何芳

摘 要：行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)具有體積小、重量輕、傳動(dòng)平穩(wěn)、承載能力大以及傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)。但是由于漸開(kāi)線直齒輪在加工制造過(guò)程中存在制造誤差、安裝誤差等因素，使傳動(dòng)系統(tǒng)容易產(chǎn)生沖擊、振動(dòng)、噪音且傳動(dòng)不平穩(wěn)，進(jìn)而使行星傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)平穩(wěn)、承載能力大的優(yōu)良性能無(wú)法充分發(fā)揮。人字齒輪具有承載能力大、振動(dòng)和噪聲低且傳動(dòng)平穩(wěn)等特點(diǎn)，能有效發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。所以需加強(qiáng)對(duì)于此方面的研發(fā)與探索，本文介紹了其特點(diǎn)及其研究現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：NGW；行星傳動(dòng)；人字齒輪

一、NGW人字齒輪行星傳動(dòng)系統(tǒng)組成及原理

輪系可以獲得較大的傳動(dòng)比，能作較遠(yuǎn)距離的傳動(dòng)。分為定軸輪系和行星輪系，其中行星輪系應(yīng)用廣泛。按照傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中齒輪的嚙合方式分為：NGW、NN、NW、NGWN等等，其中的字母表示為：N-內(nèi)嚙合、W-外嚙合、G-內(nèi)外嚙合公用行星齒輪。NGW人字齒輪行星傳動(dòng)系統(tǒng)主要由太陽(yáng)輪a、行星輪c、內(nèi)齒圈b、行星架x、輸入軸及輸出軸構(gòu)成，其他輔助零件有滾動(dòng)軸承、平鍵、螺栓等。其簡(jiǎn)圖如下：

其工作原理為輸入功率通過(guò)輸入軸（電動(dòng)機(jī)）傳遞給太陽(yáng)輪a，太陽(yáng)輪a與行星輪c（可以多個(gè)）嚙合，將功率均勻分流給行星輪c，內(nèi)齒圈b與的行星輪進(jìn)行內(nèi)嚙合，行星輪c安裝在行星架X上，使得行星架既有公轉(zhuǎn)也有自轉(zhuǎn)，最后功率經(jīng)行星架匯流輸出。

二、NGW人字齒輪行星傳動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)和研究意義

行星齒輪傳動(dòng)具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比大、傳動(dòng)效率高以及運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，行星齒輪傳動(dòng)與普通定軸齒輪傳動(dòng)相比最具特性的優(yōu)點(diǎn)是：在傳遞功率時(shí)可以進(jìn)行功率分流以及輸入軸與輸出軸的同軸性。這一特性使得行星傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常緊湊，且承載能力大，達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)的目的。由于行星傳動(dòng)系統(tǒng)具有多個(gè)對(duì)稱且均勻分布在太陽(yáng)輪周圍的行星輪，使得行星輪作用在太陽(yáng)輪和行星架（轉(zhuǎn)臂）上的反作用力能相互平衡，并且使行星輪與轉(zhuǎn)臂之間的作用力相互抵消，從而提高了傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)效率、抗沖擊和振動(dòng)能力以及傳動(dòng)的平穩(wěn)性。由于行星傳動(dòng)系統(tǒng)的諸多優(yōu)點(diǎn)，使得它廣泛的應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)，有起重機(jī)械、工程機(jī)械、礦山機(jī)械等重型機(jī)械，有飛機(jī)、船舶、坦克等大型機(jī)械，有機(jī)床、汽車等中型機(jī)械，也有機(jī)械手、儀器儀表、機(jī)械表等小型機(jī)械。

目前，行星傳動(dòng)系統(tǒng)大多數(shù)采用漸開(kāi)線直齒圓柱齒輪和斜齒圓柱齒輪，但是直齒輪和斜齒輪應(yīng)用在大功率和重載荷機(jī)械設(shè)備存在一些問(wèn)題，比如齒輪強(qiáng)度低、噪聲和沖擊振動(dòng)大，這就使得機(jī)械設(shè)備存在一定的安全隱患。漸開(kāi)線直齒輪用于兩個(gè)相互平行的軸之間的傳動(dòng)，嚙合過(guò)程是間歇性的，在嚙合時(shí)同時(shí)進(jìn)行輪齒的嚙合和分離由于輪齒在制造中存在制造誤差、安裝誤差等因素，將會(huì)凸顯間歇傳動(dòng)的特性，導(dǎo)致傳動(dòng)裝置的噪音大、沖擊大且齒輪強(qiáng)度較低。斜齒輪既可用于兩個(gè)相互平行的軸傳動(dòng)也可用于兩個(gè)相互垂直的軸進(jìn)行交錯(cuò)傳動(dòng)，在嚙合時(shí)每一對(duì)輪齒的嚙入嚙出是漸次的，所以產(chǎn)生的沖擊、振動(dòng)和噪音較小，齒輪強(qiáng)度有所提高，傳動(dòng)比較平穩(wěn)，適用于重載，但是在傳動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生軸向分力，它使得裝置之間的摩擦力增大，使裝置易于磨損或損害，也存在一定的隱患

