行星減速器機(jī)械效率影響因素分析

行星減速機(jī)

摘   要：微型行星減速器是新型機(jī)電產(chǎn)品，近年來發(fā)展迅速，國內(nèi)外市場的需求也不斷增大。提高微型減速器的機(jī)械效率對減速器的應(yīng)用至關(guān)重要。傳動比是影響微型減速器機(jī)械效率的重要因素，選擇合適的傳動級數(shù)、合理分配各級傳動比能夠較好地保證機(jī)械效率；良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠較好地兼顧載荷與效率的關(guān)系；微型減速器的材料類型多樣，針對不同材料的特點(diǎn)合理選擇可以減少摩擦磨損，提高機(jī)械效率。

關(guān)鍵詞：行星減速器；機(jī)械效率；傳動比；結(jié)構(gòu)設(shè)計；工程塑料；粉末冶金材料

0  引言

減速器是機(jī)器中常用的一種降速傳動裝置，用于原動機(jī)和執(zhí)行裝置之間將原動機(jī)的速度轉(zhuǎn)換為工作機(jī)所需要的轉(zhuǎn)速。行星減速器是一種大傳動比的減速器，由一系列齒輪組成，由于產(chǎn)品類型多，結(jié)構(gòu)緊湊，其應(yīng)用日益廣泛，可以作為轉(zhuǎn)矩放大器，用于機(jī)器人的手臂。在各種伺服控制系統(tǒng)中，行星減速器也得到普遍應(yīng)用。隨著微型機(jī)械的發(fā)展和應(yīng)用，微型行星減速器的發(fā)展非常迅猛。微型減速器廣泛應(yīng)用于智能教學(xué)設(shè)備、醫(yī)療器械、航天航空、軌道交通、智能控制、儀器儀表、兵器裝備、動態(tài)廣告、石油化工、智能家居等各類場合。^[1]

機(jī)械效率是評價機(jī)器機(jī)械性能的重要參數(shù)，普通行星減速器的機(jī)械效率可以由經(jīng)驗(yàn)公式計算出來，效率比較高。與普通減速器相比，微型行星減速器種類多，傳動比范圍遠(yuǎn)超過普通減速器。在結(jié)構(gòu)上，微型行星減速器的行星輪采用多個對稱布置，與普通減速器相比兩者結(jié)構(gòu)差異大。在材料選擇上，普通減速器通常選用鋼材，行星減速器的材料有鋼材、鋁合金、粉末冶金材料、工程塑料等多種材料，因此，行星減速器與普通減速器的機(jī)械效率有很大差異。目前沒有很好的方法或經(jīng)驗(yàn)公式計算，機(jī)械效率通常由檢測設(shè)備測試得出。分析微型減速器機(jī)械效率的影響因素，可以為研究提高微型減速器機(jī)械效率的方法，提高產(chǎn)品質(zhì)量及改進(jìn)設(shè)計提供依據(jù)。微型減速器

1  行星減速器的組成和工作原理

行星減速器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，通常由中心輪、行星輪、行星架和機(jī)架組成。中心輪又稱太陽輪，軸線固定，定軸轉(zhuǎn)動。行星架軸線固定，一端定軸轉(zhuǎn)動，另一端連接行星輪，是行星輪的軸線。行星輪的運(yùn)動比較復(fù)雜，行星輪繞著自己的軸線自轉(zhuǎn)，同時，它的軸線繞著中心輪的軸線公轉(zhuǎn)。為了減小體積和質(zhì)量，微型減速器采用內(nèi)嚙合行星齒輪傳動。圖1為單級行星減速器組成原理圖，中心輪1為外齒輪，與行星輪2嚙合，中心輪3為內(nèi)齒輪，Ｈ是行星架，組成行星輪系。通常從齒輪1輸入傳動，從行星架H輸出傳動。^{[2]微型減速器}微型行星減速器通常采用多級傳動，單級行星輪的數(shù)目一般是2～4個。

圖1  行星減速器組成原理圖

2  行星減速器機(jī)械效率

機(jī)械效率是衡量減速器機(jī)器機(jī)械性能的一個重要指標(biāo)，它直接影響產(chǎn)品的使用性能、能源消耗和市場競爭力。普通減速器的機(jī)械效率可以通過公式計算得到。影響減速器機(jī)械效率的因素包括三個方面：(1)齒輪嚙合效率，它是由齒輪傳動時輪齒的摩擦磨損而產(chǎn)生的功率損失，是主要影響因素。(2)軸承效率，它是由滾動軸承的摩擦磨損而產(chǎn)生的功率損失。(3)液力損失效率，它是減速器采用油池潤滑時齒輪攪動潤滑油而產(chǎn)生的功率損失。軸承效率和液力損失效率比較高，影響不大。普通減速器效率比較高，通常在90％以上。但是，對于微型減速器而言，通常微型減速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，嚙合的齒輪數(shù)量一般是幾對到十幾對不等，嚙合效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通減速器。微型減速器中中心輪主軸采用滾動軸承，軸和行星架之間的摩擦磨損比較大，效率低于滾動軸承，受材料和精度的影響而變化，但是也沒有具體的數(shù)據(jù)可以參考。在微型行星齒輪傳動中，一些材料具有自潤滑性能，不會采用油池潤滑，所以，普通減速器機(jī)械效率計算公式無法使用。

