行星减速器机械效率影响因素分析

行星减速机

摘   要：微型行星减速器是新型机电产品，近年来发展迅速，国内外市场的需求也不断增大。提高微型减速器的机械效率对减速器的应用至关重要。传动比是影响微型减速器机械效率的重要因素，选择合适的传动级数、合理分配各级传动比能够较好地保证机械效率；良好的结构设计能够较好地兼顾载荷与效率的关系；微型减速器的材料类型多样，针对不同材料的特点合理选择可以减少摩擦磨损，提高机械效率。

关键词：行星减速器；机械效率；传动比；结构设计；工程塑料；粉末冶金材料

0  引言

减速器是机器中常用的一种降速传动装置，用于原动机和执行装置之间将原动机的速度转换为工作机所需要的转速。行星减速器是一种大传动比的减速器，由一系列齿轮组成，由于产品类型多，结构紧凑，其应用日益广泛，可以作为转矩放大器，用于机器人的手臂。在各种伺服控制系统中，行星减速器也得到普遍应用。随着微型机械的发展和应用，微型行星减速器的发展非常迅猛。微型减速器广泛应用于智能教学设备、医疗器械、航天航空、轨道交通、智能控制、仪器仪表、兵器装备、动态广告、石油化工、智能家居等各类场合。^[1]

机械效率是评价机器机械性能的重要参数，普通行星减速器的机械效率可以由经验公式计算出来，效率比较高。与普通减速器相比，微型行星减速器种类多，传动比范围远超过普通减速器。在结构上，微型行星减速器的行星轮采用多个对称布置，与普通减速器相比两者结构差异大。在材料选择上，普通减速器通常选用钢材，行星减速器的材料有钢材、铝合金、粉末冶金材料、工程塑料等多种材料，因此，行星减速器与普通减速器的机械效率有很大差异。目前没有很好的方法或经验公式计算，机械效率通常由检测设备测试得出。分析微型减速器机械效率的影响因素，可以为研究提高微型减速器机械效率的方法，提高产品质量及改进设计提供依据。微型减速器

1  行星减速器的组成和工作原理

行星减速器结构比较复杂，通常由中心轮、行星轮、行星架和机架组成。中心轮又称太阳轮，轴线固定，定轴转动。行星架轴线固定，一端定轴转动，另一端连接行星轮，是行星轮的轴线。行星轮的运动比较复杂，行星轮绕着自己的轴线自转，同时，它的轴线绕着中心轮的轴线公转。为了减小体积和质量，微型减速器采用内啮合行星齿轮传动。图1为单级行星减速器组成原理图，中心轮1为外齿轮，与行星轮2啮合，中心轮3为内齿轮，Ｈ是行星架，组成行星轮系。通常从齿轮1输入传动，从行星架H输出传动。^{[2]微型减速器}微型行星减速器通常采用多级传动，单级行星轮的数目一般是2～4个。

图1  行星减速器组成原理图

2  行星减速器机械效率

机械效率是衡量减速器机器机械性能的一个重要指标，它直接影响产品的使用性能、能源消耗和市场竞争力。普通减速器的机械效率可以通过公式计算得到。影响减速器机械效率的因素包括三个方面：(1)齿轮啮合效率，它是由齿轮传动时轮齿的摩擦磨损而产生的功率损失，是主要影响因素。(2)轴承效率，它是由滚动轴承的摩擦磨损而产生的功率损失。(3)液力损失效率，它是减速器采用油池润滑时齿轮搅动润滑油而产生的功率损失。轴承效率和液力损失效率比较高，影响不大。普通减速器效率比较高，通常在90％以上。但是，对于微型减速器而言，通常微型减速器结构复杂，啮合的齿轮数量一般是几对到十几对不等，啮合效率远远低于普通减速器。微型减速器中中心轮主轴采用滚动轴承，轴和行星架之间的摩擦磨损比较大，效率低于滚动轴承，受材料和精度的影响而变化，但是也没有具体的数据可以参考。在微型行星齿轮传动中，一些材料具有自润滑性能，不会采用油池润滑，所以，普通减速器机械效率计算公式无法使用。

至今仍无针对微型行星齿轮传动计算的效率的公式或方法。微型行星减速器的机械效率通常是通过专门开发的微型减速器机械效率测试设备测定的，不同型号的微型行星减速器机械效率以实测为准。微型减速器

3  微型行星减速器机械效率影响因素分析

3.1微型行星减速器的传动比

微型行星齿轮传动效率和传动比有关，传动效率值随着传动比i的变化而变化，通常传动比越大，机械效率越低。在实际应用中，特别是在机器人、智能设备中，需要行星减速器尺寸小、传动比范围大，通常采用多级行星减速器，如二级减速器、三级减速器和四级减速器等。对于多级行星减速器的传动比计算，可以分别计算每一级的传动比，比将每一级传动比相乘即可得到总传动。

微型减速器传动比范围大，单级减速器的传动比范围通常1:4～1:20，二级减速比范围1:12～1:96，三级减速器速比范围1:42～1:384，四级减速器速比可达1:126～1:1536。^[3]

微型减速器的机械效率随传动比的增加而减少。表1是某微型减速器生产厂家微型减速器的机械效率测试数据。从数据中可以看到，减速器级数越多，传动比越大，功率损失越多，机械效率越低。^[4]

表1  减速器传动比与机械效率

精密行星减速机

多级减速器的传动比是减速器每一级传动比的连乘积，因此，每一级减速器速比的分配对减速器很重要，是总体设计的主要内容。通常，高速级的第一级传动选择较大的传动比，因为第一级的转矩最小，后面的传动比可以根据具体情况合理分配。微型减速器

