轻质少齿差双压力角渐开线行星齿轮减速器及装配方法

摘要

本发明属于减速器技术领域，公开了轻质少齿差双压力角渐开线行星齿轮减速器及装配方法。本发明减速器主要是由两级传动的渐开线少齿差行星齿轮组成。双压力角的廓形设计使减速器在工作过程有多组轮齿参与啮合传动，提高了减速器承载能力和传动精度；两级外齿轮为分体式结构，可采用磨齿法进行精加工并根据各自的径跳偏差相位进行装配以补偿偏心轴的偏心误差；通过选用薄壁轴承和轻质材料及设计减重孔结构，以减轻减速器的整体重量；采用单孔多油路润滑方式同时实现齿轮和角接触球轴承的润滑；通过在配重上加减螺钉对装配后的减速器作精密动平衡。本发明提供的减速器具有输出扭矩大转矩、结构紧凑、重量轻、回差小的优点，具有良好的市场应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于减速器技术领域，涉及一种用于机器人关节驱动的轻质少齿差双压力角渐开线行星齿轮减速器及装配方法。

背景技术

减速器是机械传动领域中的一个重要装置，在原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和增加传递转矩的作用。现有机器人用的减速器，如行星齿轮减速器、谐波齿轮减速器、RV减速器、摆线针轮减速器、少齿差渐开线行星齿轮减速器等，受限于结构尺寸和质量，这类减速器不适用于对体积和质量要求严格的仿人机器关节驱动。

渐开线少齿差行星齿轮减速器属于行星减速器的一种，是由一对齿数差很少，通常内齿轮与外齿轮齿数差相差1或2 4齿的渐开线内啮合齿轮副组成的行星齿轮传动机构。渐开线少齿差行星齿轮减速器工作承载时，部分齿对间存在的小间隙会由于轮齿间的弹性变形而发生实际接触，因此渐开线少齿差行星齿轮减速器实际工作时会形成多齿对接触，提高承载能力和误差均化效应。但难点在于渐开线少齿差行星齿轮减速器设计计算十分繁琐，内齿轮与外齿轮存在各种干涉问题导致齿轮参数难以选择，有时需要对内齿轮和外齿轮进行修型才能解决其干涉问题。

发明内容

为解决仿人机器人关节驱动的减速器对于中等速比、尺寸紧凑、质量轻、输出转矩大、回差小等性能指标的需求，本发明提出一种轻质少齿差双压力角渐开线行星齿轮减速器，它主要是由两级传动的渐开线少齿差行星齿轮组成，两级传动的外齿轮是具有双压力角的短齿制渐开线圆柱齿轮，具体技术方案为：

一种轻质少齿差双压力角渐开线行星齿轮减速器，包括前端盖、滚针轴承、O型密封圈、输出法兰A、输出法兰B、偏心轴、深沟球轴承A、外卡簧、角接触轴承A、套筒、减摩环、内齿轮B、外齿轮B、角接触轴承B、挡油盖、外齿轮A、内齿轮A、轴承挡圈、配重、深沟球轴承B、后端盖、注油塞；

输出法兰A的端面沿圆周有均布的连接螺纹孔，用于与输出法兰B的连接装配；输出法兰B的内孔为深沟球轴承A外圈的径向定位基准，输出法兰A的内孔端面为深沟球轴承A的轴向定位基准面；输出法兰B的端面设有沿圆周均布的沉头孔和通孔，内齿轮B左端面沿圆周均布的螺纹盲孔分为两组，一组用于与输出法兰B的沉头孔连接，一组用于与输出法兰B的通孔轴线对齐，连接外部输出装置，对外输出扭矩；

前端盖左端面设有沿圆周均布的沉头孔，用于连接内齿轮A；前端盖左端面内孔有一环槽结构，用于装配O形密封圈；滚针轴承过盈装配于前端盖的滚针轴承室中；前端盖外圆柱面有若干个沿径向均匀分布的螺纹孔，用于将滚针轴承固定在前端盖内；

