很多朋友喜歡劉慈欣的科幻小說(shuō)《三體》。相互只有引力作用的三個(gè)天體，其運(yùn)動(dòng)演化涉及到十八個(gè)維度，即使它們的初始運(yùn)動(dòng)完全確定，它們的運(yùn)動(dòng)演化也無(wú)法測(cè)度確定，這就是三體不確定性。處身《三體》星系中的三體人受夠了這種不確定性，開始尋找新的移居地，小說(shuō)故事情節(jié)就此展開。
朋友們不知道的是，三體不一定在天上，三體就在我們身邊，機(jī)械中就存在三體。中文里，"機(jī)械"一詞也指過(guò)于確定、過(guò)于死板無(wú)變化。但一貫非常確定的機(jī)械中，就存在三體，這就是行星排減速器。
普通行星排長(zhǎng)成這樣：
中心藍(lán)灰色的是太陽(yáng)輪。四個(gè)紅色的是行星輪，行星輪都支承在行星架上面。外邊黑色的是內(nèi)齒圈齒輪，就是設(shè)置了內(nèi)側(cè)齒輪的圈圈。太陽(yáng)輪與行星輪嚙合，行星輪與內(nèi)齒圈嚙合，一共有兩個(gè)嚙合層次。太陽(yáng)輪、行星架和內(nèi)齒圈這三個(gè)部件，各自擁有相對(duì)獨(dú)立的轉(zhuǎn)速，就形成了三體關(guān)系。這個(gè)三體僅涉及三個(gè)轉(zhuǎn)速維度，但這套三體比天體三體還要特殊，即使其中一個(gè)主體的轉(zhuǎn)速確定，另外兩個(gè)主體的轉(zhuǎn)速也不能確定！
教科書明確了該行星排的運(yùn)動(dòng)特性方程：ωt+a*ωq=(1+a)*ωj，其中ωt、ωq和ωj分別是太陽(yáng)輪、內(nèi)齒圈和行星架的轉(zhuǎn)速，a=內(nèi)齒圈齒數(shù)/太陽(yáng)輪齒數(shù)。方程是明確的，a是確定的，不確定在哪里？下面我們來(lái)看看。
設(shè)太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速為1，它可能帶來(lái)內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)速為-1/a，行星架轉(zhuǎn)速為0，這時(shí)轉(zhuǎn)速100%傳遞到內(nèi)齒圈。也可能帶來(lái)內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)速為0，行星架轉(zhuǎn)速為1/(1+a)，這時(shí)轉(zhuǎn)速100%傳遞到行星架。還可能帶來(lái)內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)速為-0.3/a，行星架轉(zhuǎn)速為0.7/(1+a)，這時(shí)轉(zhuǎn)速30%傳遞到內(nèi)齒圈，70%傳遞到行星架。還可能20%傳遞到內(nèi)齒圈80%傳遞到行星架……等等。總之，如果沒(méi)有其他因素，內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)速和行星架轉(zhuǎn)速是不確定的。
機(jī)械傳動(dòng)需要確定，怎樣使這個(gè)行星排變得確定？很簡(jiǎn)單，增加一個(gè)確定因素，鎖住內(nèi)齒圈，使內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)速確定為0，行星架轉(zhuǎn)速就確定了。這樣，太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速為1時(shí)，行星架轉(zhuǎn)速確定為1/(1+a)，這就形成普通行星排減速器，其傳動(dòng)比為(1+a)。為避免行星輪相互碰撞，a值會(huì)受到限制；當(dāng)行星輪有三個(gè)時(shí)，a最大不超過(guò)8.1，傳動(dòng)比(1+a)最大不超過(guò)9.1。普通行星排減速器的傳動(dòng)比不大。
