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如何提升擺線針輪減速機承載能力

發(fā)布時間：2017-10-05 22:37:00 點擊：

    泰興減速機：對目前國內(nèi)外擺線針輪減速機市場和減速機的結(jié)構(gòu)形式進行了對比。對帶均載機構(gòu)的行星擺線針輪減速機的結(jié)構(gòu)、受力、均載理論進行了分析;并提出了相應(yīng)的計算方法。通過對新產(chǎn)品的設(shè)計、制造與實驗,驗證了提升承載能力的可靠性,證實了采用該方法的有效性與實用性。
        
             近年來,由于硬齒面齒輪減速機的迅猛發(fā)展,市場競爭日趨激烈。減速機的發(fā)展方向是:“六高、三化、二低”,即:高承載能力、高齒面硬度、高精度、高速度、高可靠性、高傳動效率;標準化、多樣化、小型化;低噪聲、低成本。如何在現(xiàn)有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上提升擺線針輪減速機的承載能力,值得進一步探討。
              通過對比中外大量的減速機產(chǎn)品及設(shè)計理論,發(fā)現(xiàn)國外的減速機更注重在基礎(chǔ)工藝、加工及材質(zhì)方面做更深入的研究與改進,如硬齒面技術(shù)等,而產(chǎn)品大部分卻采用最傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)加以高水平的模塊化設(shè)計與嚴格、成熟的企業(yè)管理,憑借先進的齒輪設(shè)計與制造技術(shù)及穩(wěn)定的材料性能組合成高品質(zhì)的產(chǎn)品牢牢地占領(lǐng)著我國減速機的高端市場,如ＳＥＷ,ＦＬＥＮＤＥＲ等著名公司。國內(nèi)的大部分減速機企業(yè)只是仿造,在品質(zhì)上很難超越。但在中低端市場,這些企業(yè)卻憑借價格優(yōu)勢,具有很好的市場占有率。此外,國內(nèi)也有一些產(chǎn)、學、研相結(jié)合的減速機廠家生產(chǎn)的新產(chǎn)品,如星輪減速機、ＲＶ減速機、三環(huán)減速機等,雖然在提升減速機承載能力上各有所長,但都存在一個共同的弱點,即過于注重理論和結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新而導(dǎo)致工藝性復(fù)雜、加工困難,缺乏良好的性價比和最佳選用性,有些產(chǎn)品甚至存在理論上的先天不足,產(chǎn)品優(yōu)勢不是非常突出。這也是這些產(chǎn)品形式雖然新穎卻長期不能被市場廣泛認同,得不到較大發(fā)展和推廣的主要原因。目前發(fā)現(xiàn)大部分“發(fā)
    明”均處在理論研究層面,缺乏可操作性。目前國內(nèi)有些中小型企業(yè)處于產(chǎn)品品牌、質(zhì)量、價格的市場中間位置,企業(yè)產(chǎn)品的競爭力大大降低。它的前提是在明顯提升產(chǎn)品性能的同時,盡量不打亂現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝、盡量減少現(xiàn)有零件的變動、盡量保持現(xiàn)有主打產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)以節(jié)約成本。這就需要從現(xiàn)有產(chǎn)品的設(shè)計中尋找不足。首先是在現(xiàn)有理論上進行了分析、提出傳統(tǒng)擺線針輪減速機采用的孔銷式Ｗ機構(gòu),由于其柱銷為懸臂結(jié)構(gòu),造成左右擺線輪傳遞功率嚴重不均衡,導(dǎo)致減速機效率較低,并極大限制了輸出轉(zhuǎn)矩的提高的論點。在文獻[1]中,根據(jù)柱銷的懸臂結(jié)構(gòu),從左右柱銷受力變形和變形協(xié)調(diào)條件出發(fā),全部導(dǎo)出并建立了各柱銷受力、左右擺線輪傳遞轉(zhuǎn)矩的計算方法,并計算出了傳遞轉(zhuǎn)矩不均衡的準確值。
          
