CN105299151A - 一种谐波齿轮减速器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐波齿轮减速器，包括柔轮、刚轮、椭圆凸轮波发生器，柔轮的杯底与输出轴连接，椭圆凸轮波发生器与输入轴连接；柔轮沿杯口的外壁设有圆弧-渐开线-圆弧齿廓，椭圆凸轮波发生器设置在柔轮杯口内壁；刚轮与壳体固定连接，内壁设有与柔轮齿廓相配合的圆弧-渐开线-圆弧齿廓，刚轮与柔轮通过齿廓啮合连接。啮合过程中，柔轮与刚轮连续共轭啮合，并存在柔轮的凸齿廓和凹齿廓分别与刚轮的凹齿廓和凸齿廓同时处于共轭运动的“双共轭”啮合区间。本发明兼具圆弧齿形谐波传动和渐开线齿形谐波传动的优点，既可实现变位传动，又可扩大轮齿啮合区域，提高谐波齿轮减速器的啮合刚度、传动效率和承载能力。

Description

一种谐波齿轮减速器

技术领域

本发明涉及谐波传动技术领域，尤其涉及一种谐波齿轮减速器。

背景技术

谐波传动具有结构简单、重量轻、传动比范围大、传动精度高、齿隙小、同时啮合齿数多以及实现向密闭空间传递运动及动力等众多独特的优点。近几十年来，谐波齿轮传动技术和传动装置已被广泛应用于空间技术、机床、仪器仪表、机器人、汽车、造船、纺织、冶金、常规武器、精密光学设备、印刷包装机械以及医疗器械等领域。国内外的应用实践证明，无论是作为高灵敏度随动***的精密谐波传动，还是作为传递大转矩的动力谐波传动，都表现出了良好的性能。

随着在各种自动化设备中的应用越来越多，机器人关节、飞行器用伺服机构等特定工况伺服动力传动机构对谐波齿轮传动要求越来越高，尤其对体积、重量、动力特性、可靠性等方面的要求几乎达到苛刻的地步。而常用的渐开线齿形谐波传动存在诸多缺点：齿根部应力集中较严重，易疲劳断裂；轮齿接触应力大，啮合区间小，影响承载能力；重载传动时尖点啮合柔轮易发生畸变，难以实现高刚度，并会引起啮合齿廓干涉或滑齿，严重制约整体承载能力。普通双圆弧齿廓虽然在一定程度上提高了承载能力，却由于无法变位，生产制造能力受到极大限制，缺少实际使用价值。谐波传动齿形、参数和结构设计的研究不够深入，远远落后于机器人关节、航天伺服机构等特定工况对谐波传动装置的性能要求，制约了机器人技术和其它精密传动技术的发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种谐波齿轮减速器，克服了普通渐开线谐波齿轮传动高承载下易出现齿根部应力集中、疲劳断裂、尖点啮合、柔轮畸变、卡齿和滑齿等不足。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种谐波齿轮减速器，包括柔轮、刚轮、椭圆凸轮波发生器，柔轮的杯底与输出轴连接，椭圆凸轮波发生器与输入轴连接；柔轮沿杯口的外壁设有齿廓，齿廓起始位置距离杯口边缘距离为b₁；椭圆凸轮波发生器设置在柔轮杯口内壁，椭圆凸轮波发生器的轴向宽度对称线与柔轮的齿廓宽度对称线重合；刚轮与壳体固定连接，刚轮内壁设有与上述齿廓相配合的齿廓，刚轮套设在柔轮设有椭圆凸轮波发生器一端的外侧，刚轮与柔轮通过齿廓啮合连接，刚轮的齿廓宽度对称线与柔轮的齿廓宽度对称线重合；上述柔轮采用圆弧-渐开线-圆弧的齿廓，其基本齿廓参数为：齿顶高系数齿根高系数顶隙系数压力角α＝15°～25°，齿顶工作段圆弧半径系数齿根工作段圆弧半径系数齿厚比K＝E_r/S_r＝1.05～1.2，齿根过渡圆弧半径系数齿顶厚系数*表示相应参数除以模数的系数。

