1 緒論
推桿減速器是一種以組合活齒為傳動(dòng)構(gòu)件的活齒少齒差行星齒輪傳動(dòng)裝置，是我國(guó)獨(dú)創(chuàng)的一種減速器，在1986年布魯塞爾尤里卡世界發(fā)明博覽會(huì)上榮獲最高一級(jí)騎士勛章，在第二屆全國(guó)發(fā)明展覽會(huì)上榮獲銀獎(jiǎng)。推桿減速器拋棄了傳統(tǒng)的齒輪、蝸輪、針輪等結(jié)構(gòu)形式，采用推桿結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)正反兩個(gè)方向的減速或增速定比傳動(dòng)，其結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)比范圍大，效率高，壽命長(zhǎng)，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，維修方便。與擺線針輪減速器相比，又具有工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，是一種很有發(fā)展前景的減速器。
1.1推桿減速器研究狀況概述
l.1.1活齒傳動(dòng)的研究狀況
推桿減速器屬于活齒傳動(dòng)類機(jī)構(gòu)，因而與其它活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有某些共同的特似之處。
活齒傳動(dòng)一類機(jī)構(gòu)最突出的特點(diǎn)是省去了一般少齒差行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中必須采用的W運(yùn)動(dòng)輸出機(jī)構(gòu)，因而有效地克服了采用W運(yùn)動(dòng)輸出機(jī)構(gòu)給少齒差行星齒輪傳動(dòng)帶來的激波器軸承壽命短的問題，并且傳動(dòng)鏈也可得到顯著縮短，從而使得活齒傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)緊湊，承載能力高，效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)。并且活齒傳動(dòng)沒有特別突出的薄弱環(huán)節(jié)，因而從它剛一出現(xiàn)，就引起了國(guó)內(nèi)外科技工作者的極大關(guān)注。
早在40年代，德國(guó)人就把活齒傳動(dòng)技術(shù)應(yīng)用到汽車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中了。70年代，國(guó)外開始了對(duì)活齒傳動(dòng)新形式的積極開發(fā)，美國(guó)推出了“無齒齒輪傳動(dòng)技術(shù)”，英國(guó)推出了“滑齒減速器”，蘇聯(lián)推出了“正弦滾珠傳動(dòng)”。到了80年代，國(guó)際上對(duì)于活齒傳動(dòng)的研究更加積極，日本、英國(guó)、聯(lián)邦德國(guó)、保加利嚴(yán)等國(guó)先后公布了一些有關(guān)活齒傳動(dòng)的專利和發(fā)明，這表明在羅，活齒傳動(dòng)的研究與應(yīng)用已形成了行星齒輪研究中一個(gè)非活躍的領(lǐng)域。
國(guó)內(nèi)對(duì)活齒傳動(dòng)的研究雖然起步較晚，但經(jīng)過十幾年的努力，在理論研究和產(chǎn)品開發(fā)方面都取得了很大的成績(jī)，先后推出了多種專利技術(shù)，有些已形成了工業(yè)生產(chǎn)能力。1991年，機(jī)械電子工業(yè)部頒發(fā)了《滾柱活齒減速器》 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)志著我國(guó)活齒傳動(dòng)的研究已取得階段性的成果，同時(shí)在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物和全國(guó)學(xué)術(shù)會(huì)議上已有幾十篇有關(guān)活齒傳動(dòng)的論文發(fā)表，有的還編入專著，表明已形成了較完整的活齒傳動(dòng)理論體系。其中最有代表性的是“活齒傳動(dòng)理論”一書，它系統(tǒng)的論述了由結(jié)構(gòu)理論、運(yùn)動(dòng)學(xué)理論和嚙合理論組成的研究活齒傳動(dòng)的機(jī)構(gòu)學(xué)理論，利用活齒傳動(dòng)的“齒形分析瞬時(shí)等效機(jī)構(gòu)法”和“活齒傳動(dòng)的嚙合副結(jié)構(gòu)模型”分析了11種典型的活齒傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，是目前國(guó)內(nèi)公開發(fā)表的有關(guān)活齒傳動(dòng)的最全面、系統(tǒng)、深入的研究成果。
