精密传动及系统概论

1、精密传动及系统 概 论 传动传动： 2、工作机构常要求能够变速，而用调节动力机速度的方法来 达到这一目的往往不很经济。 为什么机器中要有传动？为什么机器中要有传动？ 是一种在距离间传递能量并兼实现某些其它作用的装置。 1、工作机构所要求的速度、转矩或力，通常与动力机不一致。 4、若干个运动形式和速度都不同的工作机构，需要同一个动 力机来带动。 3、工作机构往往需要多样的运动，而动力机的输出轴一般只 作等速回转运动。 实验室名称成立时间及规模研究内容研究特色产品领域 英国纽卡斯尔 大学齿轮技术 研究中心 1970年，24位工 程师及技术人员 齿轮设计、制造、分 析、表面工程等研究 及实验技术 齿

2、面接触特性、失 效机理及表面改性 风电、汽车、 航空、国防 德国慕尼黑工 业大学齿轮研 究中心 1951年，45位工 程师及技术人员 齿轮、变速箱以及汽 车传动系统的设计、 分析、摩擦学等研究 及实验技术 齿轮的可靠性及振 动特性 汽车、航空、 国防 美国俄亥俄州 齿轮传动实验 室 1980年，26位工 程师及技术人员 齿轮传动的设计与分 析、接触力学，动力 学及有限元分析、功 率损耗和效率、接触 和弯曲疲劳工程、表 面磨损润滑摩擦机理、 计量和测试方法 齿轮动力学及噪声 控制 汽车、工程机 械、机床、航 空 重庆大学机械 传动国家重点 实验室 1988年，固定研 究人员51人 设计理论与方法

3、、界 面力学、系统动力学、 高性能传动件、振动 噪声控制、新型传感 器及测试、机床装备、 加工制造等方面 新型传感器、齿轮 啮合原理及齿面创 成 机床、工程机 械、汽车、航 空、船舶 随着我国国民经济的高速发展，齿轮行业市场总规模和产销 额每年以15%左右的速度增长，我国已成为名副其实的齿轮制 造大国。 2012年齿轮行业的年产值已近2000亿元，排名稳居世界第2 位。齿轮是高端装备的关键基础件，而高端装备制造业是我国 重点发展的七大战略新兴产业，相关研发工作体现了我国国民 经济发展的需求和国家目标。 直升机是航空飞行器的典型代表，是军民通用的高技术运载 装备。市场预测显示，20082017年

4、全世界直升机的新机总产 量将达20000架以上，总产值约3000亿美元，2018年，中国将 交付1500架左右的民用直升机，市场潜力巨大。 直升机传动系统的作用是将发动机的运动和动力按一定比例 传递到旋翼、尾桨和各附件，是发动机动力输出必不可少的传 输部件。 直升机传动系统性能指标有：功重比、安全性、寿命以及在 贫油/无油情况下的生存能力。目前国外直升机主减器翻修间隔 期（TBO）已达到5000小时，而我国只能达到2000小时左右。 坦克的齿轮传动箱连接坦克发动机和变速箱，是坦克传动 装置的一个关键部件。 目前我国坦克年产量大约为500辆，已超越俄罗斯跃居世 界第一。预计在2008-2017年

5、间，全球坦克的总产量将达到 大约6900辆，总价值高达279亿美元。国际预测公司报告显 示，在今后10年中，中国制坦克将占据大约40%的市场份额。 尽管我国坦克市场占有量及坦克性能有了大幅提高，但是 其传动系统主要依赖进口或改制国外先进装备。因此研制重 量更轻、更紧凑的高功率密度传动箱是当前亟待解决的问题。 根据铁路中长期发展规划和东部铁路率先实现装备现代化的战 略部署以及国家中长期铁路网规划（2008年调整），到2015 年，将在哈尔滨、沈阳、北京、济南、上海、郑州、南昌铁路局和 广铁集团公司投入大约1500列动车组，总里程达1.3万公里的高速 铁路客运专线和快速客运通道，预计高速齿轮箱的产

6、值将达到60亿 元。 在城市轨道交通领域，到2015年前后，将新建79条轨道交通线 路，总里程将达到2260公里，对齿轮箱需求量很大。高铁齿轮箱的 基本要求是：高安全、轻量化、高速度、低噪声。 到目前为止，我国时速160公里以上动车和高铁齿轮箱完全依赖 进口。 船用齿轮箱是船舶动力系统的主推进传动装置，具有倒顺、 离合、减速和承受螺旋桨推力的功能，是船舶工业的重要关 键设备。 大功率船用齿轮箱由于其特殊的使用条件工况，要求承载 能力高、体积小、重量轻，综合技术性能指标远远高于其它 船用齿轮箱。 由于我国齿轮行业整体基础和技术发展不均衡，船舶基础 部件精细化设计技术薄弱、研发投入少，高承载轻量化