    1　均載機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和受力分析
    1.1　均載機構(gòu)的結(jié)構(gòu)
           均載機構(gòu)(如圖1所示)是在傳統(tǒng)孔銷式Ｗ機構(gòu)的右側(cè)加了一均載環(huán)而構(gòu)成的。均載環(huán)上環(huán)形布置的孔與柱銷右端的軸臺一一對應(yīng),緊密配合,將全部柱銷連接成整體。因此理論上均載環(huán)將與輸出軸做同步剛體平面運動。
                           擺線針輪減速機
            圖2為(從輸入軸端看)左右擺線輪對柱銷傳動原理圖[2]。圖中,當擺線輪沿順時針方向轉(zhuǎn)動時,Ｗ機構(gòu)在反時針方向作用于擺線輪上一個阻力矩Ｍａ,此時,左擺線輪在ｙ軸右邊及右擺線輪在ｙ軸左邊的柱銷孔與柱銷(套)有離開的趨勢,所以在它們之間沒有作用力存在;左擺線輪在ｙ軸左邊及右擺線輪在ｙ軸右邊的柱銷孔與柱銷(套)間有作用力和反作用力存在。左擺線輪的柱銷孔作用于ｉ位置柱銷的力Ｑｉ必然是接觸點的法線方向,即ｙ向。在僅考慮傳動負載轉(zhuǎn)矩時,各柱銷變形相當于輸出軸相對于擺線輪產(chǎn)生了逆時針旋轉(zhuǎn)了一個微小的Δλ的角位移(此時不考慮均載環(huán)作用),其ｙ向變形Ｓｙｉ最大值在αｉ=90°時,即水平位值,為Ｒｗ·Δλ(Ｒｗ為柱銷中心分布圓半徑)。并有:
                    擺線針輪減速機
        
          上式即處于不同位置各柱銷在ｙ向的變形協(xié)調(diào)條件?？梢娞幱谒轿恢玫闹Nｙ向變形最大,因此受力也最大。
                                         擺線針輪，針輪減速機
             同理,當柱銷處于ｙ軸上,即αｉ=180°時,其變形的ｙ向分量將等于0,即不受垂直方向的力,因此不傳動輸出轉(zhuǎn)矩。
             由此可見,均載環(huán)的作用就是將各柱銷相對固定,其在ｘ,ｙ向的剛度將產(chǎn)生反作用力于柱銷端點3(見表1),通過均載環(huán),使受力較小的柱銷幫助受力較大(變形也應(yīng)較大)的柱銷減小變形,使端點3起到支承作用,因此受力趨于均衡。這就是均載環(huán)起到均載作用的理論基礎(chǔ)。
             但是由于結(jié)構(gòu)中每一柱銷已不是懸臂梁結(jié)構(gòu),使求解的未知數(shù)大大增加,計算將極為復(fù)雜;另一方面,由于制造和裝配誤差不可忽視的影響,將使理論計算與實際產(chǎn)生較大誤差,因此,文中僅做理論分析,探討求解方法。
    1.2　均載環(huán)作用下各柱銷受力分析
     1.2.1　各柱銷端點的位移
                由于均載環(huán)相對于輸出軸并不是剛性結(jié)構(gòu),因此在輸出軸負載作用下,由于柱銷傳力變形,各柱銷右端點3也將產(chǎn)生相應(yīng)撓度。處于不同αｉ角的柱銷受力大小不同,因此均載環(huán)(假設(shè)為剛體,由于兩端面受約束,因此僅做剛體平面位移)相對于擺線輪將產(chǎn)生相對位移。均載環(huán)中心點理論上將有3個位移分量:Δｘ,Δｙ,Δα(設(shè)為順時針)。由于均載環(huán)強制使各柱銷右端變形后仍在均載環(huán)的相應(yīng)配合孔內(nèi),因此各柱銷端點的Ｊｘｉ,Ｊｙｉ必然是該3個位移分量的函數(shù)。對第ｉ個柱銷,端點位移為:
                           擺線針輪減速機
          
