管狀電機低噪聲微型三級行星齒輪減速器的研發

周錦添，賴 萍

(廣東工程職業技術學院，廣州 510520)

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管狀電機低噪聲微型三級行星齒輪減速器的研發

周錦添，賴 萍

(廣東工程職業技術學院，廣州 510520)

通過合理分配三級行星齒輪各級傳動比，應用SolidWords三維軟件設計出以塑料齒輪為主體的微型三級行星齒輪減速器，供管狀電機配套使用。在研制過程中，為了較大地降低行星齒輪減速器的運轉噪聲，結構上采取了新設計，即采用創新的行星架內行星輪軸向心滑槽結構，降低了各級的噪聲和振動，使噪聲問題獲得明顯改善；高速端行星齒輪材料采用新材料，即在高速端行星齒輪最先采用塑料彈性體新材料，該材料制造的齒輪具有很高的回彈力、較高的韌性和強度，能降低高速端的運轉噪聲；制造方法上使用了新工藝，即應用微注塑成型技術新工藝以及采用塑料零件后處理技術等制造手段，提高和保證了齒輪精度，降低了各級運轉噪聲。通過機構新設計、應用新材料以及新工藝等一系列的技術手段，保證了嚙合運動副傳動精度，降低了減速器整體運轉噪聲，研制出低噪音大傳動比塑料微型三級行星齒輪減速器，這些技術手段可指導低噪聲大傳動比微型三級行星齒輪減速器在管狀電機領域的推廣應用。

行星齒輪減速器；低噪聲；塑料齒輪；向心滑槽結構；熱塑性聚酯彈性體

0 引 言

近幾年，隨著經濟的快速發展、城市化及城鎮化進程的不斷深入，我國的新型自動卷閘門、高端投影幕、高端窗戶卷簾等需求量越來越大，在這些領域我國已成為世界第一大消費市場。由于每一扇自動門及高端投影幕、高端窗戶卷簾等均需要減速電機，即需要新型管狀電機作為動力源，而減速器作為動力源的終端輸出，它的質量好壞影響著管狀電機的質量及在各領域應用前景，因此需要研制出一種噪聲低、結構緊湊、體積小、傳動比很大、壽命長且滿足各個領域需求的大扭矩齒輪減速器，供管狀電機配置使用。經過縝密調研，市場需求的減速電機(外形如圖1所示)主要條件：采用兩極單相異步電動機，轉速2 800 r/min；減速器終端輸出轉速為28 r/min，傳動比98，最大輸出扭矩9 N·m，外徑φ34 mm。

圖1 行星齒輪減速器三維實體

1 行星齒輪減速器設計

1.1 總體結構設計

由于傳動系統要求傳動比較大，初定為i總=98，且要求結構緊湊、體積小、承載能力強的減速器，通常均采用三級行星齒輪減速器結構，根據常用行星齒輪傳動的傳動型式和特點，把一、二、三級行星齒輪的傳動比分配[1]初定為i1級∶i2級∶i3級=7∶3.5∶4。每一級行星齒輪結構均為內齒圈固定，太陽輪為主動輪，行星架為從動的傳動裝置，當內齒圈為固定時，為減速傳動。齒輪設計傳動簡圖如圖2所示。

a,d,g為太陽輪；b,e,h為行星輪；c,f,i為齒輪；j為輸出軸

為了制造工藝簡化，成本低，大批量生產，所有齒輪為漸開線直齒圓柱齒輪，并采用一次成型加工技術。在一級、二級行星齒輪減速裝置，其內齒輪為同一整體直齒圓柱塑料內齒輪；在三級行星齒輪減速裝置中，其內齒輪為獨立一整體直齒圓柱增強塑料內齒輪，它們采用不同的塑料材料精密注塑成型。由于一、二級傳動處在較高速端，承載力較小，行星輪可采用不同的塑料材料制造；三級傳動承載力較大，三級行星輪選用粉末冶金制造。一級太陽輪可以直接采用電動機轉子上的鋼制齒輪軸，二級太陽輪用鋁合金壓鑄成型并與以及行星架鑄造成為一整體，三級傳動太陽輪采用粉末冶金制造。每一級行星架均采用鋁合金壓鑄成型為一整體。各級減速器內各零件如圖3所示。所有塑料材料齒輪均需要生產模具并采用微注塑成型技術制造。

