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《電子機(jī)械工程雜志》2014年第三期

1差動(dòng)匯流環(huán)的工作原理

差動(dòng)匯流環(huán)通過基座安裝在天線座上，其中的動(dòng)電刷環(huán)固定在中心軸上，轉(zhuǎn)子環(huán)通過差動(dòng)機(jī)構(gòu)和中心軸相連，轉(zhuǎn)子環(huán)中上、下2組相對應(yīng)的接觸塊用導(dǎo)線連通，靜電刷環(huán)固定在基座上。動(dòng)電刷環(huán)、靜電刷環(huán)組分別與轉(zhuǎn)子環(huán)上的上、下2層接觸塊在圓柱面上相接觸，電刷壓力通過彈簧來調(diào)節(jié)。當(dāng)中心軸以轉(zhuǎn)速ω轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子環(huán)將以ω/2的轉(zhuǎn)速同向轉(zhuǎn)動(dòng)(由差動(dòng)機(jī)構(gòu)決定)，保證了信號(hào)傳輸?shù)恼_性。差動(dòng)匯流環(huán)的工作原理如圖2所示。

2差動(dòng)匯流環(huán)的誤差分析計(jì)算

任何機(jī)械裝置的零部件都存在加工、裝配誤差，該差動(dòng)匯流環(huán)為中心距可調(diào)的多層柱面接觸式差動(dòng)匯環(huán)，其誤差包括機(jī)械傳動(dòng)誤差和由接觸塊及電刷組件構(gòu)成的電氣誤差2部分。

2．1差動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)誤差差動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由中心轉(zhuǎn)軸、球軸承、差動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)體、聯(lián)接底座、中心齒輪、差動(dòng)齒輪、小齒輪、大齒輪等組成，2組相互對應(yīng)嚙合的圓柱齒輪采用平行軸安裝方式，如圖3所示。根據(jù)其傳動(dòng)特點(diǎn)分析，回程誤差是造成電刷與接觸塊錯(cuò)位的主要因素，其次是傳動(dòng)誤差，各零部件的加工、裝配誤差等。

2．1．1回程誤差的分析計(jì)算影響回程誤差的主要因素有齒輪公法線均長偏差、齒圈徑跳、軸承游隙、孔軸配合公差、孔中心距公差等。(1)各誤差的均值和方差計(jì)算各主要誤差影響因素均符合正態(tài)分布，各均值和方差計(jì)算查表結(jié)果(其中軸承精度6級，齒輪精度7級)見表1。(2)齒輪副的切向誤差綜合計(jì)算齒輪副的切向誤差計(jì)算結(jié)果見表2、表3。

2．1．2調(diào)整中心距后傳動(dòng)誤差計(jì)算調(diào)整中心距后傳動(dòng)誤差的計(jì)算公式。

2．2接觸塊及電刷組件誤差

2．2．1接觸塊組合誤差接觸塊組合誤差包括接觸塊自身的加工、裝配誤差以及轉(zhuǎn)子上接觸塊安裝孔的分度誤差。接觸塊加工誤差按經(jīng)濟(jì)加工精度進(jìn)行預(yù)先分配:1)接觸塊寬度為7．8±0．04mm;2)接觸塊對稱度為0．3mm(IT13);3)接觸塊定位孔最大間隙為0．24mm;4)接觸塊裝配傾斜為0．2mm;5)接觸塊安裝孔的分度誤差為±0．28mm;6)接觸塊中心距為10．053±0．28mm。

2．2．2電刷組件誤差電刷組件誤差包括3部分:電刷自身的設(shè)計(jì)、加工、裝配誤差;電刷導(dǎo)向套的加工、裝配誤差;動(dòng)刷環(huán)、靜刷環(huán)上導(dǎo)向套安裝孔的分度誤差。1)電刷與導(dǎo)向套位孔最大間隙為0．122mm;2)導(dǎo)向套位安裝孔的分度誤差為±0．28mm;3)導(dǎo)向套裝配傾斜為0．2mm;4)導(dǎo)向套裝配最大間隙為0．125mm;5)電刷傾斜為0．2mm。

2．2．3接觸塊組合及電刷組件誤差綜合上述各項(xiàng)誤差按正態(tài)分布處理，其方差Dd=258．5851×10－4mm，均值μd=0mm。2．3機(jī)電綜合誤差計(jì)算綜合誤差為機(jī)械誤差和電氣誤差的綜合，其計(jì)算公式。

3優(yōu)化設(shè)計(jì)

