減速器性能測試的影響因素

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;而后又從減速器測試平臺方面分析了同軸度、驅動、負載、工作環境等方面對減速器性能的影響。本文著重分析了臥式結構測試平臺對于檢測減速器性能時重力與扭振對其的影響。

0 引言

隨著現代化的不斷發展進步，現代設備越來越多的在使用電機驅動，但是由于電機的轉速較高且扭矩較小導致其一般無法直接驅動設備，這就必須使用減速器來傳遞動力。從交通工具所使用的汽車、輪船到機械工業中的大型機械設備，在現在的熱門焦點機器人，減速器的身影隨處可見。減速器大量應用也就導致減速器的性能成為了一個讓人關注的問題。從減速器材料的使用到加工工藝再到減速器測試平臺測試，無一不對減速器的性能造成影響。

1 減速器自身對其性能的影響因素

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精度和回差的主要瓶頸[1]。在減速器零部件加工的時候，必須保證零部件的尺寸公差和形位公差;零件不得出現飛邊毛刺，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計[2]到減速器的加工工藝流程設計[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]等人又對減速器輸出軸進行工藝探討，通過多層次、多角度的比較與分析，合理確定零件的機械加工工藝及參數，借助計算機輔助技術來將運算流程簡單化智能化，提高了機械設計制造效率和零件使用壽命。鄭紅[7]、陳姍姍等人對減速器擺線輪生產要素參數表進行了準確的參數界定，對擺線輪加工工藝流程進行了詳細的描述，在保證精度的基礎上，提高了生產效率，減少了原材料的消耗[8]。目前，減速器加工工藝已經日趨完善，制造的零部件能夠在保證精度的基礎上減少材料的消耗。

1.2 所用材料

第二個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、抗拉強度、滲透性等一系列指標都會影響減速器的扭轉剛度、柔輪應力、疲勞強度、使用壽命等一系列性能指標。石宗寶對使用非鋼材料的新型“鑄擺”針擺減速器進行了傳動試驗與分析，試驗證明此種減速器能擺脫刀具和設備的限制，能設計出9到87的40個奇數的傳動比系列，跑合后的效率顯著提高[9]。隨后陳根林[10]、嚴峰[11]、王云[12]、趙強等人分別對使用復合材料層的減速器進行數據計算和瞬態動力學分析，發現添加復合材料層的減速器能夠減小柔輪應力，延長諧波傳動的穩定時間，減小傳動誤差等優點，有利于高精度傳動系統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]、李郁蘭等人對減速器的齒輪、軸以及殼體的材料選擇進行了試驗和分析，對不同材料的材料特性、安全系數進行了對比計算，對殼體軸承座裂解進行了模型構建、模擬仿真、數據分析都一系列操作[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，繼續深入研究各個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、抗拉強度等性能最優化。

1.3 減速器齒輪

第三個影響減速器性能的就是減速器的齒輪。齒輪的齒形與結構是齒輪的核心，它直接決定著減速器的傳動性能[18];同時齒輪的嚙合特性及疲勞壽命也直接關系到減速器的使用壽命。比如說齒輪的轉角誤差能夠保證傳動的平穩性，載荷分布的均勻性可以避免應力集中的問題等等。早期的齒輪其功能要求較低，齒廓經常是簡單的直線或粗糙的曲線，隨著時代的發展，齒廓開始有了精確的曲線形狀[18]。最初出現的齒形是直線齒形，它滿足了定傳動比傳動，實現了輪齒與齒輪之間的面接觸，但是它無法保證鋼輪與柔輪共軛嚙合，產生的傳動誤差較大[18]。后來漸開線齒形被提出來，漸開線齒形在柔輪齒數較多時其齒廓可近似成直線齒廓且傳遞性能更優。后來又出現了圓弧齒形、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，學者對齒輪齒形的優化設計提供了重要的理論基礎。從陳立周對齒輪減速器齒輪嚙合參數的優化設計[19]到莫愛貴控制外界環境因素來對齒輪進行設計分析[20]，再到趙雨旸通過有限元分析來對減速器齒輪的參數化模型進行分析[21]，再到范恒亮對減速器齒輪進行靜力學分析，得到齒輪的應力分布云圖并在此基礎上進行疲勞壽命分析等[22]，為減速器齒輪的優化設計提供了重要的理論數據參考。

2減速器測試平臺對減速器性能的影響因素

2.1 同軸度

減速器測試平臺的第一個影響因素就是同軸度。所謂同軸度是指基準軸線與實際軸線的重合程度，其大小則是指基準軸線和實際軸線的偏差程度。同軸度的存在是引起載荷譜波動，產生扭振現象的主要原因，對一般性測量結果影響可以容忍，但對精密減速器的高精度測量影響十分顯著。胡庭波對減速器同軸度做過一個調位系統，通過打表法來檢測同軸度并利用調位裝置來調整減速器與元器件的相對位置[23]。但是同軸度這個因素不僅受制造工藝的影響，在減速器測試平臺測試減速器時也會受到重力因素的影響。重慶大學公開了一種少齒差行星減速器性能精密測試豎直試驗臺，該試驗臺不同于以往的臥式機構，它能在一定程度上解決同軸度的問題[21]。對于減速器測試平臺中串聯部件質量不一致的而導致軸系變形的問題，豎直試驗臺可利用自身重力調整，能夠更容易的實現豎直方向的同軸度。但是此發明并未能解決旋轉過程中產生的大力矩而導致軸系形變的問題。在減速器測試平臺中，其檢測儀器的零部件大多是環狀結構串聯在軸承上，此時由于方向是垂直的，所以在重力的作用下，由于零部件的對稱性，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為零件重量不一致導致的軸系形變。

