減速器性能測(cè)試的影響因素

魯守銀 袁魯浩

摘要 分析了從減速器的制造到檢測(cè)過程中影響減速器性能的因素，在減速器的加工工藝、使用材料、齒輪等減速器自身方面分析了影響減速器性能的因素;而后又從減速器測(cè)試平臺(tái)方面分析了同軸度、驅(qū)動(dòng)、負(fù)載、工作環(huán)境等方面對(duì)減速器性能的影響。本文著重分析了臥式結(jié)構(gòu)測(cè)試平臺(tái)對(duì)于檢測(cè)減速器性能時(shí)重力與扭振對(duì)其的影響。

0 引言

隨著現(xiàn)代化的不斷發(fā)展進(jìn)步，現(xiàn)代設(shè)備越來越多的在使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，但是由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速較高且扭矩較小導(dǎo)致其一般無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)設(shè)備，這就必須使用減速器來傳遞動(dòng)力。從交通工具所使用的汽車、輪船到機(jī)械工業(yè)中的大型機(jī)械設(shè)備，在現(xiàn)在的熱門焦點(diǎn)機(jī)器人，減速器的身影隨處可見。減速器大量應(yīng)用也就導(dǎo)致減速器的性能成為了一個(gè)讓人關(guān)注的問題。從減速器材料的使用到加工工藝再到減速器測(cè)試平臺(tái)測(cè)試，無(wú)一不對(duì)減速器的性能造成影響。

1 減速器自身對(duì)其性能的影響因素

1.1加工工藝

首先，影響減速器性能的第一因素是減速器的加工工藝。減速器的加工工藝是制約傳動(dòng)精度和回差的主要瓶頸[1]。在減速器零部件加工的時(shí)候，必須保證零部件的尺寸公差和形位公差;零件不得出現(xiàn)飛邊毛刺，尤其是在齒輪齒廓上的尖棱尖角需得倒鈍;某些螺紋孔的加工保證精度等。從零部件所使用的刀具設(shè)計(jì)[2]到減速器的加工工藝流程設(shè)計(jì)[3]，保證了減速器各零部件的制造精度，大大提高了減速器的使用壽命。隨后朱炎釗[4]，支玲[5]以及華星[6]等人又對(duì)減速器輸出軸進(jìn)行工藝探討，通過多層次、多角度的比較與分析，合理確定零件的機(jī)械加工工藝及參數(shù)，借助計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)來將運(yùn)算流程簡(jiǎn)單化智能化，提高了機(jī)械設(shè)計(jì)制造效率和零件使用壽命。鄭紅[7]、陳姍姍等人對(duì)減速器擺線輪生產(chǎn)要素參數(shù)表進(jìn)行了準(zhǔn)確的參數(shù)界定，對(duì)擺線輪加工工藝流程進(jìn)行了詳細(xì)的描述，在保證精度的基礎(chǔ)上，提高了生產(chǎn)效率，減少了原材料的消耗[8]。目前，減速器加工工藝已經(jīng)日趨完善，制造的零部件能夠在保證精度的基礎(chǔ)上減少材料的消耗。

1.2 所用材料

第二個(gè)影響減速器性能的是減速器的自身所用材料。所用材料的疲勞極限、扛沖擊能力、抗拉強(qiáng)度、滲透性等一系列指標(biāo)都會(huì)影響減速器的扭轉(zhuǎn)剛度、柔輪應(yīng)力、疲勞強(qiáng)度、使用壽命等一系列性能指標(biāo)。石宗寶對(duì)使用非鋼材料的新型“鑄擺”針擺減速器進(jìn)行了傳動(dòng)試驗(yàn)與分析，試驗(yàn)證明此種減速器能擺脫刀具和設(shè)備的限制，能設(shè)計(jì)出9到87的40個(gè)奇數(shù)的傳動(dòng)比系列，跑合后的效率顯著提高[9]。隨后陳根林[10]、嚴(yán)峰[11]、王云[12]、趙強(qiáng)等人分別對(duì)使用復(fù)合材料層的減速器進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)添加復(fù)合材料層的減速器能夠減小柔輪應(yīng)力，延長(zhǎng)諧波傳動(dòng)的穩(wěn)定時(shí)間，減小傳動(dòng)誤差等優(yōu)點(diǎn)，有利于高精度傳動(dòng)系統(tǒng)的控制以及提高減速器的使用壽命[13]。梁鑫[14]、丁志勇[15]、寇淑清[16]、李郁蘭等人對(duì)減速器的齒輪、軸以及殼體的材料選擇進(jìn)行了試驗(yàn)和分析，對(duì)不同材料的材料特性、安全系數(shù)進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算，對(duì)殼體軸承座裂解進(jìn)行了模型構(gòu)建、模擬仿真、數(shù)據(jù)分析都一系列操作[17]，得出了哪種材料適合制造軸，哪種材料適合制造齒輪和殼體等結(jié)論，大大提高了零部件的使用壽命從而提升了減速器的使用壽命和性能。提高減速器的性能可以從此方面入手，繼續(xù)深入研究各個(gè)零部件分別適合用何種材料制造才能夠最大程度的使其疲勞極限、扛沖擊能力、抗拉強(qiáng)度等性能最優(yōu)化。

