摆线针轮减速器传动轮系的动态测试技术

摘要：介绍了摆线针轮行星减速器传动轮系动态测试技术的原理及其过程，并通过动态与静态测试情况的对比，论证了动态测试方法的使用意义和应用价值。实践证明，此方法简单有效。

         在制造某精密仪器方位减速箱的过程中， 对该减速箱传动轮系中的传动误差和传动空程差进行了动态测试， 测出的误差数值直接由记录仪绘制成误差曲线图。通过对误差曲线图的分析，可以分离出传动轮系中误差的种类、数量以及产生误差的原因，从而可以指导传动零件的加工和传动轮系的装配工艺等。
        经多次反复性的测试，重复精度可达98%左右，测试速度从调整到测试完毕所需时间为10～15 min，相对于静态单项测试提高工效100 倍左右。因此，动态测试方法具有很好的使用价值。
        
1   测试原理
       减速箱传动轮系（见图1）的输入轴上固连一齿轮Z1，输出轴上空套一齿轮Z4（配合间隙＜5 μm），另外再加上一根轴，轴两端固连有齿轮Z2、Z3，分别与Z1、Z4轮相啮合， 并确保其两轴间的平行度， 即Z1、Z2、Z3、Z4齿轮构成一组传动链。由于传动链最短， 且齿轮制造精度较高， 因此将这组传动链作为被测减速箱传动轮系的相对测试基准，其传动比是依据被测传动轮系的传动比计算而决定的。
                     
         由于减速轮系存在着一定的误差， 所以在传动时输出轴与Z4齿轮角速度是不一致的（即二者达不到瞬时同步），因此会产生相位差。可以通过传感器和记录系统，将其相位差直接绘制成双向误差曲线图（见图2）。
       
2   测试方法
      2.1 摆线减速箱的简单传动原理
      被测减速箱采用的是二级短幅外摆线齿轮传动，其传动原理是利用行星齿轮传动来减速， 即针轮固定不动，而摆轮在针轮里面作行星运动。也就是说，摆轮的中心O1绕针轮中心O2公转，同时，摆轮还绕自身的中心O1在反向自转一个齿，若O2是主动轴，O1是被动轴，则减速比为：
                         1∶1Z= Z∶1
       当Z1为17 齿时，则减速比为17∶1，故该减速轮系的行星轮系是“一齿差”啮合传动。
                           级传动比按下式确定：
       i1 =Z1/（Z2-Z1） =17/（18-17）= 17
                        式中：Z1为摆轮齿数；Z2为针轮齿数。
                          第二级传动比为：
          i2 = Z3/（Z4-Z3） =11/（12-11）= 11
           式中：Z3为摆轮齿数；Z4为针轮齿数。
                被测减速箱的总啮合传动比为：
                 i = i1i2 = 17×11 = 187
     2.2 高精度齿轮传动轮系的参数和结构
        作为相对基准的高精度齿轮传动轮系的传动比必须满足被测减速箱的总传动比的要求：
             i 相= i = i1i2 = 17×11 = 187
        设： Z1 = 17（齿）,m1 = 1 mm，得：Z2 = Z1i1 =17×17= 289（齿）
       又设：Z3 = 17 （齿）， m2 = 1.5 mm ， 得：Z4 = Z3i2 =17×11 = 187（齿）
         在传动比一致情况下， 高精度齿轮传动轮系处于正常啮合状态时，两对啮合齿轮Z1
     与Z2、Z3与Z4的中心距必须相等。又因：A1 =m1（Z1+Z2）/2 = 153 mm；A2=m2（Z3+Z4）/2= 153 mm。
                 得：A1= A2 = 153 mm    

