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工程设计学报
工程设计学报  2026, Vol. 33 Issue (3): 435-445    DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2026.05.215
优化设计     
新型差速行星减速器设计与动态性能优化
王子春1(),王松雷2,和辉3,戚其松1
1.太原科技大学 机械工程学院，山西 太原 030024
2.江苏省特种设备安全监督检验研究院无锡分院，江苏 无锡 214174
3.山东神州机械有限公司，山东 泰安 271208
Design and dynamic performance optimization of novel differential planetary reducer
Zichun WANG1(),Songlei WANG2,Hui HE3,Qisong QI1
1.School of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China
2.Wuxi Branch of Jiangsu Provincial Special Equipment Safety Supervision and Inspection Institute, Wuxi 214174, China
3.Shandong Shenzhou Machinery Co. , Ltd. , Tai'an 271208, China
 全文: PDF(3071 KB)   HTML
摘要：

针对高速重载工况下传统行星减速器存在几何尺寸冗余、传动比偏小的技术瓶颈，创新性地提出了差速行星减速器的设计方案，并对其开展动力学研究。首先，系统阐述差速行星减速器的创新特征，完成了其整体结构设计。在此基础上，利用ADAMS软件进行多体动力学建模，借助虚拟仿真实验验证了减速器传动原理的可行性。然后，通过振动试验对减速器的动态特性进行了测试。测试结果表明，该减速器的振动幅值较小，动态性能良好。最后，采用多目标粒子群优化算法对减速器齿轮传动系统的关键参数进行了优化。优化后该减速器的综合性能显著提升：总质量减小了4.2%，振动加速度均方根降低了23.4%，传动效率有所提升。相较于传统行星减速器，新型差速行星减速器具有传动比大、结构紧凑等显著优势，可为解决高转速工况下机械装备传动系统转矩不足的工程难题提供一种新的设计思路。
关键词： 差速行星减速器;  大传动比;  多体动力学;  振动响应;  多目标优化    
Abstract:

Aiming at the technical bottlenecks of geometric dimension redundancy and insufficient transmission ratio in traditional planetary reducers under high-speed and heavy-load conditions, an innovative design scheme for a differential planetary reducer is proposed, and its dynamics research is conducted. Firstly, the innovative characteristics of the differential planetary reducer were systematically elaborated, and its overall structural design was completed. On this basis, the multi-body dynamics modeling was performed using the ADAMS software, and virtual simulation experiments were employed to verify the feasibility of the reducer's transmission principle. Then, vibration tests were carried out to investigate the dynamic characteristics of the reducer. The test results demonstrated that the reducer exhibited a small vibration amplitude and excellent dynamic performance. Finally, the multi-objective particle swarm optimization algorithm was adopted to optimize the key parameters of the reducer gear transmission system. The optimized reducer achieved a significant improvement in comprehensive performance: the total mass was reduced by 4.2%, the root mean square of vibration acceleration was decreased by 23.4%, and the transmission efficiency was enhanced. Compared with the traditional planetary reducer, the novel differential planetary reducer possesses distinct advantages such as a larger transmission ratio and a more compact structure, which can provide a novel design approach for solving the engineering problem of insufficient torque in the transmission system of mechanical equipment under high-speed operating conditions.
Key words: differential planetary reducer    large transmission ratio    multi-body dynamics    vibration response    multi-objective optimization
收稿日期: 2025-10-09 出版日期: 2026-06-27
CLC:  TH 122  
基金资助: 山西省重点研发计划资助项目(202402150101009);泰安市“双十工程”重大成果转化类资助项目(2024CGZH02);江苏省市场监管重点实验室开放基金资助项目(JSTJ-KFKT-QZ2025004)
作者简介: 王子春（1999—），男，硕士生，从事行星减速器设计及机械动力学研究，E-mail: s202312110036@stu.tyust.edu.cn，https://orcid.org/0009-0000-8889-1474
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王子春
王松雷
和辉
戚其松

引用本文:

王子春,王松雷,和辉,戚其松. 新型差速行星减速器设计与动态性能优化[J]. 工程设计学报, 2026, 33(3): 435-445.

