摆线减速机新技术应用-- ZW11-87减速机的研制

摘要：本文介绍大型号、大速比摆线针抢减速机大摇度提高猪入功率研制中主要零件进行计茸机优化设计,摆践齿轮来用复合齿形和研究应用“一次装夹成形”新工艺。

        zwll一87(11#机型、传动比=187)摆线针轮减速机的研制,由天津市石化通用机械研究所同广东省广宁船用水泵厂合作完成。研制过程中采用了两项新技术:①计算机辅助参数优化设计;②摆线齿轮复合形在摆线磨床上“一次装夹成形”。
          样机经“机械部摆线减速机产品质检中心”检验,通过37kw加载试验。按摆线减速机产品质量分等标准J习T53324一1997衡量,样机比同一规格型二、摆线针轮减速机参数优化号的优等品指标还高出一个功率等级,达到更高一的计算机辅助设计号的12特机型的优等品指标。
         项目于19%年底通过天津市科委授权组织的专家鉴定,鉴定会对这个项目给予了高度赞赏和充分肯定。鉴定结论意见为“通过优化设计以及采用复合齿形,达到提高减速机的承载能力100%以上。样机性能指标相当于日本住友株式会社(摆线减速机的国外著名生产厂家)8o系列的水平。在摆线磨床上一次成形新技术.填补了我国在这方面的空白,属国内同行的领先水平厂。

一、问题的提出
         1964年.我国摆线针轮行星减速机试制成功并开始生产,至今已有30多年历史。摆线减速机产品年产量由1976年的1000台增长到目前的35万台,产值约12亿元.生产厂家约有200家之多.形成了一个迅速发展的产业,组织了科技信息网和行业协会.机械部确定天津石化通用机械研究所为行业归口所。
           然而如何提高产品的承载能力和传动效率,一直是困扰行业的两大技术难题。日本住友公司曾提出,在小传动比范围内采用两齿差齿形传动,在大传动比范围内采用复合齿形传动,可以大幅度提高摆线减速机的承载能力和传动效率。但是要推广应用两种传动,必须深入分析机理,并根据国内现有生产条件,解决相关技术上的困难。突出的间题是:  
       ①设计手段落后,采用微机进行优化设计的厂家微乎其徽。除了徽机拥有量较少的原因以外,主要原因是涉足数学、机械、计算机交叉学科的人员较少,缺少对两齿差传动和复合齿形传动的机理分析,建立参数优化的数学模型存在困难。
       ②摆线齿轮的复合齿形或两齿差齿形,都是由两条曲线组成。在我国99%以上的摆线齿轮要在摆线磨床上加工,必须两次装夹、两次加工才能完成。两次装夹加工必然产生新的对刀误差和复合点偏移误差,严重影响齿形精度和整机性能,阻碍这项技术的推广应用。
    
二、摆线针轮减速机参数优化的计算机辅助设计
         首先.分析摆线减速机的各个主要结构的受力状况和强度状况,建立受力分析的数学模型,这是项目的理论基础及核心。然后编制受力数学模型的微机软件以及优化设计的微机软件,借助计算机,对摆线减速机的主要技术参数、产品主要零件的结构尺寸进行优化选择,从而获得了对应于最佳受力状况的最佳参数。最后,选定受力状况最佳的最优参数方案。
        参数优化的目标函数是各个结构件的受力状况和强度状况。其中包括:摆线齿轮受力和齿面接触应力,针齿销在二支点、三支点两种结构下的挠度、转角和弯曲应力,柱销的弯曲应力,柱销套与柱销孔之间的接触应力,转臂轴承的动载荷及使用寿命等。
         从计算结果看,计算机辅助参数优化设计大幅度提高了减速机的承载能力及其传动效率。例如对作为新技术载体的zwn一87摆线减速机(11#机型、传动比i二87),进行计算机辅助参数优化设计,结果如图1所示。图1的工线是优化前的曲线,11线是进行优化以后的曲线。齿面接触应力大幅度减小,允许输入功率增加180%,针齿销挠度、转角以及柱销也同样减小,允许输入功率分别可增加到186%、173%以及130%,可见效果极为显著。总之,计算机辅助参数优化后同优化前相比,承载能力提高100%以上。
           从试验效果看,计算机辅助参数优化设计大幅度提高了减速机的承载能力及其传动效率。所鉴定的ZWll一87摆线减速机,五项性能指标全部达到优等品标准,属行业领先,相当于日本住友公司80系列水平。
                       

