齒輪消隙機構的技術綜述

莊秀華

摘 要： 本文通過對齒輪消隙機構技術領域專利文獻進行分析，從中國、國外的專利申請量、申請人的分布等多方面統計分析，分析了齒輪消隙機構有關專利申請的發展歷程，闡述了該技術領域的主要技術路線、技術發展脈絡和趨勢。

關鍵詞： 齒輪；消隙；專利

一、引言

齒輪傳動是傳動系統中最常見是的一種機械傳動，是傳遞動力和運動的一種主要形式，是傳動系統的重要組成部件。機構傳動過程中，齒輪傳動機構都有傳動副側隙存在，側隙用來防止由于誤差和熱變形而使輪齒卡住，并且給齒面間的潤滑油膜留有空間，但側隙同時又給機構在反轉時帶來空程，使機構不能準確定位。機構工作過程中，不可避免地會將上述由輪齒側隙產生的誤差傳遞，因此，在需要傳遞高精度角度信息或者位置信息的場合，必須采用合適的誤差調整方法，以控制誤差量，提高傳動精度，達到更好的運行效果。為了減少或消除側隙給機構帶來的不利影響，需要采用消隙方法。如何能夠減少或消除齒輪間隙，日漸成為提高齒輪傳動精度的瓶頸技術，消除齒隙對傳動精度的影響是新型精密齒輪傳動方式探索和研究的主要目標和發展的趨勢。

二、齒輪消隙機構的專利文獻分析

（1）申請的地域分布

專利申請的地域分布可以反映出企業的產品市場重心特征。對齒輪消隙機構的專利申請的所在國家和地區分布進行統計，可以看出，有關齒隙消除機構的專利申請主要集中在日本、中國、美國和德國，這四個國家占據了所有專利申請的近80%?？梢钥吹降氖牵@四個國家也是目前全球最大的機械制造生產地區。值得注意的是，雖然我國在技術發展上與日本還存在著差距，但是我國對齒輪間隙的消除機構的研究緊跟世界的步伐，并沒有落后，這說明我國對消除齒輪間隙的影響非常重視。同時隨著中國的專利制度不斷完善，各國企業都積極在中國進行專利技術保護，試圖占領中國的技術市場。

（2）申請量年度分布

本文在中國專利文摘數據庫（CNABS）和外文虛擬庫（VEN）中以選取的分類號進行檢索，檢索對象限定在全球公開日或公告日在2015年之前的發明和實用新型專利申請，并對檢索結果進行分析。

在中國，齒輪消隙機構專利申請量一直呈上升趨勢。專利申請起始于1989年，一直到2006年都處于相對低的水平，申請量較少，可以理解為技術起步階段；在2006年后，專利申請量有了穩步上升，這種上升趨勢一直到今，這期間是齒輪消隙機構技術的平穩發展期。對于外國申請，齒輪消隙機構技術專利申請始于1904年，從1904年到1989年都處于相對低的水平，申請量較少，從圖中可以看出，在1989年至今，外國專利申請量變化不大，但是每年的申請量都比較多，齒輪消隙機構技術不斷發展。中國與國外相比，中國國內企業的研究起步較晚，而且與國外相比，還存在著巨大的差距。值得注意的是，在2008年到2015年這幾年間，中國國內申請數量一直平穩較快地增長，這說明齒輪消隙技術越來越受到中國企業的重視。

（3）主要申請人統計分析

對關于齒輪消隙技術的專利申請利用索引PA對專利申請的申請人進行統計，可以看出，日本的企業在齒輪消隙技術領域的專利申請最多。其中，日本的豐田自動車株式會社位居首位。而且排在前五的都是日本企業，這說明日本對齒輪消隙技術比較重視，研究比較深入，遠遠領先于其他國家。中國與其他國家相比，在該領域還存在很大的差距。

