為滿足骨鉆的使用靈巧、輸出力矩大等要求，在骨鉆結(jié)構(gòu)設(shè)計中一般采用行星減速器進(jìn)行增矩、降速，而受空間結(jié)構(gòu)的限制，行星輪與銷軸之間空間太小，無法安裝軸承，只能采用小間隙配合，行星減速器結(jié)構(gòu)如圖1所示。但骨鉆在高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，行星減速器中各轉(zhuǎn)動齒輪間會產(chǎn)生較大摩擦阻力，摩擦導(dǎo)致發(fā)熱，同時高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時銷軸與行星輪內(nèi)孔配合間隙小，行星輪內(nèi)孔中潤滑油極易被擠出，導(dǎo)致潤滑不良而發(fā)熱;另外骨鉆運(yùn)行過程中工作阻力大，浮動的行星輪易出現(xiàn)齒輪嚙合偏載的現(xiàn)象引發(fā)噪聲。
國內(nèi)外學(xué)者針對減速器振動、噪聲問題進(jìn)行了大量的研究。王鑫興等針對全自動攻絲機(jī)用行星減速器振動、噪聲問題，進(jìn)行齒輪微觀修形完成降噪研究;陳新從齒輪的參數(shù)、結(jié)構(gòu)、精度和材料等入手對齒輪噪聲進(jìn)行控制;周飛等研究配齒和設(shè)計參數(shù)對 3K 型行星減速器傳動效率的影響;胡潤鳳從振動、潤滑、齒形等方面分析影響減速器噪聲的因素;譚建軍等對行星減速器傳動嚙合偏載原因從行星輪彎矩、銷軸非對稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析;張樹平研究齒輪參數(shù)和加工精度對齒輪傳動噪聲的影響。本文針對上述問題，主要從行星減速器潤滑不良、摩擦發(fā)熱、嚙合異常、運(yùn)行偏載等方面進(jìn)行分析，結(jié)合試驗(yàn)來探索降低行星減速器的溫升和噪聲的有效途徑。
一、高速行星減速器溫升、噪聲分析
行星減速器連續(xù)工作時，產(chǎn)生的熱量和噪聲主要由摩擦、偏載、振動引發(fā)。將發(fā)熱量較大、噪聲異常的骨鉆進(jìn)行拆機(jī)，重點(diǎn)觀察其中行星減速器的變化，發(fā)現(xiàn)部分行星輪內(nèi)孔油脂量存量較少，潤滑油變黑，部分行星架上的銷軸外圓出現(xiàn)異常磨損，行星輪內(nèi)孔出現(xiàn)環(huán)形劃痕和燒傷，部分輪齒出現(xiàn)撕裂等現(xiàn)象，如圖 2 所示。此行星減速器電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速 38 000 r/min，正、反空載運(yùn)行 5 min 后實(shí)測溫度 80~90 ℃，實(shí)測噪聲80~90 dB，超出目標(biāo)值30%，不符合使用要求。
摩擦因素
行星減速器結(jié)構(gòu)如圖3 所示，此款醫(yī)用骨鉆選用電機(jī)38 000 r/min作為動力輸入，根據(jù)減速比可知行星輪轉(zhuǎn)速高達(dá)80 000 r/min，行星輪與銷軸之間相對轉(zhuǎn)速較高，根據(jù)F=(a+bv)e-cd，摩擦力F與運(yùn)動速度v成正比，a、b、c、d為由摩擦材料和載荷大小決定的系數(shù)，此時摩擦系數(shù)對摩擦力的影響非常敏感。
潤滑條件
由于銷軸與行星輪內(nèi)孔為小間隙配合，如圖4 所示，軸與孔配合間隙較小，為 0.01~0.02 mm，不易存油。當(dāng)骨鉆高速運(yùn)行并承受負(fù)載時，行星輪受力將潤滑油擠出，極易導(dǎo)致銷軸與行星輪內(nèi)孔干摩擦。
行星輪M值
行星減速器裝配時，同一減速器中各行星輪 M 值需保持大小一致，保證同一減速器中各行星輪與齒圈、中心輪嚙合的松緊一致，否則行星減速器運(yùn)行過程中將發(fā)生偏載，引起發(fā)熱和噪聲。
齒輪嚙合間隙
行星減速器不僅要保證運(yùn)行平穩(wěn)，同時還需保證傳動精度，齒輪嚙合間隙須保證在合適的范圍內(nèi)，齒輪嚙合間隙如圖5所示。齒輪嚙合間隙過大，影響傳動的準(zhǔn)確性，引起沖擊，加劇整個傳動系統(tǒng)的噪聲和振動沖擊;但齒輪嚙合間隙過小，齒面摩擦增大，發(fā)熱增加、噪聲增大。
二、解決路徑
優(yōu)化措施
1)提高零件表面粗糙度及精度，內(nèi)孔、外圓的接觸面粗糙度提高到Ra0.4。
2)提高銷軸尺寸、形狀精度，提高至IT6級。
3)適當(dāng)縮短行星輪內(nèi)孔與銷軸配合長度，齒輪孔口45°倒角調(diào)整為30°，減少孔與軸摩擦面積，同時便于裝配，如圖6所示。
4)在銷軸與行星輪配合的圓柱面上加工雙扁，增加存油空間，如圖7所示。
參數(shù)調(diào)整
