谐波减速器在空间飞行器中的应用_周晖

第10卷第4期真空与低温　　　　　　　　　　　　　　　　2004年12月Vacuum &Cryogenics

187

谐波减速器在空间飞行器中的应用

周　晖, 温庆平, 张伟文

(兰州物理研究所, 甘肃兰州　730000)

摘　要:首先介绍了谐波减速器的传动原理和特性, 、、应用空间谐波减速器的概况, , 建议。

关键词:谐波减速器; 空间飞行器; 中图分类号:TH703. 5

文章编号:100627086(2004) 0420187206

D RIVE USE D IN SPACECRAFT

ZH OU H ui , WEN Q ing 2ping , ZHANG Wei 2w en (Lanzhou I nstitute of Physics , Lanzhou 730000, China)

Abstract :The working principle and characteristics of the harmonic drive are introduced ; A summary about US ,EU and Japan to develop and apply harmonic drive in spacecraft is given. The key technology about harmonic drive used in spacecraft is analysised. S ome advice about developing space harmonic drive in our country were given.

K ey w ords :harmonic drive ; spacecraft ; key technology

1　引　言

谐波齿轮减速器是由美国的C. Walton Musser 教授专门针对空间应用需求于1953年发明的,1955年获

得美国专利,1960年在纽约展出实物。由于谐波减速器具有回差小、单级减速比范围大、运动平稳、低噪声、传动效率高、承载力大、体积小、质量轻等多种其他减速器不具备的优点, 因此一经问世就立刻引起了各国的普遍重视, 美国、前苏联、日本、德国、英国等国家以及我国都开展了谐波减速器的理论、制造、加工、

润滑等技术研究[1～4], 美国等先进国家已将该项技术大量应用于空间飞行器的各种实施展开、驱动、精密指向、扫描、空间机器人活动关节等运动机构上, 并已推广应用到地面雷达天线、通讯、电子、医疗器械、工业机器人、仪器仪表等多种行业中, 获得了巨大的军事收益和社会效益[5～8]。2　谐波减速器的传动原理和特性

谐波齿轮减速器主要有三大基本组件:波发生器、柔轮和刚轮, 具体构成如图1所示。

波发生器:使柔性齿轮按一定规律产生周期性弹性变形波的构件, 一

图1　谐波减速器构成示意图

般由椭圆凸轮及柔性轴承组成。

柔性齿轮(简称柔轮) :在波发生器作用下能产生可控弹性变形的薄壁齿轮, 一般由合金结构钢经特殊工艺加工制成。

收稿日期:2004209217.

作者简介:周晖(1972-) , 女, 吉林省双阳县人, 高级工程师, 从事空间机械润滑技术研究工作。

188真空与低温　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第10卷　

刚性齿轮(简称刚轮) :相对于柔性齿轮而言, 它和普通齿轮一样, 工作时保持其原始形状不变。

谐波齿轮减速器是靠波发生器使柔性齿轮产生可控弹性变形, 并与刚性齿轮相啮合来传递运动和动力的。当刚轮固定, 波发生器为主动、柔轮为从动时, 柔轮在椭圆凸轮作用下产生变形, 在波发生器长轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全啮合, 在短轴两端处的柔轮轮齿完全脱开; 在波发生器长轴与短轴的区间, 柔轮轮齿与刚轮轮齿有的处于半啮合状态, 成为啮入, 有的则逐渐退出啮合状态处于半脱开状态, 成为啮出。由于波发生器的连续转动, 使得啮入、啮合、啮出、脱开这4种情况依次变化, 循环往复。一般柔轮比刚轮的齿数少2个, 所以当波发生器转动一周时, 柔轮向相反方向只转过2个齿的角度, 从而实现了大的减速比。谐波减速器传动示意图如图2所示

。

图2　谐波减速器传动示意图

谐波减速器的特殊传动原理带来了其他类型减速器不具备的很多优异特性:(1) 低回差或零回差。(2)