人字齒輪是兩個(gè)左右完全對(duì)稱的斜齒輪構(gòu)成的，由于是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，人字齒輪在傳動(dòng)時(shí)的振動(dòng)沖擊低、噪音小而且可以自平衡斜齒輪的軸向分力，齒輪的強(qiáng)度大，使得傳動(dòng)更加平穩(wěn)，適用于大功率、重載荷機(jī)械。隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)行星傳動(dòng)系統(tǒng)的性能要求越來(lái)越高，尤其是航空航天和艦船等領(lǐng)域。如果某機(jī)械設(shè)備的行星齒輪傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)性能不好，不僅滿足不了低沖擊、低噪音、重載荷、高強(qiáng)度和傳動(dòng)平穩(wěn)的工作要求，還會(huì)埋下安全隱患或發(fā)生安全事故。因此，引入采用人字齒輪的行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)具有重要意義。

三、行星齒輪傳動(dòng)研究現(xiàn)狀

行星齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中的一個(gè)非常重要部分，其具有傳動(dòng)比大、承載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、傳動(dòng)效率高和傳動(dòng)平穩(wěn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)勢(shì)突出、特點(diǎn)明顯?；谛行驱X輪傳動(dòng)技術(shù)開(kāi)發(fā)的各種行星齒輪增減速器、差速器、換向機(jī)構(gòu)越來(lái)越多的應(yīng)用于航空、艦船、汽車、礦山、冶金等行業(yè)。

19世紀(jì)80年代初，第一個(gè)行星齒輪傳動(dòng)裝置的專利在德國(guó)出現(xiàn)。19世紀(jì)以后，在汽車和飛機(jī)等行業(yè)快速發(fā)展的推動(dòng)下，行星齒輪傳動(dòng)技術(shù)得到了迅速發(fā)展。19世紀(jì)20年代，第一批行星差動(dòng)傳動(dòng)裝置制造成功，并應(yīng)用于汽車差速器。19世紀(jì)40年代末，各國(guó)大力發(fā)展汽車使用的行星差動(dòng)傳動(dòng)裝置。二戰(zhàn)后，美國(guó)、英國(guó)、俄羅斯等國(guó)加快研制航空母艦、波音系列飛機(jī)、大型坦克及工程機(jī)械等高速大功率機(jī)械，進(jìn)而使得行星傳動(dòng)系統(tǒng)得到快速發(fā)展。我國(guó)從1952年開(kāi)始研制應(yīng)用行星齒輪減速器，直到20世紀(jì)70年代，我國(guó)設(shè)計(jì)制定了四種NGW型行星齒輪減速器的標(biāo)準(zhǔn)。

國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)行星齒輪傳動(dòng)進(jìn)行了深入的研究，并得到了許多顯著的成果。王世宇等研究了行星齒輪傳動(dòng)的固有特性及模態(tài)躍遷現(xiàn)象；孫智民等]研究了NGW型行星齒輪傳動(dòng)的非線性動(dòng)力學(xué)；LIN等研究了行星齒輪由嚙合剛度變化引起的參數(shù)不穩(wěn)定性；BAHK等則研究了行星齒輪傳動(dòng)非線性動(dòng)力學(xué)的解析解；陸俊華等分析了行星齒輪傳動(dòng)的動(dòng)態(tài)均載特性；KIM等分析了輪體橫向振動(dòng)導(dǎo)致的時(shí)變嚙合角和時(shí)變重合度對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響；ERITENEL等采用彎—扭—軸—擺耦合模型分析了斜齒行星齒輪傳動(dòng)的固有特性。

