RV減速器性能試驗研究

王建輝， 李良， 董紅衛， 楊瑞超

（西安航天精密機電研究所，西安710100）

0 引言

RV（Rotate Vector）減速器具有體積小、重量輕、傳動比范圍大、壽命長、精度保持穩定、效率高、傳動平穩等一系列優點，日益受到國內外相關領域的廣泛關注。近年來，RV減速器在工業機器人、高檔數控機床、跟蹤雷達、坦克炮塔等相關民用、軍用精密傳動領域得到了廣泛的應用。目前，國內外學者對RV減速器啟動力矩[1-2]、傳動精度[3-7]等主要性能指標已經進行了深入的理論研究，但有關RV減速器性能的試驗研究相對較少。

本文通過對單位自主研制的20E系列某型號RV減速器與某進口同種型號RV減速器進行性能對比試驗研究，通過對比分析的方法研究設計、制造中各因素對RV減速器性能的影響，在此基礎上探討提高RV減速器性能的方法。

1 RV減速器原理及主要性能指標

1.1 工作原理

圖1 RV減速器傳動原理簡圖

RV減速器工作時，首先由第一級行星齒輪傳動輸入轉速轉矩，經過第一級減速之后，通過與行星齒輪固聯的偏心軸將轉速轉矩傳遞給第二級擺線針輪[8]，擺線針輪通過支撐法蘭向第一級行星傳動的行星齒輪反饋一個公轉速度，同時這一公轉速度作為輸出轉速通過支撐法蘭向外輸出，圖1是RV減速器基本傳動原理簡圖。

1.2 啟動力矩檢測原理與方法

啟動力矩是指在無負載狀態下啟動減速器所需的最小轉矩，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緊情況，進而反映RV減速器整機的性能，是RV減速器的一項重要性能指標。

圖2 啟動力矩測試系統原理圖

啟動力矩測試時減速器是在空載狀態下，在其輸入端緩慢加載直至減速器輸入端開始轉動，記錄此時的輸入端轉矩即為減速器的啟動力矩。為保證測試的準確性，可以在減速器輸入端每隔90°進行一次測量，取4次測量的最大值作為該減速器的啟動力矩，圖2是啟動力矩測試系統原理圖。

1.3 傳動精度檢測原理與方法

傳動精度是RV減速器的主要性能指標之一，直接影響著精密傳動系統的傳動及定位誤差。RV減速器的傳動精度以傳動誤差描述，是指輸入軸轉動到任意轉角時，輸出軸的理論轉角與實際轉角的角度誤差，用角度傳遞誤差表示，角度傳遞誤差的表達式為。

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

實際測量時，RV減速器的傳動誤差是指其在空載情況下輸出軸轉過一圈時，角度傳遞誤差的最大值與最小值之差。圖3是傳動精度測試系統原理圖。

圖3 傳動精度測試系統原理圖

2 RV減速器性能試驗研究

本文對單位自主研制的20E系列某型號RV減速器與同型號某進口RV減速器進行性能對比試驗研究，試驗測試對象包括：自研RV減速器同批次3套，編號依次為：RV-20E-T1、RV-20E-T2、RV-20E-T3；某進口RV減速器1套，編號為RV-20E-N。

2.1 啟動力矩測試

本試驗采用的啟動力矩測試裝置如圖4所示，減速器通過支架固定于測試平臺上，通過電動機逐漸給減速器加載，減速器輸入端與電動機間連接有一個轉速轉矩傳感器，用于測量RV減速器啟動力矩。全部4套待測RV減速器，先進行了跑合試驗。跑合結束后，對4套RV減速器進行了啟動力矩的測試，測試結果如表1所示。

從表1中可以看出，RV-20E-T1與RV-20E-T2減速器的啟動力矩相對于某進口RV減速器的啟動力矩較小。同時在跑合試驗中發現，RV-20E-T1與RV-20E-T2減速器轉動平穩性較差。分析其原因主要是：單位自研的3套RV減速器在裝配前對其關鍵零件進行了復驗，發現部分零件存在不同程度尺寸超差，因此在裝配時對各個零件進行了人為選配，根據裝配過程記錄，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構復雜性，及其作為嚙合傳動部件對表面粗糙度與表面硬度的高要求，使得這兩類零件對加工工藝及熱處理方式有很高的要求[9-10]。通過分析可以得出，由于針齒殼和擺線盤零件尺寸超差，導致RV-20E-T1與RV-20E-T2減速器轉動平穩性顯著降低，同時由于零件超差，導致這2套RV減速器的嚙合間隙變大，由此導致啟動力矩減小。

