NN型漸開線少齒差行星減速器傳動(dòng)效率仿真與實(shí)驗(yàn)

張 輝， 馮曉寧， 郭 堯

（嘉興學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，浙江 嘉興 314001）

0 引 言

NN型漸開線少齒差行星減速器（以下簡稱NN型減速器）是一種效率高、傳動(dòng)比大、體積小、承載力大的減速器，適用于機(jī)器人等精密機(jī)械傳動(dòng)。評(píng)價(jià)減速器性能的因素很多，比如傳動(dòng)效率、傳動(dòng)精度和承載能力等，其中傳動(dòng)效率是評(píng)價(jià)減速器性能的一個(gè)重要因素［1］。影響減速器傳動(dòng)效率的因素有很多，為在設(shè)計(jì)時(shí)能準(zhǔn)確評(píng)估減速器傳動(dòng)效率，使用Romax 軟件對(duì)NN型減速器傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了虛擬仿真和傳動(dòng)效率分析。為驗(yàn)證虛擬仿真分析方法的準(zhǔn)確性，對(duì)NN 型減速器進(jìn)行了傳動(dòng)效率實(shí)驗(yàn)研究［2］。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

NN型減速器是一種漸開線少齒差內(nèi)齒輪行星傳動(dòng)的減速器［3-5］，機(jī)構(gòu)簡圖如圖1 所示。

圖1 NN型減速器的結(jié)構(gòu)簡圖

在重合度系數(shù)Yε＞1 和齒廓重疊干涉條件Gs≥0.1 的條件下［6-8］，以4 齒差、減速比100∶1的內(nèi)嚙合齒輪副為例計(jì)算NN型減速器的主要參數(shù)，中心距α′ =2.194 7 mm，齒輪副的其他主要參數(shù)齒數(shù)z、模數(shù)m、變位系數(shù)x、壓力角α、齒根系、齒頂系數(shù)c*、齒寬B等見表1。

表1 齒輪副主要參數(shù)

根據(jù)表1 齒輪副參數(shù)建立NN型減速器的虛擬樣機(jī)，主要由輸出內(nèi)齒輪軸、雙聯(lián)齒輪、雙曲柄軸、內(nèi)齒圈、軸承端蓋等組成。內(nèi)嚙合齒輪副都采用短直齒輪，虛擬樣機(jī)如圖2 所示。新結(jié)構(gòu)NN型減速器去掉了傳統(tǒng)的配重齒輪，簡化了結(jié)構(gòu)，降低了制造難度和成本。

圖2 NN型減速器的虛擬樣機(jī)

2 強(qiáng)度校核和傳動(dòng)精度仿真

在額定工況下，采用Romax 軟件對(duì)新結(jié)構(gòu)NN 型減速器進(jìn)行傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真［9-10］。在分別設(shè)置輸入轉(zhuǎn)速1 200、1 500 和1 800 r/min 工況下，設(shè)置輸出端轉(zhuǎn)矩20 N·m，對(duì)雙聯(lián)齒輪z1、輸出內(nèi)齒輪z2、雙聯(lián)齒輪z3、內(nèi)齒圈z4進(jìn)行強(qiáng)度校核，齒輪校核參數(shù)見表2 ～4。由表2 ～4 可知，隨著轉(zhuǎn)速增大，安全系數(shù)逐漸降低，應(yīng)力逐漸增大，但是增大幅度較小，雙聯(lián)齒輪z1承載最大。

表2 當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時(shí)齒輪校核參數(shù)

表3 當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)齒輪校核參數(shù)

表4 當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時(shí)齒輪校核參數(shù)

傳動(dòng)精度是減速器的主要傳動(dòng)性能之一，NN 型減速器的新結(jié)構(gòu)會(huì)影響齒輪傳動(dòng)精度，必須對(duì)這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行精度分析。因雙聯(lián)齒輪z1的承載最大，以雙聯(lián)齒輪z1為例進(jìn)行齒輪傳動(dòng)誤差仿真，得出雙聯(lián)齒輪z1的嚙合線位移量（S）隨著輪齒滾動(dòng)角（°）變化的傳動(dòng)誤差如圖3 所示，嚙合線位移量7.10 ～8.79 μm 之間變化，傳動(dòng)誤差峰值為1.69 μm，傳動(dòng)誤差小。

