NGW人字齒輪行星傳動系統(tǒng)特點(diǎn)及現(xiàn)狀

何芳

摘 要：行星齒輪傳動系統(tǒng)具有體積小、重量輕、傳動平穩(wěn)、承載能力大以及傳動效率高等優(yōu)點(diǎn)。但是由于漸開線直齒輪在加工制造過程中存在制造誤差、安裝誤差等因素，使傳動系統(tǒng)容易產(chǎn)生沖擊、振動、噪音且傳動不平穩(wěn)，進(jìn)而使行星傳動系統(tǒng)傳動平穩(wěn)、承載能力大的優(yōu)良性能無法充分發(fā)揮。人字齒輪具有承載能力大、振動和噪聲低且傳動平穩(wěn)等特點(diǎn)，能有效發(fā)揮其優(yōu)勢。所以需加強(qiáng)對于此方面的研發(fā)與探索，本文介紹了其特點(diǎn)及其研究現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：NGW；行星傳動；人字齒輪

一、NGW人字齒輪行星傳動系統(tǒng)組成及原理

輪系可以獲得較大的傳動比，能作較遠(yuǎn)距離的傳動。分為定軸輪系和行星輪系，其中行星輪系應(yīng)用廣泛。按照傳動機(jī)構(gòu)中齒輪的嚙合方式分為：NGW、NN、NW、NGWN等等，其中的字母表示為：N-內(nèi)嚙合、W-外嚙合、G-內(nèi)外嚙合公用行星齒輪。NGW人字齒輪行星傳動系統(tǒng)主要由太陽輪a、行星輪c、內(nèi)齒圈b、行星架x、輸入軸及輸出軸構(gòu)成，其他輔助零件有滾動軸承、平鍵、螺栓等。其簡圖如下：

其工作原理為輸入功率通過輸入軸（電動機(jī)）傳遞給太陽輪a，太陽輪a與行星輪c（可以多個）嚙合，將功率均勻分流給行星輪c，內(nèi)齒圈b與的行星輪進(jìn)行內(nèi)嚙合，行星輪c安裝在行星架X上，使得行星架既有公轉(zhuǎn)也有自轉(zhuǎn)，最后功率經(jīng)行星架匯流輸出。

二、NGW人字齒輪行星傳動系統(tǒng)特點(diǎn)和研究意義

行星齒輪傳動具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比大、傳動效率高以及運(yùn)動平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，行星齒輪傳動與普通定軸齒輪傳動相比最具特性的優(yōu)點(diǎn)是：在傳遞功率時可以進(jìn)行功率分流以及輸入軸與輸出軸的同軸性。這一特性使得行星傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常緊湊，且承載能力大，達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)的目的。由于行星傳動系統(tǒng)具有多個對稱且均勻分布在太陽輪周圍的行星輪，使得行星輪作用在太陽輪和行星架（轉(zhuǎn)臂）上的反作用力能相互平衡，并且使行星輪與轉(zhuǎn)臂之間的作用力相互抵消，從而提高了傳動裝置的傳動效率、抗沖擊和振動能力以及傳動的平穩(wěn)性。由于行星傳動系統(tǒng)的諸多優(yōu)點(diǎn)，使得它廣泛的應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)，有起重機(jī)械、工程機(jī)械、礦山機(jī)械等重型機(jī)械，有飛機(jī)、船舶、坦克等大型機(jī)械，有機(jī)床、汽車等中型機(jī)械，也有機(jī)械手、儀器儀表、機(jī)械表等小型機(jī)械。

