电动滚筒全滚动平面钢球减速装置的研究
摘要： 以电动滚筒减速装置为研究对象， 设计了全滚动平面钢球减速装置。该减速装置的结构形式采用的是活齿传动的一种， 是由K-H-V 型少齿差行星齿轮传动变化而形成的一种新型传动， 它利用一组中间活动件———活齿(钢球) 来实现两同轴之间的转速和转向变换， 突破了长期以来齿轮传动的传统结构特征， 将行星齿轮的轮齿与轮体的刚性联接改为运动副活动联接， 使行星齿轮的全部轮齿成为一组可作循环运动的独立运动体。整机可在要求工作性能稳定可靠、传动比大、传动效率高、体积小和重量轻的场合使用。
1 研究内容的提出
近年来， 随着科学技术的不断进步， 电动滚筒已经广泛应用于采矿、冶金、煤炭、交通、能源、粮食、烟草、化工、建材、邮电、航空、农林和印刷等各个生产建设领域， 在我国国民经济中起到了越来越重要的作用。
电动滚筒是将电动机和减速器装入传动滚筒内壳中， 支撑轴固定不动， 筒体外壳旋转的传动滚筒。各行各业对电动滚筒性能的要求也不尽相同， 例如要求电动滚筒功率很大， 却又希望筒长很短； 要求电动滚筒的带速极低， 甚至低到0.05m/s 以下； 要求电动滚筒在断电瞬时立即制动； 要求电动滚筒的噪声很低；要求电动滚筒随着工况条件的改变， 带速也能相应改变；要求电动滚筒只能朝一个方向旋转等等。为了满足不同场合的需要， 电动滚筒的传动机构出现了多种形式， 谐波齿轮传动技术就是其中一种形式。尽管谐波齿轮传动技术具有很多优点， 但是由于谐波齿轮传动机构的制造工艺难度较大、生产成本较高等原因， 谐波齿轮传动机构在电动滚筒中应用还不够普遍。
本设计方案是针对现有谐波齿轮传动电动滚筒的缺点而设计的全滚动平面钢球减速电动滚筒。全滚动平面钢球减速电动滚筒是在满足承载能力及强度要求条件下， 使整机工作性能稳定可靠、体积小、重量轻和便于使用[1]。
在减速机构的设计上， 为了使设计出来的减速机构体积小、重量轻、传动比范围大， 减速器采用平面钢球变速传动， 通过对少齿差行星齿轮传动演化而形成新型的活齿传动机构， 它利用一组钢球(活齿) 来实现两同轴之间的转速和转向变换， 突破了长期以来活齿传动的结构征， 使行星齿轮的全部轮齿成为一组循环运动的钢球作为独立的运动件， 钢球与径向导槽盘组成活齿轮， 绕固定轴线转动， 使钢球在径向导槽盘的导向槽中按一定的运动规律运动， 以实现行星齿轮作行星运动的功能。
2 电动滚筒的整体布局设计
该电动滚筒与传统的电动滚筒在外观上上没有什么区别， 主要是减速器部分采用了全滚动平面钢球减速装置。有别于传统电动滚筒的减速装置， 其整体布局如图1 所示， 由左右支座、减速装置、电机、滚筒体和接线盒等几大部分组成。使用这种减速装置的优势在于： 可以获得较短筒体的同时获得较大的传动比， 传动部件与被传动部件之间滚动摩擦。
电动滚筒的全滚动平面钢球减速装置结构如图2所示， 它由联接电机轴的偏心凸轮盘、固定在支撑轴上的径向导槽盘、与滚筒体联接的摆线盘和夹在三者之间的钢球组成。在偏心凸轮盘的端面上有一偏心e的弧形端面槽， 在径向导槽盘上有8 条径向导槽， 在摆线盘的端面上有一条摆线端面槽。
3 电动滚筒减速部分工作原理
该电动滚筒的减速部分采用的是活齿传动的一种， 它是由K-H-V 型少齿差行星齿轮传动变化而形成的一种新型传动， 它利用一组中间活动件———活齿(钢球) 来实现两同轴部件之间的转速和转向的变换，突破了长期以来齿轮传动的传统结构特征， 将行星齿轮的轮齿与轮体的刚性联接改为运动副活动联接， 使行星齿轮的全部轮齿成为一组作循环运动的独立运动体。如图3 所示， 钢球与偏心凸轮盘在摆线盘的升程槽面接触情况， 输入轴带动偏心凸轮盘以等角速度ω1顺时针转动， 偏心凸轮盘上以圆心O1的偏心环形槽推动钢球沿着径向导槽盘的径向槽移动， 同时钢球受摆线盘上的摆线封闭槽的约束反推径向导槽盘， 使其以等角速度ω2逆时针转动， 完成平面钢球传动转速和转向的变换。