             由于柱銷在端點3受均載環(huán)的強制變形,必然在該點上對柱銷產(chǎn)生ＱＬｘｉ,ＱＬｙｉ的作用力。
    1.2.2　各柱銷受力和變形
                文獻[1]中的圖2和圖3是為簡化分析計算和建立通用計算模型,在此取柱銷數(shù)為8;由于柱銷剪切變形均小一數(shù)量級,故本計算僅考慮彎曲變形。表1為計算圖,分析步驟如下:
     (1)首先在柱銷的懸臂梁上1,2,3點分別作用一單位力,求出其在1,2,3點上的變形量。這由材料力學可直接導(dǎo)出:
                                           擺線針輪減速機
            λｉｊ的力學意義為:在ｉ點作用一單位力是在ｊ點引起的變形量。
    (2)順序求出各梁在圖示載荷作用下,在1,2,3點的ｙ向總變形ｆ1,ｆ2,ｆ3和ｘ向變形ｆ3ｘ。
           因為在彈性力學范圍內(nèi),載荷對任一點引起的變形與該載荷成比例;各載荷對同一點引起的總變形也可疊加。故根據(jù)每一柱銷的圖形,即可方便地寫出在各點的變形方程(見表1)。
    (3)找出與全部未知載荷數(shù)量相等的變形協(xié)調(diào)條件,以便聯(lián)立求解。
          該算例的8個柱銷共有29個未知載荷,因此需要29個獨立的變形協(xié)調(diào)條件。因為各柱銷變形受左右擺線輪和均載環(huán)約束;同時通過全部柱銷的受力形成輸出轉(zhuǎn)矩,故其變形協(xié)調(diào)條件并不難求出,其中:左右擺線輪對柱銷1～5在ｙ向有ｆ1=ｆ2,故可得到5個方程左右擺線輪約束的對稱性,使處于對稱位置(如2與8;3與7;4與6;)的左柱銷和右柱銷在2點的ｙ向變形相等,因此可得到3個方程。
           柱銷1～5各ｙ向變形由式(2)可得到4個方程。
           各柱銷右端,即第3點在,ｘ,ｙ向受均載環(huán)約束,即式(3)和式(4),可得到16個方程。注意:這些方程中都有均載環(huán)中心點的3個未知數(shù),它們可用任選柱銷變形的3個分量方程代入(例如:Ｊｙ2,Ｊｙ8,Ｊｘ5)即可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)力的函數(shù)。
           最后一個變形協(xié)調(diào)條件可由Ｑ1～Ｑ13形成的力矩等于減速機輸 出力矩得到。
                  擺線針輪減速機
                    擺線針輪減速機
             通過以上步驟,將得到29個方程。全部方程均為Ｑ1～Ｑ29的線性方程,可用矩陣表示為:
                               擺線針輪減速機
            矩陣中各系數(shù)ａｉｊ和Ｋｉ均為結(jié)構(gòu)尺寸Ｌ1,Ｌ2,Ｌ3和柱銷直徑ｄ,銷孔分布圓半徑Ｒｗ,以及減速機輸入功率Ｎ,轉(zhuǎn)速ｎ,和速比ｉ的函數(shù),均為已知,因此可以求解。
            求解的方法分為兩步:(1)消元,將矩陣消元為上三角矩陣;然后迭代:將Ｑ29代回ｉ=28行求出,然后再代入上一行求Ｑ27,如此繼續(xù)可將全部載荷求出。這一過程工作量太大不可能用手工完成,必須使用計算機程序求解。
       
    2　均載機構(gòu)對提升擺線針輪減速機承載能力的實際效果
            經(jīng)過大量的加載試驗,以及大批用戶對該產(chǎn)品的實際使用,證明帶均載環(huán)結(jié)構(gòu)的擺線針輪減速機可提升承載能力20%以上、降低溫升20%以上。對提升擺線針輪減速機的承載能力有明顯的效果,是一個成功的改進。所以在提升擺線針輪減速機的承載能力的解決方法中力推均載機構(gòu),并非認為它是最好的方案,而是認為它是目前最適合現(xiàn)有擺線針輪減速機產(chǎn)品的方案。該結(jié)構(gòu)的實用性是:工藝性、經(jīng)濟性好,僅對減速機的輸入法蘭盤、銷軸、輸出軸等結(jié)構(gòu)進行了簡單改動以騰出均載環(huán)的安放空間,未牽扯其標準木型、鑄件的改動。成本增加極少,減速機的外形及安裝尺寸絲毫未變,卻能明顯地提升承載能力。達到了企業(yè)對老產(chǎn)品升級改造的初衷與要求。
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