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伺服用减速机几个重要指标

 1. 背隙(backlash

齿轮的变速原理可以看成是两个不同节径的摩擦轮作相对运动。假设在接触点没有相对滑动,也就是一圆周面的切线速度相等,而二轮具有不同节径,那么其转速就不同而且转速比是一个只与节径比相关的定值。

摩擦轮只有在理想中是没有相对滑动,实际上为了保证没有相对滑动,人们使用了齿轮,在圆周面上均匀排列着一定数量的齿形以确保没有相对滑动,同时为了避免回转时啮合的轮齿互相干涉,而设置一定量的公差,这个便是背隙的由来。

B-19

良好的齿轮传动系统,需要在传动部件之间有一定的“间隙”。间隙可以避免干涉,磨损,过热,确保一定的润滑,补偿制造公差等。齿轮啮合间隙就意味着齿轮的齿间空隙要比齿宽稍微大点。同样,我们在滚动轴承上也会发现有一定的间隙,即在轴承的内圈,滚动体(球形,滚柱),外圈之间的微小空隙。通常,轴或孔的键和键槽也会有间隙的。齿轮箱主要零件的间隙(主要来自齿侧间隙)会导致在负载反转时,即使输入轴锁定(不转),输出轴也会转一个小的角度。轴的“空载转角”就称为齿轮箱的转动背

隙。如图B-20所示。                  B-20

理论上,产生背隙并不需要任何扭矩,然而在实际的应用中,需要一定的扭矩来克服零件的摩擦。当间隙已消除,随着扭矩的增加,零件呈弹性变形,从输出轴来看,似乎转动的角度取决于扭矩,并且其大小就是齿轮箱的刚度。实际应用中的扭矩特性曲线如上图B-21所示。曲线的斜率越高表示减速机的刚性越差。

在没有负载反转或反转后的位置不是很关键的应用场合,齿轮箱的背隙并不是个重要的问题。                                      B-21

在负载频繁反向的精确定位应用中(如机器人,一些自动控制设备等),背隙直接影响了定位精度。因此,针对这些应用设计的伺服齿轮箱都会被做成具有非常低的、严格控制的间隙和高刚度。

2.背隙定义与测量

如何定义和测量背隙

从输出端来定义背隙,这是一个不成文的工业标准。输出端测量的背隙对输入端的影响基本上取决于减速比。

输出端背隙 = i × 输入端空转

注意!上面的公式是理论的。在实际测量中有偏差,尤其是多级齿轮箱,因为每一级间隙的影响取决于这个间隙在整个齿轮动链所处的位置,并且在每个啮合环节,间隙并不是完全相同的。

伺服齿轮箱的背隙通常以角分为单位,1角分=1/60。不幸的是,经常称背隙为“弧分”,这是个数学或物理上的无稽之谈,因为角度的弧度定义中并没有分的概念。

比如说,500毫米直径的齿轮与齿轮之间的空隙是0.4毫米,那么背隙就是:

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

齿轮箱的样本中背隙所标注的所有数值实际是“角分”。低背隙精密减速机的背隙应该小于5角分,标准背隙精密减速机背隙值在5角分至30角分之间不等。

3.背隙的测量方法:

尽管看上去微不足道,要正确的测量齿轮箱的背隙要求合适的测试工具和仪器。固定齿轮箱和输入轴的夹具的刚度要尽可能的高。输出轴转动角度可以直接通过高精度编码器或者间接方法来测量。间接方法是指在输出轴上安装一个比较长的刚性力臂,用千分表来测量一定距离的位移,并计算出相对应的转动角度。

因为要求一定的扭矩来克服系统的所有间隙,最精确的方法是测量齿轮箱的一个完整的负载往复循环(从零到顺时针方向的额定负载扭矩值,然后卸载,扭矩反向到逆时针额定扭矩值),见右图B-21。通过这个方法,就可以得到齿轮箱完整的滞环曲线,不仅可以决定实际的回冲,且决定齿轮箱的抗扭刚度和任一负载下的loss motion。(loss motion我们在后面会解释其含义。

有时也可以用一简单的方法近似测量:确保输出轴顺时针预紧后卸载,反向施加额定负载扭矩值的2%扭矩。用千分表来测量安装在输出轴上的刚性力臂距回转中心一定距离处的位移,并计算出相对应的转动角度。

3.扭转刚性(stiffness

刚性 (弹性值的倒数)描述的是由于齿轮部件的弹性变形引起带载输出轴存在的扭曲,刚度和弹性是由齿轮箱的测出扭转偏差/负载的比值确定。如图B-20和图B-21所示。刚度的单位是指产生单位扭转偏差需要的扭矩。一般使用的单位是:Nm/rad。

4.滞后损失(lost motion,Hysteresis loss

如图B-20所示,在输出端,当逐步施加力矩到额定力矩后,再逐步释放力矩到0,这时,传动角并没有同样回到0,而是存在一个很小的滞后值,这个数值就称之为滞后损失。

由于harmonic,sejin,RV等齿轮箱没有背隙,但存在这种因为弹性变形造成的误差。

在行星减速机中,没有使用loss motion这个概念,但从B-21中可以看出同样存在,只是在这些相对低精度的齿轮箱中,背隙是主要因素,所以通常厂家不再提这种误差,而是将其归结到扭转刚性中。                                           B-22