至今仍無針對微型行星齒輪傳動計算的效率的公式或方法。微型行星減速器的機(jī)械效率通常是通過專門開發(fā)的微型減速器機(jī)械效率測試設(shè)備測定的，不同型號的微型行星減速器機(jī)械效率以實(shí)測為準(zhǔn)。微型減速器

3  微型行星減速器機(jī)械效率影響因素分析

3.1微型行星減速器的傳動比

微型行星齒輪傳動效率和傳動比有關(guān)，傳動效率值隨著傳動比i的變化而變化，通常傳動比越大，機(jī)械效率越低。在實(shí)際應(yīng)用中，特別是在機(jī)器人、智能設(shè)備中，需要行星減速器尺寸小、傳動比范圍大，通常采用多級行星減速器，如二級減速器、三級減速器和四級減速器等。對于多級行星減速器的傳動比計算，可以分別計算每一級的傳動比，比將每一級傳動比相乘即可得到總傳動。

微型減速器傳動比范圍大，單級減速器的傳動比范圍通常1:4～1:20，二級減速比范圍1:12～1:96，三級減速器速比范圍1:42～1:384，四級減速器速比可達(dá)1:126～1:1536。^[3]

微型減速器的機(jī)械效率隨傳動比的增加而減少。表1是某微型減速器生產(chǎn)廠家微型減速器的機(jī)械效率測試數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)中可以看到，減速器級數(shù)越多，傳動比越大，功率損失越多，機(jī)械效率越低。^[4]

表1  減速器傳動比與機(jī)械效率

精密行星減速機(jī)

多級減速器的傳動比是減速器每一級傳動比的連乘積，因此，每一級減速器速比的分配對減速器很重要，是總體設(shè)計的主要內(nèi)容。通常，高速級的第一級傳動選擇較大的傳動比，因?yàn)榈谝患壍霓D(zhuǎn)矩最小，后面的傳動比可以根據(jù)具體情況合理分配。微型減速器

3.2微型行星減速器的結(jié)構(gòu)

為提高承載能力，減速器的行星輪通常采用多個行星輪對稱布置，通常行星輪可以根據(jù)載荷的大小采用2個到4個不等，通常在微型減速器中較多采用3個或4個均布。如圖2(ａ)所示，行星減速器采用3×120°均布，(ｂ)所示行星減速器采用4×90°的結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

圖2  行星減速器行星輪布置

相應(yīng)的行星架也采用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖3所示。

圖3  行星減速器行星架的結(jié)構(gòu)

多個行星輪的使用分擔(dān)了載荷，提高了減速器的承載能力，但每增加一個行星輪，就增加一對齒輪嚙合，傳動效率就會下降。多級行星減速器為了結(jié)構(gòu)緊湊，通常共用內(nèi)齒輪，即大齒圈，同時作為內(nèi)齒輪也是減速器的外殼(機(jī)架)。以某型號二級微型減速器為例，圖4為某行星減速器組成結(jié)構(gòu)圖，共分為二級傳動，每一級均為內(nèi)嚙合行星齒輪傳動，第一級結(jié)構(gòu)有4個均布的行星齒輪，第二級結(jié)構(gòu)有3個均布的行星齒輪，二級傳動的內(nèi)齒輪通常做成一個零件，即二級行星傳動共用一個內(nèi)齒輪，便于加工和裝配。

圖4  行星減速器的結(jié)構(gòu)

伺服行星減速機(jī)

3.3行星減速器的材料選擇微型減速器

普通行星減速器的傳動零件齒輪、軸、軸承等主要選用鋼材承載能力強(qiáng)。齒輪潤滑方式采用油池潤滑，潤滑良好，傳動效率高。箱體采用鑄鐵。微型行星齒輪減速器的材料選擇標(biāo)準(zhǔn)要求既有行星齒輪傳動的結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、傳動比大等優(yōu)點(diǎn)，同時又具有極小的安裝和運(yùn)行空間可獲得較大的增加轉(zhuǎn)矩的功能，因此微型減速器傳動零件制造材料的選擇處于在不斷的研究和創(chuàng)新過程中。目前，常采用的材料有鋼材、粉末冶金材料、工程塑料和鋁合金等。微型減速器傳動零件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了減輕重量、減小摩擦磨損和噪音、提高減速器性能，在同一減速器中，不同類型的零件可以選擇不同的材料；相同的零件，比如齒輪，也可以選擇不同的材料。許多新材料應(yīng)用于微型減速器傳動零件的制造。

