王超俊, 李智博 , 王東峰，孫建勇

(1.河南廣播電視大學(xué)，鄭州 450046；2.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039)

RV減速器廣泛應(yīng)用于機(jī)器人行業(yè)，具有軸向尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊，速比靈活，運(yùn)轉(zhuǎn)精度高且使用時(shí)間長等特性，是在擺線行星減速機(jī)構(gòu)形式上建立的二級(jí)封閉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)[1]。

目前，由于國外對(duì)RV減速器技術(shù)的封鎖，加上我國在該領(lǐng)域的研究起步較晚，造成國內(nèi)在該領(lǐng)域與國外差距較大。以其內(nèi)部使用的關(guān)鍵部件主軸承(角接觸球軸承)為例，國外廠商采用的均為非標(biāo)設(shè)計(jì)，但關(guān)于該非標(biāo)軸承的設(shè)計(jì)原理及使用方法鮮有報(bào)道。鑒于此，基于RV減速器的實(shí)際使用工況，介紹主軸承的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

1 主軸承受力分析

RV減速器結(jié)構(gòu)如圖1所示，在使用過程中有行星架輸出(固定減速器外殼)和外殼輸出(固定行星架)2種動(dòng)力輸出方式。主軸承位于減速器外殼與行星架之間，受到減速器外殼與行星架之間的相互作用力，包括軸向力、徑向力及傾覆力矩。

1—外殼；2—主軸承B；3—墊片B；4—螺栓；5—行星架B；6—圓錐滾子軸承B；7—曲柄軸；8—保持架組件B；9—擺線輪B；10—擺線輪A；11—保持架組件A；12—圓錐滾子軸承A；13—行星架A；14—墊片A；15—主軸承A圖1 RV減速器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of RV reducer

重載工業(yè)機(jī)器人RV減速器分布示意圖如圖2所示，共裝有6臺(tái)RV減速器。負(fù)載(也稱持重)是工業(yè)機(jī)器人的一項(xiàng)重要指標(biāo)，工業(yè)機(jī)器人在工作過程中工位不斷變化，故作用于機(jī)器人手腕末端的負(fù)載對(duì)于1#，2#，3#RV減速器既可能是軸向力，也可能是徑向力；對(duì)于4#，5#RV減速器，在使用過程中主要受徑向力；對(duì)于6#RV減速器，不僅受到外部作用力，還要承受機(jī)械手臂的重力，其受力主要為軸向力和傾覆力矩，對(duì)于該位置減速器，必須能夠承受盡可能大的軸向力，且具有良好的抗傾覆力矩能力。

圖2 RV減速器分布示意圖Fig.2 Distribution diagram of RV reducer

RV減速器主軸承受力如圖3所示[2]，載荷位于減速器外部，無論減速器在圖2中何位置，外載荷F1，F(xiàn)2將形成施加在主軸承上的傾覆力矩M1。在外載荷下作用下

圖3 RV減速器主軸承受力示意圖Fig.3 Force diagram of main bearing for RV reducer

M1=cF1+eF2,

(1)

在減速器內(nèi)部也會(huì)形成一個(gè)傾覆力矩M2，

M2=aFrA+bFrB=M1，

(2)

式中：FrA和FrB分別為軸承A和軸承B所受的徑向力；a，b，c，e為作用力臂。

由(1)，(2)式可以看出：軸承抗傾覆力矩性能不僅與其自身徑向承載能力有關(guān)，也與其接觸角所決定的受力作用點(diǎn)有關(guān)。

以RV100C采用的H76/182軸承為例進(jìn)行說明，軸承主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 H76/182軸承主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Main structural parameters of H76/182 bearing

參照?qǐng)D3，基于RomaxDesigner建立相應(yīng)軸系模型，軸承中心距L為100 mm，施加外部傾覆力矩M1為1 000 N·m，采用不同接觸角的H76/182軸承進(jìn)行仿真分析，軸承承載能力及徑向變形量計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同接觸角H76/182軸承的承載能力及徑向變形Tab.2 Load capacity and radial deformation of H76/182 bearings with different contact angles

由表2可知：接觸角增大，額定載荷減小，但由于該軸承背對(duì)背安裝，接觸角增大時(shí)，兩軸承受力支承點(diǎn)間距Lmn也增加；軸承徑向變形量由27.43 μm減小為23.75 μm，說明增大接觸角能夠提升整個(gè)減速器軸系抗傾覆力矩能力；同時(shí)，接觸角增大能有效提升整個(gè)減速器軸向剛度，適用于受軸向載荷較大的減速器，尤其是圖2中6#減速器。

故對(duì)于RV減速器主軸承，需綜合考慮其受力特點(diǎn)，在保證其具有足夠徑向承載能力的同時(shí)，要提升其軸向承載能力及抗傾覆力矩能力。這也驗(yàn)證了RV減速器技術(shù)指標(biāo)中力矩剛性的說明。

2 主軸承結(jié)構(gòu)及精度控制

RV減速器主軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須在滿足軸承承載能力的前提下，充分考慮減速器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)而確定主軸承尺寸及精度控制方向。

2.1 接觸角

通過上文分析可知，主軸承接觸角顯著影響減速器系統(tǒng)的承載能力及結(jié)構(gòu)剛性，通常情況下，采用40°接觸角即可滿足上述性能需求。但減速器性能需求根據(jù)其在工業(yè)機(jī)器人中所處位置不同而有所側(cè)重，圖2中6#減速器對(duì)軸向承載能力及抗傾覆力矩能力要求較高，該位置主軸承應(yīng)選用更大接觸角。分析國外減速器發(fā)現(xiàn)各減速器中軸承接觸角也并非固定值，通常在30°～50°之間，接觸角應(yīng)根據(jù)其所處位置決定。

