工業機器人RV減速器專用精密軸承技術分析

王東峰，姜韶峰，張振強，劉勝超，何崇光

（1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南 洛陽 471039）

RV（Rotary-Vector）減速器因體積小、抗沖擊力強、扭矩大、定位精度高、振動小、減速比大等優點被廣泛應用于工業機器人、機床、醫療檢測設備、衛星接收系統等［1-5］。近年來，隨工業機器人行業迅速發展，對RV減速器及所用軸承的要求也越來越高。國產RV減速器的性能與國外有明顯差距，尚不能滿足高性能RV減速器的使用要求。國外對RV減速器用軸承的相關制造技術進行封鎖，而國內關于RV減速器用軸承的研究較少。鑒于此，從RV減速器的結構類型、應用特性、材料及加工難點3個方面對RV減速器用軸承進行分析，以期為該類軸承的設計和應用提供參考。

1 RV減速器軸承分類

根據安裝部位和功能劃分，RV減速器用精密軸承主要包括主軸承、擺線輪支承軸承、偏心軸支承軸承及太陽輪支承軸承。RV減速器用軸承主要有薄壁角接觸球軸承、薄壁圓錐滾子軸承、滾針（滾子）和保持架組件、薄壁深溝球軸承，還包括薄壁交叉滾子軸承和四點接觸球軸承。1臺RV減速器一般需要9～15套軸承。隨著RV減速器結構的標準化、系列化，RV減速器用軸承安裝部位、功能及結構也逐漸固化，其軸承分類如圖1所示。

圖1 RV減速器軸承的分類Fig.1 Classification of RV reducer bearings

經典RV減速器結構來自于日本帝人公司（NABTESCO）RV-E，RV-C系列（與E系列相比主要區別為中空結構，能夠在減速器內部穿插電纜實現節省空間），RV-E系列減速器用軸承安裝位置示意圖如圖2所示。

2 主軸承

2.1 結構類型

RV減速器用主軸承安裝于RV減速器殼體的兩端（圖2），幾乎承受了RV減速器的全部外載荷。主軸承一般為接觸角為40°的薄壁推力角接觸球軸承，RV-40E主軸承（RVB76／115TN1角接觸球軸承）的結構如圖3所示。

圖2 RV減速器用軸承安裝位置示意圖Fig.2 Diagram of installation position of RV reducer bearings

圖3 RV減速器主軸承結構Fig.3 Structure of main bearing for RV reducer

由于該類軸承要求具有高承載、高剛性及運轉平穩性，滾動體一般采用密排結構，即滾動體之間的間隙盡可能小，但又不相互接觸。故對該類軸承的保持架結構提出了嚴格要求，目前多采用高性能注塑成型的PA66插入式鎖爪保持架或不銹鋼碗形保持架。對于扭矩和外形尺寸較小的RV減速器，為使結構緊湊，通常將軸承內圈與行星架一體化，組成的軸承單元如圖4所示。對于要求承載能力極高的RV減速器主軸承也可選用薄壁圓錐滾子軸承，如日本住友精密RV減速器，也有極少數廠家選用四點接觸球軸承或薄壁交叉滾子軸承。

圖4 軸承單元Fig.4 Bearing unit

2.2 應用特性

2.2.1 受力模型

RV減速器用主軸承受力復雜，工作過程中承受徑向力、軸向力以及傾覆力矩作用，且載荷不斷發生變化，偶爾也會受沖擊載荷。以2套背對背安裝的角接觸球軸承為例，其受力簡化模型如圖5所示［6］2，圖中：FaA，FaB分別為主軸承A，B所受軸向力，FrA，FrB分別為主軸承A，B所受徑向力，a，b，c，d1分別為各力與作用點的距離，F1，F2為外力。

圖5 RV減速器主軸承受力示意圖Fig.5 Load diagram of main bearing for RV reducer

2.2.2 預緊力

RV減速器主軸承的預緊力對其工作特性至關重要，實際工作過程中主軸承受力復雜（圖5），施加合適的預緊力能夠保證RV減速器的角剛度、壽命及運轉平穩性。由受力模型及試驗研究可知，隨預緊力增大主軸承的角剛度剛開始顯著增加，而后增長趨勢減緩，RV減速器用主軸承的預緊力與角剛度的關系如圖6所示；若僅考慮RV減速器的剛性，施加的預緊力在圖6中拐點附近較為合適，但隨著預緊力的增大，RV減速器主軸承球最大接觸應力隨預緊力先減小后增大，存在一個最佳預緊力使球最大接觸應力最小（圖7），而球最大接觸應力是軸承壽命的重要影響因素［7］。故應根據實際工況，綜合考慮預緊力對主軸承接觸應力和角剛度的影響選擇合適的預緊力。根據經驗，預緊力一般為其額定動載荷的20%～30%。