圖4 RV減速器啟動力矩測試臺

表1 某型號RV減速器啟動力矩測試數據

2.2 傳動精度測試

本試驗采用的RV減速器的傳動精度測試裝置如圖5所示，減速器通過支架固定于測試平臺上，減速器輸入端通過輸入軸與電動機連接，減速器輸入端與輸出端分別連接有一個角編碼器，用于測試減速器輸入端和輸出端的轉角變化。

分別對4套RV減速器進行傳動誤差測試，測試工況為空載，轉速為100 r/min。測試結果如表2所示。

圖5 RV減速器傳動精度測試臺

表2 某型號RV減速器傳動精度測試結果

從表2中可以看出，某進口型號RV-20E-N減速器傳動誤差最小，RV-20E-T3減速器與進口RV減速器傳動誤差存在一定差距，同時RV-20E-T1與RV-20E-T2減速器相對RV-20E-T3減速器的傳動誤差也偏大很多。通過初步分析，RV-20E-T1與RV-20E-T2減速器誤差偏大原因為：針齒殼與擺線盤齒廓形位公差超差。

圖6～圖9分別為所測得的4套RV減速器傳動誤差曲線。對4套RV減速器的傳動誤差曲線進行對比分析可以得出，4套RV減速器傳動誤差幅值均存在小周期波動現象，同時RV-20E-T1與RV-20E-T3減速器傳動誤差幅值均存在明顯的大周期波動，由于RV-20E-T3減速器的大周期波動與小周期波動幅值變化均較小，因此RV-20ET3減速器的傳動誤差較小，根據擺線針輪傳動理論[11-13]分析得出，傳動誤差的大周期波動主要由針齒殼齒槽位置累積誤差與擺線盤周節累積誤差引起，因此為減小RV減速器傳動誤差，首先需減小傳動誤差幅值的大周期波動，可以通過設計中合理地分配針齒殼和擺線盤齒廓位置度公差，以提高RV減速器傳動精度。

圖6 RV-20E-T1減速器傳動誤差曲線

圖7 RV-20E-T2減速器傳動誤差曲線

圖8 RV-20E-T3減速器傳動誤差曲線

圖9 RV-20E-N減速器傳動誤差曲線

為進一步探究影響傳動誤差的影響因素，對RV-20E-T1減速器的傳動誤差曲線進行傅里葉變換，結果如圖10所示。

圖10 RV-20E-T1減速器傳動誤差頻譜特性

為了便于分析，對橫坐標進行了無因次化處理。圖10中，f和f0分別表示傳動誤差的頻率和輸出軸的頻率，頻率比f/f0為輸出軸回轉一周的過程中傳動誤差變動的次數。可以看出，頻譜特性曲線中含有0、40、80、120、160這幾個頻率比成分。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，該成分主要是因為測試系統的系統誤差造成，其余頻率比成分（f/f0=40、80、120、160）則直接影響曲線的趨勢，而這些頻率成分均為40的倍頻。由該型減速器的結構可知，在一個測試周期（減速器輸出端旋轉一周）中，偏心軸轉動的次數為40次，而擺線盤也是轉過40個齒，這與RV-20E-T1減速器傳動誤差頻譜中出現的頻率成分相對應。因此，為進一步減小RV減速器傳動誤差，就需減小傳動誤差幅值的小周期波動[14-15]，可以通過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減速器傳動精度。

3 結論

1）通過對4套RV減速器進行對比試驗，結果表明試驗測試結果可靠，驗證了測試方法的可行性及測試設備的可靠性；2）通過單位自主研制的RV減速器與某進口RV減速器的性能試驗對比，結果表明自研RV減速器設計的尺寸公差分配合理，加工制造工藝可行，但仍存在改進空間；3）通過試驗結果對比分析表明,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RV減速器傳動精度影響顯著，可通過合理控制關鍵零件加工誤差，提高RV減速器傳動精度。