目前，行星傳動系統(tǒng)大多數(shù)采用漸開線直齒圓柱齒輪和斜齒圓柱齒輪，但是直齒輪和斜齒輪應(yīng)用在大功率和重載荷機(jī)械設(shè)備存在一些問題，比如齒輪強(qiáng)度低、噪聲和沖擊振動大，這就使得機(jī)械設(shè)備存在一定的安全隱患。漸開線直齒輪用于兩個相互平行的軸之間的傳動，嚙合過程是間歇性的，在嚙合時同時進(jìn)行輪齒的嚙合和分離由于輪齒在制造中存在制造誤差、安裝誤差等因素，將會凸顯間歇傳動的特性，導(dǎo)致傳動裝置的噪音大、沖擊大且齒輪強(qiáng)度較低。斜齒輪既可用于兩個相互平行的軸傳動也可用于兩個相互垂直的軸進(jìn)行交錯傳動，在嚙合時每一對輪齒的嚙入嚙出是漸次的，所以產(chǎn)生的沖擊、振動和噪音較小，齒輪強(qiáng)度有所提高，傳動比較平穩(wěn)，適用于重載，但是在傳動時會產(chǎn)生軸向分力，它使得裝置之間的摩擦力增大，使裝置易于磨損或損害，也存在一定的隱患

人字齒輪是兩個左右完全對稱的斜齒輪構(gòu)成的，由于是對稱結(jié)構(gòu)，人字齒輪在傳動時的振動沖擊低、噪音小而且可以自平衡斜齒輪的軸向分力，齒輪的強(qiáng)度大，使得傳動更加平穩(wěn)，適用于大功率、重載荷機(jī)械。隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，對行星傳動系統(tǒng)的性能要求越來越高，尤其是航空航天和艦船等領(lǐng)域。如果某機(jī)械設(shè)備的行星齒輪傳動裝置的傳動性能不好，不僅滿足不了低沖擊、低噪音、重載荷、高強(qiáng)度和傳動平穩(wěn)的工作要求，還會埋下安全隱患或發(fā)生安全事故。因此，引入采用人字齒輪的行星齒輪傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)具有重要意義。

三、行星齒輪傳動研究現(xiàn)狀

行星齒輪傳動是機(jī)械傳動中的一個非常重要部分，其具有傳動比大、承載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、傳動效率高和傳動平穩(wěn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)勢突出、特點(diǎn)明顯。基于行星齒輪傳動技術(shù)開發(fā)的各種行星齒輪增減速器、差速器、換向機(jī)構(gòu)越來越多的應(yīng)用于航空、艦船、汽車、礦山、冶金等行業(yè)。

19世紀(jì)80年代初，第一個行星齒輪傳動裝置的專利在德國出現(xiàn)。19世紀(jì)以后，在汽車和飛機(jī)等行業(yè)快速發(fā)展的推動下，行星齒輪傳動技術(shù)得到了迅速發(fā)展。19世紀(jì)20年代，第一批行星差動傳動裝置制造成功，并應(yīng)用于汽車差速器。19世紀(jì)40年代末，各國大力發(fā)展汽車使用的行星差動傳動裝置。二戰(zhàn)后，美國、英國、俄羅斯等國加快研制航空母艦、波音系列飛機(jī)、大型坦克及工程機(jī)械等高速大功率機(jī)械，進(jìn)而使得行星傳動系統(tǒng)得到快速發(fā)展。我國從1952年開始研制應(yīng)用行星齒輪減速器，直到20世紀(jì)70年代，我國設(shè)計(jì)制定了四種NGW型行星齒輪減速器的標(biāo)準(zhǔn)。

國內(nèi)外諸多學(xué)者對行星齒輪傳動進(jìn)行了深入的研究，并得到了許多顯著的成果。王世宇等研究了行星齒輪傳動的固有特性及模態(tài)躍遷現(xiàn)象；孫智民等]研究了NGW型行星齒輪傳動的非線性動力學(xué)；LIN等研究了行星齒輪由嚙合剛度變化引起的參數(shù)不穩(wěn)定性；BAHK等則研究了行星齒輪傳動非線性動力學(xué)的解析解；陸俊華等分析了行星齒輪傳動的動態(tài)均載特性；KIM等分析了輪體橫向振動導(dǎo)致的時變嚙合角和時變重合度對系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的影響；ERITENEL等采用彎—扭—軸—擺耦合模型分析了斜齒行星齒輪傳動的固有特性。