圖6 主軸承預緊力與角剛度的關系Fig.6 Relationship between preload of main bearing and angular rigidity

圖7 預緊力與球最大接觸應力的關系Fig.7 Relationship between preload and maximum contact stress of ball

2.2.3 裝配高及內外圈寬度偏差

RV減速器對主軸承裝配高及內外圈寬度偏差要求較高，根據經驗主軸承裝配高及內外圈寬度偏差的選擇見表1（d為軸承內徑，B為內圈寬度，C為外圈寬度）。

表1 主軸承裝配高及內外圈寬度偏差的選擇Tab.1 Selectionro of width deviation between inner and outer ring and assembly height of main bearing

2.2.4 主軸承外圈的膨脹量

由于RV減速器主軸承屬于低速、重載、薄壁軸承，在實際應用過程中因承受較大的軸向載荷軸承外圈在徑向會發生膨脹，膨脹量約為0.01～0.02 mm［8］。在RV減速器主軸承安裝過程中，確定配合公差時應考慮軸向載荷作用下軸承外圈在徑向的膨脹，以免軸承運轉時卡死。

2.2.5 RV 減速器軸承座與軸的配合同軸度

RV減速器主軸承安裝時對軸承座與軸的同軸度要求較為嚴格，特別是對RV減速器行星軸。經驗表明同軸度不應超過0.01 mm，否則軸承施加預緊力后會出現RV減速器自鎖現象，出現旋轉卡點。

2.3 材料及加工難點

主軸承套圈和球材料一般選用GCr15，材料熱處理技術條件參考JB／T 1255—2014《滾動軸承高碳鉻軸承鋼零件 熱處理技術條件》。主軸承單元行星架材料一般選用55＃鋼，對行星架溝道進行表面感應熱處理，有效硬化層深度應符合JB／T 9201—2007《鋼鐵件的感應淬火回火》的規定，金相組織應符合JB／T 9207—2008《鋼鐵在吸熱式氣氛中的熱處理》的3～7級的要求。

RV減速器主軸承由于其薄壁結構，加工困難，若采用傳統的加工工藝，會出現較高的廢品率，如RV-40E主軸承加工外圈時的廢品率高達40%。其中，較為突出的加工難點為套圈熱處理后的橢圓、套圈精磨后的平面翹曲。此外，由于該類軸承屬于超薄壁軸承，套圈極易變形，使得接觸角的測量及偏差的控制非常困難。前兩者可以通過工藝優化實現，如優化車加工進刀量、粗精車之間進行穩定回火以及減小磨削量、多次磨削等，同時采用工序能力指數較高的加工設備。后者則必須在產品設計及工藝制訂時就要進行軸承套圈溝曲率半徑偏差、徑向游隙、接觸角偏差匹配優化［9］，以實現加工過程中接觸角偏差100%合格。

3 擺線輪支承軸承

3.1 結構類型

RV減速器擺線輪支承軸承安裝在曲軸和擺線輪連接部位（圖2），有支承擺線輪圓周運動的作用，多數選用M形金屬保持架和圓柱滾子組件（圖8），也有少數選用M形金屬保持架和滾針組件。為追求高承載和高剛性，同樣采用密排滾動體結構。

圖8 擺線輪支承軸承Fig.8 Support bearing of cycloidal gear

3.2 應用特性

RV減速器擺線輪是傳遞扭矩的關鍵零部件，其傳遞的扭矩即為RV減速器所能傳遞的扭矩。由于擺線輪在各個嚙合位置上載荷及其作用方向不斷變化，擺線輪支承軸承受力復雜［10］。其受力簡化模型如圖9所示［6］2，圖中：Fr1，Fr2，Fr3分別為3個擺線輪支承軸承的徑向力，R1，R2，R3為3個擺線輪支承軸承的旋轉半徑，T1為擺線輪的扭矩。以雙擺線輪RV減速器為例，每個擺線輪的工作扭矩即為RV減速器輸出扭矩的1／2，每個擺線輪的扭矩平均分配到3個支承軸承上。

圖9 RV減速器擺線輪受力示意圖Fig.9 Force diagram of cycloidal gears for RV reducer

RV減速器對擺線輪支承用圓柱滾子保持架組件軸向竄動量要求極為嚴格，軸承竄動量過大，擺線輪易發生傾斜和卡死，經驗表明，擺線輪支承軸承的軸向竄動量應小于保持架寬度的1／10。

3.3 材料及加工難點

擺線輪支承軸承滾動體（圓柱滾子或滾針）材料一般選用GCr15，材料熱處理技術條件要求參考JB／T 1255—2014，圓柱滾子其他技術要求應符合GB／T 4661—2015《滾動軸承 圓柱滾子》的規定，滾針的其他技術要求應符合GB／T 309—2000《滾動軸承 滾針》的規定。保持架材料可選用15CrMo，20CrMo，技術要求應符合GB／T 28268—2012《滾動軸承 沖壓保持架技術條件》的規定。

