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                  技術探討
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                  伺服用減速機幾個重要指標

                   1. 背隙(backlash

                  齒輪的變速原理可以看成是兩個不同節徑的摩擦輪作相對運動。假設在接觸點沒有相對滑動,也就是一圓周面的切線速度相等,而二輪具有不同節徑,那么其轉速就不同而且轉速比是一個只與節徑比相關的定值。

                  摩擦輪只有在理想中是沒有相對滑動,實際上為了保證沒有相對滑動,人們使用了齒輪,在圓周面上均勻排列著一定數量的齒形以確保沒有相對滑動,同時為了避免回轉時嚙合的輪齒互相干涉,而設置一定量的公差,這個便是背隙的由來。

                  B-19

                  良好的齒輪傳動系統,需要在傳動部件之間有一定的“間隙”。間隙可以避免干涉,磨損,過熱,確保一定的潤滑,補償制造公差等。齒輪嚙合間隙就意味著齒輪的齒間空隙要比齒寬稍微大點。同樣,我們在滾動軸承上也會發現有一定的間隙,即在軸承的內圈,滾動體(球形,滾柱),外圈之間的微小空隙。通常,軸或孔的鍵和鍵槽也會有間隙的。齒輪箱主要零件的間隙(主要來自齒側間隙)會導致在負載反轉時,即使輸入軸鎖定(不轉),輸出軸也會轉一個小的角度。軸的“空載轉角”就稱為齒輪箱的轉動背

                  隙。如圖B-20所示。                  B-20

                  理論上,產生背隙并不需要任何扭矩,然而在實際的應用中,需要一定的扭矩來克服零件的摩擦。當間隙已消除,隨著扭矩的增加,零件呈彈性變形,從輸出軸來看,似乎轉動的角度取決于扭矩,并且其大小就是齒輪箱的剛度。實際應用中的扭矩特性曲線如上圖B-21所示。曲線的斜率越高表示減速機的剛性越差。

                  在沒有負載反轉或反轉后的位置不是很關鍵的應用場合,齒輪箱的背隙并不是個重要的問題。                                      B-21

                  在負載頻繁反向的精確定位應用中(如機器人,一些自動控制設備等),背隙直接影響了定位精度。因此,針對這些應用設計的伺服齒輪箱都會被做成具有非常低的、嚴格控制的間隙和高剛度。

                  2.背隙定義與測量

                  如何定義和測量背隙

                  從輸出端來定義背隙,這是一個不成文的工業標準。輸出端測量的背隙對輸入端的影響基本上取決于減速比。

                  輸出端背隙 = i × 輸入端空轉

                  注意!上面的公式是理論的。在實際測量中有偏差,尤其是多級齒輪箱,因為每一級間隙的影響取決于這個間隙在整個齒輪動鏈所處的位置,并且在每個嚙合環節,間隙并不是完全相同的。

                  伺服齒輪箱的背隙通常以角分為單位,1角分=1/60。不幸的是,經常稱背隙為“弧分”,這是個數學或物理上的無稽之談,因為角度的弧度定義中并沒有分的概念。

                  比如說,500毫米直徑的齒輪與齒輪之間的空隙是0.4毫米,那么背隙就是:

                  [0.4mm/ ( 2 * 3.14 *500mm)] x 360 x 60 = 2.75 角分

                  齒輪箱的樣本中背隙所標注的所有數值實際是“角分”。低背隙精密減速機的背隙應該小于5角分,標準背隙精密減速機背隙值在5角分至30角分之間不等。

                  3.背隙的測量方法:

                  盡管看上去微不足道,要正確的測量齒輪箱的背隙要求合適的測試工具和儀器。固定齒輪箱和輸入軸的夾具的剛度要盡可能的高。輸出軸轉動角度可以直接通過高精度編碼器或者間接方法來測量。間接方法是指在輸出軸上安裝一個比較長的剛性力臂,用千分表來測量一定距離的位移,并計算出相對應的轉動角度。

                  因為要求一定的扭矩來克服系統的所有間隙,最精確的方法是測量齒輪箱的一個完整的負載往復循環(從零到順時針方向的額定負載扭矩值,然后卸載,扭矩反向到逆時針額定扭矩值),見右圖B-21。通過這個方法,就可以得到齒輪箱完整的滯環曲線,不僅可以決定實際的回沖,且決定齒輪箱的抗扭剛度和任一負載下的loss motion。(loss motion我們在后面會解釋其含義。

                  有時也可以用一簡單的方法近似測量:確保輸出軸順時針預緊后卸載,反向施加額定負載扭矩值的2%扭矩。用千分表來測量安裝在輸出軸上的剛性力臂距回轉中心一定距離處的位移,并計算出相對應的轉動角度。

                  3.扭轉剛性(stiffness

                  剛性 (彈性值的倒數)描述的是由于齒輪部件的彈性變形引起帶載輸出軸存在的扭曲,剛度和彈性是由齒輪箱的測出扭轉偏差/負載的比值確定。如圖B-20和圖B-21所示。剛度的單位是指產生單位扭轉偏差需要的扭矩。一般使用的單位是:Nm/rad。

                  4.滯后損失(lost motion,Hysteresis loss

                  如圖B-20所示,在輸出端,當逐步施加力矩到額定力矩后,再逐步釋放力矩到0,這時,傳動角并沒有同樣回到0,而是存在一個很小的滯后值,這個數值就稱之為滯后損失。

                  由于harmonic,sejin,RV等齒輪箱沒有背隙,但存在這種因為彈性變形造成的誤差。

                  在行星減速機中,沒有使用loss motion這個概念,但從B-21中可以看出同樣存在,只是在這些相對低精度的齒輪箱中,背隙是主要因素,所以通常廠家不再提這種誤差,而是將其歸結到扭轉剛性中。                                           B-22