Zichun WANG,Songlei WANG,Hui HE,Qisong QI. Design and dynamic performance optimization of novel differential planetary reducer[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2026, 33(3): 435-445.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2026.05.215    或    https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2026/V33/I3/435

图1  传统行星减速器与差速行星减速器的结构简图
图2  差速行星减速器爆炸图
名称符号齿数名称符号齿数
齿轮1Z124齿轮4Z424
齿轮2Z233齿轮5Z532
齿轮3Z390齿轮6Z688
表1  差速行星减速器各齿轮的齿数配置
构件约束关系
输入端行星架与大地固定副
齿轮1与大地转动副
齿轮2与输入端行星架转动副
齿轮3与大地转动副
齿轮6与齿轮3固定副
输出端行星架与大地转动副
齿轮5与输出端行星架转动副
表2  差速行星减速器各构件约束设置
齿轮材料弹性模量/MPa泊松比

密度/

(kg/m3)

齿轮1、420CrMnTi2060.307 850
齿轮2、542CrMo2010.297 810
齿轮3、638CrMoAl2100.907 850
表3  差速行星减速器各齿轮的材料设置
图3  差速行星减速器多体动力学仿真模型
图4  输入轴角速度曲线
图5  输出端行星架角速度曲线
对比项

输入角速度/

[(°)/s]

输出角速度/

[(°)/s]

传动比
相对误差/%01.71.7
理论值15 00071.4210.0
仿真值15 00070.2213.7
表4  差速行星减速器传动比理论值与仿真值对比
图6  行星轮-齿圈啮合力时域图及频谱图（ ni=1 000 r/min）
图7  行星轮-齿圈啮合力时域图及频谱图（ ni=1 500 r/min）
图8  行星轮-齿圈啮合力时域图及频谱图（ ni=2 000 r/min）
图9  差速行星减速器振动试验台
图10  振动加速度传感器测点位置
图11  测点1的 X 向振动响应
图12  测点1的 Y 向振动响应
图13  测点1的 Z 向振动响应
图14  多目标粒子群优化算法寻优流程
对比项齿数齿宽
z1z2z3z4z5z6b1b2
优化前2433902432884949
优化后2335932133874950
表5  优化前后差速行星减速器的设计参数对比
  