1.1.2 推桿減速器的演化過程和擺桿減速器的提出
推桿減速器雖然和其它活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在原理上基本相同，但由于采用獨(dú)特的推桿作為活齒構(gòu)件，所以機(jī)構(gòu)本身有它的特殊性。并且經(jīng)歷了若干次結(jié)構(gòu)上的更新，才發(fā)展成為目前這種已形成工業(yè)生產(chǎn)能力的結(jié)構(gòu)形式。
1976年日本公開的新型減速器專利有兩種結(jié)構(gòu)形式，分別如圖1.1和圖1.2所示
圖1.1為圓盤凸輪式，采用滾柱徑向滑槽式結(jié)構(gòu)，其目的是為了得到大的減速比及大的傳遞扭矩。顯然這種結(jié)構(gòu)由于滾柱系尖頂易磨損，降低了其承載能力。
圖1.2所示大圓柱凸輪式，由圓柱凸輪機(jī)構(gòu)完成滾柱推桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而滾柱推桿頂推其圓柱徑向分布圓盤作轉(zhuǎn)動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)同樣是靠點(diǎn)接觸傳遞動(dòng)力，磨損及承載能力問題仍未能得到解決。
1979年，我國(guó)首次提出的推桿減速器結(jié)構(gòu)如圖1.3所示，這種結(jié)構(gòu)在推桿兩端增加了滾輪，雖然減小了尖頂磨損問題，但承載能力問題也沒能得到解決。
1985年，我國(guó)參加第十三屆日內(nèi)瓦世界發(fā)明展覽會(huì)的推桿針輪活齒減速器，吸收了日本專利兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，采用圓盤凸輪（由偏心滾動(dòng)軸承代）及帶滾套的針齒組成的固定齒圈結(jié)構(gòu)，如圖1.4所示。此種減速器具有承載能力大，傳動(dòng)比大，體積小，工藝性好，不需加工特種齒形的優(yōu)點(diǎn)。
為了進(jìn)一步增大承載能力，解決磨損問題，又發(fā)展成為目前由解放軍7435工廠批量生產(chǎn)的這種推桿減速器結(jié)構(gòu)形式，如圖1.5所示。比起尖頂和圓柱接觸，它的受力情況得到了改善，同時(shí)，推桿兩端增加了滾柱，使其滾動(dòng)摩擦比率增加，有利于改善磨損。生產(chǎn)實(shí)踐表明，推桿減速器有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，已顯示出廣闊的發(fā)展前景。
然而，事物并非都是完美無缺的，在推桿減速器中，在推桿減速器中，由于推桿與導(dǎo)槽之間所組成的嚙合副為移動(dòng)副，其滑動(dòng)摩擦的存在影響了推桿減速器嚙合效率的進(jìn)一步提高以及大功率的實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，合理選用潤(rùn)滑油，合理選用與組成移動(dòng)副相匹配的材料，以及對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可將摩擦減小到最低限度，但廣大科技工作者一直在尋求用轉(zhuǎn)動(dòng)副來代替移動(dòng)副的辦法。
由文獻(xiàn)提出的擺動(dòng)活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)較好地解決了用轉(zhuǎn)動(dòng)副來代替推桿與導(dǎo)槽之間所組成的移動(dòng)副問題。擺動(dòng)活齒傳動(dòng)用擺動(dòng)活齒代替移動(dòng)活齒，即用擺桿代替推桿，從根本上解決了移動(dòng)活齒嚙合副的磨損問題，有希望成為推桿減速器及各種活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的更新?lián)Q代產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式。
l.1.3推桿減速器的理論研究現(xiàn)狀
