一種RV減速器的有限元仿真分析

淄博普利置業(yè)有限公司 殷允淦

鄂爾多斯市東勝區(qū)現(xiàn)代煤炭工業(yè)服務(wù)中心 尚利民

德州學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院 劉豪睿 閆志堅(jiān)

RV減速器由于優(yōu)異的性能和高效的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)被廣泛用于工業(yè)機(jī)器人和航天領(lǐng)域精密儀器上。本文以RV-20E型減速機(jī)為研究?jī)?nèi)容，對(duì)其零部件組成進(jìn)行有限元分析，探究RV-20E型減速器的內(nèi)部激振頻率以及影響其固有頻率的因素，對(duì)提升改進(jìn)RV-E型減速器性能提供一定價(jià)值的參考。

目前精密傳動(dòng)三大主流方式為諧波傳動(dòng)、擺線傳動(dòng)和蝸桿傳動(dòng)，RV傳動(dòng)在傳統(tǒng)針擺行星傳動(dòng)的基礎(chǔ)上克服了一般針擺傳動(dòng)減速器負(fù)載不大、中心軸壽命低的缺點(diǎn)，RV減速器還具有傳動(dòng)效率高、體積小、抗沖擊力強(qiáng)、抗疲勞強(qiáng)度大、減速比大等諸多優(yōu)點(diǎn)。

RV-20E型減速器是RV減速器的二級(jí)減速型，常用于多個(gè)領(lǐng)域，比如軍用領(lǐng)域的坦克瞄準(zhǔn)、無(wú)人機(jī)折翼；航天十六所雷達(dá)天線系統(tǒng)、衛(wèi)星接收；民用領(lǐng)域的工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床自動(dòng)化等。

圖1 RV減速器裝配模型

RV（旋轉(zhuǎn)矢量）減速器源自行星減速器，由行星齒輪減速器的前級(jí)和擺線針輪減速器的后級(jí)組成。RV減速機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、傳動(dòng)比大、定位精度高，傳動(dòng)機(jī)械在一定條件下具有自鎖功能的特點(diǎn)。從全球范圍來(lái)看，日本目前擁有RV減速器的核心技術(shù)，并擁有高性能減速器的技術(shù)壁壘，其他地區(qū)的公司很難達(dá)到其技術(shù)水平。在中國(guó)，生產(chǎn)RV減速器的公司約有十家左右，大多數(shù)都沒(méi)有擴(kuò)大規(guī)模。他們只滿足低端市場(chǎng)的需求并且規(guī)模很小，其產(chǎn)品被定位為低端產(chǎn)品市場(chǎng)。20世紀(jì)90年代，來(lái)自日本山口大學(xué)日照高晃和美國(guó)休斯頓航空公司研究了RV減發(fā)器的精確度，通過(guò)對(duì)誤差的分析與帕克等人確定了一個(gè)動(dòng)態(tài)RV模型，求出了固有頻率和振型并解釋了其物理含義。大連鐵路研究所的何衛(wèi)東、李立行研究了RV減速器可靠性和最佳優(yōu)化傳動(dòng)研究，并于1997年1月開(kāi)始與秦川機(jī)床廠開(kāi)展合作，在1998年末制造出RV-250A實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。圖1為RV減速器裝配模型。

在對(duì)RV減速器仿真分析的研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了許多理論研究和實(shí)踐探索，研究得出以下三種方式:動(dòng)態(tài)模擬、動(dòng)力學(xué)模擬和振動(dòng)法分析。但迄今為止，當(dāng)?shù)匮芯咳藛T尚未采用標(biāo)準(zhǔn)RV剛度來(lái)得到合理的范圍，仍有很大的研究和開(kāi)發(fā)空間。

圖2 RV-20E型減速器實(shí)物

圖3 RV-20E型減速器結(jié)構(gòu)

1 RV-20E減速器結(jié)構(gòu)及原理特點(diǎn)

RV-20E減速器具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)（如圖2-圖4），其主要由行星輪和擺線輪組成。從傳輸原理的簡(jiǎn)圖開(kāi)始分析其傳動(dòng)特性，在這個(gè)過(guò)程中三個(gè)級(jí)別的行星齒輪作為減速的第一級(jí)別減速，第二階段為擺線針輪行星減速，最后是行星支架作為輸出部分使用。本文以RV-E型減速器為研究對(duì)象，分析其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、傳動(dòng)原理，并對(duì)其進(jìn)行建模和后續(xù)的有限元分析研究。

伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)通過(guò)輸入齒輪傳遞到正齒輪，其速度隨著輸入齒輪和正齒輪之間的齒輪比而降低。由于它們直接連接，因此曲軸具有與正齒輪相同的轉(zhuǎn)速。兩個(gè)RV齒輪安裝在曲軸偏心區(qū)域的滾針軸承周圍（為了平衡相等的力，安裝了兩個(gè)RV齒輪）。當(dāng)曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，安裝在偏心部分上的RV齒輪也繞輸入軸偏心旋轉(zhuǎn)（曲軸運(yùn)動(dòng)）。針腳以恒定的間距排列在殼體內(nèi)部的凹槽中。銷釘?shù)臄?shù)量?jī)H比RV齒的數(shù)量多一個(gè)。當(dāng)曲軸旋轉(zhuǎn)一整圈時(shí)，RV齒輪偏心地旋轉(zhuǎn)銷的一個(gè)螺距（曲軸運(yùn)動(dòng)），所有RV齒與所有銷接觸，旋轉(zhuǎn)然后通過(guò)曲軸傳遞到軸（輸出軸）。此時(shí)，可以與抵靠曲軸的銷的數(shù)量成比例地降低軸的轉(zhuǎn)速。但其缺點(diǎn)是傳動(dòng)的兩軸之間的距離有限制，不可過(guò)遠(yuǎn)。

圖4 RV-20E型減速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖5 擺線輪約束位置

RV-20E型減速器為RV減速器系列的2級(jí)減速型，在工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)中被廣泛使用，工業(yè)機(jī)器人對(duì)運(yùn)輸?shù)臏?zhǔn)確性和空間結(jié)構(gòu)的壓力有很高的要求，因此對(duì)RV-E型減速器的精度要求比較高。

RV-20E減速器傳動(dòng)優(yōu)缺點(diǎn)：

（1）結(jié)構(gòu)緊湊，精度比較高，內(nèi)部尺寸比較小，120°對(duì)稱布置的曲柄軸節(jié)省空間，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)置于行星架的支撐主軸，體積重量較小。

（2）剛性好，承載能力強(qiáng)；輪系下可以平分輸入扭矩，擺線輪可以為RV減速器提供很好的平衡性。額定的轉(zhuǎn)矩下，彈性回差小。

（3）工作壽命長(zhǎng)，齒輪嚙合傳動(dòng)屬于滾動(dòng)摩擦，可以大幅度提高RV減速器的壽命，摩擦系數(shù)較小是普通減速器壽命的兩到三倍，遠(yuǎn)比諧波減速器的壽命要長(zhǎng)。

2 有限元分析

有限元分析使用表面到表面接觸算法來(lái)分析零件之間相互作用產(chǎn)生的接觸力。接觸算法涉及一個(gè)迭代過(guò)程，其中解是從基于位移的收斂中得出的。通過(guò)使用完整的Newton-Raphson積分方法求解非線性方程，可以在每個(gè)定義的時(shí)間增量步迭代地求解（如圖5-圖7所示）。

圖6 擺線輪的網(wǎng)格劃分

圖7 擺線輪一階模態(tài)

圖8 擺線輪四階模態(tài)

選取其中四個(gè)具體對(duì)應(yīng)振型和固有頻率圖（如圖8-圖10所示）：

總結(jié)：本文以工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)的RV-20E減速器為研究對(duì)象，根據(jù)ABAQUS模態(tài)分析得到的結(jié)果，表明RV-20E減速器內(nèi)部激勵(lì)頻率不易引起共振。上面討論的仿真和場(chǎng)景需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)解決旋轉(zhuǎn)部件之間的摩擦和滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)可以繼續(xù)進(jìn)行研究，而本文沒(méi)有考慮此點(diǎn)。在以后進(jìn)一步研究中，研究人員可以放寬不可移動(dòng)外輥的假設(shè)，以使外輥能夠繞其軸運(yùn)動(dòng)。利用本研究中闡述的仿真設(shè)置，將來(lái)還可以進(jìn)行參數(shù)研究。在這方面，可以通過(guò)更改幾何參數(shù)來(lái)分析接觸應(yīng)力變化，例如偏心率、擺線盤的擺線齒廓、齒圈容納滾子的節(jié)圓半徑等。為RV-20E減速器的理論分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。

圖9 擺線輪七階模態(tài)

圖10 擺線輪十階模態(tài)