王建輝， 李良， 董紅衛(wèi)， 楊瑞超

（西安航天精密機(jī)電研究所，西安710100）

0 引言

RV（Rotate Vector）減速器具有體積小、重量輕、傳動(dòng)比范圍大、壽命長(zhǎng)、精度保持穩(wěn)定、效率高、傳動(dòng)平穩(wěn)等一系列優(yōu)點(diǎn)，日益受到國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。近年來(lái)，RV減速器在工業(yè)機(jī)器人、高檔數(shù)控機(jī)床、跟蹤雷達(dá)、坦克炮塔等相關(guān)民用、軍用精密傳動(dòng)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)RV減速器啟動(dòng)力矩[1-2]、傳動(dòng)精度[3-7]等主要性能指標(biāo)已經(jīng)進(jìn)行了深入的理論研究，但有關(guān)RV減速器性能的試驗(yàn)研究相對(duì)較少。

本文通過(guò)對(duì)單位自主研制的20E系列某型號(hào)RV減速器與某進(jìn)口同種型號(hào)RV減速器進(jìn)行性能對(duì)比試驗(yàn)研究，通過(guò)對(duì)比分析的方法研究設(shè)計(jì)、制造中各因素對(duì)RV減速器性能的影響，在此基礎(chǔ)上探討提高RV減速器性能的方法。

1 RV減速器原理及主要性能指標(biāo)

1.1 工作原理

圖1 RV減速器傳動(dòng)原理簡(jiǎn)圖

RV減速器工作時(shí)，首先由第一級(jí)行星齒輪傳動(dòng)輸入轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩，經(jīng)過(guò)第一級(jí)減速之后，通過(guò)與行星齒輪固聯(lián)的偏心軸將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳遞給第二級(jí)擺線針輪[8]，擺線針輪通過(guò)支撐法蘭向第一級(jí)行星傳動(dòng)的行星齒輪反饋一個(gè)公轉(zhuǎn)速度，同時(shí)這一公轉(zhuǎn)速度作為輸出轉(zhuǎn)速通過(guò)支撐法蘭向外輸出，圖1是RV減速器基本傳動(dòng)原理簡(jiǎn)圖。

1.2 啟動(dòng)力矩檢測(cè)原理與方法

啟動(dòng)力矩是指在無(wú)負(fù)載狀態(tài)下啟動(dòng)減速器所需的最小轉(zhuǎn)矩，它較為綜合地反映了RV減速器針齒殼和擺線輪與滾針間的嚙合情況、摩擦性能以及主軸承的預(yù)緊情況，進(jìn)而反映RV減速器整機(jī)的性能，是RV減速器的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)。

圖2 啟動(dòng)力矩測(cè)試系統(tǒng)原理圖

啟動(dòng)力矩測(cè)試時(shí)減速器是在空載狀態(tài)下，在其輸入端緩慢加載直至減速器輸入端開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，記錄此時(shí)的輸入端轉(zhuǎn)矩即為減速器的啟動(dòng)力矩。為保證測(cè)試的準(zhǔn)確性，可以在減速器輸入端每隔90°進(jìn)行一次測(cè)量，取4次測(cè)量的最大值作為該減速器的啟動(dòng)力矩，圖2是啟動(dòng)力矩測(cè)試系統(tǒng)原理圖。

1.3 傳動(dòng)精度檢測(cè)原理與方法

傳動(dòng)精度是RV減速器的主要性能指標(biāo)之一，直接影響著精密傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)及定位誤差。RV減速器的傳動(dòng)精度以傳動(dòng)誤差描述，是指輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)到任意轉(zhuǎn)角時(shí)，輸出軸的理論轉(zhuǎn)角與實(shí)際轉(zhuǎn)角的角度誤差，用角度傳遞誤差表示，角度傳遞誤差的表達(dá)式為。

式中：φcr為減速器的角度傳遞誤差，（″）；φia為輸入軸的輸入轉(zhuǎn)角，（″）；φoa為輸出軸實(shí)際輸出轉(zhuǎn)角，（″）；i為減速器的理論傳動(dòng)比。

