maxon GPX UP系列齿轮箱

紧凑的设计，卓越的性能

maxon于2020年推出的GPX UP系列（Gear Planetary X-series Ultra Performance，即“具有极佳性能的X系列行星齿轮箱”）现已作为标准品供货，并作为配置X驱动系统组件时其中的一种可选齿轮箱类型。 “同类最佳”的UP系列是对maxon现有X-drive齿轮箱家族的补充，可根据不同的成本或性能目标提供该系列中的不同产品。

·         GPX A (金属行星销轴——标准版)

·         GPX C (陶瓷行星销轴——增加扭矩和使用寿命)

·         GPX LN (降低噪声)

·         GPX LZ (减少回差)

·         GPX HP (高性能——增加扭矩容量)

·         GPX UP (极佳性能——平滑反驱能力和最大效率)

maxon要感谢航空航天领域中出现的高需求设计挑战，因为这反过来促使我们去开发更多可行的解决方案，进而造就了GPX UP系列行星齿轮箱。

UP系列广泛的性能提升为那些最高要求的应用提供了新的机会，例如火星上的探测车或是尖端的手术机器人。

最初，UP的开发设计理念源于太空项目“ExoMars”（ESA的火星项目）和NASA的“Mars 2020”。这些火星车需要极高的扭矩和功率，以及终身使用前提下可能达到的最高效率，同时需要暴露在已知最极端的环境条件下。最终，“UP”齿轮箱成为市场在售的且能满足极端应用需求的一种先进齿轮箱设计。

图 1：GPX 22UP 的剖面图（行星齿轮，X 系列，直径 22 mm，极佳性能）。注：滚针轴承位于钢制销轴之间，行星齿轮的ID位于两个上部齿轮的横截面上

这种新型变速箱设计的一大优势是其出色的高效率（输出功率/输入功率之比）。 显著减少任何机械系统中的摩擦自然会导致驱动系统的整体优化。在传统行星齿轮系中，行星轮/齿轮在涂有润滑脂的钢或陶瓷销轴（一种简单的滑动轴承）上旋转。 然而，在UP齿轮箱结构中，这种摩擦界面被滚针轴承所取代。这项创新使得行星齿轮和销轴间的接触面从“滑动摩擦”变为优越的“滚动摩擦”。这样的结果是，行星轮在平稳运行的轴承上旋转，提高效率并且大幅降低摩擦产生的热能，同时延长了润滑剂的使用寿命。 

图2：4X行星轮/齿轮的图像，其内径中放置有滚针轴承。这是为航天应用而设计的直径为22 mm的UP行星齿轮箱内部零件。这与使用滑动轴承（仅有一润滑过的销轴）供行星齿轮旋转的传统行星齿轮箱不同。

GPX32 UP（3级减速结构）的最大效率约为90%，相较而言，同等传动比下的标准结构齿轮箱效率仅达到约70%。 由此能获得约20%的效率提升幅度，见图3。

图 3：GPX 32UP（实线）与 GPX 32 标准结构（虚线）的效率与扭矩曲线。

如果将相同的电机和控制器固定在UP齿轮箱上，而不是传统的行星齿轮箱，则效率的提高导致电机+齿轮箱组件能够在输出时多产生30%的扭矩和功率。或者，换句话说：达到相同的输出功率需要将驱动装置的输入功率减少23%。由于输入扭矩需求的降低，有刷电机的负担和磨损更少，也就相当于能维持更长的有刷驱动系统，延长电机的整体使用寿命。此外，这允许电机在效率与扭矩曲线的更有效区域内运行，或者允许使用更小/更轻的电机和相关的控制类电子元件，对于重量和成本来说都是一大优势。通过改进的齿轮箱和电机效率，整套组件可保证电池类应用获得尽可能长的运行时间：无需为电池充电，组件仍在运行。 

更长的齿轮箱使用寿命

使用UP可以显著延长齿轮箱的使用寿命，这主要是因为行星轮ID与其所乘坐的轴之间的摩擦大大减少。同时，由于产生和排放的热摩擦较少，因此齿轮运行时产生的热量明显减少。在温度不应超过一定阈值水平的应用中（例如医用手持设备），UP提供了理想的解决方案。

润滑剂的使用寿命在齿轮箱机械部件的磨损方面起着重要作用。热应力越大，润滑性能损失得越快，进而在机械系统中的摩擦现象也很快就会随之而来。磨损的金属颗粒导致润滑剂的凝集，可能破坏润滑力。在GPX UP中，摩擦界面被替换为轴承，从而最大限度地减少产生的热量。 相应地，润滑剂保持健康状态，齿轮箱的寿命经测试比同类竞争型号长11倍。

图4：连续功率输出能力和使用寿命的图表

与传统的行星式设计相比，新型GPX UP的输出参数得到改善，同时也能为触觉反馈或力反馈应用提供可行的解决方案。 设计中所采用的滚针轴承确保行星齿轮的高效率和平稳旋转，使UP对于那些需要平滑、可重复的反驱能力或需要转动齿轮箱输出轴的应用而言是极为理想的选择。在齿轮箱输入端上通过GPX UP提供给电机的扭矩反馈始终与负载成正比且可量化。由于效率波动，齿轮箱内部的误差累积改变（齿轮级到齿轮级）和行星轮可能发生的移位问题，传统制造的行星齿轮箱无法保证平滑反驱能力或是齿轮间的均载。UP 解决了以上所有这些问题。

触感装置中的反驱能力：

在电子飞行控制（线控飞行）中，飞行员的转向运动不会转移到传统的机械或液压执行器上，而是以电子方式传输——基本的变化力反馈或“感觉”由操纵杆控制柱中的电机组件提供。这种生成触感反馈的电机组件必须包含这样一台齿轮箱：具有平滑反驱能力的同时，又能根据操纵杆的位置产生扭矩/力。

在进行微创、微型手术和远程手术的尖端手术机器人中采用的是类似的方法（图5）。 此处至关重要的是，进行手术的医生需要动态、即时地感受到远处手术机器人正在执行的相同的力。因此，对于外科医生和手术机器人控制台来说，电机组件中一台可平滑反驱的齿轮箱是重中之重。即使在需要2或3个行星级的减速比时，UP也能够保证功能。具有不均匀或“粘滞”反驱状态的传统齿轮在这种情形下无法使用，而且会给机械系统造成噪音。综合而言，UP是一种优化的触感变速器，扭矩从变速器的输入端或输出端干净利落地通过变速器，从而产生卓越的触觉体验，适用于机械系统和整套手术机器人。

图5：力反馈应用示例：手术机器人

maxon的GPX极佳性能（UP）系列齿轮箱的直径已有22、32、42 mm三种规格可供选择；与所有“X系列”产品一样，支持在线定制和订购。目前，位于德国Sexau的maxon分部正着力于发布直径为10 mm和8 mm的齿轮箱，并将未来的可选范围扩充为8 mm至58 mm直径的全系列产品。   

总而言之，新型GPX UP行星齿轮箱在更高的功率和连续/峰值扭矩输出方面获得了突破性的改进，以使其具有卓越的效率、无可匹敌的使用寿命、更少的生热或散热器以及真正平滑的反驱能力，即使在多级齿轮箱中也是如此。 当您综合考虑所有特质时，只剩下两个词语予以形容：“Ultra Performance”——极佳性能！

作者：Felix Schinner, Peter van Beek

校译：Vicky