CN104819267B - 一种采用非干涉且大范围啮合齿廓的谐波齿轮装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用非干涉且大范围啮合齿廓的谐波齿轮装置，包括具有内齿的刚轮、设置在刚轮中并具有外齿的柔轮以及安装在柔轮中的波发生器，内齿和外齿啮合，内齿和外齿的齿廓由下式获得：x＝mg·[0.25π‑(±τ)]‑0.25m·(2θ‑sin2θ)‑0.5(g1‑g2)，y＝0.5·m·[1‑cos2θ]本发明具有更为合理的齿廓并实现更好的齿廓啮合性能。

Description

一种采用非干涉且大范围啮合齿廓的谐波齿轮装置

技术领域

本发明涉及谐波齿轮装置，尤其涉及一种采用非干涉且大范围啮合齿廓的谐波齿轮装置。

背景技术

谐波齿轮传动是一种依靠柔性齿轮的弹性变形来传递力和运动的传动方式。典型的谐波减速器由柔轮、刚轮和波发生器三个元件组成。通常情况下，刚轮固定，波发生器为椭圆构件，安装在柔轮内部，迫使柔轮按照一定规律在长轴端产生径向变形成为椭圆状。当波发生器被驱动旋转时，迫使柔轮不断产生变形，柔轮齿在变形过程中逐渐进入刚轮齿间，与刚轮齿发生啮合，然后逐渐退出，直至完全脱开。藉此，波发生器不断旋转，柔轮齿不断和刚轮齿重复进行啮入、啮合、啮出、脱开的循环相互错齿运动，这种错齿运动将波发生器的输入转化为柔轮的输出实现减速传动。

为保证高质量的传动性能，谐波齿轮需具有角度传动精度、强度、刚度等方面的卓越性能，这些性能均与齿廓的选用有莫大关系。

谐波齿轮最早时采用直线三角齿形，如专利号为US2906143的美国专利文献1公开的齿廓形状，后来采用渐开线齿形，目前我国所用谐波齿轮仍是以渐开线齿廓为主，因为渐开线齿形在工艺上发展得最为完善。然而，为了进一步提高谐波齿轮的传动性能，日本提出了一种基于曲线(曲面)几何映射理论的IH齿形，如专利号为US4823638的美国专利文献2公开的齿廓形状，目前日本的高性能谐波齿轮采用的都是这种IH齿形。但是，其齿形是在假定柔轮和刚轮为齿条的情况下的近似设计，未考虑柔轮与刚轮在相对运动过程中柔轮齿廓会产生倾斜的情况，因此，传动中存在齿廓干涉现象。针对该缺陷，专利号为US5456139的美国专利文献3公开提出一种改善方法，但它只考虑了柔轮齿廓的倾斜现象，而未考虑齿廓中性线上点的运动轨迹会改变的情况，因此，专利号为US5918508的美国专利文献4做了进一步的改善。

根据专利文献4，其基于专利文献2的基于曲线(曲面)的几何映射理论，假定柔轮和刚轮为齿条，然后根据柔轮相对刚轮的运动轨迹，即得到近似设计的齿廓。接着，考虑到柔轮齿廓的倾斜现象和运动轨迹改变的情况，对近似设计的齿廓作进一步修正，即得到啮合情况比较理想的齿廓。该齿廓在谐波齿轮传动过程中，处于啮入和啮出状态时均保持连续的正确接触，并且不会产生齿形干涉，这样，同时参与啮合的齿数就会增加，啮合范围大。因此，齿轮的传动性能，例如，传动精度、强度、刚度、使用寿命等性能，均有大幅提高。

然而，专利文献4依然存在不足，即其没有将柔轮中性线(圆)上的模数与分度圆上的模数区分开来，导致对柔轮相对刚轮的运动轨迹产生影响，对齿廓的倾斜现象也有影响，从而对最终齿廓的获得和齿轮的传动性能有重要影响。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种采用非干涉且大范围啮合齿廓的谐波齿轮装置，具有更为合理的齿廓并实现更好的齿廓啮合性能。

