我国从1964年开始,对摆线针轮行星传动进行了系统深入的研究。天津减速机厂、上海减速机厂、大连橡胶塑料机械厂于1964年左右首先进行摆线减速器的试制,经过2~3年的艰苦努力,获得初步成功。1972年年初大连橡胶塑料机械厂在此基础上,曾设计了一台传动功率为100kW的摆线针轮行星减速器。
20世纪60年代末,东北工学院、沈阳机电学院等院校及研究机构首先介绍了这种新型机械传动的运动学、几何学及力分析等方面的基本知识。上海交通大学对摆线减速器的制造工艺、传动效率试验、输出销轴强度试验等方面进行了研究。自1971年秦川机床厂将我国第一台可以精磨摆线轮齿的QC001型摆线磨齿机投入批量生产以后,我国许多工厂开始批量生产摆线针轮行星减速器。当时,不仅在进行系列化设计与计算摆线轮齿形测量尺寸等方面工作时,迫切要求有一个能表达摆线轮实际齿形的方程式,而且为了分析国外引进产品的齿形,想要通过对齿形坐标的精确测量和电算迅速而准确地判定其齿形修形方式与修形量,也必须建立一个能概括各种通用修形方式的摆线轮齿形方程式。但当时已有资料中,只有纯理论的无隙啮合的标准齿形方程式。众所周知,为了补偿制造误差,便于装拆和保证良好的润滑,摆线轮齿与针轮齿之间是不允许没有啮合间隙的,所以摆线轮的齿形都必须修形,而不可能采用无隙啮合的标准齿形。
根据摆线针轮行星传动的啮合与加工原理,以及所掌握的国内外资料,摆线轮的齿形修形方式不外乎以下3种基本修形法的组合:
1)等距修形法。等距修形只是将磨轮齿形半径由理论的rrp加大为rrp+Δrrp(当修形量Δrrp为正值时,为正等距修形,反之,当修形量为负值时称为负等距修形),rrp为正值时,加工出的摆线轮与标准针齿之间,在公法线方向上有间隙。
2)移距修形法。移距修形是将磨轮(齿形半径为rrp)向工作台中心移动一个微小距离Δrp(称为负移距修形,反之,远离工作台移动为正移距修形),这就相当于在磨齿时,针齿中心圆半径由标准的rp缩小为rp+Δrp(负移距修形时,Δrp应以负值代入),这样加工出的摆线轮与标准针齿之间存在法向间隙。
3)转角修形法。采用正转角修形方法加工摆线轮时,机床的调整完全和加工标准齿形一样,只是在磨出标准齿形以后,将分齿机构与偏心机构的联系脱开,然后拨动分齿机构齿轮,使摆线轮工件转过一个微小的角度,这样重新磨削后就得到一条与标准齿形基本上相同的齿形,仅整个齿的厚度变小,而齿间变大了一些。从理论上说,将转角修形磨出的摆线轮装于标准针轮内,在啮合时对于各齿所得到的侧隙是较均匀的,但齿顶和齿根部分将存在无间隙啮合,从而不能补偿径向尺寸链的制造误差,故不能单独使用。而其他两种方法既可与其他修形法联合使用,也可单独使用。
当时东北工学院的年轻教师李力行和洪淳赫根据对摆线针轮行星传动特性分析及对摆线轮齿形精确测量的实际需要,创新提出了能概括各种齿形修形的通用的摆线轮齿形方程式,为摆线轮的优化设计、准确受力分析及摆线轮齿形精确测量等提供了重要的理论基础。同时,他们还利用这一通用的摆线轮齿形方程式,根据精确测出的齿形坐标,对引进样机的摆线轮齿形修形方式与修形量也进行了搜寻与分析。
我国机械传动领域的专家学者对摆线针行星传动一直给予足够的重视。近三十年来,进行了一系列深入系统的研究,并在赶超国际先进水平方面取得了一些成果,主要有以下几方面。(www.xing528.com)
