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摆线针轮减速机

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摆线针轮减速机

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摆线针轮减速机故障分析和设计改进

发布时间:2015-05-22 10:30:00 点击:


摘 要:本文针对某型号摆线针轮减速机的故障原因,对摆线齿形进行了优化设计,改善了齿面受力情况,满足了实际生产应用. 
一   问题的提出
         重庆伟鑫化工机械有限公司是生产摆线针轮减速机的专业厂家。长期以来,该公司B4 270 型速比11 的摆线针轮减速机的返修率达 5 0 %左右,故障原因集中反映为:温升高、摆线轮齿面烧坏(即胶合状)。应该公司请求,作者对该型号、速比的摆线针轮减速机进行了故障分析和设计修改。
      
二    对故障原因的分析
          摆线针轮减速机在传递功率的过程中,主要受力在内部的摆线轮上。而摆线轮在工作中主要受三种力的作用:
              1 .针齿与摆线轮齿啮合和作用力;
              2 .输出机构柱销对摆线轮的作用力 ;
              3 .转臂轴承对摆线轮的作用力。
          以上三种作用力中,针齿与摆线轮齿啮合的作用力,是直接影响齿面温升和烧坏(胶合)的主要作用力,因此,改善齿面受力情况、均衡啮合齿面的受力条件,是解决问题的关键所在。下面针对该作用力来分析其受力状况。
            
三    针齿与摆线轮齿啮合的作用力
        (一)、见图 1 ,假设轮齿固定不动,对摆线轮(行星轮)加一作用力矩Tc,在 Tc作用下,由于传力零件的弹性变形,摆线轮转过一个β角,如果摆线轮体、针齿套和转臂轴承的变形忽略不计,求得针齿销得弯曲和轮齿接触挤压的总变形。对针齿 2、3、4、…  …(图1)分别为:δ2=l2β;δ3=l3β;……假定针齿承受载荷F2、F3、F4…  …和相应的变形l2β、l3β、l4
β… …成线性关系。由于和不同的针齿啮合时,因当量曲率变化引起的非线性对于我们所取的δ和 l 之间的关系只引起很小的偏差,所以上述假设是允许的。计算总变形的受力情况,是根据传递功率时,摆线轮同时受力的齿数来确定的。
                    摆线针轮减速机,针轮减速机

       1 .确定摆线轮与针轮同时啮合传力齿数原则,是保证摆线针轮行星传动具有优点的关键,在于合理的多齿啮合。合理范围的多齿啮合,其主要根据以下两点:
          (1)应保证在区间[φm、φn]内,如图2。
          (2)区间的始位φm不宜过小,终位φn不宜过大。通过对国内外一些摆线针轮行星减速
机参数和性能的分析比较,推荐φm与φn范围为φm>25°、φn<100°,同时啮合传力的齿数,根据针齿数 Zp的多少,控制在 4~7 个齿左右。
        2 .由以上分析,在同型号、同功率、同速比范围内,确保传递时的啮合齿数,使其受力均衡,是解决机械内部发热的关键。
        3.为了便于计算分析,现暂不考虑其它受力情况,下面主要针对摆线轮在最大力臂处作用在针齿上的最大载荷Fmax来加以分析。找出温升高的根源。并加以解决。
  (二)摆线轮在最大力臂处作用在针齿上的最大载荷 Fm a x:
           1.最大载荷是在最大力臂lmax=rc’的针齿处。见图 3 。式中,rc’-摆线轮节圆半 径 。
           2.作用在第i个针齿上的力可用下式确 定 :
                                          摆线针轮减速机
                                          被摆线轮传递的转矩:

                                       摆线针轮减速机
                  式中方括号中的值为常数,等于 0 .2 5 ,故得
                                            摆线针轮减速机
                                           考虑到 ,代入上式得         
                                                    摆线针轮减速机
                     
                   式中:k1-短幅系数;Zc-摆线轮齿数;rp-针齿中心圆直径。
                   在工程制造中考虑制造误差一般取:Tc=0.55T
            3.最大受力处Fi的确定
                 根据有关资料:
                      Fmax在(接近于)φi=φn=arccosk1处  (2 )
    
            4 .偏心距 A 的确定:
                                                        摆线针轮减速机
  (三)根据以上分析,将该型号、速比的行星减速机有关技术参数,代入上(1 )(2 )(3 )式中进行计算。
               1.原型号、速比减速机的技术参数见表 1 。
                        摆线针轮减速机
 
                
               2 .减速机输出总转矩 T :
                         摆线针轮减速机
               3 .最大力臂处的最大载荷 Fm a x:由(1 )式可知
                                 摆线针轮加速机
        式中,rp= dp/2 = 270/2 = 135(m m )= 0 . 1 3 5 m
        故:Fmax= 2.2x693.59/(0.4444x11x0.135)=2312.2(N)
                4.最大受力点针齿中心矢径的转角φ i :
                   由(2)式可知:φi=arccosk1故φi=arccos0.4444=63°36′5 4 ″。
          因摆线针轮减速机同型号的针齿中心圆不变,传递功率不变,传动比不变,由图3 可看出,改变针齿中心矢径角的大小,可改变最大受力点的作用力。而改变矢径角的大小,与短幅系数有关,而短幅系数又直接与偏心距有关。目前我们国内设计摆线针轮减速机,确定有关技术参数时,受行星摆线传动原理短幅系数的取值范围限制及原设计手册限制,设计参数和取值范围都较小,因而偏心距也较小。现国际上(特别是九十年代的日本)在短幅系数的取值上,大大突破了原有的设计思想。尽可能的提高短幅系数值,增大偏心距,使其摆线齿形由较平坦的摆线齿面,形成凹度较大的摆线齿面,从而改善原有的受力条件,大幅度提高了传递功率。从该型号、速比的减速机来看:适当增大偏心距和短幅系数,减小矢径角,可减少最大转臂处的作用力。
          摆线针轮减速机

四   重新确定偏心距 A ,设计摆线轮有关参数
         1.根据该机型现有结构和内部有关机件强度,取偏心距:A = 6 (m m )
         2 .根据偏心距,计算其它技术参数 :(1) 短幅系数k1:
                    由(3 )式:  即摆线针轮减速机
                                                                     (2) 计算摆线轮顶圆半径rac:rac=rp+A-rrp

                    式中:rr p-针齿套外圆半径。故 rac=135+6-11=130(mm)
                                                                     (3) 计算摆线轮齿根圆半径rfc:

                        rfc=rp-A-rrp故  rfc=135-6-11=118(mm)。
                                                                    ( 4 ) 计算最大转臂处的最大载荷Fm a x’:
                                        摆线针轮减速机
                                                           (5) 计算最大受力点针齿中心矢径的转角φi:
                             φi=arccosk1=arccos0.5333=57°46′16″。

五   原最大载荷 Fmax’与改进后的最大载荷 Fm a x’’比      
                                        摆线针轮减速机
        由最大载荷的对比,可发现改进后的最大转臂处的载荷只有原有的 8 3 %左右,下降了 1 7 %左右的力,减少了齿面的接触挤压力,从而使载荷较均衡地分布在多齿同时啮合上。减少了以前不均衡受力情况,改善了齿面的接触应力。
          

六   改进设计后与原设计机型的负荷试车对比情况分析见表 2 。
                 摆线针轮减速机

七     结论
           通过以上理论和实际负荷试车的分析对比,可得出结论:修改设计后的摆线齿形,优于原设计。且完全达到产品的使用要求,解决了长期困扰该型号、速比的减速机的质量问题,满足了生产。通过用户反馈回的信息,改进后的该型号、速比的减速机使用情况正常。



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