一种直线式双余度差速器的制作方法

本发明涉及一种直线式双余度差速器，属于差速器的功能结构设计领域。

背景技术：

现用10kw级大功率一级民用航天运载伺服系统中，摇摆发动机包含四个喷管，互相之间成90度安装，需要四个机电作动器推动。现用技术采用三余度的液压伺服系统，研发同功率级别的余度机电伺服系统，代替液压伺服系统，更易维护，意义重大。这种机电作动器的零位长度很长，沿上下支耳轴线的包络尺寸很小，因此研发适应这种情况的余度机电作动器意义重大。

系统带宽要求不严格的某些机电伺服系统(如火箭一级伺服系统)，在电机和作动缸之间增加减速器，不仅可以优化减速比，而且可以改变作动器的布局形式，在可靠性要求高的场合，要求减速器有余度功能，力综合式余度减速器会带来力(转矩)纷争问题，这会导致齿轮的加速磨损和机械振动，因此寻找一种没有力(转矩)纷争的余度减速器，成为迫切的要求，利用自由度大于1的差动轮系原理，设计加工而成的机械产品称为差速器，差速器能有效解决力(转矩)纷争问题。把传统的减速器更改为余度减速器可以显著提高系统的可靠性。

采用差速器的机电作动器，差速器的引入会带来转动惯量、重量以及惯性力矩的增加，因此大多应用于功率和承载不大的场合。若应用于10kw大功率场合时，降低转动惯量和重量，成为主要的目标。

以往采用差速器的平行式(图1)和直线式(图2)余度机电作动器在零位长度大且径向截面包络尺寸要求严格的场合都不适用。

中国专利《直齿圆柱行星轮差速器》，公开号cn201068969y，公开了一种直齿圆柱行星轮差速器，缺陷是行星轮与行星轴一体设计，支持方式是两侧光轴与行星架上的铜套直接配合，摩擦严重。美专利《spurgeardifferential》，其实现原理与上面专利相同，均为行星轮与行星轮轴直接配合，配合间隙较大，磨损严重，采用了空心的行星轮轴，通过行星轮轴的变形，实现均载。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题：为克服现有技术的不足，提供一种直线式双余度差速器，在满足输出转矩的前提下，减小降低了转动惯量、重量和径向尺寸，极大降低了行星轮与轴之间的磨损，能够应用于10kw大功率场合。

本发明的技术解决方案：

一种直线式双余度差速器，包括壳体以及位于壳体中的行星架组件、太阳轮组件、内齿圈输入轴组件、太阳轮输入轴组件；

行星架组件为中空结构，太阳轮组件位于行星架组件的中空结构中，通过齿轮与行星架组件啮合；内齿圈输入轴组件通过齿轮与行星架组件外侧齿轮相啮合，太阳轮输入轴组件通过齿轮与太阳轮组件外侧齿轮相啮合；

内齿圈输入轴组件和太阳轮输入轴组件作为双余度差速器的两个输入端，分别与制动器以及电机连接；行星架组件作为双余度差速器的输出端，与作动缸连接，所述输入端和输出端位于双余度差速器的两侧，且两个输入端轴线相对于输出端轴线对称。

所述行星架组件包括行星架、四个行星轮、四个行星轮轴、四个行星轮支撑滚针轴承、内外齿圈、两个内齿圈支撑轴承、第一行星架支撑轴承、两个第二行星架支撑轴承；

行星架为中空结构，在行星架侧壁上沿径向均布四个空腔，在行星架侧壁上沿轴线方向开有四个通孔，每个通孔与一个空腔同轴；

每个空腔中放置一个行星轮支撑滚针轴承和一个行星轮，行星轮套在行星轮支撑滚针轴承上；每个行星轮轴穿过一个通孔和对应空腔中的行星轮支撑滚针轴承；内外齿圈套在行星架外侧，且与四个行星轮相啮合；

