精密傳動(dòng)及系統(tǒng)概論

1、精密傳動(dòng)及系統(tǒng) 概 論傳動(dòng)傳動(dòng)：2、工作機(jī)構(gòu)常要求能夠變速，而用調(diào)節(jié)動(dòng)力機(jī)速度的方法來(lái)達(dá)到這一目的往往不很經(jīng)濟(jì)。為什么機(jī)器中要有傳動(dòng)？為什么機(jī)器中要有傳動(dòng)？ 是一種在距離間傳遞能量并兼實(shí)現(xiàn)某些其它作用的裝置。1、工作機(jī)構(gòu)所要求的速度、轉(zhuǎn)矩或力，通常與動(dòng)力機(jī)不一致。4、若干個(gè)運(yùn)動(dòng)形式和速度都不同的工作機(jī)構(gòu)，需要同一個(gè)動(dòng)力機(jī)來(lái)帶動(dòng)。3、工作機(jī)構(gòu)往往需要多樣的運(yùn)動(dòng)，而動(dòng)力機(jī)的輸出軸一般只作等速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)室名稱成立時(shí)間及規(guī)模研究?jī)?nèi)容研究特色產(chǎn)品領(lǐng)域英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)齒輪技術(shù)研究中心1970年，24位工程師及技術(shù)人員齒輪設(shè)計(jì)、制造、分析、表面工程等研究及實(shí)驗(yàn)技術(shù)齒面接觸特性、失效機(jī)理及表面改性風(fēng)電、汽

2、車、航空、國(guó)防德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)齒輪研究中心1951年，45位工程師及技術(shù)人員齒輪、變速箱以及汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析、摩擦學(xué)等研究及實(shí)驗(yàn)技術(shù)齒輪的可靠性及振動(dòng)特性汽車、航空、國(guó)防美國(guó)俄亥俄州齒輪傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)室1980年，26位工程師及技術(shù)人員齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)與分析、接觸力學(xué)，動(dòng)力學(xué)及有限元分析、功率損耗和效率、接觸和彎曲疲勞工程、表面磨損潤(rùn)滑摩擦機(jī)理、計(jì)量和測(cè)試方法齒輪動(dòng)力學(xué)及噪聲控制汽車、工程機(jī)械、機(jī)床、航空重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1988年，固定研究人員51人設(shè)計(jì)理論與方法、界面力學(xué)、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、高性能傳動(dòng)件、振動(dòng)噪聲控制、新型傳感器及測(cè)試、機(jī)床裝備、加工制造等方面新型傳感器、齒輪嚙合原

3、理及齒面創(chuàng)成機(jī)床、工程機(jī)械、汽車、航空、船舶隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，齒輪行業(yè)市場(chǎng)總規(guī)模和產(chǎn)銷額每年以15%左右的速度增長(zhǎng)，我國(guó)已成為名副其實(shí)的齒輪制造大國(guó)。2012年齒輪行業(yè)的年產(chǎn)值已近2000億元，排名穩(wěn)居世界第2位。齒輪是高端裝備的關(guān)鍵基礎(chǔ)件，而高端裝備制造業(yè)是我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的七大戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，相關(guān)研發(fā)工作體現(xiàn)了我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求和國(guó)家目標(biāo)。 直升機(jī)是航空飛行器的典型代表，是軍民通用的高技術(shù)運(yùn)載裝備。市場(chǎng)預(yù)測(cè)顯示，20082017年全世界直升機(jī)的新機(jī)總產(chǎn)量將達(dá)20000架以上，總產(chǎn)值約3000億美元，2018年，中國(guó)將交付1500架左右的民用直升機(jī)，市場(chǎng)潛力巨大。直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的作用

4、是將發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力按一定比例傳遞到旋翼、尾槳和各附件，是發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出必不可少的傳輸部件。直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)性能指標(biāo)有：功重比、安全性、壽命以及在貧油/無(wú)油情況下的生存能力。目前國(guó)外直升機(jī)主減器翻修間隔期（TBO）已達(dá)到5000小時(shí)，而我國(guó)只能達(dá)到2000小時(shí)左右。 坦克的齒輪傳動(dòng)箱連接坦克發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱，是坦克傳動(dòng)裝置的一個(gè)關(guān)鍵部件。目前我國(guó)坦克年產(chǎn)量大約為500輛，已超越俄羅斯躍居世界第一。預(yù)計(jì)在2008-2017年間，全球坦克的總產(chǎn)量將達(dá)到大約6900輛，總價(jià)值高達(dá)279億美元。國(guó)際預(yù)測(cè)公司報(bào)告顯示，在今后10年中，中國(guó)制坦克將占據(jù)大約40%的市場(chǎng)份額。盡管我國(guó)坦克市場(chǎng)占有量及坦克性能有