偏心轴由三个轴段和两个定位端面组成，第一轴段与第三轴段同轴，第二轴段相对第一、第三轴段有一偏心，偏心轴为内部中空结构；第一轴段为深沟球轴承A内圈的径向定位基准，第一端面为深沟球轴承A的轴向定位基准面；第二轴段靠近第一端面加工有一宽度为1mm的环形槽A，用于装配外卡簧，固定偏心轴第二轴段上零件的轴向位置，第二端面为配重的轴向定位基准面，第二轴段最大偏心位置靠近第二端面处有一定位锥孔，用于连接紧定螺钉将配重固定在偏心轴上；第三轴段为深沟球轴承B内圈的径向定位基准；

外齿轮A和内齿轮A均为渐开线直齿圆柱齿轮，具有相同的模数与压力角；第一级齿轮传动为少齿差行星齿轮传动，外齿轮A与内齿轮A齿数差为1～3，采用短齿制正变位，外齿轮A的加工精度为3～4级，内齿轮A的加工精度为5～6级；外齿轮A轮齿的齿顶渐开线经二次修型，装配到内齿轮A后工作时不会产生干涉，该减速器实际工作时，外齿轮A与内齿轮A为多齿多点啮合，承载能力较强；外齿轮A的轮辐腹板和内齿轮A的端面上均开有若干个减重孔，可有效减少减速器的整体重量；外齿轮A的环槽B过盈装配有一尼龙材质的挡油盖，可有效减少润滑油脂通过外齿轮A的轮辐减重孔流到减速器另一端，提高油脂的利用率；外齿轮A的内孔左端面为角接触轴承A的轴向定位基准面，外齿轮A的内孔为角接触轴承和套筒的径向定位基准，外齿轮A内孔中零件的装配顺序为：角接触轴承A、套筒、角接触轴承B；外齿轮B过盈装配到外齿轮A的定位轴径上，并通过螺钉连接固定在外齿轮A上，形成双联外齿轮。

深沟球轴承A、深沟球轴承B、角接触球轴承A和角接触轴承轴承B、滚针轴承均选用薄壁系列轴承；外齿轮A、外齿轮B、内齿轮A、内齿轮B、套筒、轴承挡圈、配重、偏心轴及连接螺钉选用钢制材料，挡油盖选用轻质耐腐蚀的尼龙材料，其它零件选用轻质的铝材或复合碳纤维材料。

外齿轮为具有双压力角短齿制的渐开线圆柱齿轮，在啮合过程中可实现多组轮齿同时参与啮合传动，同步提高了减速器的承载能力和传动精度。

减速器的输入输出连接螺纹均设在具有较大强度的钢制内齿轮上，提高了减速器连接的可靠性。

上述轻质少齿差双压力角渐开线行星齿轮减速器的装配方法，包括如下步骤：

步骤1，将配重通过紧定螺钉连接到偏心轴上；

用清洗剂将配重的内孔及配合面，偏心轴的各个轴段、端面和内孔清洗干净，然后在配合面上涂一层润滑油；以偏心轴的第二轴段为径向基准安装配重，连接紧定螺钉到配重的安装螺纹孔和偏心轴的定位锥孔中，将配重在偏心轴上的位置固定；

步骤2，将角接触轴承和套筒安装到外齿轮A的内孔中，将外齿轮B安装到外齿轮A上；

用清洗剂将外齿轮A、外齿轮B和套筒的各个表面清洗干净，在外齿轮A的内孔中涂一层润滑脂，以外齿轮A的内孔为径向定位基准，将角接触轴承和套筒依次装配到外齿轮A的内孔中，装配顺序为：角接触轴承A、套筒、角接触轴承B；预先根据外齿轮A的内孔深度和角接触轴承的厚度，通过精密研磨调整套筒的厚度，在装配角接触轴承和套筒后，使角接触轴承B的外圈端面露出外齿轮A的内孔端面约0.1mm；接着将挡油盖缓慢均匀压入外齿轮A的环槽B中，装配后挡油盖的一端不超出外齿轮A的轮齿端面；然后在外齿轮A的定位轴径和外齿轮B的内孔中涂一薄层润滑脂，以外齿轮A的定位轴径为径向定位基准装配外齿轮B；

