三环减速器的结构原理

三环减速器设计

第一章绪论

三环减速器是少齿差行星齿轮传动中的一种。它由一个外齿轮与一个内齿轮组成一对内啮合齿轮副，采用的是渐开线齿形，内外齿轮的齿数相差很小（通常为1、2、3或4），故简称为少齿差传动。

三环减速器是由重庆钢铁设计院陈宗源高级工程师在1985年申请的发明专利，它以其适用与一切功率、速度范围和一切工作条件的优点而受到了广泛关注。

1.1三环减速器的概况：

齿轮减速器在各行各业中十分广泛地使用着，是一种不可缺少的机械传动装置。当前减速器普遍存在着体积大、重量大，或者传动比大而机械效率过低的问题。国外的减速器，以德国、丹麦和日本处于领先地位，特别在材料和制造工艺方面占据优势，减速器工作可靠性好，使用寿命长。但其传动形式仍以定轴齿轮传动为主，体积和重量问题，也未解决好。最近报导，日本住友重工研制的FA型高精度减速器，美国Alan-Newton公司研制的X-Y式减速器，在传动原理和结构上与本项目类似或相近，都为目前先进的齿轮减速器。当今的减速器是向着大功率、大传动比、小体积、高机械效率以及使用寿命长的方向发展。因此，除了不断改进材料品质、提高工艺水平外，还在传动原理和传动结构上深入探讨和创新，平动齿轮传动原理的出现就是一例。减速器与电动机的连体结构，也是大力开拓的形式，并已生产多种结构形式和多种功率型号的产品。目前，超小型的减速器的研究成果尚不明显。

在医疗、生物工程、机器人等领域中，微型发动机已基本研制成功，美国和荷兰近期研制的分子发动机的尺寸在纳米级范围，如能辅以纳米级的减速器，则应用前景远大。

1.3 课题研究意义：

（1）减速比大，三环式单级减速比为11到99，双级传动比达9801。普通外啮合齿轮减速器单级减速比最大为10。

（2）体积小重量轻，外啮合齿轮只在一点捏合，接触应力是影响传动的瓶颈，三环式三点啮合，接触处两齿轮曲率半径在同侧，尺寸接近，接触面积大，接触应力小，设计是用不着核算接触应力，只要弯曲应力够就行了，由于三环式中间外齿轮齿数较多，其抗变曲性能也较，据有关资料介绍同扭矩的减速器，三环式重量只有普通减速器的1/3，体积只有1/4。这里无疑有巨大的经济效益。

（3）承载能力高，轴承寿命长。由于采用少齿差内啮合传动，三环式除了三点啮合外，在过载时由于齿的弹性变形，会有很多齿同时工作，所以齿轮的承载能力较高；另外由于接触应力小，有利于润滑，三根轴上的载荷都呈120度角均匀分布，转臂轴承位于内齿圈外，起布置空间大，所以轴的弯曲应力小，主轴承载小，有利于承受过载载荷，因而转臂轴承的寿命较高，可达到2万小时以上。

（4）制造容易、成本低，由于对接触强度及弯曲强度都要求不高，轴的应力也较一般的低，所以对材质、热处理无特殊要求，调质就可以了，齿轮精度一般为8级，能生产原少齿差的制造厂都能生产。对于采用7级精度齿轮的这种减速器，其传动误差可在1’左右。

（5）精度高。由于三片内齿轮同时与外齿轮啮合，误差可以相互弥补，所以整机精度高。

（6）适应性广。根据不同的应用场合，可以制成卧式，立式，法兰联结式等各种结构形式。

（7）轴向尺寸小，径向尺寸大。有两根高速轴，可以单轴输入，也可以双轴输入。输入轴与输出轴平等，而且中心距与齿轮参数无关，根据需要设计。

第二章三环减速器的建摸与分析

三环减速器是一种利用三相并列双曲柄机构来克服死点的少齿差行星齿轮减速器，具有传动比大、适用范围广、承载能力强、重量轻、传动效率高、轴承受力小、寿命长等许多独特的优点，在各行业得到了广泛的应用。但是由于三环减速器问世时间短，缺乏全面完整的理论分析和实验研究，在设计中只能以类比法或借助于简化模型进行计算，使得产品的性能不稳定，设计参数偏大，造成材料没有得到最充分的利用，影响了这种传动形式的进一步发展。本文应用位移协调原理，从系统变形的角度，建立了三环减速器的动力分析精确模型，并对三环减速器进行求解，研究了各种因素对其动力特性的影响，为正确设计三环减速器提供了科学的理论依据。

2.1 三环减速器的传动原理

2.1.1 三环减速器的组成及工作原理

三环减速器是由平行四边形机构和内啮合齿轮机构组成的复合传动机构。图2-1和图2-2是偏置式三环减速器的结构和传动简图。两根互相平行且各具有三个偏心轴颈的高速轴2和3，动力通过其中任一或两轴同时输入，有动力输入的曲柄轴称为输入轴2，无动力输入的曲柄轴称为支承轴3。平行四边形机构的曲柄6和7一般制成偏心套的形式，其结构见图2-3，平行四边形机构的连杆上带有内齿轮，称为内齿环板1，图2-4是它的结构图。输出轴4和外齿轮5通常制造成为一体成为齿轮轴。

当输入轴2旋转时，由偏心套曲柄6和7带动的行星轮内齿环板1不是作摆线运动，而是通过一双曲柄机构(具有偏心轴颈的高速轴)引导作圆周平动，三片并列的连杆行星齿板（即内齿环板1）通过轴承装在高速轴2和3上且与外齿轮5相啮合输出动力，啮合的瞬间相位差为120°。

2.3 三环减速器的变形协调原理

三环减速器的整机结构中存在着过约束，运动链不满足静定条件，机构受力无法用刚体力学方法完全确定，必须通过引进机构的变形协调条件，将机构转化为受力、变形等效的结构件，建立起三环减速器的动态分析模型才能求解全部的未知量。

研究三环减速器各相机构之间的位移协调原理，就是找出各相机构之间的位移满足的关系。取整个机构为研究对象，把它看作是具有广义间隙的多相子机构系统组成的闭环弹性机构。将高速轴、低速轴看作刚体，将行星轴承、内齿环板等看作弹簧组成一弹性传力系统，若将各构件用弹簧代替，则该闭环弹性机构可表示为弹簧系统模型，如图2-11所示。各轴是理想的刚性轴，为便于理解可用等效并联弹簧系统图2-12来表示。