空间高精度长寿命谐波减速应用技术研究

曹倩 李明 徐彭梅

（北京空间机电研究所，北京 100190）

空间高精度长寿命谐波减速应用技术研究

曹倩 李明 徐彭梅

（北京空间机电研究所，北京 100190）

面对日益增长的空间高精度长寿命机构的应用需求，文章以空间谐波传动为研究对象，首先介绍了谐波减速器在国内外的研究和应用现状，分析了谐波齿轮的失效模式和影响寿命的因素，分析了不同载荷、不同工作模式对谐波齿轮精度和寿命的影响，并设计了不同工况的寿命试验进行验证。基于研究和验证试验结果，给出了空间高精度长寿命谐波减速器应用时的关键控制指标。最后，通过一高精度谐波指向机构，进行了往复间歇运动寿命试验，验证了谐波减速器可满足 3.6×106次往复间歇运动的长寿命使用要求，同时可保证机构指向精度达30″。文章对谐波减速器在空间其它领域应用提供了借鉴。

指向机构 谐波减速 高精度 长寿命 航天遥感

0 引言

随着航天遥感技术的快速发展和应用需求的不断提高，对遥感器性能指标要求也越来越高，同时航天产品的轻质量、紧凑、低耗、精密的设计要求也越来越严苛。空间指向机构[1-3]是使空间遥感器获得大范围观测或跟踪能力的有效途径，因此成为很多现代航天器系统的重要组成部分。本文针对航天器中的跟踪、指向机构，研究空间高精度长寿命谐波减速应用技术。

在国外谐波减速器早已广泛应用于航天产品，技术相对成熟。目前，美国、日本、德国等航天工业强国均有专门从事空间谐波生产和研究的研究所及公司。最为著名的是日本的Harmonic Drive（HD）公司，设有专门研制空间谐波减速器的部门，开发出了系列化的航天用谐波减速器。

美国、英国、法国、德国、日本等国家在20世纪90年代就开展了空间谐波传动的设计和应用研究。文献[4-6]介绍了美国“先驱者10/11号”及欧空局发射的空间飞行器中，谐波减速器在空间太阳翼展开机构、天线指向机构和空间机器人操作臂等空间机构的驱动及传动系统上充当了关键的活动部件；文献[6-7]介绍了在日本“试验”卫星系列、地球观测卫星及数据中继卫星等，谐波减速器在天线驱动机构、定位指向机构、扫描机构等空间机构上的应用情况。因此，欧美及日本在谐波减速器的设计、制造、使用及空间润滑等方面已积累了丰富的经验和理论基础。

中国中技克美公司自 1994年开始为“神舟号”系列飞船太阳能帆板驱动机构研制先进的自润滑谐波传动减速器。之后的“天链一号”卫星、“风云三号”卫星、通信卫星、侦察卫星等也应用了谐波减速技术。“嫦娥三号”上的“玉兔号”月球车关键旋转部件也采用了谐波减速组件产品，在后续的中国探月任务“嫦娥四号”和“嫦娥五号”中计划继续延用谐波减速技术。由于中国对谐波减速的研究起步较晚，谐波齿轮研制基础薄弱，技术积累和在轨应用经验均有限，其研制技术水平落后于HD公司[7-9]。

相对于地面环境，通常情况下应用于空间的谐波减速器的负载较低、转速较慢，因此一般不易发生疲劳损坏。然而，空间环境的高真空、微重力、强辐射、温度交变、不可维修等特殊性，均对谐波减速器的润滑技术提出了更高的要求。由于真空环境下润滑油的挥发、爬移、污染等问题，空间活动部件难以简单的按照地面产品的形式进行油润滑；一般空间活动部件采用固体润滑或脂润滑方式[10]。而对于谐波减速器，由于其传动形式的特殊性和应用工况的多样性，润滑方式合适与否是空间谐波产品成败的关键，谐波润滑技术也因此成为近年来国内外研究的重点和难点。由于我国空间谐波减速器应用经验累积不足，无足够的应用案例支撑论证，因此无论选择哪种润滑方式，均需进行全面的、严格的试验以验证其寿命和性能的可靠性。

