行星減速機(jī)

摘   要：微型行星減速器是新型機(jī)電產(chǎn)品，近年來發(fā)展迅速，國內(nèi)外市場的需求也不斷增大。提高微型減速器的機(jī)械效率對減速器的應(yīng)用至關(guān)重要。傳動(dòng)比是影響微型減速器機(jī)械效率的重要因素，選擇合適的傳動(dòng)級數(shù)、合理分配各級傳動(dòng)比能夠較好地保證機(jī)械效率；良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠較好地兼顧載荷與效率的關(guān)系；微型減速器的材料類型多樣，針對不同材料的特點(diǎn)合理選擇可以減少摩擦磨損，提高機(jī)械效率。

關(guān)鍵詞：行星減速器；機(jī)械效率；傳動(dòng)比；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；工程塑料；粉末冶金材料

0  引言

減速器是機(jī)器中常用的一種降速傳動(dòng)裝置，用于原動(dòng)機(jī)和執(zhí)行裝置之間將原動(dòng)機(jī)的速度轉(zhuǎn)換為工作機(jī)所需要的轉(zhuǎn)速。行星減速器是一種大傳動(dòng)比的減速器，由一系列齒輪組成，由于產(chǎn)品類型多，結(jié)構(gòu)緊湊，其應(yīng)用日益廣泛，可以作為轉(zhuǎn)矩放大器，用于機(jī)器人的手臂。在各種伺服控制系統(tǒng)中，行星減速器也得到普遍應(yīng)用。隨著微型機(jī)械的發(fā)展和應(yīng)用，微型行星減速器的發(fā)展非常迅猛。微型減速器廣泛應(yīng)用于智能教學(xué)設(shè)備、醫(yī)療器械、航天航空、軌道交通、智能控制、儀器儀表、兵器裝備、動(dòng)態(tài)廣告、石油化工、智能家居等各類場合。^[1]

機(jī)械效率是評價(jià)機(jī)器機(jī)械性能的重要參數(shù)，普通行星減速器的機(jī)械效率可以由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出來，效率比較高。與普通減速器相比，微型行星減速器種類多，傳動(dòng)比范圍遠(yuǎn)超過普通減速器。在結(jié)構(gòu)上，微型行星減速器的行星輪采用多個(gè)對稱布置，與普通減速器相比兩者結(jié)構(gòu)差異大。在材料選擇上，普通減速器通常選用鋼材，行星減速器的材料有鋼材、鋁合金、粉末冶金材料、工程塑料等多種材料，因此，行星減速器與普通減速器的機(jī)械效率有很大差異。目前沒有很好的方法或經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，機(jī)械效率通常由檢測設(shè)備測試得出。分析微型減速器機(jī)械效率的影響因素，可以為研究提高微型減速器機(jī)械效率的方法，提高產(chǎn)品質(zhì)量及改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。微型減速器

1  行星減速器的組成和工作原理

行星減速器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，通常由中心輪、行星輪、行星架和機(jī)架組成。中心輪又稱太陽輪，軸線固定，定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。行星架軸線固定，一端定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，另一端連接行星輪，是行星輪的軸線。行星輪的運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜，行星輪繞著自己的軸線自轉(zhuǎn)，同時(shí)，它的軸線繞著中心輪的軸線公轉(zhuǎn)。為了減小體積和質(zhì)量，微型減速器采用內(nèi)嚙合行星齒輪傳動(dòng)。圖1為單級行星減速器組成原理圖，中心輪1為外齒輪，與行星輪2嚙合，中心輪3為內(nèi)齒輪，Ｈ是行星架，組成行星輪系。通常從齒輪1輸入傳動(dòng)，從行星架H輸出傳動(dòng)。^{[2]微型減速器}微型行星減速器通常采用多級傳動(dòng)，單級行星輪的數(shù)目一般是2～4個(gè)。

圖1  行星減速器組成原理圖

2  行星減速器機(jī)械效率

機(jī)械效率是衡量減速器機(jī)器機(jī)械性能的一個(gè)重要指標(biāo)，它直接影響產(chǎn)品的使用性能、能源消耗和市場競爭力。普通減速器的機(jī)械效率可以通過公式計(jì)算得到。影響減速器機(jī)械效率的因素包括三個(gè)方面：(1)齒輪嚙合效率，它是由齒輪傳動(dòng)時(shí)輪齒的摩擦磨損而產(chǎn)生的功率損失，是主要影響因素。(2)軸承效率，它是由滾動(dòng)軸承的摩擦磨損而產(chǎn)生的功率損失。(3)液力損失效率，它是減速器采用油池潤滑時(shí)齒輪攪動(dòng)潤滑油而產(chǎn)生的功率損失。軸承效率和液力損失效率比較高，影響不大。普通減速器效率比較高，通常在90％以上。但是，對于微型減速器而言，通常微型減速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，嚙合的齒輪數(shù)量一般是幾對到十幾對不等，嚙合效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通減速器。微型減速器中中心輪主軸采用滾動(dòng)軸承，軸和行星架之間的摩擦磨損比較大，效率低于滾動(dòng)軸承，受材料和精度的影響而變化，但是也沒有具體的數(shù)據(jù)可以參考。在微型行星齒輪傳動(dòng)中，一些材料具有自潤滑性能，不會(huì)采用油池潤滑，所以，普通減速器機(jī)械效率計(jì)算公式無法使用。

