緊湊的設(shè)計(jì)，卓越的性能

maxon于2020年推出的GPX UP系列（Gear Planetary X-series Ultra Performance，即“具有極佳性能的X系列行星齒輪箱”）現(xiàn)已作為標(biāo)準(zhǔn)品供貨，并作為配置X驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組件時(shí)其中的一種可選齒輪箱類型。 “同類最佳”的UP系列是對(duì)maxon現(xiàn)有X-drive齒輪箱家族的補(bǔ)充，可根據(jù)不同的成本或性能目標(biāo)提供該系列中的不同產(chǎn)品。

·         GPX A (金屬行星銷軸——標(biāo)準(zhǔn)版)

·         GPX C (陶瓷行星銷軸——增加扭矩和使用壽命)

·         GPX LN (降低噪聲)

·         GPX LZ (減少回差)

·         GPX HP (高性能——增加扭矩容量)

·         GPX UP (極佳性能——平滑反驅(qū)能力和最大效率)

maxon要感謝航空航天領(lǐng)域中出現(xiàn)的高需求設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@反過來促使我們?nèi)ラ_發(fā)更多可行的解決方案，進(jìn)而造就了GPX UP系列行星齒輪箱。

UP系列廣泛的性能提升為那些最高要求的應(yīng)用提供了新的機(jī)會(huì)，例如火星上的探測(cè)車或是尖端的手術(shù)機(jī)器人。

最初，UP的開發(fā)設(shè)計(jì)理念源于太空項(xiàng)目“ExoMars”（ESA的火星項(xiàng)目）和NASA的“Mars 2020”。這些火星車需要極高的扭矩和功率，以及終身使用前提下可能達(dá)到的最高效率，同時(shí)需要暴露在已知最極端的環(huán)境條件下。最終，“UP”齒輪箱成為市場(chǎng)在售的且能滿足極端應(yīng)用需求的一種先進(jìn)齒輪箱設(shè)計(jì)。

圖 1：GPX 22UP 的剖面圖（行星齒輪，X 系列，直徑 22 mm，極佳性能）。注：滾針軸承位于鋼制銷軸之間，行星齒輪的ID位于兩個(gè)上部齒輪的橫截面上

這種新型變速箱設(shè)計(jì)的一大優(yōu)勢(shì)是其出色的高效率（輸出功率/輸入功率之比）。 顯著減少任何機(jī)械系統(tǒng)中的摩擦自然會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體優(yōu)化。在傳統(tǒng)行星齒輪系中，行星輪/齒輪在涂有潤(rùn)滑脂的鋼或陶瓷銷軸（一種簡(jiǎn)單的滑動(dòng)軸承）上旋轉(zhuǎn)。 然而，在UP齒輪箱結(jié)構(gòu)中，這種摩擦界面被滾針軸承所取代。這項(xiàng)創(chuàng)新使得行星齒輪和銷軸間的接觸面從“滑動(dòng)摩擦”變?yōu)閮?yōu)越的“滾動(dòng)摩擦”。這樣的結(jié)果是，行星輪在平穩(wěn)運(yùn)行的軸承上旋轉(zhuǎn)，提高效率并且大幅降低摩擦產(chǎn)生的熱能，同時(shí)延長(zhǎng)了潤(rùn)滑劑的使用壽命。 

圖2：4X行星輪/齒輪的圖像，其內(nèi)徑中放置有滾針軸承。這是為航天應(yīng)用而設(shè)計(jì)的直徑為22 mm的UP行星齒輪箱內(nèi)部零件。這與使用滑動(dòng)軸承（僅有一潤(rùn)滑過的銷軸）供行星齒輪旋轉(zhuǎn)的傳統(tǒng)行星齒輪箱不同。

GPX32 UP（3級(jí)減速結(jié)構(gòu)）的最大效率約為90%，相較而言，同等傳動(dòng)比下的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)齒輪箱效率僅達(dá)到約70%。 由此能獲得約20%的效率提升幅度，見圖3。

圖 3：GPX 32UP（實(shí)線）與 GPX 32 標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)（虛線）的效率與扭矩曲線。

如果將相同的電機(jī)和控制器固定在UP齒輪箱上，而不是傳統(tǒng)的行星齒輪箱，則效率的提高導(dǎo)致電機(jī)+齒輪箱組件能夠在輸出時(shí)多產(chǎn)生30%的扭矩和功率?；蛘?，換句話說：達(dá)到相同的輸出功率需要將驅(qū)動(dòng)裝置的輸入功率減少23%。由于輸入扭矩需求的降低，有刷電機(jī)的負(fù)擔(dān)和磨損更少，也就相當(dāng)于能維持更長(zhǎng)的有刷驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，延長(zhǎng)電機(jī)的整體使用壽命。此外，這允許電機(jī)在效率與扭矩曲線的更有效區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，或者允許使用更小/更輕的電機(jī)和相關(guān)的控制類電子元件，對(duì)于重量和成本來說都是一大優(yōu)勢(shì)。通過改進(jìn)的齒輪箱和電機(jī)效率，整套組件可保證電池類應(yīng)用獲得盡可能長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間：無需為電池充電，組件仍在運(yùn)行。 