5、了大幅提高，但是其傳動(dòng)系統(tǒng)主要依賴進(jìn)口或改制國(guó)外先進(jìn)裝備。因此研制重量更輕、更緊湊的高功率密度傳動(dòng)箱是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。根據(jù)鐵路中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃和東部鐵路率先實(shí)現(xiàn)裝備現(xiàn)代化的戰(zhàn)略部署以及國(guó)家中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃（2008年調(diào)整），到2015年，將在哈爾濱、沈陽(yáng)、北京、濟(jì)南、上海、鄭州、南昌鐵路局和廣鐵集團(tuán)公司投入大約1500列動(dòng)車組，總里程達(dá)1.3萬(wàn)公里的高速鐵路客運(yùn)專線和快速客運(yùn)通道，預(yù)計(jì)高速齒輪箱的產(chǎn)值將達(dá)到60億元。在城市軌道交通領(lǐng)域，到2015年前后，將新建79條軌道交通線路，總里程將達(dá)到2260公里，對(duì)齒輪箱需求量很大。高鐵齒輪箱的基本要求是：高安全、輕量化、高速度、低噪聲。到目前為止，

6、我國(guó)時(shí)速160公里以上動(dòng)車和高鐵齒輪箱完全依賴進(jìn)口。 船用齒輪箱是船舶動(dòng)力系統(tǒng)的主推進(jìn)傳動(dòng)裝置，具有倒順、離合、減速和承受螺旋槳推力的功能，是船舶工業(yè)的重要關(guān)鍵設(shè)備。大功率船用齒輪箱由于其特殊的使用條件工況，要求承載能力高、體積小、重量輕，綜合技術(shù)性能指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它船用齒輪箱。由于我國(guó)齒輪行業(yè)整體基礎(chǔ)和技術(shù)發(fā)展不均衡，船舶基礎(chǔ)部件精細(xì)化設(shè)計(jì)技術(shù)薄弱、研發(fā)投入少，高承載輕量化齒輪箱技術(shù)發(fā)展緩慢依然落后于船舶整機(jī)技術(shù)水平，與國(guó)際先進(jìn)技術(shù)水平存在明顯差距，高端領(lǐng)域的大功率船舶齒輪箱依然采用進(jìn)口高性能減速器是機(jī)器人系統(tǒng)的重要單元之一，且其性能對(duì)機(jī)器人的總體性能產(chǎn)生重要影響。通常，每臺(tái)機(jī)器人使用310

7、0臺(tái)減速器。如美國(guó)的移動(dòng)式機(jī)器人，全身各關(guān)節(jié)均采用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)精密減速器的結(jié)構(gòu)，其中1個(gè)手臂就用了30個(gè)精密傳動(dòng)裝置；蘇聯(lián)的移動(dòng)機(jī)器人，其成對(duì)安裝的8個(gè)輪子也分別采用了密閉式精密齒輪驅(qū)動(dòng)裝置；又如焊接機(jī)器人，其工況要求其自由度為5或者6，其精密減速器的需要為每臺(tái)5套或者6套。工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、軍事機(jī)器人是機(jī)器人用高性能減速器的市場(chǎng)需求的典型行業(yè)。傳動(dòng)的形式傳動(dòng)的形式a)單流傳動(dòng)動(dòng)力機(jī)傳動(dòng)裝置工作機(jī)動(dòng)力機(jī)工作機(jī)b)分流傳動(dòng)動(dòng)力機(jī)傳動(dòng)裝置工作機(jī)傳動(dòng)裝置工作機(jī)傳動(dòng)裝置工作機(jī)c)匯流傳動(dòng)動(dòng)力機(jī)傳動(dòng)裝置動(dòng)力機(jī)傳動(dòng)裝置工作機(jī)動(dòng)力機(jī)傳動(dòng)裝置 機(jī)械傳動(dòng)，是利用機(jī)械方式傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)。 傳動(dòng)的傳動(dòng)的

