摘要： 以電動滾筒減速裝置為研究對象， 設計了全滾動平面鋼球減速裝置。該減速裝置的結構形式采用的是活齒傳動的一種， 是由K-H-V 型少齒差行星齒輪傳動變化而形成的一種新型傳動， 它利用一組中間活動件———活齒(鋼球) 來實現(xiàn)兩同軸之間的轉速和轉向變換， 突破了長期以來齒輪傳動的傳統(tǒng)結構特征， 將行星齒輪的輪齒與輪體的剛性聯(lián)接改為運動副活動聯(lián)接， 使行星齒輪的全部輪齒成為一組可作循環(huán)運動的獨立運動體。整機可在要求工作性能穩(wěn)定可靠、傳動比大、傳動效率高、體積小和重量輕的場合使用。

1     研究內容的提出
         近年來， 隨著科學技術的不斷進步， 電動滾筒已經(jīng)廣泛應用于采礦、冶金、煤炭、交通、能源、糧食、煙草、化工、建材、郵電、航空、農林和印刷等各個生產建設領域， 在我國國民經(jīng)濟中起到了越來越重要的作用。
       電動滾筒是將電動機和減速器裝入傳動滾筒內殼中， 支撐軸固定不動， 筒體外殼旋轉的傳動滾筒。各行各業(yè)對電動滾筒性能的要求也不盡相同， 例如要求電動滾筒功率很大， 卻又希望筒長很短； 要求電動滾筒的帶速極低， 甚至低到0.05m/s 以下； 要求電動滾筒在斷電瞬時立即制動； 要求電動滾筒的噪聲很低；要求電動滾筒隨著工況條件的改變， 帶速也能相應改變；要求電動滾筒只能朝一個方向旋轉等等。為了滿足不同場合的需要， 電動滾筒的傳動機構出現(xiàn)了多種形式， 諧波齒輪傳動技術就是其中一種形式。盡管諧波齒輪傳動技術具有很多優(yōu)點， 但是由于諧波齒輪傳動機構的制造工藝難度較大、生產成本較高等原因， 諧波齒輪傳動機構在電動滾筒中應用還不夠普遍。
        本設計方案是針對現(xiàn)有諧波齒輪傳動電動滾筒的缺點而設計的全滾動平面鋼球減速電動滾筒。全滾動平面鋼球減速電動滾筒是在滿足承載能力及強度要求條件下， 使整機工作性能穩(wěn)定可靠、體積小、重量輕和便于使用[1]。
        在減速機構的設計上， 為了使設計出來的減速機構體積小、重量輕、傳動比范圍大， 減速器采用平面鋼球變速傳動， 通過對少齒差行星齒輪傳動演化而形成新型的活齒傳動機構， 它利用一組鋼球(活齒) 來實現(xiàn)兩同軸之間的轉速和轉向變換， 突破了長期以來活齒傳動的結構征， 使行星齒輪的全部輪齒成為一組循環(huán)運動的鋼球作為獨立的運動件， 鋼球與徑向導槽盤組成活齒輪， 繞固定軸線轉動， 使鋼球在徑向導槽盤的導向槽中按一定的運動規(guī)律運動， 以實現(xiàn)行星齒輪作行星運動的功能。
    
2     電動滾筒的整體布局設計
          該電動滾筒與傳統(tǒng)的電動滾筒在外觀上上沒有什么區(qū)別， 主要是減速器部分采用了全滾動平面鋼球減速裝置。有別于傳統(tǒng)電動滾筒的減速裝置， 其整體布局如圖1 所示， 由左右支座、減速裝置、電機、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)勢在于： 可以獲得較短筒體的同時獲得較大的傳動比， 傳動部件與被傳動部件之間滾動摩擦。
                        
        電動滾筒的全滾動平面鋼球減速裝置結構如圖2所示， 它由聯(lián)接電機軸的偏心凸輪盤、固定在支撐軸上的徑向導槽盤、與滾筒體聯(lián)接的擺線盤和夾在三者之間的鋼球組成。在偏心凸輪盤的端面上有一偏心e的弧形端面槽， 在徑向導槽盤上有8 條徑向導槽， 在擺線盤的端面上有一條擺線端面槽。
                              
3     電動滾筒減速部分工作原理
          該電動滾筒的減速部分采用的是活齒傳動的一種， 它是由K-H-V 型少齒差行星齒輪傳動變化而形成的一種新型傳動， 它利用一組中間活動件———活齒(鋼球) 來實現(xiàn)兩同軸部件之間的轉速和轉向的變換，突破了長期以來齒輪傳動的傳統(tǒng)結構特征， 將行星齒輪的輪齒與輪體的剛性聯(lián)接改為運動副活動聯(lián)接， 使行星齒輪的全部輪齒成為一組作循環(huán)運動的獨立運動體。如圖3 所示， 鋼球與偏心凸輪盤在擺線盤的升程槽面接觸情況， 輸入軸帶動偏心凸輪盤以等角速度ω1順時針轉動， 偏心凸輪盤上以圓心O1的偏心環(huán)形槽推動鋼球沿著徑向導槽盤的徑向槽移動， 同時鋼球受擺線盤上的擺線封閉槽的約束反推徑向導槽盤， 使其以等角速度ω2逆時針轉動， 完成平面鋼球傳動轉速和轉向的變換。
                                 