为了防止上述柔轮的齿廓在啮入过程中发生齿顶干涉现象，齿顶部分作圆角处理，圆角半径系数

刚轮采用圆弧-渐开线-圆弧的齿廓，其压力角与上述柔轮的齿廓一致，其基本齿廓参数为：齿顶高系数齿根高系数顶隙系数齿顶工作段圆弧半径大于柔轮齿根工作段圆弧半径，其系数齿根工作段圆弧半径系数齿厚比K＝E_g/S_g＝1.05～1.2，齿根过渡圆弧半径系数

柔轮齿廓完全啮入刚轮时的啮合深度系数

柔轮的齿廓宽度为b_R；刚轮的齿廓宽度为b_G，b_G＝b_R+(2～3)，单位为mm。

上述齿廓起始位置距离杯口边缘距离为b₁，b₁＝0.2b_R。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明谐波齿轮减速器中柔轮和刚轮的齿廓采用新齿廓代替渐开线齿廓，减小了齿根应力集中，消除了边缘接触，重载传动下柔轮不易发生畸变，楔形侧隙更有利于油膜形成；另一方面，以此代替普通双圆弧齿廓，解决了刀具无法变位的问题，有效地提高了制造能力。在啮合过程中，柔轮和刚轮齿廓处于连续共轭啮合状态，并存在柔轮凸齿廓和凹齿廓分别与刚轮凹齿廓和凸齿廓同时处于共轭运动的“双共轭”啮合区间，扩大了轮齿啮合区域，增大了啮合深度，同时还减小了接触应力，提高了谐波齿轮减速器的啮合刚度、传动效率和承载能力。

附图说明

图1是本发明谐波齿轮减速器的剖视图。

图2是本发明柔轮与刚轮的整体啮合示意图。

图3是本发明谐波齿轮减速器柔轮的齿廓曲线。

图4是本发明谐波齿轮减速器刚轮的齿廓曲线。

图5是本发明实施例柔轮与刚轮的局部啮合示意图。

图6是本发明柔轮滚刀法面齿廓的基准模型。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

一种谐波齿轮减速器，包括柔轮1、刚轮2、椭圆凸轮波发生器3和壳体，柔轮1、刚轮2和椭圆凸轮波发生器3均置于壳体内，柔轮1的杯底与输出轴连接，椭圆凸轮波发生器3与输入轴连接；柔轮1沿杯口的外壁设有齿廓，齿廓起始位置距离杯口边缘距离为b₁；椭圆凸轮波发生器3设置在柔轮1杯口内壁，椭圆凸轮波发生器3的轴向宽度对称线与柔轮1的齿廓宽度对称线重合；刚轮2与壳体固定连接，刚轮2内壁设有与上述齿廓相配合的齿廓，刚轮2套设在柔轮1设有椭圆凸轮波发生器3一端的外侧，刚轮2与柔轮1通过齿廓啮合连接，刚轮2的齿廓宽度对称线与柔轮1的齿廓宽度对称线重合；上述柔轮1采用圆弧-渐开线-圆弧的齿廓，其基本齿廓参数为：齿顶高系数齿根高系数顶隙系数压力角α＝15°～25°，齿顶工作段圆弧半径系数齿根工作段圆弧半径系数齿厚比K＝E_r/S_r＝1.05～1.2，齿根过渡圆弧半径系数齿顶厚系数*表示相应参数除以模数的系数。

为了防止上述柔轮1的齿廓在啮入过程中发生齿顶干涉现象，齿顶部分作圆角处理，圆角半径系数

刚轮2采用圆弧-渐开线-圆弧的齿廓，其压力角与上述柔轮1的齿廓一致，其基本齿廓参数为：齿顶高系数齿根高系数顶隙系数齿顶工作段圆弧半径大于柔轮1齿根工作段圆弧半径，其系数齿根工作段圆弧半径系数齿厚比K＝E_g/S_g＝1.05～1.2，齿根过渡圆弧半径系数

