RV減速器結構分析與三維造型設計

王萬新

(德州學院 能源與機械學院，山東 德州 253023)

0 引言

諧波減速器和RV減速器是工業機器人常用的兩種減速器，與通用減速器相比，機器人用的減速器要求具有傳動鏈短、體積小、功率大、質量輕和易于控制等優點。其中RV減速器是在傳統針擺行星傳動的基礎上發展起來的，由擺線針輪和行星支架組成，以體積小、抗沖擊力強、扭矩大、減速比大等諸多優點被廣泛應用于工業機器人、機床、醫療檢測設備等領域。

在工業機器人結構設計時，RV減速器一般用于機器人轉矩大的腿部、腰部和肘部三個關節，相比于諧波減速器，RV減速器具有更高的疲勞強度、剛度和壽命，因此，RV減速器在先進機器人傳動中有逐漸取代諧波減速器的發展趨勢。深入研究RV減速器原理，提高零部件加工精度及裝配質量是RV減速器制造的關鍵。

1 RV減速器的傳動原理分析

RV減速器由擺線針輪和行星支架兩部分組成，其傳動原理如圖1所示。第一級傳動：輸入軸中心輪1將運動傳遞給三個圓周均布的行星輪2(也有結構采用兩個行星輪[1])，輸出輪6起到行星架作用；第二級傳動：與行星輪2固聯的曲柄軸3驅動擺線輪4形成擺線輪公轉，在擺線輪公轉的同時與針齒殼7上的針齒5嚙合，形成擺線輪的自轉[2]。

根據行星輪系的通用研究方法[3]，對整個輪系施加一個與輸出輪6轉速相同的反轉轉速后，曲柄軸3的軸線位置變為固定，第一級傳動中的中心輪1、行星輪2構成定軸輪系傳動，其傳動比為：

(1)

其中：n1為中心輪轉速；n2為行星輪轉速；n6為輸出輪轉速；“-”表示行星輪與中心輪轉向相反；z1為中心輪1的齒數；z2為行星輪2的齒數。

1-中心輪；2-行星輪；3-曲柄軸；4-擺線輪；5-針齒；6-輸出輪；7-機架(針齒殼)

在第二級傳動中，由擺線輪、針齒、固定的針齒殼構成針齒傳動，其中擺線輪、輸出輪與三個圓周均布的曲柄軸構成平行四邊形傳動結構，擺線輪與輸出輪(行星架)轉動速度一致[4]，即擺線輪速度n4=n6。如果對整個減速裝置施加一個與行星架大小相等的反轉轉速，雖然能使曲柄軸轉動中心變為固定，但由曲柄驅動的擺線輪仍存在公轉與自轉現象，所以施加的反轉轉速應為曲柄軸(行星輪)的轉速n2，施加反轉速度n2后，擺線輪與針齒殼間的傳動比為：

(2)

其中：n7針齒殼轉速，其為機架，n7=0；n4為擺線輪轉數；z4為擺線輪的齒數；z7為針齒殼的齒數。

RV減速器中一般設計擺線輪與針齒殼的齒數差為1，即z4=z7-1，所以：

(3)

將式(3)代入式(1)可得RV減速器的傳動比計算公式為：

(4)

2 RV減速器的主要零部件

2.1 中心輪和行星輪

輸入軸上的中心輪一般取漸開線齒輪，可以做成齒輪軸或通過花鍵結構與輸入軸連接。行星輪與曲柄軸固聯，為了對稱分流功率，一般設計兩到三個行星輪均勻分布在中心輪的外側圓周上。

2.2 擺線輪(RV齒輪)

擺線輪是RV減速器的核心部件之一，其齒廓曲線精度對擺線針輪的接觸狀態影響很大[5]。在擺線輪傳動部分，為了實現徑向力的平衡，一般應采用兩個完全相同的擺線輪(結構如圖2所示)，分別安裝在曲柄軸上，且兩擺線輪的偏心位置相互成180°。

圖2 擺線輪結構

RV減速器擺線輪的標準齒廓曲線參數表達式為[6]：

(5)

2.3 曲柄軸

曲柄軸的結構如圖3所示，其一端Ⅰ段用于連接減速器輸出輪，另一端Ⅳ段用于裝配行星輪，曲柄軸的Ⅱ段、Ⅲ段用于支撐擺線輪，曲柄軸轉動時可以帶動擺線輪產生公轉，同時又支撐擺線輪的自轉，減速器輸出輪可以看作行星輪系的轉臂H。

