一種新型同軸對轉(zhuǎn)輸出圓錐齒輪減速器的設(shè)計(jì)*

黃曉秋，韓 林

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222)

0 引 言

雙輸出減速器廣泛應(yīng)用于旋翼飛行器、潛水器等共槳傳動(dòng)技術(shù)中。該類減速器具有傳動(dòng)功率大，傳遞效率高，安裝結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)[1]。錐齒輪減速器是一種能夠傳遞相交軸結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)裝置，具有傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲低、承載能力高的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航空、汽車、機(jī)床等行業(yè)中[2-3]。

彭彬[4]提出了一種同向雙輸出齒輪減速器，其通過彈簧來調(diào)整齒輪間隙，可使同向雙輸出齒輪減速器的輸出齒輪完全同步；梁中寧[5]研發(fā)設(shè)計(jì)了用于建筑施工升降平臺(tái)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的單輸入雙輸出齒輪減速器，能夠?qū)崿F(xiàn)兩條輸出軸上的外端同步齒輪同時(shí)與同一齒條嚙合傳動(dòng)；一種單輸入同軸雙輸出減速器專利結(jié)構(gòu)[6]，其利用錐齒輪的分流轉(zhuǎn)向原理，將單輸入動(dòng)力分流雙向輸出[7]，但是這個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)過程比較簡單，無法實(shí)現(xiàn)輸出軸和輸入軸之間的減速，且無法滿足某些裝置對同軸雙輸出機(jī)構(gòu)的要求。本論文提出了一種新型同軸對轉(zhuǎn)輸出圓錐齒輪減速器，可以實(shí)現(xiàn)減速傳動(dòng)且同軸對轉(zhuǎn)輸出，具有傳動(dòng)穩(wěn)定，傳動(dòng)精度高的優(yōu)點(diǎn)，適用于旋翼飛行器、潛水器等共槳傳動(dòng)技術(shù)中。

1 傳動(dòng)原理

同軸對轉(zhuǎn)輸出圓錐齒輪減速器利用錐齒輪的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，在傳動(dòng)過程中通過兩次嚙合實(shí)現(xiàn)輸入軸和輸出軸之間的減速和同軸對轉(zhuǎn)輸出，其原理圖如圖1。

圖1 同軸對轉(zhuǎn)雙輸出減速器原理圖 I.輸入軸 III-IV.輸出軸1.2.3.4.5.6.7.錐齒輪換向機(jī)構(gòu)

該減速器由第一級直齒錐齒輪減速機(jī)構(gòu)和第二級直齒錐齒輪減速機(jī)構(gòu)組成。第一級通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸送動(dòng)力給輸入軸I，輸入軸I將驅(qū)動(dòng)錐齒輪3等速轉(zhuǎn)動(dòng)，錐齒輪3與錐齒輪4之間的軸交角ε=90°，即直齒錐齒輪嚙合傳動(dòng)。通過改變錐齒輪3和錐齒輪4的齒數(shù)比可實(shí)現(xiàn)第一級減速傳動(dòng)。第二級減速主要是由錐齒輪1和錐齒輪2之間的嚙合實(shí)現(xiàn)的。第二級傳動(dòng)中減速軸II上固連錐齒輪1和錐齒輪4，使得兩個(gè)錐齒輪同向等速轉(zhuǎn)動(dòng)。錐齒輪1上對稱安裝具有相同的模數(shù)和齒數(shù)的錐齒輪2和錐齒輪5轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)錐齒輪的傳動(dòng)原理可知，錐齒輪2和錐齒5具有相同的轉(zhuǎn)速，但轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。那么錐齒輪2和錐齒輪5可輸出具有等速對轉(zhuǎn)傳動(dòng)特性的轉(zhuǎn)速，因此可得到一種同軸對轉(zhuǎn)雙輸出的減速結(jié)構(gòu)，即輸出軸IV為實(shí)心軸，輸出軸V為空心軸，輸出軸IV和輸出軸V同心安裝，空套輸出軸V和輸出軸IV之間通過油膜潤滑。在此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了減少錐齒輪傳動(dòng)產(chǎn)生較大的震蕩，傳動(dòng)更平穩(wěn)，錐齒輪傳動(dòng)都采用對稱安裝，即錐齒輪3帶動(dòng)錐齒輪4和錐齒輪7轉(zhuǎn)動(dòng)，錐齒輪1帶動(dòng)錐齒輪2和錐齒輪5轉(zhuǎn)動(dòng)。通過兩級減速傳動(dòng)，可將輸入軸I的動(dòng)力經(jīng)由錐齒輪分流轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)傳遞給輸出軸IV和輸出軸V，并且兩個(gè)輸出軸具有同軸等速對轉(zhuǎn)雙輸出的傳動(dòng)特性。

