1 緒論
推桿減速器是一種以組合活齒為傳動構件的活齒少齒差行星齒輪傳動裝置，是我國獨創的一種減速器，在1986年布魯塞爾尤里卡世界發明博覽會上榮獲最高一級騎士勛章，在第二屆全國發明展覽會上榮獲銀獎。推桿減速器拋棄了傳統的齒輪、蝸輪、針輪等結構形式，采用推桿結構，可實現正反兩個方向的減速或增速定比傳動，其結構緊湊，傳動比范圍大，效率高，壽命長，運轉平穩，維修方便。與擺線針輪減速器相比，又具有工藝簡單，價格低廉的優點，是一種很有發展前景的減速器。
1.1推桿減速器研究狀況概述
l.1.1活齒傳動的研究狀況
推桿減速器屬于活齒傳動類機構，因而與其它活齒傳動機構有某些共同的特似之處。
活齒傳動一類機構最突出的特點是省去了一般少齒差行星齒輪傳動機構中必須采用的W運動輸出機構，因而有效地克服了采用W運動輸出機構給少齒差行星齒輪傳動帶來的激波器軸承壽命短的問題，并且傳動鏈也可得到顯著縮短，從而使得活齒傳動具有結構緊湊，承載能力高，效率高等一系列優點。并且活齒傳動沒有特別突出的薄弱環節，因而從它剛一出現，就引起了國內外科技工作者的極大關注。
早在40年代，德國人就把活齒傳動技術應用到汽車的轉向機構中了。70年代，國外開始了對活齒傳動新形式的積極開發，美國推出了“無齒齒輪傳動技術”，英國推出了“滑齒減速器”，蘇聯推出了“正弦滾珠傳動”。到了80年代，國際上對于活齒傳動的研究更加積極，日本、英國、聯邦德國、保加利嚴等國先后公布了一些有關活齒傳動的專利和發明，這表明在羅，活齒傳動的研究與應用已形成了行星齒輪研究中一個非活躍的領域。
國內對活齒傳動的研究雖然起步較晚，但經過十幾年的努力，在理論研究和產品開發方面都取得了很大的成績，先后推出了多種專利技術，有些已形成了工業生產能力。1991年，機械電子工業部頒發了《滾柱活齒減速器》 行業標準，標志著我國活齒傳動的研究已取得階段性的成果，同時在國內外學術刊物和全國學術會議上已有幾十篇有關活齒傳動的論文發表，有的還編入專著，表明已形成了較完整的活齒傳動理論體系。其中最有代表性的是“活齒傳動理論”一書，它系統的論述了由結構理論、運動學理論和嚙合理論組成的研究活齒傳動的機構學理論，利用活齒傳動的“齒形分析瞬時等效機構法”和“活齒傳動的嚙合副結構模型”分析了11種典型的活齒傳動結構，是目前國內公開發表的有關活齒傳動的最全面、系統、深入的研究成果。
1.1.2 推桿減速器的演化過程和擺桿減速器的提出
推桿減速器雖然和其它活齒傳動機構在原理上基本相同，但由于采用獨特的推桿作為活齒構件，所以機構本身有它的特殊性。并且經歷了若干次結構上的更新，才發展成為目前這種已形成工業生產能力的結構形式。
1976年日本公開的新型減速器專利有兩種結構形式，分別如圖1.1和圖1.2所示
圖1.1為圓盤凸輪式，采用滾柱徑向滑槽式結構，其目的是為了得到大的減速比及大的傳遞扭矩。顯然這種結構由于滾柱系尖頂易磨損，降低了其承載能力。
圖1.2所示大圓柱凸輪式，由圓柱凸輪機構完成滾柱推桿的往復運動，而滾柱推桿頂推其圓柱徑向分布圓盤作轉動，這種結構同樣是靠點接觸傳遞動力，磨損及承載能力問題仍未能得到解決。
1979年，我國首次提出的推桿減速器結構如圖1.3所示，這種結構在推桿兩端增加了滾輪，雖然減小了尖頂磨損問題，但承載能力問題也沒能得到解決。
