甚短齒減速機工作原理

楊天博

甚短齒減速機是按本人在西德進(jìn)修時提出的原理設(shè)計的一種新型傳動機械，其結(jié)構(gòu)是采用少齒差行星傳動，但與擺線針輪減速機和一般漸開線少齒差減速機不同。擺線針輪減速機結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，加工難度大，擺線輪和其他一些重要零件必須用高級鋼材制造，熱處理和加工難度均大，成本較高，且由于零件數(shù)量多，因此總的可靠性較低；一般漸開線少齒差減速機加工比較簡單，精度不要求很高，因此加工較容易，成本也較低，但其主要問題是嚙合區(qū)內(nèi)外的各種干涉極難避免，因此其傳動性能大大降低，國內(nèi)外許多專家學(xué)者都對此進(jìn)行了大量研究，取得一定進(jìn)展，但始終沒有得出理想的解決方案。用現(xiàn)有各種資料中的設(shè)計方法和計算公式均不能徹底解決以上問題。因此有不少人認(rèn)為漸開線少齒差減速機只是一種低檔產(chǎn)品，其性能遠(yuǎn)不如擺線針輪減速機和諧波減速機。其實這是一種誤解。實際上漸開線少齒差減速機具有許多其他減速機不具備的先天優(yōu)越性，只是被一些難以克服的缺陷掩蓋住，無法發(fā)揮出來罷了。

    我在西德進(jìn)修時，利用當(dāng)?shù)氐挠欣麠l件，對這個問題進(jìn)行了深入研究，查閱了大量文獻(xiàn)和德國DIN標(biāo)準(zhǔn)中的有關(guān)資料，并按照R.Koller教授的設(shè)計理論，用我自己推導(dǎo)的一系列精確完整的計算公式，對一切可能發(fā)生的情況進(jìn)行了詳細(xì)計算；當(dāng)時計算了一萬多個數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)情況都不能通過（即或多或少存在某些不允許發(fā)生的缺陷），只有極少數(shù)情況能夠完全通過，不存在任何缺陷。我當(dāng)時意識到這些極少數(shù)能夠完全通過，不存在任何缺陷的例子，可能是非常珍貴的“寶藏”，像白金和鉆石一樣，非常稀少而又蘊藏著極其巨大的潛在價值。如果把它們的規(guī)律找出來，應(yīng)用到齒輪設(shè)計中去，可能會在齒輪設(shè)計方面產(chǎn)生巨大的影響。但是這些能夠完全通過的數(shù)據(jù)又雜亂無章，找不出一個共同的規(guī)律。我在對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)觀察分析和計算之后，終于發(fā)現(xiàn)了一個前所未知的新規(guī)律，并按此規(guī)律制定了一套特殊的設(shè)計方法。按此新方法設(shè)計的少齒差傳動，完全不存在任何干涉，經(jīng)德國同行用計算機進(jìn)行模擬運轉(zhuǎn)試驗后，發(fā)現(xiàn)運轉(zhuǎn)情況非常良好，這樣的運行效果是前所未有的?；貒笪野延嘘P(guān)論文給我的老師——著名齒輪專家朱景梓教授和機械傳動專家張志僖教授審閱，兩位老教授給予了高度評價，說這是“將此種齒輪傳動的設(shè)計理論向前大大推進(jìn)了一步”。在回國后的二十多年中，又結(jié)合實踐進(jìn)行了廣泛研究，并對此種減速機的各個結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)和設(shè)計程序進(jìn)行了反復(fù)改進(jìn)，使這項技術(shù)達(dá)到了完全成熟的實用階段。由于申請專利的需要，必須確定一個專利名稱，經(jīng)過反復(fù)斟酌之后，暫決定根據(jù)其齒形特點取名為“甚短齒減速機”，但“甚短齒”遠(yuǎn)不是本項技術(shù)的全部內(nèi)容，僅僅是為了便于稱呼而已。

    按這項技術(shù)設(shè)計的減速機具有許多突出的優(yōu)點，其中最重要的有以下幾點：

1、  其傳動比范圍極大，除特殊需要外，一般情況下，從10以下的小速比到10000以上的大速比，均可用一級減速來解決，因此大大簡化了結(jié)構(gòu)。

2、  零件數(shù)量極少，除標(biāo)準(zhǔn)件以外的自制零件一般不超過10件，而且這些零件在通常情況下不需要用高級鋼材，不需進(jìn)行復(fù)雜的熱處理，只需采用常用鋼材和簡單熱處理即可。因此成本大大降低，可靠性也比其他零件數(shù)量多的產(chǎn)品高很多。

