提高NGWN型行星輪用于電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的效率

唐曉峰，李杏萍，唐其忠

（肯佐控制設(shè)備（上海）有限公司，上海 201700）

0 引言

行星輪傳動(dòng)按照齒輪嚙合方式劃分有NGW型、NW型、NN型、WW型、NGWN型、N型等[1]。行星輪系用于電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中也是由來已久，最早全國聯(lián)合設(shè)計(jì)的DDZ、DKJ系列電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)就是采用的少齒差N型行星輪結(jié)構(gòu)，德國的PS系列電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用的是NGWN型行星輪結(jié)構(gòu)，本公司的IKJQ、KZQ精小型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)也采用NGWN型行星輪結(jié)構(gòu)。但因?yàn)槠浼庸ぞ纫约肮に囆暂^差，所以實(shí)際行星輪傳動(dòng)在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中運(yùn)用的效率遠(yuǎn)比理論效率低很多。如何提高行星輪傳動(dòng)在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的效率對(duì)我們來說也是一個(gè)有意義的課題，這里主要分析本公司精小型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用的NGWN型行星輪結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)效率問題，并提出如何提高傳動(dòng)效率。

1 行星輪傳動(dòng)的原理和特點(diǎn)

行星輪傳動(dòng)既具有功率分流，又具有旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)特點(diǎn)[2]。通過配合內(nèi)嚙合齒輪，其相對(duì)常規(guī)齒輪傳動(dòng)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，如整體機(jī)構(gòu)連接緊密，負(fù)載承受能力強(qiáng)，傳動(dòng)效率高，運(yùn)行穩(wěn)定，應(yīng)用場(chǎng)合廣。因此，行星輪傳動(dòng)在各行業(yè)中得到了非常廣泛的應(yīng)用。目前，行星輪傳動(dòng)在整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上取得了較好的成績(jī)，其中最大的成績(jī)是成功平均分布了載荷，有效解決了因載荷分配不平均而產(chǎn)生的各種問題，使各個(gè)行星輪之間的傳動(dòng)日趨完善，運(yùn)行可靠性更加增強(qiáng)。

1.1 行星輪傳動(dòng)原理

行星輪傳動(dòng)其實(shí)就是常規(guī)齒輪傳動(dòng)的一種特殊形式，它有一個(gè)定軸線的齒輪叫太陽輪或者叫中心輪。在太陽輪邊上有環(huán)繞的幾個(gè)行星輪，其既作為自身軸線自轉(zhuǎn)，又可在內(nèi)齒輪內(nèi)部做公轉(zhuǎn)。安裝行星輪的支架叫行星架，因?yàn)樾行羌芘c行星齒輪的連接關(guān)系將動(dòng)力傳輸?shù)捷敵鲚S上，再傳遞給其他需要被執(zhí)行單元上。它們一般由一組若干外齒輪和內(nèi)齒輪組成一個(gè)傳動(dòng)輪系，這種周轉(zhuǎn)輪系稱為行星輪系。

1.2 行星輪傳動(dòng)特點(diǎn)

行星輪傳動(dòng)與普通定軸齒輪傳動(dòng)相比較，它具有多方面的特點(diǎn)。其最顯著的特點(diǎn)是：可現(xiàn)實(shí)動(dòng)力的分流作用；同時(shí)，其輸出軸和輸入軸在同一軸線位置上，更方便實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)、負(fù)載的均配以及傳動(dòng)的平穩(wěn)性[3]。

◆ 體積小，重量輕，整體機(jī)構(gòu)連接緊密，負(fù)載承受能力強(qiáng)：因?yàn)樾行禽唫鲃?dòng)具有動(dòng)力分流的特點(diǎn)，所以其結(jié)構(gòu)非常緊湊，可以利用均布的多個(gè)行星輪來共同分擔(dān)傳動(dòng)中的負(fù)載，所以這些齒輪可以使用較小的模數(shù)亦能達(dá)到使用的強(qiáng)度需求。

