CN102392881A - 一种短筒柔轮谐波传动减速器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种短筒柔轮谐波传动减速器，包括：波发生器，其具有椭圆形结构；柔轮，其环设在所述波发生器的外周，所述柔轮包括柔轮筒体、位于柔轮筒体一侧的柔轮凸缘、以及连接柔轮筒体和柔轮凸缘的柔轮筒底，且所述柔轮筒体的外周设置有柔轮齿圈；刚轮，其环设在所述柔轮的外周，且所述刚轮的内周设置有刚轮齿圈，所述刚轮齿圈与所述柔轮齿圈能够相互啮合；其中，所述柔轮的轴向长度是其内圈直径的0.45～0.75倍。本发明的柔轮谐波传动减速器前后距离比一般的减速器短，能够适应一些空间不足位置的安装需求，并且能够确保柔轮的强度和工作性能的稳定。
Description
技术领域
本发明涉及一种谐波传动减速器，特别是涉及一种短筒柔轮谐波传动减速器。
背景技术
谐波传动减速器是依靠柔性零件产生弹性变形来传递动力和运动的一种机械传动减速器。
谐波传动具有传动比大、精度高、承载能力大、体积小、重量轻、传动效率高、传动平稳、噪声小、可向密闭空间传递运动等优点，近年来应用越来越广泛。
图1示出了一种常见的谐波传动减速器，谐波传动减速器的核心件是柔轮1、刚轮2和波发生器3，俗称三大件。柔轮1设置在波发生器3的外周，而刚轮2设置在柔轮的外周，并且，刚轮2和柔轮1通过齿轮啮合。柔轮1在波发生器3作用下产生变形，在波发生器3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和刚轮轮齿完全脱开；在波发生器3长轴和短轴的区间，柔轮轮齿与刚轮轮齿有的处于半啮合状态；有的则逐渐退出啮合处于半脱开状态。柔轮主要受到弯曲交变应力和扭转剪切应力的共同作用。
如图3所示，现有技术中的谐波传动减速器中的柔轮的轴向长度比较长，也就是轴向长度和直径的比比较大。这样导致整个谐波传动减速器都比较长。
现有技术中的长筒谐波传动减速器的缺点是轴向尺寸较长(主要由柔轮1长度决定)，在一些安装空间受限制的场合无法适用，比如航空航天、机器人制造等领域，因此有必要进行改进。然而单纯的缩短柔轮的轴向尺寸会增加柔轮筒体和齿部的变形应力，导致柔轮轮齿、柔轮筒底易断裂。
发明内容
为此，本发明针对现有技术的弊端，提出了一种短筒柔轮谐波传动减速器。
本发明的一个目的在于提供一种短筒柔轮谐波传动减速器，其轴向长度较短，而却能够确保获得良好的强度和应力，满足实际使用的寿命需求。
本发明的又一目的在于提供一种生产短筒柔轮的材料，通过这种材料生产的减速器能够满足短筒柔轮谐波传动减速器的要求。
为实现上述目的，本发明提供了一种短筒柔轮谐波传动减速器，包括：波发生器，其具有椭圆形结构；柔轮，其环设在所述波发生器的外周，所述柔轮包括柔轮筒体、位于柔轮筒体一侧的柔轮凸缘、以及连接柔轮筒体和柔轮凸缘的柔轮筒底，且所述柔轮筒体的外周设置有柔轮齿圈；刚轮，其环设在所述柔轮的外周，且所述刚轮的内周设置有刚轮齿圈，所述刚轮齿圈与所述柔轮齿圈能够相互啮合；其中，所述柔轮的轴向长度是其内圈直径的0.45～0.75倍。
优选的是，所述的短筒柔轮谐波传动减速器中，所述柔轮的轴向长度是其内圈直径的0.5～0.6倍。
优选的是，所述的短筒柔轮谐波传动减速器中，所述柔轮齿圈与筒体的过渡圆角的半径为柔轮内圈直径的0.25～0.40倍。
优选的是，所述的短筒柔轮谐波传动减速器中，所述柔轮筒体与柔轮筒底的过渡圆角的半径为柔轮内圈直径的0.05～0.15倍。