微型行星減速器中的內(nèi)齒輪通常選用工程塑料制造。工程塑料強(qiáng)度高、穩(wěn)定性優(yōu)越、耐熱性良好，可以自潤滑，在微型行星減速器中應(yīng)用較多。微型減速器內(nèi)齒圈通常選工程塑料PA66。PA66是一種熔點(diǎn)較高的聚酰胺，屬于一種半晶體－晶體材料，在較高溫度也能保持較強(qiáng)的強(qiáng)度和剛度。^{[5]微型減速器}PA66塑料的粘性較低，流動性很好，可以用來加工薄壁的元件。內(nèi)齒圈采用共用結(jié)構(gòu)，為了分擔(dān)載荷，微型減速器的每一級行星傳動均采用三個或四個均勻分布的行星齒輪對稱布置組成。減速器中的行星輪也可以選用工程塑料制造，常用的材料有工程塑料聚甲醛POM和工程用熱塑性彈性體等。POM是一種高結(jié)晶聚合物，具有表面光滑、有光澤、吸水性小、尺寸穩(wěn)定、耐磨、強(qiáng)度高、自潤滑性好、著色性好、耐油、耐過氧化物等特點(diǎn)。POM具有較好的綜合性能，在熱塑性塑料中是最堅硬的，是塑膠原料中力學(xué)性能最接近金屬的品種之一，其抗張強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、耐疲勞強(qiáng)度、耐磨性和電性能都十分優(yōu)良。

熱塑性彈性體是一種高強(qiáng)度、高性能的材料。它的彈性和強(qiáng)度可恢復(fù)程度比較好，具有非常好的動力學(xué)性能。經(jīng)過合理設(shè)計的部件在承受反復(fù)的拉伸和壓縮后，可以承受數(shù)百萬次彎曲循環(huán)，抗沖擊強(qiáng)度高，即使在低溫下也具有很好的韌性。^[6]

行星輪還可以選用粉末冶金材料制造。粉末冶金材料又稱燒結(jié)減摩材料，由球狀或不規(guī)則形狀的金屬或合金粉末經(jīng)成型、燒結(jié)制成。材料內(nèi)部孔道縱橫交錯、互相貫通，通過在材料孔隙中浸潤滑，具有自潤滑性能。^[7]粉末冶金材料表面間的摩擦系數(shù)小，在有限潤滑油條件下使用壽命長、可靠性高，是一種較好的行星輪材料。

鋁合金按鋁合金具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、流動性好、耐蝕性好、熔點(diǎn)低等特點(diǎn)，可以用來制造減速器的行星架。為了保證機(jī)械精度和表面質(zhì)量，行星架采用鋁合金壓鑄成型。表2為某三級行星減速器材料，可以看到三級傳動中的齒輪選擇材料的多樣性。一、二級傳動處在較高速端，轉(zhuǎn)矩較小，行星輪可采用不同的工程塑料材料；三級傳動轉(zhuǎn)矩大，載荷大，選用粉末冶金制造。太陽輪1材料選擇各不相同，一級太陽輪選用鋼制連軸齒輪，二級太陽輪用鋁合金，三級傳動太陽輪采用粉末冶金制造。表2為某型號三級行星減速器設(shè)計中的主要零件材料選擇的具體情況。微型減速器

表2  某型號三級行星減速器材料

4  結(jié)語

影響微型行星減速器機(jī)械效率的因素比較多，在生產(chǎn)實(shí)踐中，我們可以通過選擇合適的傳動比，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高減速器的承載能力，同時兼顧機(jī)械提高。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，微型減速器材料的選擇范圍不斷擴(kuò)大，選擇更加合適的材料，可以有效地提高減速器的機(jī)械效率。除此之外，齒輪的精度等級、太陽輪與軸的定位于固定方式、行星輪與行星架的安裝與配合等因素也會影響微型減速器的機(jī)械效率。提高微型減速器的機(jī)械效率，可以減少功率損失，減輕傳動零件的摩擦和磨損，減少減速器工作時的發(fā)熱與溫升。提高機(jī)器的機(jī)械性能和使用壽命具有重要意義，值得我們在實(shí)踐中不斷地進(jìn)行探索和研究。微型減速器