伺服用减速机背隙概念

1. 背隙（backlash）

摩擦轮只有在理想中是没有相对滑动，实际上为了保证没有相对滑动，人们使用了齿轮，在圆周面上均匀排列着一定数量的齿形以确保没有相对滑动，同时为了避免回转时啮合的轮齿互相干涉，而设置一定量的公差，这个便是背隙的由来。

图B-19

良好的齿轮传动系统，需要在传动部件之间有一定的“间隙”。间隙可以避免干涉，磨损，过热，确保一定的润滑，补偿制造公差等。齿轮啮合间隙就意味着齿轮的齿间空隙要比齿宽稍微大点。同样，我们在滚动轴承上也会发现有一定的间隙，即在轴承的内圈，滚动体（球形，滚柱），外圈之间的微小空隙。通常，轴或孔的键和键槽也会有间隙的。齿轮箱主要零件的间隙（主要来自齿侧间隙）会导致在负载反转时，即使输入轴锁定（不转），输出轴也会转一个小的角度。轴的“空载转角”就称为齿轮箱的转动背

隙。如图B-20所示。 图B-20

理论上，产生背隙并不需要任何扭矩，然而在实际的应用中，需要一定的扭矩来克服零件的摩擦。当间隙已消除，随着扭矩的增加，零件呈弹性变形，从输出轴来看，似乎转动的角度取决于扭矩，并且其大小就是齿轮箱的刚度。实际应用中的扭矩特性曲线如上图B-21所示。曲线的斜率越高表示减速机的刚性越差。

在没有负载反转或反转后的位置不是很关键的应用场合，齿轮箱的背隙并不是个重要的问题。 图B-21

在负载频繁反向的精确定位应用中（如机器人，一些自动控制设备等），背隙直接影响了定位精度。因此，针对这些应用设计的伺服齿轮箱都会被做成具有非常低的、严格控制的间隙和高刚度。

2.背隙定义与测量

如何定义和测量背隙

从输出端来定义背隙，这是一个不成文的工业标准。输出端测量的背隙对输入端的影响基本上取决于减速比。

输出端背隙 = i × 输入端空转

注意！上面的公式是理论的。在实际测量中有偏差，尤其是多级齿轮箱，因为每一级间隙的影响取决于这个间隙在整个齿轮动链所处的位置，并且在每个啮合环节，间隙并不是完全相同的。

伺服齿轮箱的背隙通常以角分为单位，1角分=1度/60。不幸的是，经常称背隙为“弧分”，这是个数学或物理上的无稽之谈，因为角度的弧度定义中并没有分的概念。

比如说，500毫米直径的齿轮与齿轮之间的空隙是0.4毫米，那么背隙就是：

[0.4mm/ ( 2 * 3.14 *500mm)] x 360度 x 60分 = 2.75 角分

齿轮箱的样本中背隙所标注的所有数值实际是“角分”。低背隙精密减速机的背隙应该小于5角分，标准背隙精密减速机背隙值在5角分至30角分之间不等。

3.背隙的测量方法：

尽管看上去微不足道，要正确的测量齿轮箱的背隙要求合适的测试工具和仪器。固定齿轮箱和输入轴的夹具的刚度要尽可能的高。输出轴转动角度可以直接通过高精度编码器或者间接方法来测量。间接方法是指在输出轴上安装一个比较长的刚性力臂，用千分表来测量一定距离的位移，并计算出相对应的转动角度。

因为要求一定的扭矩来克服系统的所有间隙，最精确的方法是测量齿轮箱的一个完整的负载往复循环（从零到顺时针方向的额定负载扭矩值，然后卸载，扭矩反向到逆时针额定扭矩值），见右图B-21。通过这个方法，就可以得到齿轮箱完整的滞环曲线，不仅可以决定实际的回冲，且决定齿轮箱的抗扭刚度和任一负载下的loss motion。（loss motion我们在后面会解释其含义。

有时也可以用一简单的方法近似测量：确保输出轴顺时针预紧后卸载，反向施加额定负载扭矩值的2%扭矩。用千分表来测量安装在输出轴上的刚性力臂距回转中心一定距离处的位移，并计算出相对应的转动角度。

3.扭转刚性（stiffness）

刚性 (弹性值的倒数)描述的是由于齿轮部件的弹性变形引起带载输出轴存在的扭曲，刚度和弹性是由齿轮箱的测出扭转偏差/负载的比值确定。如图B-20和图B-21所示。刚度的单位是指产生单位扭转偏差需要的扭矩。一般使用的单位是：Nm/rad。

4.滞后损失（lost motion，Hysteresis loss）

如图B-20所示，在输出端，当逐步施加力矩到额定力矩后，再逐步释放力矩到0，这时，传动角并没有同样回到0，而是存在一个很小的滞后值，这个数值就称之为滞后损失。

由于harmonic，sejin，RV等齿轮箱没有背隙，但存在这种因为弹性变形造成的误差。

在行星减速机中，没有使用loss motion这个概念，但从图B-21中可以看出同样存在，只是在这些相对低精度的齿轮箱中，背隙是主要因素，所以通常厂家不再提这种误差，而是将其归结到扭转刚性中。 图B-22

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