径向载荷对行星摆线针轮减速器的影响分析

摘要：通过某设计中摆线针轮减速器受径向载荷作用所反映出的问题,分析了径向载荷对摆线针轮减速器的影响,提出摆钱针轮减速器、谐波减速器、少齿差行星减速器等受有较大径向载荷时,应适当降低许用扭矩,以保证减速器能安全正常工作。

 1　减速器选择及使用中发现的问题
       某产品传动系统中需要一同轴式减速器,输入转速1450 r/m in,输出传速3 r/m in,短时续工作制,负载转矩Tz= 2380N m,原动机为三相异步电动机,起动转矩约为工作负载转矩的180%,据文献〔1〕和产品使用说明书选择减速器。
        取载荷系数KA= 1. 0;计算传动比ica= 1450/3= 483. 3,选取减速器的传动比i= 493;计算最大负载转矩Tzmax=Tz kA 180% = 4284N m;减速器允许的过载系数为1. 6,那么计算转矩Tca=Tzmax/1. 6= 2677. 5N m。
        我们选用XWED1. 5- 74- 493行星摆线针轮减速器,同步转速1500 r/m in,减速比i= 9×17= 493,许用转矩TP= 2700N m。输出轴上安装了一个分度园直线d= 126mm,宽
度B= 80mm的标准渐开线直齿园柱齿轮,开式传动,齿轮副满足强度条件。
         装机使用时,我们发现:第一,减速器输出轴端出现“摇头”现象,位移量近1mm,严重影响开式齿轮的啮合质量。第二,针轮壳与机座接合处有明显的径向位移。第三,针轮壳与机座接合处有轴向缝隙。
        
2　 分析讨论
         XWED1. 5- 74- 493减速器输出轴结构简图及受力如图1示。图中FBA、FBB、FBC分别为轴承A、B、C的支承反力;FLA、FLB分别为两个摆线针轮给输出轴的径向作用力,Fz为负载压力。Fz=2 Tzd cosTn=2×2380126×cos20°N= 40. 22 kN,其中Tn为齿轮的啮合角。
2. 1　Tz≠0,Fz= 0的情况
           假设输出轴端安装一联轴器,即可认为Tz≠0;Fz= 0。如不考虑制造安装误差,则有FLA与FLB大小相等,方向相反,不共线,并对输出轴形成一个弯矩ML=FLA(b-a)的作用,此时,FBA、FBB、FBC均可认为不太大,且由于输出轴的转动受力平面也随之转动。
2. 2　Tz≠0,Fz≠0的情况
          当输出轴端安装一齿轮,即认为Tz≠0;Fz≠0。设Fz为恒力(大小、方向、作用点不变),而输出轴以其输出转速转动,则输出轴受力如图2示,针轮壳受力如图3示。
2. 2. 1　由图2知,FLA和FLB分别由负载转矩Tz和径向载荷Fz引起。由Tz产生的分力FLA1
和FLB2应大小相等、方向相反、不共线且随输出轴的转动而转动;由Fz产生的分为FLA2和FLB2则是大小、方向不变。在任一时刻,FLA是FLA1和FLA2的合力,FLB是FLB1和FLB2的合力。故FLA和FLB的大小和方向是不断变化的,当FLA1与FLA2共线且方向相同时,FLA最大,;当FLA1与FLA2共线而方向相反时,FLA最小,由于该力的作用,就出现了“摇头”现象。
 2. 2. 2　由图2、图3知,由于摆线轮A、B对针轮壳的作用
力F′LA、F′LB不共线,必然使针轮壳受到一个弯矩MZL=F′LB d-F′LA c≈∑Fi D cos2 i的作用,式中Fi为第i个螺栓所承受的张力; i为相角;E点为倾翻中心。当Fi大于初始预紧力Fio时,螺栓拉伸变形,沿受拉螺栓轴向,机座与针轮壳之间出现裂缝,由于该力的变化,会出现裂缝一张一合的现象。
2. 2. 3　由图3知,由于F′LA≠F′LB,加之机座与针轮壳的定位止口处存在间隙,当|F′LA-F′LB|大于其间的摩擦力Ff时,就会出现针轮壳与机座间的径向位移,直到定位止口提供一个径向剪力Q=|F′LA-F′LB|-Ff为止。由于F′LA、F′LB的方向随输出轴的转动而变化,就出现了前面观察到的径向晃动。
2. 3　同2. 2的受力状态,但Tz和Fz均为周期性脉动负载
2. 3. 1　由前面分析知,由于径向负载较大依然会引起针轮壳与机座结合面的相对位移和晃动。
2. 3. 2　分析图1、图2,在Fz所在的力平面,输出轴端的力和力矩本身是脉动的,加之摆线轮
对输出轴的作用力FLA、FLB也是变化的。故输出轴端就会产生一个交变的位移。该位移主要由
三部分构成。(1)轴的挠曲变形的WDB; (2)轴承的变形WDG; (3)机架的变形WDj。变形WD=WDB
+WDG+WDj。
2. 3. 3　由于该减速器为悬臂结构,轴的变形较大,机架的刚度较差,轴承为普通单列向心球轴承,无预紧,支承刚度较差,使输出轴端部产生较大的变形。加之该负载是变化的,出现输出轴的“摇头”现象是必然的。
2. 4　结　论
2. 4. 1　输出轴的径向载荷较大时,会使针轮壳与机架产生相对晃动。
2. 4. 2　当作用于输出轴的负载转矩接近其许用转矩、径向力较大时,若负载是周期性变化的,输出轴会产生“摇头”现象。
2. 4. 3　选用该类减速器时,应考虑径向载荷的影响。

3　验　证
       提高减速器的性能,我们将减速器作了改造,将支座FBA移到输出轴的端部,负载移到两支承FBA与FBB之间,受力简图如图4。由于改进后的减速器,改善了受力状态,减小了径向力影响,增加了机座的刚性。实用表明:机座与针轮壳之间的缝隙消失,无晃动和“摇头”现象。
      
4　推　论
4. 1　选用摆线针轮减速器时,应考虑径向载荷的影响,径向载荷较大时应适当降低输出轴的许用转矩。因该产品已系列化,应组织专家进行分析和实验,制定出选用规范。
4. 2　推而广之,谐波减速器,少齿差行星减速器等也应考虑径向力的影响,制定出相应的选择范。
4. 3　对于系列产品,随着科学技术的发展,设计和实验手段的提高,应该对老产品进行改造,重新设计新系列产品,以提高使用性能。