[1] 黄兴， 何文杰， 符远翔. 工业机器人精密减速器综述［J］. 机床与液压， 2015， 43（13）： 1-6.
HUANG X， HE W J， FU Y X. Summary of precision speed reducer of industrial robots［J］. Machine Tool & Hydraulics， 2015， 43（13）： 1-6.
[2] 关通， 徐宏海， 谢雄伟， 等. 高精密RV减速器传动效率测试与分析［J］. 机械传动， 2019， 43（5）： 106-109.
GUAN T， XU H H， XIE X W， et al. Transmission efficiency test and analysis of high-precision RV reducer［J］. Journal of Mechanical Transmission， 2019， 43（5）： 106-109.
[3] 向珍琳， 李霆， 杨林， 等. 谐波减速器研究现状及问题研究［J］. 机械传动， 2020， 44（7）： 151-162.
XIANG Z L， LI T， YANG L， et al. Study on status and problem research of harmonic gear drive［J］. Journal of Mechanical Transmission， 2020， 44（7）： 151-162.
[4] 楼嘉彬， 杜雪松， 朱才朝. RV减速器可靠性优化设计方法［J］. 机械设计与制造， 2021（7）： 207-211. doi：10.3969/j.issn.1001-3997.2021.07.049
LOU J B， DU X S， ZHU C C. Reliability based design optimization of RV reducer［J］. Machinery Design & Manufacture， 2021（7）： 207-211.
doi: 10.3969/j.issn.1001-3997.2021.07.049
[5] 林文钊， 黄方平， 陈俊华， 等. 高精度行星减速器输出轴模态分析［J］. 机电工程， 2025， 42（8）： 1413-1427.
LIN W Z， HUANG F P， CHEN J H， et al. Modal analysis of output shaft of high precision planetary gear reducer under meshing states［J］. Journal of Mechanical & Electrical Engineering， 2025， 42（8）： 1413-1427.
[6] 刘江， 肖正明， 张龙隆， 等. 考虑摆线轮磨损的RV减速器传动精度可靠性分析与参数优化［J］. 工程设计学报， 2022， 29（6）： 739-747. doi：10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.081
LIU J， XIAO Z M， ZHANG L L， et al. Transmission accuracy reliability analysis and parameter optimization of RV reducer considering cycloid gear wear［J］. Chinese Journal of Engineering Design， 2022， 29（6）： 739-747.
doi: 10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.081
[7] 闻邦椿. 机械设计手册［M］. 5版. 北京： 机械工业出版社， 2015： 8-85. doi：10.1190/igcbeijing2014-002
WEN B C. Machine design handbook［M］. 5th ed. Beijing： China Machine Press， 2014： 8-85.
doi: 10.1190/igcbeijing2014-002
[8] 张建润， 伍健伟， 傅琪迪， 等. 高功率密度行星减速器设计的关键核心技术综述［J］. 机械制造与自动化， 2020， 49（4）： 1-4.
ZHANG J R， WU J W， FU Q D， et al. Crucial technologies in design of high power density planetary reducer［J］. Machine Building & Automation， 2020， 49（4）： 1-4.
[9] 朱林， 朱晖晖. 一种大传动比减速器结构设计与运动分析［J］. 机械设计， 2018， 35（12）： 77-81.
ZHU L， ZHU H H. Physical design and kinematic analysis of the reducer with a large transmission ratio［J］. Journal of Machine Design， 2018， 35（12）： 77-81.
[10] 乔雪涛， 陈鹏威， 刘锋卓， 等. 工业机器人用类摆线行星减速器的研制与分析［J］. 机械传动， 2025， 49（8）： 111-121.
QIAO X T， CHEN P W， LIU F Z， et al. Development and analysis of abnormal cycloidal planetary reducers for industrial robots［J］. Journal of Mechanical Transmission， 2025， 49（8）： 111-121.
[11] 肖正明， 秦大同， 武文辉， 等. 土压平衡盾构机行星减速器动态性能测试与分析［J］. 振动与冲击， 2012， 31（9）： 154-159.
XIAO Z M， QIN D T， WU W H， et al. Testing and analysis on dynamic performance of planetary gearbox in EPB shield tunnelling machine［J］. Journal of Vibration and Shock， 2012， 31（9）： 154-159.
[12] HUANG C， WANG J X， XIAO K， et al. Dynamic characteristics analysis and experimental research on a new type planetary gear apparatus with small tooth number difference［J］. Journal of Mechanical Science and Technology， 2013， 27（5）： 1233-1244.
[13] 程言丽， 肖正明， 王旭. 直齿圆柱齿轮动力学特性分析与ADAMS仿真研究［J］. 机械强度， 2016， 38（4）： 667-674.
CHENG Y L， XIAO Z M， WANG X. Investigation on dynamic characteristic of cylinder gears and simulation based on ADAMS［J］. Journal of Mechanical Strength， 2016， 38（4）： 667-674.
[14] 李亦轩， 王巍， 张明. 冲击载荷作用下减速器行星齿轮传动系统振动特性研究［J］. 机床与液压， 2018， 46（23）： 130-133.
