NN型渐开线少齿差行星减速器传动效率仿真与实验

张 辉， 冯晓宁， 郭 尧

（嘉兴学院机械工程学院，浙江 嘉兴 314001）

0 引 言

NN型渐开线少齿差行星减速器（以下简称NN型减速器）是一种效率高、传动比大、体积小、承载力大的减速器，适用于机器人等精密机械传动。评价减速器性能的因素很多，比如传动效率、传动精度和承载能力等，其中传动效率是评价减速器性能的一个重要因素［1］。影响减速器传动效率的因素有很多，为在设计时能准确评估减速器传动效率，使用Romax 软件对NN型减速器传动系统进行了虚拟仿真和传动效率分析。为验证虚拟仿真分析方法的准确性，对NN 型减速器进行了传动效率实验研究［2］。

1 结构设计

NN型减速器是一种渐开线少齿差内齿轮行星传动的减速器［3-5］，机构简图如图1 所示。

图1 NN型减速器的结构简图

在重合度系数Yε＞1 和齿廓重叠干涉条件Gs≥0.1 的条件下［6-8］，以4 齿差、减速比100∶1的内啮合齿轮副为例计算NN型减速器的主要参数，中心距α′ =2.194 7 mm，齿轮副的其他主要参数齿数z、模数m、变位系数x、压力角α、齿根系、齿顶系数c*、齿宽B等见表1。

表1 齿轮副主要参数

根据表1 齿轮副参数建立NN型减速器的虚拟样机，主要由输出内齿轮轴、双联齿轮、双曲柄轴、内齿圈、轴承端盖等组成。内啮合齿轮副都采用短直齿轮，虚拟样机如图2 所示。新结构NN型减速器去掉了传统的配重齿轮，简化了结构，降低了制造难度和成本。

图2 NN型减速器的虚拟样机

2 强度校核和传动精度仿真

在额定工况下，采用Romax 软件对新结构NN 型减速器进行传动系统进行仿真［9-10］。在分别设置输入转速1 200、1 500 和1 800 r/min 工况下，设置输出端转矩20 N·m，对双联齿轮z1、输出内齿轮z2、双联齿轮z3、内齿圈z4进行强度校核，齿轮校核参数见表2 ～4。由表2 ～4 可知，随着转速增大，安全系数逐渐降低，应力逐渐增大，但是增大幅度较小，双联齿轮z1承载最大。

表2 当转速为1 200 r/min时齿轮校核参数

表3 当转速为1 500 r/min时齿轮校核参数

表4 当转速为1 800 r/min时齿轮校核参数

传动精度是减速器的主要传动性能之一，NN 型减速器的新结构会影响齿轮传动精度，必须对这种结构进行精度分析。因双联齿轮z1的承载最大，以双联齿轮z1为例进行齿轮传动误差仿真，得出双联齿轮z1的啮合线位移量（S）随着轮齿滚动角（°）变化的传动误差如图3 所示，啮合线位移量7.10 ～8.79 μm 之间变化，传动误差峰值为1.69 μm，传动误差小。

图3 传动误差

3 传动效率仿真

在Romax软件中分别设置输入转速1 200、1 500和1 800 r/min 的工况下，设置的输出转矩在0 ～50 N·m范围内，对减速器传动效率进行仿真［11-12］，仿真结果得到，在一定转速下随着输出转矩（T）与传动效率（η）仿真曲线如图4（a）～（c）所示，不同转速下的最高传动效率见表5。由图4（a）～（c）可知，输出转矩较小时，传动效率较低；输出转矩较大时，传动效率较大；传动效率随着输出转矩的增加逐步增大，当达到最高传动效率时，继续增大输出转矩则传动效率开始降低。

图4 不同转速时传动效率仿真曲线

表5 最高传动效率仿真数据

4 实验研究

根据表1 齿轮副参数设计制造了4 齿差的NN型减速器样机，齿轮材料为40Cr，润滑方式采用润滑脂。为验证NN型减速器的传动效率，对样机进行传动效率实验［13-15］。

4.1 实验原理

减速器传动效率实验设定不同的转速，随着负载变化，通过输入、输出端转速、转矩传感器采集被测减速器两端的转速和转矩，计算传动效率，实验原理见图5。

图5 传动效率测试原理图

减速器效率实验台如图6 所示，主要由变频电动机、转矩、转速传感器、被测减速器、磁粉制动器和工控机等组成。变频电动机和磁粉制动器通过工控机进行调节控制，工控机通过输入、输出端的转矩转速传感器实时采集数据并进行分析与处理，绘制出传动效率参数曲线。变频电动机额定转速为3 000 r/min，磁粉制动器的最大输出转矩为50 N·m。因变频电动机驱动被测减速器为高速旋转，必须保证安装时变频电动机、转矩、转速传感器、被测减速器、磁粉制动器等主轴的同轴度精度。

图6 减速器效率测试实验台

4.2 实验方案

NN型减速器样机安装在减速器效率实验台上进行传动效率实验，变频电动机转速分别设置为1 200、1 500和1 800 r/min，磁粉制动器加载转矩以5 N·m的倍数进行实验，加载10 次，每次加载时间为1 min，具体实验参数见表6。

表6 减速器效率测试实验参数

4.3 实验结果

根据实验方案进行了传动效率检测，绘制出在不同转速下随着负载转矩（T）增加的传动效率（η）实验曲线，如图7（a）～（c）所示，不同转速下最高传动效率实验数据见表7。由图7（a）～（c）可见，不同转速下随着负载转矩增加传动效率实验曲线形状基本一致，随着转速提高传动效率略有提高。

图7 不同转速时传动效率实验曲线

表7 最高传动效率实验数据

5 结 语

使用Romax软件对NN型减速器的传动系统进行仿真分析，虚拟仿真分析的结果与实验数据基本一致，且成正相关的关系，效率数值降低的原因可能与样机的加工误差、实验的装配误差、测试误差等有关，但数值相近只是略有降低。采用Romax软件进行NN型减速器的传动效率仿真分析方法是可靠的，可以有效分析减速器传动效率，缩短开发周期，降低开发成本。