上海立龙机械设备有限公司

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RV 减速器扭转刚度特性分析

摘 要:以广泛应用于机器人关节的RV 减速器为对象,针对其结构特点,构建了减速器整机的几何模型,以及在ANSYS 环境下考虑轴承刚度、轮齿啮合刚度及各构件弹性的有限元模型,分析得出了对应曲柄轴自转1 周的整机扭转刚度的变化规律;与实验结果比较,验证了该模型的有效性与计算精度.在此基础上,应用该模型进一步分析了摆线轮与针齿啮合齿数以及轴承刚度变化对整机扭转刚度的影响规律.结果表明:轴承刚度是影响整机扭转刚度变化的主要因素;在分析整机扭转刚度特性时,将轴承刚度按非线性变化规律考虑时能够更精确地揭示整机的扭转刚度特性.


扭转刚度是RV 减速器的一项重要性能指标.针对该类减速器刚度特性的分析与研究一直是研究热点.目前针对单级摆线传动的刚度特性分析已较为深入,其研究内容主要侧重于啮合刚度分析与建模研究,考虑因素不仅涉及主要构件的弹性,同时也计及摆线轮与针齿间不同接触位置的啮合刚度,以及多齿接触下变形协调等复杂影响因素.RV 减速器也是一种包含摆线传动的二级封闭式行星传动系统,其低速级同为摆线传动,但传动结构与单级摆线区别较大,扭转刚度特性也有所不同.因此,国内外学者针对该类减速器刚度特性的研究仍在深入.张大卫等基于Hertz 理论建立了摆线针轮啮合刚度模型,利用石川公式简化了渐开线齿轮啮合刚度的计算.张迎辉等[4]进一步考虑了摆线轮齿廓曲率的影响,避免了单对齿啮合刚度为负的情况,使啮合刚度模型更加精细.Park针对减速器的拓扑结构特点建立了整机扭转刚度半解析模型.Kim 等在文献计及轴承的模型基础上,考虑了减速器中摆线轮与曲柄轴铰接处的轴承弹性,将轴承等效为一个具有一定刚度的柔性圆环,研究结果表明,轴承刚度是影响整机扭转刚度的主要因素.上述研究使整机扭转刚度模型逐渐精细,但在轴承刚度方面均以线性方式进行处理,而相关文献指出,轴承刚度会随载荷发生非线性变化;在RV 减速器中,不同啮合位置下各轴承受力的改变会引起轴承刚度的变化,因此需要进一步研究这种变化对此类减速器扭转刚度产生的影响。


 

为建立精细的整机扭转刚度有限元模型,本文不
仅考虑了上述因素,还进一步考虑了摆线轮与针齿啮
合齿数、轴承刚度随载荷变化的非线性特征对扭转刚
度的影响规律.本研究可为该类减速器扭转刚度的
建模提供一种方法上的借鉴

为建立精细的整机扭转刚度有限元模型,本文不仅考虑了上述因素,还进一步考虑了摆线轮与针齿啮合齿数、轴承刚度随载荷变化的非线性特征对扭转刚度的影响规律.本研究可为该类减速器扭转刚度的建模提供一种方法上的借鉴


1  整机扭转刚度建模

针对减速器的结构特点,在建模中除考虑主要构件弹性外,还需要计及以下影响整机扭转刚度的主要因素.

(1)轴承刚度:包括曲柄轴与摆线轮相连的转臂轴承以及系杆与曲柄轴相连的支撑轴承的刚度.

(2)啮合刚度:包括渐开线齿轮与摆线齿轮的啮合刚度.摆线轮同时与多个针齿啮合,其啮合齿数随曲柄轴转角而变化,因而摆线轮与针齿的啮合刚度也会发生变化。


2 网格划分与边界条件

      为保证建模精度与计算效率,需对模型分块处理.将减速器中曲柄轴、系杆、输出盘等形状规则的构件进行整体自动划分;将涉及接触分析的构件,如太阳轮与行星轮间、摆线轮与针轮间的啮合处进行局部网格划分,同时对网格大小与数量进行控制,以确保网格质量,防止畸变.该模型划分网格总数为89,275,节点数为203,049。

      在ANSYS 环境下,根据表4 设置各构件的材料参数,计入弹性.根据该机构的拓扑关系设置各构件间的连接方式.针对曲柄轴的具体位置导入对应轴承刚度数值,并设置摆线轮与针齿的啮合齿数和位置.分别在针齿壳和输入轴的端面施加固定约束,在输出盘端面施加逆时针的额定扭矩T。


3 扭转刚度特性

3.1 仿真结果

       由初始位置开始,对应曲柄轴回转1 周,等间距地选取100 个测点,分别构建整机的有限元模型.对应每一个模型导入相应的轴承刚度值,设置啮合齿数为5 并确定啮合针齿号.分别计算每一个模型的扭转刚度,可得该减速器整机扭转刚度随曲柄轴转角变化的曲线

      可见,整机扭转刚度在曲柄轴转角为0°和180°附近取到峰值,在曲柄轴转角为120°和240°附近时分别取到谷值.峰值位置对应曲柄轴1 的偏心方向垂直于曲柄轴孔1 中心与摆线轮中心的连线方向;两个谷值位置分别对应曲柄轴2 和3 的偏心方向,与相应的轴孔与摆线轮中心的连线垂直.


还可以看出,该减速器扭转刚度的算术平均值为1029.46 N⋅m⋅ arcmin−1 ,波动幅值为99.54 N⋅m⋅1 arcmin− ,波动幅值占刚度平均值的9.67%.


3.2 与实验结果比较

     为验证整机扭转刚度有限元分析的正确性,以某公司所生产的同型号RV 减速器为对象搭建扭转刚度实验台,测试了该减速器的扭转刚度,并与仿真结果进行了对比研究.

     实验采用固定输入端,在输出端加载,并测量输出端转角的刚度测试方案.该实验台主要是由激光干涉仪、扭矩加载装置、RV 减速器、分度头等主要装置组成.其中分度头用于锁定输入轴以及调整输入轴转角,螺旋千斤顶与力传感器结合实现扭矩的加载,激光干涉仪用于测量输出端转角.


结 论

(1)轴承刚度是影响整机扭转刚度的主要因素.将轴承刚度视为随载荷非线性变化时能更精确地揭示整机的扭转刚度特性,较将轴承刚度视为常数值时更接近实验测试结果.

(2)摆线轮与针齿的啮合齿数是影响整机扭转刚度平均数值的主要因素之一,但对扭转刚度的变化趋势影响不大.

(3)对应曲柄轴自转1 周,整机扭转刚度在曲柄轴转角为0°与180°附近取得扭转刚度的最大值,在120°与240°附近取得最小值。

 

RV减速器


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