减速比范围大, 单级减速比可以达到30∶1～320∶1。(3) 低噪声、低震动, 高传动效率, 啮合齿间几乎没有相对滚动, 且相对滑动速度低, 因此运动噪声低、震动低, 平均传动效率可以达到80%～90%。(4) 高指向/旋转精度, 由于谐波传动减速器可以保证在任何传动位置都有10%以上的齿处于啮合状态, 因此大大降低了齿间相互运动的传动误差, 目前已有指向精度达到30″、旋转精度达到5″的产品。(5) 高承载力。由于谐波减速器在任何传动位置都有30%以上的齿相互接触, 虽然每个齿受力不大, 但整个减速器的承载能力与行星减速器相比大大提高。(6) 结构简单、装配容易、质量轻、体积小。由于谐波减速器的传动件主要由刚轮、柔轮和波发生器三大件构成, 且输入、输出轴同轴布置, 单级减速比大, 因此与具有相同的减速比和输出力矩的行星减速器相比, 其体积缩小2/3, 质量减轻50%以上, 且由于组成零件少, 因此大大提高了运动的可靠性。(7) 可实现向密闭空间传递运动及动力, 采用密封柔轮谐波传动减速装置, 可以驱动工作在高真空、有腐蚀性及其他有害介质空间的机构, 谐波传动这一独特优点是其他传动机构难以具备的。

在输入转速1500r/min 、传动比和输出力矩相同的情况下, 对4种普通减速器和谐波齿轮传动减速器的性能进行比较, 可以明显地看出谐波传动减速器的优越性, 具体比较结果如表1所列。3　发展、应用空间谐波减速器概况3. 1　美国发展、应用概况

美国是第一个将谐波减速器应用于空间飞行器的国家。1962年, 美国NASA 将该项技术应用在Telstar1通讯卫星上, 从此拉开了谐波减速器应用于空间飞行器的序幕。

目前, 美国谐波驱动科技公司是该国制造、生产谐波减速器的主要公司。该公司成立于1955年, 是谐波减速器发明者C. Walton Musser 教授所在的公司。目前该公司主要生产两大类别7个系列的谐波减速器产品, 已为NASA 提供了3000台以上的谐波减速器用于空间飞行器, 包括Lunar rover , Hubble space telescope , Iridium satellite ,Mars observation 和International space station 。

美国有专门研制空间飞行器用谐波驱动机构(包括驱动电机、谐波减速器和角度传感器合成的一体化产品) 的公司, 如美国波宇航公司、马克公司和斯塔尼公司等。它们主要研制应用于空间环境的太阳翼驱动机构、天线指向机构、各种有效载荷驱动、扫描机构、行星着陆器行进轮驱动机构、空间机器人关节等。部分应用实例如下。

　第4期　　　　　　　　　　　　　　　周晖等:谐波减速器在空间飞行器中的应用

表1　不同类型减速器性能比较

序号

[***********][1**********]20

189

参数传动级数

输出力矩/(N ・m ) 传动比

效率/%齿轮数量/个轴承数量/套节圆线速度/(m/s ) 齿滑动速度/(m/s ) 同时啮合齿数/%齿面接触应力/MPa 齿的剪应力/MPa

安全系数齿面接触状态运动平稳性/外形尺寸长/cm 外形尺寸宽/cm

体积/k ・cm 3质量/kg

行星齿轮

339097. 48513177. 62012. 707345. 00172. 003

人字齿轮

239096. 085467. 62012. 705345. 00减速器类型

蜗杆加螺旋齿轮

2390100. 078467. 6207032

圆柱齿轮

339098. 3936862012. 703345. 00172. 005

谐波齿轮

1390100. 085250. 0940. 12304. 122. 0636

33. 138. 133. 140. 0111. 0好好35. 650. 825. 4146. 0127. 0线好不好40. 643. 225. 444. 092. 5线中好58. 891. 034. 6185. 0325. 0面好好18. 516. 016. 55. 525. 0

(1) Topex 海洋卫星太阳翼驱动机构

Topex 海洋卫星轨道高度为1335km 。主要任务是观测地球海洋形貌、海洋水流随季节变化情况、海洋

上空温度随年度变化情况、潮汐的涨落情况以及进一步研究地球重力场。其上的太阳翼驱动机构采用谐波减速器驱动方式。具体见图3所示。

图3　Topex 海洋卫星及太阳翼驱动机构

(2) 铱星通讯卫星太阳翼驱动机构

铱星通讯卫星的太阳翼驱动机构采用了谐波减速器驱动方式, 具体见图4所示和表2所列。3. 2　欧盟发展、应用概况

德国谐波驱动公司和英国哈森技术公司相互合作, 共同为欧盟空间项目提供高品质谐波减速器和谐波驱动机构。它们可以制造9种类别不同的谐波减速器, 并且有FHA 、FFA 、HDrive 、RH 、RS 和RHS 6个系列的谐波驱动机构产品。

