摘要： 以電動(dòng)滾筒減速裝置為研究對(duì)象， 設(shè)計(jì)了全滾動(dòng)平面鋼球減速裝置。該減速裝置的結(jié)構(gòu)形式采用的是活齒傳動(dòng)的一種， 是由K-H-V 型少齒差行星齒輪傳動(dòng)變化而形成的一種新型傳動(dòng)， 它利用一組中間活動(dòng)件———活齒(鋼球) 來(lái)實(shí)現(xiàn)兩同軸之間的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向變換， 突破了長(zhǎng)期以來(lái)齒輪傳動(dòng)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征， 將行星齒輪的輪齒與輪體的剛性聯(lián)接改為運(yùn)動(dòng)副活動(dòng)聯(lián)接， 使行星齒輪的全部輪齒成為一組可作循環(huán)運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)體。整機(jī)可在要求工作性能穩(wěn)定可靠、傳動(dòng)比大、傳動(dòng)效率高、體積小和重量輕的場(chǎng)合使用。

1     研究?jī)?nèi)容的提出
         近年來(lái)， 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步， 電動(dòng)滾筒已經(jīng)廣泛應(yīng)用于采礦、冶金、煤炭、交通、能源、糧食、煙草、化工、建材、郵電、航空、農(nóng)林和印刷等各個(gè)生產(chǎn)建設(shè)領(lǐng)域， 在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中起到了越來(lái)越重要的作用。
       電動(dòng)滾筒是將電動(dòng)機(jī)和減速器裝入傳動(dòng)滾筒內(nèi)殼中， 支撐軸固定不動(dòng)， 筒體外殼旋轉(zhuǎn)的傳動(dòng)滾筒。各行各業(yè)對(duì)電動(dòng)滾筒性能的要求也不盡相同， 例如要求電動(dòng)滾筒功率很大， 卻又希望筒長(zhǎng)很短； 要求電動(dòng)滾筒的帶速極低， 甚至低到0.05m/s 以下； 要求電動(dòng)滾筒在斷電瞬時(shí)立即制動(dòng)； 要求電動(dòng)滾筒的噪聲很低；要求電動(dòng)滾筒隨著工況條件的改變， 帶速也能相應(yīng)改變；要求電動(dòng)滾筒只能朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)等等。為了滿足不同場(chǎng)合的需要， 電動(dòng)滾筒的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)了多種形式， 諧波齒輪傳動(dòng)技術(shù)就是其中一種形式。盡管諧波齒輪傳動(dòng)技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)， 但是由于諧波齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的制造工藝難度較大、生產(chǎn)成本較高等原因， 諧波齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在電動(dòng)滾筒中應(yīng)用還不夠普遍。
        本設(shè)計(jì)方案是針對(duì)現(xiàn)有諧波齒輪傳動(dòng)電動(dòng)滾筒的缺點(diǎn)而設(shè)計(jì)的全滾動(dòng)平面鋼球減速電動(dòng)滾筒。全滾動(dòng)平面鋼球減速電動(dòng)滾筒是在滿足承載能力及強(qiáng)度要求條件下， 使整機(jī)工作性能穩(wěn)定可靠、體積小、重量輕和便于使用[1]。
        在減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)上， 為了使設(shè)計(jì)出來(lái)的減速機(jī)構(gòu)體積小、重量輕、傳動(dòng)比范圍大， 減速器采用平面鋼球變速傳動(dòng)， 通過(guò)對(duì)少齒差行星齒輪傳動(dòng)演化而形成新型的活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)， 它利用一組鋼球(活齒) 來(lái)實(shí)現(xiàn)兩同軸之間的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向變換， 突破了長(zhǎng)期以來(lái)活齒傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)征， 使行星齒輪的全部輪齒成為一組循環(huán)運(yùn)動(dòng)的鋼球作為獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)件， 鋼球與徑向?qū)Р郾P(pán)組成活齒輪， 繞固定軸線轉(zhuǎn)動(dòng)， 使鋼球在徑向?qū)Р郾P(pán)的導(dǎo)向槽中按一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)， 以實(shí)現(xiàn)行星齒輪作行星運(yùn)動(dòng)的功能。
    