1)通过对日本住友重机械株式会社摆线针轮减速器中所采用的摆线轮齿形进行深入的分析研究,发现日本采用的摆线轮齿形,一般采用移距修形,这样加工出来的摆线轮齿形,理论上只是与加工时所用针齿中心圆直径减小的针轮齿互为共轭齿形,而与实际减速器中未减小针齿中心圆直径的针轮齿不为共轭齿形。所以安装后空载运转时,摆线轮与针轮在理论上为单齿啮合,受力变形后才为多齿啮合,显然这会影响传递功率及运动精度。李力行教授经过深入的分析研究,首创了一种修形后工作部分符合共轭条件的摆线轮优化新齿形,即采用正等距与正移距修形优化组合的方式加工摆线轮。其影响齿形的主要参数经过优化设计,齿形的工作部分通过优化逼近共轭齿形,即使空载,同时参与啮合齿数也至少在3个齿以上,不仅承载能力大,传动平稳,而且可按实际要求产生合理的侧隙与径向间隙,以补偿制造误差和满足润滑要求。经现场实际运行后所进行的轮齿啮合带对比分析,采用优化新齿形的摆线轮齿齿面啮合带很宽,是日本同样机型减速器中所用摆线轮齿啮合带的2倍左右。
2)过去国内外文献关于摆线针轮行星传动中摆线轮与针齿啮合时的受力分析均介绍前苏联B.H.库德略夫采夫所提出的方法,此法虽在理论上颇有见地,而被日本等国和我国一些手册转载或引用,但它只在标准齿形摆线轮与针轮处于理论上的无隙啮合时才是合理的。实际上,摆线针轮行星传动为了补偿制造误差、保证良好的润滑,摆线轮必须进行修形。在这种情况下,如果用库氏未考虑修形进行有隙啮合这一实际条件的受力分析方法,所引起的误差至少超过30%,甚至达60%,这点已被光弹实验应力分析与理论分析所证实。1986年,李力行教授在研究摆线轮齿形合理修形方式的基础上,提出了一种考虑了摆线轮修形及受力零件弹性变形影响的符合工程实际的准确摆线轮受力分析方法和公式。该公式在1991年以后,被我国设计手册等所采用,它对进行机器人用RV传动的受力分析也具有重要的参考价值。
3)在小速比采用二齿差方面,魏祥稚高工在我国率先对二齿差摆线针轮传动进行了成功的实践探索。1978年,他在辽阳制药机械厂首先研制成功两台二齿差摆线针轮减速器,从而基本上解决了小速比减速器的齿面胶合问题,并且速比可降至6,为小速比摆线针轮行星传动的研制打下良好的基础。郑州工学院冯澄宙教授也对二齿差摆线针轮传动原理、强度计算、短幅外摆线齿轮的公法线测量方法进行了研究。大连铁道学院马英驹教授对二齿差摆线轮齿廓顶部曲线参数进行了优化计算,取得了良好的效果。考虑到二次磨削造成工艺上的复杂性,他又提出采用一条完整的短幅外摆线等距曲线作为摆线轮齿廓,来等效地代换二齿差摆线针轮传动中的摆线轮工作齿廓与顶部修顶曲线的理论。
4)在大速比时,为了克服常规设计一齿差短幅外摆线的等距曲线与无针齿套针齿啮合时传动效率大幅度下降的缺点,而采用了复合齿形与微变幅齿形的优化设计。
5)以整机承载能力最大为目标函数,进行了摆线针轮行星传动的参数优化设计;完成了一整套摆线针轮行星传动的计算机辅助设计。
6)东北工学院的周培德教授系统地提出了摆线齿轮滚刀齿形设计原理及用包络线原理和用啮合线原理两种计算滚刀齿形的方法。大连铁道学院朱恒生教授以点齿代换法为媒介,从运动学和几何学出发,提出了摆线齿轮在任意加工节圆时计算滚刀齿形的通用方程式,这种方法避免了啮合计算法中繁杂的微积分等数学运算,是一种较为简便的计算方法。
7)鞍山钢铁学院高兴岐教授对适用于摆线针轮行星传动的胶合失效计算准则进行了理论探讨和试验研究,提出了以试验为基础的变态摩擦功准则作为摆线针轮行星传动的胶合计算准则,得出了适用于矿物油及特种油润滑的计算准则表达式,并证明其胶合计算准则有一定的实用性。
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