7、齿轮 箱技术发展缓慢依然落后于船舶整机技术水平，与国际先进 技术水平存在明显差距，高端领域的大功率船舶齿轮箱依然 采用进口 高性能减速器是机器人系统的重要单元之一，且其性能对机 器人的总体性能产生重要影响。通常，每台机器人使用3 100台减速器。如美国的移动式机器人，全身各关节均采用电 机直接驱动精密减速器的结构，其中1个手臂就用了30个精密 传动装置；苏联的移动机器人，其成对安装的8个轮子也分别 采用了密闭式精密齿轮驱动装置；又如焊接机器人，其工况要 求其自由度为5或者6，其精密减速器的需要为每台5套或者6 套。 工业机器人、服务机器人、军事机器人是机器人用高性能减 速器的市场需求的典型行业

8、。 传动的形式传动的形式 a)单流传动 动力机传动装置工作机 动力机 工作机 b)分流传动 动力机 传动装置工作机 传动装置工作机 传动装置工作机 c)汇流传动 动力机传动装置 动力机传动装置工作机 动力机传动装置 机械传动，是利用机械方式传递动力和运动的 传动。 传动的传动的类型类型 机械传动、流体传动、电力传动、磁力传动 摩擦轮传动 直接接触 摩擦式无级变速器 摩擦传动带传动 有中间挠性件 带式无级变速器 绳传动 普通齿轮传动 行星齿轮传动 直接接触 谐波齿轮传动 蜗杆传动 机械传动 啮合传动 螺旋传动 链传动 有中间挠性件 链式无级变速器 同步带传动 凸轮传动 直接接触 棘轮传动 推压传

9、动 槽轮传动 有中间挠性件连杆机构 摩擦轮传动 直接接触 摩擦式无级变速器 摩擦传动带传动 有中间挠性件 带式无级变速器 绳传动 普通齿轮传动 行星齿轮传动 直接接触 谐波齿轮传动 蜗杆传动 机械传动 啮合传动 螺旋传动 链传动 有中间挠性件 链式无级变速器 同步带传动 凸轮传动 直接接触 棘轮传动 推压传动 槽轮传动 有中间挠性件连杆机构 摩擦轮传动 直接接触 摩擦式无级变速器 摩擦传动带传动 有中间挠性件 带式无级变速器 绳传动 普通齿轮传动 行星齿轮传动 直接接触 谐波齿轮传动 蜗杆传动 机械传动 啮合传动 螺旋传动 链传动 有中间挠性件 链式无级变速器 同步带传动 凸轮传动 直接接触

10、棘轮传动 推压传动 槽轮传动 有中间挠性件连杆机构 半环型锥盘滚轮式 摩擦轮传动 直接接触 摩擦式无级变速器 摩擦传动带传动 有中间挠性件 带式无级变速器 绳传动 普通齿轮传动 行星齿轮传动 直接接触 谐波齿轮传动 蜗杆传动 机械传动 啮合传动 螺旋传动 链传动 有中间挠性件 链式无级变速器 同步带传动 凸轮传动 直接接触 棘轮传动 推压传动 槽轮传动 有中间挠性件连杆机构 摩擦轮传动 直接接触 摩擦式无级变速器 摩擦传动带传动 有中间挠性件 带式无级变速器 绳传动 普通齿轮传动 行星齿轮传动 直接接触 谐波齿轮传动 蜗杆传动 机械传动 啮合传动 螺旋传动 链传动 有中间挠性件 链式无级变速器

11、 同步带传动 凸轮传动 直接接触 棘轮传动 推压传动 槽轮传动 有中间挠性件连杆机构 驻车制动系统 斜桥料车上料机 摩擦轮传动 直接接触 摩擦式无级变速器 摩擦传动带传动 有中间挠性件 带式无级变速器 绳传动 普通齿轮传动 行星齿轮传动 直接接触 谐波齿轮传动 蜗杆传动 机械传动 啮合传动 螺旋传动 链传动 有中间挠性件 链式无级变速器 同步带传动 凸轮传动 直接接触 棘轮传动 推压传动 槽轮传动 有中间挠性件连杆机构 (1)(2)(3) 摩擦轮传动 直接接触 摩擦式无级变速器 摩擦传动带传动 有中间挠性件 带式无级变速器 绳传动 普通齿轮传动 行星齿轮传动 直接接触 谐波齿轮传动 蜗杆传动

12、机械传动 啮合传动 螺旋传动 链传动 有中间挠性件 链式无级变速器 同步带传动 凸轮传动 直接接触 棘轮传动 推压传动 槽轮传动 有中间挠性件连杆机构 摩擦轮传动 直接接触 摩擦式无级变速器 摩擦传动带传动 有中间挠性件 带式无级变速器 绳传动 普通齿轮传动 行星齿轮传动 直接接触 谐波齿轮传动 蜗杆传动 机械传动 啮合传动 螺旋传动 链传动 有中间挠性件 链式无级变速器 同步带传动 凸轮传动 直接接触 棘轮传动 推压传动 槽轮传动 有中间挠性件连杆机构 摩擦轮传动 直接接触 摩擦式无级变速器 摩擦传动带传动 有中间挠性件 带式无级变速器 绳传动 普通齿轮传动 行星齿轮传动 直接接触 谐波齿轮