圖3 行星齒輪減速器三維爆炸視圖

根據2K-H(NGW)型行星齒輪傳動的齒數選配方法，配齒數僅根據傳動比、同心條件和裝配條件三方面約束條件進行[2]，最終確定各齒輪齒數如表1所示。

由于最大輸出扭矩為9 N·m，由計算及選用模數原則，減速器內齒輪均采用同一小模數m=0.55 mm。通過計算，獲得減速器主要參數如表2所示。

表1 三級行星齒輪減速器各齒輪齒數

表2 三級行星齒輪減速器主要基本參數

1.2 精確傳動比計算

精確減速器傳動比計算如下，根據2K-H(NGW)行星齒輪傳動型式，設定太陽輪為輸入，行星架為輸出，內齒圈為固定，各齒輪符號見圖1，各級傳動齒輪齒數見表1。其中iaj為減速器總傳動比，iad為一級傳動比，idg為二級傳動比，igj為三級傳動比。行星齒輪系總傳動比iaj計算公式[2]如下：

(1)

由式(1)計算得出，三級行星齒輪減速器精確傳動比為iaj=98.325。若電動機轉速n電機=2 800r/min，則減速器輸出軸轉速nout=28r/min。

2 行星齒輪減速器低噪聲技術研究

2.1 采用創新的行星架內行星輪軸向心滑槽結構

行星架采用鋁合金壓鑄成型，保證了機械精度和表面質量。在三級行星齒輪傳動中，采用行星架內行星輪軸向心滑槽結構，這種創新結構與已有技術不同之處是行星輪軸與行星架的安裝配合并不是軸與行星架軸孔的配合，而是軸與行星架滑槽的配合，剖視圖如圖4所示。對于每一級的行星輪來說，每一級行星架內安裝行星輪轉軸處，不再設計出傳統的2個約束、1個自由度的孔狀結構，而是設計出1個約束、2個自由度的徑向向心滑槽創新結構。一至三級行星輪均以其中心軸與對應的一至三級行星架的徑向向心滑槽配合安裝于一至三級行星架上，剖視圖如圖4所示。由于全部的行星齒輪中心軸與行星架都采用了徑向游動向心結構，運轉時行星架就可以自動定心，自動校正偏心，補償了零件精度誤差，從而減少了由行星架偏心、偏垂產生的離心跳動，保證了齒輪在高精度下運轉，降低了各級的噪聲和振動，使噪聲獲得明顯改善。三級行星齒輪減速器移除內齒輪后的內部結構如圖5所示。

圖4 行星架內行星輪軸向心滑槽結構剖視圖

圖5 行星架內行星輪軸向心滑槽結構三維圖

實際上，這種行星架內行星輪軸向心滑槽結構，能夠補償制造誤差，也能使各行星輪均勻分擔載荷。這種結構可降低載荷不均勻系數，提高承載能力，降低噪聲，提高運轉平穩性和可靠性，可降低齒輪制造精度[1]。從圖2可見，第一、第三級行星輪系是采用行星架浮動，第二級采用了太陽輪和行星架同時浮動。

2.2 齒輪材料的選用

為了降低減速器噪聲，在齒輪選材上做了不少試驗，通過多次修改齒輪模具尺寸精度，以及更換不同種類的新型齒輪材料，最后確定第一級減速機構，行星齒輪材料選用美國杜邦Hytrel-熱塑性聚酯彈性體4056。這種塑料的特性主要具有很高的回彈力、較高的韌性和強度，對蠕變、沖擊和撓曲疲勞具極高的抗阻力，低溫下能保持其彈性，而在高溫下能具有良好機械性能。同時能耐油、耐溶劑及多種其他化學品。熱塑性聚酯彈性體-4056主要性能[3]如表3所示。經過實際應用和測試，這種新型材料應用于齒輪傳動，可大大降低噪聲。

表3 熱塑性彈性體性能(ASTM美國材料試驗學會標準)