至今仍無針對微型行星齒輪傳動(dòng)計(jì)算的效率的公式或方法。微型行星減速器的機(jī)械效率通常是通過專門開發(fā)的微型減速器機(jī)械效率測試設(shè)備測定的，不同型號的微型行星減速器機(jī)械效率以實(shí)測為準(zhǔn)。微型減速器

3  微型行星減速器機(jī)械效率影響因素分析

3.1微型行星減速器的傳動(dòng)比

微型行星齒輪傳動(dòng)效率和傳動(dòng)比有關(guān)，傳動(dòng)效率值隨著傳動(dòng)比i的變化而變化，通常傳動(dòng)比越大，機(jī)械效率越低。在實(shí)際應(yīng)用中，特別是在機(jī)器人、智能設(shè)備中，需要行星減速器尺寸小、傳動(dòng)比范圍大，通常采用多級行星減速器，如二級減速器、三級減速器和四級減速器等。對于多級行星減速器的傳動(dòng)比計(jì)算，可以分別計(jì)算每一級的傳動(dòng)比，比將每一級傳動(dòng)比相乘即可得到總傳動(dòng)。

微型減速器傳動(dòng)比范圍大，單級減速器的傳動(dòng)比范圍通常1:4～1:20，二級減速比范圍1:12～1:96，三級減速器速比范圍1:42～1:384，四級減速器速比可達(dá)1:126～1:1536。^[3]

微型減速器的機(jī)械效率隨傳動(dòng)比的增加而減少。表1是某微型減速器生產(chǎn)廠家微型減速器的機(jī)械效率測試數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)中可以看到，減速器級數(shù)越多，傳動(dòng)比越大，功率損失越多，機(jī)械效率越低。^[4]

表1  減速器傳動(dòng)比與機(jī)械效率

精密行星減速機(jī)

多級減速器的傳動(dòng)比是減速器每一級傳動(dòng)比的連乘積，因此，每一級減速器速比的分配對減速器很重要，是總體設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。通常，高速級的第一級傳動(dòng)選擇較大的傳動(dòng)比，因?yàn)榈谝患壍霓D(zhuǎn)矩最小，后面的傳動(dòng)比可以根據(jù)具體情況合理分配。微型減速器

3.2微型行星減速器的結(jié)構(gòu)

為提高承載能力，減速器的行星輪通常采用多個(gè)行星輪對稱布置，通常行星輪可以根據(jù)載荷的大小采用2個(gè)到4個(gè)不等，通常在微型減速器中較多采用3個(gè)或4個(gè)均布。如圖2(ａ)所示，行星減速器采用3×120°均布，(ｂ)所示行星減速器采用4×90°的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

圖2  行星減速器行星輪布置

相應(yīng)的行星架也采用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3  行星減速器行星架的結(jié)構(gòu)

多個(gè)行星輪的使用分擔(dān)了載荷，提高了減速器的承載能力，但每增加一個(gè)行星輪，就增加一對齒輪嚙合，傳動(dòng)效率就會(huì)下降。多級行星減速器為了結(jié)構(gòu)緊湊，通常共用內(nèi)齒輪，即大齒圈，同時(shí)作為內(nèi)齒輪也是減速器的外殼(機(jī)架)。以某型號二級微型減速器為例，圖4為某行星減速器組成結(jié)構(gòu)圖，共分為二級傳動(dòng)，每一級均為內(nèi)嚙合行星齒輪傳動(dòng)，第一級結(jié)構(gòu)有4個(gè)均布的行星齒輪，第二級結(jié)構(gòu)有3個(gè)均布的行星齒輪，二級傳動(dòng)的內(nèi)齒輪通常做成一個(gè)零件，即二級行星傳動(dòng)共用一個(gè)內(nèi)齒輪，便于加工和裝配。

圖4  行星減速器的結(jié)構(gòu)

伺服行星減速機(jī)

3.3行星減速器的材料選擇微型減速器

普通行星減速器的傳動(dòng)零件齒輪、軸、軸承等主要選用鋼材承載能力強(qiáng)。齒輪潤滑方式采用油池潤滑，潤滑良好，傳動(dòng)效率高。箱體采用鑄鐵。微型行星齒輪減速器的材料選擇標(biāo)準(zhǔn)要求既有行星齒輪傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、傳動(dòng)比大等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有極小的安裝和運(yùn)行空間可獲得較大的增加轉(zhuǎn)矩的功能，因此微型減速器傳動(dòng)零件制造材料的選擇處于在不斷的研究和創(chuàng)新過程中。目前，常采用的材料有鋼材、粉末冶金材料、工程塑料和鋁合金等。微型減速器傳動(dòng)零件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了減輕重量、減小摩擦磨損和噪音、提高減速器性能，在同一減速器中，不同類型的零件可以選擇不同的材料；相同的零件，比如齒輪，也可以選擇不同的材料。許多新材料應(yīng)用于微型減速器傳動(dòng)零件的制造。