圖3 曲柄軸結構

曲柄軸的Ⅰ段、Ⅳ段同軸，曲柄軸的Ⅱ段、Ⅲ段軸心對稱分布在Ⅰ～Ⅳ段軸心兩側，與Ⅰ～Ⅳ段公共軸心的偏心距為a。

3 RV減速器建模與裝配

零件的建模、裝配可以使用常用的CAD/CAM軟件，如SolidWorks。RV減速器結構的組成如圖4所示，關鍵零部件包括中心輪、行星輪、曲柄軸、擺線輪、針齒殼等，其中用到的螺栓、螺母、軸承等標準件可以直接從標準零件庫中調取。

3.1 主要零件的建模

(1) 曲柄軸由于結構簡單，可以通過常規的建模方法實現。

(2) 中心輪、行星輪等漸開線齒輪及擺線輪需要進行參數化建模，是RV減速器三維建模的關鍵[7]。齒輪參數化建模過程如下：①明確基本設計參數，如模數、齒數、壓力角、齒頂高系數、齒根高系數和齒輪寬度等；②確定齒形繪制算法，確定齒廓參數公式的參數及取值范圍；③進行二次開發交互設計，根據齒廓參數公式生成單個齒形，然后鏡像、陣列形成所有齒形，最終完成建模[8]。

(3) 擺線輪由于齒廓曲線較為復雜，生成的難點在于齒廓參數方程的分析，可以利用參數方程先生成半個理論輪廓，鏡像完成整個輪廓，然后通過拉伸、切除完成擺線輪建模。在擺線輪廓的基礎上繪制出半徑為rp、偏心距為a的偏心圓，該偏心圓是針齒圓心分布圓，可以在該偏心圓上陣列出針齒草圖，拉伸即可得到針齒模型。在不影響仿真結果，尤其是傳動精度的前提下，為提高仿真效率，可以適當簡化。

1-中心輪；2-行星輪；3-曲柄軸，4,5,7,10-軸承；6-行星架；8-針齒殼；9-擺線輪；11-連接螺栓；12-連接螺母；13-輸出輪

3.2 結構裝配

本文采用自下而上設計方式，先建立各關鍵零件模型，然后對各零件進行導入、添加關系約束進行裝配。RV減速器的零件較多且關系復雜，只在一個裝配體工程中完成全部零件的組裝較難，所以可先對局部零部件分級組裝，最后再對子裝配體總裝。

3.2.1 針齒殼與針齒的子裝配

針齒殼是減速器中的固定件，先導入針齒殼，再導入針齒模型，通過同軸約束、重合約束完成針齒裝配，如圖5(a)所示。

3.2.2 曲柄軸組件子裝配

RV減速器有3根曲柄軸，每根曲柄軸上有4個軸承，分別與行星架、支撐法蘭、兩個擺線輪對應的軸段配合，同軸配合與重合配合即可，裝配時需注意圓錐滾子軸承方向，如圖5(b)所示。

3.2.3 輸入端支撐子裝配

輸入端支撐由行星架(輸入端法蘭)、圓柱滾子軸承等組成，通過同軸配合與重合配合裝配，如圖5(c)所示。

3.2.4 輸出端子裝配

輸出端裝配由輸出盤(輸出法蘭)、密封圈、圓柱滾子軸承等組成，通過同軸配合與重合配合裝配，如圖5(d)所示。

3.2.5 總體裝配

子裝配完成后，以輸入端子支撐為參照，依次導入曲柄軸子組件(如圖5(e)所示)、擺線輪(如圖5(f)所示)、針齒殼(如圖5(g)所示)、輸出端子裝配(如圖5(h)所示)，通過孔、軸同軸配合和端面重合等約束實現裝配，最后裝配螺栓、螺母等剩余零件進行相關配合，完成總裝配。

圖5 減速器裝配

4 結束語

RV減速器結構在建模裝配時，應依據實物的拆卸、測量結果，并與理論知識結合。如在結構裝配、仿真運動時出現干涉或碰撞應及時合理地修改模型，以便直觀地了解RV減速器各零部件的基本構造、裝配關系以及運動原理。通過對減速器關鍵部件建模和結構裝配，可為設計、制造減速器，深入研究減速器結構的傳動誤差及額定工況下的動力學分析提供數字模型。