2     電動(dòng)滾筒的整體布局設(shè)計(jì)
          該電動(dòng)滾筒與傳統(tǒng)的電動(dòng)滾筒在外觀上上沒(méi)有什么區(qū)別， 主要是減速器部分采用了全滾動(dòng)平面鋼球減速裝置。有別于傳統(tǒng)電動(dòng)滾筒的減速裝置， 其整體布局如圖1 所示， 由左右支座、減速裝置、電機(jī)、滾筒體和接線盒等幾大部分組成。使用這種減速裝置的優(yōu)勢(shì)在于： 可以獲得較短筒體的同時(shí)獲得較大的傳動(dòng)比， 傳動(dòng)部件與被傳動(dòng)部件之間滾動(dòng)摩擦。
                        
        電動(dòng)滾筒的全滾動(dòng)平面鋼球減速裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示， 它由聯(lián)接電機(jī)軸的偏心凸輪盤(pán)、固定在支撐軸上的徑向?qū)Р郾P(pán)、與滾筒體聯(lián)接的擺線盤(pán)和夾在三者之間的鋼球組成。在偏心凸輪盤(pán)的端面上有一偏心e的弧形端面槽， 在徑向?qū)Р郾P(pán)上有8 條徑向?qū)Р郏?在擺線盤(pán)的端面上有一條擺線端面槽。
                              
3     電動(dòng)滾筒減速部分工作原理
          該電動(dòng)滾筒的減速部分采用的是活齒傳動(dòng)的一種， 它是由K-H-V 型少齒差行星齒輪傳動(dòng)變化而形成的一種新型傳動(dòng)， 它利用一組中間活動(dòng)件———活齒(鋼球) 來(lái)實(shí)現(xiàn)兩同軸部件之間的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的變換，突破了長(zhǎng)期以來(lái)齒輪傳動(dòng)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征， 將行星齒輪的輪齒與輪體的剛性聯(lián)接改為運(yùn)動(dòng)副活動(dòng)聯(lián)接， 使行星齒輪的全部輪齒成為一組作循環(huán)運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)體。如圖3 所示， 鋼球與偏心凸輪盤(pán)在擺線盤(pán)的升程槽面接觸情況， 輸入軸帶動(dòng)偏心凸輪盤(pán)以等角速度ω1順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)， 偏心凸輪盤(pán)上以圓心O1的偏心環(huán)形槽推動(dòng)鋼球沿著徑向?qū)Р郾P(pán)的徑向槽移動(dòng)， 同時(shí)鋼球受擺線盤(pán)上的擺線封閉槽的約束反推徑向?qū)Р郾P(pán)， 使其以等角速度ω2逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)， 完成平面鋼球傳動(dòng)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的變換。
                                 
        由工作原理可知： 平面鋼球傳動(dòng)是依據(jù)各個(gè)循環(huán)鋼球與偏心凸輪盤(pán)的封閉槽、擺線盤(pán)的擺線封閉槽和徑向?qū)Р郾P(pán)的徑向?qū)Р劢M成的各并聯(lián)的嚙合副交替工作來(lái)完成連續(xù)傳動(dòng)的。因此， 各并聯(lián)的嚙合副從嚙合開(kāi)始到結(jié)束的工作過(guò)程完全相同。
          
4     電動(dòng)滾筒減速傳動(dòng)部分的型分析
         偏心凸輪盤(pán)、徑向?qū)Р郾P(pán)和擺線盤(pán)三個(gè)基本構(gòu)件都是運(yùn)動(dòng)的， 則平面鋼球傳動(dòng)的自由度為2， 稱之為差動(dòng)平面鋼球傳動(dòng)， 它是平面鋼球傳動(dòng)的基礎(chǔ)型， 可以用來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的分解與合成， 如圖4 所示。
                              