本发明的目的采用以下技术方案实现：

一种采用非干涉且大范围啮合齿廓的谐波齿轮装置，包括具有内齿的刚轮、设置在刚轮中并具有外齿的柔轮以及安装在柔轮中的波发生器，内齿和外齿啮合，内齿和外齿的齿廓由下式获得：

x＝mg·[0.25π-(±τ)]-0.25m·(2θ-sin2θ)-0.5(g1-g2) (1)

y＝0.5·m·[1-cos2θ] (2)

其中，

rn＝m·ZF/2

mg＝(2rn+t)/[ZF-2(ha*+c*)]

g1＝h·Φ

g2＝{0.5·m·[2θ-sin2θ]-xN}+0.5·tanθ·{yN-m[1-cos2θ]}

h＝0.5·t+mg·(ha*+c*)+f

f＝0.5·m·[1-cos2θ]-0.5·tanθ·{mg·[0.25π-(±τ)]-0.25m·(2θ-sin2θ)}

Φ＝γ+μ

μ＝arctan{2·m·sin2θ/(rn+m·cos2θ)}

xN＝[rn+m·cos2θ]·sinγ

yN＝(rn+m)-(rn+m·cos2θ)·cosγ

式中，坐标系原点设置在齿廓中心线与分度圆的交点，坐标系X轴与分度圆相切，坐标系Y轴则与齿廓中心线重合；m、mg、ZF、ha*、c*、rn、θ、t依次分别为柔轮的中性线(圆)模数、分度圆模数、齿数、齿根高系数、顶隙系数、中性线(圆)半径、非变形端的转角、轮缘厚度；ZC为刚轮的齿数；τ为齿厚变化系数，柔轮齿厚减小则式(1)中±号取正，刚轮齿厚增大则式(1)中±号取负；g1为齿廓倾斜现象的修正项，g2为运动轨迹改变的修正项。

优选地，外齿的齿数比内齿的齿数少两个。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

(1)本发明的柔轮和钢轮采用的齿廓通过式(1)和式(2)的计算，结合了运动过程中柔轮齿廓的倾斜现象和轨迹改变情况，并结合到柔轮中性线(圆)上的模数与分度圆上的模数的不同，使其齿廓更为合理，通过区分柔轮中性线(圆)上的模数与分度圆上的模数，避免影响最终齿廓的获得和齿轮的传动性能；

(2)使用本发明通过式(1)和式(2)计算获得的齿廓，柔轮齿廓在啮入和啮出过程中，均与刚轮齿廓保持连续的正确接触，从而实现在不产生干涉的前提下，啮合齿数增加，啮合范围增大，参加啮合的齿数多，谐波齿轮传动装置的各项性能均有大幅提高，例如，承载能力、传动精度、强度、刚性和使用寿命等均将得到性能提升。

附图说明

图1为本发明谐波齿轮装置主视结构示意图；

图2为本发明内齿齿廓中心线与外齿齿廓中心线的角度位置关系图；

图3为本发明求取齿廓倾斜修正项g1和运动轨迹修正项g2的方法示意图；

图4为本发明柔轮外齿齿廓的示意图；

图5为本发明柔轮外齿从刚轮内齿啮出过程的齿廓示意图。

图中：1、谐波齿轮装置；2、刚轮；2a、内齿；3、柔轮；3a、外齿；4、波发生器；4a、长轴；4b、短轴。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

如图1所示的一种采用非干涉且大范围啮合齿廓的谐波齿轮装置1，包括具有内齿2a的刚轮2、设置在刚轮2中并具有外齿3a的柔轮3以及安装在柔轮3中的波发生器4，内齿2a和外齿3a啮合，内齿2a和外齿3a的齿廓由下式获得：

x＝mg·[0.25π-(±τ)]-0.25m·(2θ-sin2θ)-0.5(g1-g2) (1)

y＝0.5·m·[1-cos2θ] (2)