◆ 傳動(dòng)效率較高：由于行星輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)比較對(duì)稱，均布輪系之間的作用力可以互相平衡，更加有利于提高傳動(dòng)過程中的效率。在傳動(dòng)比選擇合理，加工安裝符合要求，負(fù)載穩(wěn)定的情況下，行星輪理論傳動(dòng)效率最高可達(dá)99%。

◆ 相同體積下?lián)碛懈蟮膫鲃?dòng)比：可以用較少的幾個(gè)齒輪獲得更大的減速比。

◆ 運(yùn)行平穩(wěn)、抗沖擊和振動(dòng)的能力強(qiáng)：由于行星輪的布置一般比較均勻，可使行星輪運(yùn)行中各齒輪之間的力相互平衡，所以其不易產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)，工作更加穩(wěn)定可靠。

在傳動(dòng)齒輪的材質(zhì)、加工精度、安裝配置和工作條件等相同的情況下，行星輪傳動(dòng)相比常規(guī)齒輪傳動(dòng)具有整體機(jī)構(gòu)連接緊密，負(fù)載承受能力強(qiáng)，體積小，重量輕，傳動(dòng)效率高，運(yùn)行穩(wěn)定，應(yīng)用場(chǎng)合廣等優(yōu)點(diǎn)。目前，行星輪傳動(dòng)的技術(shù)研究方向主要體現(xiàn)在這幾方面[4]：

1） 動(dòng)態(tài)特性研究：考慮行星輪傳動(dòng)各個(gè)構(gòu)件間運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)研究、傳動(dòng)精度、傳動(dòng)效率、震動(dòng)、噪音等。

選取2015年10月—2018年10月我院進(jìn)行治療的肝膽病變中盲選46例作為納入本次研究之中，男與女之比為27：19，年齡25歲～83歲，平均年齡為（57.18±6.39）歲。本次參與研究的患者均接受1.5T磁共振平掃聯(lián)合增強(qiáng)掃描。患者均接受了超聲、CT、典型影像學(xué)表現(xiàn)、臨床資料以及隨訪相結(jié)合，最終確診為肝臟病變性質(zhì)。

2） 均布載荷機(jī)構(gòu)的研制：均布載荷的類型有多種多樣，對(duì)行星輪傳動(dòng)的均布載荷的動(dòng)力特性和均載性能進(jìn)行系統(tǒng)、全面的研究，從而找出適合的均載方案，可以更好地完善行星輪傳動(dòng)。

3） 標(biāo)準(zhǔn)化、多種類：目前有數(shù)10種行星輪傳動(dòng)系列，但為適應(yīng)多種行業(yè)的各種需要，依舊需要更多、更完善的行星輪傳動(dòng)方案出現(xiàn)。

4） 行星輪傳動(dòng)齒面的硬度、齒形精度也變得越來越高：齒面有合理硬度、齒面加工精度高的齒輪，不僅可以提高傳動(dòng)的承載能力，使整機(jī)機(jī)構(gòu)能夠進(jìn)一步減小，從而實(shí)現(xiàn)低成本設(shè)計(jì)，還能提高整體傳動(dòng)的效率。

5） 高速度、大功率：因?yàn)樾行禽唫鲃?dòng)能實(shí)現(xiàn)均載，所以其在高速狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)更平穩(wěn)，可以傳遞的功率更大，具有定軸輪傳動(dòng)無法實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。

6） 大規(guī)格、大轉(zhuǎn)矩：在一些大功率傳動(dòng)產(chǎn)品方面，行星輪傳動(dòng)具有更高的經(jīng)濟(jì)比。

7） 低噪音、低振動(dòng)：降低行星齒輪傳動(dòng)的噪音，提高傳動(dòng)過程的平穩(wěn)性，可以應(yīng)用到更多場(chǎng)合，也是研究的一個(gè)方向。