軸承在實際應用過程中最突出的問題是保持架脫落金屬屑和軸承竄動導致擺線輪卡死。保持架脫落金屬屑的主要原因是保持架經過車制、壓模后沒有做好后續處理，保持架表面有毛刺和銹跡，工作過程中由于承受較大載荷和沖擊，出現毛刺和銹跡的脫落。軸承竄動則主要由于圓柱滾子（滾針）的錐度較大和保持架方形兜孔被加工成了菱形，在旋轉過程中形成了軸向分力，導致軸承軸向移動。在加工制造過程中要保證金屬保持架的表面硬度500～600 HV或進行滲氮處理。保持架經過車制、壓模后要嚴格控制保持架兜孔的形位公差，并進行串光處理，去除保持架表面毛刺和銹跡。在整個組件裝配合套時，要嚴格分選滾動體，采用0級或I級滾子。

4 偏心軸支承軸承

4.1 結構類型

偏心軸支承軸承安裝于偏心軸兩端（圖2），外圈與RV減速器凸緣過渡配合，內圈與偏心軸過盈配合。擺線輪支承軸承多選用小尺寸薄壁圓錐滾子軸承（圖10），多為非標結構，也有少數選用薄壁深溝球軸承。

圖10 偏心軸支承軸承Fig.10 Support bearing of eccentric shaft

4.2 應用特性

RV減速器偏心軸支承軸承受力簡單，主要起支承偏心軸的作用。但偏心軸的受力復雜，其在兩端受到支承軸承作用：在輸入端齒輪嚙合帶動偏心軸旋轉，偏心軸受到齒輪的作用力；在中部受到保持架組件的反作用力阻礙曲柄軸旋轉。偏心軸受力示意圖如圖11所示［6］3，圖中：F1x，F1y為O點軸承對軸的支承力；F2y，F3y為O1，O2點保持架作用在軸上的力；T2，T3為O1，O2點受到的扭矩；F4y，F4z為O3點軸承對軸的支承力；F5y，F5z為齒輪嚙合過程中軸在O4點受到的切向力和徑向力。

圖11 偏心軸受力示意圖Fig.11 Load diagram of eccentric shaft

偏心軸支承軸承裝配高度與主軸承裝配高度匹配示意圖如圖12所示，偏心軸支承軸承安裝后的總高度Ht要與主軸承安裝后的總高度Hz匹配，以保證主軸承施加預緊力后偏心軸支承軸承不至于被行星架端蓋壓的過緊而卡死，也不至于太松而在減速器內部產生軸向竄動，一般Ht比Hz略小0.01 mm較為適宜。

圖12 裝配高度示意圖Fig.12 Diagram of assembly height

4.3 材料

偏心軸支承軸承套圈和圓錐滾子選用GCr15，材料熱處理技術條件要求參考JB／T 1255—2014，圓錐滾子的其他技術要求應符合GB／T 25767—2010《滾動軸承 圓錐滾子》的規定。保持架采用鋼板沖壓保持架，技術要求應符合GB／T 28268—2012的規定。

5 太陽輪支承軸承

5.1 結構類型

太陽輪支承軸承安裝于RV減速器行星架的剛性盤內，主要起精確定位減速器太陽輪位置的作用。太陽輪支承軸承一般為薄壁深溝球軸承，目前多選用標準的618系列深溝球軸承（圖13），保持架多為鋼板沖壓浪形保持架。

圖13 太陽輪支承軸承Fig.13 Support bearing of sun wheel

5.2 應用特性

RV減速器太陽輪支承軸承受力簡單，只起傳遞徑向力的作用，這里不再分析。

RV減速器太陽輪支承軸承在應用過程中要嚴格控制太陽輪支承軸承的徑向游隙，一般徑向游隙應符合GB／T 4604.1—2012《滾動軸承 游隙 第1部分：向心軸承的徑向游隙》中N組的規定，也有軸承廠家根據客戶工況需求選用超小游隙。

5.3 材料

套圈和球材料選用GCr15，材料熱處理技術條件要求參考JB／T 1255—2014；圓錐滾子的其他技術要求應符合GB／T 25767—2010的規定；保持架采用鋼板沖壓浪形保持架，技術要求應符合JB／T 10337—2002的規定。

6 結束語

闡述了RV減速器的分類，并對各類軸承的結構類型、應用特性、材料及加工難點進行了分析，可為國內RV減速器軸承的設計和應用提供一定參考。但研究還不夠深入，后續有待進一步增強。