扫地机器人齿轮传动系统设计

  扫地机器人作为一种智能家电，给我们日常生活带来了很大的便利，今天上海环越机床给大家推荐一篇文章，针对智能扫地机器人左右轮/中扫滚刷/边扫传动系统，涵盖：①齿轮参数的选取：m/α/Z/ ha*/ c*/ b；②齿轮的设计中心距；③齿轮传动系统的设计参数；④齿轮传动系统材料选用；⑤齿轮的结构设计；⑥塑胶齿轮的注塑制造；⑦齿轮的普遍的问题及改善方案等方面做一些分享，以供大家交流学习。

  (3)由于减速齿轮传动系统的本质是在功率不变地情况下(忽略齿轮啮合和轴承转动等能量损失)，将输入端的转速成传动比倍数地比例降低，同时将输入端力矩成传动比倍数地比例放大。而传动力矩大的工况下选用较大的模数，所以正常的情况下，处在传动链最前端的取较小的模数，反之则取较大地模数；

  (4)左右轮传动第一级模数一般取0.5，第二级和第三级一般取0.6，第四级一般取0.8;

  (1)智能扫地机器人行业，不用考虑根切问题。塑胶齿轮和粉末冶金齿轮不存在根切，而范成运动加工的金属齿轮即使有根切，强度也远远满足使用要求；

  (3)为保证一对啮合的齿轮的任何一个齿都能与另一个齿轮的任何一个齿啮合，从而确保两个齿轮每个齿啮合磨损平均，一对啮合的齿轮的齿数必须互质，即互为质数，如9个齿与21个齿啮合或12个齿与28个齿啮合就是存在设计缺陷的。这一点绝大多数工程师均没意识到，但大家没按规定要求设计的齿轮，在实际使用的过程中却并未发生与此设计缺陷相关的重大问题，这点是值得大家深思的。

  (1)智能扫地机器人上，一对啮合的齿轮，小的齿轮厚度一般取4mm，大的齿轮厚度一般取3mm；

  (2)左右轮最后一级齿轮厚度一般取3.5-5mm，小于3mm的开出模具后几乎都会由于传动强度不够需要再加厚。

  (2)中心距的公差取±0.03，上文有提到，±0.03既能满足注塑生产精度要求，又满足安装传动要求，同时解决了噪音/电流/异音等问题；

  (4)在开模时，齿轮箱上下盖每个嵌啤或者压嵌的转轴处都要拆成镶件，便于由于模具加工精度影响后期产出的零件没办法达到±0.03的公差要求，正常的情况下都要调整2-3次镶件后才能满足公差要求，所以一定要拆镶件；

  (5)有些工程师在模具产出后发现两齿轮齿侧间隙(或齿顶间隙)大或小，会通过齿轮变位去做补偿，能确定地是这样的做法是不可取的。因为齿轮在模具加工时常采用高精度镜面火花机或高精度慢走丝线切割加工，虽然加工精度很高，但在二次变位调整时会出现二次装卡和二次加工累计误差，且出现的误差是无法经过测量仪器检测出来的，所以这样的做法存在很高的风险和很大的误差，且变位齿轮最初的出发点也不是未解决这个问题而提出的，作为一个严谨的工程技术人员，坚决不提倡使用该方法。

  (6)为了更好的提高齿轮轴安装的精度和重轴度，要在齿轮箱上下盖上设计定位柱做定位安装且定位柱公差取±0.03mm。不能直接用上下盖的止口进行定位。

  (1)齿轮常用材料为POM M90-44，其次是PA 46。尼龙吸水率较高，吸入水分后尺寸易发生明显的变化；POM与尼龙相比，吸水率低，比尼龙脆。其中有两点值得注意。

  ① 尼龙尺寸精度比POM更难控制。结晶性材料大多数都会经过两次收缩，第一次注塑时的热胀冷缩，第二次的结晶收缩。POM在成型后48H内仍会有1-2%的收缩，为了控制POM结晶收缩的准确度，常常会对其模具加模温。

  (2)一般装配在电机电主轴上的小齿轮都用金属齿轮，从成本考虑，首选铜基粉末冶金齿轮，很少会用机械加工出来的齿轮；

  ① 从设计的角度上看，首选PTEE，因为通过对智能扫地机器人中扫齿轮箱的测试，发现第二级齿轮(也就是电机的铜齿)产生的噪音最大，PTEE硬度稍软可以大大降低齿轮箱的噪音。

