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    提高NGWN型行星轮用于电动执行机构中的效率

    时间：2023-01-22 13:50:52来源：百花范文网本文已影响人

    唐晓峰，李杏萍，唐其忠

    （肯佐控制设备（上海）有限公司，上海 201700）

    行星轮传动按照齿轮啮合方式划分有NGW型、NW型、NN型、WW型、NGWN型、N型等[1]。行星轮系用于电动执行机构中也是由来已久，最早全国联合设计的DDZ、DKJ系列电动执行机构就是采用的少齿差N型行星轮结构，德国的PS系列电动执行机构采用的是NGWN型行星轮结构，本公司的IKJQ、KZQ精小型电动执行机构也采用NGWN型行星轮结构。但因为其加工精度以及工艺性较差，所以实际行星轮传动在电动执行机构中运用的效率远比理论效率低很多。如何提高行星轮传动在电动执行机构中的效率对我们来说也是一个有意义的课题，这里主要分析本公司精小型电动执行机构使用的NGWN型行星轮结构的传动效率问题，并提出如何提高传动效率。

    行星轮传动既具有功率分流，又具有旋转轴运动的传动特点[2]。通过配合内啮合齿轮，其相对常规齿轮传动具有显著的优点，如整体机构连接紧密，负载承受能力强，传动效率高，运行稳定，应用场合广。因此，行星轮传动在各行业中得到了非常广泛的应用。目前，行星轮传动在整体机构设计上取得了较好的成绩，其中最大的成绩是成功平均分布了载荷，有效解决了因载荷分配不平均而产生的各种问题，使各个行星轮之间的传动日趋完善，运行可靠性更加增强。

    1.1 行星轮传动原理

    行星轮传动其实就是常规齿轮传动的一种特殊形式，它有一个定轴线的齿轮叫太阳轮或者叫中心轮。在太阳轮边上有环绕的几个行星轮，其既作为自身轴线自转，又可在内齿轮内部做公转。安装行星轮的支架叫行星架，因为行星架与行星齿轮的连接关系将动力传输到输出轴上，再传递给其他需要被执行单元上。它们一般由一组若干外齿轮和内齿轮组成一个传动轮系，这种周转轮系称为行星轮系。

    1.2 行星轮传动特点

    行星轮传动与普通定轴齿轮传动相比较，它具有多方面的特点。其最显著的特点是：可现实动力的分流作用；
    同时，其输出轴和输入轴在同一轴线位置上，更方便实现传动、负载的均配以及传动的平稳性[3]。

    ◆ 体积小，重量轻，整体机构连接紧密，负载承受能力强：因为行星轮传动具有动力分流的特点，所以其结构非常紧凑，可以利用均布的多个行星轮来共同分担传动中的负载，所以这些齿轮可以使用较小的模数亦能达到使用的强度需求。

    ◆ 传动效率较高：由于行星轮传动结构比较对称，均布轮系之间的作用力可以互相平衡，更加有利于提高传动过程中的效率。在传动比选择合理，加工安装符合要求，负载稳定的情况下，行星轮理论传动效率最高可达99%。

    ◆ 相同体积下拥有更大的传动比：可以用较少的几个齿轮获得更大的减速比。

    ◆ 运行平稳、抗冲击和振动的能力强：由于行星轮的布置一般比较均匀，可使行星轮运行中各齿轮之间的力相互平衡，所以其不易产生冲击和振动，工作更加稳定可靠。

    在传动齿轮的材质、加工精度、安装配置和工作条件等相同的情况下，行星轮传动相比常规齿轮传动具有整体机构连接紧密，负载承受能力强，体积小，重量轻，传动效率高，运行稳定，应用场合广等优点。目前，行星轮传动的技术研究方向主要体现在这几方面[4]：

    1） 动态特性研究：考虑行星轮传动各个构件间运行时的状态研究、传动精度、传动效率、震动、噪音等。

    选取2015年10月—2018年10月我院进行治疗的肝胆病变中盲选46例作为纳入本次研究之中，男与女之比为27：19，年龄25岁～83岁，平均年龄为（57.18±6.39）岁。本次参与研究的患者均接受1.5T磁共振平扫联合增强扫描。患者均接受了超声、CT、典型影像学表现、临床资料以及随访相结合，最终确诊为肝脏病变性质。

    2） 均布载荷机构的研制：均布载荷的类型有多种多样，对行星轮传动的均布载荷的动力特性和均载性能进行系统、全面的研究，从而找出适合的均载方案，可以更好地完善行星轮传动。