目前國(guó)內(nèi)外齒輪界學(xué)者非常關(guān)注封閉差動(dòng)行星齒輪傳動(dòng)，它不僅具有行星齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)，還具有功率分流，承載能力大等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，學(xué)者們對(duì)封閉差動(dòng)行星齒輪傳動(dòng)技術(shù)的研究不斷深入，使得其飛速的發(fā)展，被廣泛的應(yīng)用。我國(guó)從一些先進(jìn)國(guó)家引進(jìn)了許多先進(jìn)的機(jī)械產(chǎn)品，使得我國(guó)的機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域開(kāi)始研究封閉差動(dòng)行星齒輪傳動(dòng)技術(shù)，我國(guó)的學(xué)者開(kāi)始研究它，并慢慢的實(shí)踐應(yīng)用和推廣。封閉差動(dòng)行星齒輪傳動(dòng)裝置在工程機(jī)械、起重機(jī)械、航空航天、艦船等領(lǐng)域均獲得了很好的應(yīng)用。

四、人字齒輪研究現(xiàn)狀

齒輪傳動(dòng)是近現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)中最常見(jiàn)的一種，齒輪的齒形設(shè)計(jì)與加工制造過(guò)程中的工藝水平的好壞，對(duì)產(chǎn)品的性能有很大的影響，由于齒輪在工業(yè)發(fā)展中的突出地位，可以說(shuō)它是一個(gè)國(guó)家工業(yè)水平的象征。

漸開(kāi)線齒輪的發(fā)展可以追溯到17世紀(jì)末，17世紀(jì)末，法國(guó)學(xué)者Philippe首先提出漸開(kāi)線可作為齒形曲線；18世紀(jì)70年代中期，瑞士的Euler L.提出漸開(kāi)線齒形輪廓后，漸開(kāi)線齒廓在后來(lái)的齒輪發(fā)展中研究很多，如王玉新等在漸開(kāi)線齒廓的研究；19世紀(jì)80年代初，德國(guó)工程師Hoppe提出了在壓力角改變時(shí)的漸開(kāi)線齒形，從而奠定了現(xiàn)代變位齒輪的理論基礎(chǔ)；20世紀(jì)20年代初，美國(guó)的懷爾德哈伯首次提出圓弧齒廓的齒輪；20世紀(jì)60年代中期，原蘇聯(lián)科學(xué)家Novikov經(jīng)過(guò)更加深入的研究后，將其投入實(shí)際應(yīng)用中。之后國(guó)內(nèi)諸多專家與學(xué)者投入到齒輪齒形與結(jié)構(gòu)研究中，比如李海翔等首次提出分階式雙漸開(kāi)線齒輪；周長(zhǎng)江等齒輪柔度與誤差的彎曲強(qiáng)度計(jì)算力點(diǎn)進(jìn)行了研究，且推導(dǎo)出了關(guān)于齒輪彎曲強(qiáng)度計(jì)算力點(diǎn)的位置判別式。進(jìn)入20世紀(jì)世紀(jì)，漸開(kāi)線齒輪、錐齒輪、準(zhǔn)雙曲面齒輪、斜齒輪和蝸輪蝸桿等傳動(dòng)方式相繼出現(xiàn)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)人字齒輪的研究也越來(lái)越多。如趙寧等通過(guò)遺傳算法對(duì)人字齒輪齒形的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使傳動(dòng)性能得到改善；廖映華等研究了嚙合剛度和嚙合誤差的隨機(jī)性對(duì)人字齒輪傳動(dòng)動(dòng)力學(xué)特性的影響；吳新躍等通過(guò)對(duì)齒輪模型的振動(dòng)與耦合分析，進(jìn)而得到人字齒輪的振動(dòng)理論分析模型；王藝杰等精確的建立人字齒輪三維模型，在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)接觸情況下對(duì)齒輪進(jìn)行受理分析，研究了壓力角和齒頂高系數(shù)在靜態(tài)接觸情況下對(duì)齒輪應(yīng)力的影響，以及齒廓修形在動(dòng)態(tài)接觸過(guò)程中對(duì)齒輪嚙合特性的影響。王峰等分析了人字齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)傳遞特性；王成等根據(jù)齒輪嚙合特性建立了人字齒輪動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)其求解和分析。

綜上所述，隨著齒輪行業(yè)的快速發(fā)展，諸多學(xué)者從多方面對(duì)人字齒輪進(jìn)行深入的研究，得到了許多有關(guān)人字齒輪的成果，從而使得人字齒輪可以更多的應(yīng)用在行星齒輪傳動(dòng)上。

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