q定，其值選擇具體見表5。

因?yàn)閐p=86 mm，所以zw=6。

柱銷直徑dsw，其值可根據(jù)柱銷的抗彎強(qiáng)度條件決定，或可按照表6。

為了能夠得到更符合實(shí)際情況的擺線輪外形，dSW取11，利用插值法求得drw為15 mm。

柱銷套外徑drw，由表5同理可得柱銷套直徑drw=20 mm。

擺線輪柱銷孔直徑dw：dw=drw+2a+△，式中△為柱銷孔與柱銷套之間的間隙（mm），若針齒中心圓半徑rp≤275 mm時(shí)，△=0.15 mm；若rp＞275 mm時(shí)，△=0.2～0.3 mm。現(xiàn)rp=60.7 mm，則△=0.15 mm。將參數(shù)代入可得dw=21.55 mm。當(dāng)?shù)玫絛w=21.55 mm后，需驗(yàn)算所選擇數(shù)據(jù)的合理性，那么則需要保證擺線輪柱銷孔的最小壁厚大于或等于[△]=0.03dp。

由圖4可得，擺線輪柱銷孔壁厚需滿足

。

將參數(shù)代入可得：△1=5.585 mm，△2=8.55 mm，△1和△2均滿足大于或等于[△]=0.03 dp=3.642 mm的條件。滿足驗(yàn)算條件，從而驗(yàn)證了所選數(shù)據(jù)的合理性。

2.2" 三維建模

通過以上數(shù)據(jù)，使用Creo三維建模軟件對擺線鋼球傳動軸承減速器進(jìn)行建模，如圖5所示。

3" 結(jié)論

本文深入開展針輪輸出針擺行星傳動的理論研究，提出了內(nèi)凹的球面包絡(luò)曲面齒形的針輪輸出擺線鋼球傳動結(jié)構(gòu)。通過對傳統(tǒng)針擺行星傳動設(shè)計(jì)計(jì)算方法的分析，總結(jié)了針輪輸出擺線鋼球傳動的設(shè)計(jì)方法和理論，并進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)方法的研究，同時(shí)對整機(jī)進(jìn)行了三維實(shí)體建模，對以后的各類減速器研究具有借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李偉.結(jié)合減速器現(xiàn)狀淺談中國制造[J].科技風(fēng)，2018（5）：217.

[2] 鮑君華，何衛(wèi)東，盧琦，等.曲面擺線鋼球行星傳動減速器[P].中國專利：107237864A，2017.

[3] 朱孝錄.齒輪傳動設(shè)計(jì)手冊[M].2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010：543-576.

[4] 王偉.高效節(jié)能擺線鋼球減速器運(yùn)動仿真與有限元分析[D].西安：陜西科技大學(xué)，2015.

[5] 張瑞.針輪輸出針擺減速器參數(shù)化建模及有限元分析[D].大連：大連交通大學(xué)，2016.

[6] 賈兵.針輪輸出新型擺線針輪減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其動力學(xué)性能分析[D].大連：大連交通大學(xué)，2009.

[7] BAO J H， HE W D. Parametric Design and Efficiency Analysis of the Output-Pin-Wheel Cycloid Transmission[J].International Journal of Control and Automation，2015（8）：349-361.

[8] BAO J H， HE W D.Optimization design and parametric modeling of traction gear transmission used in subway locomotive[J].ADVANCES IN TRANSPORTATION STUDIES，2015（12）：107-114.