王建辉， 李良， 董红卫， 杨瑞超

（西安航天精密机电研究所，西安710100）

0 引言

RV（Rotate Vector）减速器具有体积小、重量轻、传动比范围大、寿命长、精度保持稳定、效率高、传动平稳等一系列优点，日益受到国内外相关领域的广泛关注。近年来，RV减速器在工业机器人、高档数控机床、跟踪雷达、坦克炮塔等相关民用、军用精密传动领域得到了广泛的应用。目前，国内外学者对RV减速器启动力矩[1-2]、传动精度[3-7]等主要性能指标已经进行了深入的理论研究，但有关RV减速器性能的试验研究相对较少。

本文通过对单位自主研制的20E系列某型号RV减速器与某进口同种型号RV减速器进行性能对比试验研究，通过对比分析的方法研究设计、制造中各因素对RV减速器性能的影响，在此基础上探讨提高RV减速器性能的方法。

1 RV减速器原理及主要性能指标

1.1 工作原理

图1 RV减速器传动原理简图

RV减速器工作时，首先由第一级行星齿轮传动输入转速转矩，经过第一级减速之后，通过与行星齿轮固联的偏心轴将转速转矩传递给第二级摆线针轮[8]，摆线针轮通过支撑法兰向第一级行星传动的行星齿轮反馈一个公转速度，同时这一公转速度作为输出转速通过支撑法兰向外输出，图1是RV减速器基本传动原理简图。

1.2 启动力矩检测原理与方法

启动力矩是指在无负载状态下启动减速器所需的最小转矩，它较为综合地反映了RV减速器针齿壳和摆线轮与滚针间的啮合情况、摩擦性能以及主轴承的预紧情况，进而反映RV减速器整机的性能，是RV减速器的一项重要性能指标。

图2 启动力矩测试系统原理图

启动力矩测试时减速器是在空载状态下，在其输入端缓慢加载直至减速器输入端开始转动，记录此时的输入端转矩即为减速器的启动力矩。为保证测试的准确性，可以在减速器输入端每隔90°进行一次测量，取4次测量的最大值作为该减速器的启动力矩，图2是启动力矩测试系统原理图。

1.3 传动精度检测原理与方法

传动精度是RV减速器的主要性能指标之一，直接影响着精密传动系统的传动及定位误差。RV减速器的传动精度以传动误差描述，是指输入轴转动到任意转角时，输出轴的理论转角与实际转角的角度误差，用角度传递误差表示，角度传递误差的表达式为。

式中：φcr为减速器的角度传递误差，（″）；φia为输入轴的输入转角，（″）；φoa为输出轴实际输出转角，（″）；i为减速器的理论传动比。

实际测量时，RV减速器的传动误差是指其在空载情况下输出轴转过一圈时，角度传递误差的最大值与最小值之差。图3是传动精度测试系统原理图。

图3 传动精度测试系统原理图

2 RV减速器性能试验研究

本文对单位自主研制的20E系列某型号RV减速器与同型号某进口RV减速器进行性能对比试验研究，试验测试对象包括：自研RV减速器同批次3套，编号依次为：RV-20E-T1、RV-20E-T2、RV-20E-T3；某进口RV减速器1套，编号为RV-20E-N。

2.1 启动力矩测试

本试验采用的启动力矩测试装置如图4所示，减速器通过支架固定于测试平台上，通过电动机逐渐给减速器加载，减速器输入端与电动机间连接有一个转速转矩传感器，用于测量RV减速器启动力矩。全部4套待测RV减速器，先进行了跑合试验。跑合结束后，对4套RV减速器进行了启动力矩的测试，测试结果如表1所示。

从表1中可以看出，RV-20E-T1与RV-20E-T2减速器的启动力矩相对于某进口RV减速器的启动力矩较小。同时在跑合试验中发现，RV-20E-T1与RV-20E-T2减速器转动平稳性较差。分析其原因主要是：单位自研的3套RV减速器在装配前对其关键零件进行了复验，发现部分零件存在不同程度尺寸超差，因此在装配时对各个零件进行了人为选配，根据装配过程记录，RV-20ET1减速器与RV-20E-T2减速器中均存在尺寸超差零件，超差尺寸为针齿壳齿槽圆周位置度误差及摆线盘齿距累积误差。由于RV减速器针齿壳及摆线盘零件的结构复杂性，及其作为啮合传动部件对表面粗糙度与表面硬度的高要求，使得这两类零件对加工工艺及热处理方式有很高的要求[9-10]。通过分析可以得出，由于针齿壳和摆线盘零件尺寸超差，导致RV-20E-T1与RV-20E-T2减速器转动平稳性显著降低，同时由于零件超差，导致这2套RV减速器的啮合间隙变大，由此导致启动力矩减小。

