很多朋友喜歡劉慈欣的科幻小說《三體》。相互只有引力作用的三個天體,其運動演化涉及到十八個維度,即使它們的初始運動完全確定,它們的運動演化也無法測度確定,這就是三體不確定性。處身《三體》星系中的三體人受夠了這種不確定性,開始尋找新的移居地,小說故事情節就此展開。
朋友們不知道的是,三體不一定在天上,三體就在我們身邊,機械中就存在三體。中文裡,"機械"一詞也指過於確定、過於死板無變化。但一貫非常確定的機械中,就存在三體,這就是行星排減速器。
普通行星排長成這樣:
圖1
圖1中,中心藍灰色的是太陽輪。四個紅色的是行星輪,行星輪都支承在行星架上面。外邊黑色的是內齒圈齒輪,就是設定了內側齒輪的圈圈。太陽輪與行星輪齧合,行星輪與內齒圈齧合,一共有兩個齧合層次。太陽輪、行星架和內齒圈這三個部件,各自擁有相對獨立的轉速,就形成了三體關係。這個三體僅涉及三個轉速維度,但這套三體比天體三體還要特殊,即使其中一個主體的轉速確定,另外兩個主體的轉速也不能確定!
教科書明確了該行星排的運動特性方程:ωt+a*ωq=(1+a)*ωj,其中ωt、ωq和ωj分別是太陽輪、內齒圈和行星架的轉速,a=內齒圈齒數/太陽輪齒數。方程是明確的,a是確定的,不確定在哪裡?下面我們來看看。
設太陽輪轉速為1,它可能帶來內齒圈轉速為-1/a,行星架轉速為0,這時轉速100%傳遞到內齒圈。也可能帶來內齒圈轉速為0,行星架轉速為1/(1+a),這時轉速100%傳遞到行星架。還可能帶來內齒圈轉速為-0.3/a,行星架轉速為0.7/(1+a),這時轉速30%傳遞到內齒圈,70%傳遞到行星架。還可能20%傳遞到內齒圈80%傳遞到行星架……等等。總之,如果沒有其他因素,內齒圈轉速和行星架轉速是不確定的。
機械傳動需要確定,怎樣使這個行星排變得確定?很簡單,增加一個確定因素,鎖住內齒圈,使內齒圈轉速確定為0,行星架轉速就確定了。這樣,太陽輪轉速為1時,行星架轉速確定為1/(1+a),這就形成普通行星排減速器,其傳動比為(1+a)。為避免行星輪相互碰撞,a值會受到限制;當行星輪有三個時,a最大不超過8.1,傳動比(1+a)最大不超過9.1。普通行星排減速器的傳動比不大。
與圖1 普通行星排不同,另有一種行星排長成這樣:
圖2
圖2中,這個行星排的太陽輪還是在中心,內齒圈還是在外邊。與圖1行星排不同的是,這裡有兩層四組八個行星輪,行星輪都由同一個行星架支承。太陽輪與其中四個內層行星輪齧合,四個內層行星輪分別與四個外層行星輪齧合,四個外層行星輪與內齒圈齧合,一共有三個齧合層次。這裡的太陽輪、內齒圈和行星架這三個主體也形成三體關係。可以推匯出這個行星排的運動特性方程,與上面那個方程有點類似但又不同:ωt-a*ωq=(1-a)*ωj,其中ωt、ωq和ωj分別是太陽輪、內齒圈和行星架的轉速,a=內齒圈齒數/太陽輪齒數。同樣,鎖住內齒圈,使內齒圈轉速為0,太陽輪轉速為1時,行星架轉速確定為1/(1-a)。這形成另一種行星排減速器,從太陽輪傳動到行星架的傳動比為(1-a)。
有沒有人想過當a接近於1.0會怎樣?當a接近於1.0,傳動比(1-a)就極小,比如當a=0.993206521739時,傳動比(1-a)=0.006793478261。因為逆傳動的傳動比等於正傳動比的倒數,一個正傳動的正傳動比極小,其逆傳動的逆傳動比就極大。正傳動是從太陽輪傳動到行星架,正傳動比為(1-a);逆傳動就是從行星架傳動到太陽輪,逆傳動比為1/(1-a)=1/0.006793478261=147.2。該逆傳動比值很大,接近150,這是機器人關節常用的減速器傳動比值。
也就是說,一級這樣的行星排減速器,就可以代替機器人關節中的一個RV減速器,一個簡單低成本的行星排就取代一個複雜高成本的RV 減速器。這是技術上的顛覆,也是產業上的顛覆。要知道,各個關節中RV減速器成本佔到機器人總成本的38%,而替換幾個行星排成本卻非常低廉。現有的RV減速器從技術到市場整個產業被日國公司壟斷,打破這種壟斷非常有利於機器人的發展和推廣。
當a=0.98670212766時,正傳動比(1-a)=0.01329787234,逆傳動比1/(1-a)=75.2,該逆傳動比值是直升機減速傳動系統常用的傳動比。也就是說,一級行星排減速器就可以代替直升機大功率減速傳動系統中的四級減速器,傳動系統重量大大減輕,這算不算一種革命?