优选的是，所述的短筒柔轮谐波传动减速器中，所述柔轮筒底的厚度由柔轮凸缘侧向柔轮筒体侧向逐渐变薄。
优选的是，所述的短筒柔轮谐波传动减速器中，所述柔轮筒底的外表面由柔轮凸缘侧向柔轮筒体侧向内逐渐倾斜，斜度为1∶36～1∶37。
优选的是，所述的短筒柔轮谐波传动减速器中，所述柔轮筒体的未设置有刚轮齿圈的部分的厚度，由刚轮齿圈侧向柔轮筒底侧向逐渐变薄。
优选的是，所述柔轮筒体的未设置有刚轮齿圈的部分的厚度在刚轮齿圈侧为柔轮内圈直径的0.009～0.011倍，而在柔轮筒底侧则为柔轮内圈直径的0.007～0.0094倍。
优选的是，所述的短筒柔轮谐波传动减速器中，所述柔轮的材料为钢材，所述钢材包含质量百分比：0.31％～0.45％的C、2％～3.5％的Al、0.16％～0.18％的Si、0.8％～0.9％的Mg、0.5％～0.6％的Mn、0.03％～0.04％的Cr、0.1％～0.11％的Mo、0.03％～0.05％的Ti，0.04％～0.05％的P，其余为铁和不可避免的杂质。发明人通过反复试验发现，这种钢材制造的柔轮，能够实现良好的工作效果。
优选的是，所述的短筒柔轮谐波传动减速器中，所述柔轮钢材，所述柔轮筒体的柔轮齿圈部的刚材的表层硬度介于HV450～HV470之间，抗拉强度介于1700N/mm2～1750N/mm2之间；所述柔轮筒体的非柔轮齿圈部的钢材的表层硬度介于HV430～HV450之间，抗拉强度介于1500N/mm2～1550N/mm2之间，且钢材的有效优化深度为不含柔轮齿圈的柔轮筒体的内圈直径的0.3～0.35之间。
优选的是，所述的短筒柔轮谐波传动减速器中，所述柔轮齿圈的齿高为柔轮内圈直径的0.016～0.018倍。
优选的是，所述的短筒柔轮谐波传动减速器中，所述柔轮齿圈的齿厚为柔轮内圈直径的0.015～0.020倍。
优选的是，所述的短筒柔轮谐波传动减速器中，所述柔轮齿圈的柔轮轮齿压力角为30°。
本发明所述的短筒柔轮谐波传动减速器，通过减速器结构的改变，能够实现短筒柔轮的利用，从而缩短了柔轮谐波传动减速器的轴向长度。特别是，本发明中的短筒柔轮可以利用特定的钢材制成，通过这种钢材制造的短筒柔轮既能够确保柔轮变形量，又能够确保柔轮上齿轮的耐磨性，是本发明人经过大量的试验，研制出的材料。
特别是，本发明的短筒柔轮谐波传动减速器在缩短了柔轮谐波传动减速器的轴向长度的情况下，还能够确保柔轮谐波传动减速器的结构长度和使用寿命。
本发明的又一个有益效果在于，谐波传动减速器的轴向尺寸缩短，而柔轮的使用寿命不会降低，并且还能提高扭转刚度，运动精度和减小回差。因此除了能广泛应用于谐波传动减速器传统的领域外，还特别适用于受安装空间限制的航空航天、军事工业、机器人制造等领域，是长筒柔轮的更新换代产品。
附图说明
图1为现有技术中长筒柔轮谐波传动减速器的结构示意图；
图2为本发明所述的短筒柔轮谐波传动减速器的结构示意图；
图3为现有技术中的长筒柔轮谐波传动减速器中的柔轮的结构示意图；
图4为本发明的短筒柔轮谐波传动减速器中的柔轮的结构示意图；
图5为图4中圈A部分的结构放大示意图；
图6为左侧的现有技术的柔轮轮齿与右侧的本发明的柔轮轮齿的对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图2所示，图2为本发明所述的短筒柔轮谐波传动减速器的结构示意图。
为了解决现有技术中的上述问题，本发明的目的是提供一种短筒谐波传动减速器，使得谐波传动减速器的轴向尺寸缩短，而柔轮的使用寿命不会降低，能广泛应用于受安装空间限制的领域。谐波传动减速器的薄弱件是柔轮，因此有必要对柔轮的结构进行改进。