    3） 标准化、多种类：目前有数10种行星轮传动系列，但为适应多种行业的各种需要，依旧需要更多、更完善的行星轮传动方案出现。

    4） 行星轮传动齿面的硬度、齿形精度也变得越来越高：齿面有合理硬度、齿面加工精度高的齿轮，不仅可以提高传动的承载能力，使整机机构能够进一步减小，从而实现低成本设计，还能提高整体传动的效率。

    5） 高速度、大功率：因为行星轮传动能实现均载，所以其在高速状态下运转更平稳，可以传递的功率更大，具有定轴轮传动无法实现的优点。

    6） 大规格、大转矩：在一些大功率传动产品方面，行星轮传动具有更高的经济比。

    7） 低噪音、低振动：降低行星齿轮传动的噪音，提高传动过程的平稳性，可以应用到更多场合，也是研究的一个方向。

    当减速机构的输出传动比需求很大时，采用单级齿轮传动一般很难实现，而采用多级齿轮传动虽然可实现大传动比，但体积大、结构复杂、故障点多、传动效率影响大。而采用行星轮传动则只需要少数几个外齿轮和内齿轮便可获得较大的传动比，且结构十分紧凑、运转平稳、噪音低、效率高。

    针对行星轮传动的诸多特点，本公司开发精小型电动执行机构时，首先想到并使用的就是行星轮传动作为主传动，理论上可以利用更轻的重力和更小的体积达到产品的使用需求。

    图1为本公司精小型电动执行机构的传动结构简图，其采用的是NGWN型行星轮传动方式。该机构拥有两个自由度，太阳轮a为传动输入时，内齿轮b和输出内齿轮e为传动输出。电动工作状态时，内齿轮b由于蜗轮蜗杆的自锁而保持不动，动力传递最后由输出内齿轮e输出[5]。

    图1 NGWN行星轮传动简图Fig.1 Schematic diagram of NGWN planetary gear transmission

    2.1 传动比条件

    电动状态时内齿轮b固定，太阳轮a为主动齿轮，内齿轮e作为最终输出部件并带动负载运行，本课题设计输出传动比为135。手动状态时，中心路a保持不动，手轮转动蜗杆G带动内齿轮b转动，内齿轮e仍然作为最终输出部件传递输出力矩。手动状态对传动效率不敏感，本文只讨论电动状态时如何提高传动效率。

    2.2 同心条件

    由图1可知，3个基本部件齿轮a、b、e的旋转轴线必须重合于主轴线，即由太阳轮、行星轮组及内齿轮的实际配合中心距必须相等。通过计算选择合适的齿数和模数，使其满足同心条件的要求，才能使行星轮传动正常运行。

    2.3 装配条件

    保证各行星轮能均布地安装于太阳轮和内齿轮之间，并且与这两个齿轮啮合良好没有错位现象，其也是对工艺和装配要求相对较高的条件。同样的设计，加工工艺和装配条件不同，对产品最后的输出效率会有较大的影响，本课题也是主要从此方面优化来提高行星轮传动效率。

    2.4 邻接条件

    在传递动力时，行星轮数目越多越容易发挥行星轮的优点，承载能力也会越大。但行星轮数目的增加会很难实现均匀分布载荷，而且由于邻接条件的限制会减小传动比的范围，采用3个行星轮的设计是目前较多见的，其既满足产品传动需要，又可减小设计难度和加工难度。

    设计行星轮传动除了需要满足以上几点要求外，还需满足其他一些附加条件。例如，啮合齿轮的齿数最好没有公约数以此降低重复啮合而导致的磨损；
    齿面硬度需满足带载长运运行是强度和寿命满足要求；
    配齿数决定减速比和产品外形尺寸；
    加工精度既影响传动效率又影响整机的控制精度，各方面都达到一定的要求才能提高整套产品的使用强度和效率[6]。

    以上这些都会对产品传动的效率和强度产生影响，主要就是从这几点出发，发现并解决了NGWN型行星轮结构用于本公司精小型电动执行机构中效率较低的问题[7]，同时也提升了产品的整体强度和使用寿命。

    实际精小型产品的行星轮传动效率与理论值相差太多，行星齿轮传动效率主要由啮合效率、轴承效率和润滑搅动飞溅效率组成。此产品的行星轮结构减速比为135。理论传动效率应该在70%左右，但初始设计时实际测试效率只有30%左右，远低于理论值，无法满足产品的设计要求。