1985年，我國參加第十三屆日內瓦世界發明展覽會的推桿針輪活齒減速器，吸收了日本專利兩種結構的優點，采用圓盤凸輪（由偏心滾動軸承代）及帶滾套的針齒組成的固定齒圈結構，如圖1.4所示。此種減速器具有承載能力大，傳動比大，體積小，工藝性好，不需加工特種齒形的優點。
為了進一步增大承載能力，解決磨損問題，又發展成為目前由解放軍7435工廠批量生產的這種推桿減速器結構形式，如圖1.5所示。比起尖頂和圓柱接觸，它的受力情況得到了改善，同時，推桿兩端增加了滾柱，使其滾動摩擦比率增加，有利于改善磨損。生產實踐表明，推桿減速器有較強的競爭力，已顯示出廣闊的發展前景。
然而，事物并非都是完美無缺的，在推桿減速器中，在推桿減速器中，由于推桿與導槽之間所組成的嚙合副為移動副，其滑動摩擦的存在影響了推桿減速器嚙合效率的進一步提高以及大功率的實現。當然，合理選用潤滑油，合理選用與組成移動副相匹配的材料，以及對機構進行優化設計，可將摩擦減小到最低限度，但廣大科技工作者一直在尋求用轉動副來代替移動副的辦法。
由文獻提出的擺動活齒傳動機構較好地解決了用轉動副來代替推桿與導槽之間所組成的移動副問題。擺動活齒傳動用擺動活齒代替移動活齒，即用擺桿代替推桿，從根本上解決了移動活齒嚙合副的磨損問題，有希望成為推桿減速器及各種活齒傳動機構的更新換代產品結構形式。
l.1.3推桿減速器的理論研究現狀
推桿減速器結構上的特殊性，決定了對其性能的分析和計算也與其它活齒傳動機構不完全相同。下面將會看到，對于運動學及內齒圈齒形的解算，只需將滾柱活齒減速器的計算公式稍作修改即可。但對于受力分析及效率計算就與其它活齒傳動機構差別較大。從目前發表的文獻來看，系統研究推桿減速器的內容并不太多。特別是對于多激波理論研究開展很少，僅見到雙激波的研究。
隨著計算機的普及和數控技術的發展，各種機械的CAD/CAM系統不斷出現，但用于推桿減速器的以CAD/CAM系統目前還沒有見到。用計算機來輔助優化設計推桿減速器的工作還沒有獲得滿意的成果。為了對推桿減速器進行優化設計，必須要有正確的好的數學模型。因而必須要對推桿減速器有完整的研究，對推桿減速器的受力狀況，承載能力情況以及各種材料參數對它們的影響要有細致的分析計算。
推桿減速器的發展方向主要是朝著產品系列化，規格化，以及大功率的方向發展。
1.2推桿減速器的生產狀況及存在問題
解放軍7435工廠是批量生產推桿減速器的大型廠家，積累了豐富的推桿減速器生產經驗，該廠從1986年試制，1987年批量生產，至今產品已有5種型號60多種規格，單級傳動比從10到60，傳動功率從0.3KW到20KW，產品銷售國內外，獲得了顯著的社會和經濟效益。其產品被廣泛應用于糧食食品、輕工、化工、塑料紡織、礦山、起重運輸、印刷、造紙等領域的減速裝置中。
在生產實踐中發現推桿減速器還存在一些問題有待解決。其中最主要的問題是推桿磨損問題和內齒圈齒廓的測量方法問題。
7435工廠胡天明等在文獻中指出了推桿減速器存在的兩點問題：一是推桿兩側磨損較嚴重，二是在超載情況下偏心滾珠軸承外圈接觸疲勞破壞問題。推桿磨損的問題可以從不同的路線研究，其一是選擇合適的潤滑油及組成移動副相匹配的材料，以期減小摩擦力，提高耐磨力；另一個是從推桿減速器的原理（運動學、動力學性能）入手，力求改進推桿受力狀況，減小造成激烈磨損的根本原因。對于推桿減速器內齒圈齒廓的加工，目前使用的是用機械加具進行范成加工的方法。生產中是靠分別測量內齒圈外徑至齒根的厚度及齒頂的厚度來估計被加工零件的合格與否，缺乏正確的測量手段。