柔轮筒体结构的改进请参见图2、图4和图5。
柔轮筒体应力分布是不均匀的，在底部靠近凸缘处应力最大，靠近齿圈处次之，其它部位沿轴向(远离齿圈)逐渐减小。根据受力特点，对结构进行如下改进：(1)将筒底设计成斜面，斜度一般为1∶36～1∶37(2)齿圈与筒体过渡处采取大圆弧过渡，是现有技术中长筒柔轮的13～15倍(3)筒体壁厚减薄，是现有技术中长筒柔轮的0.65～0.84倍(4)减小筒体与筒底的过渡圆角，是现有技术中长筒的0.5～0.6倍。改进后柔轮筒体接近了等强度设计，从而充分发挥了材料效能。
柔轮轮齿的改进请参见图6，图6为左侧的现有技术的柔轮轮齿与右侧的本发明的柔轮轮齿的对比示意图。
根据受力特点，对轮齿结构进行如下改进：(1)降低齿高，本发明柔轮齿高为现有技术长筒柔轮尺高的0.55～0.68倍；(2)减薄齿厚，本发明柔轮齿厚为现有技术长筒柔轮齿厚的0.45～0.56倍；(3)本发明柔轮轮齿增大了渐开线齿廓的压力角，避免轮齿啮合干涉，改善受力状况，现有技术中长筒柔轮轮齿的压力角为20°，本发明改进后的柔轮轮齿压力角为30°。
通过上述的改进措施，本发明生产的短筒柔轮谐波传动减速器，利用试验进行分析，疲劳强度完全达到了设计要求，并在实际应用中得到验证。特别是，在采用以下材料制造柔轮时，即：所述柔轮的材料为钢材，所述刚材包含：0.31％～0.45％的C、2％～3.5％的Al、0.16％～0.18％的Si、0.8％～0.9％的Mg、0.5％～0.6％的Mn、0.03％～0.04％的Cr、0.1％～0.11％的Mo、0.03％～0.05％的Ti，0.04％～0.05％的P，其余为铁和不可避免的杂质，本发明的短筒谐波传动减速器的使用寿命和同规格长筒谐波传动减速器相比并没有降低，扭转刚度，精度等指标也得到了提高。
具体而言，本发明提供了一种短筒柔轮谐波传动减速器，如图2所示，包括：波发生器3a，其具有椭圆形结构；波发生器在电机输出轴的带动下，快速旋转，从而用其椭圆形的外形抵顶柔轮1a圆形的内圈，造成柔轮1a变形，通过柔轮1a变形量，使得柔轮齿圈与刚轮齿圈齿轮啮合减速。柔轮1a，其环设在所述波发生器3a的外周，所述柔轮1a包括柔轮筒体4、位于柔轮筒体一侧的柔轮凸缘5、以及连接柔轮筒体和柔轮凸缘的柔轮筒底6(如图4所示)，且所述柔轮筒体的外周设置有柔轮齿圈。刚轮2a，其环设在所述柔轮1a的外周，且所述刚轮2a的内周设置有刚轮齿圈，所述刚轮齿圈与所述柔轮齿圈能够相互啮合；其中，所述柔轮1a的轴向长度是其内圈直径的0.45～0.75倍。内圈直径就是柔轮筒体的内腔的直径。优选的是，所述的短筒柔轮谐波传动减速器中，所述柔轮的轴向长度是其内圈直径的0.5～0.6倍。将本发明与现有技术中的长筒柔轮谐波传动减速器进行比较：图3是现有技术中的谐波减速器的柔轮，其中的L1是现有技术的柔轮的轴向长度，图4中的L2是本发明的柔轮的轴向长度，其中，L2为L1的0.55～0.65倍。或者说，柔轮1a的轴向长度是其内圈直径的0.45～0.75倍。
并且，本发明所述的短筒柔轮谐波传动减速器中，所述柔轮齿圈与筒体的过渡圆角的半径为柔轮内圈直径的0.25～0.40倍。将本发明与现有技术中的长筒柔轮谐波传动减速器进行比较：图3是现有技术中的谐波减速器的柔轮，其中的R1是现有技术的柔轮齿圈与筒体的过渡圆角的半径，图4中的R3是本发明的柔轮齿圈与筒体的过渡圆角的半径，其中，R3是R1的13～15倍。或者说，所述柔轮齿圈与筒体的过渡圆角的半径为柔轮内圈直径的0.25～0.40倍。