1.3 減速器齒輪

第三個(gè)影響減速器性能的就是減速器的齒輪。齒輪的齒形與結(jié)構(gòu)是齒輪的核心，它直接決定著減速器的傳動(dòng)性能[18];同時(shí)齒輪的嚙合特性及疲勞壽命也直接關(guān)系到減速器的使用壽命。比如說齒輪的轉(zhuǎn)角誤差能夠保證傳動(dòng)的平穩(wěn)性，載荷分布的均勻性可以避免應(yīng)力集中的問題等等。早期的齒輪其功能要求較低，齒廓經(jīng)常是簡(jiǎn)單的直線或粗糙的曲線，隨著時(shí)代的發(fā)展，齒廓開始有了精確的曲線形狀[18]。最初出現(xiàn)的齒形是直線齒形，它滿足了定傳動(dòng)比傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了輪齒與齒輪之間的面接觸，但是它無(wú)法保證鋼輪與柔輪共軛嚙合，產(chǎn)生的傳動(dòng)誤差較大[18]。后來漸開線齒形被提出來，漸開線齒形在柔輪齒數(shù)較多時(shí)其齒廓可近似成直線齒廓且傳遞性能更優(yōu)。后來又出現(xiàn)了圓弧齒形、擺線齒形、“S”齒形、“P”齒形等一系列齒形。在這些齒輪齒形的變化中，學(xué)者對(duì)齒輪齒形的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要的理論基礎(chǔ)。從陳立周對(duì)齒輪減速器齒輪嚙合參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[19]到莫愛貴控制外界環(huán)境因素來對(duì)齒輪進(jìn)行設(shè)計(jì)分析[20]，再到趙雨旸通過有限元分析來對(duì)減速器齒輪的參數(shù)化模型進(jìn)行分析[21]，再到范恒亮對(duì)減速器齒輪進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到齒輪的應(yīng)力分布云圖并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行疲勞壽命分析等[22]，為減速器齒輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要的理論數(shù)據(jù)參考。

2減速器測(cè)試平臺(tái)對(duì)減速器性能的影響因素

2.1 同軸度

減速器測(cè)試平臺(tái)的第一個(gè)影響因素就是同軸度。所謂同軸度是指基準(zhǔn)軸線與實(shí)際軸線的重合程度，其大小則是指基準(zhǔn)軸線和實(shí)際軸線的偏差程度。同軸度的存在是引起載荷譜波動(dòng)，產(chǎn)生扭振現(xiàn)象的主要原因，對(duì)一般性測(cè)量結(jié)果影響可以容忍，但對(duì)精密減速器的高精度測(cè)量影響十分顯著。胡庭波對(duì)減速器同軸度做過一個(gè)調(diào)位系統(tǒng)，通過打表法來檢測(cè)同軸度并利用調(diào)位裝置來調(diào)整減速器與元器件的相對(duì)位置[23]。但是同軸度這個(gè)因素不僅受制造工藝的影響，在減速器測(cè)試平臺(tái)測(cè)試減速器時(shí)也會(huì)受到重力因素的影響。重慶大學(xué)公開了一種少齒差行星減速器性能精密測(cè)試豎直試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)不同于以往的臥式機(jī)構(gòu)，它能在一定程度上解決同軸度的問題[21]。對(duì)于減速器測(cè)試平臺(tái)中串聯(lián)部件質(zhì)量不一致的而導(dǎo)致軸系變形的問題，豎直試驗(yàn)臺(tái)可利用自身重力調(diào)整，能夠更容易的實(shí)現(xiàn)豎直方向的同軸度。但是此發(fā)明并未能解決旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的大力矩而導(dǎo)致軸系形變的問題。在減速器測(cè)試平臺(tái)中，其檢測(cè)儀器的零部件大多是環(huán)狀結(jié)構(gòu)串聯(lián)在軸承上，此時(shí)由于方向是垂直的，所以在重力的作用下，由于零部件的對(duì)稱性，所以零部件施加給軸承支座任何方位的力都是均勻的，這樣就能夠很大程度上避免因?yàn)榱慵亓坎灰恢聦?dǎo)致的軸系形變。