3、   齒輪強度極高，磨損極其輕微，在采用軟齒面設(shè)計的情況下，即使在重負(fù)荷下運行，其壽命也比其他硬齒面減速機長得多。

4、   速比設(shè)計非常精確，由于采用了特殊的速比設(shè)計方法，對用戶提出的某些精確的特殊速比，其誤差可降低到千分之一甚至萬分之一以下。

5、  在同體積、同輸出轉(zhuǎn)速的條件下，其輸出扭矩比其他減速機提高很多，根據(jù)對國內(nèi)外現(xiàn)有各種減速機進(jìn)行對比的結(jié)果看，其輸出扭矩比其他所有減速機都大，至少大兩倍以上，最多可大數(shù)十倍；因此可以設(shè)計制造小體積大扭矩減速機。

本項技術(shù)的原理，可參閱文后附圖加以說明：

      這是用現(xiàn)實中使用的一種減速機作為例子繪制的原理圖，其結(jié)構(gòu)可以代表大部分產(chǎn)品的基本情況。傳動原理為：輸入軸1將高速轉(zhuǎn)動的動力輸入減速機，輸入軸中段有一偏心軸頸，通過軸承3使雙聯(lián)齒輪10圍繞輸入軸中線公轉(zhuǎn)；雙聯(lián)齒輪右方的小齒輪與固定齒圈4（同時也是減速機外殼）相嚙合，使雙聯(lián)齒輪產(chǎn)生自轉(zhuǎn)，形成行星運動；雙聯(lián)齒輪通過左方的小齒輪將此運動傳遞給輸出軸14右端的齒圈，由于其特殊的傳動結(jié)構(gòu)和設(shè)計參數(shù)，正好將公轉(zhuǎn)運動過濾掉，而將減速后的自轉(zhuǎn)運動由輸出軸14輸出，同時將扭矩按減速比放大，實現(xiàn)減速傳動的目的。（其余零件的說明從略）。

    由于兩對齒輪共同的作用，形成“NN型行星傳動”，即兩對內(nèi)嚙合齒輪的差動傳動?？梢赃x用不同的“齒數(shù)差”和不同的齒數(shù)以及不同的嚙合方式，就可以實現(xiàn)從10以下到10000以上的各種速比。具體能達(dá)到多少，視加工設(shè)備的工作能力而定。如不考慮設(shè)備工作能力的限制，理論上速比可從0到正負(fù)無窮大。因此如無特殊需要，任何速比均可采用一級減速來實現(xiàn)。

    甚短齒減速機在設(shè)計中盡量采用“積分式結(jié)構(gòu)”，即一個零件盡可能同時擔(dān)任多種用途。例如固定齒圈，同時又是減速機外殼；輸出軸，同時又是齒輪系統(tǒng)的一部分；后端蓋，同時又可以設(shè)計成電動機座；前端蓋，同時又是安裝法藍(lán)；對于立式減速機，還可將內(nèi)部傳動零件同時又兼作循環(huán)油泵和油管等等。采用“積分式結(jié)構(gòu)”，可以使結(jié)構(gòu)大大簡化，節(jié)約原材料和加工工作量，從而降低了成本，提高了總體的可靠性。

    齒輪在嚙合時，雖然理論上重合度仍然是略大于1，即大部分時間只有一對齒相嚙合，載荷由嚙合的這對齒傳遞，但在嚙合區(qū)內(nèi)外一定范圍內(nèi)，未參加嚙合的齒，齒側(cè)間隙都非常小，只有一兩個μ以下。因此在受力情況下，只要產(chǎn)生輕微的彈性變形，就形成多對齒同時嚙合。換句話說，就是原來由一對齒承擔(dān)的負(fù)荷，現(xiàn)在由三對齒、四對齒甚至更多對齒來分擔(dān)，顯然每對齒承擔(dān)的負(fù)荷就降低到三分之一、四分之一甚至更小了。另一方面，齒輪齒部受力情況是屬于“懸臂梁”類型，懸臂愈長，則彎曲應(yīng)力愈大，而這里是用“甚短齒”，即比普通標(biāo)準(zhǔn)短齒還要短，在同樣負(fù)荷下，產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力要小得多。第三方面，內(nèi)嚙合齒輪兩嚙合面的曲率半徑圓心是處于同一方向，所產(chǎn)生的接觸應(yīng)力比外嚙合齒輪（兩曲率半徑圓心是處于相反方向）小得多，特別是在少齒差情況下，兩曲率半徑的長度非常接近，嚙合時幾乎是整個齒面相接觸，顯而易見，其接觸應(yīng)力又進(jìn)一步大大降低。第四方面，齒輪傳動時會產(chǎn)生齒面間的相對滑動，此相對滑動會消耗相當(dāng)能量，因此降低了傳動效率，加速了齒面磨損，增加了溫升，因此設(shè)計時應(yīng)對滑動率加以限制。根據(jù)一般公認(rèn)的要求，對于低速齒輪，滑動率不得大于8；對于中速齒輪，滑動率不得大于5；對于高速齒輪，滑動率不得大于3。而甚短齒減速機的滑動率，在滑動率最大的齒頂和齒根兩部分，一般均在0.05左右，而且可采用特殊方法，使其進(jìn)一步降低到0.01以下；另一方面，齒頂和齒根滑動率的符號相反，即一正一負(fù)，就是說從齒頂?shù)烬X根，中間必須經(jīng)過0，而這部分正是齒輪傳動受力最大的部分，就是說，在齒輪主要的受力部分，滑動率幾乎近於0。因此齒輪在傳動時的摩擦損失異常低，這就提高了傳動效率，減少了齒面磨損，降低了溫升。以上這些就是甚短齒減速機強度特別高，壽命特別長，效率高，溫升低，而且不采用高級鋼材和硬齒面的主要原因。曾經(jīng)有一家公司，需要一種微型減速機，由于其工作條件十分嚴(yán)酷，他們試用過各種不同減速機，均不能勝任；該公司工程師告訴我們，所有減速機“在開車半小時后，就到了操作者不敢操作的程度”，我們專為該公司設(shè)計試制了一種減速機，達(dá)到了使用要求，這批減速機晝夜不停地使用7年后，我們回訪該公司，減速機依然完好無損。