步骤3，将外齿轮A，外齿轮B通过轴承挡圈和外卡簧固定到偏心轴上、安装深沟球轴承A、B到偏心轴上，安装后端盖与内齿轮A；

首先在偏心轴的第二轴段上涂一薄层润滑脂，然后将轴承挡圈套入偏心轴的第二轴段上；接着以偏心轴第二轴段的轴径为径向定位基准，以配重的左端面为轴向定位基准，将包含有外齿轮、角接触轴承A、B和套筒的装配体沿轴线方向装配到偏心轴的第二轴段上；连接螺钉到轴承挡圈的端面沉头孔、外齿轮A的端面通孔和外齿轮B的端面螺纹孔中，将外齿轮B固定在外齿轮A上，同时将角接触轴承和套筒在外齿轮A内孔中的轴向位置固定；接着装配外卡簧到偏心轴的环槽A中，将偏心轴第二轴段上零件的轴向位置固定；以偏心轴的第一轴段为轴承内圈的径向定位基准，以第一端面为轴承端面的轴向定位基准，装配深沟球轴承A；以偏心轴的第三轴段为轴承内圈的径向定位基准，以配重的定位端面为轴承端面的轴向定位基准，安装深沟球轴承B；

接着以深沟球轴承B的外圈为径向定位基准安装后端盖；然后装配内齿轮A到外齿轮A上，调整内齿轮A的安装位置，在保证轮齿不发生干涉的情况下，缓缓沿着轴向方向将内齿轮A装配到外齿轮A上，接着转动后端盖，将后端盖端面沉头孔的轴线与内齿轮A端面螺纹孔的轴线对齐，连接螺钉到后端盖的端面沉头孔和内齿轮A的一组螺纹孔中，按照对角的顺序拧紧螺钉，将后端盖与内齿轮A连接起来；

步骤4，将内齿轮B安装到外齿轮B上，将输出法兰安装到内齿轮B上；

首先安装内齿轮B到外齿轮B上，不断调整内齿轮B的安装方位，保证安装时内齿轮B与外齿轮B不发生干涉，缓缓沿着轴向方向将内齿轮B装配到外齿轮B上，在安装前对内齿轮B的端面进行贴塑刮研处理，贴塑的减摩环材料为聚四氟乙烯，通过研磨确保减摩环厚度的均匀性，从而确保外齿轮B输出时轴向的精度与刚度；以输出法兰B的左端面为输出法兰A的安装面，连接螺钉到输出法兰A和输出法兰B的端面螺纹孔中，将输出法兰A和输出法兰B连接起来；以深沟球轴承A的外圈为径向定位基准安装输出法兰A与输出法兰B的装配体，转动输出法兰，将输出法兰B的端面沉头孔轴线与内齿轮B的端面螺纹孔轴线对齐，然后连接螺钉到输出法兰B的端面沉头孔和内齿轮B端面的一组螺纹盲孔中，并按照对角顺序拧紧，最大限度的保证内齿轮B输出时与输出法兰B的同轴度；

步骤5，安装滚针轴承和前端盖

接着将滚针轴承装配到前端盖的滚针轴承室中，使滚针轴承的油孔轴线与前端盖注油塞安装孔的轴线对齐，沿轴向调整滚针轴承，消除滚针轴承左端面与前端盖滚针轴承室端面的间隙，然后连接紧定螺钉到前端盖外圆柱面的螺纹孔中并拧紧，将滚针轴承在前端盖中的位置固定，再装配注油塞到前端盖的注油塞安装孔中；接着将O型密封圈装配到前端盖的密封环槽中，沿密封环槽径向按压O型密封圈，消除O型密封圈与环槽之间的间隙；然后在输出法兰B和内齿轮B的外圆柱面上涂一薄层润滑脂，沿轴向将前端盖和滚针轴承等零件的装配体装配到内齿轮B和输出法兰B上，连接螺钉到前端盖的端面沉头孔和内齿轮A端面的一组螺纹孔中，按照对角顺序拧紧螺钉，通过注油塞向减速器中填充低密度润滑油脂，至此完成减速器的装配。

