柔性轴承是谐波减速器的两大柔性部件之一，其在工作状态下受到随动载荷，除了常规轴承的接触疲劳失效外，还存在弯曲疲劳失效。分析了柔性轴承在谐波减速器中的对称随动受载和外圈扭曲变形的特点，指出了模拟柔性轴承受力和变形的试验技术难点，回顾了柔性轴承动性能试验技术的研究现状，并介绍了基于柔筒正交反对称变形随动加载的双柔性轴承动性能试验机，提出了柔性轴承试验技术的未来发展方向为加速寿命试验、外圈变形测量、性能退化检测和试验标准制定等。

引言

谐波减速器具有体积小、传动比大、质量轻、传动精度高等特点，是工业机器臂和人形机器人的核心部件。如图 1 所示，谐波减速器主要由波发生器、柔性轴承、柔轮和刚轮组成，柔性轴承和柔轮是谐波减速器的两大柔性部件，也是主要的失效件。谐波减速器的核心原理是利用柔性轴承和柔轮产生可控的弹性变形，形成谐波运动，从而实现大传动比的变速要求。

柔性轴承在谐波减速器中对称随动受载，且外圈会发生扭曲变形，柔性轴承动性能试验技术是该类轴承研究的难点，因此，本文对柔性轴承的受力和变形进行分析，以此为基础归纳总结现有柔性轴承试验技术的优缺点，提出一种基于柔筒正交反对称变形随动加载的双柔性轴承动性能试验机，并对柔性轴承试验技术未来发展方向进行展望。

柔性轴承的受力与变形分析

柔性轴承结构如图 2a 所示，在正常情况下是圆形，与普通轴承相比，柔性轴承内、外圈的壁很薄。将波发生器嵌入柔性轴承内圈后，如图 2b 所示，柔性轴承变为与波发生器相同的非圆形，形成长轴与短轴，此时柔性轴承受到波发生器的预变形力。将柔性轴承与波发生器的组合体装入柔轮后，如图 2c 所示，柔轮也发生变形，使得柔轮长轴端的外齿与刚轮内齿啮合，传递力与运动，此时柔轮会对柔性轴承产生一个抵抗变形的力，由于柔轮一端开口，另一端带有起保圆输出作用的杯底或外翻边，导致柔轮开口端在长轴方向外胀，短轴方向内缩，从而进一步引起柔性轴承外圈发生扭曲变形。

柔性轴承受载示意图如图 3 所示，除承受波发生器与柔轮的载荷外，还要承受通过柔轮长轴两端的外齿与刚轮的啮合所传递的谐波减速器扭矩载荷，柔轮与刚轮啮合度较高，最终作用到柔性轴承上是一个分布载荷。谐波传动中长轴的位置由波发生器决定。因此，柔性轴承的受力方向跟随波发生器同步高速旋转，即随动受载。在随动受载过程中，柔性轴承外圈承受交变的弯曲应力，导致其存在弯曲疲劳断裂失效等风险。

根据以上分析，归纳谐波减速器柔性轴承的受力与变形特点：

1. 长轴两端受力对称；
2. 受到分布载荷的作用；
3. 随动受载；
4. 外圈的扭曲变形。

普通滚动轴承在正常工作时内、外圈的圆形基本不会发生改变，也很少承受交变的弯曲应力，通常只承受离心载荷、方向固定的静止或动态外载荷。因此，普通轴承的性能测试装置无法实现随动加载与外圈扭曲变形的特点，故对柔性轴承单独进行试验必须采用专用试验机。

柔性轴承动性能试验技术研究现状

将柔性轴承试验技术分为谐波减速器整机试验和柔性轴承的单一试验。整机试验能够模拟柔性轴承的实际受载工况，但谐波减速器除了柔性轴承失效，还有柔轮筒体开裂、轮齿破坏、柔轮内壁磨损、柔轮 - 刚轮齿面润滑不良等多种失效形式，不利于分析柔性轴承的失效机理，此外，柔轮的承载有限，无法进行加速试验，导致试验周期长。因此，本文详细阐述近年来柔性轴承的单一试验技术。

