齒輪消隙機(jī)構(gòu)的技術(shù)綜述

莊秀華

摘 要： 本文通過對(duì)齒輪消隙機(jī)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠墨I(xiàn)進(jìn)行分析，從中國、國外的專利申請(qǐng)量、申請(qǐng)人的分布等多方面統(tǒng)計(jì)分析，分析了齒輪消隙機(jī)構(gòu)有關(guān)專利申請(qǐng)的發(fā)展歷程，闡述了該技術(shù)領(lǐng)域的主要技術(shù)路線、技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)和趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞： 齒輪；消隙；專利

一、引言

齒輪傳動(dòng)是傳動(dòng)系統(tǒng)中最常見是的一種機(jī)械傳動(dòng)，是傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的一種主要形式，是傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部件。機(jī)構(gòu)傳動(dòng)過程中，齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)都有傳動(dòng)副側(cè)隙存在，側(cè)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(cè)隙同時(shí)又給機(jī)構(gòu)在反轉(zhuǎn)時(shí)帶來空程，使機(jī)構(gòu)不能準(zhǔn)確定位。機(jī)構(gòu)工作過程中，不可避免地會(huì)將上述由輪齒側(cè)隙產(chǎn)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(chǎng)合，必須采用合適的誤差調(diào)整方法，以控制誤差量，提高傳動(dòng)精度，達(dá)到更好的運(yùn)行效果。為了減少或消除側(cè)隙給機(jī)構(gòu)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(dòng)精度的瓶頸技術(shù)，消除齒隙對(duì)傳動(dòng)精度的影響是新型精密齒輪傳動(dòng)方式探索和研究的主要目標(biāo)和發(fā)展的趨勢(shì)。

二、齒輪消隙機(jī)構(gòu)的專利文獻(xiàn)分析

（1）申請(qǐng)的地域分布

專利申請(qǐng)的地域分布可以反映出企業(yè)的產(chǎn)品市場(chǎng)重心特征。對(duì)齒輪消隙機(jī)構(gòu)的專利申請(qǐng)的所在國家和地區(qū)分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以看出，有關(guān)齒隙消除機(jī)構(gòu)的專利申請(qǐng)主要集中在日本、中國、美國和德國，這四個(gè)國家占據(jù)了所有專利申請(qǐng)的近80%?？梢钥吹降氖牵@四個(gè)國家也是目前全球最大的機(jī)械制造生產(chǎn)地區(qū)。值得注意的是，雖然我國在技術(shù)發(fā)展上與日本還存在著差距，但是我國對(duì)齒輪間隙的消除機(jī)構(gòu)的研究緊跟世界的步伐，并沒有落后，這說明我國對(duì)消除齒輪間隙的影響非常重視。同時(shí)隨著中國的專利制度不斷完善，各國企業(yè)都積極在中國進(jìn)行專利技術(shù)保護(hù)，試圖占領(lǐng)中國的技術(shù)市場(chǎng)。

（2）申請(qǐng)量年度分布

本文在中國專利文摘數(shù)據(jù)庫（CNABS）和外文虛擬庫（VEN）中以選取的分類號(hào)進(jìn)行檢索，檢索對(duì)象限定在全球公開日或公告日在2015年之前的發(fā)明和實(shí)用新型專利申請(qǐng)，并對(duì)檢索結(jié)果進(jìn)行分析。

在中國，齒輪消隙機(jī)構(gòu)專利申請(qǐng)量一直呈上升趨勢(shì)。專利申請(qǐng)起始于1989年，一直到2006年都處于相對(duì)低的水平，申請(qǐng)量較少，可以理解為技術(shù)起步階段；在2006年后，專利申請(qǐng)量有了穩(wěn)步上升，這種上升趨勢(shì)一直到今，這期間是齒輪消隙機(jī)構(gòu)技術(shù)的平穩(wěn)發(fā)展期。對(duì)于外國申請(qǐng)，齒輪消隙機(jī)構(gòu)技術(shù)專利申請(qǐng)始于1904年，從1904年到1989年都處于相對(duì)低的水平，申請(qǐng)量較少，從圖中可以看出，在1989年至今，外國專利申請(qǐng)量變化不大，但是每年的申請(qǐng)量都比較多，齒輪消隙機(jī)構(gòu)技術(shù)不斷發(fā)展。中國與國外相比，中國國內(nèi)企業(yè)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(nèi)申請(qǐng)數(shù)量一直平穩(wěn)較快地增長(zhǎng)，這說明齒輪消隙技術(shù)越來越受到中國企業(yè)的重視。

（3）主要申請(qǐng)人統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)關(guān)于齒輪消隙技術(shù)的專利申請(qǐng)利用索引PA對(duì)專利申請(qǐng)的申請(qǐng)人進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以看出，日本的企業(yè)在齒輪消隙技術(shù)領(lǐng)域的專利申請(qǐng)最多。其中，日本的豐田自動(dòng)車株式會(huì)社位居首位。而且排在前五的都是日本企業(yè)，這說明日本對(duì)齒輪消隙技術(shù)比較重視，研究比較深入，遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其他國家。中國與其他國家相比，在該領(lǐng)域還存在很大的差距。

三、齒隙消除機(jī)構(gòu)的技術(shù)路線、技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)和趨勢(shì)

