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《電子機械工程雜志》2014年第三期

1差動匯流環(huán)的工作原理

差動匯流環(huán)通過基座安裝在天線座上，其中的動電刷環(huán)固定在中心軸上，轉(zhuǎn)子環(huán)通過差動機構(gòu)和中心軸相連，轉(zhuǎn)子環(huán)中上、下2組相對應的接觸塊用導線連通，靜電刷環(huán)固定在基座上。動電刷環(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)。當中心軸以轉(zhuǎn)速ω轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)子環(huán)將以ω/2的轉(zhuǎn)速同向轉(zhuǎn)動(由差動機構(gòu)決定)，保證了信號傳輸?shù)恼_性。差動匯流環(huán)的工作原理如圖2所示。

2差動匯流環(huán)的誤差分析計算

任何機械裝置的零部件都存在加工、裝配誤差，該差動匯流環(huán)為中心距可調(diào)的多層柱面接觸式差動匯環(huán)，其誤差包括機械傳動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差動傳動機構(gòu)誤差差動傳動機構(gòu)主要由中心轉(zhuǎn)軸、球軸承、差動轉(zhuǎn)動體、聯(lián)接底座、中心齒輪、差動齒輪、小齒輪、大齒輪等組成，2組相互對應嚙合的圓柱齒輪采用平行軸安裝方式，如圖3所示。根據(jù)其傳動特點分析，回程誤差是造成電刷與接觸塊錯位的主要因素，其次是傳動誤差，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算齒輪副的切向誤差計算結(jié)果見表2、表3。

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

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)濟加工精度進行預先分配: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:電刷自身的設計、加工、裝配誤差;電刷導向套的加工、裝配誤差;動刷環(huán)、靜刷環(huán)上導向套安裝孔的分度誤差。1)電刷與導向套位孔最大間隙為0．122mm;2)導向套位安裝孔的分度誤差為±0．28mm;3)導向套裝配傾斜為0．2mm;4)導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機電綜合誤差計算綜合誤差為機械誤差和電氣誤差的綜合，其計算公式。

3優(yōu)化設計

3．1優(yōu)化設計思路

根據(jù)差動匯流環(huán)的機電傳輸原理，建立數(shù)學誤差模型，從影響差動匯流環(huán)性能的誤差來源入手，進行誤差分析計算，在確保產(chǎn)品性能的前提下，按主次提出經(jīng)濟合理的加工制造精度。在解決存在的問題基礎上，設計制造出性能優(yōu)良、性價比高的差動匯流環(huán)，為后續(xù)實現(xiàn)匯流環(huán)的標準化、系列化、模塊化、專業(yè)化打下基礎。優(yōu)化設計的關鍵步驟在于:1)解決現(xiàn)存問題;2)認準誤差來源;3)分清誤差機理;4)對各種誤差按主次進行合理分配;5)提出經(jīng)濟的加工制造精度。

3．2匯流環(huán)存在的問題與優(yōu)化設計方法

原差動匯流環(huán)從20世紀80年代初期一直沿用至20世紀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，但其設計還未達到合理、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，在應用中還經(jīng)常出現(xiàn)以信號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)化設計方法及優(yōu)化成果主要表現(xiàn)在以下3個方面。

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，每次都單獨解決這些器材，經(jīng)濟上浪費很大。導電接觸摩擦副材料價格昂貴:匯流塊為銀銅釩，電刷為銀－石墨合金(J390－1);傳動齒輪副材料價格昂貴，熱處理工藝復雜。大齒輪材料為38CrMoAIA，小齒輪材料為20CrMnTi。(2)優(yōu)化設計方法與措施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，實現(xiàn)的加工精度與圖紙要求的精度相差甚遠，只好由設計師現(xiàn)場簽名“讓步接收”后使用，而不同的設計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重偏高，生產(chǎn)中無法滿足精度要求。(2)優(yōu)化設計方法與措施在總裝技術要求中，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;電刷頭和導電柱改為一體結(jié)構(gòu)，取消了焊接和鍍銀工序;按經(jīng)濟加工精度調(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，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)設計形式方面設計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，不計成本，對導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，設計成一體結(jié)構(gòu)，浪費的材料大于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，加工時浪費材料，耗費工時;不清楚導電摩擦副最佳壓力，隨意設計壓力彈簧;電刷的壓力調(diào)整彈簧剛度太大，沒法正常調(diào)整，整機組裝時，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)化設計方法與措施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)導電摩擦副最佳壓力，重新設計彈簧;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;導電副摩擦副壓力便于調(diào)節(jié)，接觸電阻小，運行穩(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算

電刷短路與斷路問題是決定差動匯流環(huán)成敗的關鍵問題。

4．1電刷短路的判斷及分析計算

4．1．1電刷短路及發(fā)生的條件電刷短路是指2組動、靜對應電刷及相應的接觸塊，由于相互位置發(fā)生錯位，電刷和第3個接觸塊同時發(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才會發(fā)生電刷短路。

4．1．2電刷短路的判斷計算根據(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，故不會發(fā)生短路現(xiàn)象。

4．2電刷斷路的判斷及分析計算

4．2．1電刷斷路及發(fā)生的條件電刷斷路是指2組動、靜對應電刷及相應接觸塊由于相互位置錯位，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才會發(fā)生電刷斷路。

4．2．2電刷斷路的判斷計算根據(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。此時電刷相互錯位為7．8－3．113=4．687mm，就其對稱位置錯位為±2．3435mm，即當電刷中心相互錯位為±2．3435mm時，就會發(fā)生斷路現(xiàn)象。根據(jù)已知條件:由傳動機構(gòu)誤差引起的電刷最大錯位為0．9091mm，總裝要求2組電刷相互錯位最大為±0．5mm(工程中很容易實現(xiàn))，則電刷實際相互錯位最大值為0．9091+0．5=1．4091mm＜2．3435mm，故不會發(fā)生斷路現(xiàn)象。

5結(jié)束語

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

作者：張哲軍單位：中國電子科技集團公司第三十九研究所