• 通过固定凸轮波发生器，利用杠杆对轴承外圈施加载荷，弹簧测力计通过细绳与钢球连接，测量钢球所受的最大力矩与外载荷的关系。该装置对柔性轴承施加的是单侧点载荷，这与实际工况不符，而且测量的是柔性轴承单个钢球的静态特性。
• 设计了一种柔性轴承疲劳寿命专用试验机，其原理是柔性轴承安装在波发生器上，但波发生器固定在机架上，利用平带对称张紧对柔性轴承长轴两端施加载荷，电动机驱动平带并带动轴承外圈旋转。7 次应力循环后未见失效。该试验机可以模拟柔性轴承在长轴两端受到对称分布载荷的特点，但与柔性轴承内圈高速旋转、外圈低速反向旋转的实际工况不同，也无法实现柔性轴承外圈扭曲变形，而且平带加载能力有限，无法达到轴承实际承载水平。
• 设计了一种检测柔性轴承运转稳定性和旋转精度的试验机，该试验机顶部设有伺服电动机，首先通过减速器将动力传递到加载凸轮，凸轮在旋转过程中径向尺寸周期性变化，传递到与凸轮轮廓接触的滑块 - 连杆机构，而滑块 - 连杆机构另一端与?簧相连，使弹簧产生周期性的变形，进而对柔性轴承施加动载荷。在此基础上，设计了一种多工位柔性轴承加速寿命试验台，该装置利用螺栓和弹簧对柔性轴承加载，一次可以进行 4 套柔性轴承试验。虽然实现了柔性轴承对称加载，但都无法模拟柔性轴承的随动受载和外圈扭曲变形。
• 试验机可以利用副电动机驱动柔轮并带动轴承外圈旋转，模拟柔性轴承在谐波减速器中的实际工况，实现柔性轴承对称受力、随动加载和外圈扭曲变形的特点。利用该试验机开展了柔性轴承疲劳寿命试验，复现了柔性轴承在谐波减速器常见的失效形式，如外圈疲劳断裂、内圈长轴处的点蚀、轴承内圈与波发生器在长轴处的微动磨损，但其对柔性轴承施加的不是分布载荷，而且高速下加载块受离心作用，使得最终作用在柔性轴承上的载荷会出现偏差。
• 在上述基础上，提出了利用摩擦轴承产生的摩擦力矩平衡随动加载系统外加的力矩载荷，通过弹性加载齿轮在柔轮上施加切向载荷，用于测量柔性轴承受分布载荷时的动性能，但该加载装置复杂，而且摩擦轴承容易出现打滑发热。
• 对谐波减速器柔性轴承转速、载荷、扭矩、温升和寿命进行了试验，但还是将柔性轴承置于谐波减速器中，仍属于整机试验的范畴，而且测量的是整个谐波减速器的扭矩和温升，并不是柔性轴承的。

现有谐波减速器柔性轴承试验机功能和缺点的总结见表 1，柔性轴承的单一试验技术难点在于随动载荷的施加和外圈变形的模拟。当前的柔性轴承单一元件试验机均不能完全模拟实际工况。在一定程度上复现了柔性轴承的运转工况和失效形式，但试验机功耗大，效率低，每次仅能进行单套轴承试验，也无法模拟柔性轴承所受来自刚轮施加的分布载荷，此外，在高速下模拟刚轮加载的动部件会因其离心载荷导致随动载荷减小。虽然谐波减速器整机试验能够模拟柔性轴承随动受载和外圈变形，但测量的动性能参数是谐波减速器的，并不是柔性轴承的。

基于柔筒随动加载的双柔性轴承动性能测试装置

根据前文的分析，柔性轴承的受力来源包括波发生器的预变形力、柔轮的反作用力、齿轮的啮合力。有研究发现，柔轮的筒长、壁厚等结构参数会影响柔性轴承的受力，筒长越短和壁厚越厚，柔性轴承受力也越大。针对柔性轴承的受力特点，利用等直径的柔筒取代柔轮，设计了一种基于柔筒随动加载的双柔性轴承动性能测试装置，如图 10 所示，该试验装置在等直径柔筒的两端分别压入一套柔性轴承，在两柔性轴承中分别嵌入结构相同的波发生器，两波发生器长轴相互垂直，并通过两波发生器安装到转轴上，两波发生器之间通过套筒进行定位。在相互垂直的波发生器作用下，迫使柔筒发生正交反对称变形，如图 11 所示，利用该变形对两柔性轴承施加大小相同且方向垂直的载荷，两柔性轴承的受载区域均在各波发生器的长轴端，可以真实模拟柔性轴承在谐波减速器中的变形。

当波发生器高速旋转时，两柔性轴承的受载区域随波发生器同步旋转，但受载区域始终位于波发生器长轴端，实现了随动加载。该试验装置可以同时对两套柔性轴承进行试验，提高了试验效率，并且能够模拟柔性轴承的对称随动受载和外圈扭曲变形等实际工况。

柔性轴承试验技术未来发展方向

• 加速寿命试验：目前柔性轴承的试验周期较长，通过开展加速寿命试验，在较短时间内获取轴承的寿命数据，有助于快速评估轴承性能，优化轴承设计，缩短研发周期。可以通过提高载荷、转速等试验条件，结合适当的加速寿命试验理论，如阿伦尼斯模型等，来实现加速寿命试验。
• 外圈变形测量：柔性轴承外圈的扭曲变形是其重要特征之一，准确测量外圈变形对于深入了解轴承工作状态和失效机理至关重要。未来可采用先进的测量技术，如激光测量技术、应变片测量技术等，实时精确测量外圈在不同工况下的变形情况。
• 性能退化检测：研究柔性轴承在工作过程中的性能退化规律，通过监测轴承的振动、温度、噪声等参数，建立性能退化模型，实现对轴承故障的早期预警，提高设备运行的可靠性和安全性。
• 试验标准制定：目前柔性轴承试验技术缺乏统一的标准，导致不同试验结果之间可比性较差。制定统一的试验标准，规范试验方法、试验条件和性能评价指标等，有助于推动柔性轴承技术的发展和应用，促进轴承行业的标准化和规范化。

结论

本文分析了谐波减速器中柔性轴承的对称随动受载和外圈扭曲变形的受力与变形特点，指出了模拟其受力和变形的试验技术难点。回顾了现有柔性轴承动性能试验技术的研究现状，介绍了基于柔筒正交反对称变形随动加载的双柔性轴承动性能试验机，该试验机能够较好地模拟柔性轴承的实际工况。同时，提出了柔性轴承试验技术未来在加速寿命试验、外圈变形测量、性能退化检测和试验标准制定等方面的发展方向，研究结果对柔性轴承的设计、研发和应用具有重要的理论和工程应用价值。