同軸對轉(zhuǎn)輸出圓錐齒輪減速器主要是通過錐齒輪的分流轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，對于軸交角ε=90°的直齒錐齒輪傳動(dòng)，其傳動(dòng)比為i=z1/z2。根據(jù)錐齒輪傳動(dòng)比計(jì)算方法，該減速器傳動(dòng)比推導(dǎo)過程如下：

(1)

(2)

(3)

式中：z1為錐齒輪1的齒數(shù)；z2為錐齒輪2的齒數(shù)；z3為錐齒輪3的齒數(shù)；z4為錐齒輪4的齒數(shù)。

通過分析該減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比的推導(dǎo)過程，在輸入轉(zhuǎn)速不變的條件下，可以根據(jù)不同的輸出要求調(diào)整連接齒輪的齒數(shù)，從而調(diào)整輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及功率。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一種同軸對轉(zhuǎn)輸出圓錐齒輪減速器，包括內(nèi)箱體和外箱體，內(nèi)箱體內(nèi)設(shè)有二級減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，外箱體內(nèi)設(shè)有一級減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；一級減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為錐齒輪分流換向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，二級減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為錐齒輪分流換向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

一級減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括錐齒輪I、錐齒輪II、錐齒輪III和一級輸入軸、一級減速軸I、一級減速軸II，錐齒輪I和一級輸入軸之間的周向固定采用鍵I連接，錐齒輪I的左側(cè)設(shè)有套筒I、右側(cè)設(shè)有彈性擋圈I以實(shí)現(xiàn)一級輸入軸與錐齒輪I之間的軸向定位，一級輸入軸的懸臂梁與外箱體之間設(shè)有支撐軸承；錐齒輪II和一級減速軸I之間的周向固定采用鍵II連接，錐齒輪II的左側(cè)設(shè)有套筒II、右側(cè)設(shè)有臺(tái)階軸以實(shí)現(xiàn)一級減速軸I與錐齒輪II之間的軸向定位，一級減速軸I的懸臂梁與外箱體之間設(shè)有支撐軸承；錐齒輪III與一級減速軸II之間的連接定位同錐齒輪II與一級減速軸I的相關(guān)定位方式相同。

圖2 新型同軸對轉(zhuǎn)輸出圓錐齒輪減速器結(jié)構(gòu)圖1.輸入錐齒輪I 2.套筒I 3.一級輸入軸 4.鍵I 5.彈性擋圈I 6.錐齒輪III 7.套筒III 8.錐齒輪IV 9.螺栓鎖緊擋圈 10.一級減速軸II 11.鍵II 12.套筒IV 13.錐齒輪V 14.彈性擋圈II 15.錐齒輪VI 16.套筒 17.輸出軸 18.空心輸出軸1..一級減速軸I 20.套筒II 21.錐齒輪VII 22.錐齒輪II 23.外箱體 24.內(nèi)箱體