   三、摆线齿轮复合齿形在摆线磨床上的“一次装夹成形”
           为提高大传动比摆线减速机的传动效率和承载能力.而加大针齿销尺寸,并且在针齿外面加针齿套,导致摆线齿轮的齿形发生干涉,且在干涉齿形接近齿顶的部位,其齿面接触应力急速增大,必须用另一条理论曲线将应力过大的部分削去。这一条理论曲线同原来的干涉齿形互相复合,而形成复合齿形。
            大传动比复合齿形在摆线磨床上必须两次装夹,两次加工。两次装夹加工必然产生新的对中误差和复合点偏移误差,严重影响齿形精度和整机性能阻碍这项技术的推广应用。为了把两次装夹加工变为一次装夹成形,有两种方法:①进口成型磨床,但价格极其昂贵,行业各厂难以接受;⑧而我国大量拥有的是展成法加工机床—摆线专用磨床,国内99%以上的摆线轮都是在它上面加工出来的。我们的出发点是结合国内的具体情况,在不增加设备的情况下,着眼于这种各厂大量在用的摆线磨床,研究试验成功了摆线齿轮复合齿形在摆线磨床上“一次装夹成形”的新技术。
         所谓“一次成形”方法,从数学上讲是用一条连续曲线取代复合齿形的两条不同的线段;因而在摆线磨床上就把两次装卡加工变为一次成形。这种方法,很自然地解决了两齿差齿形和复合齿形加工的难题,从根本上消除了对中误差以及复合点偏移误差,提高了摆线齿轮的加工精度和生产效率,提高了承载能力、传动效率和整机性能。
          经查新及专家鉴定,这项理论及实践在国内为首创.填补了我国在这方面的空白.经济效益可观,属国内同行的领先水平。
                              

  四、“一次成形”的数学模型
           为了在摆线磨床上“一次装夹成形”,必须进行如下工作:
         l  建立“一次装夹成形”的数学模型;
         2.编制“一次装夹成形”的微机应用软件。建立其数学模型包含两项任务:
         ①为了从数学上找一条连续曲线取代复,合齿形、的两个不连续的线段,最先遇到的间题是,替代曲线与复合齿形之间法向偏差如何计算。
                 复合齿形数学方程是:
                 Xo=Rzc6in中一九妇inZ玩冲一助(Sin势一KlosinZb冲)/So
                Yo二R加C叱功一A试力521咧,一二(伪s劝-K】o(汤52卜对I)/So(1)
             os=丫1十Kozl一ZxKI以汤sZa砷
         式中,Roz是针齿中心圆半径,Ao是摆线轮偏心,ozr是针齿套半径。2滋0为摆线齿轮的齿数.Zbo是针轮.KI。是短幅系数,K1。二zboxAo/ROZ。中是齿形参数。
          摆线磨床只能加工摆线的等距曲线,故替代曲线也应该是一条摆线的等距曲线,其表达式为:
                     x二Rzsin中一ASinz卿一zr(nsi中一ksinzb妇/S
                     Y=RzCos币一AC冶sZb中一zr(肠砷一kc冶sZb妇/S(2)
                     s=丫1十K户一Zx幻俪az中
          式中R:是加工终了时砂轮刃圆中心与摆线轮中心之距离.A是摆线磨床偏心,二是砂轮刃圆半径。Za与Za。相等,而bz与Z切相等,并利用Za与Zb调整磨床的分齿挂轮。
           计算替代曲线上某点M(X,Y)与复合齿形的法向距离,也就是复合齿形上寻找一点Mo(xo.Yo).使齿形线在M匕点处的法线通过M点,则Md点所对应的中值应满足下式:而。AosinZa砷一X(C洲申一KIJ二刀Z仪冲)+Y(R双占i砷一K】osinz饭冲)“0(3)由(3)式解出中,代入()l式,得到Mo点的坐标值xo,Yo。那么,替代曲线上某点M(x,Y)与复合齿形的法向距离d就可由下式计算出来:
                      d=丫(x一xo,)2+(Y一b,)2
         对法向偏差的要求是:干涉齿形从齿底到齿面接触应力不过大的部分,各点的法向偏差大不于允许的数值,比如0.02~。而齿面接触应力过大的部分,直到齿顶.被替代曲线削去(如图3）
                                     
          ⑧替代曲线各参数的取值范围之界定。
          参数ZR、A、zr的每一种组合决定一条摆线,不同的组合决定无限条摆线,为了迅速搜索出合乎要求的替代曲线,必须对替代曲线各参数的取值范围进行界定。图4中由四条直线围成的梯形扁条,界定了RZ与r:的取值范围。图4的符号Roc、Rei分别是干涉齿形的顶圆半径和底圆半径,De是修顶量,以是替代曲线与干涉齿形的齿底半径之差。
                    
           “优化设计”与“一次成形”这两项新技术,在我国摆线减速机行业具有广泛的推广价值。几年来,得到行业中许多厂家的关注和欢迎,已有12省市的15个厂家同天津通用所联系,纷纷将这两项技术用于生产,应用效果都比较好,对大幅度提高承载能力和传动效率均起到明显的作用,创造了良好的社会、经济效益。