所述的短筒柔轮谐波传动减速器中，所述柔轮筒体与柔轮筒底的过渡圆角的半径为柔轮内圈直径的0.05～0.15倍。将本发明与现有技术中的长筒柔轮谐波传动减速器进行比较：图3是现有技术中的谐波减速器的柔轮，其中的R2是现有技术的柔轮筒体与柔轮筒底的过渡圆角的半径，图4中的R4是本发明的柔轮筒体与柔轮筒底的过渡圆角的半径，其中，R4是R2的0.5～0.6倍。也就是说，本发明的柔轮筒体与柔轮筒底的过渡圆角的半径比现有技术的半径小。或者说，柔轮筒体与柔轮筒底的过渡圆角的半径为柔轮内圈直径的0.05～0.15倍。
所述的短筒柔轮谐波传动减速器中，所述柔轮筒底6的厚度由柔轮凸缘5侧向柔轮筒体4侧向逐渐变薄，如图4所示。所述的短筒柔轮谐波传动减速器，其中，所述柔轮筒底的外表面由柔轮凸缘侧向柔轮筒体侧向内逐渐倾斜，斜度为1∶36～1∶37。
所述的短筒柔轮谐波传动减速器中，所述柔轮筒体4的未设置有刚轮齿圈的部分的厚度，由刚轮齿圈侧向柔轮筒底侧向逐渐变薄。未设置有刚轮齿圈的部分也就是图4中过渡圆角R3过渡结束处至过渡圆角R4处的部分，这部分从图上可以明显看出是倾斜的。此处设计，有助于消除应力。
所述的短筒柔轮谐波传动减速器中，所述柔轮筒体的未设置有刚轮齿圈的部分的厚度在刚轮齿圈侧为柔轮内圈直径的0.009～0.011倍，而在柔轮筒底侧则为柔轮内圈直径的0.007～0.0094倍。将本发明与现有技术中的长筒柔轮谐波传动减速器进行比较：图3是现有技术中的谐波减速器的柔轮，其中的δ1是现有技术的柔轮筒体的厚度，图5是为图4中圈A部分的结构放大示意图，图5中的δ2是所述柔轮筒体的未设置有刚轮齿圈的部分在刚轮齿圈侧的厚度，而δ3是在柔轮筒底侧的厚度，其中，δ2是δ1的0.65～0.84倍，而δ3是δ2的0.78～0.86倍。或者说，所述柔轮筒体的未设置有刚轮齿圈的部分的厚度在刚轮齿圈侧为柔轮内圈直径的0.009～0.011倍，而在柔轮筒底侧则为柔轮内圈直径的0.007～0.0094倍。
所述的短筒柔轮谐波传动减速器中，所述柔轮的材料为钢材，所述钢材包含质量百分比：0.31％～0.45％的C、2％～3.5％的Al、0.16％～0.18％的Si、0.8％～0.9％的Mg、0.5％～0.6％的Mn、0.03％～0.04％的Cr、0.1％～0.11％的Mo、0.03％～0.05％的Ti，0.04％～0.05％的P，其余为铁和不可避免的杂质。发明人通过反复的试验发现，这种钢材能够实现良好的工作效果。
所述的短筒柔轮谐波传动减速器中，所述柔轮钢材，所述柔轮筒体的柔轮齿圈部的刚材的表层硬度介于HV450～HV470之间，抗拉强度介于1700N/mm2～1750N/mm2之间；所述柔轮筒体的非柔轮齿圈部的钢材的表层硬度介于HV430～HV450之间，抗拉强度介于1500N/mm2～1550N/mm2之间，且钢材的有效优化深度为不含柔轮齿圈的柔轮筒体的内圈直径的0.3～0.35之间。
所述的短筒柔轮谐波传动减速器中，所述柔轮齿圈的齿高为柔轮内圈直径的0.016～0.018倍。如图6所示，图6左侧为现有技术的柔轮轮齿，而右侧为本发明的柔轮轮齿，两者进行了对比。如图6所示，左侧图中，H1为现有技术中柔轮上齿轮的高度，而右侧图中，H2为本发明中的柔轮上齿轮的高度，通常H2为H1的0.55～0.68倍。
所述的短筒柔轮谐波传动减速器中，所述柔轮齿圈的齿厚为柔轮内圈直径的0.015～0.020倍。如图6所示，图6左侧为现有技术的柔轮轮齿，而右侧为本发明的柔轮轮齿，两者进行了对比。如图6所示，左侧图中，S1为现有技术中柔轮上齿轮的厚度，而右侧图中，S2为本发明中的柔轮上齿轮的厚度，通常S2为S1的0.45～0.56倍。