190真空与低温　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第10卷　

欧空局(ESA ) 发射的空间飞行器上大量采用了谐波减速器作为太阳翼展开机构、

天线指向机构和空间

机器人操作臂驱动组件, 如ERS 21/2地球观测卫星(图5) 上的重要组成部分,SAR 天线的驱动机构以及太阳翼驱动机构和B EA G L E 22上的　　　　

表2　太阳翼驱动机构主要技术指标

编号

1234

技术指标

输出步距角

谐波减速器减速比电机步距角加电锁紧力矩

0. 009375160∶11. 5°N ・m

编号

567

技术指标

不加电锁紧力矩

位置传感器测试精度

组件总重

23N ・m 1.

2°8. 57kg

图4　铱星通讯卫星

驱动机构(图6) (and Heliospheric Observatory

Satellite ) 、XMM 2Newton 太阳翼驱动机构等。、研究跨国公司———谐

波驱动系统公司, 获得了多项专利, 发明了IH 齿形, 使

减速器的输出力矩提高了30%以上; 发明了减速比可以达到30∶1的谐波减速器; 发明了超平谐波减速器, 其轴向尺寸只有常规杯形减速器轴向尺寸的1/4[2,3]。

日本在其研制的空间飞行器上也大量采用了谐波驱动机构, 尤其是20世纪90年代以后, 日本研制的新型工程试验卫星(K iku ) 系列、地球观测卫星(Midori ) 、数据中继卫星(K ODAMA ) 等, 都采用谐波驱动机构, 以实现太阳翼展开和高精度天线指向功能。具体应用实例如下。

(1) ADEOS 地球物理观测卫星天线指向机构

具体见图7所示和表3所列。

(2) COM ETS 通讯和广播工程试验卫星对地反馈天线精密调整

图7　ADEOS 地球物理观测卫星

指向机构

该卫星是日本研制的最大的地球同步轨道卫星之一,1998年2月

发射升空, 其任务是为广播和通讯新技术的开发提供一个平台。具体试验内容有:同轨道卫星通讯, 高、低轨道间卫星通讯, Ka 波段广播通讯能力, 高频Ka 波段手机通讯能力等。它的对地反馈天线精密调整指向机构采用了谐波减速器驱动方式。具体见图8所示。

　第4期　　　　　　　　　　　　　　　周晖等:谐波减速器在空间飞行器中的应用

表3　天线指向机构主要技术指标

编号

1234

191

技术指标

组件总重功率

温度使用范围16. 42kg

编号

5678

技术指标

运动速度输出步距角跟踪分辨率跟踪≤0. 75°/s ; 回转≤3. 00°/s

0. 0075°

每轴最大6. 4W

-55～60℃

:175; :120±0. 015°

0. 0055图8　COMETS 通讯和广播工程试验卫星及指向机构

4　谐波减速器应用于空间环境的关键技术

将谐波减速器应用于空间飞行器, 由于空间环境与地面使用环境有很多不同之处, 主要体现在高真空、

微重力、强辐射、极端温度、高低温交变、无维修性等, 所以, 这些特殊环境对空间活动机构的润滑技术提出了很大的挑战。

对于空间活动机构, 如果采用地面环境通常使用的油润滑方式, 为了防止其在真空、微重力状况下的挥发、爬移损失甚至是污染其他有效载荷, 如CCD 相机镜头等, 必须设计、制造非常复杂的迷宫密封装置, 这不但大大增加了机构的质量, 而且降低了飞行器的可靠性, 因此星用活动机构通常使用油脂或固体润滑方式。

对于谐波减速器来说, 无论采用何种润滑方式和技术, 都具有其特殊的难点:(1) 由于其传动是利用柔性元件可控的弹性变形来传递运动和动力的, 因此谐波传动的关键件柔轮、柔性轴承在工作中均处于不断的变形状态; (2) 刚轮与柔轮间属于无侧隙挤压式配合方式, 而且由于空间用谐波减速器多处于低转速工作状态, 因此摩擦对偶间大多情况下处于边界润滑状态。开发附着力好的固体润滑薄膜制备技术, 提高润滑油脂的边界润滑性能以及拓宽使用温度, 进行固体润滑辅助油脂润滑方式研究, 优选固体润滑膜和油脂的配伍方式等, 都需要进行详细的试验和研究。