本发明的有益效果在于，提出一种轻质少齿差双压力角渐开线行星齿轮减速器及装配方法，采用两级内啮合内齿输出型少齿差行星齿轮传动。双压力角的廓形设计使减速器在工作过程有多组轮齿参与啮合传动，提高了减速器承载能力和传动精度；两级外齿轮为分体式结构，可采用磨齿法进行精加工并根据各自的径跳偏差相位进行装配以补偿偏心轴的偏心误差；痛过选用薄壁轴承和轻质材料及设计减重孔结构，以减轻减速器的整体重量；采用单孔多油路润滑方式同时实现齿轮和角接触球轴承的润滑；通过在配重上加减螺钉对装配后的减速器作精密动平衡。本发明提供的减速器具有输出扭矩大转矩、结构紧凑、重量轻、回差小的优点，具有良好的市场应用前景。

附图说明

图1减速器剖视图。

图2前端盖。

图3偏心轴。

图4套筒。

图5外齿轮A。

图6配重。

图7角接触轴承、套筒和外齿轮装配体。

图8总装配图。

图中：1前端盖；1-1注油塞安装孔；1-2滚针轴承室；1-3密封环槽；1-4螺纹孔；2滚针轴承；3 O型密封圈；4输出法兰A；5输出法兰B；6偏心轴；6-1第一轴段；6-2第一端面；6-3环槽A；6-4第二轴段；6-5定位锥孔；6-6第二端面；6-7第三轴段；7深沟球轴承A；8外卡簧；9角接触轴承A；10套筒；10-1定位爪；11减摩环；12内齿轮B；13外齿轮B；14角接触轴承B；15挡油盖；16外齿轮A；16-1轮齿端面；16-2环槽B；16-3内孔；16-4定位轴径；16-5端面通孔；17内齿轮A；18轴承挡圈；19配重；19-1安装螺纹孔；19-2定位端面；19-3动平衡螺纹孔；20深沟球轴承B；21后端盖；22注油塞。

具体实施方式

(一)提高回转轴系精度的具体措施

偏心轴6的精度对整个减速器的传动能力和回转精度有着关键的影响。需要严格保证偏心轴6的加工精度、偏心轴6上零件的加工精度、所选择轴承的精度和零件的装配精度，保证输出转矩大于75Nm，传动回差小于5分，所采取的措施为：

(1)提高偏心轴6的加工精度

严格控制偏心轴的第二轴段6-4偏心量加工误差小于5μm，偏心轴的第二轴段6-4相对于其他两个同轴的轴段联合轴线径向跳动不大于2μm；偏心轴6的三个轴段均与P5级及以上精度的轴承过盈配合，需保证各个轴段的加工精度为IT4及以上，圆度误差不大于1μm，圆柱度误差不大于2μm；通过精密研磨提高偏心轴6的两个定位基准面的平面度和与各个轴线的垂直度精度。

(2)提高偏心轴6上零件的加工精度、装配精度和运转可靠性

通过精密研磨配重19的两个配合面，使两端面平行度不大于1μm，装配到偏心轴6上后，配重19的两端面相对于偏心轴的第二轴段6-4轴线的垂直度误差不大于2μm；预先测量出外齿轮A16的内孔深度，角接触轴承A13和角接触轴承B14的厚度，通过精密研磨调整套筒10的平行度和厚度，来保证角接触轴承A13，角接触轴承B14和套筒10装配到外齿轮A16的内孔中，角接触轴承B的外圈端面超出外齿轮A的内孔端面约0.1mm，装配轴承挡圈18后，外齿轮A16的内孔中的零件不会有轴向窜动。

(二)保证减速器整体重量轻采取的措施

输出法兰A4、输出法兰B5、前端盖1、后端盖21等零件采用航空铝或碳纤维复合材料等轻质高强度材料；连接用螺钉采用钛合金或不锈钢等材料，轴承选用轻质薄壁轴承；两级传动的齿轮上均开有若干个减重孔，通过以上措施保证减速器整体质量轻。