1 谐波减速器失效模式

谐波减速器由柔轮、刚轮和波发生器组成，其中波发生器由柔性轴承和凸轮组成；工作时，波发生器使柔轮产生弹性变形，谐波刚轮、柔轮间的啮合齿轮利用此变形实现传动；谐波传动具有结构紧凑、质量轻、体积小、单级传动比大、传动精度高、啮合齿对数多、承载能力大和回差小等优点。然而，谐波传动过程中，柔轮在载荷作用下产生周期性变形，载荷沿圆周呈非均匀分布，与柔轮中性线不相切，柔轮发生周向扭转变形的同时，还产生一定的径向变形。在上述复杂的应力状态下，柔轮易发生疲劳和磨损，最终导致谐波传动失效[11]。

在空间应用中，通常情况下谐波减速器转速慢、负载小，即一般谐波承载裕度较大，因此谐波不易发生疲劳，其主要的失效形式为柔轮磨损，表现形式为刚度系数下降、传动精度下降或传动效率下降。谐波的润滑状态直接影响其磨损程度。柔轮内壁与柔性轴承外圈、柔轮外齿与刚轮内齿两处接触区域，当润滑状态良好时，接触面之间的润滑状态为流体动润滑，此时固体界面不发生直接接触，摩擦阻力较小，接触面之间也不易发生磨损。当工作条件恶化时，零件表面的微凸体发生接触，即接触面间的润滑状态为混合润滑或边界润滑，此时柔轮内壁与柔性轴承外圈间的摩擦阻力增加并产生磨损。磨损先期，接触部位的磨损会扩大齿侧的间隙，进而影响谐波减速器的传动精度以及其刚度特性；进一步磨损将使接触副间的摩擦阻力增加，影响谐波减速器的传动效率[12]。

2 谐波润滑及寿命验证

本文以某型号为支撑，研究谐波减速器的寿命及可靠性，以谐波减速器CPL-14-50为研究对象，其额定输入转速为2 000r/min，额定输出力矩为5.4N·m。根据使用需求设计了不同的负载、不同的运动工况，通过寿命试验，研究和验证谐波减速器的寿命和可靠性。并分析谐波减速器的润滑状态，拆解长期运转后的谐波减速器观察表面性状，得到影响谐波减速器寿命和可靠性的敏感因素。

2.1 谐波减速器润滑方案

目前，空间谐波减速器种主要有MoS2固体润滑、油脂润滑和固脂混合润滑三种[13]。

用纯 MoS2固体润滑时，谐波减速器寿命主要取决于输出力矩。在输出力矩较小的情况下（如实际负载力矩小于谐波减速器额定负载的30%），传动齿面接触应力较小，谐波齿轮能够在较长时间内保持较好的性能；然而在较大输出力矩的情况下（如实际工况力矩接近或超过其额定负载值的40%～50%），传动齿面接触应力较大，齿面的MoS2镀层长期处于间隙性的挤压应力下，此应力将使MoS2镀层较快的磨损甚至脱落。MoS2镀层的磨损或脱落都将导致谐波减速器因润滑失效而产生致命的损伤，无法满足长寿命使用要求。

在欧洲的宇航项目，谐波减速器一般采用油脂润滑。当谐波减速器负载力矩超过额定负载的50%甚至更高时，有效的油脂润滑仍能够满足较长的谐波寿命使用要求。然而油脂润滑方式需解决油脂爬移问题，同时由于油脂的挥发性，一方面可能污染光学元件，另一方面油脂长期持续挥发，如不能及时补给将导致油脂缺失造成润滑失效。

从可靠性角度出发，本文采用固脂混合润滑。具体的润滑方案为：传动副表面和柔性轴承溅射MoS2固体润滑层，膜厚约1μm；同时涂PFPE基润滑脂，润滑面包括刚轮齿面、柔轮齿面、柔轮内壁和柔性轴承配合面、柔性轴承内外沟道。参考以往的空间应用经验和寿命计算，谐波实际工况力矩接近额定值的40%～50%时，有效的油脂润滑能够满足谐波寿命要求；同时固体润滑可作为补充润滑，MoS2固体润滑与PFPE基润滑脂有良好的相容性。

