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非圆齿轮行星轮系传动性能分析

第1章绪论

1.1引言

在现代机械传动中，齿轮传动的可靠性越来越大，而且它在机械传

动系统中的应用是处于主流地位的。一般的机构很难满足变传动比传动，

而非圆行星齿轮传动机构就能够做到。非圆齿轮传动机构的形式有很多

种，它在机械中应用较多的形式有椭圆、对数螺旋线、高阶椭圆、卵形

[1]等。在椭圆齿轮传动的应用中，如果主动轮的转速是常量，那么对应

的从动轮转速是不均匀变化的。非圆齿轮传动中轮齿的瞬时角速度比是按

某种设计好的运动规律而变化的，非圆齿轮可以实现一种具体的、特殊的

运动，可以提高某一特定机构的性能，比如它可以改善机构的灵活性、运

动性，非圆齿轮传动在农用机械、工业机械、军事机械中等均有应用。非

圆齿轮和圆齿轮的起源几乎在同一时期，但是它的设计、加工和制造比较

困难相对于圆齿轮来说，以至于非圆机构的发展相对比较缓慢。非圆齿轮

机构比较特殊，凸轮机构和圆形齿轮的特点都被它综合地利用了，它能传

递较大的扭矩，而且是以变传动比传动的，因此对于现代处于多方向发展

的工业社会具有无可比拟的意义。非圆齿轮在现代工业中的应用越来越普

遍，对于涉及它的性能研究的研究人员如雨后春笋般涌现[2]。人们巧妙

地把液压马达技术与非圆齿轮技术结合在一起来形成非圆行星液压马达，

最早发明这种液压马达的人是波兰人，其它一部分国家相继对这种液压马

达进行了研究，至今为止，波兰、德国、美国等国家已经掌握了生产非圆

齿轮液压马达的技术[3]。欧洲国家波兰生产的一种特殊马达中就存在非

圆机构[4]，该机构是一种非圆行星机构，它同一般的行星轮机构一样也

具有中心轮、内齿圈和行星轮，其中内齿圈曲线周期数用3n表示，中心

齿轮的曲线周期数用1n表示，行星齿轮为标准的圆柱齿轮。我们发现采

用不同的曲线周期数同样可以构成这类机构,只要选择合适的内齿圈和太

阳轮节曲线（相当于圆形齿轮的分度圆）周期数及其组合关系。液压马达

的性能的好坏与该机构息息相关[5]，可以设计加工(1n=4，3n=6)、(1n

=5，3n=7)、（1n=6，3n=8）等各种非圆机构来组成非圆行星液压马达

样机。近些年，随着数控技术等计算机技术的不断完善和发展，非圆齿轮

的发展又往前进了一大步。可以预知非圆齿轮可能在未来相当长的时间里

面，会在各种机械工程中得到更加广泛的应用和发展，而非圆行星齿轮机

构是非圆液压马达的主要部件，可想而知对于非圆齿轮行星轮系传动性能

的研究课题是很有意义的，也是很有必要的。

1.2研究的目的与意义

虽然齿轮马达具有结构简单、寿命长等特点，但是它也有缺点，如

它在工作过程中容易制造大的噪声，甚至可能产生大的脉动。随着一种新

型的非圆齿轮液压马达的诞生，从此改善了液压马达的许多特性。非圆液

压马达在某些方面具有其他马达无法比拟的优越性，它被广泛的应用在机

械工程中，如矿山机械、土木机械、航空机械、化工机械等等。可以根据

一定的转速来判断马达是低速马达还是高速马达，目前来看，低速大扭矩

马达比较有优势，对它的研究也越来越普遍。非圆液压马达因为结构紧

凑、抗油污染能力强、运转平稳等优点而备受世人关注，同时这类马达具

有输出扭矩大、输出转速低等特性，因此对这类新型马达的研究很有意

义。当前柱塞式液压马达虽然比较主流，但是在相同排量下，这类新型马

达的性能与之相比较在各方面都有突出的特点[7]。非圆齿轮的研究及应

用促进了液压马达技术的进步，国内很多科研机构对这类新型马达进行了

相关的研究，但是大部分是理论研究，没有真正意义上的应用，在很多方

面的研究不够深入和完善。现代机械传动设备虽然多种多样，但齿轮传动

应用还是那么广泛，是因为齿轮传动具有寿命长、工作可靠等特点。但是

齿轮传动也有它的局限性，如要达到齿轮的制造、装配精度要求等方面存

在一定的难度，而且振动、噪声是齿轮传动一直以来难以解决的问题，这

些问题容易导致机械系统工作故障。非圆行星传动机构是变速传动机构，

对齿轮的性能要求比较高，齿轮工作状态将直接影响整个齿轮传动系统的

工作效率，齿轮失效是齿轮传动系统主要失效形式之一，所以对齿轮的性

能研究很重要。齿轮的加工和装配的好坏会影响系统的工作好坏，它的制

造技术难，装配起来精度也低，尤其是对于在高压、高转速下工作的齿

轮，其工作条件一般不好，所以对齿轮的受力、振动等分析很有必要。

第2章非圆齿轮行星轮系建模

2.1非圆齿轮