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圆形活齿与摆线针轮行星传动的动力学仿真及性能研究

发布时间:2017-10-09 21:13:00 点击:


泰兴减速机:圆形活齿行星传动是在摆线针轮减速机摆线针轮传动结构的基础上,利用齿形替代理论将摆线齿形进行替代的一种新型活齿行星传动。分别对两种行星传动进行虚拟建模,接着利用虚拟样机技术对其进行系统动力学仿真,最后得到两种减速器各自的性能参数,从而对圆形活齿这种新型行星传动作出评价。

引言
       摆线针轮减速机摆线针轮行星传动是一种应用较为广泛的少齿差行星传动,它具有结构紧凑、体积小、质量轻、传动比大等优点。而圆形活齿行星传动是在摆线针轮行星传动基础上经过改进的一种新型传动装置。通过用圆柱替代摆线齿形,并将星齿与针齿均设计为活齿[1],从而使得整个结构不仅具有一般摆线针轮减速机摆线针轮行星传动的优点,且由于其全部采用圆柱活齿结构,克服了摆线针轮减速机摆线针轮需专用机床加工的缺点;同时将圆柱活齿与销孔式输出机构的销轴合而为一,销轴分布圆直径明显增大,增大了转臂轴承直径,使其寿命提高[2]。目前,圆形活齿行星传动也是我们的技术专利之一。

1 基本结构与工作原理
       圆形活齿行星传动的基本结构如图1所示。它由输入轴1、偏心套2、星齿座3、星齿4、针齿座5及针齿6组成,并且将输出机构与星齿合而为一,增大了容纳转臂轴承的空间。运动时,星齿座上的各活齿与针齿座上的活齿相啮合。

电机通过输入轴1带动偏心套2转动时,由于针齿座5与机座固定不动,迫使星轮3作行星运动,并通过销轴将运动输出。

2 两种行星传动虚拟样机的建立
我们运用Pre/ENGINEER Wildfire3.0进行三维虚拟建模[3],圆形活齿及摆线针轮减速机摆线针轮行星减速器的三维模型如图2a、图b所示。在建立虚拟样机模型时,主要是根据研究目的来考虑问题,因此我们在定义约束过程中采用了一些必要的简化措施,同时又保证了仿真分析结果的可信度。 将建好的减速器三维模型导入ADAMS仿真软件,然后进行各构件材料的设置、约束的添加以及载荷的施加,完成减速器从三维模型到虚拟样机的转换[4]。
本系统加入的约束如下:
(1)输入轴与大地施加旋转副(Revolute Joint),并在输入轴的旋转副上施加旋转运动激励,使输入轴保持等速旋转。
(2)输入轴与激振器施加固定约束(fixed Joint)。因为激振器偏心圆盘和输入轴通过键连接,二者运动方向相同,运动速度相等,可用固定约束定义两者相对运动关系,节省了模型的计算时间。 (3)各个活齿分别与中心轮、星齿架之间施加接触力(Solid to Solid Contact),这是一种基于力的接触模型。
(4)星齿架(输出轴)与大地施加旋转副(RevoluteJoint)。星齿架(输出轴)是系统的输出件,相对于大地(减速器机座)作旋转运动。
完成后ADMAS软件界面如图3所示。 3 两种行星减速器结构及其性能对比
3.1 圆形活齿减速器与摆线针轮减速器的结构对比
       圆形活齿减速器与摆线针轮减速器结构上最本质的区别在于参与啮合的齿轮齿形。圆形活齿的齿形为简单的圆柱体,可以直接从圆柱轴承型号里选择标准件,加工简单,更换方便。而摆线针轮的齿形结构比较复杂,某些零件的制造精度要求较高,制造工艺比较复杂,特别是针轮的加工制造需要专用的设备。

       另外,由于摆线针轮行星传动的输出机构主要依靠输出轮上的销轴与摆线轮上的销孔,在销轴与销孔的工作表面很可能会发生疲劳点蚀、胶合或销轴折断的情况。因此,摆线轮上的销孔也是减速器的一个薄弱环节,同时由于摆线轮尺寸的限制也制约了输出销轴的数目。而圆形活齿行星传动的输出则是依靠分布于活齿座四周的活齿,那么选择输出的活齿数目灵活性就更大一些,即便其损坏,更换要比摆线针轮传动简单。

      总之,整体来讲圆形活齿减速器的零件结构简单,主要传动部件刚性大,而且没有特别突出的薄弱环节;而摆线针轮减速器中摆线轮的结构复杂,由于加工了销孔,削弱了摆线轮的强度,并且销轴尺寸受到限制,降低了承载能力。

3.2 圆形活齿减速器与摆线针轮减速器的仿真结果对比
(1)输出轴回转角速度对比。由图4a、图4b的对比发现,总体来说两种减速器以相同的输入方式启动,最终都能达到理想的传动比输出要求;但摆线轮的输出更加平稳,活齿传动的输出波动较大。 (2)针齿承受的载荷对比。由图5a、图5b对比可知,在圆形活齿和摆线针轮行星传动中针齿的受力都会发生周期性变化。但在一个回转周期内,摆线针轮传动中针齿会有一部分时间不受力,而圆形活齿在整个运转中一直会承受力的作用,并且圆形活齿中针齿受力的有效值(RMS)远大于摆线针齿传动中的针齿受力。这是由于圆形活齿传动中,星齿和针齿间的干涉造成的。
(3)输出部件承受的载荷对比。由图6a、图6b可知,同样圆形活齿行星传动输出机构间的作用力分布较均匀,并且其力的有效值(RMS)大于摆线针齿传动输出机构的作用力。

结束语
       在完成了圆形活齿、摆线针齿行星传动的三维建模和虚拟样机的建立后,对这两种行星传动进行了运动学和动力学仿真研究,得到如下结论:①通过相同输入转速情况下,输出速度的对比发现,摆线针轮减速机摆线针轮的运行比圆形活齿更加稳定;②针齿以及输出部件承受载荷的对比发现,圆形活齿传动中的这些部件承受的载荷都要比摆线针轮减速机摆线针轮行星传动的大。理论上两种行星传动的输出转矩一样,而活齿销轴的分布圆直径比摆线轮输出销轴的分布圆大,因此圆形活齿传动中各部件的载荷应比摆线针轮的大。造成这一后果的原因正是由于圆形活齿传动中针齿和星齿间存在干涉,齿形替代必然会导致干涉的存在。这就要求在今后的设计尽量减小齿形替代所产生的误差,从而使构件间作用力减小,以达到圆形活齿传动设计的最优化。



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