有研究過行星排的朋友就說了:a=內齒圈齒數/太陽輪齒數,從圖2中的結構來看,內齒圈與太陽輪中間隔著行星輪,內齒圈齒數怎麼也不會接近於太陽輪齒數,顯然a不可能接近於1.0。這種行星排減速器不可能存在。
發明創新就是在不可能的現狀中開創出可能性。這個發明就是要找到一種特種行星排的具體存在,使a接近於1.0,同時保持其運動特性方程不變,還要使行星排裝配條件具有實際可操作性。這過程說起來很簡單,但背後涉及到了原理更新、結構開發、變線速結構、引數重定義和裝配創新,基礎理論其實很複雜,結構突破的層次很多。最後,成功了!
現有減速器中,普通齒輪減速器和普通行星排減速器額定功率很大但傳動比不大。諧波加速器、RV減速器和少齒差行星齒輪減速器的傳動比比較大,其中諧波減速器核心原理是柔輪比鋼輪少二齒,RV減速器核心原理是擺線輪比針輪少一齒,少齒差行星齒輪減速器核心原理是內齒輪比外圈齒輪少一齒。它們都是少整數齒的減速器,要達到更大傳動比必須採用更多齒數,這會增加加工難度,還會造成承載下降。所以這三種減速器額定功率不大,最大功率只達到幾十千瓦級別,在額定功率為幾百千瓦、幾千千瓦甚至上萬千瓦級別的直升機或船舶上無法使用。
新發明的特種行星排減速器透過最佳化變線速結構和裝配條件,第一次實現了少幾分之一齒或者少幾十分之一齒的減速傳動。特種行星排中各部件齒輪齒數不必多,傳動比就很大。在各部件齒輪齒數不超過100齒的條件下,傳動比值就達幾十、幾百乃至上千,實現大功率大傳動比減速傳動。這種特種行星排各部件之間全採用齒輪傳動,所以承載很大、額定功率大;各部件之間一共形成兩個齧合層次,所以傳動耗損小、傳動效率高;採用的特種齧合結構消除了行星排齒輪間隙的通病,所以精度很高。該減速器結構簡單,力矩密度大,額定功率大,傳動效率高,控制精度很高。
在機器人行業,傳動比100至300範圍,特種行星排減速器將取代諧波減速器和RV減速器,成為未來機器人關節減速器。在直升機行業,傳動比60至120範圍,一級特種行星排減速器將取代多級減速器,作為未來直升機大功率減速器。在機床行業,傳動比300以上範圍,特種行星排減速器為精密進給提供了一種進給工具。在船舶行業,由於大傳動比減速傳動變得容易,原有的專門為船舶開發的低轉速大體積的內燃機將被淘汰,改為高轉速小體積的發動機和大傳動比的特種行星排減速器相匹配。在各種行業,特種行星排減速器將改變發動機的匹配生態,利好高速電機、渦輪發動機和轉子發動機。