二十世紀(jì)初人們開始對(duì)含齒隙的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行深入的研究，至今仍然倍受關(guān)注。隨著人們對(duì)消除齒輪間隙技術(shù)的不斷研究，齒輪消隙技術(shù)從剛開始的機(jī)械消隙慢慢發(fā)展為電控消隙，從改變齒輪的齒的結(jié)構(gòu)、采用雙聯(lián)齒輪來消隙慢慢發(fā)展為采用伺服電機(jī)來消隙，齒輪消隙技術(shù)得到不斷的發(fā)展，消隙方法變得越來越簡(jiǎn)單化，自動(dòng)化，達(dá)到的效果越來越好，提高了齒輪傳動(dòng)的精密度，降低了齒輪的磨損和傳動(dòng)過程中產(chǎn)生的噪音。下面結(jié)合專利對(duì)齒隙消除機(jī)構(gòu)的技術(shù)路線、技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)和趨勢(shì)作個(gè)簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)來達(dá)到消除間隙的目的，最常見的是變齒厚斜齒輪傳動(dòng)，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(diào)整嚙合齒輪副兩齒輪在軸向的相對(duì)位置即可達(dá)到消除齒側(cè)間隙的目的，此外，通過在兩齒輪之間設(shè)置一粗糙接觸面的齒輪傳動(dòng)裝置，利用兩傳動(dòng)齒輪之間的粗糙接觸面所產(chǎn)生的摩擦阻尼效果，降低齒輪在傳動(dòng)時(shí)因齒隙所發(fā)生的震動(dòng)現(xiàn)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(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但安裝調(diào)整不方便且不能自動(dòng)調(diào)整安裝位置，因此在傳動(dòng)過程中，仍有可能出現(xiàn)輪齒側(cè)隙或輪齒嚙合漲緊現(xiàn)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(hù)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(lián)齒輪消隙方法應(yīng)運(yùn)而生。

雙聯(lián)齒輪消隙的工作原理是通過雙齒輪一起與另外一個(gè)齒輪嚙合，雙齒輪之間通過彈簧等類似結(jié)構(gòu)相連，通過雙齒輪產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，使雙齒輪的輪齒錯(cuò)位，從而達(dá)到消除齒側(cè)間隙的目的。這種錯(cuò)齒調(diào)間隙機(jī)構(gòu)的齒側(cè)間隙可自動(dòng)補(bǔ)償，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，更為重要的是，在負(fù)載的作用下不可逆向運(yùn)動(dòng)，因此雙齒輪消隙結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用在齒輪傳動(dòng)副的消隙上。一些精密設(shè)備的旋轉(zhuǎn)臺(tái)就是通過這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行消隙。同時(shí)，也可將其推廣到蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)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(dòng)系統(tǒng)間隙的靜態(tài)誤差，但在高精度快速隨動(dòng)系統(tǒng)中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載頻繁換向，即使釆用機(jī)械消隙措施仍難以克服間隙造成的瞬態(tài)誤差。另外，機(jī)械消隙方法增加了機(jī)械設(shè)備的復(fù)雜性，并且隨著工作時(shí)間的增加，機(jī)械可靠性降低。

隨著非線性控制理論等的發(fā)展以及對(duì)齒隙非線性機(jī)理研究的不斷深入，從控制角度入手以達(dá)到消除齒隙目的方法不斷出現(xiàn)。雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一種新穎可靠的機(jī)電傳動(dòng)方式，正逐漸廣泛應(yīng)用于高精度設(shè)備中。雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)消除間隙的原理是：用相同的兩臺(tái)電機(jī)分別帶動(dòng)兩套完全相同的減速機(jī)構(gòu)，再由兩減速機(jī)構(gòu)的輸出小齒輪帶動(dòng)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)主齒輪傳動(dòng)；通過電氣控制，使主齒輪在起動(dòng)和換向過程中始終受到偏置力矩的作用——兩個(gè)輸出小齒輪分別貼在主齒輪的兩個(gè)相反的嚙合面，使主齒輪不能在齒輪間隙中來回?cái)[動(dòng)，從而達(dá)到消除間隙，提高系統(tǒng)精度的目的。雙電機(jī)系統(tǒng)改變以往傳統(tǒng)的單電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，電機(jī)多釆用對(duì)稱方式布置在輸出終端，通過合理控制兩臺(tái)電機(jī)的輸出力矩達(dá)到可靠消除傳動(dòng)間隙的目的。

四、總結(jié)

綜上所述，本文通過對(duì)齒輪消隙方法的專利文獻(xiàn)進(jìn)行分析和整理，對(duì)齒輪消隙方法的技術(shù)發(fā)展路線和趨勢(shì)有了大體的了解，這對(duì)于該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)的審查工作而言具有很大幫助?！?/p>

參考文獻(xiàn)

[1] 謝峰 機(jī)構(gòu)消隙的方法及應(yīng)用.中船重工第七一三研究所，2011.

[2] 劉琴琴 新型齒輪自動(dòng)消隙機(jī)構(gòu)的研究. [西華大學(xué)碩士學(xué)位論文]，2011.

[3] 孫龍飛 雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)特性及消隙控制方法研究. [東北大學(xué)碩士學(xué)位論文]，2012.