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1. 背隙（backlash）
齒輪的變速原理可以看成是兩個(gè)不同節(jié)徑的摩擦輪作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。假設(shè)在接觸點(diǎn)沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)，也就是同一圓周面的切線速度相等，而二輪具有不同節(jié)徑，那么其轉(zhuǎn)速就不同而且轉(zhuǎn)速比是一個(gè)只與節(jié)徑比相關(guān)的定值。
摩擦輪只有在理想中是沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)，實(shí)際上為了保證沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)，人們使用了齒輪，在圓周面上均勻排列著一定數(shù)量的齒形以確保沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)，同時(shí)為了避免回轉(zhuǎn)時(shí)嚙合的輪齒互相干涉，而設(shè)置一定量的公差，這個(gè)便是背隙的由來(lái)。
圖B-19
良好的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，需要在傳動(dòng)部件之間有一定的“間隙”。間隙可以避免干涉，磨損，過(guò)熱，確保一定的潤(rùn)滑，補(bǔ)償制造公差等。齒輪嚙合間隙就意味著齒輪的齒間空隙要比齒寬稍微大點(diǎn)。同樣，我們?cè)跐L動(dòng)軸承上也會(huì)發(fā)現(xiàn)有一定的間隙，即在軸承的內(nèi)圈，滾動(dòng)體（球形，滾柱），外圈之間的微小空隙。通常，軸或孔的鍵和鍵槽也會(huì)有間隙的。齒輪箱主要零件的間隙（主要來(lái)自齒側(cè)間隙）會(huì)導(dǎo)致在負(fù)載反轉(zhuǎn)時(shí)，即使輸入軸鎖定（不轉(zhuǎn)），輸出軸也會(huì)轉(zhuǎn)一個(gè)小的角度。軸的“空載轉(zhuǎn)角”就稱為齒輪箱的轉(zhuǎn)動(dòng)背
隙。如圖B-20所示。 圖B-20
理論上，產(chǎn)生背隙并不需要任何扭矩，然而在實(shí)際的應(yīng)用中，需要一定的扭矩來(lái)克服零件的摩擦。當(dāng)間隙已消除，隨著扭矩的增加，零件呈彈性變形，從輸出軸來(lái)看，似乎轉(zhuǎn)動(dòng)的角度取決于扭矩，并且其大小就是齒輪箱的剛度。實(shí)際應(yīng)用中的扭矩特性曲線如上圖B-21所示。曲線的斜率越高表示減速機(jī)的剛性越差。
在沒(méi)有負(fù)載反轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)后的位置不是很關(guān)鍵的應(yīng)用場(chǎng)合，齒輪箱的背隙并不是個(gè)重要的問(wèn)題。 圖B-21
在負(fù)載頻繁反向的精確定位應(yīng)用中（如機(jī)器人，一些自動(dòng)控制設(shè)備等），背隙直接影響了定位精度。因此，針對(duì)這些應(yīng)用設(shè)計(jì)的伺服齒輪箱都會(huì)被做成具有非常低的、嚴(yán)格控制的間隙和高剛度。
2.背隙定義與測(cè)量
如何定義和測(cè)量背隙
從輸出端來(lái)定義背隙，這是一個(gè)不成文的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。輸出端測(cè)量的背隙對(duì)輸入端的影響基本上取決于減速比。
輸出端背隙 = i × 輸入端空轉(zhuǎn)
注意！上面的公式是理論的。在實(shí)際測(cè)量中有偏差，尤其是多級(jí)齒輪箱，因?yàn)槊恳患?jí)間隙的影響取決于這個(gè)間隙在整個(gè)齒輪動(dòng)鏈所處的位置，并且在每個(gè)嚙合環(huán)節(jié)，間隙并不是完全相同的。
伺服齒輪箱的背隙通常以角分為單位，1角分=1度/60。不幸的是，經(jīng)常稱背隙為“弧分”，這是個(gè)數(shù)學(xué)或物理上的無(wú)稽之談，因?yàn)榻嵌鹊幕《榷x中并沒(méi)有分的概念。
比如說(shuō)，500毫米直徑的齒輪與齒輪之間的空隙是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
齒輪箱的樣本中背隙所標(biāo)注的所有數(shù)值實(shí)際是“角分”。低背隙精密減速機(jī)的背隙應(yīng)該小于5角分，標(biāo)準(zhǔn)背隙精密減速機(jī)背隙值在5角分至30角分之間不等。
3.背隙的測(cè)量方法：