實(shí)際測(cè)量時(shí)，RV減速器的傳動(dòng)誤差是指其在空載情況下輸出軸轉(zhuǎn)過(guò)一圈時(shí)，角度傳遞誤差的最大值與最小值之差。圖3是傳動(dòng)精度測(cè)試系統(tǒng)原理圖。

圖3 傳動(dòng)精度測(cè)試系統(tǒng)原理圖

2 RV減速器性能試驗(yàn)研究

本文對(duì)單位自主研制的20E系列某型號(hào)RV減速器與同型號(hào)某進(jìn)口RV減速器進(jìn)行性能對(duì)比試驗(yàn)研究，試驗(yàn)測(cè)試對(duì)象包括：自研RV減速器同批次3套，編號(hào)依次為：RV-20E-T1、RV-20E-T2、RV-20E-T3；某進(jìn)口RV減速器1套，編號(hào)為RV-20E-N。

2.1 啟動(dòng)力矩測(cè)試

本試驗(yàn)采用的啟動(dòng)力矩測(cè)試裝置如圖4所示，減速器通過(guò)支架固定于測(cè)試平臺(tái)上，通過(guò)電動(dòng)機(jī)逐漸給減速器加載，減速器輸入端與電動(dòng)機(jī)間連接有一個(gè)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，用于測(cè)量RV減速器啟動(dòng)力矩。全部4套待測(cè)RV減速器，先進(jìn)行了跑合試驗(yàn)。跑合結(jié)束后，對(duì)4套R(shí)V減速器進(jìn)行了啟動(dòng)力矩的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出，RV-20E-T1與RV-20E-T2減速器的啟動(dòng)力矩相對(duì)于某進(jìn)口RV減速器的啟動(dòng)力矩較小。同時(shí)在跑合試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，RV-20E-T1與RV-20E-T2減速器轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)性較差。分析其原因主要是：?jiǎn)挝蛔匝械?套R(shí)V減速器在裝配前對(duì)其關(guān)鍵零件進(jìn)行了復(fù)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)部分零件存在不同程度尺寸超差，因此在裝配時(shí)對(duì)各個(gè)零件進(jìn)行了人為選配，根據(jù)裝配過(guò)程記錄，RV-20ET1減速器與RV-20E-T2減速器中均存在尺寸超差零件，超差尺寸為針齒殼齒槽圓周位置度誤差及擺線盤齒距累積誤差。由于RV減速器針齒殼及擺線盤零件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，及其作為嚙合傳動(dòng)部件對(duì)表面粗糙度與表面硬度的高要求，使得這兩類零件對(duì)加工工藝及熱處理方式有很高的要求[9-10]。通過(guò)分析可以得出，由于針齒殼和擺線盤零件尺寸超差，導(dǎo)致RV-20E-T1與RV-20E-T2減速器轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)性顯著降低，同時(shí)由于零件超差，導(dǎo)致這2套R(shí)V減速器的嚙合間隙變大，由此導(dǎo)致啟動(dòng)力矩減小。

圖4 RV減速器啟動(dòng)力矩測(cè)試臺(tái)

表1 某型號(hào)RV減速器啟動(dòng)力矩測(cè)試數(shù)據(jù)

2.2 傳動(dòng)精度測(cè)試

本試驗(yàn)采用的RV減速器的傳動(dòng)精度測(cè)試裝置如圖5所示，減速器通過(guò)支架固定于測(cè)試平臺(tái)上，減速器輸入端通過(guò)輸入軸與電動(dòng)機(jī)連接，減速器輸入端與輸出端分別連接有一個(gè)角編碼器，用于測(cè)試減速器輸入端和輸出端的轉(zhuǎn)角變化。

分別對(duì)4套R(shí)V減速器進(jìn)行傳動(dòng)誤差測(cè)試，測(cè)試工況為空載，轉(zhuǎn)速為100 r/min。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

圖5 RV減速器傳動(dòng)精度測(cè)試臺(tái)

表2 某型號(hào)RV減速器傳動(dòng)精度測(cè)試結(jié)果

從表2中可以看出，某進(jìn)口型號(hào)RV-20E-N減速器傳動(dòng)誤差最小，RV-20E-T3減速器與進(jìn)口RV減速器傳動(dòng)誤差存在一定差距，同時(shí)RV-20E-T1與RV-20E-T2減速器相對(duì)RV-20E-T3減速器的傳動(dòng)誤差也偏大很多。通過(guò)初步分析，RV-20E-T1與RV-20E-T2減速器誤差偏大原因?yàn)椋横橗X殼與擺線盤齒廓形位公差超差。

