变速传动轴承性能优化的思路分析

作者：bearingpower        发表时间：2010-12-12

【摘 要】变速传动轴承是我国独创的专利产罚且恢趾苡蟹⒄骨熬暗母咝阅鼙渌僭。文章介绍了变速传动轴承的结构，并对现有的推杆活齿传动的结构和尺寸在其优化思路上进行了分析?br/> 　　 【关键词】变速传动轴承；推杆活齿传动；优化 【中图分类号】TH13 【文献标识码】A 【文章编号】1007-7723（2005）06-0049-02 一、前 言　　变速传动轴承是我国独创的专利产品，兼具变速与支承两种功能，其传动机构是一种以组合活齿为传动构件的活齿少齿差行星齿轮传动装置。这种变速机构抛弃了传统的齿轮、蜗轮、针轮等结构形式，采用推杆结构，可实现正反两个方向的减速或增速定比传动。它结构紧凑，传动比范围大，传动效率高，使用寿命长，运转平稳，噪声低，维修方便。与摆线针轮减速器相比，又具有制造工艺简单，成本低廉的优点，是一种很有发展前景的高性能变速元件。　　变速传动轴承外型和安装方式与普通轴承相似，同时具有减速箱的变速功能和滚动轴承的支承功能。它将变速箱及滚动轴承集成为一体，成为一个最简单的传动元件，可以直接装入机械产品中。在机械产品的机体留一个安装孔，装入变速传动轴承，不再需要减速机或传动零件，即可完成定传动比的增速或减速传动。此时机械产品的结构变得十分简单，缩短了传动链，产品的性能，体积，重量都产生极大的改进。而且，若做成变速轴承减速器，在许多情况下可很好的代替摆线针轮减速器、圆柱齿轮减速器或蜗杆减速器。　　正是变速传动轴承机构的特殊性，决定了对其性能的分析和计算与其它活齿传动机构以及单纯的推杆减速器不完全相同。目前，变速传动轴承主要是向产品系列化，规格化，以及大功率，长寿命的方向发展。　　变速传动轴承的传动机构?推杆活齿传动机构是经历了多次结构改进发展而来的。本文介绍了变速传动轴承的结构后，对现有的推杆活齿传动的结构和尺寸在其优化思路上进行了分析。　　二、变速传动轴承的基本结构 变速传动轴承是一种外型及安装方式如普通滚动轴承的新型传动装置，是将轴承的支承功能和变速箱的变速功能集为一体的一个最简单的传动元件，可代替原有的机械传动部分直接装入机械产品中，使传动链显著缩短，并且体积小，重量轻，结构紧凑，噪音低，从而大大提高主机的配套质量。它和滚动轴承一样便于大批量生产和广泛应用。　　从外观来看，变速传动轴承是由位于中间的异型轴承和位于两端、偏心位置相差180o的两个活齿传动机构所组成。异型轴承由外圈、中圈、内圈组成，三圈可以相对转动。每个活齿传动机构由内齿圈对、传动圈、推杆、滚柱、标准滚动轴承以及公用的双偏心套等组成。内齿圈用铆钉固联在外圈上；传动圈用铆钉固联在中圈上；双偏心套与内圈用过盈配合连接；两端包容有滚柱的推杆(活齿)置于传动圈的径向导槽内。如图1所示。 总的来说，变速传动轴承可分为五大部分： 1.内齿圈内齿圈的齿形是与运动的推杆外滚柱相啮合的曲线。与偏心轮(即激波器)对应，采用两个完全相同的内齿圈互成180o布置。 2.传动圈传动圈是一个具有双排等分槽的构件，它常与输出轴通过传动杆固联。 3.活齿即装有内外滚子的推杆。内外滚子一般是短圆柱滚子。　　4.激波器一般由输入轴、标准滚动轴承及公用的双偏心套组成。为了平衡激波器所产生的惯性力和抵消激波器上的径向力，故常采用双排结构，并使它们的相位差为180o。　　5.异形轴承异型轴承由外圈、中圈、内圈组成，三圈可以相对转动。　　内齿圈，传动圈，偏心套三者分别承担固定、输入、输出三种不同的角色，以获得不同的传动比和变速传动效果。　　三、传动结构的改进　　变速传动轴承的变速机构是推杆传动型式，属于活齿传动类机构，其经历了多次改进，才发展成为现在的已形成工业生产能力的结构形式。目前就推杆减速器而言，其内部结构的局部改进和进行优化设计已经趋于完善，而且，现有理论己经表明按传动比固定原则设计的活齿传动机构都不可能做成各运动副都是纯滚动的，所以再去竭力寻求以纯滚动副来代替推杆与导槽之间的移动副是行不通的，故应该寻求新的活齿传动结构来实现产品所需的性能，本文分析了以下两个方面的改进思路。　　1.采用摆动活齿传动机构，设计新的变速传动轴承从变速传动轴承产品的机构设计着眼，需要三个能相对转动的基本部件分别与异型轴承的三圈相联。