不同工况下RV减速器的传动效率试验分析.pdf

机械设计与制造130Machinery Design&Manufacture第8 期2023年8 月不同工况下RV减速器的传动效率试验分析古莹奎，黄浩，林忠海（江西理工大学机电工程学院，江西赣州3410 0 0）摘要：为提高不同工况下RV减速器的传动效率，通过单因素试验研究RV减速器负载相关损耗和负载无关损耗及对总功率损耗的影响。以RV减速器的传动效率为响应值，基于响应面法进行传递效率影响因素分析。分析及实验结果表明，负载无关损耗随着温度的升高和转速的降低而减少，负载相关损耗随着负载、转速和温度的升高而增加；随着输入转速的提高负载无关损耗在总功率损耗的占比增大，温度升高使负载损耗占比减小；在低负载工况下传动效率随转速增高而降低，在较高负载工况下，传动效率先升高后降低并趋于平稳；较高温度时传动效率随着负载扭矩的增加先升高后降低，负载和温度对RV减速器传动效率有显著性影响，转速对效率无显著性影响。关键词：RV减速器；传动效率；功率损耗；单因素试验；响应面分析中图分类号：TH16;TH132.46(School of Mechanical and Electronical Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Abstract:In order to improve the transmission efficiency of RV reducer under different working conditions,the load dependent lossand load independent loss of RV Reducer and their influence on total power loss are studied by single factor test.Taking the trans-mission efficiency of RV reducer as the response value,the influencing factors of transmission efficiency were analyzed based on re-sponse surface method.The analysis and experimental results show that the load independent loss decreases with the increase oftem-perature and the decrease of speed,and the load dependent loss increases with the increase of load,speed and temperature.With theincrease ofinput speed,the proportion of load independent loss in total power loss increases,while the proportion of load loss decreas-es with the increase of temperature.Under low load condition,the transmission efficiency decreases with the increase of speed.Underhigh load condition,the transmission efficiency first increases and then decreases and tends to be stable.When the temperature ishigher,the transmission efficiency first increases and then decreases with the increase ofload torque.The load and temperature havea significant effect on the transmssion efficiency of RV reducer,but the speed has no significant effect on the ficiency.Key Words:RV Reducer;Transmission Efficiency;Power Loss;Single Factor Test;Response Surface Analysis文献标识码：AExperimental Analysis on Transmission Efficiency of RVReducerUnderDifferent Working ConditionsGU Ying-kui,HUANG Hao,LIN Zhong-haiJiangxi Ganzhou 341000,China)文章编号：10 0 1-3997(2 0 2 3)0 8-0 130-0 51引言RV减速器具有承载能力强、传动精度高和结构紧凑等优点，作为一种精密的动力传输装备广泛应用于工业机器人、医疗器械和机床等领域。RV减速器的功率损耗分为负载相关损耗和负载无关损耗 2。负载相关损耗与减速器传动过程中的负载扭矩、摩擦系数以及接触构件之间的速度有着紧密关系，主要由加载过程中齿轮啮合时的摩擦损耗和轴承接触面上相对滑动和相对滚动产生的摩擦损耗造成。负载无关损耗主要由旋转部件与周围的润滑剂、空气等混合介质相互作用造成，与润滑剂粘度和构件来稿日期：2 0 2 2-0 6-30基金项目：国家自然科学基金资助（6 196 30 18）；江西省自然科学基金（2 0 18 1BAB202020）作者简介：古莹奎，（197 6-）,男，河南南阳人，博士研究生，教授，主要研究方向：机械装备可靠性与健康管理浸没深度有关 3-4。