經過不斷試驗，包括實驗室性能測試和現場應用試驗，最終確定減速器各級齒輪選用的材料如表4所示。

表4 一、二、三級傳動各零件材料

2.3 應用微注塑成型技術，提高齒輪精度

減速器噪聲與齒輪精度、齒輪嚙合狀態有關。塑料制造的齒輪齒形、公法線等尺寸精度是齒輪模具和注塑各工藝參數保證的，大量注塑生產時，經過試驗，不同批次購入的塑料收縮率，會造成每一批次的齒輪尺寸精度的不同，因此也會產生不同的嚙合精度，從而產生出噪聲也不相同。為了保證注塑齒輪尺寸精度，制造過程中我們采用了塑料微注塑成型技術。

微注塑成型技術是以熱塑性材料注射方式來生產微型塑料零件的技術，它制造出來的零件既可以得到較高的齒輪精度和表面質量，同時又適合批量化生產的實用型技術，具有材料利用率高、生產成本低、成形件質量好、生產效率高等優點，且在工藝控制等方面都比金屬微型齒輪具有明顯的優勢，是現階段比較有競爭力的工藝方法[4]。因此，一、二級行星齒輪，一、二級內齒輪，三級內齒輪我們均采用微注塑成型技術，這種技術生產的齒輪還需要精度要求高的模具和微注塑專用設備配套完成。制造出的齒輪精度為IT6。

配套的微注塑成型模具型腔制造可采取主要的加工方法是超精度銑削、慢走絲線切割、電火花加工、激光燒灼及電鍍、硅微細加工及電鍍。這樣加工出的模具精度可達IT6級精度。

應用的微注塑機主要參數如下：最大注塑行程50 mm，最大注塑速率240 mm/s，合模力129 kN，最大注塑壓力179.5 MPa。注射工藝參數會影響到塑料齒輪精度，模溫和熔體溫度過高會引起微型塑件的質量缺陷，如塑件收縮率較大、產生飛邊和翹曲等現象。應用微注塑技術生產的各級塑料齒輪和應用壓力鑄造技術生產的鋁合金行星架實物如圖6所示。

圖6 行星齒輪減速器各零件實物

相同成型工藝條件下，一級行星齒輪 Hytrel-熱塑性聚酯彈性體4056材料，即使不同批次原料，收縮率穩定，成型質量高，精度可達 。二級行星齒輪POM材料，一、二、三級內齒輪PA (30%玻璃纖維)，國產材料不同批次購買的，收縮率對應不同，會影響尺寸精度，因此，經過試用，需要進口德國拜耳公司原料，這樣才能保證齒輪精度可達IT8。

2.4 采用高分子后處理技術能保證齒輪精度

對于使用添加30%玻璃纖維增強的聚酰氨PA66材料制成一二級內齒輪、三級內齒輪，為了消除應加熱注塑成型的零件內部殘余應力，保證齒輪在使用過程中的尺寸穩定，我們采用塑料零件后處理技術。對于聚酰氨PA66齒輪，即使在成型過程中采取了微注塑成型技術，但在零件內部仍具有殘余應力，致使零件脆性增加，并且因為這種材料制成的零件，存放一段時間后，會因吸收空氣中的水分變形膨脹，尺寸發生變化。因此，使用后處理技術的調濕處理方法，能夠改善零件的機械性能和穩定零件尺寸精度。

因為聚酰胺塑料齒輪在高溫下接觸空氣容易氧化，故把它們將脫模后即刻浸入100℃～120℃沸水或醋酸鉀水溶液中24～48 h。同時，在密封的容器中施加壓強，能縮短浸泡時間，這種后處理技術，一方面隔絕齒輪與空氣接觸，防止齒輪氧化變色，另一方面加壓后，齒輪更快地達到吸濕平衡，穩定了尺寸。同時，調濕處理時的適量水分，對聚酰胺齒輪起著類似增塑劑作用，齒輪變得柔軟，脆性降低，韌性增強，零件的沖擊強度、拉伸強度等也得到提高。在達到所需溫度和時間以后，首先需要卸壓，接著一定要緩慢降至室溫，如果突然冷卻或冷卻速度太快，則齒輪內部又會產生新的內應力。通過對齒輪進行這種后處理，齒輪尺寸精度得到保證，綜合機械性能得以提高，能夠降低減速器運轉噪聲。

