新型擺線鋼球傳動軸承減速器設計與研究

摘" 要：該文在對傳統針擺行星減速器的傳動特點和工作原理的研究基礎上，結合針輪輸出針擺行星傳動這種具體的傳動結構，提出針輪輸出擺線鋼球新型傳動形式，對其工作原理、結構特點等進行相關研究并運用Creo7.0軟件對模型進行三維建模，通過以上工作，得到符合實際理論計算的傳動結構，進而為提高整機動力學性能的方法和建議做準備。

關鍵詞：針擺行星減速器；三維建模；Creo7.0；參數；擺線

中圖分類號：TH132.46" " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）16-0130-04

Abstract： Based on the study of the transmission characteristics and working principle of the traditional cycloidal needle wheel planetary reducer， and combined with the specific transmission structure of cycloid pin geartransmission， this paper puts forward a new transmission form of needle wheel output cycloid steel ball， studies its working principle and structural characteristics， and carries on the three-dimensional modeling of the model using Creo7.0 software. Through the above work， the transmission structure which accords with the actual theoretical calculation is obtained， which provides methods and suggestions for improving the dynamic performance of the whole machine.

Keywords： cycloidal needle wheel planetary reducer; 3D modeling; Creo7.0; parameters; cycloid

隨著工業的快速發展，各類傳動裝置傳動性能均得到極大提高，尤其在精密傳動機械領域，對于傳動效率及精度要求也不斷提高。精密傳動作為一種高精度的機械傳動方式，在各個領域都占據了重要的地位[1]。因此，圍繞精密減速器設計與制造技術的研究十分重要，無論從國內工業機器人行業持續發展的角度，還是國內企業盡早取得關鍵技術突破的角度，均希望能實現高性能、高穩定性的國產精密減速器產品的設計與制造。

1" 總體結構介紹

圖1為本次擺線鋼球傳動軸承減速器的二維結構示意圖，其中8片尺寸一致的擺線輪9裝入到與電機連接的偏心軸4上。一共6根柱銷2穿過八片擺線輪，柱銷的一端固定在柱銷盤1上，另一端固定在柱銷支撐盤11上。當偏心軸4轉動時，擺線輪將以輸入軸中心點為圓心，在針齒殼13內進行公轉。公轉過程中與鋼球8進行嚙合，由于柱銷盤為固定結構，而柱銷2的一端固定在柱銷盤1上，使得柱銷2對擺線輪9的轉動進行了限制，擺線輪無法進行自轉，因此，擺線輪只能進行平動。擺線輪與鋼球完成嚙合傳動，又針齒殼13在鋼球通孔內使用彈簧將鋼球與緊定螺釘進行連接，由此通過針齒殼進行動力輸出。本課題通過結構優化設計，使用偏心輸入軸代替傳統RV減速器中的太陽輪、行星輪以及曲柄軸結構，并設計一種齒面為內凹球面的擺線輪結構代替傳統的直齒面擺線輪與鋼球嚙合傳動，并使用針齒殼結構進行動力輸出。

因此，在本次設計中，具體結構為：將傳統針輪結構設計為鋼球結構，擺線輪的齒面設計為一種內凹的球面包絡曲面擺線齒形結構，鋼球與擺線輪齒進行嚙合形成傳動，并帶動針齒殼進行轉動。本次設計中擺線輪的齒形面由一系列不同曲率半徑的擺線曲線構成的圓弧形面組成[2]，本文將對擺線輪齒形面的形成過程進行說明。

根據行星齒輪結構傳動比的計算方法以及傳動特點[3]，可知行星減速器的傳動比為i12=■＝■，其中zc與zp分別為擺線輪的齒數及鋼球數。本次設計共采用了8片擺線輪，減速器的主要特點是電機輸出端與下圖中所示偏心軸進行連接，通過偏心軸插入減速器的內部，同時偏心軸的前后兩端分別支撐柱銷盤以及針齒殼上，通過軸承連接。并將8片擺線輪兩兩一組安裝在4個相位相差180°的偏心軸承上。由于減速器的工作過程中轉速較高，導致偏心軸承需要承受較大的力，為了提高輸入軸的使用壽命，本次設計的偏心軸的偏心距為1 mm。擺線輪在輸入軸的驅動下，與針齒殼內部的鋼球嚙合，同時擺線輪與柱銷嚙合，而針齒殼通過輸入軸末端以及柱銷支撐盤的軸承支撐在輸入軸上，則鋼球可以帶動針齒殼轉動并進行動力輸出。由于鋼球與固定在針齒殼外表面的緊定螺釘通過彈簧進行連接，當減速器作為行走減速器時可提高行走減速器的減震性。可將輸入軸、柱銷及柱銷套組支撐結構看作簡支梁結構，從而提高了減速器的剛性和承載能力[4-8]。

2" 減速器尺寸參數計算及建模

2.1" 減速器尺寸計算

本節主要介紹在zc=29、zp=30等已知參數的條件下如何確定減速器其他一系列設計參數，參考傳統的擺線針輪行星傳動設計方法，對針輪輸出擺線鋼球傳動減速器進行相關的參數設計計算。本型號減速器是參考RV-6E減速器的基本設計參數及外形尺寸完成結構設計，而RV-6E減速器的額定值見表1。

注：1.柱銷盤；2.柱銷；3.彈簧擋圈；4.偏心軸；5.輸入軸軸承；6.緊定螺釘；7.彈簧；8.鋼球；9.擺線輪；10.柱銷支撐盤軸承；11.柱銷支撐盤；12.針齒殼蓋；13.針齒殼；14.擺線輪軸承；15.柱銷套。 圖1" 擺線鋼球傳動軸承減速器結構示意圖