                  5.角度傳遞精度(angular transmission accuracy)

                  理論上講,當輸入角θ經過減速比i之后,其輸出角度應該是θ×i,而實際情況下任何精密的減速機都不可能達到這個要求,總是會有誤差的,這個誤差的大小就是減速機的角度傳遞精度。不是所有的廠家都會在樣本里給出這個參數。

                  6.效率(Efficiency)

                  是指減速機傳遞電機功率

                  的能力體現,主要影響因素為減速機內部齒輪傳動過程中的摩擦力。

                  7.使用壽命

                  減速機的效率一般因減速比、輸入轉數、負載轉矩、溫度、潤滑條件而異。通常樣本里提供的效率是指在輸入轉速為3000rpm,溫度為25時的效率,需要注意的是,當低溫使用時,這個壽命需要修正。

                  B-23

                  大多數廠家在樣本里標明的使用壽命是指軸承的壽命L10,也就是說,當齒輪箱在合乎規范的情況下使用,最先壞的應該是軸承。所以,在力矩指標的規定中,都會提及使用壽命。這些指標是相互關聯的。使用壽命是基礎參數,樣本里的很多數據是基于使用壽命來計算和試驗驗證后確定下來的,舉例說,當你把輸入轉速從額定轉速提高到最大允許轉速,如果保持輸出力矩不變,結果一定是減少壽命,同樣,如果你提高輸入轉速30%,但相應減小輸出力矩,可能可以保持原來的使用壽命。

                  在一些存活壽命很短的應用中,是允許超指標應用的,但最好以實驗結果為準。

                  如果輸出端的徑向力或軸向力太大,會減短壽命。另外,當使用在固定角度往返頻繁擺動的情況下,也需要注意核算壽命。

                  有一個影響壽命的因素很容易被忽視,當輸出軸的轉速長時間處于極低運轉(0.02r/min以下)區間使用時,軸承的潤滑不足,可導致軸承的老化和驅動側的負載上升等。這在如單晶硅拉升爐的應用中要特別注意。

                  當減速機為垂直于水平面使用,尤其是輸出軸在上部使用時,部分品牌減速機在輸入端沒有油封,需要特別注意,因為這種情況長期運轉,會導致減速機齒輪表面由于缺少足夠的潤滑油而導致齒輪表面損壞。

                  8.噪聲

                  噪聲是指在隔音環境下,距以輸入轉速3000rpm運行的齒輪箱1遠處的測量結果。

                  一般情況下,渦輪蝸桿減速機的噪聲較小,今天,人們普遍認為斜齒輪會比直齒噪聲小。其實,這里有一個誤區,伺服用減速機由于受精度限制,齒側間隙相對較小,齒輪嚙合比較緊,在相同背隙條件下,如果齒輪制造精度低,噪聲相對就會大,這點,不論是直齒,還是斜齒,都存在上述問題,所不同點在于,在同樣厚度的齒輪前提下,斜齒的捏合部分會比直齒更多。更多的嚙合部位,可以彌補精度方面的不足。普通通用減速機可以通過所謂的磨合(如汽車新車通常噪聲比較高,運轉一段時間后,齒輪噪聲會明顯下降)來降低噪聲,但這樣帶來的是結果是背隙增大,這在伺服用減速機中是不允許的,所以,人們通過強化齒輪齒面硬度來提高抗磨損能力。但即便如此,伺服用減速機仍然存在帶載運行一段時間后,精度下降問題,eisele減速機采用德國齒輪,不論在精度,齒面硬度,抗彎,抗沖擊等多方面綜合性能都達到了相當高的水平,另外,通過加大齒輪厚度,增加嚙合部分。所以,即便采用直齒齒輪,同樣可以達到普通減速機斜齒輪的效果。

                  9.最大輸入軸徑

                  這個指標有時不被注意,其實某種意義上,它限制了可以輸入的最大力矩,而這個力矩乘以減速比和效率就是可以輸出的最大力矩,你可能會發現在某些廠家的樣本里,其額定力矩會遠小于這個實際可以輸出的最大力矩。這也許是某種“競爭技巧”所致。

                  10.許用徑向,軸向力

                  這個指標看上去很清晰,但是因為大多數廠家沒有傾覆扭矩的指標,如果只是看受力而忽視力臂,后果可能會很嚴重,特別是軸向力的力臂在很多應用里并不等于零(力并不作用于軸心上)。

                  徑向力也是很重要的,同時也要注意樣本里注明的等效力臂,因為這個力不可能作用在軸根處。很多應用于同步帶和齒輪齒條時,沒有仔細測量作用在齒輪箱軸上的徑向力,導致軸在周根處被擰斷,而客戶反而因此指責廠家的材質有問題。要知道,根據材料力學原理,當一根軸同時承受交變軸向力和扭矩時,在軸根處的應力集中要遠超過單純承受扭矩的時候,尤其是在變動的交變應力作用下,情況會變得非常嚴重。

                  在應用中,還有一些很容易被忽視的情況:

                  A)               帶制動的電機在高速運行時,啟動制動,這時外部負載的慣性力矩將全部要由齒輪箱來承擔。特別是負載質心和齒輪箱軸心不重合的情況下,問題會更嚴重。

                  B)               車載系統,比如雷達,天線,炮架等,當承載車在高低不平的道路上行駛以及急速轉彎時,因為震動和離心力可能給齒輪箱附加上很大的外力。

                  C)               即使是安裝過程,特別是法蘭輸出的齒輪箱,在擰緊固定螺釘時的力矩如果過大,也會造成損害。

                  所以,軸輸出的行星減速機通常不適合直接齒輪齒條傳動,這類機構,最好采用法蘭輸出的行星減速機。

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