三、齒隙消除機構的技術路線、技術發展脈絡和趨勢

二十世紀初人們開始對含齒隙的運動系統進行深入的研究，至今仍然倍受關注。隨著人們對消除齒輪間隙技術的不斷研究，齒輪消隙技術從剛開始的機械消隙慢慢發展為電控消隙，從改變齒輪的齒的結構、采用雙聯齒輪來消隙慢慢發展為采用伺服電機來消隙，齒輪消隙技術得到不斷的發展，消隙方法變得越來越簡單化，自動化，達到的效果越來越好，提高了齒輪傳動的精密度，降低了齒輪的磨損和傳動過程中產生的噪音。下面結合專利對齒隙消除機構的技術路線、技術發展脈絡和趨勢作個簡單的介紹。

最早的消除齒隙的方法是通過改變齒輪的齒形的結構來達到消除間隙的目的，最常見的是變齒厚斜齒輪傳動，將嚙合齒輪副的分度圓柱面制成帶有小錐度的圓錐面，可形成變齒厚斜齒輪，調整嚙合齒輪副兩齒輪在軸向的相對位置即可達到消除齒側間隙的目的，此外，通過在兩齒輪之間設置一粗糙接觸面的齒輪傳動裝置，利用兩傳動齒輪之間的粗糙接觸面所產生的摩擦阻尼效果，降低齒輪在傳動時因齒隙所發生的震動現象，從而消除間隙，還可以在齒輪的齒上增加彈性材料來消除間隙，雖然該齒輪消隙結構較為簡單，但安裝調整不方便且不能自動調整安裝位置，因此在傳動過程中，仍有可能出現輪齒側隙或輪齒嚙合漲緊現象。另外如果過盈配合失效，則消隙效果失效，齒輪需重新加工，維護成本高，因此人們開始研究采用其他方法來消除齒輪的間隙，雙聯齒輪消隙方法應運而生。

雙聯齒輪消隙的工作原理是通過雙齒輪一起與另外一個齒輪嚙合，雙齒輪之間通過彈簧等類似結構相連，通過雙齒輪產生相對轉動，使雙齒輪的輪齒錯位，從而達到消除齒側間隙的目的。這種錯齒調間隙機構的齒側間隙可自動補償，而且結構簡單，更為重要的是，在負載的作用下不可逆向運動，因此雙齒輪消隙結構被廣泛應用在齒輪傳動副的消隙上。一些精密設備的旋轉臺就是通過這種結構進行消隙。同時，也可將其推廣到蝸桿傳動機構中，取得了比較好的消隙效果。

雖然這些方法可以有效地消除傳動系統間隙的靜態誤差，但在高精度快速隨動系統中，電機驅動負載頻繁換向，即使釆用機械消隙措施仍難以克服間隙造成的瞬態誤差。另外，機械消隙方法增加了機械設備的復雜性，并且隨著工作時間的增加，機械可靠性降低。

隨著非線性控制理論等的發展以及對齒隙非線性機理研究的不斷深入，從控制角度入手以達到消除齒隙目的方法不斷出現。雙電機驅動系統是一種新穎可靠的機電傳動方式，正逐漸廣泛應用于高精度設備中。雙電機驅動消除間隙的原理是：用相同的兩臺電機分別帶動兩套完全相同的減速機構，再由兩減速機構的輸出小齒輪帶動數控轉臺主齒輪傳動；通過電氣控制，使主齒輪在起動和換向過程中始終受到偏置力矩的作用——兩個輸出小齒輪分別貼在主齒輪的兩個相反的嚙合面，使主齒輪不能在齒輪間隙中來回擺動，從而達到消除間隙，提高系統精度的目的。雙電機系統改變以往傳統的單電機驅動模式，電機多釆用對稱方式布置在輸出終端，通過合理控制兩臺電機的輸出力矩達到可靠消除傳動間隙的目的。

四、總結

綜上所述，本文通過對齒輪消隙方法的專利文獻進行分析和整理，對齒輪消隙方法的技術發展路線和趨勢有了大體的了解，這對于該領域的專利申請的審查工作而言具有很大幫助。■

參考文獻

[1] 謝峰 機構消隙的方法及應用.中船重工第七一三研究所，2011.

[2] 劉琴琴 新型齒輪自動消隙機構的研究. [西華大學碩士學位論文]，2011.

[3] 孫龍飛 雙電機驅動系統運動特性及消隙控制方法研究. [東北大學碩士學位論文]，2012.