摆线针轮减速机参数对传动效率的影响与参数优化

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.230259

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2024, Vol. 52 ›› Issue (4): 77-87.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.230259

摆线针轮减速机参数对传动效率的影响与参数优化

张跃明李天宇纪姝婷^†

北京工业大学材料与制造学部，北京 100124

收稿日期:2023-04-21 出版日期:2024-04-25 发布日期:2023-10-19
通信作者: 纪姝婷（1988-），女，副教授，硕士生导师，主要从事机器人精密减速机数字化设计及齿廓修形理论研究。 E-mail:jishuting@bjut.edu.cn
作者简介:张跃明（1965-），男，教授，博士生导师，主要从事工业机器人精密减速机开发研究。E-mail:zhangym@bjut.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(51905009);河北省重点研发计划项目(20311802D)

Influence of Cycloidal Pinwheel Reducer Parameters on Transmission Efficiency and Parameter Optimization

ZHANG Yueming LI Tianyu JI Shuting

Department of Materials and Manufacturing，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China

Received:2023-04-21 Online:2024-04-25 Published:2023-10-19
Contact: 纪姝婷（1988-），女，副教授，硕士生导师，主要从事机器人精密减速机数字化设计及齿廓修形理论研究。 E-mail:jishuting@bjut.edu.cn
About author:张跃明（1965-），男，教授，博士生导师，主要从事工业机器人精密减速机开发研究。E-mail:zhangym@bjut.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(51905009);the Key R&D Program of Hebei Province(20311802D)

摘要/Abstract

摘要：

为进一步提高摆线针轮减速机的传动效率，对减速机传动效率的影响规律进行了深入研究，提出了考虑设计参数与工况参数变化的摆线针轮减速机传动效率计算模型，并对参数进行了优化。首先，考虑摩擦力和啮合齿隙，建立了摆线针轮传动机构的多齿承载接触分析模型，计算了摆线针齿啮合力与载荷分布规律；然后，考虑摆线针轮减速机的啮合损耗、输出损耗、轴承损耗、润滑损耗和密封损耗，提出了摆线针轮减速机传动效率计算模型，并分析了设计参数和工况参数对摆线针轮减速机传动效率的影响规律。研究表明，在考虑摩擦受力的情况下，转速、负载、针齿销半径、针齿分布圆半径、偏心距、针齿套半径是影响传动效率的主要参数，针齿销数、柱销分布圆半径、柱销半径和摆线轮齿宽次之。最后，以齿轮强度、齿轮宽度、齿廓形状、齿间间隙和承载能力作为参数优化范围，将效率和体积作为目标对设计参数进行多目标优化分析，得到最优参数解，进而获得了更小体积、更高传动效率的摆线针轮减速机。

关键词: 减速机, 摆线针轮传动, 摩擦损耗, 传动效率, 多目标优化

Abstract:

In order to further improve the transmission efficiency of the cycloidal pinwheel reducer, this study conducted in-depth research on the influence of the reducer transmission efficiency. It proposed a calculation model for the transmission efficiency of the cycloidal pinwheel reducer that takes into account changes in design parameters and working condition parameters and optimized the parameters. Firstly, considering the friction force and meshing backlash, the study established a multi-tooth load-bearing contact analysis model of the cycloid pinwheel transmission mechanism, and calculate the meshing force and load distribution pattern of the cycloid pinwheel gear. Then, considering the engagement loss, output loss, bearing loss, lubrication loss and sealing loss, this paper proposed a calculation model for the transmission efficiency of the cycloidal pinwheel reducer, and analyzed the influence of the design parameters and working condition parameters on the transmission efficiency of the cycloidal pinwheel reducer. Research shows that, taking frictional stress into account, rotation speed, load, pin tooth pin radius, pin tooth distribution circle radius, eccentricity, and pin tooth sleeve radius are the main parameters that affect transmission efficiency, followed by the number of pin teeth, pin distribution circle radius, pin radius and cycloid tooth width. Finally, the optimal parameter solution was obtained through a multi-objective optimization analysis of the design parameters with gear strength, gear width, tooth profile shape, inter-tooth clearance and load-bearing capacity as the parameter optimization range, and transmission efficiency and volume as the goals. And then a smaller volume and more efficient cycloidal pinwheel reducer was obtained.

Key words: reducer, cycloid pinwheel drive, friction loss, transmission efficiency, multi-objective optimization

中图分类号:

TH132.46

张跃明, 李天宇, 纪姝婷. 摆线针轮减速机参数对传动效率的影响与参数优化[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2024, 52(4): 77-87.

ZHANG Yueming, LI Tianyu, JI Shuting. Influence of Cycloidal Pinwheel Reducer Parameters on Transmission Efficiency and Parameter Optimization[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2024, 52(4): 77-87.

