齿轮消隙机构的技术综述

庄秀华

摘 要： 本文通过对齿轮消隙机构技术领域专利文献进行分析，从中国、国外的专利申请量、申请人的分布等多方面统计分析，分析了齿轮消隙机构有关专利申请的发展历程，阐述了该技术领域的主要技术路线、技术发展脉络和趋势。

关键词： 齿轮；消隙；专利

一、引言

齿轮传动是传动系统中最常见是的一种机械传动，是传递动力和运动的一种主要形式，是传动系统的重要组成部件。机构传动过程中，齿轮传动机构都有传动副侧隙存在，侧隙用来防止由于误差和热变形而使轮齿卡住，并且给齿面间的润滑油膜留有空间，但侧隙同时又给机构在反转时带来空程，使机构不能准确定位。机构工作过程中，不可避免地会将上述由轮齿侧隙产生的误差传递，因此，在需要传递高精度角度信息或者位置信息的场合，必须采用合适的误差调整方法，以控制误差量，提高传动精度，达到更好的运行效果。为了减少或消除侧隙给机构带来的不利影响，需要采用消隙方法。如何能够减少或消除齿轮间隙，日渐成为提高齿轮传动精度的瓶颈技术，消除齿隙对传动精度的影响是新型精密齿轮传动方式探索和研究的主要目标和发展的趋势。

二、齿轮消隙机构的专利文献分析

（1）申请的地域分布

专利申请的地域分布可以反映出企业的产品市场重心特征。对齿轮消隙机构的专利申请的所在国家和地区分布进行统计，可以看出，有关齿隙消除机构的专利申请主要集中在日本、中国、美国和德国，这四个国家占据了所有专利申请的近80%。可以看到的是，这四个国家也是目前全球最大的机械制造生产地区。值得注意的是，虽然我国在技术发展上与日本还存在着差距，但是我国对齿轮间隙的消除机构的研究紧跟世界的步伐，并没有落后，这说明我国对消除齿轮间隙的影响非常重视。同时随着中国的专利制度不断完善，各国企业都积极在中国进行专利技术保护，试图占领中国的技术市场。

（2）申请量年度分布

本文在中国专利文摘数据库（CNABS）和外文虚拟库（VEN）中以选取的分类号进行检索，检索对象限定在全球公开日或公告日在2015年之前的发明和实用新型专利申请，并对检索结果进行分析。

在中国，齿轮消隙机构专利申请量一直呈上升趋势。专利申请起始于1989年，一直到2006年都处于相对低的水平，申请量较少，可以理解为技术起步阶段；在2006年后，专利申请量有了稳步上升，这种上升趋势一直到今，这期间是齿轮消隙机构技术的平稳发展期。对于外国申请，齿轮消隙机构技术专利申请始于1904年，從1904年到1989年都处于相对低的水平，申请量较少，从图中可以看出，在1989年至今，外国专利申请量变化不大，但是每年的申请量都比较多，齿轮消隙机构技术不断发展。中国与国外相比，中国国内企业的研究起步较晚，而且与国外相比，还存在着巨大的差距。值得注意的是，在2008年到2015年这几年间，中国国内申请数量一直平稳较快地增长，这说明齿轮消隙技术越来越受到中国企业的重视。

（3）主要申请人统计分析

对关于齿轮消隙技术的专利申请利用索引PA对专利申请的申请人进行统计，可以看出，日本的企业在齿轮消隙技术领域的专利申请最多。其中，日本的丰田自动车株式会社位居首位。而且排在前五的都是日本企业，这说明日本对齿轮消隙技术比较重视，研究比较深入，远远领先于其他国家。中国与其他国家相比，在该领域还存在很大的差距。