更長(zhǎng)的齒輪箱使用壽命

使用UP可以顯著延長(zhǎng)齒輪箱的使用壽命，這主要是因?yàn)樾行禽?/span>ID與其所乘坐的軸之間的摩擦大大減少。同時(shí)，由于產(chǎn)生和排放的熱摩擦較少，因此齒輪運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量明顯減少。在溫度不應(yīng)超過一定閾值水平的應(yīng)用中（例如醫(yī)用手持設(shè)備），UP提供了理想的解決方案。

潤(rùn)滑劑的使用壽命在齒輪箱機(jī)械部件的磨損方面起著重要作用。熱應(yīng)力越大，潤(rùn)滑性能損失得越快，進(jìn)而在機(jī)械系統(tǒng)中的摩擦現(xiàn)象也很快就會(huì)隨之而來。磨損的金屬顆粒導(dǎo)致潤(rùn)滑劑的凝集，可能破壞潤(rùn)滑力。在GPX UP中，摩擦界面被替換為軸承，從而最大限度地減少產(chǎn)生的熱量。 相應(yīng)地，潤(rùn)滑劑保持健康狀態(tài)，齒輪箱的壽命經(jīng)測(cè)試比同類競(jìng)爭(zhēng)型號(hào)長(zhǎng)11倍。

圖4：連續(xù)功率輸出能力和使用壽命的圖表

與傳統(tǒng)的行星式設(shè)計(jì)相比，新型GPX UP的輸出參數(shù)得到改善，同時(shí)也能為觸覺反饋或力反饋應(yīng)用提供可行的解決方案。 設(shè)計(jì)中所采用的滾針軸承確保行星齒輪的高效率和平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，使UP對(duì)于那些需要平滑、可重復(fù)的反驅(qū)能力或需要轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪箱輸出軸的應(yīng)用而言是極為理想的選擇。在齒輪箱輸入端上通過GPX UP提供給電機(jī)的扭矩反饋始終與負(fù)載成正比且可量化。由于效率波動(dòng)，齒輪箱內(nèi)部的誤差累積改變（齒輪級(jí)到齒輪級(jí)）和行星輪可能發(fā)生的移位問題，傳統(tǒng)制造的行星齒輪箱無法保證平滑反驅(qū)能力或是齒輪間的均載。UP 解決了以上所有這些問題。

觸感裝置中的反驅(qū)能力：

在電子飛行控制（線控飛行）中，飛行員的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)不會(huì)轉(zhuǎn)移到傳統(tǒng)的機(jī)械或液壓執(zhí)行器上，而是以電子方式傳輸——基本的變化力反饋或“感覺”由操縱桿控制柱中的電機(jī)組件提供。這種生成觸感反饋的電機(jī)組件必須包含這樣一臺(tái)齒輪箱：具有平滑反驅(qū)能力的同時(shí)，又能根據(jù)操縱桿的位置產(chǎn)生扭矩/力。

在進(jìn)行微創(chuàng)、微型手術(shù)和遠(yuǎn)程手術(shù)的尖端手術(shù)機(jī)器人中采用的是類似的方法（圖5）。 此處至關(guān)重要的是，進(jìn)行手術(shù)的醫(yī)生需要?jiǎng)討B(tài)、即時(shí)地感受到遠(yuǎn)處手術(shù)機(jī)器人正在執(zhí)行的相同的力。因此，對(duì)于外科醫(yī)生和手術(shù)機(jī)器人控制臺(tái)來說，電機(jī)組件中一臺(tái)可平滑反驅(qū)的齒輪箱是重中之重。即使在需要2或3個(gè)行星級(jí)的減速比時(shí)，UP也能夠保證功能。具有不均勻或“粘滯”反驅(qū)狀態(tài)的傳統(tǒng)齒輪在這種情形下無法使用，而且會(huì)給機(jī)械系統(tǒng)造成噪音。綜合而言，UP是一種優(yōu)化的觸感變速器，扭矩從變速器的輸入端或輸出端干凈利落地通過變速器，從而產(chǎn)生卓越的觸覺體驗(yàn)，適用于機(jī)械系統(tǒng)和整套手術(shù)機(jī)器人。

圖5：力反饋應(yīng)用示例：手術(shù)機(jī)器人

maxon的GPX極佳性能（UP）系列齒輪箱的直徑已有22、32、42 mm三種規(guī)格可供選擇；與所有“X系列”產(chǎn)品一樣，支持在線定制和訂購。目前，位于德國(guó)Sexau的maxon分部正著力于發(fā)布直徑為10 mm和8 mm的齒輪箱，并將未來的可選范圍擴(kuò)充為8 mm至58 mm直徑的全系列產(chǎn)品。   

總而言之，新型GPX UP行星齒輪箱在更高的功率和連續(xù)/峰值扭矩輸出方面獲得了突破性的改進(jìn)，以使其具有卓越的效率、無可匹敵的使用壽命、更少的生熱或散熱器以及真正平滑的反驅(qū)能力，即使在多級(jí)齒輪箱中也是如此。 當(dāng)您綜合考慮所有特質(zhì)時(shí)，只剩下兩個(gè)詞語予以形容：“Ultra Performance”——極佳性能！

作者：Felix Schinner, Peter van Beek

校譯：Vicky