2.5 選用合適的潤滑脂及裝配工藝

過稠的潤滑脂對齒輪振動的阻尼作用差，過稀的潤滑脂導致干摩擦，因此合適的粘度潤滑脂有助降低運轉噪聲。選用降振減噪的潤滑脂能降低噪聲。潤滑脂的清潔度也會影響減速器的精度，從而會影響整體噪聲。潤滑脂的選用還需考慮塑料的耐油性和耐腐蝕性。因此，經過廣州機械科學院潤滑研究所研究人員的研制，我們選用減振降噪的潤滑脂。經過采用普通潤滑脂進行比較測試，采用特別配制的減振降噪的潤滑脂，能降低2～4 dB噪聲。

由于三級行星齒輪減速器外殼均是PA66塑料材料內齒輪，在使用過程容易變形，把各個零件組裝起來的實物如圖7所示，因此，在減速器內齒輪增加以鋼管制造的外殼，既可防止外物碰撞變形，又可以固定三級減速器的各內齒輪件，保證了尺寸精度，達到使用效果。

圖7 行星齒輪減速器實物

3 結 語

引起減速器噪聲因素很多，但經過合理的設計及三年研制，齒輪模具也得到修正，制造工藝得到不斷完善。尤其是采用創新的行星架內行星輪軸向心滑槽均載結構，一級行星輪齒輪材料選用最新的熱塑性聚酯彈性體-4056消聲材料，應用微注塑成型技術以及塑料材料后處理技術提高齒輪精度，選用合適的潤滑脂及合理裝配工藝等創新技術手段，較大地降低了減速器的噪聲，當減速器與同步研制的細長型兩極單相異步電動機配套運轉時，按GB規定機電產品在半消聲室按聲功率工程級測試結果為40～42 dB，噪聲值比國內外同類產品噪聲低4～6 dB。在壽命測試中，按額定扭矩加載進行測試20000次，拆卸齒輪后未見各級齒輪損壞。我們進行了大批量生產，產品多年在國內外銷售，并配套到新型自動卷閘門、高端投影幕、高端窗戶卷簾等行業電機上，得到廣大用戶的好評。

[1] 徐灝.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社,1995:32,39.

[2] 張展, 姚振甫.實用機械傳動設計手冊[M].上海：科學出版社,1994：565,590.

[3] 美國杜邦公司.杜邦工程塑料應用手冊[M].美國杜邦公司,2004.

[4] 趙雅珠.微型行星齒輪減速機構制造工藝概述[J].機械設計與制造,2010,(9)：242-243.

Research and Development of Tubular Motor Low Noise Mini Three Planetary Gear Reducer

ZHOU Jin-tian，LAI Ping

(Guangdong Engineering Polytechnic，Guangzhou 510520,China)

Through the rational allocation of three-stage planetary gear transmission ratio at all levels, SolidWords three-dimensional software was utilized to design micro-three-stage planetary gear reducer with plastic gear as its main part to support the use of tubular motor. In the process of development, a new design in structure was adopted in order to reduce the running noise of the planetary gear reducer. The innovative planetary axle radial chute structure within planetary carrier was employed to reduce the noise and vibration of all levels, ameliorating the noise problem. New materials were utilized for high-speed end planetary gear materials also. Plastic elastomer new materials were used in high-speed end planetary gear first. Gears made of such materials have high elasticity, high toughness and strength, which can greatly reduce the running noise of high-speed end. New technology was used in manufacturing methods, such as the application of new micro injection molding technology and the adoption of plastic parts post-processing technology, ensuring, improving the precision of gear and lowering running noise at all levels. Through technological means such as new design in structures, application of new materials, new technology, meshing motion auxiliary transmission precision was ensured. At the same time the overall running noise of reducer could be reduced. A plastic micro three-stage planetary gear reducer with lower noise and larger transmission ratio was eventually developed. Such technologies can guide the application of micro three-level planetary gear reducer with low noise and large transmission ratio in the field of tubular motor.

planetary gear reducer; low noise; plastic gear; radial chute structure; thermoplastic polyester elastomer

鄭菲菲(1989-)，女，碩士研究生，研究方向為新型電機設計與電力傳動。

2015-01-14

TH132.425;TM343

A

1004-7018(2016)02-0020-04