(三)润滑油利用高效采取的措施

前端盖的注油塞安装孔1-1轴线垂直方向加工有特殊结构，滚针轴承2的端面有开槽，通过注油塞22加到前端盖1里面的润滑油脂，有两个油路：油路一为润滑油脂通过滚针轴承2的油孔流入到滚针轴承2、内齿轮B12的外圆柱面、内齿轮B12和外齿轮B13的轮齿、角接触轴承A9、套筒10和角接触轴承B14中，油路二为润滑油脂通过前端盖的注油塞安装孔1-1轴线垂直方向的轴向结构，流入到内齿轮A17和外齿轮A16的轮齿、角接触轴承B14中；油路一路线中需润滑零件数目多，为防止油路一中的润滑油脂大部分进入到对润滑油需要少的油路二侧，在油路一和油路二之间装配有挡油盖，以确保减速器内润滑油脂的利用高效；在前端盖1和输出法兰B5之间装有O型密封圈3，内齿轮B12上的螺纹孔均为盲孔，深沟球轴承A7和深沟球轴承B20为带有密封端盖的含油轴承，以上措施保证了减速器内润滑油脂不泄漏到外部环境中，提高了润滑油脂的利用率。

(四)两级齿轮传动不发生干涉，提高齿轮加工和装配精度的措施

外齿轮A16和外齿轮B13采用分体式结构，外齿轮A16和外齿轮B13利用Magg磨齿机精密磨齿加工后精度可达3～4级，利用Y7125大平面砂轮磨齿机分别将外齿轮A16和外齿轮B13经过运动仿真得出的干涉区域去除，经过修型的外齿轮A16和外齿轮B13的轮齿廓形具有双压力角，装配和传动过程中两级传动的轮齿不会发生干涉；装配前测量外齿轮轮齿的径跳动偏差，将外齿轮B13装配到外齿轮A16上时根据测量的齿轮径向跳动结果，采取相应的相位补偿装配方法，可提高装配后的精度。

(五)提高减速器扭转刚度以及便于减速器连接到外部装置上的措施

减速器中大部分零件均连接到两级传动的齿轮上，减速器的输出性能好，扭转刚度大；前端盖1和后端盖21的端面沉头孔数量均与内齿轮A的端面螺纹孔数量相同，内齿轮A17的端面螺纹孔分为三组，一组与前端盖相连接，一组与后端盖相连接，最后一组空着与前端盖1和后端盖21的端面沉头孔形成前后贯通的结构，便于将减速器连接固定到外部输出结构上。

(六)减速器的装配

(1)首先将配重19通过紧定螺钉连接到偏心轴6上。

用清洗剂将配重19的螺纹孔及配合面，偏心轴6的各个轴段和定位端面清洗干净，然后涂一薄层的润滑油，便于装配；以偏心轴的第二轴段6-4为径向定位基准，以偏心轴的第二端面6-6为轴向定位基准安装配重19，连接紧定螺钉到配重的安装螺纹孔19-1和偏心轴的定位锥孔6-6中，将配重19在偏心轴6上的位置固定；

(2)将角接触轴承9、套筒10和角接触轴承14装配到外齿轮A中，将挡油盖15和外齿轮B13装配到外齿轮A上。

用清洗剂将外齿轮A16、外齿轮B13、套筒10的各个表面清洗干净，在外齿轮A16的内孔中涂一层润滑脂，以外齿轮A的内孔16-3为径向定位基准，角接触轴承9的外圈、套筒的定位爪10-1和角接触轴承14的外圈通过过盈装配到外齿轮A的内孔16-3中，预先根据外齿轮A的内孔16-3深度和角接触轴承10、角接触轴承14的厚度，通过精密研磨调整套筒10的厚度，在装配后，使角接触轴承14的端面超出外齿轮A的内孔16-3的端面约0.1mm；接着将尼龙材质的挡油盖15装配到外齿轮A的环槽B16-2中，过盈量约0.5mm，装配后挡油盖的一端不超出外齿轮A的轮齿端面16-1；然后在外齿轮A的定位轴径16-4和外齿轮B13的内孔中涂一薄层润滑脂，以外齿轮A的定位轴径16-4为径向基准装配外齿轮B13，并调整外齿轮B13的安装相位；

