差动汇流环误差分析范文

《电子机械工程杂志》2014年第三期

1差动汇流环的工作原理

差动汇流环通过基座安装在天线座上，其中的动电刷环固定在中心轴上，转子环通过差动机构和中心轴相连，转子环中上、下2组相对应的接触块用导线连通，静电刷环固定在基座上。动电刷环、静电刷环组分别与转子环上的上、下2层接触块在圆柱面上相接触，电刷压力通过弹簧来调节。当中心轴以转速ω转动时，转子环将以ω/2的转速同向转动(由差动机构决定)，保证了信号传输的正确性。差动汇流环的工作原理如图2所示。

2差动汇流环的误差分析计算

任何机械装置的零部件都存在加工、装配误差，该差动汇流环为中心距可调的多层柱面接触式差动汇环，其误差包括机械传动误差和由接触块及电刷组件构成的电气误差2部分。

2．1差动传动机构误差差动传动机构主要由中心转轴、球轴承、差动转动体、联接底座、中心齿轮、差动齿轮、小齿轮、大齿轮等组成，2组相互对应啮合的圆柱齿轮采用平行轴安装方式，如图3所示。根据其传动特点分析，回程误差是造成电刷与接触块错位的主要因素，其次是传动误差，各零部件的加工、装配误差等。

2．1．1回程误差的分析计算影响回程误差的主要因素有齿轮公法线均长偏差、齿圈径跳、轴承游隙、孔轴配合公差、孔中心距公差等。(1)各误差的均值和方差计算各主要误差影响因素均符合正态分布，各均值和方差计算查表结果(其中轴承精度6级，齿轮精度7级)见表1。(2)齿轮副的切向误差综合计算齿轮副的切向误差计算结果见表2、表3。

2．1．2调整中心距后传动误差计算调整中心距后传动误差的计算公式。

2．2接触块及电刷组件误差

2．2．1接触块组合误差接触块组合误差包括接触块自身的加工、装配误差以及转子上接触块安装孔的分度误差。接触块加工误差按经济加工精度进行预先分配:1)接触块宽度为7．8±0．04mm;2)接触块对称度为0．3mm(IT13);3)接触块定位孔最大间隙为0．24mm;4)接触块装配倾斜为0．2mm;5)接触块安装孔的分度误差为±0．28mm;6)接触块中心距为10．053±0．28mm。

2．2．2电刷组件误差电刷组件误差包括3部分:电刷自身的设计、加工、装配误差;电刷导向套的加工、装配误差;动刷环、静刷环上导向套安装孔的分度误差。1)电刷与导向套位孔最大间隙为0．122mm;2)导向套位安装孔的分度误差为±0．28mm;3)导向套装配倾斜为0．2mm;4)导向套装配最大间隙为0．125mm;5)电刷倾斜为0．2mm。

2．2．3接触块组合及电刷组件误差综合上述各项误差按正态分布处理，其方差Dd=258．5851×10－4mm，均值μd=0mm。2．3机电综合误差计算综合误差为机械误差和电气误差的综合，其计算公式。

3优化设计

3．1优化设计思路

根据差动汇流环的机电传输原理，建立数学误差模型，从影响差动汇流环性能的误差来源入手，进行误差分析计算，在确保产品性能的前提下，按主次提出经济合理的加工制造精度。在解决存在的问题基础上，设计制造出性能优良、性价比高的差动汇流环，为后续实现汇流环的标准化、系列化、模块化、专业化打下基础。优化设计的关键步骤在于:1)解决现存问题;2)认准误差来源;3)分清误差机理;4)对各种误差按主次进行合理分配;5)提出经济的加工制造精度。

3．2汇流环存在的问题与优化设计方法

原差动汇流环从20世纪80年代初期一直沿用至20世纪90年代中期，虽然根据生产加工中发现的问题做过一些必要的改进，但其设计还未达到合理、优化的程度，因而加工出的产品一次成功的概率低，且生产难度大，在应用中还经常出现以信号无故闪断为主要故障现象的系列问题。汇流环存在的问题与优化设计方法及优化成果主要表现在以下3个方面。

3．2．1原材料选取方面(1)原汇流环存在的问题在原材料材质选取方面缺乏产品观念，选材不合理，有一些特殊器材，消耗量不大，但市场上不易购买，每次都单独解决这些器材，经济上浪费很大。导电接触摩擦副材料价格昂贵:汇流块为银铜钒，电刷为银－石墨合金(J390－1);传动齿轮副材料价格昂贵，热处理工艺复杂。大齿轮材料为38CrMoAIA，小齿轮材料为20CrMnTi。(2)优化设计方法与措施汇流块材料改为62黄铜，电刷材料改为银－碳纤维(JF390－1);大齿轮、小齿轮材料均改为45钢。(3)优化成果解决了稀有材料价格昂贵和不易采购的问题，极大地降低了成本，提高了耐磨性和产品寿命;极大地降低了成本，提高了生产效率。