柔轮1齿廓完全啮入刚轮2时的啮合深度系数

柔轮1的齿廓宽度为b_R；刚轮2的齿廓宽度为b_G，b_G＝b_R+(2～3)，单位为mm。

上述齿廓起始位置距离杯口边缘距离为b₁，b₁＝0.2b_R。

结合图1，一种谐波齿轮减速器包括柔轮1、刚轮2、椭圆凸轮波发生器3，其中刚轮2和椭圆凸轮波发生器3为刚性体，柔轮1的杯底与输出轴连接，椭圆凸轮波发生器3与输入轴连接，刚轮2与壳体固定连接；柔轮1沿杯口的外壁设有齿廓；椭圆凸轮波发生器3设置在柔轮1杯口内壁，椭圆凸轮波发生器3的轴向宽度对称线与柔轮1的齿廓宽度对称线重合；刚轮2内壁设有与上述齿廓相配合的齿廓，刚轮2套设在柔轮1设有椭圆凸轮波发生器3一端的外侧，刚轮2与柔轮1通过齿廓啮合连接，刚轮2的齿廓宽度对称线与柔轮1的齿廓宽度对称线重合。安装时，椭圆凸轮波发生器3与柔轮1内壁采用H8/h7的配合。本发明的具体工作过程是：椭圆凸轮波发生器3装入柔轮1后，导致柔轮1产生挠性变形，产生挠性变形的柔轮1随着椭圆凸轮波发生器3的转动产生周期性变形，在椭圆凸轮波发生器3长轴两端处的柔轮1的齿廓与刚轮2的齿廓处于完全啮合的“双共轭”状态，在椭圆凸轮波发生器3短轴两端处的柔轮1的齿廓与刚轮2的齿廓处于完全脱开状态，在其余区间处于半啮合或半脱开状态。

结合图6，图6是本发明柔轮滚刀法面齿廓的基准模型，由圆弧-直线-圆弧构成，柔轮1的齿廓是以此为基准齿形而设计的。O₁为滚齿刀齿根工作段圆弧的圆心，O₂为滚齿刀齿顶工作段圆弧的圆心，AB段是以O₂为圆心、R_fR为半径的圆弧，CD段是以O₁为圆心、R_aR为半径的圆弧，BC段是AB段圆弧与CD段圆弧的公切线。AB段、BC段以及CD段是柔轮滚刀法面基准齿廓，其基本齿廓参数均应与待加工柔轮1的基本齿廓参数保持一致。出于加工的需要，在滚齿刀的齿顶齿根处均留有一定的顶隙，并作圆角处理，半径分别为R₁、R₂。图中各字母含义为：m-模数；-柔轮齿顶高系数；-柔轮齿根高系数；-柔轮顶隙系数；α-柔轮压力角；-柔轮齿顶工作段圆弧半径系数；-柔轮齿根工作段圆弧半径系数；-滚齿刀齿根过渡圆弧半径系数，取值为0.5～0.9；-滚齿刀齿顶过渡圆弧半径系数，取值为0.3～0.8。“*”表示相应参数除以模数的系数。

实施例1

结合图3，图3是本发明谐波齿轮减速器柔轮1的齿廓曲线。本发明谐波齿轮减速器柔轮1由滚齿刀变位切削加工而成。柔轮1的基本齿廓曲线由圆弧-渐开线-圆弧构成，本实施例中，柔轮1的基本齿廓参数为：

齿顶高系数齿根高系数顶隙系数压力角α＝20°，变位系数x_R＝3.52，齿顶工作段圆弧半径系数齿根工作段圆弧半径系数齿厚比K＝1.05，齿根过渡圆弧半径系数齿顶厚系数为了防止柔轮的齿廓在啮入过程中发生齿顶干涉现象，齿顶部分作圆角处理，圆角半径系数

结合图4，图4是本发明谐波齿轮减速器刚轮2的齿廓曲线。本发明谐波齿轮减速器刚轮2的基本齿廓曲线由圆弧-渐开线-圆弧构成，使用插齿刀变位切削加工而成，其压力角应与柔轮保持一致，其它基本齿廓参数需参照与之啮合的柔轮参数进行确定。本实施例中，刚轮2的基本齿廓参数为：