3.2微型行星减速器的结构

为提高承载能力，减速器的行星轮通常采用多个行星轮对称布置，通常行星轮可以根据载荷的大小采用2个到4个不等，通常在微型减速器中较多采用3个或4个均布。如图2(ａ)所示，行星减速器采用3×120°均布，(ｂ)所示行星减速器采用4×90°的结构的设计。

图2  行星减速器行星轮布置

相应的行星架也采用相应的结构设计，如图3所示。

图3  行星减速器行星架的结构

多个行星轮的使用分担了载荷，提高了减速器的承载能力，但每增加一个行星轮，就增加一对齿轮啮合，传动效率就会下降。多级行星减速器为了结构紧凑，通常共用内齿轮，即大齿圈，同时作为内齿轮也是减速器的外壳(机架)。以某型号二级微型减速器为例，图4为某行星减速器组成结构图，共分为二级传动，每一级均为内啮合行星齿轮传动，第一级结构有4个均布的行星齿轮，第二级结构有3个均布的行星齿轮，二级传动的内齿轮通常做成一个零件，即二级行星传动共用一个内齿轮，便于加工和装配。

图4  行星减速器的结构

伺服行星减速机

3.3行星减速器的材料选择微型减速器

普通行星减速器的传动零件齿轮、轴、轴承等主要选用钢材承载能力强。齿轮润滑方式采用油池润滑，润滑良好，传动效率高。箱体采用铸铁。微型行星齿轮减速器的材料选择标准要求既有行星齿轮传动的结构紧凑、体积小、重量轻、传动比大等优点，同时又具有极小的安装和运行空间可获得较大的增加转矩的功能，因此微型减速器传动零件制造材料的选择处于在不断的研究和创新过程中。目前，常采用的材料有钢材、粉末冶金材料、工程塑料和铝合金等。微型减速器传动零件多，结构复杂，为了减轻重量、减小摩擦磨损和噪音、提高减速器性能，在同一减速器中，不同类型的零件可以选择不同的材料；相同的零件，比如齿轮，也可以选择不同的材料。许多新材料应用于微型减速器传动零件的制造。

微型行星减速器中的内齿轮通常选用工程塑料制造。工程塑料强度高、稳定性优越、耐热性良好，可以自润滑，在微型行星减速器中应用较多。微型减速器内齿圈通常选工程塑料PA66。PA66是一种熔点较高的聚酰胺，属于一种半晶体－晶体材料，在较高温度也能保持较强的强度和刚度。^{[5]微型减速器}PA66塑料的粘性较低，流动性很好，可以用来加工薄壁的元件。内齿圈采用共用结构，为了分担载荷，微型减速器的每一级行星传动均采用三个或四个均匀分布的行星齿轮对称布置组成。减速器中的行星轮也可以选用工程塑料制造，常用的材料有工程塑料聚甲醛POM和工程用热塑性弹性体等。POM是一种高结晶聚合物，具有表面光滑、有光泽、吸水性小、尺寸稳定、耐磨、强度高、自润滑性好、着色性好、耐油、耐过氧化物等特点。POM具有较好的综合性能，在热塑性塑料中是最坚硬的，是塑胶原料中力学性能最接近金属的品种之一，其抗张强度、弯曲强度、耐疲劳强度、耐磨性和电性能都十分优良。

热塑性弹性体是一种高强度、高性能的材料。它的弹性和强度可恢复程度比较好，具有非常好的动力学性能。经过合理设计的部件在承受反复的拉伸和压缩后，可以承受数百万次弯曲循环，抗冲击强度高，即使在低温下也具有很好的韧性。^[6]

行星轮还可以选用粉末冶金材料制造。粉末冶金材料又称烧结减摩材料，由球状或不规则形状的金属或合金粉末经成型、烧结制成。材料内部孔道纵横交错、互相贯通，通过在材料孔隙中浸润滑，具有自润滑性能。^[7]粉末冶金材料表面间的摩擦系数小，在有限润滑油条件下使用寿命长、可靠性高，是一种较好的行星轮材料。

铝合金按铝合金具有强度高、质量轻、流动性好、耐蚀性好、熔点低等特点，可以用来制造减速器的行星架。为了保证机械精度和表面质量，行星架采用铝合金压铸成型。表2为某三级行星减速器材料，可以看到三级传动中的齿轮选择材料的多样性。一、二级传动处在较高速端，转矩较小，行星轮可采用不同的工程塑料材料；三级传动转矩大，载荷大，选用粉末冶金制造。太阳轮1材料选择各不相同，一级太阳轮选用钢制连轴齿轮，二级太阳轮用铝合金，三级传动太阳轮采用粉末冶金制造。表2为某型号三级行星减速器设计中的主要零件材料选择的具体情况。微型减速器

表2  某型号三级行星减速器材料

4  结语

影响微型行星减速器机械效率的因素比较多，在生产实践中，我们可以通过选择合适的传动比，优化结构设计，提高减速器的承载能力，同时兼顾机械提高。随着材料科学的发展，微型减速器材料的选择范围不断扩大，选择更加合适的材料，可以有效地提高减速器的机械效率。除此之外，齿轮的精度等级、太阳轮与轴的定位于固定方式、行星轮与行星架的安装与配合等因素也会影响微型减速器的机械效率。提高微型减速器的机械效率，可以减少功率损失，减轻传动零件的摩擦和磨损，减少减速器工作时的发热与温升。提高机器的机械性能和使用寿命具有重要意义，值得我们在实践中不断地进行探索和研究。微型减速器