與普通行星排不同，另有一種行星排長(zhǎng)成這樣：
這個(gè)行星排的太陽(yáng)輪還是在中心，內(nèi)齒圈還是在外邊。與圖1行星排不同的是，這里有兩層四組八個(gè)行星輪，行星輪都由同一個(gè)行星架支承。太陽(yáng)輪與其中四個(gè)內(nèi)層行星輪嚙合，四個(gè)內(nèi)層行星輪分別與四個(gè)外層行星輪嚙合，四個(gè)外層行星輪與內(nèi)齒圈嚙合，一共有三個(gè)嚙合層次。這里的太陽(yáng)輪、內(nèi)齒圈和行星架這三個(gè)主體也形成三體關(guān)系。可以推導(dǎo)出這個(gè)行星排的運(yùn)動(dòng)特性方程，與上面那個(gè)方程有點(diǎn)類似但又不同：ωt-a*ωq=(1-a)*ωj，其中ωt、ωq和ωj分別是太陽(yáng)輪、內(nèi)齒圈和行星架的轉(zhuǎn)速，a=內(nèi)齒圈齒數(shù)/太陽(yáng)輪齒數(shù)。同樣，鎖住內(nèi)齒圈，使內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)速為0，太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速為1時(shí)，行星架轉(zhuǎn)速確定為1/(1-a)。這形成另一種行星排減速器，從太陽(yáng)輪傳動(dòng)到行星架的傳動(dòng)比為(1-a)。
有沒(méi)有人想過(guò)當(dāng)a接近于1.0會(huì)怎樣？當(dāng)a接近于1.0，傳動(dòng)比(1-a)就極小，比如當(dāng)a=0.993206521739時(shí)，傳動(dòng)比(1-a)=0.006793478261。因?yàn)槟鎮(zhèn)鲃?dòng)的傳動(dòng)比等于正傳動(dòng)比的倒數(shù)，一個(gè)正傳動(dòng)的正傳動(dòng)比極小，其逆?zhèn)鲃?dòng)的逆?zhèn)鲃?dòng)比就極大。正傳動(dòng)是從太陽(yáng)輪傳動(dòng)到行星架，正傳動(dòng)比為(1-a)；逆?zhèn)鲃?dòng)就是從行星架傳動(dòng)到太陽(yáng)輪，逆?zhèn)鲃?dòng)比為1/(1-a)=1/0.006793478261=147.2。該逆?zhèn)鲃?dòng)比值很大，接近150，這是機(jī)器人關(guān)節(jié)常用的減速器傳動(dòng)比值。
也就是說(shuō)，一級(jí)這樣的行星排減速器，就可以代替機(jī)器人關(guān)節(jié)中的一個(gè)RV減速器，一個(gè)簡(jiǎn)單低成本的行星排就取代一個(gè)復(fù)雜高成本的RV 減速器。這是技術(shù)上的顛覆，也是產(chǎn)業(yè)上的顛覆。要知道，各個(gè)關(guān)節(jié)中RV減速器成本占到機(jī)器人總成本的38%，而替換幾個(gè)行星排成本卻非常低廉。現(xiàn)有的RV減速器從技術(shù)到市場(chǎng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)被日國(guó)公司壟斷，打破這種壟斷非常有利于機(jī)器人的發(fā)展和推廣。
當(dāng)a=0.98670212766時(shí)，正傳動(dòng)比(1-a)=0.01329787234，逆?zhèn)鲃?dòng)比1/(1-a)=75.2，該逆?zhèn)鲃?dòng)比值是直升機(jī)減速傳動(dòng)系統(tǒng)常用的傳動(dòng)比。也就是說(shuō)，一級(jí)行星排減速器就可以代替直升機(jī)大功率減速傳動(dòng)系統(tǒng)中的四級(jí)減速器，傳動(dòng)系統(tǒng)重量大大減輕，這算不算一種革命？
