一种RV减速器的有限元仿真分析

2021-04-12淄博普利置业有限公司殷允淦

电子世界 2021年5期

淄博普利置业有限公司殷允淦

鄂尔多斯市东胜区现代煤炭工业服务中心尚利民

德州学院计算机与信息学院刘豪睿闫志坚

RV减速器由于优异的性能和高效的传动结构被广泛用于工业机器人和航天领域精密仪器上。本文以RV-20E型减速机为研究内容，对其零部件组成进行有限元分析，探究RV-20E型减速器的内部激振频率以及影响其固有频率的因素，对提升改进RV-E型减速器性能提供一定价值的参考。

目前精密传动三大主流方式为谐波传动、摆线传动和蜗杆传动，RV传动在传统针摆行星传动的基础上克服了一般针摆传动减速器负载不大、中心轴寿命低的缺点，RV减速器还具有传动效率高、体积小、抗冲击力强、抗疲劳强度大、减速比大等诸多优点。

RV-20E型减速器是RV减速器的二级减速型，常用于多个领域，比如军用领域的坦克瞄准、无人机折翼；航天十六所雷达天线系统、卫星接收；民用领域的工业机器人、数控机床自动化等。

图1 RV减速器装配模型

RV（旋转矢量）减速器源自行星减速器，由行星齿轮减速器的前级和摆线针轮减速器的后级组成。RV减速机具有结构紧凑、重量轻、传动比大、定位精度高，传动机械在一定条件下具有自锁功能的特点。从全球范围来看，日本目前拥有RV减速器的核心技术，并拥有高性能减速器的技术壁垒，其他地区的公司很难达到其技术水平。在中国，生产RV减速器的公司约有十家左右，大多数都没有扩大规模。他们只满足低端市场的需求并且规模很小，其产品被定位为低端产品市场。20世纪90年代，来自日本山口大学日照高晃和美国休斯顿航空公司研究了RV减发器的精确度，通过对误差的分析与帕克等人确定了一个动态RV模型，求出了固有频率和振型并解释了其物理含义。大连铁路研究所的何卫东、李立行研究了RV减速器可靠性和最佳优化传动研究，并于1997年1月开始与秦川机床厂开展合作，在1998年末制造出RV-250A实验样机。图1为RV减速器装配模型。

在对RV减速器仿真分析的研究领域，国内学者进行了许多理论研究和实践探索，研究得出以下三种方式:动态模拟、动力学模拟和振动法分析。但迄今为止，当地研究人员尚未采用标准RV刚度来得到合理的范围，仍有很大的研究和开发空间。

图2 RV-20E型减速器实物

图3 RV-20E型减速器结构

1 RV-20E减速器结构及原理特点

RV-20E减速器具有复杂的结构（如图2-图4），其主要由行星轮和摆线轮组成。从传输原理的简图开始分析其传动特性，在这个过程中三个级别的行星齿轮作为减速的第一级别减速，第二阶段为摆线针轮行星减速，最后是行星支架作为输出部分使用。本文以RV-E型减速器为研究对象，分析其结构特点、传动原理，并对其进行建模和后续的有限元分析研究。

伺服电动机的旋转通过输入齿轮传递到正齿轮，其速度随着输入齿轮和正齿轮之间的齿轮比而降低。由于它们直接连接，因此曲轴具有与正齿轮相同的转速。两个RV齿轮安装在曲轴偏心区域的滚针轴承周围（为了平衡相等的力，安装了两个RV齿轮）。当曲轴旋转时，安装在偏心部分上的RV齿轮也绕输入轴偏心旋转（曲轴运动）。针脚以恒定的间距排列在壳体内部的凹槽中。销钉的数量仅比RV齿的数量多一个。当曲轴旋转一整圈时，RV齿轮偏心地旋转销的一个螺距（曲轴运动），所有RV齿与所有销接触，旋转然后通过曲轴传递到轴（输出轴）。此时，可以与抵靠曲轴的销的数量成比例地降低轴的转速。但其缺点是传动的两轴之间的距离有限制，不可过远。

图4 RV-20E型减速器结构简图

图5 摆线轮约束位置

RV-20E型减速器为RV减速器系列的2级减速型，在工业机器人关节中被广泛使用，工业机器人对运输的准确性和空间结构的压力有很高的要求，因此对RV-E型减速器的精度要求比较高。

RV-20E减速器传动优缺点：

（1）结构紧凑，精度比较高，内部尺寸比较小，120°对称布置的曲柄轴节省空间，传动机构置于行星架的支撑主轴，体积重量较小。

（2）刚性好，承载能力强；轮系下可以平分输入扭矩，摆线轮可以为RV减速器提供很好的平衡性。额定的转矩下，弹性回差小。

（3）工作寿命长，齿轮啮合传动属于滚动摩擦，可以大幅度提高RV减速器的寿命，摩擦系数较小是普通减速器寿命的两到三倍，远比谐波减速器的寿命要长。

2 有限元分析

有限元分析使用表面到表面接触算法来分析零件之间相互作用产生的接触力。接触算法涉及一个迭代过程，其中解是从基于位移的收敛中得出的。通过使用完整的Newton-Raphson积分方法求解非线性方程，可以在每个定义的时间增量步迭代地求解（如图5-图7所示）。

图6 摆线轮的网格划分

图7 摆线轮一阶模态

图8 摆线轮四阶模态

选取其中四个具体对应振型和固有频率图（如图8-图10所示）：

总结：本文以工业机器人关节的RV-20E减速器为研究对象，根据ABAQUS模态分析得到的结果，表明RV-20E减速器内部激励频率不易引起共振。上面讨论的仿真和场景需要进行实验验证。通过解决旋转部件之间的摩擦和滑动运动可以继续进行研究，而本文没有考虑此点。在以后进一步研究中，研究人员可以放宽不可移动外辊的假设，以使外辊能够绕其轴运动。利用本研究中阐述的仿真设置，将来还可以进行参数研究。在这方面，可以通过更改几何参数来分析接触应力变化，例如偏心率、摆线盘的摆线齿廓、齿圈容纳滚子的节圆半径等。为RV-20E减速器的理论分析和优化设计提供了一定的理论依据。