目前國內(nèi)外齒輪界學(xué)者非常關(guān)注封閉差動行星齒輪傳動，它不僅具有行星齒輪傳動的特點(diǎn)，還具有功率分流，承載能力大等優(yōu)點(diǎn)。近年來，學(xué)者們對封閉差動行星齒輪傳動技術(shù)的研究不斷深入，使得其飛速的發(fā)展，被廣泛的應(yīng)用。我國從一些先進(jìn)國家引進(jìn)了許多先進(jìn)的機(jī)械產(chǎn)品，使得我國的機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域開始研究封閉差動行星齒輪傳動技術(shù)，我國的學(xué)者開始研究它，并慢慢的實(shí)踐應(yīng)用和推廣。封閉差動行星齒輪傳動裝置在工程機(jī)械、起重機(jī)械、航空航天、艦船等領(lǐng)域均獲得了很好的應(yīng)用。

四、人字齒輪研究現(xiàn)狀

齒輪傳動是近現(xiàn)代機(jī)械傳動中最常見的一種，齒輪的齒形設(shè)計(jì)與加工制造過程中的工藝水平的好壞，對產(chǎn)品的性能有很大的影響，由于齒輪在工業(yè)發(fā)展中的突出地位，可以說它是一個國家工業(yè)水平的象征。

漸開線齒輪的發(fā)展可以追溯到17世紀(jì)末，17世紀(jì)末，法國學(xué)者Philippe首先提出漸開線可作為齒形曲線；18世紀(jì)70年代中期，瑞士的Euler L.提出漸開線齒形輪廓后，漸開線齒廓在后來的齒輪發(fā)展中研究很多，如王玉新等在漸開線齒廓的研究；19世紀(jì)80年代初，德國工程師Hoppe提出了在壓力角改變時的漸開線齒形，從而奠定了現(xiàn)代變位齒輪的理論基礎(chǔ)；20世紀(jì)20年代初，美國的懷爾德哈伯首次提出圓弧齒廓的齒輪；20世紀(jì)60年代中期，原蘇聯(lián)科學(xué)家Novikov經(jīng)過更加深入的研究后，將其投入實(shí)際應(yīng)用中。之后國內(nèi)諸多專家與學(xué)者投入到齒輪齒形與結(jié)構(gòu)研究中，比如李海翔等首次提出分階式雙漸開線齒輪；周長江等齒輪柔度與誤差的彎曲強(qiáng)度計(jì)算力點(diǎn)進(jìn)行了研究，且推導(dǎo)出了關(guān)于齒輪彎曲強(qiáng)度計(jì)算力點(diǎn)的位置判別式。進(jìn)入20世紀(jì)世紀(jì)，漸開線齒輪、錐齒輪、準(zhǔn)雙曲面齒輪、斜齒輪和蝸輪蝸桿等傳動方式相繼出現(xiàn)。

近年來，國內(nèi)對人字齒輪的研究也越來越多。如趙寧等通過遺傳算法對人字齒輪齒形的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使傳動性能得到改善；廖映華等研究了嚙合剛度和嚙合誤差的隨機(jī)性對人字齒輪傳動動力學(xué)特性的影響；吳新躍等通過對齒輪模型的振動與耦合分析，進(jìn)而得到人字齒輪的振動理論分析模型；王藝杰等精確的建立人字齒輪三維模型，在靜態(tài)和動態(tài)接觸情況下對齒輪進(jìn)行受理分析，研究了壓力角和齒頂高系數(shù)在靜態(tài)接觸情況下對齒輪應(yīng)力的影響，以及齒廓修形在動態(tài)接觸過程中對齒輪嚙合特性的影響。王峰等分析了人字齒輪傳動系統(tǒng)振動傳遞特性；王成等根據(jù)齒輪嚙合特性建立了人字齒輪動力學(xué)模型，并對其求解和分析。

綜上所述，隨著齒輪行業(yè)的快速發(fā)展，諸多學(xué)者從多方面對人字齒輪進(jìn)行深入的研究，得到了許多有關(guān)人字齒輪的成果，從而使得人字齒輪可以更多的應(yīng)用在行星齒輪傳動上。

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