5.角度传递精度(angular transmission accuracy)

理论上讲,当输入角θ经过减速比i之后,其输出角度应该是θ×i,而实际情况下任何精密的减速机都不可能达到这个要求,总是会有误差的,这个误差的大小就是减速机的角度传递精度。不是所有的厂家都会在样本里给出这个参数。

6.效率(Efficiency)

是指减速机传递电机功率

的能力体现,主要影响因素为减速机内部齿轮传动过程中的摩擦力。

7.使用寿命

减速机的效率一般因减速比、输入转数、负载转矩、温度、润滑条件而异。通常样本里提供的效率是指在输入转速为3000rpm,温度为25时的效率,需要注意的是,当低温使用时,这个寿命需要修正。

B-23

大多数厂家在样本里标明的使用寿命是指轴承的寿命L10,也就是说,当齿轮箱在合乎规范的情况下使用,最先坏的应该是轴承。所以,在力矩指标的规定中,都会提及使用寿命。这些指标是相互关联的。使用寿命是基础参数,样本里的很多数据是基于使用寿命来计算和试验验证后确定下来的,举例说,当你把输入转速从额定转速提高到最大允许转速,如果保持输出力矩不变,结果一定是减少寿命,同样,如果你提高输入转速30%,但相应减小输出力矩,可能可以保持原来的使用寿命。

在一些存活寿命很短的应用中,是允许超指标应用的,但最好以实验结果为准。

如果输出端的径向力或轴向力太大,会减短寿命。另外,当使用在固定角度往返频繁摆动的情况下,也需要注意核算寿命。

有一个影响寿命的因素很容易被忽视,当输出轴的转速长时间处于极低运转(0.02r/min以下)区间使用时,轴承的润滑不足,可导致轴承的老化和驱动侧的负载上升等。这在如单晶硅拉升炉的应用中要特别注意。

当减速机为垂直于水平面使用,尤其是输出轴在上部使用时,部分品牌减速机在输入端没有油封,需要特别注意,因为这种情况长期运转,会导致减速机齿轮表面由于缺少足够的润滑油而导致齿轮表面损坏。

8.噪声

噪声是指在隔音环境下,距以输入转速3000rpm运行的齿轮箱1远处的测量结果。

一般情况下,涡轮蜗杆减速机的噪声较小,今天,人们普遍认为斜齿轮会比直齿噪声小。其实,这里有一个误区,伺服用减速机由于受精度限制,齿侧间隙相对较小,齿轮啮合比较紧,在相同背隙条件下,如果齿轮制造精度低,噪声相对就会大,这点,不论是直齿,还是斜齿,都存在上述问题,所不同点在于,在同样厚度的齿轮前提下,斜齿的捏合部分会比直齿更多。更多的啮合部位,可以弥补精度方面的不足。普通通用减速机可以通过所谓的磨合(如汽车新车通常噪声比较高,运转一段时间后,齿轮噪声会明显下降)来降低噪声,但这样带来的是结果是背隙增大,这在伺服用减速机中是不允许的,所以,人们通过强化齿轮齿面硬度来提高抗磨损能力。但即便如此,伺服用减速机仍然存在带载运行一段时间后,精度下降问题,eisele减速机采用德国齿轮,不论在精度,齿面硬度,抗弯,抗冲击等多方面综合性能都达到了相当高的水平,另外,通过加大齿轮厚度,增加啮合部分。所以,即便采用直齿齿轮,同样可以达到普通减速机斜齿轮的效果。

9.最大输入轴径

这个指标有时不被注意,其实某种意义上,它限制了可以输入的最大力矩,而这个力矩乘以减速比和效率就是可以输出的最大力矩,你可能会发现在某些厂家的样本里,其额定力矩会远小于这个实际可以输出的最大力矩。这也许是某种“竞争技巧”所致。

10.许用径向,轴向力

这个指标看上去很清晰,但是因为大多数厂家没有倾覆扭矩的指标,如果只是看受力而忽视力臂,后果可能会很严重,特别是轴向力的力臂在很多应用里并不等于零(力并不作用于轴心上)。

径向力也是很重要的,同时也要注意样本里注明的等效力臂,因为这个力不可能作用在轴根处。很多应用于同步带和齿轮齿条时,没有仔细测量作用在齿轮箱轴上的径向力,导致轴在周根处被拧断,而客户反而因此指责厂家的材质有问题。要知道,根据材料力学原理,当一根轴同时承受交变轴向力和扭矩时,在轴根处的应力集中要远超过单纯承受扭矩的时候,尤其是在变动的交变应力作用下,情况会变得非常严重。

在应用中,还有一些很容易被忽视的情况:

A)               带制动的电机在高速运行时,启动制动,这时外部负载的惯性力矩将全部要由齿轮箱来承担。特别是负载质心和齿轮箱轴心不重合的情况下,问题会更严重。

B)               车载系统,比如雷达,天线,炮架等,当承载车在高低不平的道路上行驶以及急速转弯时,因为震动和离心力可能给齿轮箱附加上很大的外力。

C)               即使是安装过程,特别是法兰输出的齿轮箱,在拧紧固定螺钉时的力矩如果过大,也会造成损害。

所以,轴输出的行星减速机通常不适合直接齿轮齿条传动,这类机构,最好采用法兰输出的行星减速机。

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