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尽合理，实现的加工精度与图纸要求的精度相差甚远，只好由设计师现场签名“让步接收”后使用，而不同的设计师对某些误差的理解有差异，造成精度要求很随意。(1)原汇流环存在的问题汇流环总装技术要求中没有总装精度要求，使总装精度失控。汇流块为分体焊接结构，各分体件尺寸要求、基准选取不合理，成品率仅为20%;采用2次镀银工序，成本很高。电刷头和导电柱为分体焊接结构，表面处理采用2次镀银工序，工艺过程复杂，成本很高。转子上接触块安装孔与汇流块安装轴径配合间隙太大，手工安装接触块很难保证精度。动刷环、静刷环上电刷安装孔，转子上接触块安装孔圆周分布公差等级严重偏高，生产中无法满足精度要求。(2)优化设计方法与措施在总装技术要求中，增加总装误差要求，使总装精度得到有效控制;汇流块改为一体结构，取消了焊接和镀银工序;电刷头和导电柱改为一体结构，取消了焊接和镀银工序;按经济加工精度调整轴、孔径配合间隙，采用工装安装;显著降低动刷环、静刷环上电刷安装孔及转子接触块安装孔圆周分布公差等级。(3)优化成果生产制造时，操作方便，有章可循，质量可控;极大地缩减了工艺流程，杜绝了2个误差源，降低了公差等级，成品率提高到100%，极大地降低了成本，缩短了生产周期，提高了生产效率。

3．2．3结构设计形式方面设计师在原材料型材选取方面缺乏产品观念，型材选取不合理，不计成本，对导电接触摩擦副最佳压力不清楚，对中心距可调式结构没有完全理解。(1)原汇流环存在的问题采用联轴齿轮结构耗材太多，由于齿轮分度圆和两端轴径相差较大，设计成一体结构，浪费的材料大于80%;内孔径较大的中心轴、套筒、各种衬套的选材全部为棒料，加工时浪费材料，耗费工时;不清楚导电摩擦副最佳压力，随意设计压力弹簧;电刷的压力调整弹簧刚度太大，没法正常调整，整机组装时，现场常采用剪短弹簧的办法，一方面使弹簧长短不一，另一方面破坏了弹簧端平面，使电刷的压力很难调整;齿厚极限偏差为GK。(2)优化设计方法与措施将联轴齿轮改为分体结构，热套装配;根据各件结构，选用相近管材;依据导电摩擦副最佳压力，重新设计弹簧;齿厚极限偏差修改为FH。(3)优化成果极大地降低了材料及加工成本，提高了工作效率;导电副摩擦副压力便于调节，接触电阻小，运行稳定可靠;减小回差，调整方便。

4电刷短路与断路的判断及分析计算

电刷短路与断路问题是决定差动汇流环成败的关键问题。

4．1电刷短路的判断及分析计算

4．1．1电刷短路及发生的条件电刷短路是指2组动、静对应电刷及相应的接触块，由于相互位置发生错位，电刷和第3个接触块同时发生接触现象，引起电流短路。只有在接触块宽度尺寸最大、电刷厚度尺寸最大及圆周分布间距最小时才会发生电刷短路。

4．1．2电刷短路的判断计算根据电刷短路条件绘制尺寸链，如图4所示。电刷组件最大尺寸为Amax=(0．1+4+0．006)×2=8．212mm，接触块间距最小尺寸为Bmin=［10．053－0．28－(3．9+0．02+0．15+0．12+0．1)］×2=10．96mm＞Amax，故不会发生短路现象。

4．2电刷断路的判断及分析计算

4．2．1电刷断路及发生的条件电刷断路是指2组动、静对应电刷及相应接触块由于相互位置错位，一组电刷和接触块发生脱离现象，引起电流断路。只有在接触块宽度尺寸最小、电刷厚度尺寸最小及圆周分布间距最大时才会发生电刷断路。

4．2．2电刷断路的判断计算根据电刷断路条件绘制尺寸链，如图5所示。两接触块中心间距最大尺寸为10．053+0．28=10．333mm，两接触块侧距最大尺寸为Amax=10．333－(3．9－0．02－0．12－0．15)×2=3．113mm。此时电刷相互错位为7．8－3．113=4．687mm，就其对称位置错位为±2．3435mm，即当电刷中心相互错位为±2．3435mm时，就会发生断路现象。根据已知条件:由传动机构误差引起的电刷最大错位为0．9091mm，总装要求2组电刷相互错位最大为±0．5mm(工程中很容易实现)，则电刷实际相互错位最大值为0．9091+0．5=1．4091mm＜2．3435mm，故不会发生断路现象。

5结束语

从对影响差动汇流环质量的各种误差进行的分析计算可以看出，差动汇流环对其各零部件的加工精度要求并不高，只要对加工误差进行合理分配，就能以非常经济的加工精度生产出高质量的差动汇流环。据此对差动汇流环进行优化设计，可以极大地提高差动汇流环的质量，降低生产成本。20多年来，近百套差动汇流环的成功应用，充分证明了误差分析计算及优化设计的正确性。

作者：张哲军单位：中国电子科技集团公司第三十九研究所