當(dāng)減速機(jī)構(gòu)的輸出傳動(dòng)比需求很大時(shí)，采用單級(jí)齒輪傳動(dòng)一般很難實(shí)現(xiàn)，而采用多級(jí)齒輪傳動(dòng)雖然可實(shí)現(xiàn)大傳動(dòng)比，但體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障點(diǎn)多、傳動(dòng)效率影響大。而采用行星輪傳動(dòng)則只需要少數(shù)幾個(gè)外齒輪和內(nèi)齒輪便可獲得較大的傳動(dòng)比，且結(jié)構(gòu)十分緊湊、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪音低、效率高。

2 行星輪傳動(dòng)的條件

針對(duì)行星輪傳動(dòng)的諸多特點(diǎn)，本公司開發(fā)精小型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)，首先想到并使用的就是行星輪傳動(dòng)作為主傳動(dòng)，理論上可以利用更輕的重力和更小的體積達(dá)到產(chǎn)品的使用需求。

圖1為本公司精小型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，其采用的是NGWN型行星輪傳動(dòng)方式。該機(jī)構(gòu)擁有兩個(gè)自由度，太陽輪a為傳動(dòng)輸入時(shí)，內(nèi)齒輪b和輸出內(nèi)齒輪e為傳動(dòng)輸出。電動(dòng)工作狀態(tài)時(shí)，內(nèi)齒輪b由于蝸輪蝸桿的自鎖而保持不動(dòng)，動(dòng)力傳遞最后由輸出內(nèi)齒輪e輸出[5]。

圖1 NGWN行星輪傳動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of NGWN planetary gear transmission

2.1 傳動(dòng)比條件

電動(dòng)狀態(tài)時(shí)內(nèi)齒輪b固定，太陽輪a為主動(dòng)齒輪，內(nèi)齒輪e作為最終輸出部件并帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)行，本課題設(shè)計(jì)輸出傳動(dòng)比為135。手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，中心路a保持不動(dòng)，手輪轉(zhuǎn)動(dòng)蝸桿G帶動(dòng)內(nèi)齒輪b轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)齒輪e仍然作為最終輸出部件傳遞輸出力矩。手動(dòng)狀態(tài)對(duì)傳動(dòng)效率不敏感，本文只討論電動(dòng)狀態(tài)時(shí)如何提高傳動(dòng)效率。

2.2 同心條件

由圖1可知，3個(gè)基本部件齒輪a、b、e的旋轉(zhuǎn)軸線必須重合于主軸線，即由太陽輪、行星輪組及內(nèi)齒輪的實(shí)際配合中心距必須相等。通過計(jì)算選擇合適的齒數(shù)和模數(shù)，使其滿足同心條件的要求，才能使行星輪傳動(dòng)正常運(yùn)行。

2.3 裝配條件

保證各行星輪能均布地安裝于太陽輪和內(nèi)齒輪之間，并且與這兩個(gè)齒輪嚙合良好沒有錯(cuò)位現(xiàn)象，其也是對(duì)工藝和裝配要求相對(duì)較高的條件。同樣的設(shè)計(jì)，加工工藝和裝配條件不同，對(duì)產(chǎn)品最后的輸出效率會(huì)有較大的影響，本課題也是主要從此方面優(yōu)化來提高行星輪傳動(dòng)效率。

2.4 鄰接條件

在傳遞動(dòng)力時(shí)，行星輪數(shù)目越多越容易發(fā)揮行星輪的優(yōu)點(diǎn)，承載能力也會(huì)越大。但行星輪數(shù)目的增加會(huì)很難實(shí)現(xiàn)均勻分布載荷，而且由于鄰接條件的限制會(huì)減小傳動(dòng)比的范圍，采用3個(gè)行星輪的設(shè)計(jì)是目前較多見的，其既滿足產(chǎn)品傳動(dòng)需要，又可減小設(shè)計(jì)難度和加工難度。