圖3 傳動(dòng)誤差

3 傳動(dòng)效率仿真

在Romax軟件中分別設(shè)置輸入轉(zhuǎn)速1 200、1 500和1 800 r/min 的工況下，設(shè)置的輸出轉(zhuǎn)矩在0 ～50 N·m范圍內(nèi)，對(duì)減速器傳動(dòng)效率進(jìn)行仿真［11-12］，仿真結(jié)果得到，在一定轉(zhuǎn)速下隨著輸出轉(zhuǎn)矩（T）與傳動(dòng)效率（η）仿真曲線如圖4（a）～（c）所示，不同轉(zhuǎn)速下的最高傳動(dòng)效率見表5。由圖4（a）～（c）可知，輸出轉(zhuǎn)矩較小時(shí)，傳動(dòng)效率較低；輸出轉(zhuǎn)矩較大時(shí)，傳動(dòng)效率較大；傳動(dòng)效率隨著輸出轉(zhuǎn)矩的增加逐步增大，當(dāng)達(dá)到最高傳動(dòng)效率時(shí)，繼續(xù)增大輸出轉(zhuǎn)矩則傳動(dòng)效率開始降低。

圖4 不同轉(zhuǎn)速時(shí)傳動(dòng)效率仿真曲線

表5 最高傳動(dòng)效率仿真數(shù)據(jù)

4 實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)表1 齒輪副參數(shù)設(shè)計(jì)制造了4 齒差的NN型減速器樣機(jī)，齒輪材料為40Cr，潤滑方式采用潤滑脂。為驗(yàn)證NN型減速器的傳動(dòng)效率，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行傳動(dòng)效率實(shí)驗(yàn)［13-15］。

4.1 實(shí)驗(yàn)原理

減速器傳動(dòng)效率實(shí)驗(yàn)設(shè)定不同的轉(zhuǎn)速，隨著負(fù)載變化，通過輸入、輸出端轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩傳感器采集被測減速器兩端的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，計(jì)算傳動(dòng)效率，實(shí)驗(yàn)原理見圖5。

圖5 傳動(dòng)效率測試原理圖

減速器效率實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖6 所示，主要由變頻電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速傳感器、被測減速器、磁粉制動(dòng)器和工控機(jī)等組成。變頻電動(dòng)機(jī)和磁粉制動(dòng)器通過工控機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，工控機(jī)通過輸入、輸出端的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析與處理，繪制出傳動(dòng)效率參數(shù)曲線。變頻電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，磁粉制動(dòng)器的最大輸出轉(zhuǎn)矩為50 N·m。因變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)被測減速器為高速旋轉(zhuǎn)，必須保證安裝時(shí)變頻電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速傳感器、被測減速器、磁粉制動(dòng)器等主軸的同軸度精度。

圖6 減速器效率測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)

4.2 實(shí)驗(yàn)方案

NN型減速器樣機(jī)安裝在減速器效率實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行傳動(dòng)效率實(shí)驗(yàn)，變頻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為1 200、1 500和1 800 r/min，磁粉制動(dòng)器加載轉(zhuǎn)矩以5 N·m的倍數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，加載10 次，每次加載時(shí)間為1 min，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表6。

表6 減速器效率測試實(shí)驗(yàn)參數(shù)

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行了傳動(dòng)效率檢測，繪制出在不同轉(zhuǎn)速下隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩（T）增加的傳動(dòng)效率（η）實(shí)驗(yàn)曲線，如圖7（a）～（c）所示，不同轉(zhuǎn)速下最高傳動(dòng)效率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表7。由圖7（a）～（c）可見，不同轉(zhuǎn)速下隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加傳動(dòng)效率實(shí)驗(yàn)曲線形狀基本一致，隨著轉(zhuǎn)速提高傳動(dòng)效率略有提高。

圖7 不同轉(zhuǎn)速時(shí)傳動(dòng)效率實(shí)驗(yàn)曲線

表7 最高傳動(dòng)效率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié) 語

使用Romax軟件對(duì)NN型減速器的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，虛擬仿真分析的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，且成正相關(guān)的關(guān)系，效率數(shù)值降低的原因可能與樣機(jī)的加工誤差、實(shí)驗(yàn)的裝配誤差、測試誤差等有關(guān)，但數(shù)值相近只是略有降低。采用Romax軟件進(jìn)行NN型減速器的傳動(dòng)效率仿真分析方法是可靠的，可以有效分析減速器傳動(dòng)效率，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。