有研究過(guò)行星排的朋友就說(shuō)了：a=內(nèi)齒圈齒數(shù)/太陽(yáng)輪齒數(shù)，從圖2中的結(jié)構(gòu)來(lái)看，內(nèi)齒圈與太陽(yáng)輪中間隔著行星輪，內(nèi)齒圈齒數(shù)怎么也不會(huì)接近于太陽(yáng)輪齒數(shù)，顯然a不可能接近于1.0。這種行星排減速器不可能存在。
發(fā)明創(chuàng)新就是在不可能的現(xiàn)狀中開創(chuàng)出可能性。這個(gè)發(fā)明就是要找到一種特種行星排的具體存在，使a接近于1.0，同時(shí)保持其運(yùn)動(dòng)特性方程不變，還要使行星排裝配條件具有實(shí)際可操作性。這過(guò)程說(shuō)起來(lái)很簡(jiǎn)單，但背后涉及到了原理更新、結(jié)構(gòu)開發(fā)、變線速結(jié)構(gòu)、參數(shù)重定義和裝配創(chuàng)新，基礎(chǔ)理論其實(shí)很復(fù)雜，結(jié)構(gòu)突破的層次很多。最后，成功了！
現(xiàn)有減速器中，普通齒輪減速器和普通行星排減速器額定功率很大但傳動(dòng)比不大。諧波加速器、RV減速器和少齒差行星齒輪減速器的傳動(dòng)比比較大，其中諧波減速器核心原理是柔輪比鋼輪少二齒，RV減速器核心原理是擺線輪比針輪少一齒，少齒差行星齒輪減速器核心原理是內(nèi)齒輪比外圈齒輪少一齒。它們都是少整數(shù)齒的減速器，要達(dá)到更大傳動(dòng)比必須采用更多齒數(shù)，這會(huì)增加加工難度，還會(huì)造成承載下降。所以這三種減速器額定功率不大，最大功率只達(dá)到幾十千瓦級(jí)別，在額定功率為幾百千瓦、幾千千瓦甚至上萬(wàn)千瓦級(jí)別的直升機(jī)或船舶上無(wú)法使用。
新發(fā)明的特種行星排減速器通過(guò)優(yōu)化變線速結(jié)構(gòu)和裝配條件，第一次實(shí)現(xiàn)了少幾分之一齒或者少幾十分之一齒的減速傳動(dòng)。特種行星排中各部件齒輪齒數(shù)不必多，傳動(dòng)比就很大。在各部件齒輪齒數(shù)不超過(guò)100齒的條件下，傳動(dòng)比值就達(dá)幾十、幾百乃至上千，實(shí)現(xiàn)大功率大傳動(dòng)比減速傳動(dòng)。這種特種行星排各部件之間全采用齒輪傳動(dòng)，所以承載很大、額定功率大；各部件之間一共形成兩個(gè)嚙合層次，所以傳動(dòng)耗損小、傳動(dòng)效率高；采用的特種嚙合結(jié)構(gòu)消除了行星排齒輪間隙的通病，所以精度很高。該減速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，力矩密度大，額定功率大，傳動(dòng)效率高，控制精度很高。
在機(jī)器人行業(yè)，傳動(dòng)比100至300范圍，特種行星排減速器將取代諧波減速器和RV減速器，成為未來(lái)機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器。在直升機(jī)行業(yè)，傳動(dòng)比60至120范圍，一級(jí)特種行星排減速器將取代多級(jí)減速器，作為未來(lái)直升機(jī)大功率減速器。在機(jī)床行業(yè)，傳動(dòng)比300以上范圍，特種行星排減速器為精密進(jìn)給提供了一種進(jìn)給工具。在船舶行業(yè)，由于大傳動(dòng)比減速傳動(dòng)變得容易，原有的專門為船舶開發(fā)的低轉(zhuǎn)速大體積的內(nèi)燃機(jī)將被淘汰，改為高轉(zhuǎn)速小體積的發(fā)動(dòng)機(jī)和大傳動(dòng)比的特種行星排減速器相匹配。在各種行業(yè)，特種行星排減速器將改變發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配生態(tài)，利好高速電機(jī)、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)。