8、類型類型機(jī)械傳動(dòng)、流體傳動(dòng)、電力傳動(dòng)、磁力傳動(dòng)摩擦輪傳動(dòng)直接接觸摩擦式無(wú)級(jí)變速器摩擦傳動(dòng)帶傳動(dòng)有中間撓性件 帶式無(wú)級(jí)變速器繩傳動(dòng)普通齒輪傳動(dòng)行星齒輪傳動(dòng)直接接觸 諧波齒輪傳動(dòng)蝸桿傳動(dòng)機(jī)械傳動(dòng) 嚙合傳動(dòng)螺旋傳動(dòng)鏈傳動(dòng)有中間撓性件 鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器同步帶傳動(dòng)凸輪傳動(dòng)直接接觸 棘輪傳動(dòng)推壓傳動(dòng)槽輪傳動(dòng)有中間撓性件連桿機(jī)構(gòu)摩擦輪傳動(dòng)直接接觸摩擦式無(wú)級(jí)變速器摩擦傳動(dòng)帶傳動(dòng)有中間撓性件 帶式無(wú)級(jí)變速器繩傳動(dòng)普通齒輪傳動(dòng)行星齒輪傳動(dòng)直接接觸 諧波齒輪傳動(dòng)蝸桿傳動(dòng)機(jī)械傳動(dòng) 嚙合傳動(dòng)螺旋傳動(dòng)鏈傳動(dòng)有中間撓性件 鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器同步帶傳動(dòng)凸輪傳動(dòng)直接接觸 棘輪傳動(dòng)推壓傳動(dòng)槽輪傳動(dòng)有中間撓性件連桿機(jī)構(gòu)摩擦輪傳動(dòng)直接接觸

9、摩擦式無(wú)級(jí)變速器摩擦傳動(dòng)帶傳動(dòng)有中間撓性件 帶式無(wú)級(jí)變速器繩傳動(dòng)普通齒輪傳動(dòng)行星齒輪傳動(dòng)直接接觸 諧波齒輪傳動(dòng)蝸桿傳動(dòng)機(jī)械傳動(dòng) 嚙合傳動(dòng)螺旋傳動(dòng)鏈傳動(dòng)有中間撓性件 鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器同步帶傳動(dòng)凸輪傳動(dòng)直接接觸 棘輪傳動(dòng)推壓傳動(dòng)槽輪傳動(dòng)有中間撓性件連桿機(jī)構(gòu)半環(huán)型錐盤滾輪式摩擦輪傳動(dòng)直接接觸摩擦式無(wú)級(jí)變速器摩擦傳動(dòng)帶傳動(dòng)有中間撓性件 帶式無(wú)級(jí)變速器繩傳動(dòng)普通齒輪傳動(dòng)行星齒輪傳動(dòng)直接接觸 諧波齒輪傳動(dòng)蝸桿傳動(dòng)機(jī)械傳動(dòng) 嚙合傳動(dòng)螺旋傳動(dòng)鏈傳動(dòng)有中間撓性件 鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器同步帶傳動(dòng)凸輪傳動(dòng)直接接觸 棘輪傳動(dòng)推壓傳動(dòng)槽輪傳動(dòng)有中間撓性件連桿機(jī)構(gòu)摩擦輪傳動(dòng)直接接觸摩擦式無(wú)級(jí)變速器摩擦傳動(dòng)帶傳動(dòng)有中間撓性件 帶式

10、無(wú)級(jí)變速器繩傳動(dòng)普通齒輪傳動(dòng)行星齒輪傳動(dòng)直接接觸 諧波齒輪傳動(dòng)蝸桿傳動(dòng)機(jī)械傳動(dòng) 嚙合傳動(dòng)螺旋傳動(dòng)鏈傳動(dòng)有中間撓性件 鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器同步帶傳動(dòng)凸輪傳動(dòng)直接接觸 棘輪傳動(dòng)推壓傳動(dòng)槽輪傳動(dòng)有中間撓性件連桿機(jī)構(gòu)駐車制動(dòng)系統(tǒng)斜橋料車上料機(jī)摩擦輪傳動(dòng)直接接觸摩擦式無(wú)級(jí)變速器摩擦傳動(dòng)帶傳動(dòng)有中間撓性件 帶式無(wú)級(jí)變速器繩傳動(dòng)普通齒輪傳動(dòng)行星齒輪傳動(dòng)直接接觸 諧波齒輪傳動(dòng)蝸桿傳動(dòng)機(jī)械傳動(dòng) 嚙合傳動(dòng)螺旋傳動(dòng)鏈傳動(dòng)有中間撓性件 鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器同步帶傳動(dòng)凸輪傳動(dòng)直接接觸 棘輪傳動(dòng)推壓傳動(dòng)槽輪傳動(dòng)有中間撓性件連桿機(jī)構(gòu)(1)(2)(3)摩擦輪傳動(dòng)直接接觸摩擦式無(wú)級(jí)變速器摩擦傳動(dòng)帶傳動(dòng)有中間撓性件 帶式無(wú)級(jí)變速器繩傳動(dòng)普通