3．1優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

根據(jù)差動(dòng)匯流環(huán)的機(jī)電傳輸原理，建立數(shù)學(xué)誤差模型，從影響差動(dòng)匯流環(huán)性能的誤差來源入手，進(jìn)行誤差分析計(jì)算，在確保產(chǎn)品性能的前提下，按主次提出經(jīng)濟(jì)合理的加工制造精度。在解決存在的問題基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制造出性能優(yōu)良、性價(jià)比高的差動(dòng)匯流環(huán)，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)匯流環(huán)的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化、專業(yè)化打下基礎(chǔ)。優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟在于:1)解決現(xiàn)存問題;2)認(rèn)準(zhǔn)誤差來源;3)分清誤差機(jī)理;4)對各種誤差按主次進(jìn)行合理分配;5)提出經(jīng)濟(jì)的加工制造精度。

3．2匯流環(huán)存在的問題與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

原差動(dòng)匯流環(huán)從20世紀(jì)80年代初期一直沿用至20世紀(jì)90年代中期，雖然根據(jù)生產(chǎn)加工中發(fā)現(xiàn)的問題做過一些必要的改進(jìn)，但其設(shè)計(jì)還未達(dá)到合理、優(yōu)化的程度，因而加工出的產(chǎn)品一次成功的概率低，且生產(chǎn)難度大，在應(yīng)用中還經(jīng)常出現(xiàn)以信號(hào)無故閃斷為主要故障現(xiàn)象的系列問題。匯流環(huán)存在的問題與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及優(yōu)化成果主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

3．2．1原材料選取方面(1)原匯流環(huán)存在的問題在原材料材質(zhì)選取方面缺乏產(chǎn)品觀念，選材不合理，有一些特殊器材，消耗量不大，但市場上不易購買，每次都單獨(dú)解決這些器材，經(jīng)濟(jì)上浪費(fèi)很大。導(dǎo)電接觸摩擦副材料價(jià)格昂貴:匯流塊為銀銅釩，電刷為銀－石墨合金(J390－1);傳動(dòng)齒輪副材料價(jià)格昂貴，熱處理工藝復(fù)雜。大齒輪材料為38CrMoAIA，小齒輪材料為20CrMnTi。(2)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法與措施匯流塊材料改為62黃銅，電刷材料改為銀－碳纖維(JF390－1);大齒輪、小齒輪材料均改為45鋼。(3)優(yōu)化成果解決了稀有材料價(jià)格昂貴和不易采購的問題，極大地降低了成本，提高了耐磨性和產(chǎn)品壽命;極大地降低了成本，提高了生產(chǎn)效率。

3．2．2零部件的加工精度要求方面零部件的加工精度要求不盡合理，實(shí)現(xiàn)的加工精度與圖紙要求的精度相差甚遠(yuǎn)，只好由設(shè)計(jì)師現(xiàn)場簽名“讓步接收”后使用，而不同的設(shè)計(jì)師對某些誤差的理解有差異，造成精度要求很隨意。(1)原匯流環(huán)存在的問題匯流環(huán)總裝技術(shù)要求中沒有總裝精度要求，使總裝精度失控。匯流塊為分體焊接結(jié)構(gòu)，各分體件尺寸要求、基準(zhǔn)選取不合理，成品率僅為20%;采用2次鍍銀工序，成本很高。電刷頭和導(dǎo)電柱為分體焊接結(jié)構(gòu)，表面處理采用2次鍍銀工序，工藝過程復(fù)雜，成本很高。轉(zhuǎn)子上接觸塊安裝孔與匯流塊安裝軸徑配合間隙太大，手工安裝接觸塊很難保證精度。動(dòng)刷環(huán)、靜刷環(huán)上電刷安裝孔，轉(zhuǎn)子上接觸塊安裝孔圓周分布公差等級嚴(yán)重偏高，生產(chǎn)中無法滿足精度要求。(2)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法與措施在總裝技術(shù)要求中，增加總裝誤差要求，使總裝精度得到有效控制;匯流塊改為一體結(jié)構(gòu)，取消了焊接和鍍銀工序;電刷頭和導(dǎo)電柱改為一體結(jié)構(gòu)，取消了焊接和鍍銀工序;按經(jīng)濟(jì)加工精度調(diào)整軸、孔徑配合間隙，采用工裝安裝;顯著降低動(dòng)刷環(huán)、靜刷環(huán)上電刷安裝孔及轉(zhuǎn)子接觸塊安裝孔圓周分布公差等級。(3)優(yōu)化成果生產(chǎn)制造時(shí)，操作方便，有章可循，質(zhì)量可控;極大地縮減了工藝流程，杜絕了2個(gè)誤差源，降低了公差等級，成品率提高到100%，極大地降低了成本，縮短了生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率。