減速器臥式測(cè)試平臺(tái)上所有器件在受到重力以及轉(zhuǎn)矩的影響下，無(wú)論是脆性材料還是塑性材料都會(huì)有一定程度的變形。

由此可見，無(wú)論是脆性材料還是塑性材料，在不超過材料的彈性極限時(shí)，應(yīng)力與應(yīng)變呈正比。脆性材料在超過比例極限載荷的時(shí)候就直接斷裂了，再增加應(yīng)力也不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變。

舉一個(gè)最簡(jiǎn)單的例子，如圖所示的減速器測(cè)試平臺(tái)。該圖中包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)，負(fù)載電機(jī)、減速器、支撐裝置、聯(lián)軸器組成。

假設(shè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的質(zhì)量為M1，此時(shí)電機(jī)所給支撐裝置的壓力為M1G，無(wú)論電機(jī)支撐裝置是脆性材料還是塑性材料，都會(huì)在重力的作用下有所變形。在不超過比例極限載荷時(shí)，其應(yīng)變與應(yīng)力呈正比。滿足胡克定律 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

其中，E 表示楊氏模數(shù)， 表示正向應(yīng)力， 表示正向應(yīng)變.

在理想情況下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸與減速器的輸入軸應(yīng)該通過聯(lián)軸器完美接合，可是在重力的作用下，因?yàn)橹窝b置發(fā)生一定的應(yīng)變以及軸的變形會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)軸的接合出現(xiàn)一定的偏差。如圖所示。

大多數(shù)情況下，減速器測(cè)試平臺(tái)還包括傳感器，軸承等許多串聯(lián)部件，由于減速器測(cè)試平臺(tái)中串聯(lián)部件的質(zhì)量不一致，由于重力作用，各軸承支座的承載力不均勻，造成軸承和軸承支座產(chǎn)生應(yīng)力集中使軸系產(chǎn)生變形，增加同軸度誤差。

其次，在軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)變形。在產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形時(shí)，外形沒有改變，但是垂直于地面的母線與地面開始有了一定的傾角。

當(dāng)測(cè)試平臺(tái)在運(yùn)行時(shí)，軸轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。先將電機(jī)輸出軸拿出來做分析，如圖所示。

圖5 軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)分析

假設(shè) 是軸上一個(gè)單元dx在t時(shí)刻先對(duì)于軸的左端面的角位移，對(duì)于dx段來說，其右端對(duì)于左端的角位移為 ，角位移不同是造成軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的根本原因。對(duì)于dx段進(jìn)行受力分析，則其扭矩為 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

其中 為橫截面的慣性矩，G為材料的剪切模量。

物體固有頻率就是在外界有激勵(lì)時(shí)，物體結(jié)構(gòu)按固有頻率產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)。當(dāng)測(cè)試平臺(tái)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)輸出軸有了激勵(lì)，由此輸出軸的端部開始振動(dòng)響應(yīng)，此時(shí)為持續(xù)振動(dòng)，也就相當(dāng)于對(duì)端點(diǎn)的四周有著持續(xù)的應(yīng)力。值得一提的是，為了加強(qiáng)軸系的支撐剛度采取的加強(qiáng)筋或加強(qiáng)板如果和軸存在共同的固有頻率則會(huì)產(chǎn)生共振，對(duì)減速器傳動(dòng)測(cè)試造成更大的影響誤差。

隨后對(duì)聯(lián)軸器部分進(jìn)行受力分析。

如圖所示，在軸靜止的時(shí)候，聯(lián)軸器上方不受力，下方承受軸所給的壓力G2。當(dāng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，由于軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，所以存在一個(gè)向四周持續(xù)的沖擊力，假設(shè)這個(gè)力為T2，此時(shí)聯(lián)軸器下方受力為T2+G2，上方受力為T2-G2。上下方受力不同，也就造成應(yīng)變不同以及存在的摩擦力不同。下方受摩擦力影響大，應(yīng)變程度大，上方受摩擦力小，應(yīng)變程度小，容易產(chǎn)生傳動(dòng)誤差。