两个内齿圈支撑轴承位于行星架上、内外齿圈两侧，且每个内齿圈支撑轴承位于行星架外侧，内外齿圈内侧；

两个第二行星架支撑轴承支撑在行星架外侧，且位于两个内齿圈支撑轴承两侧；

所述行星架一端伸出，用于连接作动缸；第一行星架支撑轴承支撑在伸出端外边缘处。

所述每个行星轮与空腔轴向侧壁之间设置有行星轮垫片；

每个内齿圈支撑轴承内圈通过内外齿圈轴承挡片定位。

所述太阳轮组件包括太阳轮、太阳轮过轮、第一太阳轮支撑轴承、第二太阳轮支撑轴承和第三太阳轮支撑轴承；

第一太阳轮支撑轴承支撑在太阳轮一端，与太阳轮一起放入行星架的中空结构中，所述太阳轮与四个行星轮通过齿轮啮合，且第一太阳轮支撑轴承外圈固定在行星架上；

第二太阳轮支撑轴承支撑在太阳轮中部，且位于行星架外部，太阳轮过轮安装在太阳轮上，且压紧第二太阳轮支撑轴承；第三太阳轮支撑轴承支撑在太阳轮另一端。

所述太阳轮输入轴组件包括太阳轮侧输入轴、第一太阳轮侧输入轴支撑轴承、第二太阳轮侧输入轴支撑轴承；

太阳轮侧输入轴位于太阳轮组件和行星架组件外侧，且与太阳轮过轮相啮合；第一太阳轮侧输入轴支撑轴承和第二太阳轮侧输入轴支撑轴承支撑在太阳轮侧输入轴两侧。

所述内齿圈输入轴组件包括内齿圈输入轴、第一内齿圈输入轴支撑轴承和第二内齿圈输入轴支撑轴承；

内齿圈输入轴位于行星架组件外侧，且与内外齿圈相啮合；第一内齿圈输入轴支撑轴承和第二内齿圈输入轴支撑轴承分别支撑在内齿圈输入轴两侧。

壳体包括第一壳体、第二壳体、第三壳体和差速器钢板；

行星架组件伸出端位于第一壳体中，行星架组件其余部分位于第二壳体中，太阳轮组件和内齿圈输入轴组件位于第二壳体、第三壳体和差速器钢板中，太阳轮输入轴组件位于第三壳体和差速器钢板中，且内齿圈输入轴组件和太阳轮输入轴组件穿出差速器钢板，用于与制动器以及电机连接；

第一壳体、第二壳体、第三壳体和差速器钢板通过螺钉固连，且差速器钢板与制动器、电机和作动缸固连；所述第一壳体设置有六根加强筋，并开有六个减重腔；所述加强筋与第一壳体上起连接作用的孔错开位置。

所述差速器钢板上设置有三个轴承孔，其中中间的轴承孔与作动缸的输入轴同轴，两侧轴承孔中一侧轴承孔与太阳轮侧输入轴同轴，另一侧轴承孔与内齿圈输入轴同轴。

所述第一壳体用于容纳行星架组件伸出端的空腔根部以及减重腔的各底边和侧边均采用大倒角设计，倒角半径为5-10mm。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明实现了两个输入和一个输出为直线式异侧对称布局形式的差速器，这种结构布局使得差速器沿着行星架轴线各部分径向包络尺寸、转动惯量和重量最小，适用于10kw大功率场合。

(2)差速器中内齿圈输入轴和内外齿圈之间没有过轮，有效降低了重量和转动惯量，在太阳轮侧增加两个过轮，不仅满足了布局形式的要求，同时增加配重，使得此路的转动惯量与内外齿圈侧的转动惯量一致。这使得双路控制完全一样，对于故障时故障切换非常有利。

(3)差速器钢板作为差速器输入侧壳体，通过螺纹孔实现了差速器和输出以及差速器和两个输入的连接，利用差速器钢板承力，减轻机电作动器的重量，优化了布局。

(4)差速器钢板上三个的轴承孔不仅作为差速器内部零件，而且能够定位两个电机轴线相对于作动缸轴线的位置。

(5)差速器输出侧壳体承受丝杆的推力，上面的六根筋(宽度6mm，深度20mm)与作动缸螺钉的四个通孔以及差速器壳体连接螺钉错开位置，有足够的刚度和强度，把推力传递到差速器壳体周向的壳体壁上，壳体上根部的大倒角降低了壳体受压时的应力集中，这种结构有效的降低了此处的径向尺寸和重量。

