柔性轴承动性能试验技术的研究及展望

冯戴一楠，陈晓阳，赵联春，张涛，王朋

(上海大学 机电工程及自动化学院，上海 200072)

1 柔性轴承试验技术的研究背景

1.1 柔性轴承的应用

谐波减速器自发明起至今已50余年，凭借高传动比、高传动精度、高传动平稳性等特点，广泛应用于生活及工业生产中的各个领域，小到印刷机中的张紧装置，大到航天工业中的空间机械臂、卫星恒速装置和火星车等[1-5],部分应用场景如图1所示。

图1 谐波减速器的应用Fig.1 Application of harmonic reducer

谐波减速器的结构如图2所示，其组成部件为波发生器、柔轮及刚轮，柔性轴承则安装在波发生器上，与柔轮配合。柔性轴承是谐波减速器的重要元件，其运行状态的好坏决定了谐波减速器的寿命。

图2 谐波减速器的结构Fig.2 Structure of harmonic reducer

1.2 柔性轴承的运行特点

一般情况下，轴承在径向只承受单向载荷，其内外圈均视为刚体，而柔性轴承则承受径向对称载荷。运行时，柔性轴承的内圈受凸轮作用产生强制形变，在波发生器转动时则不再产生周期性形变；外圈受球挤压产生弹性形变，并在外载荷作用下随着波发生器的转动而产生周期性形变。柔性轴承的内外圈具有不同的转速和相反的转动方向，内圈的转速与波发生器相同，外圈与柔轮之间存在较小的相对滑动[6]，但转速仍可近似等于柔轮转速。

整个运行过程中，柔性轴承不仅存在与普通轴承类似的由接触疲劳引起的疲劳点蚀现象，还存在由交变应力引起的弯曲疲劳现象。常见的柔性轴承破坏现象主要有：麻点、外圈磨损及保持架断裂等。由于柔性轴承的受力及运行具有普通轴承不具备的特殊性，普通轴承的疲劳试验机往往无法满足柔性轴承的受载特点，从而无法模拟柔性轴承在实际工况下的运行。

2 柔性轴承性能试验的发展

近年来，学者们利用有限元软件对柔性轴承进行了一些分析[7-10]，探讨了诸如内外圈结构参数、载荷、温度等对轴承应力的影响，但关于柔性轴承性能试验的研究较少。从试验的对象看，柔性轴承的试验研究主要分为以谐波减速器为对象和以柔性轴承单一元件为试验对象，其中以谐波减速器为对象时，对柔性轴承的分析主要集中于摩擦性能、载荷测试及疲劳磨损等方面；从加载方式来看，主要分为液压加载、惯性加载、磁粉制动器加载、发电机加载及陪侍加载轮式加载。

2.1 以谐波减速器为试验对象

文献[11]搭建了如图3所示的试验装置，用于谐波传动中柔性轴承的摩擦性能及柔轮刚度的分析。该试验装置与减速器构造类似，整体机构可分为波发生器、柔轮及刚轮，采用力臂配合载重块的加载方式。试验装置的波发生器一侧搭载有编码器，柔轮一侧则搭载有扭矩传感器、旋转变压器等传感器。试验装置垂直安放，输入电动机安装在固定桁架上，波发生器通过输入电动机的驱动发生转动，刚轮为固定件，柔轮为输出件，在输出侧提供惯性负载并连接有输出解析器。

图3 谐波传动试验装置Fig.3 Harmonic drive test device

文献[12-13]采用的试验装置如图4所示，试验装置以电动机为输入，柔轮为输出，对柔轮内壁与柔性轴承外圈之间的摩擦机理进行了比较系统的研究。该试验装置采用了平衡砝码的加载方式(图4b)，相较于图3的试验装置，不仅负载的可调性大大提高，而且增强了动平衡，从而减小了传动误差，使试验结果更加精确。另外，为模拟太空中减速器的运行环境，在试验装置的外侧安装了热真空系统，并系统分析了真空环境与大气环境、不同润滑程度下柔性轴承外壁的摩擦性能。

图4 试验装置Fig.4 Test device

为研究柔性轴承中钢球的受力问题，在图4装置的基础上，文献[14]在波发生器位置处设计了一种检测轴承力矩的装置，用以了解谐波减速器运行过程中柔性轴承内部载荷的分布情况。该试验分为2步进行：1)取出柔性轴承，装入波发生器，固定波发生器并在轴承外圈上通过砝码施加外力P，在钢球上安装力杆，当轴承受载荷作用产生力矩，弹簧秤便能显示所得力Q，通过接触杆的长度及偏转角度即可得到静态力矩M，从而建立钢球受力P与其所受静态力矩M之间的关系式，检测原理如图5所示；2)运行谐波减速器，利用上述方法求得柔性轴承中每个球的力矩，通过监测所得力矩便能反求得实际运行中柔性轴承内每个球的受力。

