如何提升擺線針輪減速機承載能力

發布時間：2017-10-05 22:37:00 點擊：

泰興減速機：對目前國內外

擺線針輪減速機

市場和減速機的結構形式進行了對比。對帶均載機構的行星擺線針輪減速機的結構、受力、均載理論進行了分析;并提出了相應的計算方法。通過對新產品的設計、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展,市場競爭日趨激烈。減速機的發展方向是:“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。如何在現有產品的基礎上提升

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品及設計理論,發現國外的減速機更注重在基礎工藝、加工及材質方面做更深入的研究與改進,如硬齒面技術等,而產品大部分卻采用最傳統的結構加以高水平的模塊化設計與嚴格、成熟的企業管理,憑借先進的齒輪設計與制造技術及穩定的材料性能組合成高品質的產品牢牢地占領著我國減速機的高端市場,如ＳＥＷ,ＦＬＥＮＤＥＲ等著名公司。國內的大部分減速機企業只是仿造,在品質上很難超越。但在中低端市場,這些企業卻憑借價格優勢,具有很好的市場占有率。此外,國內也有一些產、學、研相結合的減速機廠家生產的新產品,如星輪減速機、ＲＶ減速機、三環減速機等,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構的創新而導致工藝性復雜、加工困難,缺乏良好的性價比和最佳選用性,有些產品甚至存在理論上的先天不足,產品優勢不是非常突出。這也是這些產品形式雖然新穎卻長期不能被市場廣泛認同,得不到較大發展和推廣的主要原因。目前發現大部分“發

明”均處在理論研究層面,缺乏可操作性。目前國內有些中小型企業處于產品品牌、質量、價格的市場中間位置,企業產品的競爭力大大降低。它的前提是在明顯提升產品性能的同時,盡量不打亂現有的生產工藝、盡量減少現有零件的變動、盡量保持現有主打產品的批量化生產以節約成本。這就需要從現有產品的設計中尋找不足。首先是在現有理論上進行了分析、提出傳統

擺線針輪減速機

采用的孔銷式Ｗ機構,由于其柱銷為懸臂結構,造成左右擺線輪傳遞功率嚴重不均衡,導致減速機效率較低,并極大限制了輸出轉矩的提高的論點。在文獻[1]中,根據柱銷的懸臂結構,從左右柱銷受力變形和變形協調條件出發,全部導出并建立了各柱銷受力、左右擺線輪傳遞轉矩的計算方法,并計算出了傳遞轉矩不均衡的準確值。

1　均載機構的結構設計和受力分析

1.1　均載機構的結構

均載機構(如圖1所示)是在傳統孔銷式Ｗ機構的右側加了一均載環而構成的。均載環上環形布置的孔與柱銷右端的軸臺一一對應,緊密配合,將全部柱銷連接成整體。因此理論上均載環將與輸出軸做同步剛體平面運動。

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動時,Ｗ機構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矩時,各柱銷變形相當于輸出軸相對于擺線輪產生了逆時針旋轉了一個微小的Δλ的角位移(此時不考慮均載環作用),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:

上式即處于不同位置各柱銷在ｙ向的變形協調條件。可見處于水平位置的柱銷ｙ向變形最大,因此受力也最大。

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,因此不傳動輸出轉矩。

由此可見,均載環的作用就是將各柱銷相對固定,其在ｘ,ｙ向的剛度將產生反作用力于柱銷端點3(見表1),通過均載環,使受力較小的柱銷幫助受力較大(變形也應較大)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。這就是均載環起到均載作用的理論基礎。

但是由于結構中每一柱銷已不是懸臂梁結構,使求解的未知數大大增加,計算將極為復雜;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

由于均載環相對于輸出軸并不是剛性結構,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也將產生相應撓度。處于不同αｉ角的柱銷受力大小不同,因此均載環(假設為剛體,由于兩端面受約束,因此僅做剛體平面位移)相對于擺線輪將產生相對位移。均載環中心點理論上將有3個位移分量:Δｘ,Δｙ,Δα(設為順時針)。由于均載環強制使各柱銷右端變形后仍在均載環的相應配合孔內,因此各柱銷端點的Ｊｘｉ,Ｊｙｉ必然是該3個位移分量的函數。對第ｉ個柱銷,端點位移為:

由于柱銷在端點3受均載環的強制變形,必然在該點上對柱銷產生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,在此取柱銷數為8;由于柱銷剪切變形均小一數量級,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出:

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,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量相等的變形協調條件,以便聯立求解。

該算例的8個柱銷共有29個未知載荷,因此需要29個獨立的變形協調條件。因為各柱銷變形受左右擺線輪和均載環約束;同時通過全部柱銷的受力形成輸出轉矩,故其變形協調條件并不難求出,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中心點的3個未知數,它們可用任選柱銷變形的3個分量方程代入(例如:Ｊｙ2,Ｊｙ8,Ｊｘ5)即可轉換成相應力的函數。

最后一個變形協調條件可由Ｑ1～Ｑ13形成的力矩等于減速機輸出力矩得到。

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:

矩陣中各系數ａｉｊ和Ｋｉ均為結構尺寸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,轉速ｎ,和速比ｉ的函數,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　均載機構對提升

擺線針輪減速機

承載能力的實際效果

經過大量的加載試驗,以及大批用戶對該產品的實際使用,證明帶均載環結構的

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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,并非認為它是最好的方案,而是認為它是目前最適合現有擺線針輪減速機產品的方案。該結構的實用性是:工藝性、經濟性好,僅對減速機的輸入法蘭盤、銷軸、輸出軸等結構進行了簡單改動以騰出均載環的安放空間,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。達到了企業對老產品升級改造的初衷與要求。

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