三、齿隙消除机构的技术路线、技术发展脉络和趋势

二十世纪初人们开始对含齿隙的运动系统进行深入的研究，至今仍然倍受关注。随着人们对消除齿轮间隙技术的不断研究，齿轮消隙技术从刚开始的机械消隙慢慢发展为电控消隙，从改变齿轮的齿的结构、采用双联齿轮来消隙慢慢发展为采用伺服电机来消隙，齿轮消隙技术得到不断的发展，消隙方法变得越来越简单化，自动化，达到的效果越来越好，提高了齿轮传动的精密度，降低了齿轮的磨损和传动过程中产生的噪音。下面结合专利对齿隙消除机构的技术路线、技术发展脉络和趋势作个简单的介绍。

最早的消除齿隙的方法是通过改变齿轮的齿形的结构来达到消除间隙的目的，最常见的是变齿厚斜齿轮传动，将啮合齿轮副的分度圆柱面制成带有小锥度的圆锥面，可形成变齿厚斜齿轮，调整啮合齿轮副两齿轮在轴向的相对位置即可达到消除齿侧间隙的目的，此外，通过在两齿轮之间设置一粗糙接触面的齿轮传动装置，利用两传动齿轮之间的粗糙接触面所产生的摩擦阻尼效果，降低齿轮在传动时因齿隙所发生的震动现象，从而消除间隙，还可以在齿轮的齿上增加弹性材料来消除间隙，虽然该齿轮消隙结构较为简单，但安装调整不方便且不能自动调整安装位置，因此在传动过程中，仍有可能出现轮齿侧隙或轮齿啮合涨紧现象。另外如果过盈配合失效，则消隙效果失效，齿轮需重新加工，维护成本高，因此人们开始研究采用其他方法来消除齿轮的间隙，双联齿轮消隙方法应运而生。

双联齿轮消隙的工作原理是通过双齿轮一起与另外一个齿轮啮合，双齿轮之间通过弹簧等类似结构相连，通过双齿轮产生相对转动，使双齿轮的轮齿错位，从而达到消除齿侧间隙的目的。这种错齿调间隙机构的齿侧间隙可自动补偿，而且结构简单，更为重要的是，在负载的作用下不可逆向运动，因此双齿轮消隙结构被广泛应用在齿轮传动副的消隙上。一些精密设备的旋转台就是通过这种结构进行消隙。同时，也可将其推广到蜗杆传动机构中，取得了比较好的消隙效果。

虽然这些方法可以有效地消除传动系统间隙的静态误差，但在高精度快速随动系统中，电机驱动负载频繁换向，即使釆用机械消隙措施仍难以克服间隙造成的瞬态误差。另外，机械消隙方法增加了机械设备的复杂性，并且随着工作时间的增加，机械可靠性降低。

随着非线性控制理论等的发展以及对齿隙非线性机理研究的不断深入，从控制角度入手以达到消除齿隙目的方法不断出现。双电机驱动系统是一种新颖可靠的机电传动方式，正逐渐广泛应用于高精度设备中。双电机驱动消除间隙的原理是：用相同的两台电机分别带动两套完全相同的减速机构，再由两减速机构的输出小齿轮带动数控转台主齿轮传动；通过电气控制，使主齿轮在起动和换向过程中始终受到偏置力矩的作用——两个输出小齿轮分别贴在主齿轮的两个相反的啮合面，使主齿轮不能在齿轮间隙中来回摆动，从而达到消除间隙，提高系统精度的目的。双电机系统改变以往传统的单电机驱动模式，电机多釆用对称方式布置在输出终端，通过合理控制两台电机的输出力矩达到可靠消除传动间隙的目的。

四、总结

综上所述，本文通过对齿轮消隙方法的专利文献进行分析和整理，对齿轮消隙方法的技术发展路线和趋势有了大体的了解，这对于该领域的专利申请的审查工作而言具有很大帮助。■

参考文献

[1] 谢峰 机构消隙的方法及应用.中船重工第七一三研究所，2011.

[2] 刘琴琴 新型齿轮自动消隙机构的研究. [西华大学硕士学位论文]，2011.

[3] 孙龙飞 双电机驱动系统运动特性及消隙控制方法研究. [东北大学硕士学位论文]，2012.