為了提高產品質量和市場競爭能力，也為了二炮裝備改革的需要，從1993年初開始，在二炮特管部的領導下，由7435 工廠和我們聯合組成了“推桿減速器改造工程”課程組，主要任務是：
（1）利用計算機對推桿減速器進行優化設計，改善產品性能，減小推桿磨損問題。
（2）研究一種能用于生產實際的內齒圈齒廓測量方法。
（3）研究內齒圈齒廓的數控加工。
（4）研制一個專用的推桿減速器CAD/CAM系統。
（5）開發新結構，研制性能更好的新型減速器，研究大功率減速器的生產。
1.3本文的主要工作
為了解決推桿減速器生產中存在的實際問題，完成“推桿減速器改造工程”中的各項任務，必須要對推桿減速器的傳動性能進行全面的分析。盡管目前在活齒傳動方面的研究成果較多，但由于推桿減速器具有自己的特殊性，在很多問題上不能照搬這些結論。對于新型擺桿減速器，文獻只提出了一般結構方案，重點分析了擺動活齒的特例——偏心滾子活齒傳動。要使提出的結構變為實際產品，不僅要在理論上作深入、細致的分析、計算，還要經過反復的實際試制及驗證。
本文對推桿減速器進行了全面的分析，形成了一套較完整的推桿減速器理論體系，本文主要完成了以下新的工作：
（1）找出了推桿內外滾子工作角之間的關系，并以此來分析內齒圈的齒廓曲線及機構傳動特性，形成一套獨特的推桿減速器分析方法，與傳統的包絡法相比，具有概念清晰、所得公式簡練的特點。是分析研究多激波推桿減速器的有力工具。
（2）考慮了慣性力的影響，嚴格按效率定義推導出了較為精確的機構總體效率計算公式，運用計算機技術，采用大量離散點數值計算和理論分析相結合的方法來進行效率、強度計算的研究。
（3）提出了易于在數控加工中實現的齒廓分段修形法，使經過修形后的齒廓能夠達到較理想的修形狀態。
（4）提出了在內齒圈齒廓加工中，利用公法線誤差來分析計算加工調整參數誤差的方法，較好地解決了目前工廠生產中的實際問題。
（5）應用本文所研究的數學模型，對推桿減速器進行了優化設計，達到了較理想的效果。
（6）設計并實現了推桿減速器cAD系統，該系統利用現有的AutoCAD/12.0 軟件進行工程繪圖，并對其進行了二次開發。組建了推桿減速器的工程數據庫，采取了一系列相關的算法加速動態圖形顯示的速度，并實現了直接用普通微機來控制數控擂齒機床。
（7）給出了按純滾動原則設計非圓行星齒輪傳動機構的方法、步驟，得到了相鄰兩行星輪中心角在傳動中會發生變化的結論，證明了按傳動比固定原則設計的活齒傳動機構都不可能做成各運動副都是純滾動的。而純滾動的非圓行星傳動機構適合于制作液壓馬達。
（8）系統地進行了新型擺桿減速器的運動學、齒廓形成及傳動特性分析，并討論了效率計算，強度校核以及內齒圈齒廓的公法線測量等理論問題。
（9）設計并制造出了一臺新型擺桿減速器樣機，證明了理論分析的正確性，為新型擺桿減速器形成產品打下了基礎。
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