一種RV減速器的有限元仿真分析

淄博普利置業有限公司 殷允淦

鄂爾多斯市東勝區現代煤炭工業服務中心 尚利民

德州學院計算機與信息學院 劉豪睿 閆志堅

RV減速器由于優異的性能和高效的傳動結構被廣泛用于工業機器人和航天領域精密儀器上。本文以RV-20E型減速機為研究內容，對其零部件組成進行有限元分析，探究RV-20E型減速器的內部激振頻率以及影響其固有頻率的因素，對提升改進RV-E型減速器性能提供一定價值的參考。

目前精密傳動三大主流方式為諧波傳動、擺線傳動和蝸桿傳動，RV傳動在傳統針擺行星傳動的基礎上克服了一般針擺傳動減速器負載不大、中心軸壽命低的缺點，RV減速器還具有傳動效率高、體積小、抗沖擊力強、抗疲勞強度大、減速比大等諸多優點。

RV-20E型減速器是RV減速器的二級減速型，常用于多個領域，比如軍用領域的坦克瞄準、無人機折翼；航天十六所雷達天線系統、衛星接收；民用領域的工業機器人、數控機床自動化等。

圖1 RV減速器裝配模型

RV（旋轉矢量）減速器源自行星減速器，由行星齒輪減速器的前級和擺線針輪減速器的后級組成。RV減速機具有結構緊湊、重量輕、傳動比大、定位精度高，傳動機械在一定條件下具有自鎖功能的特點。從全球范圍來看，日本目前擁有RV減速器的核心技術，并擁有高性能減速器的技術壁壘，其他地區的公司很難達到其技術水平。在中國，生產RV減速器的公司約有十家左右，大多數都沒有擴大規模。他們只滿足低端市場的需求并且規模很小，其產品被定位為低端產品市場。20世紀90年代，來自日本山口大學日照高晃和美國休斯頓航空公司研究了RV減發器的精確度，通過對誤差的分析與帕克等人確定了一個動態RV模型，求出了固有頻率和振型并解釋了其物理含義。大連鐵路研究所的何衛東、李立行研究了RV減速器可靠性和最佳優化傳動研究，并于1997年1月開始與秦川機床廠開展合作，在1998年末制造出RV-250A實驗樣機。圖1為RV減速器裝配模型。

在對RV減速器仿真分析的研究領域，國內學者進行了許多理論研究和實踐探索，研究得出以下三種方式:動態模擬、動力學模擬和振動法分析。但迄今為止，當地研究人員尚未采用標準RV剛度來得到合理的范圍，仍有很大的研究和開發空間。

圖2 RV-20E型減速器實物

圖3 RV-20E型減速器結構

1 RV-20E減速器結構及原理特點

RV-20E減速器具有復雜的結構（如圖2-圖4），其主要由行星輪和擺線輪組成。從傳輸原理的簡圖開始分析其傳動特性，在這個過程中三個級別的行星齒輪作為減速的第一級別減速，第二階段為擺線針輪行星減速，最后是行星支架作為輸出部分使用。本文以RV-E型減速器為研究對象，分析其結構特點、傳動原理，并對其進行建模和后續的有限元分析研究。

伺服電動機的旋轉通過輸入齒輪傳遞到正齒輪，其速度隨著輸入齒輪和正齒輪之間的齒輪比而降低。由于它們直接連接，因此曲軸具有與正齒輪相同的轉速。兩個RV齒輪安裝在曲軸偏心區域的滾針軸承周圍（為了平衡相等的力，安裝了兩個RV齒輪）。當曲軸旋轉時，安裝在偏心部分上的RV齒輪也繞輸入軸偏心旋轉（曲軸運動）。針腳以恒定的間距排列在殼體內部的凹槽中。銷釘的數量僅比RV齒的數量多一個。當曲軸旋轉一整圈時，RV齒輪偏心地旋轉銷的一個螺距（曲軸運動），所有RV齒與所有銷接觸，旋轉然后通過曲軸傳遞到軸（輸出軸）。此時，可以與抵靠曲軸的銷的數量成比例地降低軸的轉速。但其缺點是傳動的兩軸之間的距離有限制，不可過遠。

圖4 RV-20E型減速器結構簡圖

圖5 擺線輪約束位置

RV-20E型減速器為RV減速器系列的2級減速型，在工業機器人關節中被廣泛使用，工業機器人對運輸的準確性和空間結構的壓力有很高的要求，因此對RV-E型減速器的精度要求比較高。

RV-20E減速器傳動優缺點：

（1）結構緊湊，精度比較高，內部尺寸比較小，120°對稱布置的曲柄軸節省空間，傳動機構置于行星架的支撐主軸，體積重量較小。

（2）剛性好，承載能力強；輪系下可以平分輸入扭矩，擺線輪可以為RV減速器提供很好的平衡性。額定的轉矩下，彈性回差小。

（3）工作壽命長，齒輪嚙合傳動屬于滾動摩擦，可以大幅度提高RV減速器的壽命，摩擦系數較小是普通減速器壽命的兩到三倍，遠比諧波減速器的壽命要長。

2 有限元分析

有限元分析使用表面到表面接觸算法來分析零件之間相互作用產生的接觸力。接觸算法涉及一個迭代過程，其中解是從基于位移的收斂中得出的。通過使用完整的Newton-Raphson積分方法求解非線性方程，可以在每個定義的時間增量步迭代地求解（如圖5-圖7所示）。

圖6 擺線輪的網格劃分

圖7 擺線輪一階模態

圖8 擺線輪四階模態

選取其中四個具體對應振型和固有頻率圖（如圖8-圖10所示）：

總結：本文以工業機器人關節的RV-20E減速器為研究對象，根據ABAQUS模態分析得到的結果，表明RV-20E減速器內部激勵頻率不易引起共振。上面討論的仿真和場景需要進行實驗驗證。通過解決旋轉部件之間的摩擦和滑動運動可以繼續進行研究，而本文沒有考慮此點。在以后進一步研究中，研究人員可以放寬不可移動外輥的假設，以使外輥能夠繞其軸運動。利用本研究中闡述的仿真設置，將來還可以進行參數研究。在這方面，可以通過更改幾何參數來分析接觸應力變化，例如偏心率、擺線盤的擺線齒廓、齒圈容納滾子的節圓半徑等。為RV-20E減速器的理論分析和優化設計提供了一定的理論依據。

圖9 擺線輪七階模態

圖10 擺線輪十階模態