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機器人（rén）ＲV 減（jiǎn）速器（qì）主軸承的設計及應用

2021-11-24 來源：河南廣播電視（shì）大學洛陽軸承研究所作者：王超俊李智博王東峰（fēng）孫建勇

摘要（yào）: 通過對ＲV 減速器主軸承受（shòu）力模（mó）型分析（xī）得知，要保證其具有足（zú）夠的徑向、軸（zhóu）向及力（lì）矩承載能力，則其接觸角範圍應為 30° ～ 50°; 工藝設計應重點控製內外圈溝位置、配合麵平麵度、凸出量偏差( 0． 1 mm) 、裝配高散差等，而對於套圈寬度偏差、平行差、擋邊高度等均可（kě）放寬（kuān）控（kòng）製標準; 軸承安裝時可通過調整ＲV 減速器某一側（cè）的墊片厚度保證其具有合適的剛度。

關鍵詞: 滾動軸承; 減速器; 角接觸球軸承; 設計; 應用

ＲV 減速器廣泛應用於機器人行業，具（jù）有軸向尺寸小，結構緊湊，速比靈活，運轉精度高且使用時（shí）間長等特性，是在擺線行星（xīng）減速機構形（xíng）式上建立的二級封閉傳動機構（gòu）。

目前，由於國外對ＲV 減速器技術的封鎖，加上我國在該領域的研究起步較晚（wǎn），造成國（guó）內在該領域與國外差距較大。以其內部使用的關鍵部件主軸承( 角接觸球軸承（chéng）) 為例（lì），國外（wài）廠商采用的（de）均為非標設計，但關（guān）於該非標軸承的設計原理（lǐ）及使用方法鮮有報道。鑒於此，基於ＲV 減速器（qì）的實際（jì）使用工況，介（jiè）紹主軸承的設計和應用。

1、主軸承受力分析（xī）

ＲV 減速器結（jié）構如圖（tú） 1 所示，在使用過程中有行星架輸出( 固定減速器外（wài）殼) 和外殼輸出( 固定行星架) 2 種動（dòng）力輸出方式。主軸承位於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（jìng）向力及傾覆力（lì）矩。

圖 1 ＲV 減速器結構圖

重載（zǎi）工（gōng）業機器（qì）人ＲV 減速器分布示意圖如圖2 所示，共裝有 6 台（tái）ＲV 減速器。負載（zǎi）( 也稱持重)是工業機器人的一項重要指標，工業機器人（rén）在工（gōng）作過程（chéng）中工位不斷變化，故作用於（yú）機器人手腕末端的負載對於 1#，2#，3#ＲV 減速器既可能是軸向（xiàng）力，也可能（néng）是徑向力（lì）; 對於 4#，5#ＲV 減速器，在使用（yòng）過程中主要受徑向力; 對於 6#ＲV 減速器，不僅受到外部作用力，還要（yào）承受機械手臂（bì）的重力，其受力主要為軸（zhóu）向力和傾覆力矩，對（duì）於該位置（zhì）減速器，必須能夠承受盡可能大的軸向力，且具（jù）有良好的抗傾覆力矩能力。

圖 2 ＲV 減速器分布（bù）示意圖

ＲV 減速器主軸承受力（lì）如圖（tú） 3 所示，載（zǎi）荷位（wèi）於減速（sù）器（qì）外部，無論減速器在圖 2 中何位置，外（wài）載荷 F1，F2 將形成（chéng）施加在主軸承上的傾覆（fù）力矩 M1。在外載荷下作用下：

圖 3 ＲV 減速器主軸承受（shòu）力示意圖

由( 1) ，( 2) 式可以看（kàn）出: 軸承抗傾覆力矩性能不僅與其自身徑向承載能力有關，也與其接觸角所決定（dìng）的受力作用點有關。以（yǐ）ＲV100C 采（cǎi）用的（de） H76 /182 軸承為例進行說明，軸承主要結構參數（shù）見表 1。