1)行星減速器裝配時，同一級行星輪使用同一組 M 值，通過行星輪 M 值測量分組保證各行星輪大小一致，提高減速器運(yùn)行的平穩(wěn)性。
2)提高與行星輪接觸面的位置精度，提高行星輪端面跳動、齒圈跳動、內(nèi)孔圓度，減少高速旋轉(zhuǎn)行星輪的摩擦發(fā)熱。
3)適當(dāng)調(diào)大齒輪嚙合間隙，減少齒面摩擦，提高傳動效率，從而減少發(fā)熱、降低噪聲。
三、試驗(yàn)驗(yàn)證
行星減速器試驗(yàn)條件及要求
試驗(yàn)條件：現(xiàn)對某款醫(yī)用電鉆用行星減速器進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備：兆信 KXN-3020D 直流穩(wěn)壓電源(測試電壓為9.6 V)、CEM DT-612熱電偶測溫儀、 特安斯分貝儀噪音測試儀。檢測要求：正、反運(yùn)行 5 min，開始檢測數(shù)據(jù)，檢測位置為減速器行星輪附件(溫升最高處)，如圖8所示。該試驗(yàn)中行星減速器的檢測要求如表1所示。
分組試驗(yàn)
提高表面粗糙度：根據(jù)圖 6 優(yōu)化行星輪結(jié)構(gòu)，將銷軸外圓、行星輪內(nèi)孔及端面粗糙度提高至 Ra0.4，齒輪孔口 45° 倒角調(diào)整為 30°，其他零件均不變(且均為尺寸與精度合格零件)。行星減速器空載運(yùn)行 5 min 后開始檢測，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。試驗(yàn)表明：提高零件表面粗糙度可減小摩擦，行星輪端面的潤滑油發(fā)黑癥狀減輕，行星減速器的發(fā)熱降低。
控制行星輪M值：行星減速器裝配前對行星輪 M 值進(jìn)行分組，保 證同一減速器的各行星輪 M 值同組，其他零件均不變(且均為尺寸與精度合格零件)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示，噪聲、溫升均降低。試驗(yàn)表明：保持行星輪 M 值一致性，可保證各齒輪嚙合松緊一致，減少偏載，使行星減速器運(yùn)行平穩(wěn)，避免各齒輪嚙合面的異常磨損，有效降低行星減速器的運(yùn)行噪聲。
優(yōu)化銷軸結(jié)構(gòu)：根據(jù)圖 7 優(yōu)化銷軸結(jié)構(gòu)，在銷軸與行星輪內(nèi)孔的配合面上加工雙扁，銷軸裝配時雙扁垂直于行星輪與中心輪的連心線，其他零件均不變(且均為尺寸與精度合格零件)。行星減速器空載運(yùn)行 5 min 后進(jìn)行檢測，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。試驗(yàn)表明：行星減速器選用優(yōu)化后帶扁銷軸，拆機(jī)發(fā)現(xiàn)行星輪內(nèi)孔、銷軸配合面潤滑油未變黑，表明銷軸增加雙扁可明顯改善孔-軸潤滑情況，降低減速器溫升。同時發(fā)現(xiàn)孔-軸間隙調(diào)整至 0.020~0.030 mm可明顯降低行星減速器溫度、噪聲。
調(diào)整齒輪嚙合間隙：進(jìn)一步驗(yàn)證各齒輪嚙合間隙對骨鉆的溫升、噪聲的影響程度，通過調(diào)整行星輪 M 值大小調(diào)整各齒輪嚙合間隙。除行星輪M值，其他零件相同(選雙扁銷軸)且合格，行星減速器空載運(yùn)行 5 min 后檢測，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。試驗(yàn)表明：齒輪嚙合間隙對行星減速器的噪聲、溫升影響明顯，適當(dāng)調(diào)大齒輪嚙合間隙，將齒輪嚙合間隙調(diào)整至0.04~0.05 mm，齒面摩擦阻力減小，減速器運(yùn)行效率提升，運(yùn)行平穩(wěn)，可以明顯降低減速器的噪聲、溫升。
通過以上 4 項(xiàng)措施，選用帶扁銷軸，提高零件表面粗糙度，控制行星輪 M 值，調(diào)整齒輪嚙合間隙，行星減速器的溫升和噪聲情況明顯改善，行星減速器發(fā)熱量降低到45~65 ℃，噪聲控制在40~62 dB，符合骨鉆的使用要求。
五、結(jié)論
通過對該型號醫(yī)用骨鉆行星減速器溫升和噪聲進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)影響行星減速器溫升、噪聲的主要因素依次為轉(zhuǎn)速、摩擦、潤滑、間隙、偏載。試驗(yàn)表明：通過優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)、調(diào)整間隙、降低偏載、提高精度等措施，可有效改善行星減速器運(yùn)行過程中的溫升和噪聲問題。
參考文獻(xiàn)略.