二級減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括錐齒輪IV、錐齒輪V、錐齒輪VI、錐齒輪VII、一級減速軸II和一級減速軸I、空心輸出軸I和輸出軸II；錐齒輪IV和輸出軸II之間的周向固定采用花鍵連接，錐齒輪IV的左側(cè)設(shè)有套筒III、右側(cè)設(shè)有螺釘鎖緊擋圈以實(shí)現(xiàn)錐齒輪IV和輸出軸II的軸向定位；錐齒輪V和一級減速軸II之間的周向固定采用鍵連接，錐齒輪V的左側(cè)設(shè)有套筒IV、右側(cè)設(shè)有彈性擋圈II以實(shí)現(xiàn)錐齒輪V和一級減速軸II的軸向定位；錐齒輪VI和空心輸出軸I之間的周向定位采用鍵連接，錐齒輪VI右側(cè)設(shè)有套筒、左側(cè)與空心輸出軸II之間設(shè)有螺栓連接，錐齒輪VII和一級減速軸I之間的連接定位同錐齒輪V和一級減速軸的相關(guān)定位方式相同。

外箱體由上箱體和下箱體構(gòu)成；內(nèi)箱體是由上箱體和下箱體構(gòu)成，由外箱體的支撐肋連接下箱體。

3 三維實(shí)體建模

利用UG軟件對各錐齒輪、輸入軸、減速軸和上下箱體等零件進(jìn)行三維實(shí)體建模；進(jìn)而添加各種約束進(jìn)行整機(jī)裝配，建立該減速器的三維實(shí)體模型，如圖3和圖4所示。

圖3 減速器三維裝配模型

圖4 減速器爆炸圖

4 運(yùn)動(dòng)仿真

將部分零件隱藏后將三維實(shí)體導(dǎo)入Adams軟件中進(jìn)行仿真分析。同軸對轉(zhuǎn)輸出圓錐齒輪減速器虛擬樣機(jī)的主要約束添加有：輸入軸與大地之間的1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，2個(gè)輸出軸與大地之間的2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，相互嚙合兩齒輪之間的6個(gè)接觸副，齒輪與軸之間的7個(gè)固定副。約束添加后，設(shè)置仿真參數(shù)，給輸入軸添加6 000 (°)/s的轉(zhuǎn)速，運(yùn)動(dòng)類型為dynamic，時(shí)間為0.5 s，步長大小為0.001，進(jìn)行仿真計(jì)算。

為驗(yàn)證該減速器模型的正確性，將錐齒輪齒數(shù)z1=17，z2=51，z3=36，z4=108，帶入公式(3)得到傳動(dòng)比的理論計(jì)算值i1=9,i2=-9。

圖5所示為該減速器輸出軸和的空心輸出軸角速度圖。可測得輸出軸的角速度的平均值為662.0498 (°)/s，空心輸出軸的角速度平均值為-660.9397 (°)/s；輸出軸的角速度為正，其轉(zhuǎn)向與輸入軸轉(zhuǎn)向相同，空心輸出軸的角速度為負(fù)，其轉(zhuǎn)向與輸入軸轉(zhuǎn)向相反。

根據(jù)仿真結(jié)果，可計(jì)算實(shí)際傳動(dòng)比為:

(4)

(5)

實(shí)際傳動(dòng)比與理論值相差不大，證明了該模型傳動(dòng)原理的正確性。

圖5 輸出軸和空心輸出軸角速度

由圖可看出兩個(gè)輸出軸的角速度曲線在其平均值附近上下波動(dòng)，表示兩個(gè)輸出軸作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。軸的角速度開始時(shí)先加速，隨著時(shí)間的增加而趨于平穩(wěn)，這是由于當(dāng)兩個(gè)錐齒輪在嚙合傳動(dòng)時(shí)，由于嚙合齒間存在間隙和摩擦，產(chǎn)生一定程度的震蕩，使得角速度在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。

5 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種新型同軸對轉(zhuǎn)輸出圓錐齒輪減速器，通過對于虛擬樣機(jī)模型的仿真分析，可得到輸出軸和空心輸出軸的輸出角速度與理論值相差不大，說明該減速器能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定的傳動(dòng)比設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了該減速器模型的正確。