表 1 H76 /182 軸（zhóu）承主（zhǔ）要結構參數

參照圖 3，基於ＲomaxDesigner 建立相應軸（zhóu）係模型，軸承中心距 L 為 100 mm，施加外（wài）部傾覆力（lì）矩M1 為 1 000 N·m，采用不同接觸角的 H76 /182 軸承進（jìn）行仿（fǎng）真分析（xī），軸承承載能力及徑向變形量（liàng）計算（suàn）結果見表 2。

表 2 不同接觸角 H76 /182 軸承的承載能（néng）力及徑向變形

由表 2 可知: 接觸角增大，額定載荷（hé）減小，但由於該軸承背對背安裝，接觸角增大時，兩軸承受力支承點間距 Lmn也增加; 軸承徑向變（biàn）形量由 27． 43μm 減小為 23． 75 μm，說明增（zēng）大接觸角能夠提升整個減速器軸係抗（kàng）傾覆力矩能力; 同時，接觸角增大能有效提升整個減速器（qì）軸向剛（gāng）度，適用於受軸向載荷較大的減速器，尤其是圖 2 中 6#減（jiǎn）速（sù）器。

故對於ＲV 減（jiǎn）速器主軸承，需綜合考（kǎo）慮其受力（lì）特點，在保證其具（jù）有足（zú）夠徑向承載能力的同（tóng）時，要提升其軸向（xiàng）承載能力及抗傾覆力（lì）矩能力。這也驗證了ＲV 減速器技術指標中力矩剛性的說明。

2、主（zhǔ）軸承結構及精度控製

ＲV 減速器（qì）主軸承結構設計時，必須在滿足軸承承載能力的前（qián）提下，充分考慮減速器係統（tǒng）的（de）結（jié）構特點，進（jìn）而確定主軸承（chéng）尺（chǐ）寸及精度控製方向。

2. 1 接觸角

通過上文分析可知，主軸承（chéng）接觸（chù）角顯著影（yǐng）響減速器係統的承載能力（lì）及結構剛性，通常情況下，采用 40°接觸角即可滿足（zú）上述性能需求。但減速器性能（néng）需求根據（jù）其在工業機（jī）器人中所處位置不同而有所（suǒ）側重，圖 2 中（zhōng） 6#減速器對軸向承載（zǎi）能力及抗傾覆力矩能力要求較高，該位置主軸承應選（xuǎn）用更（gèng）大接觸角（jiǎo）。分析國（guó）外減速器發現各減（jiǎn）速器中軸承（chéng）接觸角也並非固定值，通常在 30° ～ 50°之間，接觸角應根據其所（suǒ）處位置決定。

2. 2 外圈寬度

國外ＲV 減速器用主軸承通（tōng）常（cháng）采用內、外圈寬度不等的結構，可以使軸承及減速器輕量化。減速器（qì）主軸承雖然也是配對使用（yòng），但對配對（duì）結果影響最大的（de）是軸承裝配高。軸（zhóu）承外圈非（fēi）基麵（miàn）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構（gòu）示意圖

因此，除軸承外圈溝（gōu）道直徑、溝位置重點控製外，隻需（xū）控製軸承配合麵平麵度（dù）即可，對於外圈寬度（dù）偏差、平行差，均可放寬控製標（biāo）準。

2. 3 外圈基麵擋邊高

對於常規軸承，外圈基麵擋邊高應保證軸（zhóu）承（chéng）在允許的外力作用下接觸橢圓長軸不（bú）超（chāo）出擋邊邊緣。而對於ＲV 減速器（qì）主軸承，外圈擋邊實際高度遠超上述（shù）需（xū）求，這是由於該擋邊需要對圖 1 針齒的軸向位（wèi）移進行限製。在（zài）某些ＲV 減速器中，外圈擋邊還需對擺線輪的軸向位移進行（háng）限製。外圈（quān）基麵（miàn）擋邊高的確定需要考慮（lǜ）針齒（chǐ）及擺（bǎi）線輪在ＲV 減速器外殼中的實際位置。