         为了确保相对基准传动轮系的精度， 相啮合的两对齿轮必须符合相应的齿轮精度等级，并且Z4齿轮孔与输出轴配合间隙须严格控制在5 μm 以内（参见图3）。图3 的A 向视图中，电感器固定在Z4齿轮的一个端面上，传感器的定位杆固定在输出轴上，形成相对位移的测试基准， 并且在Z4齿轮上固定电子换向器，与传感器之间的位置互为180°，使用电子换向器能正确无误地控制Z4齿轮的正反一周的转动。
       2.3 测试过程
       图3 中，接通电源，驱动电机通过联轴器带动减速箱传动轮系输入轴转动， 由于减速轮系内各传动件相互啮合传动， 固连在输入轴上的Z1齿轮同步转动，且无间隙地啮合传递到Z2齿轮， 又因Z2与Z3齿轮是同轴，所以Z3齿轮同步转动，最后传递至空套在输出轴上的Z4齿轮，带动输出轴转动。
         由于减速传动轮系中各传动件都存在着原始误差以及装配误差，因而输出轴与Z4齿轮间的相对位置产生了变化，这种变化量通过传感器和记录系统，将二者间转动时的相位差变化直接记录成一条瞬时相位差变化的传动误差曲线图。
       当Z4齿轮转过一周时， 电子换向器瞬间换向，Z1齿轮跟着立即换向，Z4齿轮也同时换向（因Z1与Z2齿轮都是无间隙地啮合传动）。由于被测减速轮系内各传动件存在着大小不一的间隙， 当输入轴换向后减速轮系内各传动件间的间隙逐渐缩小， 到输出轴瞬时换向时，间隙全部消除。而输出轴上的定位杆相对于Z4齿轮上的传感器产生了相位差， 传感器的电感量以电压形式送入记录系统， 记录仪根据电压值大小使记录笔作相应的偏移。而后，再对传动轮系进行瞬间相位比较，记录仪记录另一条换向后的传动误差曲线，记录笔的偏移量即为该点上的空程差， 正反向两条传动误差曲线间的对应距离就是传动空程差， 这可由记录纸上明显地看出，图2 中的曲线清楚地反映了一组完整的双向动态传动误差和传动空程差。通过对误差曲线的分析， 可得到双向传动误差和传动空程差的与最小值，以及误差的分布情况和产生的原因，这是静态测试无法做到的。

  3 误差分析
        传动轮系中的传动误差和传动空程差， 是评定传动轮系传动精度的动态性能指标。传动误差是传动机构中瞬时速比对理论速比的偏差， 它反映在末级传动件的实际转角与理论转角的相误差。而传动空程差是当主动轮（输入件）固定不动时，从动轮（输出件）所具有的回转量，即主动轮无输入时，从动轮可能给出的输出量，这两大误差决定了减速箱的优劣。
      在测试过程中， 通过对双向误差曲线的分析和探讨， 找出了产生传动误差的来源及其影响传动误差的因素。
        1） 齿轮原始位置误差，是表明齿轮传动正确程度的动态指标。在轮系中，齿轮原始位置误差在轮系传动误差中占相当大的比例， 大部分是由摆线齿轮的齿形误差引起的，因此传动轮系的精度取决于齿轮的精度。
       2） 装配误差，由于装配误差所造成的跳动，是引起传动轮系传动误差的主要因素。装配的跳动误差来源于齿轮实际回转中心对理论中心的偏移， 实质上就是齿轮的几何偏心。造成装配误差的原因有：
（1） 齿轮孔与轴之间的间隙， 由于齿轮孔与轴之间的配合间隙的存在， 齿轮无论以什么方式固定在轴上，都会引起齿轮与轴的偏心。这是由于装配误差引起的齿轮的几何偏心，它可产生轮系的传动误差。
（2） 齿轮安装处轴颈跳动， 当齿轮原始安装位置*时，齿轮在轴颈跳动范围内作偏心运动，从而造成了轮系的传动误差。
（3） 滚珠轴承动环偏心，对于外环固定的轴承，齿轮轴安装在内环中，当内环偏心时，齿轮同样在作偏心运动，这样也会引起传动轮系的传动误差。
3） 传动空程差， 在摆线减速箱齿轮传动轮系中，传动空程差也影响着传动轮系的传动精度。产生传动空程误差的原因有：
（1） 齿轮啮合时， 非工作面间的齿侧间隙是产生空程差的直接原因，为了补偿制造、安装误差和温度引起的变形以及提供润滑空间，保证齿轮的正常运转，不致于卡死， 啮合齿轮的非工作面间必须留有一定的侧隙。
（2） 其它原因，传动轮系的空程差，不仅取决于齿轮本身的侧隙， 还取决于传动轮系各组成部分的加工和装配误差，如中心距偏差、装置的可变侧隙等。另外，还有温度、材料弹性变形、振动、冲击等因素，它们也会引起传动轮系的空程差。

4     结束语
         本文所叙述的测试方法，是动态的、连续的测试技术。经过多年来、多批量的测试，也证明了这种技术性能稳定、测试速度快、重复精度高、误差反映直观。因此， 用动态测试技术来检验摆线针轮行星减速器传动轮系的质量，确实是一种比较理想的检测手段。