    3.1 加工精度及热处理

    行星轮系中的齿轮加工精度一般要求达到7级精度，但因为本公司齿轮加工设备不够先进，实际加工后零部件无法达到应有的精度等级。另外，为了保证能长时间的带负载运转，齿轮齿面必须有一定的硬度，所以齿形加工完后需要进行热处理，热处理后齿形不可避免地会发生形变。这种形变会导致各齿间处于不良啮合状态，而电动执行机构中的齿轮又不会进行“跑合”处理，所以这些对整体机构的效率影响很大[8]。

    3.2 结构与安装形式

    本公司的NGWN型行星轮原结构如图2。

    图2 原NGWN行星轮结构Fig.2 The structure of the original NGWN planetary gear

    行星架浮动于机构中，主要靠太阳轮a和内齿轮b、输出内齿轮e的啮合去保证它的同心。但实际使用中，因为齿侧间隙的存在，行星架H并不一定在中心位置，以及在侧装时因为重力的关系，行星架H也会始终偏向一边，从而导致太阳轮a与行星轮c、d，行星轮c、d与内齿轮b、输出内齿轮e的啮合不均匀，严重影响齿轮的传动效率，并且长时间处在不均匀啮合状态下，容易导致齿轮磨损不一，从而出现振动过大、噪声大以及断齿等问题。

    3.3 各传动之间的摩擦损耗

    因为本公司精小型电动执行机构的行星轮结构以电机为输入源，电机本身的功率较小只有10W，传动过程中的各种阻力和摩擦损耗对于整个机构来说就是相当大的功率损耗，而原结构有几处是滑动轴承，如果配合精度等达不到要求，与滑动轴承的运行配合摩擦阻力会较大，对整个机构的效率会有很大的影响。

    4.1 加工工艺的改进

    因为本公司加工设备达不到精度等级要求，所以采用外协的方式加工齿轮，利用小型化、高精度设备加工，保证其精度能达到7级。另外，原先采用的先加工齿形后热处理淬火的工艺改为先粗加工齿轮，留一定的余量进行淬火，淬火完后再进行最后的精加工。这样既保证了齿轮的硬度、韧性等要求，又能保证齿形的正确性和精度，加工完后其表面粗糙度可达Rz0.8。利用此工艺加工后，齿轮在运转中啮合较流畅，不会产生原先结构形式的噪音，也不再出现“咬死”现象。

    4.2 定位结构的改进

    考虑到行星架的浮动以及摩擦阻力的影响对整个机构的效率影响最大，对结构做了如下改动（见图3）：

    图3 改进后NGWN行星轮结构Fig.3 Improved NGWN planetary gear structure

    1） 太阳轮a的上下两端用滚动轴承进行定位。相较于之前的一端定位，减少太阳轮晃动，也能有效地保证太阳轮a的中间位置，保证与行星轮c、d一直处于均匀啮合状态，减少太阳轮晃动引起的为正常啮合现象。

    2） 箱体上原先与输出轴之间使用滑动轴承进行轴心定位，摩擦阻力相对输出扭矩所占百分比较大，会直接影响最终输出扭矩。现改为滚针轴承进行定位，减少摩擦阻力，增加整套机构转动效率。

    3） 行星架H初始设计并没有中心定位，其浮动于内齿轮b和输出内齿轮e中，仅靠齿轮啮合中心定位。现在改变行星架H的结构，上下两端设计凸台并用滚动轴承进行中心定位，使其能均匀与各齿之间啮合传动，减少不良啮合、负载不均产生的功率损耗。

    4） 行星轮c、d内孔初始设计与行星轮转轴直接配合并转动，带载运行时其摩擦阻力较大，对输出功率有较大损耗，改进后两者之间用滚针轴承进行过渡，有效减少两者之间的摩擦阻力。

    经过上述设计改进后，对样机进行了负载测试。初始设计时，整机最大可以带动20Nm负载，并且在最大负载位置启动时电机功率表现的明显不足，完全无法达到设计时的标准要求。更改设计后，同样的实验环境条件下，可以带动40Nm的负载，比原先增加了50%的负载能力。NGWN型行星轮的使用效率增加了30%以上，对于一个精小型结构的电动执行机构来说是相当可观的效率增加，也解决了此款产品的力矩输出不达标问题，对于精小型电动执行机构以后的开发也有相当大的促进作用。

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