图5 钢球受力测量Fig.5 Force measurement for steel ball

国内学者搭建的的试验装置类似于图4，文献[15]研究了柔性轴承及柔轮等接触副在低速、轻载、少润滑等环境下对传动效率的影响，发现柔性轴承内部接触副之间的摩擦阻力将直接影响谐波减速器的传动效率，而柔性轴承外圈与柔轮之间的摩擦磨损是直接导致谐波减速器失效的主导因素；文献[16]以谐波减速器为研究对象，在环境真空度小于1.3×10-3Pa、温度为20～25 ℃的真空罐中进行了5 000 h寿命试验，对试验后柔轮内壁与柔性轴承外壁接触的区域进行观察，发现磨损情况严重，且输入转速为3 r/min的磨损情况比输入转速为150 r/min时更为严重，确认了柔性轴承外圈的磨损与整个装置传动效率的减小有直接关系。

文献[17]以谐波减速器为对象，设计了一种新的试验平台，如图6所示。为了保持试验机结构的简洁可靠，同时使试验机可在模拟空间环境的真空罐内使用，设计了一种新的载荷加载方式，通过电动机控制进行加载，从而摆脱了人工加载的方式。该试验机可以测试柔性轴承的寿命和磨损性能，其工作过程为：主伺服电动机驱动谐波减速器运行，辅助伺服电动机则带动连接在谐波减速器的扭杆弹簧转动，从而对减速器形成负载效应。工作原理为：试验机的2个伺服电动机通过一定的转速差产生相互间的转角差φ，为扭杆施加扭转角度变形从而产生扭矩，实现对被测产品的加载。扭矩大小与变形量成正比，通过调整转角差φ即可实现对加载扭矩的动态控制。

图6 新型谐波传动平台示意图Fig.6 Diagram of new harmonic drive platform

2.2 以单一柔性轴承为试验对象

文献[18]设计了一种专用于柔性轴承的疲劳试验机，如图7所示，其摆脱了基于谐波减速器进行试验台设计的理念。该试验机的运行过程为：将待测柔性轴承安装在波发生器上，固定波发生器使其不产生转动，平带对称张紧在波发生器长轴的两端；通过控制电动机驱动平带转动，依靠平带与外圈之间的摩擦力带动柔性轴承外圈转动。其加载方式为：通过控制张紧轮的张紧程度实现平带对柔性轴承的压紧，从而实现柔性轴承受载运行。

图7 柔性轴承寿命试验机Fig.7 Life tester of flexible bearing

该试验机的优点明确：以柔性轴承为单一试验元件，模拟并实现了柔性轴承运行中长轴位置处径向对称受载的特点。但其缺陷也比较明显：1)只能模拟波发生器固定、外圈转动的工况，而实际运行中柔性轴承的内、外圈均发生转动，且速度不同、方向相反；2)试验机的加载无法达到实际轴承的承载水平；3)缺少轴承与柔轮间的相互作用。

3 总结与展望

3.1 性能分析热点

现阶段，对柔性轴承的试验研究集中于载荷的测量分析、摩擦学性能及疲劳寿命研究这3个方面。

载荷的测量分析方面，主要测量2个状态下柔性轴承的受力状况:1)装入凸轮时柔性轴承的受力大小及分布；2)装入柔轮后且在柔轮输出侧施加载荷时柔性轴承的受力大小及分布。

摩擦学性能的研究热点主要侧重于模拟空间环境下各种工况因素对柔性轴承的影响，如大温差、高真空、高承载下考察不同的润滑状态及润滑剂对柔性轴承摩擦学性能的影响。

柔性轴承的疲劳寿命试验方面，至今未有较好解决方案，图7的试验装置虽然为广大研究人员提供了一种新的研究思路，但与柔性轴承的实际运行状态不符，试验获取的轴承失效部位也会与实际情况有所偏差。

3.2 试验机发展趋势

由于柔性轴承受力及运动的特点，仅针对柔性轴承单一元件进行性能研究的试验机较少，研究人员对柔性轴承动态性能和受力的分析多基于谐波减速器进行研究。而谐波减速器本身存在多种失效模式，如柔轮磨损、刚轮轮齿破坏等(图8)，当采用整机模型对柔性轴承单一元件进行性能研究时，减速器其他部件若先于柔性轴承发生破坏，将大大增加柔性轴承继续试验的难度和成本。以柔性轴承为单一试验对象进行研究能够增加试验的可控性和操作性，应成为将来试验研究的发展方向。

图8 谐波减速器不同元件的磨损情况Fig.8 Wear condition of different components in harmonic reducer

4 结束语

随着国内工业化水平的不断提升，谐波减速器将发挥越来越重要的作用，柔性轴承作为谐波减速器的重要零部件，研制一种对柔性轴承单一器件进行性能研究的试验机变得越来越迫切。在未来可期的时间内，这种新型柔性轴承试验机应该满足以下几点要求：1)柔性轴承在试验过程中始终处于变形状态；2)试验能够模拟实际工况，实现轴承内、外圈不同转速比、不同方向下的旋转；3)转动过程中，施加在柔性轴承上的载荷值固定，并始终位于波发生器长轴两端；4)能够模拟柔性轴承外圈的运行状态及磨损情况；5)能够对一定尺寸范围内的柔性轴承进行试验。