ESA 于20世纪90年代初, 在规划下一阶段空间发展计划时[4], 即十分清醒地意识到谐波减速器的空间长寿命、高可靠润滑技术是其更好地为各种高性能空间飞行器服务的关键技术所在, 因此委托英国AEA 技术公司的ESTL 欧洲空间摩擦试验室, 对谐波减速器的空间润滑技术做更深入的研究[5]。

美国NASA 为了编制一套适用于空间机构设计的手册, 于1995年开展了一项规模庞大的调查总结工作, 最后形成了长达800多页的以往研制空间飞行器中各种活动机构、部件、零件出现过的故障和得到的教训的报告。在该份报告中, 列出的谐波减速器失效或性能下降的原因有:(1) 润滑脂在低温下黏度增大, 造成驱动力矩变大, 最终导致任务失败; (2) 润滑剂选择不当导致减速器齿轮磨损严重, 驱动机构精度下降或任务失败; (3) 固体润滑膜层寿命短; (4) 谐波减速器柔轮齿牙磨损严重、柔轮疲劳失效。由此可见, 谐波减速器应用于空间环境, 影响其失效的主要根源在于减速器的润滑工艺是否能满足使用要求。

2000年11月2日, 美国NASA G lenn 研究中心的机械部组件研究部, 邀请了70多位从事空间机械研究的专家学者, 召开了一次空间机械摩擦工作会议。此次会议的目的是:(1) 讨论当前的技术基础是否已满足

192真空与低温　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第10卷　

NASA 将来10～30年空间开发任务的需求; (2) 为了确保将来的空间开发任务成功, 讨论对于空间机构最重

要的技术问题和领域。此次会议总结了当前谐波减速器应用于空间飞行器的现状, 提出了进一步发展的要

求, 具体如下。

(1) 截止目前研制的行星着陆器中, 只采用了谐波减速器传动方式; 当前用于星际探测登陆器的谐波驱动机构存在以下影响其进一步使用的缺陷:①使用温度不能低于-50℃; ②传动效率低, 约60%～80%; ③柔轮发生疲劳失效; ④支撑轴承的载荷高; ⑤减速器齿面上的固体润滑膜耐磨寿命短; ⑥润滑系统的防尘性能很差。

(2) 谐波减速器已大量用于载人和无人空间飞行器中, 对于未来寿命更长的空间飞行器来说, 如空间站15～20年的使用寿命, 谐波减速器的长期、高可靠润滑技术是个难题。

(3) 应进一步开发、研究谐波减速器的空间润滑技术, ; ②能够承

受大的温度变化范围; ③最小的摩擦系数和发热; ; ⑤无出气污染; ⑥长寿命、高可靠。

综上所述, 谐波减速器用于空间飞行器, 。因此, 为了使、高可靠空间润滑技术的攻关和研究。5　总结及建议

(1) , 美国、欧盟、日本等国家和地区都非

常重视谐波减速器的空间应用研究, 并已将其大量应用于各种载人、无人和星际探测器的太阳翼展开、驱动, 高精度天线指向, 空间机器人活动关节, 星际登陆器行进轮驱动, 空间试验仪器设备扫描、驱动机构中, 它已经成为空间飞行器各种精密活动机构的重要组成部分。

(2) 谐波减速器应用于空间环境, 主要失效原因是润滑工艺达不到要求而导致的机构运动故障, 因此其应用于空间环境的关键在于谐波减速器的空间长寿命、高可靠润滑技术。具体要求有:能在极冷环境下工作, 能够承受大的温度变化范围, 具有最小的摩擦系数和发热, 能够承受尘埃产生的磨粒磨损, 无出气污染等。重点开展此方面技术的研究、攻关, 是保证谐波驱动机构成功应用于空间飞行器的关键。

(3) 我国规划发展的空间飞行器上, 包含大量的太阳翼展开、驱动机构、各种高精度天线指向机构、空间实验室中实现各种运动的机械臂、探月登陆器的行进轮、挖掘机、采样器驱动机构等, 需要高可靠、高精度的空间用谐波减速器研制技术。因此必须及时开展谐波减速器的空间润滑技术研究, 从而为我国谐波减速器的空间应用奠定必要的技术基础。

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