微型行星減速器中的內(nèi)齒輪通常選用工程塑料制造。工程塑料強(qiáng)度高、穩(wěn)定性優(yōu)越、耐熱性良好，可以自潤滑，在微型行星減速器中應(yīng)用較多。微型減速器內(nèi)齒圈通常選工程塑料PA66。PA66是一種熔點(diǎn)較高的聚酰胺，屬于一種半晶體－晶體材料，在較高溫度也能保持較強(qiáng)的強(qiáng)度和剛度。^{[5]微型減速器}PA66塑料的粘性較低，流動(dòng)性很好，可以用來加工薄壁的元件。內(nèi)齒圈采用共用結(jié)構(gòu)，為了分擔(dān)載荷，微型減速器的每一級行星傳動(dòng)均采用三個(gè)或四個(gè)均勻分布的行星齒輪對稱布置組成。減速器中的行星輪也可以選用工程塑料制造，常用的材料有工程塑料聚甲醛POM和工程用熱塑性彈性體等。POM是一種高結(jié)晶聚合物，具有表面光滑、有光澤、吸水性小、尺寸穩(wěn)定、耐磨、強(qiáng)度高、自潤滑性好、著色性好、耐油、耐過氧化物等特點(diǎn)。POM具有較好的綜合性能，在熱塑性塑料中是最堅(jiān)硬的，是塑膠原料中力學(xué)性能最接近金屬的品種之一，其抗張強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、耐疲勞強(qiáng)度、耐磨性和電性能都十分優(yōu)良。

熱塑性彈性體是一種高強(qiáng)度、高性能的材料。它的彈性和強(qiáng)度可恢復(fù)程度比較好，具有非常好的動(dòng)力學(xué)性能。經(jīng)過合理設(shè)計(jì)的部件在承受反復(fù)的拉伸和壓縮后，可以承受數(shù)百萬次彎曲循環(huán)，抗沖擊強(qiáng)度高，即使在低溫下也具有很好的韌性。^[6]

行星輪還可以選用粉末冶金材料制造。粉末冶金材料又稱燒結(jié)減摩材料，由球狀或不規(guī)則形狀的金屬或合金粉末經(jīng)成型、燒結(jié)制成。材料內(nèi)部孔道縱橫交錯(cuò)、互相貫通，通過在材料孔隙中浸潤滑，具有自潤滑性能。^[7]粉末冶金材料表面間的摩擦系數(shù)小，在有限潤滑油條件下使用壽命長、可靠性高，是一種較好的行星輪材料。

鋁合金按鋁合金具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、流動(dòng)性好、耐蝕性好、熔點(diǎn)低等特點(diǎn)，可以用來制造減速器的行星架。為了保證機(jī)械精度和表面質(zhì)量，行星架采用鋁合金壓鑄成型。表2為某三級行星減速器材料，可以看到三級傳動(dòng)中的齒輪選擇材料的多樣性。一、二級傳動(dòng)處在較高速端，轉(zhuǎn)矩較小，行星輪可采用不同的工程塑料材料；三級傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，載荷大，選用粉末冶金制造。太陽輪1材料選擇各不相同，一級太陽輪選用鋼制連軸齒輪，二級太陽輪用鋁合金，三級傳動(dòng)太陽輪采用粉末冶金制造。表2為某型號三級行星減速器設(shè)計(jì)中的主要零件材料選擇的具體情況。微型減速器

表2  某型號三級行星減速器材料

4  結(jié)語

影響微型行星減速器機(jī)械效率的因素比較多，在生產(chǎn)實(shí)踐中，我們可以通過選擇合適的傳動(dòng)比，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高減速器的承載能力，同時(shí)兼顧機(jī)械提高。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，微型減速器材料的選擇范圍不斷擴(kuò)大，選擇更加合適的材料，可以有效地提高減速器的機(jī)械效率。除此之外，齒輪的精度等級、太陽輪與軸的定位于固定方式、行星輪與行星架的安裝與配合等因素也會(huì)影響微型減速器的機(jī)械效率。提高微型減速器的機(jī)械效率，可以減少功率損失，減輕傳動(dòng)零件的摩擦和磨損，減少減速器工作時(shí)的發(fā)熱與溫升。提高機(jī)器的機(jī)械性能和使用壽命具有重要意義，值得我們在實(shí)踐中不斷地進(jìn)行探索和研究。微型減速器