          如果將平面鋼球傳動(dòng)的其中一個(gè)基本構(gòu)件固定，則其自由度為1， 稱為行星平面鋼球傳動(dòng)。利用“固定件轉(zhuǎn)換原理”， 可以得到三種行星平面鋼球傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖， 如圖4 中b、c、d 所示。再利用“主從動(dòng)件轉(zhuǎn)換原理” 可以得到以下幾種傳動(dòng)方案：
         1) 擺線盤(pán)固定， 偏心凸輪盤(pán)輸入， 徑向?qū)Р郾P(pán)輸出， 實(shí)現(xiàn)減速， 其傳動(dòng)比為： i31,2= Z2Z2-Z3； 徑向?qū)?nbsp;   槽盤(pán)輸入， 偏心凸輪盤(pán)輸出， 實(shí)現(xiàn)增速，其傳動(dòng)比為：  i32,1=Z2Z3Z2；
          2) 徑向?qū)Р郾P(pán)固定， 偏心凸輪盤(pán)輸入， 擺線盤(pán)輸出， 實(shí)現(xiàn)減速， 其傳動(dòng)比為： i21,3= Z3Z3-Z2； 擺線盤(pán)輸入， 偏心凸輪盤(pán)輸出， 實(shí)現(xiàn)增速， 其傳動(dòng)比為：i33,1=Z3Z2Z3；
          3) 偏心凸輪盤(pán)固定， 徑向?qū)Р郾P(pán)輸入， 輸擺線盤(pán)輸出， 實(shí)現(xiàn)減速， 其傳動(dòng)比為： i12,3= Z3Z2； 擺線盤(pán)輸入， 徑向?qū)Р郾P(pán)輸出， 實(shí)現(xiàn)增速， 其傳動(dòng)比為：i13,2= Z2Z3。
         根據(jù)上述幾種平面鋼球傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖可以設(shè)計(jì)出多種實(shí)用的結(jié)構(gòu)圖。本論文電動(dòng)滾筒采用的減速裝置是圖4 中的c 方式。   
         
5     電動(dòng)滾筒的減速部分設(shè)計(jì)
          該電動(dòng)滾筒的電機(jī)輸出功率為3kW、轉(zhuǎn)速為1420 r/min， 平面鋼球減速裝置的傳動(dòng)比為17，設(shè)計(jì)使用壽命為10 年， 每天工作8 小時(shí)。減速裝置主要是由偏心凸輪盤(pán)、徑向?qū)Р郾P(pán)、擺線盤(pán)和鋼球之間的相互運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的， 因此設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在偏心凸輪盤(pán)、徑向?qū)Р郾P(pán)和擺線盤(pán)的設(shè)計(jì)上， 其它零件設(shè)計(jì)計(jì)算不再敘述。根據(jù)已知條件偏心凸輪盤(pán)、徑向?qū)Р郾P(pán)和擺線盤(pán)的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容計(jì)算過(guò)程如下：
        根據(jù)傳動(dòng)比公式： i= ZbZb-Zq= 1717-16 =17； 擺線輪齒數(shù)Zb=17， 鋼球數(shù)Zq=16， 為了方便布置， 在不影響傳動(dòng)比的情況下， 很多少齒差傳動(dòng)裝置都會(huì)采用每個(gè)間隔抽一個(gè)齒的方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題， 因此在這里抽齒數(shù)為8。相對(duì)應(yīng)的徑向?qū)Р郾P(pán)的徑向?qū)Р蹟?shù)8 條， 所需鋼球數(shù)也為8 個(gè)。初選短幅系數(shù)：K1=0.6。
                          
                             
                             
             根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)后加工出的偏心凸輪盤(pán)、徑向?qū)Р郾P(pán)和擺線盤(pán)如圖5 所示。
                     

6      結(jié)論
          本文提出并研究設(shè)計(jì)了一款電動(dòng)滾筒的減速裝置。減速機(jī)構(gòu)采用全滾動(dòng)平面鋼球傳動(dòng)， 它是一種由K-H-V 型少齒差行星齒輪傳動(dòng)演化而形成的一種新型活齒傳動(dòng)， 它利用一組中間活動(dòng)件--活齒(鋼球)來(lái)實(shí)現(xiàn)兩同軸之間的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的變換， 突破了長(zhǎng)期以來(lái)齒輪傳動(dòng)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征， 將行星齒輪的輪齒與輪體的剛性聯(lián)接改為運(yùn)動(dòng)副活動(dòng)聯(lián)接， 使行星齒輪的全部輪齒成為一組作循環(huán)運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)體。鋼球與徑向?qū)Р郾P(pán)組成活齒輪， 改行星齒輪的行星運(yùn)動(dòng)為鋼球繞固定軸線轉(zhuǎn)動(dòng)， 并使諸鋼球在徑向?qū)Р郾P(pán)的導(dǎo)向槽中按一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)， 以實(shí)現(xiàn)行星齒輪做行星運(yùn)動(dòng)的功能。活齒傳動(dòng)這一結(jié)構(gòu)特征使其在小偏心距平行軸間的轉(zhuǎn)速變換過(guò)程中， 省去了少齒差行星齒輪傳動(dòng)必須采用的W 運(yùn)動(dòng)輸出結(jié)構(gòu)， 有效地克服了少齒差行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的不足。整機(jī)可在要求工作性能穩(wěn)定可靠、傳動(dòng)比大、傳動(dòng)效率高、體積小和重量輕的場(chǎng)合使用。