LI Y X， WANG W， ZHANG M. Research on vibration characteristics of transmission system of reducer planetary gear under impact load［J］. Machine Tool & Hydraulics， 2018， 46（23）： 130-133.
[15] 崔玥， 田韶鹏， 邹琳， 等. 某电驱动桥主减速器振动噪声特性仿真与试验研究［J］. 机械传动， 2023， 47（11）： 86-93.
CUI Y， TIAN S P， ZOU L， et al. Simulation and experimental study on vibration and noise characteristics of the main reducer of an electric drive axle［J］. Journal of Mechanical Transmission， 2023， 47（11）： 86-93.
[16] ZHOU J X， SUN W L， CAO L. Vibration and noise characteristics of a gear reducer under different operation conditions［J］. Journal of Low Frequency Noise， Vibration and Active Control， 2019， 38（2）： 574-591.
[17] 杨红波， 史文库， 陈志勇， 等. 基于某二级减速齿轮系统的齿面修形优化［J］. 吉林大学学报（工学版）， 2022， 52（7）： 1541-1551.
YANG H B， SHI W K， CHEN Z Y， et al. Optimization of tooth surface modification based on a two-stage reduction gear system［J］. Journal of Jilin University （Engineering and Technology Edition）， 2022， 52（7）： 1541-1551.
[18] 徐航， 刘伟强， 崔江红， 等. 精密行星减速器优化设计及仿真分析［J］. 机床与液压， 2023， 51（15）： 193-197.
XU H， LIU W Q， CUI J H， et al. Optimization design and simulation analysis of precision planetary reducer［J］. Machine Tool & Hydraulics， 2023， 51（15）： 193-197.
[19] LIN W Z， CHANG D D， LI H， et al. Dynamic characteristics analysis and optimization design of two-stage helix planetary reducer for robots［J］. Machines， 2025， 13（3）： 245.
[20] 张争艳， 陈定方， 沈文胜， 等. 基于混合非线性规划的混合式齿轮减速器离散优化设计［J］. 中国机械工程， 2011， 22（23）： 2778-2783.
ZHANG Z Y， CHEN D F， SHEN W S， et al. Discrete optimization of compound gear box based on mixed nonlinear programming［J］. China Mechanical Engineering， 2011， 22（23）： 2778-2783.
[21] 徐向阳， 韩洵， 艾星， 等. 改进粒子群算法的行星齿轮系统多目标优化研究［J］. 机械科学与技术， 2018， 37（9）： 1352-1358.
XU X Y， HAN X， AI X， et al. Research on multi-objective optimization of planetary gear system with improved particle swarm optimization［J］. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering， 2018， 37（9）： 1352-1358.
[22] 姚新兆. 矿用掘进机减速器动态特性分析与优化设计［J］. 煤炭技术， 2022， 41（12）： 228-231.
YAO X Z. Dynamic characteristics analysis and optimal design of mine roadheader decelerator［J］. Coal Technology， 2022， 41（12）： 228-231.
[1] 唐军,邱东旭,谢远辉. 基于Kriging代理模型的仿海豚AUV外形优化设计[J]. 工程设计学报, 2026, 33(2): 204-212.
[2] 高纪宁,王红,何勇,张启真,权海锐. 考虑动态客运量的地铁车辆部件预防性维修策略[J]. 工程设计学报, 2026, 33(1): 86-94.
[3] 刘东,胡国良,张佳伟,喻理梵. 变刚度变阻尼磁流变阻尼器的优化设计及性能分析[J]. 工程设计学报, 2025, 32(5): 686-695.
[4] 吴田,吴滨帆,邱中华,彭勇,朱祥. 基于改进MOMVO算法的大荷载绝缘拉棒端头多目标优化[J]. 工程设计学报, 2025, 32(5): 696-707.
[5] 田立勇,敖华,于宁,唐瑞. 更换托辊机器人履带式底盘的仿真与优化[J]. 工程设计学报, 2024, 31(5): 603-613.
[6] 方冰,胡国良,梅鑫,喻理梵. 全通道内置阀式磁流变阻尼器的设计及性能分析[J]. 工程设计学报, 2024, 31(5): 623-633.
[7] 马文滨,段志文,李想,张行. 基于振动响应分析的海底管道悬空内检测研究[J]. 工程设计学报, 2024, 31(3): 348-356.
[8] 谢海波,洪昊岑,王柏村,姜伟,杨华勇. 基于多目标遗传算法的斜盘式轴向柱塞泵低脉动结构优化设计[J]. 工程设计学报, 2024, 31(2): 160-167.
[9] 曹望城,韩佳轩,姚廷强. 基于参数化多体动力学模型的内齿式回转支承动态优化设计[J]. 工程设计学报, 2024, 31(2): 168-177.
[10] 郑永光,杨妹. 典型地层下TBM滚刀刀座系统振动特性实验研究[J]. 工程设计学报, 2024, 31(2): 263-270.
[11] 窦方健,邱清盈,管成,邵锦杰,吴海峰. 大转动惯量缠绕机加减速曲线优化设计[J]. 工程设计学报, 2023, 30(4): 503-511.
[12] 刘江,肖正明,张龙隆,刘卫标. 考虑摆线轮磨损的RV减速器传动精度可靠性分析与参数优化[J]. 工程设计学报, 2022, 29(6): 739-747.
[13] 李琴,贾英崎,黄玉峰,李刚,叶闯. 一种工业机器人多目标轨迹优化算法[J]. 工程设计学报, 2022, 29(2): 187-195.
[14] 郑明军, 赵晨磊, 吴文江, 杨摄. 全地形移动机器人车身结构分析与优化[J]. 工程设计学报, 2021, 28(2): 195-202.
[15] 莫丽, 贾杜平, 毛良杰, 王国荣. 不同气体产量下水平井完井管柱振动机理的试验研究[J]. 工程设计学报, 2020, 27(6): 690-697.