13、传动 蜗杆传动 机械传动 啮合传动 螺旋传动 链传动 有中间挠性件 链式无级变速器 同步带传动 凸轮传动 直接接触 棘轮传动 推压传动 槽轮传动 有中间挠性件连杆机构 摩擦轮传动 直接接触 摩擦式无级变速器 摩擦传动带传动 有中间挠性件 带式无级变速器 绳传动 普通齿轮传动 行星齿轮传动 直接接触 谐波齿轮传动 蜗杆传动 机械传动 啮合传动 螺旋传动 链传动 有中间挠性件 链式无级变速器 同步带传动 凸轮传动 直接接触 棘轮传动 推压传动 槽轮传动 有中间挠性件连杆机构 摩擦轮传动 直接接触 摩擦式无级变速器 摩擦传动带传动 有中间挠性件 带式无级变速器 绳传动 普通齿轮传动 行星齿轮传动 直

14、接接触 谐波齿轮传动 蜗杆传动 机械传动 啮合传动 螺旋传动 链传动 有中间挠性件 链式无级变速器 同步带传动 凸轮传动 直接接触 棘轮传动 推压传动 槽轮传动 有中间挠性件连杆机构 课程主要内容 谐波齿轮传动 摆线针轮行星传动 滚动螺旋传动 精密传动系统 常用的精密减速器以摆线减速器和谐波减速器为主； 谐波传动通常适用于额定转矩在1.7Nm3,400Nm范围内 的传动，摆线类精密传动适用于额定扭矩在100Nm 7,000Nm范围内的传动； 在102Nm3400Nm范围内，两种技术产品原则上都可行； 实际上谐波传动多用在额定输出扭矩小于200Nm的场合， 在扭矩大于200Nm的情况下，摆线类传

15、动明显占有优势； 摆线类精密传动的承载能力比谐波传动高一倍以上，扭转 刚度高3倍以上。 谐波齿轮减速器是由美国的C.Walton Musser教授专门针对 空间应用需求于1953年发明的，1955年得美国专利，1960年 在纽约展出实物； 谐波减速器具有回差小、单级减速比范围大、运动平稳、低 噪声传动效率高、承载力大、体积小、质量轻等多种其他减速 器不具备的优点； 美国、前苏联、日本、德国、英国等国家以及我国都开展了 谐波减速器的设计理论、加工制造及试验应用等关键技术研究 国外公司既生产可供海、陆、空使用的各种类型谐波 传动装置，也生产可供民用的谐波传动系列产品。美国、 日本、欧洲等先进国家已

16、将该项技术大量应用于空间飞行 器的各种实施展开、驱动、精密指向、扫描、空间机器人 活动关节等运动机构上，并已推广应用到地面雷达天线、 通讯、电子、医疗器械、工业机器人、仪器仪表等多种行 业中，获得了巨大的军事收益和社会效益 美国谐波驱动科技公司可生产两大类别7个系列的谐波减 速器产品，已为NASA提供了3000台以上的谐波减速器用于 空间飞行器，包括Lunar rover，Hubble spacetelescope， Iridium satellite，Mars observation和International space station等。到目前为止，国外谐波传动的经济传动精度和回 差已达

17、到25角秒以内，最高已达到5角秒以内。 我国从1961年开始谐波齿轮传动方面的研制工作，并先 后研制成多种类型的谐波齿轮传动装置样机。我国目前专业 生产谐波齿轮的厂家很少，并且在传动精度、保精度寿命、 可靠性等方面与国外产品均有较大差距。 摆线类精密传动的基本原理是摆线针轮行星传动，主要包 括RV传动、Twinspin、Dojen、摆线二次包络减速器等。 RV(Rotary Vector)传动采用了普通渐开线齿轮行星传动与 摆线针轮行星传动构成封闭式行星传动的组合结构； 具有传动比范围大、刚性好、传动效率高等优点 RV传动特别适用于载荷大(输出扭矩大于200Nm)、过载 能力强、刚度高的场合，

18、如可换刀具的圆盘传动带、工作母 机上的塔轮传动、焊接设备、分度工作台、机器人关节等； 目前日本生产的RV传动的精度和回差已稳定达到1角分以 内。国内仅研制出RV减速器样机，其传动误差1角分，回差 1.5角分，总体性能与国外同类减速器有较大差距； 因此国内使用的RV精密减速器完全依赖进口。 Twinspin摆线减速器是斯洛伐克推出的高性能精密传动， 其突出的特点是：输出机构为滚子滑槽双浮动盘，专用轴 承可同时承受大的轴向和径向力。Twinspin减速器的承载能 力甚至可达RV的150%200%，但扭转刚度略低于RV，且 动力学性能稍差。Twinspin推出以来在欧洲获得了广泛应用， 但国内尚未开展相关研究。 Dojen摆线减速器是美国研发的新型传动，其主要特点是： 针齿与针齿套之间有