11、齒輪傳動(dòng)行星齒輪傳動(dòng)直接接觸 諧波齒輪傳動(dòng)蝸桿傳動(dòng)機(jī)械傳動(dòng) 嚙合傳動(dòng)螺旋傳動(dòng)鏈傳動(dòng)有中間撓性件 鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器同步帶傳動(dòng)凸輪傳動(dòng)直接接觸 棘輪傳動(dòng)推壓傳動(dòng)槽輪傳動(dòng)有中間撓性件連桿機(jī)構(gòu)摩擦輪傳動(dòng)直接接觸摩擦式無(wú)級(jí)變速器摩擦傳動(dòng)帶傳動(dòng)有中間撓性件 帶式無(wú)級(jí)變速器繩傳動(dòng)普通齒輪傳動(dòng)行星齒輪傳動(dòng)直接接觸 諧波齒輪傳動(dòng)蝸桿傳動(dòng)機(jī)械傳動(dòng) 嚙合傳動(dòng)螺旋傳動(dòng)鏈傳動(dòng)有中間撓性件 鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器同步帶傳動(dòng)凸輪傳動(dòng)直接接觸 棘輪傳動(dòng)推壓傳動(dòng)槽輪傳動(dòng)有中間撓性件連桿機(jī)構(gòu)摩擦輪傳動(dòng)直接接觸摩擦式無(wú)級(jí)變速器摩擦傳動(dòng)帶傳動(dòng)有中間撓性件 帶式無(wú)級(jí)變速器繩傳動(dòng)普通齒輪傳動(dòng)行星齒輪傳動(dòng)直接接觸 諧波齒輪傳動(dòng)蝸桿傳動(dòng)機(jī)械傳動(dòng) 嚙合

12、傳動(dòng)螺旋傳動(dòng)鏈傳動(dòng)有中間撓性件 鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器同步帶傳動(dòng)凸輪傳動(dòng)直接接觸 棘輪傳動(dòng)推壓傳動(dòng)槽輪傳動(dòng)有中間撓性件連桿機(jī)構(gòu)摩擦輪傳動(dòng)直接接觸摩擦式無(wú)級(jí)變速器摩擦傳動(dòng)帶傳動(dòng)有中間撓性件 帶式無(wú)級(jí)變速器繩傳動(dòng)普通齒輪傳動(dòng)行星齒輪傳動(dòng)直接接觸 諧波齒輪傳動(dòng)蝸桿傳動(dòng)機(jī)械傳動(dòng) 嚙合傳動(dòng)螺旋傳動(dòng)鏈傳動(dòng)有中間撓性件 鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器同步帶傳動(dòng)凸輪傳動(dòng)直接接觸 棘輪傳動(dòng)推壓傳動(dòng)槽輪傳動(dòng)有中間撓性件連桿機(jī)構(gòu)摩擦輪傳動(dòng)直接接觸摩擦式無(wú)級(jí)變速器摩擦傳動(dòng)帶傳動(dòng)有中間撓性件 帶式無(wú)級(jí)變速器繩傳動(dòng)普通齒輪傳動(dòng)行星齒輪傳動(dòng)直接接觸 諧波齒輪傳動(dòng)蝸桿傳動(dòng)機(jī)械傳動(dòng) 嚙合傳動(dòng)螺旋傳動(dòng)鏈傳動(dòng)有中間撓性件 鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器同步帶傳動(dòng)凸輪傳動(dòng)

13、直接接觸 棘輪傳動(dòng)推壓傳動(dòng)槽輪傳動(dòng)有中間撓性件連桿機(jī)構(gòu)課程主要內(nèi)容諧波齒輪傳動(dòng)擺線針輪行星傳動(dòng)滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)精密傳動(dòng)系統(tǒng) 常用的精密減速器以擺線減速器和諧波減速器為主；諧波傳動(dòng)通常適用于額定轉(zhuǎn)矩在1.7Nm3,400Nm范圍內(nèi)的傳動(dòng)，擺線類精密傳動(dòng)適用于額定扭矩在100Nm7,000Nm范圍內(nèi)的傳動(dòng)；在102Nm3400Nm范圍內(nèi)，兩種技術(shù)產(chǎn)品原則上都可行；實(shí)際上諧波傳動(dòng)多用在額定輸出扭矩小于200Nm的場(chǎng)合，在扭矩大于200Nm的情況下，擺線類傳動(dòng)明顯占有優(yōu)勢(shì)；擺線類精密傳動(dòng)的承載能力比諧波傳動(dòng)高一倍以上，扭轉(zhuǎn)剛度高3倍以上。諧波齒輪減速器是由美國(guó)的C.Walton Musser教授專門針對(duì)空