2.2 谐波减速器疲劳寿命计算

当谐波减速器平均输出力矩、平均输入转速、最大输入转速、输出端最大瞬时峰值力矩、最大重复峰值力矩均小于谐波减速器额定值时，谐波减速器的疲劳寿命为

式中 L为疲劳寿命；Ln为额定疲劳寿命；nin_rated为额定输入转速；nin_av为实际平均输入转速；TN为额定输出力矩；Tout_av为实际平均输出力矩。

根据CPL-14-50谐波减速器技术参数表，nin_rated=2 000r/min，TN=5.4N·m，Ln=35 000h。

则当Tout_av=6.0N·m、nin_av=450 r/min时，由式（1）计算得谐波减速器的疲劳寿命理论值为1.13×105h，即3.06×109转。

当Tout_av=3.5N·m、nin_av=450r/min时，由式（1）计算得谐波减速器的疲劳寿命理论值为5.71×105h，即1.54×1010转。

由上述理论计算可知，谐波减速器在理想润滑状态下，轻载的工况运行时，其疲劳寿命可达1010量级，即使略超出产品的额定负载时，其疲劳寿命仍可达109量级。

2.3 寿命试验情况

2.3.1 寿命试验1

图1给出了谐波减速器寿命试验1的装置及其测试模块的组成。谐波减速器寿命试验件安装在中间的L形支架上，负载由输出端电磁制动器施加；同时谐波减速器的输入、输出端均配有力矩传感器，可实时监测谐波减速器的受力状态；寿命试验的累计次数可通过安装于试验轴系的圈数计数器读取。

寿命试验1的工况设计如表1所示。本次寿命试验工况将谐波减速器的输出扭矩设置为3.5N·m，约为该谐波减速器额定负载（5.4N·m）的60%，试验的目的是为验证当谐波减速器工作于较低负荷状态下的寿命情况，分析谐波负载对谐波减速器的寿命影响。

表1 寿命试验1工况Tab.1 Working conditions of life test 1

此次寿命试验共完成转数1.56×106正转及1.56×106反转，累计寿命次数超过3.0×106。

谐波减速器的传动效率可直接反映其健康状况。试验过程中监测传动效率，当其发生较大变化时，一般可以认为谐波齿轮已磨损，传动时啮合齿间距已与出厂时发生偏离。图2给出了寿命试验1过程中谐波组件传动效率的测试情况。效率曲线显示，整个使用过程中，谐波组件传动效率在 60%～70%间浮动，未发生明显变化。

试验后拆解谐波组件并清洗，然后用显微镜观察其接触表明状态，图3给出了寿命试验1结束后谐波齿轮齿面的外观状况。图3（a）为柔轮内径外观状况，图3（b）为柔性轴承外径外观状况，图3（c）为柔性轴承滚珠外观状况，图3（d）为刚轮齿面的外观状态，图3（e）为柔轮齿面的外观状态。由图3可以看出谐波组件各部件状态良好，柔轮内径、柔性轴承外径、刚轮齿面和柔轮齿面等接触部位均有且只有一些正常运行的痕迹，无磨损迹象。

2.3.2 寿命试验2

航天遥感器在轨飞行工作过程中，通常需要指向镜在一定的角度范围内有规律的往复摆动，实现对天底目标进行穿轨方向的指向功能，以保证仪器监测时获得大范围的监测目标[14-15]。本文针对此需要，设计了一种基于谐波减速器的指向机构，如图4所示，该机构由步进电机通过谐波减速后输出扭矩实现驱动。对此机构进行了寿命试验 2，通过试验考察谐波减速器在间歇往复工作模式下的寿命可靠性。寿命试验 2的工况设计如表2所示。

此次寿命试验共完成转数1.8×106正转及1.8×106反转，累计寿命次数超过3.6×106。试验工况设计为机构在±35°角度范围内往复间歇运动，程控谐波输出端（低速轴）在-35°～ +35°的过程中启停7次，并在两端极限位置处反向，平均转速约450r/min。轴系工作过程中的每一次启停均为加速→匀速→减速→停止的过程。对于谐波减速器输出端（低速端），加速时负载扭矩最大值为+3.5N·m，然后逐渐减小；匀速时输出端负载扭矩约为0；减速时输出端负载扭矩约为-1.4N·m。即谐波减速器工作模式为间歇往复运动，试验期间谐波啮合齿间处于持续交变应力下，且其最大受力（3.5N·m）约为额定负载（5.4N·m）的60%。