推桿減速器結(jié)構(gòu)上的特殊性，決定了對(duì)其性能的分析和計(jì)算也與其它活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不完全相同。下面將會(huì)看到，對(duì)于運(yùn)動(dòng)學(xué)及內(nèi)齒圈齒形的解算，只需將滾柱活齒減速器的計(jì)算公式稍作修改即可。但對(duì)于受力分析及效率計(jì)算就與其它活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)差別較大。從目前發(fā)表的文獻(xiàn)來看，系統(tǒng)研究推桿減速器的內(nèi)容并不太多。特別是對(duì)于多激波理論研究開展很少，僅見到雙激波的研究。
隨著計(jì)算機(jī)的普及和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，各種機(jī)械的CAD/CAM系統(tǒng)不斷出現(xiàn)，但用于推桿減速器的以CAD/CAM系統(tǒng)目前還沒有見到。用計(jì)算機(jī)來輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)推桿減速器的工作還沒有獲得滿意的成果。為了對(duì)推桿減速器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，必須要有正確的好的數(shù)學(xué)模型。因而必須要對(duì)推桿減速器有完整的研究，對(duì)推桿減速器的受力狀況，承載能力情況以及各種材料參數(shù)對(duì)它們的影響要有細(xì)致的分析計(jì)算。
推桿減速器的發(fā)展方向主要是朝著產(chǎn)品系列化，規(guī)格化，以及大功率的方向發(fā)展。
1.2推桿減速器的生產(chǎn)狀況及存在問題
解放軍7435工廠是批量生產(chǎn)推桿減速器的大型廠家，積累了豐富的推桿減速器生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，該廠從1986年試制，1987年批量生產(chǎn)，至今產(chǎn)品已有5種型號(hào)60多種規(guī)格，單級(jí)傳動(dòng)比從10到60，傳動(dòng)功率從0.3KW到20KW，產(chǎn)品銷售國(guó)內(nèi)外，獲得了顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。其產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于糧食食品、輕工、化工、塑料紡織、礦山、起重運(yùn)輸、印刷、造紙等領(lǐng)域的減速裝置中。
在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)推桿減速器還存在一些問題有待解決。其中最主要的問題是推桿磨損問題和內(nèi)齒圈齒廓的測(cè)量方法問題。
7435工廠胡天明等在文獻(xiàn)中指出了推桿減速器存在的兩點(diǎn)問題：一是推桿兩側(cè)磨損較嚴(yán)重，二是在超載情況下偏心滾珠軸承外圈接觸疲勞破壞問題。推桿磨損的問題可以從不同的路線研究，其一是選擇合適的潤(rùn)滑油及組成移動(dòng)副相匹配的材料，以期減小摩擦力，提高耐磨力；另一個(gè)是從推桿減速器的原理（運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)性能）入手，力求改進(jìn)推桿受力狀況，減小造成激烈磨損的根本原因。對(duì)于推桿減速器內(nèi)齒圈齒廓的加工，目前使用的是用機(jī)械加具進(jìn)行范成加工的方法。生產(chǎn)中是靠分別測(cè)量?jī)?nèi)齒圈外徑至齒根的厚度及齒頂?shù)暮穸葋砉烙?jì)被加工零件的合格與否，缺乏正確的測(cè)量手段。
為了提高產(chǎn)品質(zhì)量和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，也為了二炮裝備改革的需要，從1993年初開始，在二炮特管部的領(lǐng)導(dǎo)下，由7435 工廠和我們聯(lián)合組成了“推桿減速器改造工程”課程組，主要任務(wù)是：
（1）利用計(jì)算機(jī)對(duì)推桿減速器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善產(chǎn)品性能，減小推桿磨損問題。
（2）研究一種能用于生產(chǎn)實(shí)際的內(nèi)齒圈齒廓測(cè)量方法。
（3）研究?jī)?nèi)齒圈齒廓的數(shù)控加工。
