微型行星齿轮传动设计

　　微机械是一门节能、低损耗和技术密集型的高新技术，它已成为人们在微米（μm）范围内认识和改造普通机械传动的一种新型工具。由于微机械具有微小外形或其操作度极小的特点，所以，微机械现已被列入“使今后十年工业科技大改观的十大关键技术”之首，现受到工业发达国家科技界、产业和政府部门的广泛重视，且已投入了较大的人力和物力进行开发。  

　　早在20世纪70年代，随着集成电路的刻蚀技术的发展，在一片很小的硅片上制造出了新型的微机械，如各种微传感器等。此后，在一些工业发达的国家又相继制造出了微电动机和各种微机构，如微型齿轮、微型蜗轮和微型弹簧以及微型连杆机构、滑块机构和齿轮机构等。目前科学家们正在研究简单通用的机器人。总之，微机械是当今生产力民展的必然产物。国内外具有远见卓识的科学家现已意识到微机将在国民经济、现代国防和科学技术等许多方面有着诱人的广阔应用前景，不少的工业发达国家都很重视其研究和开发工作。众所周知，机器通常是由原动机、工作机和传动机构三部分组成的。而微型机器的组成也应是如此。由此可知，实现微型机器的重要课题在于如何使电动机（原动机之一）和动力传递机构等部件更加微小化。换言之，微型电动机和微型齿轮机构的出现为实现微型机器奠定了重要的基础。   

　　众所周知，机器通常是由原动机、工作机和传动机构三部分组成的。而微型机器的组成也应是如此。由此可知，实现微型机器的重要课题在于如何使电动机（原动机之一）和动力传递机构等部件更加微小化。换言之，微型电动机和微型齿轮机构的出现为实现微型机器奠定了重要的基础。  

　　目前已获得了日益广泛使用的行星齿轮传动机构均被作为动力传递机构之一。该行星齿轮传动机构使用了多个行星轮来进行功率分流，从而有效地提高了其承载能力；同时还具有良好的同轴性。过去人们一直认为行星齿轮机构是一种结构紧凑、质量小、体积小，且能传递较大扭矩的传动机构。当然，这是将它与普通的齿轮传动机构相比较而言的。然而，当今如何使星齿轮传动微型化确是一个尚未掌握的新技术领域，即微型行星齿轮减速器的研制和生产在我国目前尚属空白。近年来，随着微细加工技术的出现和发展，而产生了微型齿轮减速器的技术背景。  

　　随着工业生产的发展，机器人已获得了日益广泛的使用。然而，对于机器人的结构而言，手臂越长则其惯性负荷就越大。若使用结构紧凑的微型行星齿轮减速器后，可以减轻其惯性负荷，即可选用与微型行星齿轮减速器相匹配的微电动机便可以高效率地驱动其手臂。因此，可以看作为转矩放大器的行星齿轮减速器，既可以弥补电动机功率的不足，同时又可以减速手臂的惯性负荷。可见，使用结构紧凑和具有较大传动比的行星齿轮减速器，将会为实现性能优良的机器人做出重大的贡献。行星齿轮减速器的这个功用不仅限于机器人，对于需要使用结构紧凑和较大传动比的大多数的伺服机构来说，微型行星齿轮减速器也同样地直到了上述的作用。  

　　总之，由于微型行星齿轮减速器具有结构紧凑、体积小、质量小、承载能力大和同轴性好等许多优点，它可以广泛地应用于航空航天、兵器、石油化工、纺织、轻工食品、精密机械、医疗器械、仪器仪表、机器人和工业机械手以及高级电动玩具等各个领域和部门。特别适用于各种伺服控制系统中。人们完全可以预料该微型行星齿轮减速器在现代的军用和民用工业中具有极广阔的应用前景。  

　　一、微型行星齿轮减速器结构  

　　微型行星齿轮传动通常有2Z-X型、Z-X-V型和3Z型三种传动类型。原则上，它们都可以用来制作微型行星齿轮减速器。但是，由于选取不同的传动类型而制作出来的微型行星齿轮减速器，其传动性能和功用就不完全一样。作者从参考文献28中较早地发现：选取3Z（Ⅱ）型—具有单齿圈行星轮的3Z型行星齿轮传动作为微型行星齿轮减速器确是一种选。人们称该传动型式为奇异型行星齿轮传动。仔细地分析一下，3Z（Ⅱ）型行星传动具有许多独特的优点：转臂x不承受外载荷，故转臂x 不是基本构件，因而又称转臂x 为行星架容易。其传动比范围大。因此，人们称3Z（Ⅱ）型行星齿轮传动是一种结构紧凑和减速比大的奇异行星齿轮传动。  

　　为了尽量使行星齿轮减速器微型化，就需要很小直径的齿轮。因齿轮的分度圆直径为d=mz。因此，需要缩小齿轮的模数m，减少齿轮的齿数z。表3-7列出该微型行星减速器所使用齿轮的数据。各齿轮的模数均为m=0.08mm。它们均是渐开线齿形的变位的圆柱直齿轮。

　　三、微型行星齿轮传动的发展动向 

　　1. 实现机电一体化 

　　在微型机器中，不仅需要可传递动力的微型传动装置—微型行星齿轮减速器，而且还需要能自带动力驱动装置的微型行星齿轮减速器。换言之，微型机器更需要由微电动机与微型行星齿轮减速器组合成紧凑的齿轮传动装置，使它具备驱动和减速传动两种功能。因此对于具备上述功能的机电一体化的齿轮传动装置，其特征是：这种微型行星减速器的输入轴与输出轴具有同轴性，而电动机轴应与其负荷紧凑地连接在一起。在结构上可以将电动机的轴与行星齿轮减速器的输入相连接，即电动机的轴与太阳轮a的齿轮轴位于同一个主轴线上，且相互连接起来。而行星齿轮减速器的输出轴（与内齿轮e连接为一体的）为该组合体的输出轴，由此构成为电动机和行星齿轮减速器组合成一体的内装式齿轮传动装置。也可以这样说，电动机与行星齿轮减速器两者合一而成为一种低速电动机，它的输出轴就可以直接与工作机相连接。现今关键的问题在于：为了使这种带有电动机的微型行星齿轮减速器能够达到实用化的程度，则需要有与微型星减速器外形尺寸大小差不多的、具有优良性能的、实用性的微型电动机。 

　　2. 齿轮的润滑 

　　在齿轮传动装置中的齿轮润滑问题是发展微型行星齿轮传动的一个极重要的问题。许多从事摩擦学研究的学者正在致力于更好地解决这个问题。而对于微型行星齿轮传动的润滑问题就显得更加重要。据有关文献阐明，在一般传递动力的齿轮减速器中，齿轮减速器的主轴直径越小，则其运转的摩擦扭矩在全部功率损失中所占的比例就越大。可是，在微型机器中，要精确地测定非常小的摩擦扭矩却不是一件容易办到的事。但微型行星齿轮减速器的摩擦扭矩在其全部功率损失中所占的比例可以推算出来，是会有所增大的。目前，人们特别关注于微型摩擦学领域中的研究工作，期待着在不久的将来它能有效地解决微型行星齿轮减速器的润滑问题，为使该微型行星齿轮减速器走向实用化起着巨大的推动作用。 

　　目前，人们正在进一步地开展新的研究工作，以便使微型行星齿轮减速器进一步实用化和更加微小化。而且，可以期待着：微型行星齿轮减速器今后一定会有所发展和在机械工程上成功地获得广泛应用。

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