其中，

rn＝m·ZF/2

mg＝(2rn+t)/[ZF-2(ha*+c*)]

g1＝h·Φ

g2＝{0.5·m·[2θ-sin2θ]-xN}+0.5·tanθ·{yN-m[1-cos2θ]}

h＝0.5·t+mg·(ha*+c*)+f

f＝0.5·m·[1-cos2θ]-0.5·tanθ·{mg·[0.25π-(±τ)]-0.25m·(2θ-sin2θ)}

Φ＝γ+μ

μ＝arctan{2·m·sin2θ/(rn+m·cos2θ)}

xN＝[rn+m·cos2θ]·sinγ

yN＝(rn+m)-(rn+m·cos2θ)·cosγ

式中，坐标系原点设置在齿廓中心线与分度圆的交点，坐标系X轴与分度圆相切，坐标系Y轴则与齿廓中心线重合；m、mg、ZF、ha*、c*、rn、θ、t依次分别为柔轮3的中性线(圆)模数、分度圆模数、齿数、齿根高系数、顶隙系数、中性线(圆)半径、非变形端的转角、轮缘厚度；ZC为刚轮2的齿数；τ为齿厚变化系数，柔轮3齿厚减小则式(1)中±号取正，刚轮2齿厚增大则式(1)中±号取负；g1为齿廓倾斜现象的修正项，g2为运动轨迹改变的修正项。

本发明谐波齿轮装置1的工作原理如下：

如图1所示，柔轮3外齿3a的齿数比刚轮内齿的齿数少2个，以形成双波传动，进而使柔轮3应力较小，结构更简单，易于获得大的传动比。波发生器4外轮廓为椭圆形。

通常情况下，刚轮2固定不动。柔轮3设置在刚轮2中，并连接输出轴(图中未示出)。波发生器4安装在柔轮3的内孔中，波发生器4的外轮廓与柔轮3的内孔壁紧紧贴合，并将柔轮3弯曲成椭圆形，使处于长轴4a方向的内齿2a和外齿3a进入啮合状态，而处于短轴4b方向的内齿2a和外齿3a则相互脱开；同时，波发生器4连接输入轴(图中未示出)。当输入轴驱动波发生器4转动时，柔轮3与刚轮2的啮合位置在圆周方向上移动，并且柔轮3、刚轮2之间会产生减速的相对运动，减速比与柔轮3、刚轮2的齿数和齿数差相关；例如，波发生器4顺时针转动一圈，柔轮3逆时针转动二个齿，减速比为：2/柔轮3的齿数；最后，动力或运动经柔轮3传递至输出轴。

本发明柔轮3外齿3和刚轮2内齿2a的齿廓计算原理为：

柔轮3中性线上点的运动规律如下：

υ＝-0.5m·sin2θ；

ω＝m·cos2θ；

其中，ω为径向位移，υ为周向位移。

假设柔轮3、刚轮2均为齿条，则柔轮3中性线上点相对刚轮2的运动轨迹如下：

x1＝0.5m·(2θ-sin2θ)

y1＝m·(1-cos2θ)

根据曲线(曲面)几何映射理论，并经适当的坐标转换，即得到近似设计的上齿面齿廓，方程式如下：

x0＝mg[0.25π-(±τ)]-0.25m·(2θ-sin2θ) (3)

y0＝0.5m·(1-cos2θ) (4)

式(3)中已经考虑到柔轮3中性线(圆)对应的模数与分度圆对应的模数是不同的。

以下分析如何对式(3)和(4)进行修正而得到最终齿廓。

如图2所示为内齿2a齿廓中心线与外齿3a齿廓中心线的角度位置关系，它是修正齿廓倾斜现象的基础。图2中各参数的意义如下：Φ为内齿2a齿廓中心线相对外齿3a齿廓中心线的转角，即柔轮齿廓的总倾斜角；ρ表示中性线上点的向径；为内齿2a齿廓中心线与波发生器长轴4a的夹角；为外齿3a齿廓中心线与波发生器长轴4a的夹角；γ为ρ与内齿2a齿廓中心线的夹角；μ为ρ与外齿3a齿廓中心的夹角，即柔轮3中性线上点的法线的转角。图2中各角度的值可由下列等式计算得到。