图4 RV减速器启动力矩测试台

表1 某型号RV减速器启动力矩测试数据

2.2 传动精度测试

本试验采用的RV减速器的传动精度测试装置如图5所示，减速器通过支架固定于测试平台上，减速器输入端通过输入轴与电动机连接，减速器输入端与输出端分别连接有一个角编码器，用于测试减速器输入端和输出端的转角变化。

分别对4套RV减速器进行传动误差测试，测试工况为空载，转速为100 r/min。测试结果如表2所示。

图5 RV减速器传动精度测试台

表2 某型号RV减速器传动精度测试结果

从表2中可以看出，某进口型号RV-20E-N减速器传动误差最小，RV-20E-T3减速器与进口RV减速器传动误差存在一定差距，同时RV-20E-T1与RV-20E-T2减速器相对RV-20E-T3减速器的传动误差也偏大很多。通过初步分析，RV-20E-T1与RV-20E-T2减速器误差偏大原因为：针齿壳与摆线盘齿廓形位公差超差。

图6～图9分别为所测得的4套RV减速器传动误差曲线。对4套RV减速器的传动误差曲线进行对比分析可以得出，4套RV减速器传动误差幅值均存在小周期波动现象，同时RV-20E-T1与RV-20E-T3减速器传动误差幅值均存在明显的大周期波动，由于RV-20E-T3减速器的大周期波动与小周期波动幅值变化均较小，因此RV-20ET3减速器的传动误差较小，根据摆线针轮传动理论[11-13]分析得出，传动误差的大周期波动主要由针齿壳齿槽位置累积误差与摆线盘周节累积误差引起，因此为减小RV减速器传动误差，首先需减小传动误差幅值的大周期波动，可以通过设计中合理地分配针齿壳和摆线盘齿廓位置度公差，以提高RV减速器传动精度。

图6 RV-20E-T1减速器传动误差曲线

图7 RV-20E-T2减速器传动误差曲线

图8 RV-20E-T3减速器传动误差曲线

图9 RV-20E-N减速器传动误差曲线

为进一步探究影响传动误差的影响因素，对RV-20E-T1减速器的传动误差曲线进行傅里叶变换，结果如图10所示。

图10 RV-20E-T1减速器传动误差频谱特性

为了便于分析，对横坐标进行了无因次化处理。图10中，f和f0分别表示传动误差的频率和输出轴的频率，频率比f/f0为输出轴回转一周的过程中传动误差变动的次数。可以看出，频谱特性曲线中含有0、40、80、120、160这几个频率比成分。而f/f0=0这一频率比成分影响的是原曲线的整体位置而非趋势，该成分主要是因为测试系统的系统误差造成，其余频率比成分（f/f0=40、80、120、160）则直接影响曲线的趋势，而这些频率成分均为40的倍频。由该型减速器的结构可知，在一个测试周期（减速器输出端旋转一周）中，偏心轴转动的次数为40次，而摆线盘也是转过40个齿，这与RV-20E-T1减速器传动误差频谱中出现的频率成分相对应。因此，为进一步减小RV减速器传动误差，就需减小传动误差幅值的小周期波动[14-15]，可以通过合理控制偏心轴偏心误差、针齿壳与摆线盘齿形误差提高RV减速器传动精度。

3 结论

1）通过对4套RV减速器进行对比试验，结果表明试验测试结果可靠，验证了测试方法的可行性及测试设备的可靠性；2）通过单位自主研制的RV减速器与某进口RV减速器的性能试验对比，结果表明自研RV减速器设计的尺寸公差分配合理，加工制造工艺可行，但仍存在改进空间；3）通过试验结果对比分析表明,RV减速器的针齿壳和摆线盘齿廓形位公差、偏心轴偏心误差对RV减速器传动精度影响显著，可通过合理控制关键零件加工误差，提高RV减速器传动精度。