2.2 驅(qū)動(dòng)和負(fù)載

減速器測(cè)試平臺(tái)的第二個(gè)影響因素就是驅(qū)動(dòng)和負(fù)載。就目前而言，大多數(shù)減速器測(cè)試平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)都是采用伺服電機(jī)，相較于步進(jìn)電機(jī)而言，伺服電機(jī)作為閉環(huán)控制，其控制精度更高，具共振抑制功能，能在一定程度上避免減速器的振動(dòng)問題;伺服電機(jī)屬于恒力矩輸出，不會(huì)在低速情況下導(dǎo)致力矩變化，便于控制力矩;過載能力好，加速能力好等優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)于負(fù)載而言，現(xiàn)市場(chǎng)上存在多種類型的電機(jī)負(fù)載。比如電渦流制動(dòng)器、磁粉制動(dòng)器、磁滯制動(dòng)器、慣性盤、伺服電機(jī)等。電渦流制動(dòng)器適合高速大功率場(chǎng)合，磁粉制動(dòng)器適合低速大功率場(chǎng)合，磁滯制動(dòng)器適合高速小功率場(chǎng)合，而伺服電機(jī)適合于精度要求較高的場(chǎng)合。負(fù)載方面，主要是考慮減速器傳遞來的力矩，減速器的轉(zhuǎn)速，散熱情況，振動(dòng)等問題，可根據(jù)使用場(chǎng)合靈活選擇。

2.3 環(huán)境

減速器測(cè)試平臺(tái)的第三個(gè)影響因素就是環(huán)境。譚力，從強(qiáng)等人曾對(duì)高低溫環(huán)境下諧波減速器剛度進(jìn)行過測(cè)試研究，通過試驗(yàn)測(cè)試和誤差分析，他們發(fā)現(xiàn)在高低溫（80度，-65度）和常溫相比，扭轉(zhuǎn)剛度會(huì)發(fā)生一定的變化，彎曲剛度在低溫下的變化量甚至達(dá)到了33%[24]。這一試驗(yàn)表明環(huán)境會(huì)對(duì)減速器性能測(cè)試造成一定的影響，在惡劣環(huán)境下，我認(rèn)為會(huì)對(duì)減速器測(cè)試平臺(tái)和減速器的制造材料造成一定程度的影響，同時(shí)可能會(huì)對(duì)減速器測(cè)試平臺(tái)上的傳感器精度造成影響。傳感器的精度對(duì)于減速器性能測(cè)試來說至關(guān)重要，精度發(fā)生變化可能會(huì)造成極大的誤差，后續(xù)學(xué)者也應(yīng)該繼續(xù)探討環(huán)境對(duì)減速器性能測(cè)試造成的影響。

結(jié)論與展望

本文對(duì)減速器從制造到測(cè)試的過程中對(duì)減速器性能造成影響的幾個(gè)因素做了總結(jié)，結(jié)論如下：

1. 目前減速器的加工工藝日趨成熟，但是對(duì)加工出的減速器的傳動(dòng)誤差和回差還并不是精準(zhǔn)。

2. 減速器的使用材料方面，對(duì)于減速器不同部件應(yīng)采用不同的材料，比如說外殼部分應(yīng)使用抗沖擊材料，齒輪部分使用抗疲勞材料等。

3. 減速器齒輪方面，目前而言，減速器的齒輪齒形和結(jié)構(gòu)方面已經(jīng)發(fā)展已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)瓶頸期，無(wú)法再通過其齒形來大幅度提高傳動(dòng)精度等性能參數(shù)，但是其齒輪的齒隙精度還能夠再細(xì)化一些，從而減少在傳動(dòng)過程中的損耗等。

4. 對(duì)于減速器測(cè)試平臺(tái)方面，最重要的就是同軸度，重力因素以及軸振動(dòng)都會(huì)造成同軸度誤差，后續(xù)可以考慮立式結(jié)構(gòu)來減小重力的影響。

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魯守銀，山東建筑大學(xué)，教授

袁魯浩（1997.1-），男，漢族，山東濟(jì)南，碩士在讀，控制工程，山東建筑大學(xué)，山東省濟(jì)南市，250100