設(shè)計(jì)行星輪傳動(dòng)除了需要滿足以上幾點(diǎn)要求外，還需滿足其他一些附加條件。例如，嚙合齒輪的齒數(shù)最好沒有公約數(shù)以此降低重復(fù)嚙合而導(dǎo)致的磨損；齒面硬度需滿足帶載長(zhǎng)運(yùn)運(yùn)行是強(qiáng)度和壽命滿足要求；配齒數(shù)決定減速比和產(chǎn)品外形尺寸；加工精度既影響傳動(dòng)效率又影響整機(jī)的控制精度，各方面都達(dá)到一定的要求才能提高整套產(chǎn)品的使用強(qiáng)度和效率[6]。

以上這些都會(huì)對(duì)產(chǎn)品傳動(dòng)的效率和強(qiáng)度產(chǎn)生影響，主要就是從這幾點(diǎn)出發(fā)，發(fā)現(xiàn)并解決了NGWN型行星輪結(jié)構(gòu)用于本公司精小型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中效率較低的問題[7]，同時(shí)也提升了產(chǎn)品的整體強(qiáng)度和使用壽命。

3 影響傳動(dòng)效率的主要因素

實(shí)際精小型產(chǎn)品的行星輪傳動(dòng)效率與理論值相差太多，行星齒輪傳動(dòng)效率主要由嚙合效率、軸承效率和潤滑攪動(dòng)飛濺效率組成。此產(chǎn)品的行星輪結(jié)構(gòu)減速比為135。理論傳動(dòng)效率應(yīng)該在70%左右，但初始設(shè)計(jì)時(shí)實(shí)際測(cè)試效率只有30%左右，遠(yuǎn)低于理論值，無法滿足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。

3.1 加工精度及熱處理

行星輪系中的齒輪加工精度一般要求達(dá)到7級(jí)精度，但因?yàn)楸竟君X輪加工設(shè)備不夠先進(jìn)，實(shí)際加工后零部件無法達(dá)到應(yīng)有的精度等級(jí)。另外，為了保證能長(zhǎng)時(shí)間的帶負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)，齒輪齒面必須有一定的硬度，所以齒形加工完后需要進(jìn)行熱處理，熱處理后齒形不可避免地會(huì)發(fā)生形變。這種形變會(huì)導(dǎo)致各齒間處于不良嚙合狀態(tài)，而電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的齒輪又不會(huì)進(jìn)行“跑合”處理，所以這些對(duì)整體機(jī)構(gòu)的效率影響很大[8]。

3.2 結(jié)構(gòu)與安裝形式

本公司的NGWN型行星輪原結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 原NGWN行星輪結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of the original NGWN planetary gear

行星架浮動(dòng)于機(jī)構(gòu)中，主要靠太陽輪a和內(nèi)齒輪b、輸出內(nèi)齒輪e的嚙合去保證它的同心。但實(shí)際使用中，因?yàn)辇X側(cè)間隙的存在，行星架H并不一定在中心位置，以及在側(cè)裝時(shí)因?yàn)橹亓Φ年P(guān)系，行星架H也會(huì)始終偏向一邊，從而導(dǎo)致太陽輪a與行星輪c、d，行星輪c、d與內(nèi)齒輪b、輸出內(nèi)齒輪e的嚙合不均勻，嚴(yán)重影響齒輪的傳動(dòng)效率，并且長(zhǎng)時(shí)間處在不均勻嚙合狀態(tài)下，容易導(dǎo)致齒輪磨損不一，從而出現(xiàn)振動(dòng)過大、噪聲大以及斷齒等問題。

3.3 各傳動(dòng)之間的摩擦損耗

因?yàn)楸竟揪⌒碗妱?dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行星輪結(jié)構(gòu)以電機(jī)為輸入源，電機(jī)本身的功率較小只有10W，傳動(dòng)過程中的各種阻力和摩擦損耗對(duì)于整個(gè)機(jī)構(gòu)來說就是相當(dāng)大的功率損耗，而原結(jié)構(gòu)有幾處是滑動(dòng)軸承，如果配合精度等達(dá)不到要求，與滑動(dòng)軸承的運(yùn)行配合摩擦阻力會(huì)較大，對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)的效率會(huì)有很大的影響。