基本參數為功率p=0.4 kW，經換算可得輸入轉速n=1 740 r/min，擺線輪齒數zc=29個，鋼球數zp=30個。根據上述基本參數整理出主要零部件的結構尺寸如下：

1）總輸出軸轉矩T=9 550 000■×i×？濁，式中i為傳動比，即i=zp=30個；？濁為擺線傳動的傳動效率，由經驗可取？濁=0.92。將基本參數代入可得：T=60 593 N·mm。

2）短幅系數k1：其值具體選擇見表2。因為zc=29，所以依據表2可知0.65≤k1≤0.75。

3）針徑系數k2：初選值k2通常根據擺線輪齒數確定，其值具體選擇見表3。

因為zc=29個，根據表3可知：1.25≤k2≤2.0。

4）針齒中心圓半徑rp=■。

5）擺線輪齒寬bc=（0.1～0.2）rp，上式系數按經驗取值為0.15。

6）鋼球半徑rrp0=■×sin■。

7）相切平面半徑rrp=■，在鋼球所在的空間直角坐標系中，垂直于z軸與鋼球相切所在的平面即為相切圓面，相切圓面的半徑即為相切平面當量針齒半徑rrp，那么rrp0、rrp和z1三者構成勾股定理關系。

8）針徑系數k2=■sin■。

9）偏心距a=■。

再由1）到9）可知設計參數為范圍值難以得到確定值且環環相扣，為了得到設計參數確定值，使用Matlab編程語言軟件，通過圖形化界面顯示的方式優化出處在不同平面中擺線輪與鋼球無根切嚙合時的平滑曲線，從而達到確定基本設計參數值的目的。

如圖2所示，根據機械設計公式在Matlab程序中進行編程，將上述基本設計參數的取值范圍按照對應的格式要求即可在對應的輸入窗口中進行編輯輸入。

當所有的參數要求編輯完成后，單擊繪圖按鈕即可得到擺線輪與鋼球的多組分層嚙合曲線圖。通過以上操作可以優化出一組合理的設計參數，通過圖3可知擺線輪與鋼球在嚙合時的曲線圖較為平滑，無出現尖點的現象，該組參數值同時滿足機械設計手冊上相對應的設計要求，同時擺線輪與鋼球的嚙合曲線圖可在下文中進一步驗證，所以該組參數值是合理可行的。表4為最終確定擺線輪基本設計參數。

當確定擺線輪的基本設計參數后，需要進一步確定其他的設計參數。

1）等距修形量△rrp=■，csjx為設計初始間隙，其取值根據鋼球中心圓半徑rp及傳動比i，由于rp=62 mm，i=30，查看初始間隙參考值表，可得出csjx的值為0.105，將參數代入四舍五入可得△rrp=0.437 3 mm。

2）移距修形量△rp=△rrp-csjx，同理可得△rp=0.332 3 mm。

3）擺線輪齒頂圓半徑

rac=rp+a-rrp-△rrp+△rp，將參數代入可得rac=42.095 mm。

4）擺線輪齒根圓半徑rfc=rp-a-rrp-△rrp+△rp，將參數代入可得rfc=40.095 mm。

5）輸出機構尺寸計算。

擺線輪中心孔半徑Rn=（0.4～0.5）rp，上式系數按經驗取值為0.4，可得Rn=17.2 mm，圓整可取得Rn=17.5 mm。

擺線輪中心圓半徑Rw=0.5rfc+0.5Rn，將參數代入可得Rw=29.797 5 mm，圓整可取得Rw=30 mm。

6）柱銷尺寸計算。

柱銷數目zw，其值通常根據鋼球中心圓直徑決定，其值選擇具體見表5。

因為dp=86 mm，所以zw=6。

柱銷直徑dsw，其值可根據柱銷的抗彎強度條件決定，或可按照表6。

為了能夠得到更符合實際情況的擺線輪外形，dSW取11，利用插值法求得drw為15 mm。

柱銷套外徑drw，由表5同理可得柱銷套直徑drw=20 mm。

擺線輪柱銷孔直徑dw：dw=drw+2a+△，式中△為柱銷孔與柱銷套之間的間隙（mm），若針齒中心圓半徑rp≤275 mm時，△=0.15 mm；若rp＞275 mm時，△=0.2～0.3 mm。現rp=60.7 mm，則△=0.15 mm。將參數代入可得dw=21.55 mm。當得到dw=21.55 mm后，需驗算所選擇數據的合理性，那么則需要保證擺線輪柱銷孔的最小壁厚大于或等于[△]=0.03dp。

由圖4可得，擺線輪柱銷孔壁厚需滿足

。

將參數代入可得：△1=5.585 mm，△2=8.55 mm，△1和△2均滿足大于或等于[△]=0.03 dp=3.642 mm的條件。滿足驗算條件，從而驗證了所選數據的合理性。

2.2" 三維建模

通過以上數據，使用Creo三維建模軟件對擺線鋼球傳動軸承減速器進行建模，如圖5所示。

3" 結論

本文深入開展針輪輸出針擺行星傳動的理論研究，提出了內凹的球面包絡曲面齒形的針輪輸出擺線鋼球傳動結構。通過對傳統針擺行星傳動設計計算方法的分析，總結了針輪輸出擺線鋼球傳動的設計方法和理論，并進行了相關設計方法的研究，同時對整機進行了三維實體建模，對以后的各類減速器研究具有借鑒意義。

參考文獻：

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