由工作原理可知： 平面钢球传动是依据各个循环钢球与偏心凸轮盘的封闭槽、摆线盘的摆线封闭槽和径向导槽盘的径向导槽组成的各并联的啮合副交替工作来完成连续传动的。因此， 各并联的啮合副从啮合开始到结束的工作过程完全相同。
4 电动滚筒减速传动部分的型分析
偏心凸轮盘、径向导槽盘和摆线盘三个基本构件都是运动的， 则平面钢球传动的自由度为2， 称之为差动平面钢球传动， 它是平面钢球传动的基础型， 可以用来进行运动的分解与合成， 如图4 所示。
如果将平面钢球传动的其中一个基本构件固定，则其自由度为1， 称为行星平面钢球传动。利用“固定件转换原理”， 可以得到三种行星平面钢球传动运动简图， 如图4 中b、c、d 所示。再利用“主从动件转换原理” 可以得到以下几种传动方案：
1) 摆线盘固定， 偏心凸轮盘输入， 径向导槽盘输出， 实现减速， 其传动比为： i31,2= Z2Z2-Z3； 径向导 槽盘输入， 偏心凸轮盘输出， 实现增速，其传动比为： i32,1=Z2Z3Z2；
2) 径向导槽盘固定， 偏心凸轮盘输入， 摆线盘输出， 实现减速， 其传动比为： i21,3= Z3Z3-Z2； 摆线盘输入， 偏心凸轮盘输出， 实现增速， 其传动比为：i33,1=Z3Z2Z3；
3) 偏心凸轮盘固定， 径向导槽盘输入， 输摆线盘输出， 实现减速， 其传动比为： i12,3= Z3Z2； 摆线盘输入， 径向导槽盘输出， 实现增速， 其传动比为：i13,2= Z2Z3。
根据上述几种平面钢球传动运动简图可以设计出多种实用的结构图。本论文电动滚筒采用的减速装置是图4 中的c 方式。
5 电动滚筒的减速部分设计
该电动滚筒的电机输出功率为3kW、转速为1420 r/min， 平面钢球减速装置的传动比为17，设计使用寿命为10 年， 每天工作8 小时。减速装置主要是由偏心凸轮盘、径向导槽盘、摆线盘和钢球之间的相互运动实现的， 因此设计的重点在偏心凸轮盘、径向导槽盘和摆线盘的设计上， 其它零件设计计算不再叙述。根据已知条件偏心凸轮盘、径向导槽盘和摆线盘的主要设计内容计算过程如下：
根据传动比公式： i= ZbZb-Zq= 1717-16 =17； 摆线轮齿数Zb=17， 钢球数Zq=16， 为了方便布置， 在不影响传动比的情况下， 很多少齿差传动装置都会采用每个间隔抽一个齿的方法来解决这个问题， 因此在这里抽齿数为8。相对应的径向导槽盘的径向导槽数8 条， 所需钢球数也为8 个。初选短幅系数：K1=0.6。
根据以上计算结果设计后加工出的偏心凸轮盘、径向导槽盘和摆线盘如图5 所示。
6 结论
本文提出并研究设计了一款电动滚筒的减速装置。减速机构采用全滚动平面钢球传动， 它是一种由K-H-V 型少齿差行星齿轮传动演化而形成的一种新型活齿传动， 它利用一组中间活动件--活齿(钢球)来实现两同轴之间的转速和转向的变换， 突破了长期以来齿轮传动的传统结构特征， 将行星齿轮的轮齿与轮体的刚性联接改为运动副活动联接， 使行星齿轮的全部轮齿成为一组作循环运动的独立运动体。钢球与径向导槽盘组成活齿轮， 改行星齿轮的行星运动为钢球绕固定轴线转动， 并使诸钢球在径向导槽盘的导向槽中按一定的运动规律运动， 以实现行星齿轮做行星运动的功能。活齿传动这一结构特征使其在小偏心距平行轴间的转速变换过程中， 省去了少齿差行星齿轮传动必须采用的W 运动输出结构， 有效地克服了少齿差行星齿轮传动机构的不足。整机可在要求工作性能稳定可靠、传动比大、传动效率高、体积小和重量轻的场合使用。