3．2．3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式方面設(shè)計(jì)師在原材料型材選取方面缺乏產(chǎn)品觀念，型材選取不合理，不計(jì)成本，對導(dǎo)電接觸摩擦副最佳壓力不清楚，對中心距可調(diào)式結(jié)構(gòu)沒有完全理解。(1)原匯流環(huán)存在的問題采用聯(lián)軸齒輪結(jié)構(gòu)耗材太多，由于齒輪分度圓和兩端軸徑相差較大，設(shè)計(jì)成一體結(jié)構(gòu)，浪費(fèi)的材料大于80%;內(nèi)孔徑較大的中心軸、套筒、各種襯套的選材全部為棒料，加工時(shí)浪費(fèi)材料，耗費(fèi)工時(shí);不清楚導(dǎo)電摩擦副最佳壓力，隨意設(shè)計(jì)壓力彈簧;電刷的壓力調(diào)整彈簧剛度太大，沒法正常調(diào)整，整機(jī)組裝時(shí)，現(xiàn)場常采用剪短彈簧的辦法，一方面使彈簧長短不一，另一方面破壞了彈簧端平面，使電刷的壓力很難調(diào)整;齒厚極限偏差為GK。(2)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法與措施將聯(lián)軸齒輪改為分體結(jié)構(gòu)，熱套裝配;根據(jù)各件結(jié)構(gòu)，選用相近管材;依據(jù)導(dǎo)電摩擦副最佳壓力，重新設(shè)計(jì)彈簧;齒厚極限偏差修改為FH。(3)優(yōu)化成果極大地降低了材料及加工成本，提高了工作效率;導(dǎo)電副摩擦副壓力便于調(diào)節(jié)，接觸電阻小，運(yùn)行穩(wěn)定可靠;減小回差，調(diào)整方便。

4電刷短路與斷路的判斷及分析計(jì)算

電刷短路與斷路問題是決定差動(dòng)匯流環(huán)成敗的關(guān)鍵問題。

4．1電刷短路的判斷及分析計(jì)算

4．1．1電刷短路及發(fā)生的條件電刷短路是指2組動(dòng)、靜對應(yīng)電刷及相應(yīng)的接觸塊，由于相互位置發(fā)生錯(cuò)位，電刷和第3個(gè)接觸塊同時(shí)發(fā)生接觸現(xiàn)象，引起電流短路。只有在接觸塊寬度尺寸最大、電刷厚度尺寸最大及圓周分布間距最小時(shí)才會(huì)發(fā)生電刷短路。

4．1．2電刷短路的判斷計(jì)算根據(jù)電刷短路條件繪制尺寸鏈，如圖4所示。電刷組件最大尺寸為Amax=(0．1+4+0．006)×2=8．212mm，接觸塊間距最小尺寸為Bmin=［10．053－0．28－(3．9+0．02+0．15+0．12+0．1)］×2=10．96mm＞Amax，故不會(huì)發(fā)生短路現(xiàn)象。

4．2電刷斷路的判斷及分析計(jì)算

4．2．1電刷斷路及發(fā)生的條件電刷斷路是指2組動(dòng)、靜對應(yīng)電刷及相應(yīng)接觸塊由于相互位置錯(cuò)位，一組電刷和接觸塊發(fā)生脫離現(xiàn)象，引起電流斷路。只有在接觸塊寬度尺寸最小、電刷厚度尺寸最小及圓周分布間距最大時(shí)才會(huì)發(fā)生電刷斷路。

4．2．2電刷斷路的判斷計(jì)算根據(jù)電刷斷路條件繪制尺寸鏈，如圖5所示。兩接觸塊中心間距最大尺寸為10．053+0．28=10．333mm，兩接觸塊側(cè)距最大尺寸為Amax=10．333－(3．9－0．02－0．12－0．15)×2=3．113mm。此時(shí)電刷相互錯(cuò)位為7．8－3．113=4．687mm，就其對稱位置錯(cuò)位為±2．3435mm，即當(dāng)電刷中心相互錯(cuò)位為±2．3435mm時(shí)，就會(huì)發(fā)生斷路現(xiàn)象。根據(jù)已知條件:由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)誤差引起的電刷最大錯(cuò)位為0．9091mm，總裝要求2組電刷相互錯(cuò)位最大為±0．5mm(工程中很容易實(shí)現(xiàn))，則電刷實(shí)際相互錯(cuò)位最大值為0．9091+0．5=1．4091mm＜2．3435mm，故不會(huì)發(fā)生斷路現(xiàn)象。

5結(jié)束語

從對影響差動(dòng)匯流環(huán)質(zhì)量的各種誤差進(jìn)行的分析計(jì)算可以看出，差動(dòng)匯流環(huán)對其各零部件的加工精度要求并不高，只要對加工誤差進(jìn)行合理分配，就能以非常經(jīng)濟(jì)的加工精度生產(chǎn)出高質(zhì)量的差動(dòng)匯流環(huán)。據(jù)此對差動(dòng)匯流環(huán)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以極大地提高差動(dòng)匯流環(huán)的質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。20多年來，近百套差動(dòng)匯流環(huán)的成功應(yīng)用，充分證明了誤差分析計(jì)算及優(yōu)化設(shè)計(jì)的正確性。

作者：張哲軍單位：中國電子科技集團(tuán)公司第三十九研究所