所述的短筒柔轮谐波传动减速器中，所述柔轮齿圈的柔轮轮齿压力角为30°。如图6所示，左侧图中，α1为现有技术中柔轮轮齿压力角，而右侧图中，α2为本发明中的柔轮轮齿压力角，通常α1为20°。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (13)
1.一种短筒柔轮谐波传动减速器，包括：
波发生器，其具有椭圆形结构；
柔轮，其环设在所述波发生器的外周，所述柔轮包括柔轮筒体、位于柔轮筒体一侧的柔轮凸缘、以及连接柔轮筒体和柔轮凸缘的柔轮筒底，且所述柔轮筒体的外周设置有柔轮齿圈；
刚轮，其环设在所述柔轮的外周，且所述刚轮的内周设置有刚轮齿圈，所述刚轮齿圈与所述柔轮齿圈能够相互啮合；
其中，所述柔轮的轴向长度是其内圈直径的0.45～0.75倍。
2.如权利要求1所述的短筒柔轮谐波传动减速器，其中，所述柔轮的轴向长度是其内圈直径的0.5～0.6倍。
3.如权利要求1所述的短筒柔轮谐波传动减速器，其中，所述柔轮齿圈与筒体的过渡圆角的半径为柔轮内圈直径的0.25～0.40倍。
4.如权利要求1所述的短筒柔轮谐波传动减速器，其中，所述柔轮筒体与柔轮筒底的过渡圆角的半径为柔轮内圈直径的0.05～0.15倍。
5.如权利要求1所述的短筒柔轮谐波传动减速器，其中，所述柔轮筒底的厚度由柔轮凸缘侧向柔轮筒体侧向逐渐变薄。
6.如权利要求5所述的短筒柔轮谐波传动减速器，其中，所述柔轮筒底的外表面由柔轮凸缘侧向柔轮筒体侧向内逐渐倾斜，斜度为1∶36～1∶37。
7.如权利要求1所述的短筒柔轮谐波传动减速器，其中，所述柔轮筒体的未设置有刚轮齿圈的部分的厚度，由刚轮齿圈侧向柔轮筒底侧向逐渐变薄。
8.如权利要求7所述的短筒柔轮谐波传动减速器，其中，所述柔轮筒体的未设置有刚轮齿圈的部分的厚度在刚轮齿圈侧为柔轮内圈直径的0.009～0.011倍，而在柔轮筒底侧则为柔轮内圈直径的0.007～0.0094倍。
9.如权利要求1所述的短筒柔轮谐波传动减速器，其中，所述柔轮的材料为钢材，所述钢材包含质量百分比：0.31％～0.45％的C、2％～3.5％的Al、0.16％～0.18％的Si、0.8％～0.9％的Mg、0.5％～0.6％的Mn、0.03％～0.04％的Cr、0.1％～0.11％的Mo、0.03％～0.05％的Ti，0.04％～0.05％的P，其余为铁和不可避免的杂质。
10.如权利要求9所述的短筒柔轮谐波传动减速器，其中，所述柔轮钢材，所述柔轮筒体的柔轮齿圈部的刚材的表层硬度介于HV450～HV470之间，抗拉强度介于1700N/mm2～1750N/mm2之间；所述柔轮筒体的非柔轮齿圈部的钢材的表层硬度介于HV430～HV450之间，抗拉强度介于1500N/mm2～1550N/mm2之间，且钢材的有效优化深度为不含柔轮齿圈的柔轮筒体的内圈直径的0.3～0.35之间。
11.如权利要求9所述的短筒柔轮谐波传动减速器，其中，所述柔轮齿圈的齿高为柔轮内圈直径的0.016～0.018倍。
12.如权利要求9所述的短筒柔轮谐波传动减速器，其中，所述柔轮齿圈的齿厚为柔轮内圈直径的0.015～0.020倍。
13.如权利要求9所述的短筒柔轮谐波传动减速器，其中，所述柔轮齿圈的柔轮轮齿压力角为30°。
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