  ② 值得注意的是第二级齿轮噪音大的原因，我个人觉得是该级齿轮转速较高，没有轴承支承(不同于电机上的铜齿，电机上的铜齿虽然转速最高(机械工业标准上上讲：当金属齿轮分度圆上的线m/s时，噪音会有明显上升，所以转速高是齿轮噪音最大的原因，本想贴张图无奈找不到，有兴趣的同学可以翻翻机械设计课本看看噪音与线速度的关系曲线图)，但电机内转子惯性矩大且两端有轴承支承，且同轴度同心度电主轴的跳动公差都较小)，且远离螺钉固定位置，所以转速高导致振动最大，而第三级齿轮由于减速作用噪音已经降了下来，所以齿轮箱的噪音相当大一部分来自于第二级齿轮。

  ③ 出于耐温性考虑，二级齿轮也能选用PA，因为PA的耐温性强于POM。因为电机发热的发热量很大，电机的热量通过电主轴传递给第一级铜齿，传递给第二级塑胶齿轮，当电机温度超过约64℃时，PTEE齿轮的轮齿就会由于工作状态下温度过高而发生变形失效，请留意在二级齿轮出现温度过高而失效的同时，大概率会同时出现齿轮箱局部受热变形融化，这样的一种情况是由于电机热量通过固定螺钉传递给齿轮箱盖，齿轮箱盖螺钉处在受力和受热和振动等的多重影响因素下局部变形融化,这种状态下可优先考虑用PA。

  但是有必要注意一下的是，通常情况下若出现第二级齿轮受热失效，那大概率是由于电机选型问题造成，可考虑在电机外加上硅钢护磁圈，避免磁力线泄露能量转化为热能而导致电机温升过高。

  (1)齿轮的名义主壁厚一般取3mm左右。在智能扫地机器人行业，正常的情况下几乎能定为以下参数：任何一对啮合的齿轮，小齿轮厚度取4mm，大齿轮厚度取3mm；因为齿轮注塑后边上有披锋，易产生噪音，故小齿轮的齿宽应该大一点，装配后避免因两外侧披锋产生传动不畅和噪音。请留意左右轮最后一级输出齿轮厚度通常取3.5-4.5mm，因为最后一级齿轮输出的扭矩最大，为降低齿面的压强，防止齿轮破裂受损失效。(出现最初取3mm开模后测试不合格重新加厚的案例)。

  (4)齿轮两侧最好还是不要倒C角，防止披锋和断差，影响齿轮传动，增大噪音(此点不同与金属齿轮，请留意)；

  (5)应避免在齿轮上增加加强筋，收缩不均影响圆跳动公差。若必须要加，则两侧面加强筋应错位，不能对称，且从齿轮外缘处至转轴孔处筋条高度由0逐渐递增。-----此处是与金属齿轮区别；

  (6)最后一级输出轴齿轮为了方便结构设计和装配，大多数都会设计成金属嵌件齿轮，也就是塑胶齿轮内嵌金属轴的结构，此时为了尽最大可能避免因塑料收缩影响包裹嵌件局部应力集中而开裂，嵌件处壁厚要厚，尤其是塑胶层有融接痕更应该注意；

  (7)齿轮两侧面需做台阶，避免摩擦塑胶齿轮的注塑制造事实上，当你对齿轮进行了深刻地理论研究之后，你会发现对于工程师来说，并非设计不出好的齿轮传动系统，究其原因是因为在满足成本要求地前提下，生产制造不出更高精度要求的齿轮，才会导致齿轮系统设计好后未解决噪音/电流/异音问题一改再改。即使模具厂能做到较准确地控制收缩率，由于轮齿会收缩，正常产出地齿轮齿槽宽度≠齿厚，一般齿槽宽度比齿厚大十几个丝。所以即使是经验再丰富的工程师也没把握一次出来的产品就是完全满足规定的要求的，也必须要模具厂调整两轮，即使试产OK了，由于模具厂无法精确控制POM材质的收缩率，在以后的分批次交货过程中，依然有极大几率会出现供货不合格的情况，并且这样的一种情况的出现是大概率事件。