环境温度/℃相对湿度/ %输出转矩/（N · m）输入转速/（r / m i n）输出端（低速端）转数常温常压2 0 ± 3≤6 0交变应力间歇往复运动顺时针1 . 8 × 1 06最大值3 . 5均值4 5 0逆时针1 . 8 × 1 06

该寿命试验共历时9个月，寿命试验前后，分别测试了谐波指向机构的功能和指向精度。谐波指向机构产品性能稳定的基本标志是在整个寿命试验过程中机构的功能正常，且指向精度稳定，没有持续恶化趋势。测试数据比对如表3所示。由表中数据可知，谐波指向机构在经历3.6×106次寿命试验后，机构功能正常，指向精度无明显变化。（表3中显示的指向精度的小幅变化包含测量误差因素）

表3 寿命试验2前后指向精度测试记录表Tab.3 The test for pointing accuracy before and after life testing 2表2 寿命试验2工况Tab.2 Working conditions of life test 2

谐波启动力矩的变化可直接反映谐波减速器的健康状态，寿命试验每进行 8.0×105次测试一次谐波启动力矩，表4给出各阶段的测试数据比对。由表4数据可知，谐波指向机构在寿命试验前期，谐波启动力矩略有变化，当寿命试验进行至中后期，谐波启动力矩基本稳定。

表4 寿命试验2测试数据记录表Tab.4 The test data record for life testing 2

由上述寿命试验前后对机构性能的测试及寿命试验中对谐波启动力矩的测试数据比对可知，该谐波指向机构寿命试验过程中产品各项功能和性能均未出现恶化趋势或异常现象，谐波启动力矩保持稳定、没有发生明显变化。由此认为该谐波指向机构通过了3.6×106次寿命试验考核。

2.4 本章小结

从理论角度分析谐波减速器在轻载的工况运行时，其疲劳寿命可达1010量级，即使略超出产品的额定负载时，其疲劳寿命仍可达109量级。但由于空间环境及空间载荷的特殊性，导致空间谐波机构无法实现理想润滑状态，进而导致谐波机构产品的长寿命指标成为设计时的难点。

本章通过2种具有代表性工况的寿命试验，分析和验证了谐波减速器在不同负载和不同工作模式时的寿命可靠性。由试验和测试结果可知，采用空间固脂混合润滑方式时，当谐波减速器工作于额定负载的60%范围内，且工作模式为平稳无冲击、整周旋转无频繁启停换向时，其寿命可达 3×106；当谐波减速器工作模式为间歇往复运动时，谐波啮合齿间长期处于交变应力下，当其瞬时最大受力小于额定负载的60%时，谐波减速器寿命可达3.6×106。

4 结束语

本文针对空间遥感技术应用，分析了谐波减速器的失效模式及其寿命敏感因素，并通过试验验证得出了谐波减速器寿命与负载及工作模式的相关性。本文的分析和验证适用于空间高精度谐波机构。同时基于上述理论和试验，通过一高精度谐波指向机构，进行了往复间歇运动寿命试验，验证了谐波减速器可满足3.6×106往复间歇运动的长寿命使用要求，且保证机构指向精度达30″。

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Research on High-precision & Long-life Harmonic Drive Applied in Spacecraft

CAO Qian LI Ming XU Pengmei
（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100190, China）

Facing the increasing demand of high-precision and long-life mechanisms, the paper takes space harmonic drive as the research object. The study and development of harmonic drive by now in the whole world are introduced firstly, and the failure modes and life critical factors of harmonic drive are analyzed. Then the high precision technology and long life harmonic drive used in spacecraft is researched. The effects of different payload and working models on harmonic drive’s life and precision are studied in this paper, and some life testings based on different load cases and working modes are performed. And also based on all the analysis and tests, some key indicators of the high-precision and long-life harmonic drive are presented during its application in spacecraft. In the end, a high precision mechanism which is driven through harmonic gears as a reducer is designed. The life test of this mechanism can reach to 3.6×106when its working mode is reciprocating and intermittent. At the same time, the pointing accuracy of this mechanism can reach to 30″.

pointing mechanism; harmonic drive; high precision; long life; space remote sensing

V474.2

A

1009-8518(2017)03-0078-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.03.009

曹倩，女，1984年生，2010年获北京邮电大学硕士学位，工程师。研究方向为航天遥感器机构设计。E-mail：271673978@qq.com。

（编辑：毛建杰）

2017-03-20