14、間應(yīng)用需求于1953年發(fā)明的，1955年得美國(guó)專利，1960年在紐約展出實(shí)物；諧波減速器具有回差小、單級(jí)減速比范圍大、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、低噪聲傳動(dòng)效率高、承載力大、體積小、質(zhì)量輕等多種其他減速器不具備的優(yōu)點(diǎn)；美國(guó)、前蘇聯(lián)、日本、德國(guó)、英國(guó)等國(guó)家以及我國(guó)都開(kāi)展了諧波減速器的設(shè)計(jì)理論、加工制造及試驗(yàn)應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)研究國(guó)外公司既生產(chǎn)可供海、陸、空使用的各種類型諧波傳動(dòng)裝置，也生產(chǎn)可供民用的諧波傳動(dòng)系列產(chǎn)品。美國(guó)、日本、歐洲等先進(jìn)國(guó)家已將該項(xiàng)技術(shù)大量應(yīng)用于空間飛行器的各種實(shí)施展開(kāi)、驅(qū)動(dòng)、精密指向、掃描、空間機(jī)器人活動(dòng)關(guān)節(jié)等運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，并已推廣應(yīng)用到地面雷達(dá)天線、通訊、電子、醫(yī)療器械、工業(yè)機(jī)器人、儀器儀表等多種

15、行業(yè)中，獲得了巨大的軍事收益和社會(huì)效益美國(guó)諧波驅(qū)動(dòng)科技公司可生產(chǎn)兩大類別7個(gè)系列的諧波減速器產(chǎn)品，已為NASA提供了3000臺(tái)以上的諧波減速器用于空間飛行器，包括Lunar rover，Hubble spacetelescope，Iridium satellite，Mars observation和International space station等。到目前為止，國(guó)外諧波傳動(dòng)的經(jīng)濟(jì)傳動(dòng)精度和回差已達(dá)到25角秒以內(nèi)，最高已達(dá)到5角秒以內(nèi)。我國(guó)從1961年開(kāi)始諧波齒輪傳動(dòng)方面的研制工作，并先后研制成多種類型的諧波齒輪傳動(dòng)裝置樣機(jī)。我國(guó)目前專業(yè)生產(chǎn)諧波齒輪的廠家很少，并且在傳動(dòng)精度、保精度壽命、

16、可靠性等方面與國(guó)外產(chǎn)品均有較大差距。擺線類精密傳動(dòng)的基本原理是擺線針輪行星傳動(dòng)，主要包括RV傳動(dòng)、Twinspin、Dojen、擺線二次包絡(luò)減速器等。RV(Rotary Vector)傳動(dòng)采用了普通漸開(kāi)線齒輪行星傳動(dòng)與擺線針輪行星傳動(dòng)構(gòu)成封閉式行星傳動(dòng)的組合結(jié)構(gòu)；具有傳動(dòng)比范圍大、剛性好、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)RV傳動(dòng)特別適用于載荷大(輸出扭矩大于200Nm)、過(guò)載能力強(qiáng)、剛度高的場(chǎng)合，如可換刀具的圓盤傳動(dòng)帶、工作母機(jī)上的塔輪傳動(dòng)、焊接設(shè)備、分度工作臺(tái)、機(jī)器人關(guān)節(jié)等；目前日本生產(chǎn)的RV傳動(dòng)的精度和回差已穩(wěn)定達(dá)到1角分以內(nèi)。國(guó)內(nèi)僅研制出RV減速器樣機(jī)，其傳動(dòng)誤差1角分，回差1.5角分，總體性能與國(guó)外同類減速器有較大差距；因此國(guó)內(nèi)使用的RV精密減速器完全依賴進(jìn)口。Twinspin擺線減速器是斯洛伐克推出的高性能精密傳動(dòng)，其突出的特點(diǎn)是：輸出機(jī)構(gòu)為滾子滑槽雙浮動(dòng)盤，專用軸承可同時(shí)承受大的軸向和徑向力。Twinspin減速器的承載能力甚至可達(dá)RV的150%200%，但扭轉(zhuǎn)剛度略低于RV，且動(dòng)力學(xué)性能稍差。Twinspin推出以來(lái)在歐洲獲得了廣泛應(yīng)用，但國(guó)內(nèi)尚未開(kāi)展相關(guān)研究。Dojen擺線減速器是美國(guó)研發(fā)的新型傳動(dòng)，其主要特點(diǎn)是：針齒與針齒套之間有滾針，且針齒一端的