減速器臥式測試平臺上所有器件在受到重力以及轉矩的影響下，無論是脆性材料還是塑性材料都會有一定程度的變形。

由此可見，無論是脆性材料還是塑性材料，在不超過材料的彈性極限時，應力與應變呈正比。脆性材料在超過比例極限載荷的時候就直接斷裂了，再增加應力也不會產生應變。

舉一個最簡單的例子，如圖所示的減速器測試平臺。該圖中包括驅動電機，負載電機、減速器、支撐裝置、聯軸器組成。

假設驅動電機的質量為M1，此時電機所給支撐裝置的壓力為M1G，無論電機支撐裝置是脆性材料還是塑性材料，都會在重力的作用下有所變形。在不超過比例極限載荷時，其應變與應力呈正比。滿足胡克定律 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

其中，E 表示楊氏模數， 表示正向應力， 表示正向應變.

在理想情況下，驅動電機的輸出軸與減速器的輸入軸應該通過聯軸器完美接合，可是在重力的作用下，因為支撐裝置發生一定的應變以及軸的變形會導致兩個軸的接合出現一定的偏差。如圖所示。

大多數情況下，減速器測試平臺還包括傳感器，軸承等許多串聯部件，由于減速器測試平臺中串聯部件的質量不一致，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生應力集中使軸系產生變形，增加同軸度誤差。

其次，在軸轉動時會產生扭轉振動和扭轉變形。在產生扭轉變形時，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。

當測試平臺在運行時，軸轉動的同時會產生扭轉振動。先將電機輸出軸拿出來做分析，如圖所示。

圖5 軸扭轉振動分析

假設 是軸上一個單元dx在t時刻先對于軸的左端面的角位移，對于dx段來說，其右端對于左端的角位移為 ，角位移不同是造成軸的扭轉振動的根本原因。對于dx段進行受力分析，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時，物體結構按固有頻率產生振動響應。當測試平臺運行時，電機輸出軸有了激勵，由此輸出軸的端部開始振動響應，此時為持續振動，也就相當于對端點的四周有著持續的應力。值得一提的是，為了加強軸系的支撐剛度采取的加強筋或加強板如果和軸存在共同的固有頻率則會產生共振，對減速器傳動測試造成更大的影響誤差。

隨后對聯軸器部分進行受力分析。

如圖所示，在軸靜止的時候，聯軸器上方不受力，下方承受軸所給的壓力G2。當軸轉動的時候，由于軸的扭轉振動，所以存在一個向四周持續的沖擊力，假設這個力為T2，此時聯軸器下方受力為T2+G2，上方受力為T2-G2。上下方受力不同，也就造成應變不同以及存在的摩擦力不同。下方受摩擦力影響大，應變程度大，上方受摩擦力小，應變程度小，容易產生傳動誤差。

2.2 驅動和負載

減速器測試平臺的第二個影響因素就是驅動和負載。就目前而言，大多數減速器測試平臺的驅動都是采用伺服電機，相較于步進電機而言，伺服電機作為閉環控制，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問題;伺服電機屬于恒力矩輸出，不會在低速情況下導致力矩變化，便于控制力矩;過載能力好，加速能力好等優點。

對于負載而言，現市場上存在多種類型的電機負載。比如電渦流制動器、磁粉制動器、磁滯制動器、慣性盤、伺服電機等。電渦流制動器適合高速大功率場合，磁粉制動器適合低速大功率場合，磁滯制動器適合高速小功率場合，而伺服電機適合于精度要求較高的場合。負載方面，主要是考慮減速器傳遞來的力矩，減速器的轉速，散熱情況，振動等問題，可根據使用場合靈活選擇。

2.3 環境

減速器測試平臺的第三個影響因素就是環境。譚力，從強等人曾對高低溫環境下諧波減速器剛度進行過測試研究，通過試驗測試和誤差分析，他們發現在高低溫（80度，-65度）和常溫相比，扭轉剛度會發生一定的變化，彎曲剛度在低溫下的變化量甚至達到了33%[24]。這一試驗表明環境會對減速器性能測試造成一定的影響，在惡劣環境下，我認為會對減速器測試平臺和減速器的制造材料造成一定程度的影響，同時可能會對減速器測試平臺上的傳感器精度造成影響。傳感器的精度對于減速器性能測試來說至關重要，精度發生變化可能會造成極大的誤差，后續學者也應該繼續探討環境對減速器性能測試造成的影響。

結論與展望

本文對減速器從制造到測試的過程中對減速器性能造成影響的幾個因素做了總結，結論如下：

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

2. 減速器的使用材料方面，對于減速器不同部件應采用不同的材料，比如說外殼部分應使用抗沖擊材料，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構方面已經發展已經達到了一個瓶頸期，無法再通過其齒形來大幅度提高傳動精度等性能參數，但是其齒輪的齒隙精度還能夠再細化一些，從而減少在傳動過程中的損耗等。

4. 對于減速器測試平臺方面，最重要的就是同軸度，重力因素以及軸振動都會造成同軸度誤差，后續可以考慮立式結構來減小重力的影響。

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魯守銀，山東建筑大學，教授

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