對于一般的減速機，用戶對速比雖然都提出具體要求，但并不是特別嚴(yán)格。但對于一些具有特殊要求的減速機，例如太陽能發(fā)電用的減速機，跟蹤人造衛(wèi)星用的減速機，跟蹤宇宙天體的天文觀察用減速機，或者與計時系統(tǒng)有關(guān)的減速機等，速比必須十分嚴(yán)格，有時需要精確到小數(shù)點后若干位，甚至根本不允許有誤差。這對一般減速機來說，是極難達(dá)到的。因為速比的改變，無非是增加齒數(shù)或減少齒數(shù)。如果增加一個齒太多了，減少一個齒又太少了，則無論如何無法達(dá)到以上要求了。由于甚短齒減速機是采用行星差動傳動原理實現(xiàn)減速傳動，而且可以選擇不同設(shè)計參數(shù)的因素較多，特別是本人提出了一套特殊的速比設(shè)計方法，可以根據(jù)用戶提出的任何要求，使速比誤差降低到千分之一或萬分之一以下成為可能。我們曾經(jīng)設(shè)計過跟蹤人造衛(wèi)星的減速機,用戶要求必須90分鐘轉(zhuǎn)一圈,(用戶用計算機控制電機,使其精確保持每分鐘1500轉(zhuǎn)，要求輸出轉(zhuǎn)速必須嚴(yán)格達(dá)到規(guī)定數(shù)值),設(shè)計結(jié)果可以達(dá)到90分鐘轉(zhuǎn)一圈,誤差只有0.000432秒。我們還設(shè)計過太陽能發(fā)電站用的跟蹤太陽的減速機，要求旋轉(zhuǎn)速度與從地球看太陽的轉(zhuǎn)速完全一致，盡可能降低誤差；由于地球自傳一周（360度）需時23小時56分4.1秒，而地球一恒星年的時間為365.2563657天，按此計算，地球必須每天比自轉(zhuǎn)一周多轉(zhuǎn)一個角度，地球上的某觀察點才能再一次正對太陽中心。這個多轉(zhuǎn)的角度是：

360°／365.2563657﹦0.9856091058°，

即是說地球在24小時內(nèi)應(yīng)該自轉(zhuǎn)的角度是360.9856091058度，減速機輸出軸的轉(zhuǎn)速必須與此同步；設(shè)計結(jié)果正好與此要求完全一致，沒有誤差。

此外，在設(shè)計時對所有零件的各種強度和剛度均有嚴(yán)格要求，特別是由于結(jié)構(gòu)的特點，各個零件的實際尺寸和軸承型號都比同規(guī)格和相近體積的其他類型減速機大得多，因此，對相同外形尺寸，相同輸出轉(zhuǎn)速的減速機來說，甚短齒減速機的輸出扭矩一般都比其他減速機大數(shù)倍甚至數(shù)十倍，這是其他類型減速機不可能達(dá)到的。

    甚短齒減速機的用途很廣，凡是需要降低轉(zhuǎn)速，增加扭矩的地方都可以（或必須）用減速機。而甚短齒減速機由于其性能方面的特點，應(yīng)用范圍又比一般減速機更加廣泛，只要安裝條件允許，都有可能采用甚短齒減速機。本產(chǎn)品可普遍應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，食品加工，礦山，冶金，紡織，造紙，化工，輕工，建筑, 交通，起重運輸，環(huán)保，醫(yī)療，變壓器開關(guān)，深井石油開采及某些地下礦產(chǎn)開采，自動化和機器人，國防，航空航天，風(fēng)能發(fā)電和太陽能發(fā)電以及其他高科技領(lǐng)域。