4 具體的改進(jìn)措施

4.1 加工工藝的改進(jìn)

因?yàn)楸竟炯庸ぴO(shè)備達(dá)不到精度等級(jí)要求，所以采用外協(xié)的方式加工齒輪，利用小型化、高精度設(shè)備加工，保證其精度能達(dá)到7級(jí)。另外，原先采用的先加工齒形后熱處理淬火的工藝改為先粗加工齒輪，留一定的余量進(jìn)行淬火，淬火完后再進(jìn)行最后的精加工。這樣既保證了齒輪的硬度、韌性等要求，又能保證齒形的正確性和精度，加工完后其表面粗糙度可達(dá)Rz0.8。利用此工藝加工后，齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)中嚙合較流暢，不會(huì)產(chǎn)生原先結(jié)構(gòu)形式的噪音，也不再出現(xiàn)“咬死”現(xiàn)象。

4.2 定位結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

考慮到行星架的浮動(dòng)以及摩擦阻力的影響對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)的效率影響最大，對(duì)結(jié)構(gòu)做了如下改動(dòng)（見圖3）：

圖3 改進(jìn)后NGWN行星輪結(jié)構(gòu)Fig.3 Improved NGWN planetary gear structure

1） 太陽輪a的上下兩端用滾動(dòng)軸承進(jìn)行定位。相較于之前的一端定位，減少太陽輪晃動(dòng)，也能有效地保證太陽輪a的中間位置，保證與行星輪c、d一直處于均勻嚙合狀態(tài)，減少太陽輪晃動(dòng)引起的為正常嚙合現(xiàn)象。

2） 箱體上原先與輸出軸之間使用滑動(dòng)軸承進(jìn)行軸心定位，摩擦阻力相對(duì)輸出扭矩所占百分比較大，會(huì)直接影響最終輸出扭矩?，F(xiàn)改為滾針軸承進(jìn)行定位，減少摩擦阻力，增加整套機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)效率。

3） 行星架H初始設(shè)計(jì)并沒有中心定位，其浮動(dòng)于內(nèi)齒輪b和輸出內(nèi)齒輪e中，僅靠齒輪嚙合中心定位?，F(xiàn)在改變行星架H的結(jié)構(gòu)，上下兩端設(shè)計(jì)凸臺(tái)并用滾動(dòng)軸承進(jìn)行中心定位，使其能均勻與各齒之間嚙合傳動(dòng)，減少不良嚙合、負(fù)載不均產(chǎn)生的功率損耗。

4） 行星輪c、d內(nèi)孔初始設(shè)計(jì)與行星輪轉(zhuǎn)軸直接配合并轉(zhuǎn)動(dòng)，帶載運(yùn)行時(shí)其摩擦阻力較大，對(duì)輸出功率有較大損耗，改進(jìn)后兩者之間用滾針軸承進(jìn)行過渡，有效減少兩者之間的摩擦阻力。

5 結(jié)論

經(jīng)過上述設(shè)計(jì)改進(jìn)后，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了負(fù)載測(cè)試。初始設(shè)計(jì)時(shí)，整機(jī)最大可以帶動(dòng)20Nm負(fù)載，并且在最大負(fù)載位置啟動(dòng)時(shí)電機(jī)功率表現(xiàn)的明顯不足，完全無法達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)要求。更改設(shè)計(jì)后，同樣的實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件下，可以帶動(dòng)40Nm的負(fù)載，比原先增加了50%的負(fù)載能力。NGWN型行星輪的使用效率增加了30%以上，對(duì)于一個(gè)精小型結(jié)構(gòu)的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來說是相當(dāng)可觀的效率增加，也解決了此款產(chǎn)品的力矩輸出不達(dá)標(biāo)問題，對(duì)于精小型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以后的開發(fā)也有相當(dāng)大的促進(jìn)作用。