2.2 外圈寬度

國外RV減速器用主軸承通常采用內(nèi)、外圈寬度不等的結(jié)構(gòu)，可以使軸承及減速器輕量化。減速器主軸承雖然也是配對(duì)使用，但對(duì)配對(duì)結(jié)果影響最大的是軸承裝配高。軸承外圈非基面不與任何部位接觸，真正起作用的是圖4中L2部分，即軸承外圈溝位置。

圖4 RV減速器主軸承安裝結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Diagram of installation structure of main bearing for RV reducer

因此，除軸承外圈溝道直徑、溝位置重點(diǎn)控制外，只需控制軸承配合面平面度即可，對(duì)于外圈寬度偏差、平行差，均可放寬控制標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 外圈基面擋邊高

對(duì)于常規(guī)軸承，外圈基面擋邊高應(yīng)保證軸承在允許的外力作用下接觸橢圓長軸不超出擋邊邊緣。而對(duì)于RV減速器主軸承，外圈擋邊實(shí)際高度遠(yuǎn)超上述需求，這是由于該擋邊需要對(duì)圖1針齒的軸向位移進(jìn)行限制。在某些RV減速器中，外圈擋邊還需對(duì)擺線輪的軸向位移進(jìn)行限制。外圈基面擋邊高的確定需要考慮針齒及擺線輪在RV減速器外殼中的實(shí)際位置。

2.4 內(nèi)圈參數(shù)

與外圈相同，需嚴(yán)控溝道參數(shù)和基面平面度，擋邊高度僅需保證其在允許的外力作用下接觸橢圓長軸不超出擋邊邊緣。此外，內(nèi)圈寬度明顯大于外圈，且在軸承預(yù)緊后，內(nèi)圈非基面通常高于外圈基面，即凸出量為正，采用該設(shè)計(jì)方案可以適當(dāng)限定擺線輪軸向位移，避免軸承外圈由于擋邊高度不足而在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中與擺線輪干涉。

2.5 凸出量

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)角接觸球軸承，凸出量是軸承能否組配使用的關(guān)鍵，但對(duì)于RV減速器主軸承，凸出量對(duì)軸承應(yīng)用影響不大，僅對(duì)擺線輪軸向位移有一定的影響，其尺寸公差控制在0.1 mm即可。

2.6 裝配高

角接觸球軸承若要發(fā)揮其高精度、高剛性等性能優(yōu)勢，需對(duì)其施加一定的預(yù)緊力[3-5]，而裝配高將極大影響軸承預(yù)緊狀態(tài)，在生產(chǎn)過程中需精確控制。裝配高影響參數(shù)眾多，若將其嚴(yán)格控制在某一尺寸范圍，會(huì)增加制造難度及生產(chǎn)成本。在生產(chǎn)過程中僅需控制每批軸承裝配高散差即可，軸承預(yù)緊力可以通過選配墊片尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3 主軸承應(yīng)用

由圖4可以看出軸承分布在行星架兩側(cè)，背對(duì)背安裝，軸承預(yù)緊方式為定位預(yù)緊，可以得到整個(gè)減速器裝配尺寸鏈如圖5所示，圖中：TA為左側(cè)軸承A裝配高，L1為外殼擋肩寬，TB為右側(cè)軸承B裝配高，L3為墊片理論厚度，L為行星架左右擋邊之間的距離。

圖5 RV減速器裝配尺寸鏈Fig.5 Assembly dimension chain of RV reducer

在整個(gè)裝配尺寸鏈中，為便于控制預(yù)緊力，調(diào)節(jié)右側(cè)墊片厚度L3最方便，可以此為整個(gè)裝配鏈的閉環(huán)，間接保證其尺寸并進(jìn)行選配安裝。裝配高TA，TB在整個(gè)裝配鏈具有重要影響，其尺寸增加(減小)將導(dǎo)致L3的減小(增加)，由于已嚴(yán)格控制裝配高散差，墊片厚度L3散差也相應(yīng)得到了控制，選配難度降低。

在上述裝配尺寸鏈中，軸承預(yù)緊通過墊片施加，墊片實(shí)際尺寸L′3應(yīng)在L3基礎(chǔ)上加上2套軸承預(yù)緊后的軸向變形量，H76/182軸承預(yù)緊力與軸向位移的關(guān)系如圖6所示。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)減速器整體設(shè)計(jì)目標(biāo)確定預(yù)緊力，以保證整個(gè)系統(tǒng)具有合適的剛度。

圖6 H76/182軸承預(yù)緊力與軸向位移的關(guān)系Fig.6 Relationship between preload and axial displacement of H76/182 bearing

4 結(jié)束語

對(duì)RV減速器主軸承主要受載模型及結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析可知：在主軸承設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮其主要設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)；在加工制造過程中應(yīng)重點(diǎn)控制其關(guān)鍵工藝參數(shù)，在滿足軸承主要性能

的同時(shí)，考慮其加工經(jīng)濟(jì)性；在軸承應(yīng)用過程中，應(yīng)根據(jù)其受力情況、使用部位，合理選用配合尺寸、預(yù)緊力等，以滿足軸承使用性能。