(3)将外齿轮A16，外齿轮B13通过轴承挡圈18和外卡簧8固定到偏心轴6上，安装深沟球轴承7和深沟球轴承20，安装后端盖21与内齿轮A17。

首先将轴承挡圈18套入偏心轴的第二轴段6-4上；接着以偏心轴的第二轴段6-4为径向定位基准，以配重19的端面为轴向定位基准，将包含有外齿轮A16、外齿轮B13、挡油盖15、角接触轴承9、套筒10、角接触轴承14的装配体装配到偏心轴的第二轴段6-4上，然后连接螺钉到轴承挡圈18的沉头孔、外齿轮A的端面通孔16-5和外齿轮B13的端面螺纹孔中，将外齿轮B13固定在外齿轮A16上，形成双联外齿轮，同时将角接触轴承9、套筒10、角接触轴承14在外齿轮A的内孔16-3中的轴向位置固定；接着装配外卡簧8到偏心轴的环槽A6-4中，将偏心轴的第二轴段6-4上零件的轴向位置固定；以偏心轴的第一轴段6-1为径向基准，以偏心轴的第一端面6-2为轴向定位基准，安装深沟球轴承7；以偏心轴的第三轴段6-7为径向定位基准，以配重的定位端面19-2为轴向定位基准，安装深沟球轴承20；接着以深沟球轴承20的外圈为径向定位基准安装后端盖21，然后装配内齿轮A17到外齿轮A16上，调整内齿轮A17的安装位置，在轮齿不发生干涉的情况下，缓缓沿着轴向方向将内齿轮A17装配到外齿轮A16上，接着缓慢旋转后端盖使后端盖的端面沉头孔轴线和内齿轮A的端面螺纹孔轴线对齐，连接螺钉到后端盖21的端面沉头孔和内齿轮A17的一组螺纹孔中，并将螺钉按照对角的顺序拧紧，将后端盖21与内齿轮A17连接起来。

(4)安装内齿轮B12、输出法兰A4和输出法兰B5。

首先将内齿轮B12安装到外齿轮B13上，不断调整内齿轮B12的径向安装方位，使内齿轮B12的轮齿与外齿轮B13的轮齿不发生干涉，在安装前对内齿轮B12的端面进行贴塑刮研处理，贴塑的减摩环11材料为聚四氟乙烯，通过研磨确保减摩环11厚度的均匀性，从而确保外齿轮B输出时轴向的精度与刚度；接着将输出法兰A4通过螺钉连接到输出法兰B5上；以深沟球轴承A7的外圈为径向定位基准安装输出法兰A4与输出法兰B5的装配体，接着连接螺钉到输出法兰B5的端面沉头孔和内齿轮B12端面的一组螺纹盲孔中，并按照对角顺序拧紧，最大限度的保证内齿轮B12输出时与输出法兰B5的同轴度；

(5)安装滚针轴承2和前端盖1。

首先将滚针轴承装配到前端盖的滚针轴承室1-2中，并使滚针轴承2的油孔与前端盖的注油塞安装孔1-1对齐，接着连接紧定螺钉到前端盖的螺纹孔1-4中并拧紧，将滚针轴承2固定在前端盖的滚针轴承室1-2中；安装注油塞22到前端盖的注油塞安装孔1-1中；然后将O型密封圈3装配到前端盖的密封环槽1-3中，沿着密封环槽的径向按压O型密封圈3，消除O型密封圈3与前端盖的密封环槽1-3的间隙；在输出法兰B5的外圆柱面涂上一层润滑脂，在内齿轮B12的外圆柱面涂一层润滑脂，装配前端盖1和滚针轴承2等零件的装配体到外齿轮B12和输出法兰B5上，然后连接螺钉到前端盖1的端面沉头孔和内齿轮A17的一组螺纹孔中，并按照对角顺序拧紧螺钉，通过注油塞向减速器中填充低粘度润滑脂，至此完成减速器的装配。

(六)减速器的跑合和动平衡调试。

本发明提出的轻质少齿差双压力角渐开线行星齿轮减速器实际工作时为多齿多点啮合，且经过两级内啮合行星齿轮传动，具有减速比40～80、适用于需要减速器质量不超过1kg、长度总体尺寸不超过50mm、直径不超过100mm、输出额定转矩为75Nm的场合。为了改善内齿轮和外齿轮的轮齿接触状态，使用前需要对该减速器进行跑合。经过跑和合，内齿轮和外齿轮瞬时的多点接触状态，会变成瞬时的多个小区域和多齿面接触，从而提高减速器的承载能力与传动精度。装配好的减速器通过测试整机的动平衡，再向配重的动平衡螺纹孔19-3上加减螺钉来调节减速器的动平衡。