盡管看上去微不足道，要正確的測(cè)量齒輪箱的背隙要求合適的測(cè)試工具和儀器。固定齒輪箱和輸入軸的夾具的剛度要盡可能的高。輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度可以直接通過(guò)高精度編碼器或者間接方法來(lái)測(cè)量。間接方法是指在輸出軸上安裝一個(gè)比較長(zhǎng)的剛性力臂，用千分表來(lái)測(cè)量一定距離的位移，并計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。
因?yàn)橐笠欢ǖ呐ぞ貋?lái)克服系統(tǒng)的所有間隙，最精確的方法是測(cè)量齒輪箱的一個(gè)完整的負(fù)載往復(fù)循環(huán)（從零到順時(shí)針?lè)较虻念~定負(fù)載扭矩值，然后卸載，扭矩反向到逆時(shí)針額定扭矩值），見(jiàn)右圖B-21。通過(guò)這個(gè)方法，就可以得到齒輪箱完整的滯環(huán)曲線，不僅可以決定實(shí)際的回沖，且決定齒輪箱的抗扭剛度和任一負(fù)載下的loss motion。（loss motion我們?cè)诤竺鏁?huì)解釋其含義。
有時(shí)也可以用一簡(jiǎn)單的方法近似測(cè)量：確保輸出軸順時(shí)針預(yù)緊后卸載，反向施加額定負(fù)載扭矩值的2%扭矩。用千分表來(lái)測(cè)量安裝在輸出軸上的剛性力臂距回轉(zhuǎn)中心一定距離處的位移，并計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。
3.扭轉(zhuǎn)剛性（stiffness）
剛性 (彈性值的倒數(shù))描述的是由于齒輪部件的彈性變形引起帶載輸出軸存在的扭曲，剛度和彈性是由齒輪箱的測(cè)出扭轉(zhuǎn)偏差/負(fù)載的比值確定。如圖B-20和圖B-21所示。剛度的單位是指產(chǎn)生單位扭轉(zhuǎn)偏差需要的扭矩。一般使用的單位是：Nm/rad。
4.滯后損失（lost motion，Hysteresis loss）
如圖B-20所示，在輸出端，當(dāng)逐步施加力矩到額定力矩后，再逐步釋放力矩到0，這時(shí)，傳動(dòng)角并沒(méi)有同樣回到0，而是存在一個(gè)很小的滯后值，這個(gè)數(shù)值就稱之為滯后損失。
由于harmonic，sejin，RV等齒輪箱沒(méi)有背隙，但存在這種因?yàn)閺椥宰冃卧斐傻恼`差。
在行星減速機(jī)中，沒(méi)有使用loss motion這個(gè)概念，但從圖B-21中可以看出同樣存在，只是在這些相對(duì)低精度的齒輪箱中，背隙是主要因素，所以通常廠家不再提這種誤差，而是將其歸結(jié)到扭轉(zhuǎn)剛性中。 圖B-22
5.角度傳遞精度(angular transmission accuracy)
理論上講，當(dāng)輸入角θ經(jīng)過(guò)減速比i之后，其輸出角度應(yīng)該是θ×i，而實(shí)際情況下任何精密的減速機(jī)都不可能達(dá)到這個(gè)要求，總是會(huì)有誤差的，這個(gè)誤差的大小就是減速機(jī)的角度傳遞精度。不是所有的廠家都會(huì)在樣本里給出這個(gè)參數(shù)。
6.效率(Efficiency)
是指減速機(jī)傳遞電機(jī)功率
的能力體現(xiàn)，主要影響因素為減速機(jī)內(nèi)部齒輪傳動(dòng)過(guò)程中的摩擦力。
7.使用壽命
減速機(jī)的效率一般因減速比、輸入轉(zhuǎn)數(shù)、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、溫度、潤(rùn)滑條件而異。通常樣本里提供的效率是指在輸入轉(zhuǎn)速為3000rpm，溫度為25℃時(shí)的效率，需要注意的是，當(dāng)?shù)蜏厥褂脮r(shí)，這個(gè)壽命需要修正。
圖B-23
大多數(shù)廠家在樣本里標(biāo)明的使用壽命是指軸承的壽命L10，也就是說(shuō)，當(dāng)齒輪箱在合乎規(guī)范的情況下使用，最先壞的應(yīng)該是軸承。所以，在力矩指標(biāo)的規(guī)定中，都會(huì)提及使用壽命。這些指標(biāo)是相互關(guān)聯(lián)的。使用壽命是基礎(chǔ)參數(shù)，樣本里的很多數(shù)據(jù)是基于使用壽命來(lái)計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證后確定下來(lái)的，舉例說(shuō)，當(dāng)你把輸入轉(zhuǎn)速?gòu)念~定轉(zhuǎn)速提高到最大允許轉(zhuǎn)速，如果保持輸出力矩不變，結(jié)果一定是減少壽命，同樣，如果你提高輸入轉(zhuǎn)速30%，但相應(yīng)減小輸出力矩，可能可以保持原來(lái)的使用壽命。
在一些存活壽命很短的應(yīng)用中，是允許超指標(biāo)應(yīng)用的，但最好以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為準(zhǔn)。
如果輸出端的徑向力或軸向力太大，會(huì)減短壽命。另外，當(dāng)使用在固定角度往返頻繁擺動(dòng)的情況下，也需要注意核算壽命。