        由工作原理可知： 平面鋼球傳動是依據(jù)各個循環(huán)鋼球與偏心凸輪盤的封閉槽、擺線盤的擺線封閉槽和徑向導槽盤的徑向導槽組成的各并聯(lián)的嚙合副交替工作來完成連續(xù)傳動的。因此， 各并聯(lián)的嚙合副從嚙合開始到結束的工作過程完全相同。
          
4     電動滾筒減速傳動部分的型分析
         偏心凸輪盤、徑向導槽盤和擺線盤三個基本構件都是運動的， 則平面鋼球傳動的自由度為2， 稱之為差動平面鋼球傳動， 它是平面鋼球傳動的基礎型， 可以用來進行運動的分解與合成， 如圖4 所示。
                              
          如果將平面鋼球傳動的其中一個基本構件固定，則其自由度為1， 稱為行星平面鋼球傳動。利用“固定件轉換原理”， 可以得到三種行星平面鋼球傳動運動簡圖， 如圖4 中b、c、d 所示。再利用“主從動件轉換原理” 可以得到以下幾種傳動方案：
         1) 擺線盤固定， 偏心凸輪盤輸入， 徑向導槽盤輸出， 實現(xiàn)減速， 其傳動比為： i31,2= Z2Z2-Z3； 徑向導    槽盤輸入， 偏心凸輪盤輸出， 實現(xiàn)增速，其傳動比為：  i32,1=Z2Z3Z2；
          2) 徑向導槽盤固定， 偏心凸輪盤輸入， 擺線盤輸出， 實現(xiàn)減速， 其傳動比為： i21,3= Z3Z3-Z2； 擺線盤輸入， 偏心凸輪盤輸出， 實現(xiàn)增速， 其傳動比為：i33,1=Z3Z2Z3；
          3) 偏心凸輪盤固定， 徑向導槽盤輸入， 輸擺線盤輸出， 實現(xiàn)減速， 其傳動比為： i12,3= Z3Z2； 擺線盤輸入， 徑向導槽盤輸出， 實現(xiàn)增速， 其傳動比為：i13,2= Z2Z3。
         根據(jù)上述幾種平面鋼球傳動運動簡圖可以設計出多種實用的結構圖。本論文電動滾筒采用的減速裝置是圖4 中的c 方式。   
         
5     電動滾筒的減速部分設計
          該電動滾筒的電機輸出功率為3kW、轉速為1420 r/min， 平面鋼球減速裝置的傳動比為17，設計使用壽命為10 年， 每天工作8 小時。減速裝置主要是由偏心凸輪盤、徑向導槽盤、擺線盤和鋼球之間的相互運動實現(xiàn)的， 因此設計的重點在偏心凸輪盤、徑向導槽盤和擺線盤的設計上， 其它零件設計計算不再敘述。根據(jù)已知條件偏心凸輪盤、徑向導槽盤和擺線盤的主要設計內容計算過程如下：
        根據(jù)傳動比公式： 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， 在不影響傳動比的情況下， 很多少齒差傳動裝置都會采用每個間隔抽一個齒的方法來解決這個問題， 因此在這里抽齒數(shù)為8。相對應的徑向導槽盤的徑向導槽數(shù)8 條， 所需鋼球數(shù)也為8 個。初選短幅系數(shù)：K1=0.6。
                          
                             
                             
             根據(jù)以上計算結果設計后加工出的偏心凸輪盤、徑向導槽盤和擺線盤如圖5 所示。
                     

6      結論
          本文提出并研究設計了一款電動滾筒的減速裝置。減速機構采用全滾動平面鋼球傳動， 它是一種由K-H-V 型少齒差行星齒輪傳動演化而形成的一種新型活齒傳動， 它利用一組中間活動件--活齒(鋼球)來實現(xiàn)兩同軸之間的轉速和轉向的變換， 突破了長期以來齒輪傳動的傳統(tǒng)結構特征， 將行星齒輪的輪齒與輪體的剛性聯(lián)接改為運動副活動聯(lián)接， 使行星齒輪的全部輪齒成為一組作循環(huán)運動的獨立運動體。鋼球與徑向導槽盤組成活齒輪， 改行星齒輪的行星運動為鋼球繞固定軸線轉動， 并使諸鋼球在徑向導槽盤的導向槽中按一定的運動規(guī)律運動， 以實現(xiàn)行星齒輪做行星運動的功能。活齒傳動這一結構特征使其在小偏心距平行軸間的轉速變換過程中， 省去了少齒差行星齒輪傳動必須采用的W 運動輸出結構， 有效地克服了少齒差行星齒輪傳動機構的不足。整機可在要求工作性能穩(wěn)定可靠、傳動比大、傳動效率高、體積小和重量輕的場合使用。