  即使这样，我们也有以下的理论或经验上的改善方案，可以尽可能减少出现一些明显的异常问题的可能。事实上实际设计生产制造中确实有把控非常好的案例出现。

  (1)减小同一套模的模穴数，尽量减小流道长度不一导致的压力和温度等不一致，因此导致注塑出来的齿轮一致性差。一般同一套模采用4穴；

  (2) 注塑压力和保压压力尽量选大值，保压时间选大值。3点进胶，打饱满则收缩有限，园跳动齿形误差等才会减小------打饱满此点尤为重要；

  (3)为便于后期中心距的调整，牙箱座和牙箱盖装配轴孔均做成镶件，不要做全身留；

  (4)模具加工时采用高精度镜面花火机加工，精度高，表面粗糙度可达A2等级，无需抛光；

  (6)塑胶齿轮精度 GB/T 10095 10级精度，将大批量生产的塑胶齿轮精度定级在GB/T10095-2001 9-11级是经济合理的，高于8级以上的仍用注塑大量生产时相当困难的，普通手摇式的车床变速箱里的齿轮精度一般是7级；

  (8)进胶口对齿轮分度圆跳动的影响如下图，理论上分度圆上的跳动曲线应该是一个标准的以中心为圆心以分度圆为半径的圆，但实际生产的全部过程中大多数会采用三点进胶。

  关于辨别齿轮的噪音，只可意会不可言传，只有听了很多的齿轮箱噪音后才会有所感悟，不是三言两语能说清楚的，也不是随意听十几个齿轮箱就能掌握的。根据以往得经验，我将齿轮箱的噪音分四大类：

  ① 打齿噪音：由于齿轮中心距太大导致齿侧间隙大，这样一对啮合齿之间有间隙，不能平稳啮合传动，两个轮齿在啮合的一瞬间产生冲击力导致产生连续的“啪啪”声音；

  解决方案：建议首选减小齿轮安装中心距(前面有提到齿轮箱轴处必须割镶件便于后期调整中心距，且保证实际安装中心距公差在±0.03以内，可以用投影仪测数)。

  ② 周期性齿轮噪音：这种噪音不同于第①种，第①种噪音是连续性的，而周期性的噪音却是不连续的。这种情况绝大多数都是由于齿轮的分度圆跳动太大致。

  解决方案：增大注塑压力，确保齿轮注塑饱满减小其缩水率，以此来减小分度 圆的圆跳动。有必要注意一下得是分度圆得圆跳动/轮齿得齿形精度一般模具厂没有测量工具，没法得到实际得数据，这样的一种情况都会存在行业内。

  改善方案：增大注塑压力，加高温度，增加保压压力，增大保压时长，尽量将齿轮做饱满，用以减小分度圆上圆跳动。进而改善噪音。

  ③ 异音：某些摩擦导致出现尖锐的噪音，如最后一级输出轴齿轮与齿轮箱盖轴孔由于配合间隙问题导致的摩擦问题产生尖锐的噪音。这种噪音正常的情况下机器起步工作时没有声音，随着工作时长的加长噪音愈发明显，产生尖锐的噪音。这是由于齿轮和齿轮箱轴孔之间的间隙预留不合理，且齿轮轴和齿轮箱盖两种材质之间的受热线胀系数不一样导致齿轮轴直径变大，摩擦愈强烈导致。

  ④ 其他噪音：由于齿轮箱上下盖注塑生产后有变形，且螺钉无法较好地将变形校正，这种情况下齿轮轴安装后，轴与齿轮的同轴度偏差较大，这种噪音仿佛齿轮与齿轮箱壳体之间有“咔哒咔哒”共振，最直接的辨别方法就是看齿轮箱支架和齿轮箱盖自由状态是不是有明显变形，若有变形，再试试稍稍用力将齿轮箱向变形的反方向压折，若声音有明显地降低，就基本能估计是牙箱盖变形导致出现该类噪音。

  电机电流大(不同地机器不同地电机，不同的使用地方如边扫/左右轮/中扫，测试时的空载或负载电流不一样，电流较大只是相对而言)，绝大多数情况下是由于中心距稍小，齿侧间隙小或者啮合的齿轮之间没有间隙，导致自由状态下齿轮之间有应力，这就导致电机的一部分能量用在克服这一部分力上，电流增大。