文献 5研究了轴承不同密封圈、润滑油脂和负游隙下的摩擦扭矩损耗。文献6 分析了齿轮摩擦系数及润滑油对齿轮摩擦损耗的影响。文献17 研究了斜齿轮在不同浸没深度的油浴中产生的负载无关功率损耗。以上研究集中在单个齿轮或轴承功率损耗上，没有从减速器整体功率损耗进行全面的分析。文献 8 提出一种齿轮摩擦功耗的计算方法，分析了输人功率对摩擦损耗的影响，但对负载无关损耗对齿轮损耗的影响未做探讨。文献19分析了齿轮箱负载无关损耗及各部分损耗对整体损耗的贡献，暂未考虑负载相关损耗对齿轮箱功率损耗的影响。文第8 期献 10 采用试验研究方法，研究了传动比、输入转速、液压腔压力和输入转矩对双圆锥式无级变速器传动效率的影响。文献1分析了行星轮个数、表面粗糙度和运行温度对行星齿轮箱功率损耗的影响，但只考虑单一因素对传动效率的影响,没有进行影响因素显著性分析。文献 12-13在有限的参数范围内研究了转速和扭矩对RV减速器传动效率的影响。目前,对RV减速器整体传动效率及相关损耗的研究相对较少。在此考虑不同工况(输人转速、输出扭矩和工作温度)对RV减速器整体传动的影响，通过搭建试验台对不同工况下的功率损耗和传动效率进行试验研究。2传动效率测试方案2.1试验装置减速器试验台，如图1所示。主要由转速输人端装置和负载扭矩输出端装置两部分组成，可以满足对减速器实现正反向加速和加载作用。转速由输人端的驱动电机输入，通过输人轴传至输人端扭矩传感器，然后将转速传递给RV减速器。扭矩由输出端负载电机传递给陪试减速器，通过联轴器经输出端扭矩传感器传递给RV减速器。试验平台采用大理石作为基座，保证试验台在长期重负荷下保持高精度。试验台输人转速、输出负载和数据采集等操作通过控制台来实现。为准确测量减速器运行温度，在RV减速器支撑外壳安置三个温度传感器。同时，为扩大减速器工作温度范围设计了辅助加温装置进行协调控制温度。结合RV减速器结构特点采用加热带环绕针齿壳进行加热，并通过温控器对加热带进行加热控制。输入电机距传够器被试减速器位置调节器2.2试验方法在上述试验台上对国产减速器RV-40E进行测试。测试不同工况（输人转速、输出扭矩和工作温度)对减速器功率损耗和传递效率的影响。设定八种转速和九种负载，工作温度控制在(30 45)。输人速度设定为（2 2 5 18 0 0)r/min，不同转速工况之间相差2 2 5r/min。输出扭矩范围设定为（0 412)Nm，不同负载工况之间相差51.5Nm。当达到设定的工况要求时进行数据采集，采集频率为5Hz，采集时长为40 s。响应面分析法是通过对回归方程和参数优化预测响应值的一种统计方法，可以避免仅考虑单一因素对试验结果产生影响的局限性，还可以通过响应面法分析各种因素对RV减速器传动效率的影响。在单因素试验基础上，以减速器传动效率为响应值，对输人速度、负载扭矩和工作温度三个因素进行三因素三水平的古莹奎等：不同工况下RV减速器的传动效率试验分析编码输人转速(r/min)负载扭矩(Nm)工作温度()3试验结果与分析3.1单因素试验分析RV减速器在不同工况下负载相关损耗和负载无关损耗的变化情况，如图2 所示。可以看出因工作温度改变的润滑脂粘度是影响功率损耗的重要原因。18030160-045140120支控柱载电机联轴器大理石平台图1减速器试验装置Fig.1 Testing Apparatus of Reducer131Box-Behnken实验设计，如表1所示。具体试验步骤如下。(1)驱动电机输入设定转速并在加热装置的辅助下达到设定温度。(2)保持电机输入转速稳定，控制负载电机加载到设定的负载扭矩，记录输出端和输人端转速和扭矩。(3)保持转速不变改变负载，在每一次工况运行稳定后采集所有数据。(4)负载试验结束后恢复到零负载状态进行空载试验。（5)调整输入转速及工作温度，重复上述试验。表1Box-Behnken试验设计Tab.1 Box-Behnken Experimental Design水平因素-1450X210330100806040200200400 6008001000_12001400 16001800输人转速(r/min)(a)负载无关损耗70-30-456050302010200 40060080010001200140016001800输人转速(r/min)(b)负载相关损耗图2 不同工况下两种损耗的变化Fig.2 Variation of Two Kind of Loss underDifferent Working Conditions090030937.51135041245No.8132机械设计与制造如图2(a)所示，随着工作温度从30 升高到45，负载无关对RV减速器整体传动效率进行分析，减速器在工作温度为损耗降低。这是因为随着温度升高润滑脂的运动粘度降低，使减30时传动效率，如图4所示。当减速器输人转速固定时，即减速速器在运转过程中齿轮旋转时搅油损耗、啮合时挤油损耗和轴承器负载无关损耗保持不变，减速器传动效率随着负载扭矩的增大旋转时的粘连损耗等都降低，从而导致负载无关损耗减少。从图而增大。在低负载（小于50%额定负载）工况下，随着负载的增加中可以看出在不同温度下负载无关损耗随着转速的提高增加的减速器传动效率爬升速度较快，但随着负载的增加减速器传动效趋势越来越明显，总体趋势呈现出指数变化。率变化较小并逐渐趋于平稳。根据图2(b)可知随着温度的升高减速器负载相关损耗显著增加。这是因为润滑脂运动粘度的降低使相互接触零部件接触的润滑油膜厚度降低，从而导致运动过程中负载相关损耗增加。随着温度的增加，转速对负载相关损耗的影响增大，负载相关损耗随着转速的升高呈现出线性增长。在30 和45工作温度下，额定负载工况时两种损耗随着转速变化时占总损耗的分布情况，如图3所示。当减速器在低转速工况时，负载相关损耗在总损耗中的占比较高。随着转速的不断提高，负载相关损耗在总损耗中的占比不断降低。如输出