（4）研制一個(gè)專用的推桿減速器CAD/CAM系統(tǒng)。
（5）開發(fā)新結(jié)構(gòu)，研制性能更好的新型減速器，研究大功率減速器的生產(chǎn)。
1.3本文的主要工作
為了解決推桿減速器生產(chǎn)中存在的實(shí)際問題，完成“推桿減速器改造工程”中的各項(xiàng)任務(wù)，必須要對(duì)推桿減速器的傳動(dòng)性能進(jìn)行全面的分析。盡管目前在活齒傳動(dòng)方面的研究成果較多，但由于推桿減速器具有自己的特殊性，在很多問題上不能照搬這些結(jié)論。對(duì)于新型擺桿減速器，文獻(xiàn)只提出了一般結(jié)構(gòu)方案，重點(diǎn)分析了擺動(dòng)活齒的特例——偏心滾子活齒傳動(dòng)。要使提出的結(jié)構(gòu)變?yōu)閷?shí)際產(chǎn)品，不僅要在理論上作深入、細(xì)致的分析、計(jì)算，還要經(jīng)過反復(fù)的實(shí)際試制及驗(yàn)證。
本文對(duì)推桿減速器進(jìn)行了全面的分析，形成了一套較完整的推桿減速器理論體系，本文主要完成了以下新的工作：
（1）找出了推桿內(nèi)外滾子工作角之間的關(guān)系，并以此來分析內(nèi)齒圈的齒廓曲線及機(jī)構(gòu)傳動(dòng)特性，形成一套獨(dú)特的推桿減速器分析方法，與傳統(tǒng)的包絡(luò)法相比，具有概念清晰、所得公式簡(jiǎn)練的特點(diǎn)。是分析研究多激波推桿減速器的有力工具。
（2）考慮了慣性力的影響，嚴(yán)格按效率定義推導(dǎo)出了較為精確的機(jī)構(gòu)總體效率計(jì)算公式，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，采用大量離散點(diǎn)數(shù)值計(jì)算和理論分析相結(jié)合的方法來進(jìn)行效率、強(qiáng)度計(jì)算的研究。
（3）提出了易于在數(shù)控加工中實(shí)現(xiàn)的齒廓分段修形法，使經(jīng)過修形后的齒廓能夠達(dá)到較理想的修形狀態(tài)。
（4）提出了在內(nèi)齒圈齒廓加工中，利用公法線誤差來分析計(jì)算加工調(diào)整參數(shù)誤差的方法，較好地解決了目前工廠生產(chǎn)中的實(shí)際問題。
（5）應(yīng)用本文所研究的數(shù)學(xué)模型，對(duì)推桿減速器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到了較理想的效果。
（6）設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了推桿減速器cAD系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用現(xiàn)有的AutoCAD/12.0 軟件進(jìn)行工程繪圖，并對(duì)其進(jìn)行了二次開發(fā)。組建了推桿減速器的工程數(shù)據(jù)庫(kù)，采取了一系列相關(guān)的算法加速動(dòng)態(tài)圖形顯示的速度，并實(shí)現(xiàn)了直接用普通微機(jī)來控制數(shù)控擂齒機(jī)床。
（7）給出了按純滾動(dòng)原則設(shè)計(jì)非圓行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的方法、步驟，得到了相鄰兩行星輪中心角在傳動(dòng)中會(huì)發(fā)生變化的結(jié)論，證明了按傳動(dòng)比固定原則設(shè)計(jì)的活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)都不可能做成各運(yùn)動(dòng)副都是純滾動(dòng)的。而純滾動(dòng)的非圓行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)適合于制作液壓馬達(dá)。
（8）系統(tǒng)地進(jìn)行了新型擺桿減速器的運(yùn)動(dòng)學(xué)、齒廓形成及傳動(dòng)特性分析，并討論了效率計(jì)算，強(qiáng)度校核以及內(nèi)齒圈齒廓的公法線測(cè)量等理論問題。
（9）設(shè)計(jì)并制造出了一臺(tái)新型擺桿減速器樣機(jī)，證明了理論分析的正確性，為新型擺桿減速器形成產(chǎn)品打下了基礎(chǔ)。
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