(6)采用整体行星架、行星轮轴和行星轮之间采用滚针轴承支撑的方法，通过以下五种方法实现均载：(a)提高太阳、轮行星轮和内齿圈齿轮的加工精度，(b)采用行星轮均布布局，(c)齿轮齿厚公差选配，(d)控制轴承孔配合公差，(e)提高行星架行星轮轴孔的位置度的精度。相较于定轴的设计，提高了承载能力。

(7)差速器壳体分四层安装，依次安装行星架组件、太阳轮组件、内齿圈输入轴组件和太阳轮输入轴组件，这种布置方式根据各部分的包络尺寸分区分层布置，有效的降低了包络尺寸和重量。

(8)行星轮轴和行星轮之间设置滚针轴承，行星轮与行星轮轴之间为滚动摩擦，极大降低了行星轮与轴之间的磨损。

附图说明

图1为平行式余度机电作动器示意图；

图2为普通悬臂式直线式余度机电作动器示意图；

图3为双余度异侧对称布局机电作动器示意图；

图4为本发明差速器剖视图；

图5为图4的d-d剖视图；

图6为图4的c-c剖视图；

图7为壳体的连接左视图；

图8为壳体的连接右视图；

图9为本发明差速器的机构原理图，(a)为主视图，(b)为左视图；

图10为行星架结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。

本发明直线式双余度差速器包括壳体以及位于壳体中的行星架组件、太阳轮组件、内齿圈输入轴组件、太阳轮输入轴组件。行星架组件为中空结构，太阳轮组件位于行星架组件的中空结构中，通过齿轮与行星架组件啮合；内齿圈输入轴组件通过齿轮与行星架组件外侧齿轮相啮合，太阳轮输入轴组件通过齿轮与太阳轮组件外侧齿轮相啮合；内齿圈输入轴组件和太阳轮输入轴组件作为双余度差速器的两个输入端，分别与制动器以及电机连接；行星架组件作为双余度差速器的输出端，与作动缸连接，所述输入端和输出端位于双余度差速器的两侧，且两个输入端轴线相对于输出端轴线对称。

内齿圈输入轴组件和太阳轮输入轴组件均用于接收电机的转矩和转速，并通过齿轮传递给行星架组件，由行星架组件将增大后的转矩和减速后的转速输出给作动缸。

上述差速器实现的机电作动器如图3所示，即把差速器两个输入和一个输出布置在差速器的异侧，且差速器两个输入轴线相对于输出轴线对称，此时沿输出轴线的径向包络尺寸最小，可以满足10kw大功率场合使用要求。

如图4、5、6、7、8所示，所示，行星架组件包括行星架7、四个行星轮2、四个行星轮轴8、四个行星轮支撑滚针轴承19、内外齿圈3、行星轮垫片9、内外齿圈轴承挡片10、两个内齿圈支撑轴承21、第一行星架支撑轴承18、两个第二行星架支撑轴承20。行星架7为中空结构，在行星架7侧壁上沿径向均布四个空腔，在行星架7侧壁上沿轴线方向开有四个通孔，每个通孔与一个空腔同轴。每个空腔中放置一个行星轮支撑滚针轴承19和一个行星轮2，行星轮2套在行星轮支撑滚针轴承19上；每个行星轮轴8穿过一个通孔和对应空腔中的行星轮支撑滚针轴承19；内外齿圈3套在行星架7外侧，且与四个行星轮2相啮合；两个内齿圈支撑轴承21位于行星架7上、内外齿圈3两侧，且每个内齿圈支撑轴承21位于行星架7外侧，内外齿圈3内侧；两个第二行星架支撑轴承20支撑在行星架7外侧，且位于两个内齿圈支撑轴承21两侧；行星架7一端伸出，用于连接作动缸；第一行星架支撑轴承18支撑在伸出端外边缘处。行星架结构示意图如图10所示。