如图2所示，摆动活齿传动机构能达到这个要求，同时由于引进了摆动活齿代替移动活齿，推杆与传动圈之间的磨损问题得到了彻底解决。　　 图1 变速传动轴承结构简图 图2 摆动活齿传动机构简图 图3 外激波式活齿传动机构简图　 1－内齿圈 2－传动圈3－推杆4－标准轴承5－偏心套　　因此，采用其与异型轴承有机结合来设计新的变速传动轴承，是可行的。而且，已经有学者对摆动活齿传动理论进行了深入探索，为新变速传动轴承的设计与试制打下了良好的基础。但是，有一点需要注意的是，由于摆杆活齿机构内齿圈齿形的两侧是不对称的，从而其正反转特性也不相同。一侧传动性能好，一侧传动性能差。所以，由此设计的新变速传动轴承将只能是单向减速传动的，否则就很难保证传动性能的优越。　　2.采用外激波与以轴承代替滚子的新型传动机构　　如图3所示，即将激波器设计成外工作轮廓，内齿圈设计成圆形外轮。　　这种结构称为外激波式活齿传动机构，同时用小型滚动轴承作为活齿。图中1、2、3、4、5、6、7、8、9均代表小型轴承。这种结构不仅保持了三个基本部件能相对转动，而且由于采用小型滚动轴承代替推杆活齿，不存在推杆磨损问题。其传动原理是：当外激波器输入转速转动时，活齿由于与激波器工作齿廓的相互作用而发生转动和径向运动，从而迫使活齿架发生转动，从而完成了运动和动力的传递。　　这种结构形式的显著优点是使波形轮的齿形为外凸的共扼曲线，大大改善了波形轮的加工工艺性能，为在专用设备上加工出精确的齿形提供了方便。同时，由于采用小型轴承作为活齿，对提高产品的承载能力和功率传递很有好处。　　四、传动结构尺寸的优化　　要提高变速传动轴承的啮合效率，减少磨损、提高承载能力、实现大功率传递等，除进行内部结构改进外，还有一个非常有效的方法，即对现有的结构进行优化设计。　　对其内部机构的尺寸进行优化设计，研究人员通常只是从整体方面来考虑，以啮合效率作为目标函数，以顶切限制、强度条件、传动参数取值范围和轴承寿命为约束条件，优化设计的基本变量主要是：　　激波器半径rb、偏心距e、滚子半径r2和推杆长度L。对推杆减速器进行总体优化设计是必不可少的，但对于推杆活齿这一特殊传动构件的进行局部优化设计也是非常重要的。因为推杆活齿、传动圈径向导槽移动副是推杆活齿传动啮合副的核心部分，其结构特征在很大程度上决定了推杆活齿传动啮合副的传动效率和磨损情况。而对实际应用的推杆活齿传动进行检测发现，组成移动副的推杆活齿、传动圈径向导槽都产生了比较严重的磨损。而且，传递功率越高，承受载荷越大，磨损越严重。　　要想提高推杆活齿的传动效率，可以从其基本尺寸、传动比、摩擦角三个方面考虑。传动比由内齿圈齿数、活齿数及安装方式决定，且通常都是按照用户的要求确定，一般不能随意变动。摩擦角由各零件的材料及表面精度决定，也很难改进。因此，合理的基本尺寸设计成为提高推杆活齿传动效率、降低磨损的主要途径。　　移动副在单边接触时受力情况和磨损情况都优于双边接触。在此，可以在单边接触的基础上，从啮合副结构尺寸综合方面去寻找提高推杆活齿传动效率、减轻推杆活齿与传动圈径向导槽摩擦磨损的途径。　　为提高推杆活齿的传动效率，降低其与传动圈径向导槽的磨损，在进行推杆活齿局部优化设计时，除了要活齿数大于内齿圈齿数外，应遵循以下条件：　　1.推杆活齿最大外伸长度为0；　　2.尽量使三力汇交点的位置靠近推杆中心点；　　3.综合考虑径向尺寸，推杆的长度可以取大一些，活齿架导槽的长度La在保证不小于推杆长度L的条件下，尽可能的取小些。　　因此，在对推杆活齿移动副进行局部优化设计时，我们可以将这些原则转化为约束条件：　　目标函数为：推杆活齿的传动效率。　　优化设计变量为：　　1.推杆长度L；　　2.传动圈导槽长度La。　　约束条件为：　　1.推杆活齿最大外伸长度为0；　　2.三力汇交点的位置靠近推杆中心点；　　3.保证La>=L。【参考文献】　　[1]朱绍仁．变速传动轴承[J]．中国专利，CN85200923U．　　[2]张国瑞．行星传动技术[M]．上海：上海交通大学出版社，1989．　　[3]邓力凡．一种新型变速轴承[J]．机械工程师，2000，(2)．　　[4]刘生林，等．新型摆杆减速器的研究[J]．机械设计，1998，(5).