图/表 16

图1

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参考文献 17

1	LEE K K， HONG S， OH J H ．Development of a light-weight and high-efficiency compact cycloidal reducer for legged robots［J］．International Journal of Precision Engineering and Manufacturing，2020，21（3）：415-425.
2	TRAN T L， PHAM A D， AHN H J ．Lost motion analysis of one stage cycloid reducer considering tolerances［J］．International Journal of Precision Engineering and Manufacturing，2016，17（8）：1009-1016.
3	SENSINGER J W ．Efficiency of high-sensitivity gear trains，such as cycloid drives［J］．Journal of Mechanical Design，2013，135（7）：071006/1-9.
4	LI X， LI C， WANG Y，et al ．Analysis of a cycloid speed reducer considering tooth profile modification and clearance-fit output mechanism［J］．Journal of Mechanical Design，2017，139（3）：033303/1-12.
5	SENSINGER J W ．Unified approach to cycloid drive profile，stress，and efficiency optimization［J］．Journal of Mechanical Design，2010，132（2）：024503/1-5.
6	MALHOTRA S K， PARAMESWARAN M A ．Analysis of a cycloid speed reducer［J］．Mechanism and Machine Theory，1983，18（6）：491-499.
7	PHAM A D， AHN H J ．Efficiency analysis of a cycloid reducer considering tolerance［J］．Journal of Friction and Wear，2017，38（6）：490-496.
8	宿月文，郭彩霞．摆线传动接触载荷与效率的关联模式及试验验证［J］．中国机械工程，2021，32（5）：556-564.
	SU Yuewen， GUO Caixia ．Correlationship between contact load and efficiency of cycloidal transmission and its test verification［J］．China Mechanical Engineering，2021，32（5）：556-564.
9	WANG C ．A calculation method of transmission efficiency for RV reducer［J］．Journal of Engineering，2021，9（4B）：281-295.
10	AHN H J， CHOI B M， LEE Y H，et al ．Impact analysis of tolerance and contact friction on a RV reducer using FE method［J］．International Journal of Precision Engineering and Manufacturing，2021，22（7）：1285-1292.
11	李力行．摆线针轮行星传动的齿形修正及受力分析［J］．大连铁道学院学报，1984（4）：29-40.
	LI Lixing ．The modification manner for tooth profile and the analysis of forces on the cycloid disk of a cycloid speed reducer［J］．Journal of Dalian Railway College，1984（4）：29-40.
12	PALMGREN A ．Ball and roller bearing engineering［M］．4th ed．Philadelphia：SKF Industries Inc.，1959.
13	CHIU Y P， MYERS M ．A rational approach for deter-mining permissible speed for needle roller bearings［J］．SAE Transactions，1998，107（2）：330-337.
14	成大先，王德夫，姬奎生，等．机械设计手册第3卷［M］．5版．北京：化学工业出版社，2008.
15	SEETHARAMAN S， KAHRAMAN A ．Load-independent spin power losses of a spur gear pair：model formulation［J］．Journal of Tribology，2009，131（2）：022201/1-11.
16	饶振纲编著．行星传动机构设计［M］．北京：国防工业出版社，1980.
17	夏新涛，朱坚民，吕陶梅．滚动轴承摩擦力矩乏信息推断［M］．北京：科学出版社，2010.

参数	原始值	优化值		原始值	优化值
e/mm	1.4	2.0	R_w/mm	17	19
R_p/mm	30	30	r_wp/mm	2.6	1.9
r_rt/mm	5.0	5.6	Z_p	10	10
r_rp/mm	3	2	η/%	82.75	87.90
B/mm	4.5	4.0	V/mm³	71 675.4	68 521.6

[1]	王学武, 方俊宇, 高进, 等. 基于改善解集分布性的多目标优化[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2023, 51(8): 137-148.
[2]	李树勋, 胡迎港, 李成, 等. 基于代理模型的轴流式调节阀阀体型线优化[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2023, 51(3): 41-52.
[3]	刘国勇, 张文鹏, 张铜鑫, 朱冬梅, 曾新喜. 大幅面SLM成型仓结构优化及其流场特性[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2023, 51(12): 53-63.
[4]	赵克刚, 何坤阳, 黎杰, 等. 基于改进动态规划法的HEV多目标能量管理策略[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2022, 50(9): 138-148.
[5]	蒋涛, 路洲. 高架铁路客运站平天窗的多目标优化[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2022, 50(7): 13-24.
[6]	刘汉武, 雷雨龙, 付尧, 等. 基于多目标优化的增程式电动汽车自适应制动回馈控制策略[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2021, 49(7): 42-50,65.
[7]	金霞, 胡俊聪, 王威, 等. 虚拟环境下汽车引擎盖的匹配调整策略[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2020, 48(6): 87-96.
[8]	姚恩建张金萌郇宁. 效率与公平导向下城轨大小交路开行方案优化[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2020, 48(5): 41-48,57.
[9]	吴迪刘立李晓俊刘丛红. 基于多目标优化的被动式低能耗建筑技术研究 ———以寒冷地区居住建筑为例 [J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2018, 46(4): 98-104,120.
[10]	白中浩何成朱峰. 复合材料三明治结构板的电磁和冲击性能分析[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2016, 44(9): 137-143.
[11]	张宪民曾磊. 考虑减速机背隙的 3-RRR 并联机构的运动学标定[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2016, 44(7): 47-54.
[12]	翟振坤李迪. 基于多目标优化的数控实时任务参数选择方法[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2016, 44(3): 23-28.
[13]	邓卓明刘明波. 求解多目标暂态电压紧急控制的强化学习方法[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2015, 43(12): 9-17.
[14]	周杰陶亚平张建生邵长伟罗艳. 基于MBC工具箱的钩尾框辊锻件多目标优化[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2015, 43(11): 61-66.
[15]	张书琴夏洪山姜雨战绪仁. 用于跑道调度的约束多目标遗传模拟退火算法[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2015, 43(10): 35-41.

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