每个行星轮2与空腔轴向侧壁之间设置有行星轮垫片9。每个内齿圈支撑轴承21内圈通过内外齿圈轴承挡片10定位。

太阳轮组件包括太阳轮1、太阳轮过轮5、第一太阳轮支撑轴承11、第二太阳轮支撑轴承12和第三太阳轮支撑轴承13；第一太阳轮支撑轴承11支撑在太阳轮1一端，与太阳轮1一起放入行星架7的中空结构中，所述太阳轮1与四个行星轮通过齿轮啮合，且第一太阳轮支撑轴承11外圈固定在行星架7预先设计的内孔上。

第二太阳轮支撑轴承12支撑在太阳轮1中部，且位于行星架7外部，太阳轮过轮5安装在太阳轮1上，且压紧第二太阳轮支撑轴承12；第三太阳轮支撑轴承13支撑在太阳轮1另一端。

太阳轮输入轴组件包括太阳轮侧输入轴6、第一太阳轮侧输入轴支撑轴承16、第二太阳轮侧输入轴支撑轴承17；太阳轮侧输入轴6位于太阳轮组件和行星架组件外侧，且与太阳轮过轮5相啮合；第一太阳轮侧输入轴支撑轴承16和第二太阳轮侧输入轴支撑轴承17支撑在太阳轮侧输入轴6两侧。

所述内齿圈输入轴组件包括内齿圈输入轴4、第一内齿圈输入轴支撑轴承14和第二内齿圈输入轴支撑轴承15；内齿圈输入轴4位于行星架7外侧，且与内外齿圈3相啮合；第一内齿圈输入轴支撑轴承14和第二内齿圈输入轴支撑轴承15分别支撑在内齿圈输入轴4两侧。

壳体包括第一壳体23、第二壳体24、第三壳体25和差速器钢板26；行星架组件伸出端位于第一壳体23中，行星架组件其余部分位于第二壳体24中，太阳轮组件和内齿圈输入轴组件位于第二壳体24、第三壳体25和差速器钢板26中，太阳轮输入轴组件位于第三壳体25和差速器钢板26中，且内齿圈输入轴组件和太阳轮输入轴组件穿出差速器钢板26，用于与制动器以及电机连接。

壳体的具体设计及连接方式如下：

第一壳体23、第二壳体24、第三壳体25和差速器钢板26通过螺钉固连，且差速器钢板26与制动器、以及电机和作动缸固连；第一壳体23设置有六根加强筋2302和四个与作动缸相连的螺钉通孔2301，并开有六个减重腔2303，同时第一壳体上开有用于容纳行星架组件伸出端的空腔；第二壳体24设置有四个与作动缸相连的螺钉通孔2401，并开有一个减重腔2402(用于容纳内齿圈输入轴组件)；第三壳体25设置有四个与作动缸相连的螺钉通孔2501，并开有一个减重腔2502(用于容纳内齿圈输入轴组件)；差速器钢板26设置有四个与作动缸相连的螺钉内螺纹孔2601，以及与电机连接的内螺纹孔2602(四个)和2603(四个)，以及与制动器安装壳体连接的内螺纹孔2604(十二个)。