有一個(gè)影響壽命的因素很容易被忽視，當(dāng)輸出軸的轉(zhuǎn)速長(zhǎng)時(shí)間處于極低運(yùn)轉(zhuǎn)（0.02r/min以下）區(qū)間使用時(shí)，軸承的潤(rùn)滑不足，可導(dǎo)致軸承的老化和驅(qū)動(dòng)側(cè)的負(fù)載上升等。這在如單晶硅拉升爐的應(yīng)用中要特別注意。
當(dāng)減速機(jī)為垂直于水平面使用，尤其是輸出軸在上部使用時(shí)，部分品牌減速機(jī)在輸入端沒(méi)有油封，需要特別注意，因?yàn)檫@種情況長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)導(dǎo)致減速機(jī)齒輪表面由于缺少足夠的潤(rùn)滑油而導(dǎo)致齒輪表面損壞。
8.噪聲
噪聲是指在隔音環(huán)境下，距以輸入轉(zhuǎn)速3000rpm運(yùn)行的齒輪箱1米遠(yuǎn)處的測(cè)量結(jié)果。
一般情況下，渦輪蝸桿減速機(jī)的噪聲較小，今天，人們普遍認(rèn)為斜齒輪會(huì)比直齒噪聲小。其實(shí)，這里有一個(gè)誤區(qū)，伺服用減速機(jī)由于受精度限制，齒側(cè)間隙相對(duì)較小，齒輪嚙合比較緊，在相同背隙條件下，如果齒輪制造精度低，噪聲相對(duì)就會(huì)大，這點(diǎn)，不論是直齒，還是斜齒，都存在上述問(wèn)題，所不同點(diǎn)在于，在同樣厚度的齒輪前提下，斜齒的捏合部分會(huì)比直齒更多。更多的嚙合部位，可以彌補(bǔ)精度方面的不足。普通通用減速機(jī)可以通過(guò)所謂的磨合（如汽車新車通常噪聲比較高，運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，齒輪噪聲會(huì)明顯下降）來(lái)降低噪聲，但這樣帶來(lái)的是結(jié)果是背隙增大，這在伺服用減速機(jī)中是不允許的，所以，人們通過(guò)強(qiáng)化齒輪齒面硬度來(lái)提高抗磨損能力。但即便如此，伺服用減速機(jī)仍然存在帶載運(yùn)行一段時(shí)間后，精度下降問(wèn)題，eisele減速機(jī)采用德國(guó)齒輪，不論在精度，齒面硬度，抗彎，抗沖擊等多方面綜合性能都達(dá)到了相當(dāng)高的水平，另外，通過(guò)加大齒輪厚度，增加嚙合部分。所以，即便采用直齒齒輪，同樣可以達(dá)到普通減速機(jī)斜齒輪的效果。
9.最大輸入軸徑
這個(gè)指標(biāo)有時(shí)不被注意，其實(shí)某種意義上，它限制了可以輸入的最大力矩，而這個(gè)力矩乘以減速比和效率就是可以輸出的最大力矩，你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)在某些廠家的樣本里，其額定力矩會(huì)遠(yuǎn)小于這個(gè)實(shí)際可以輸出的最大力矩。這也許是某種“競(jìng)爭(zhēng)技巧”所致。
10.許用徑向，軸向力
這個(gè)指標(biāo)看上去很清晰，但是因?yàn)榇蠖鄶?shù)廠家沒(méi)有傾覆扭矩的指標(biāo)，如果只是看受力而忽視力臂，后果可能會(huì)很嚴(yán)重，特別是軸向力的力臂在很多應(yīng)用里并不等于零（力并不作用于軸心上）。
徑向力也是很重要的，同時(shí)也要注意樣本里注明的等效力臂，因?yàn)檫@個(gè)力不可能作用在軸根處。很多應(yīng)用于同步帶和齒輪齒條時(shí)，沒(méi)有仔細(xì)測(cè)量作用在齒輪箱軸上的徑向力，導(dǎo)致軸在周根處被擰斷，而客戶反而因此指責(zé)廠家的材質(zhì)有問(wèn)題。要知道，根據(jù)材料力學(xué)原理，當(dāng)一根軸同時(shí)承受交變軸向力和扭矩時(shí)，在軸根處的應(yīng)力集中要遠(yuǎn)超過(guò)單純承受扭矩的時(shí)候，尤其是在變動(dòng)的交變應(yīng)力作用下，情況會(huì)變得非常嚴(yán)重。
在應(yīng)用中，還有一些很容易被忽視的情況：
A） 帶制動(dòng)的電機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)，啟動(dòng)制動(dòng)，這時(shí)外部負(fù)載的慣性力矩將全部要由齒輪箱來(lái)承擔(dān)。特別是負(fù)載質(zhì)心和齒輪箱軸心不重合的情況下，問(wèn)題會(huì)更嚴(yán)重。
B） 車載系統(tǒng)，比如雷達(dá)，天線，炮架等，當(dāng)承載車在高低不平的道路上行駛以及急速轉(zhuǎn)彎時(shí)，因?yàn)檎饎?dòng)和離心力可能給齒輪箱附加上很大的外力。
C） 即使是安裝過(guò)程，特別是法蘭輸出的齒輪箱，在擰緊固定螺釘時(shí)的力矩如果過(guò)大，也會(huì)造成損害。
所以，軸輸出的行星減速機(jī)通常不適合直接齒輪齒條傳動(dòng)，這類機(jī)構(gòu)，最好采用法蘭輸出的行星減速機(jī)。