圖6～圖9分別為所測(cè)得的4套R(shí)V減速器傳動(dòng)誤差曲線。對(duì)4套R(shí)V減速器的傳動(dòng)誤差曲線進(jìn)行對(duì)比分析可以得出，4套R(shí)V減速器傳動(dòng)誤差幅值均存在小周期波動(dòng)現(xiàn)象，同時(shí)RV-20E-T1與RV-20E-T3減速器傳動(dòng)誤差幅值均存在明顯的大周期波動(dòng)，由于RV-20E-T3減速器的大周期波動(dòng)與小周期波動(dòng)幅值變化均較小，因此RV-20ET3減速器的傳動(dòng)誤差較小，根據(jù)擺線針輪傳動(dòng)理論[11-13]分析得出，傳動(dòng)誤差的大周期波動(dòng)主要由針齒殼齒槽位置累積誤差與擺線盤周節(jié)累積誤差引起，因此為減小RV減速器傳動(dòng)誤差，首先需減小傳動(dòng)誤差幅值的大周期波動(dòng)，可以通過(guò)設(shè)計(jì)中合理地分配針齒殼和擺線盤齒廓位置度公差，以提高RV減速器傳動(dòng)精度。

圖6 RV-20E-T1減速器傳動(dòng)誤差曲線

圖7 RV-20E-T2減速器傳動(dòng)誤差曲線

圖8 RV-20E-T3減速器傳動(dòng)誤差曲線

圖9 RV-20E-N減速器傳動(dòng)誤差曲線

為進(jìn)一步探究影響傳動(dòng)誤差的影響因素，對(duì)RV-20E-T1減速器的傳動(dòng)誤差曲線進(jìn)行傅里葉變換，結(jié)果如圖10所示。

圖10 RV-20E-T1減速器傳動(dòng)誤差頻譜特性

為了便于分析，對(duì)橫坐標(biāo)進(jìn)行了無(wú)因次化處理。圖10中，f和f0分別表示傳動(dòng)誤差的頻率和輸出軸的頻率，頻率比f(wàn)/f0為輸出軸回轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中傳動(dòng)誤差變動(dòng)的次數(shù)?？梢钥闯?，頻譜特性曲線中含有0、40、80、120、160這幾個(gè)頻率比成分。而f/f0=0這一頻率比成分影響的是原曲線的整體位置而非趨勢(shì)，該成分主要是因?yàn)闇y(cè)試系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差造成，其余頻率比成分（f/f0=40、80、120、160）則直接影響曲線的趨勢(shì)，而這些頻率成分均為40的倍頻。由該型減速器的結(jié)構(gòu)可知，在一個(gè)測(cè)試周期（減速器輸出端旋轉(zhuǎn)一周）中，偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的次數(shù)為40次，而擺線盤也是轉(zhuǎn)過(guò)40個(gè)齒，這與RV-20E-T1減速器傳動(dòng)誤差頻譜中出現(xiàn)的頻率成分相對(duì)應(yīng)。因此，為進(jìn)一步減小RV減速器傳動(dòng)誤差，就需減小傳動(dòng)誤差幅值的小周期波動(dòng)[14-15]，可以通過(guò)合理控制偏心軸偏心誤差、針齒殼與擺線盤齒形誤差提高RV減速器傳動(dòng)精度。

3 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)4套R(shí)V減速器進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可靠，驗(yàn)證了測(cè)試方法的可行性及測(cè)試設(shè)備的可靠性；2）通過(guò)單位自主研制的RV減速器與某進(jìn)口RV減速器的性能試驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果表明自研RV減速器設(shè)計(jì)的尺寸公差分配合理，加工制造工藝可行，但仍存在改進(jìn)空間；3）通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析表明,RV減速器的針齒殼和擺線盤齒廓形位公差、偏心軸偏心誤差對(duì)RV減速器傳動(dòng)精度影響顯著，可通過(guò)合理控制關(guān)鍵零件加工誤差，提高RV減速器傳動(dòng)精度。