μ＝arctan{2·m·sin2θ/(rn+m·cos2θ)}

Φ＝γ+μ

如图3示出了求取齿廓倾斜修正项g1和运动轨迹修正项g2的方法，其将柔轮3中性线(圆)对应的模数与分度圆对应的模数区分开来，更为合理。

图3中，点P、点M、直线e分别是近似设计时的齿廓啮合点、中性线上的点、外齿3a齿廓中心线，直线n是P点处的齿廓法线，点F是直线n与e交点。

当齿廓产生倾斜时，点F绕点M顺时针旋转角度Φ后到达点A，线段PB与FA等长并平行，而PB即为倾斜修正项g1。所以得到下列等式：

g1＝h·Φ

h＝0.5·t+mg·(ha*+c*)+f

f＝0.5·m·[1-cos2θ]-0.5·tanθ·{mg·[0.25π-(±τ)]-0.25m·(2θ-sin2θ)}

另外，齿廓倾斜时，柔轮3中性线上的点的运动轨迹是会改变的，图中，曲线i是原运动轨迹，曲线j是改变后的运动轨迹，曲线i上的点M在轨迹改变后到达曲线j上的点N。线段BQ等于线段ML，而BQ即为运动轨迹改变修正项g2。因此得到下列等式：

g2＝{0.5·m·[2θ-sin2θ]-xN}+0.5·tanθ·{yN-m[1-cos2θ]}

xN＝[rn+m·cos2θ]·sinγ

yN＝(rn+m)-(rn+m·cos2θ)·cosγ

最后，便得到线段PQ的中点R，即为最终齿廓上的点。

由上所述，综合式(3)、式(4)、倾斜修正项g1、运动轨迹改变修正项g2和中点R，便可以得到内齿和外齿的齿廓的最终方程式：

x＝mg[0.25π-(±τ)]-0.25m·(2θ-sin2θ)-0.5(g1-g2)

y＝0.5m·(1-cos2θ)

所获得的柔轮3齿廓如图4所示。图5则示出了采用本发明齿廓的一个柔轮3外齿3a从刚轮2内齿2a啮出的过程，可以看出，在整个啮出过程，没有产生干涉，并且保持着连续接触。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种采用非干涉且大范围啮合齿廓的谐波齿轮装置，包括具有内齿的刚轮、设置在刚轮中并具有外齿的柔轮以及安装在柔轮中的波发生器，内齿和外齿啮合，其特征在于：内齿和外齿的齿廓由下式获得：

x＝mg·[0.25π-(±τ)]-0.25m·(2θ-sin2θ)-0.5(g1-g2) (1)

y＝0.5·m·[1-cos2θ] (2)

其中，

rn＝m·ZF/2

mg＝(2rn+t)/[ZF-2(ha*+c*)]

g1＝h·Φ

g2＝{0.5·m·[2θ-sin2θ]-xN}+0.5·tanθ·{yN-m[1-cos2θ]}

h＝0.5·t+mg·(ha*+c*)+f

f＝0.5·m·[1-cos2θ]-0.5·tanθ·{mg·[0.25π-(±τ)]-0.25m·(2θ-sin2θ)}

Φ＝γ+μ

μ＝arctan{2·m·sin2θ/(rn+m·cos2θ)}

xN＝[rn+m·cos2θ]·sinγ

yN＝(rn+m)-(rn+m·cos2θ)·cosγ

式中，坐标系原点设置在齿廓中心线与分度圆的交点，坐标系X轴与分度圆相切，坐标系Y轴则与齿廓中心线重合；m、mg、ZF、ha*、c*、rn、θ、t依次分别为柔轮的中性线模数、分度圆模数、齿数、齿根高系数、顶隙系数、中性线半径、非变形端的转角、轮缘厚度；ZC为刚轮的齿数；τ为齿厚变化系数，柔轮齿厚减小则式(1)中±号取正，刚轮齿厚增大则式(1)中±号取负；g1为齿廓倾斜现象的修正项，g2为运动轨迹改变的修正项。

2.根据权利要求1所述的采用非干涉且大范围啮合齿廓的谐波齿轮装置，其特征在于：外齿的齿数比内齿的齿数少两个。