齿顶高系数齿根高系数顶隙系数压力角α＝20°，变位系数x_G＝3.15，齿顶工作段圆弧半径系数齿根工作段圆弧半径系数齿厚比K＝1.05，齿根过渡圆弧半径系数柔轮齿廓完全啮入刚轮时的啮合深度系数

结合图2和图5，图5是上述实施例柔轮1与刚轮2的局部啮合示意图，反映了柔轮1的单个齿廓相对刚轮2的齿廓的啮入啮出过程。图2是上述实施例柔轮1与刚轮2的整体啮合示意图。实施例表明，在啮合过程中，柔轮1的齿廓与刚轮2的齿廓不存在干涉且处于连续共轭啮合状态，存在柔轮1凸齿廓和凹齿廓分别与刚轮2凹齿廓和凸齿廓同时处于共轭运动的“双共轭”啮合区间，这对于提高谐波齿轮减速器的传动效率和承载能力具有重要作用。与同型号渐开线齿形相比，采用新齿形的谐波齿轮减速器在工作过程中同时啮合齿对数是渐开线齿形的2倍左右；相同条件下，极限承载能力是渐开线齿形的4倍左右，扭转刚度比渐开线齿形提高50％左右。

Claims (6)

1.一种谐波齿轮减速器，包括柔轮(1)、刚轮(2)、椭圆凸轮波发生器(3)，其特征在于：柔轮(1)的杯底与输出轴连接，椭圆凸轮波发生器(3)与输入轴连接；柔轮(1)沿杯口的外壁设有齿廓，齿廓起始位置距离杯口边缘距离为b₁；椭圆凸轮波发生器(3)设置在柔轮(1)杯口内壁，椭圆凸轮波发生器(3)的轴向宽度对称线与柔轮(1)的齿廓宽度对称线重合；刚轮(2)内壁设有与上述齿廓相配合的齿廓，刚轮(2)套设在柔轮(1)设有椭圆凸轮波发生器(3)一端的外侧，刚轮(2)与柔轮(1)通过齿廓啮合连接，刚轮(2)的齿廓宽度对称线与柔轮(1)的齿廓宽度对称线重合；上述柔轮(1)采用圆弧-渐开线-圆弧的齿廓，其基本齿廓参数为：齿顶高系数齿根高系数顶隙系数压力角α＝15°～25°，齿顶工作段圆弧半径系数齿根工作段圆弧半径系数齿厚比K＝E_r/S_r＝1.05～1.2，齿根过渡圆弧半径系数齿顶厚系数*表示相应参数除以模数的系数。

2.根据权利要求1所述的谐波齿轮减速器，其特征在于：为了防止上述柔轮(1)的齿廓在啮入过程中发生齿顶干涉现象，齿顶部分作圆角处理，圆角半径系数 $R_3^{*}=0.1~0.2.$

3.根据权利要求2所述的谐波齿轮减速器，其特征在于：刚轮(2)采用圆弧-渐开线-圆弧的齿廓，其压力角与上述柔轮(1)的齿廓一致，其基本齿廓参数为：齿顶高系数齿根高系数顶隙系数齿顶工作段圆弧半径大于柔轮(1)齿根工作段圆弧半径，其系数齿根工作段圆弧半径系数齿厚比K＝E_g/S_g＝1.05～1.2，齿根过渡圆弧半径系数

4.根据权利要求3所述的谐波齿轮减速器，其特征在于：柔轮(1)齿廓完全啮入刚轮(2)时的啮合深度系数

5.根据权利要求1所述的谐波齿轮减速器，其特征在于：柔轮(1)的齿廓宽度为b_R；刚轮(2)的齿廓宽度为b_G，b_G＝b_R+(2～3)，单位为mm。

6.根据权利要求1或5所述的谐波齿轮减速器，其特征在于：上述齿廓起始位置距离杯口边缘距离为b₁，b₁＝0.2b_R。