2. 4 內（nèi）圈參數

與外圈相同（tóng），需嚴控溝道（dào）參數和（hé）基麵平麵度，擋邊高度僅需保證其在允許的外力作（zuò）用下接觸（chù）橢圓長（zhǎng）軸不超出擋邊邊緣。此（cǐ）外，內圈寬度明顯大於外圈，且在軸承預緊後，內圈非（fēi）基麵通常高於外圈基麵，即凸出量為正，采用該設計方案可（kě）以適當限定擺線輪軸向位移，避免軸承外圈由於擋邊高度不足而在運（yùn）轉過程中與擺線輪幹涉。

2. 5 凸出（chū）量

對於標準角接觸球軸承，凸出量是軸承能否組配使用的關鍵，但對於ＲV 減速器主軸承，凸出量對軸承應用影響不大，僅對擺線輪軸向位移有一定的影響，其尺寸公差控製在 0． 1 mm 即可。

2. 6 裝配高

角接觸球軸承若要發揮其高精度（dù）、高剛性等性能優勢（shì），需對其施（shī）加一定（dìng）的預（yù）緊力，而裝配高將極大影響軸承（chéng）預緊狀態，在生產過（guò）程（chéng）中需精確（què）控製。裝配高影響參數（shù）眾多，若將其嚴格控製在某一尺寸範圍，會增加製造難度及生產成本（běn）。在生產過程中僅需控製每批軸承裝配高散差（chà）即可（kě），軸承預緊（jǐn）力可以通過選配墊片尺（chǐ）寸進行調（diào）節（jiē）。

3、主軸承應用

由圖 4 可以（yǐ）看出軸承分布在行星架（jià）兩側，背對背安裝，軸承預緊（jǐn）方式為定位預緊，可以得（dé）到整個減速（sù）器裝（zhuāng）配尺寸鏈如圖 5 所示，圖中: TA 為左側軸承 A 裝配（pèi）高，L1 為外殼擋肩寬，TB 為右側軸承（chéng）B 裝配高，L3 為（wéi）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

在整個（gè）裝配尺寸鏈（liàn）中，為便於（yú）控（kòng）製預緊力，調節右側墊片厚度 L3 最方便，可以此為整個裝配鏈（liàn）的閉（bì）環，間接保證其尺寸並進行選配安裝。裝配高 TA，TB 在整個裝配鏈（liàn）具有重要影響，其尺寸增加( 減（jiǎn）小) 將導（dǎo）致 L3 的減小( 增加) ，由於已嚴格控（kòng）製裝配高散差，墊片厚度 L3 散差也相應得到了控製，選配難度降低。

在上述裝配尺寸鏈中，軸承預緊通（tōng）過墊片（piàn）施加（jiā），墊片實（shí）際尺寸 L'3應在（zài） L3 基礎上加上 2 套軸承（chéng）預緊後的軸（zhóu）向變形（xíng）量，H76 /182 軸承預緊力與（yǔ）軸（zhóu）向位移的關係如圖 6 所示。在實際應用中（zhōng），可（kě）根據減速器整體設計目標（biāo）確定預緊力，以保（bǎo）證整個

係統具有（yǒu）合適的剛度。

圖 6 H76 /182 軸承預緊力與軸向位移的關係

4、結束語

對ＲV 減速器主（zhǔ）軸承主要受載模型及結構特（tè）征進行分（fèn）析可知: 在主軸承設計時應重點考慮其主要設計參數及結構參數; 在加工製造過程中應重點控製其關鍵工藝參數（shù），在（zài）滿足軸承主要性能的同時，考慮其加工經濟性; 在軸承應（yīng）用過程中，應（yīng）根據其受力情況、使用部位，合理選用配（pèi）合尺寸、預緊力（lì）等，以滿足軸承使用性能。

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