加强筋与第一壳体23上起连接作用的孔2301和连接螺钉31和34错开位置。

差速器钢板26上设置有三个轴承孔，其中中间的轴承孔与作动缸的输入轴同轴，两侧轴承孔中一侧轴承孔与太阳轮侧输入轴6同轴，另一侧轴承孔与内齿圈输入轴4同轴。

第一壳体23用于容纳行星架组件伸出端的空腔根部以及减重腔的各底边和侧边均采用大倒角设计，倒角半径为5-10mm。

下面以一个具体的差速器为例，介绍本发明的安装过程。

(1)依次把行星轮垫片9、行星轮支撑滚针轴承19、行星轮2、行星轮垫片9沿轴向放置到行星架7的四个空腔内，其中行星轮2套在行星轮支撑滚针轴承19上。每个行星轮轴8穿过一个通孔和对应空腔中的行星轮支撑滚针轴承19，压装到位后，把内外齿圈3安装到四个行星轮2的外面并保证啮合正确，把两个内齿圈支撑轴承21压装到行星架和内外齿圈之间，把内外齿圈轴承挡片10通过四个沉头螺钉安装到行星架两侧，挡住两个内齿圈支撑轴承21内圈。把三个轴承20、18压装到行星架7上，即两个第二行星架支撑轴承20支撑在行星架7外侧、两个内齿圈支撑轴承21两侧；第一行星架支撑轴承18压装到伸出端外边缘处。行星架7一端伸出，用于连接作动缸。至此组成行星组件。

(2)把第一内齿圈输入轴支撑轴承14和第二内齿圈输入轴支撑轴承15压装到内齿圈输入轴4两侧，组成内齿圈输入轴组件。

(3)把第一太阳轮侧输入轴支撑轴承16、第二太阳轮侧输入轴支撑轴承17压装到太阳轮侧输入轴6上，组成太阳轮输入轴组件。

(4)把第一太阳轮支撑轴承11、第二太阳轮支撑轴承12压装到太阳轮1上，把太阳轮过轮5通过销钉在连接面处沿着轴向方向安装到太阳轮1上，且压紧第二太阳轮支撑轴承12；把第三太阳轮支撑轴承13压装到太阳轮1上，组成太阳轮组件。

(5)把第二壳体24安装到第一壳体23上，把行星架组件安装到第一壳体和第二壳体上，把第三壳体25安装到第二壳体24上，并使得第三壳体25安装到第二行星架支撑轴承20外面，且与第二壳体24安装正确。

(6)把太阳轮组件安装到行星架组件内部并与行星轮2啮合。

(7)把内齿圈输入轴组件穿过第二壳体、第三壳体上的空腔2402、2502，安装到第二壳体24上。

(8)把太阳轮输入轴组件安装到第三壳体25上。

(9)第一壳体23、第二壳体24、第三壳体25通过第一螺钉31、第一弹垫32、第一平垫33连接。

(10)把差速器钢板26安装在第三壳体25上，并保证太阳轮输入轴组件上第二太阳轮侧输入轴支撑轴承17、第三太阳轮支撑轴承13、内齿圈输入轴组件上的内齿圈输入轴支撑轴承15安装正确，固定第二螺钉27、第二弹垫28、第二平垫29连接差速器钢板26和安装在第三壳体25，固定第三螺钉30、第二弹垫28、第三平垫29，连接第二壳体24、第三壳体25和差速器钢板26，固定第四螺钉34、第一弹垫32、第一平垫33，连接第一壳体23、第二壳体24、第三壳体25和差速器钢板26。

如图9所示，本发明的工作原理为：当太阳轮侧输入轴6制动时，另一侧内齿圈输入轴4带动内外齿圈3，内外齿圈3带动行星轮2，行星轮2通过行星轮轴8带动行星架7转动。当内齿圈输入轴4制动时，另一侧太阳轮侧输入轴6带动太阳过轮5和太阳轮1，太阳轮1带动行星轮2，行星轮2通过行星轮轴8带动行星架7转动。或者双路同时输入(两个输入轴都不制动)。

第一壳体23上的六根筋2302保证了第一壳体输出止口端面受压力时的承载能力，第一壳体23上的六个空腔2303降低了重量，第一壳体23上用于容纳行星架组件伸出端的空腔根部以及减重腔的各底边和侧边的大倒角降低了壳体受压时的应力集中。内齿圈输入轴上的轴段401和太阳轮侧输入轴上的轴段601与制动器转子相连。内齿圈输入轴上的键22和太阳轮侧输入轴上的键22与电机相连。行星架7上的键槽通过键与滚珠丝杠作动缸相连。

经过测算和试验，本发明差速器实现了以下指标：折算到输入侧的转动惯量为2.6×10^-4kg·m²、重量9kg、比功率密度2.6×10⁷w/m³，输出力矩120nm，功率为12kw。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。