諧波齒輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文.doc

諧波齒輪傳動(dòng)第1頁共26頁第1章諧波齒輪概述1.1概述1.1.1諧波齒輪技術(shù)的發(fā)展概況諧波齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)原理與普通齒輪傳動(dòng)不同，它是利用控制柔性齒輪的彈性變形來實(shí)現(xiàn)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的。諧波齒輪傳動(dòng)一般有波發(fā)生器、柔性齒輪和剛性齒輪三個(gè)基本構(gòu)件。因?yàn)?，由波發(fā)生器的作用迫使柔性齒輪所產(chǎn)生的變形波是一個(gè)基本對(duì)稱的簡(jiǎn)諧波，故稱這種機(jī)械傳動(dòng)形式為諧波傳動(dòng)。諧波齒輪傳動(dòng)是諧波傳動(dòng)中的一種主要結(jié)構(gòu)類型；它是以齒輪作為基本元件的諧波傳動(dòng)形式。此外，諧波齒輪還包括：諧波摩擦傳動(dòng)、諧波螺旋傳動(dòng)和諧波無級(jí)變速傳動(dòng)等結(jié)構(gòu)類型。我過于60年代中期，國內(nèi)有關(guān)的研究機(jī)構(gòu)開始引進(jìn)了諧波傳動(dòng)這項(xiàng)新技術(shù)，并開展了該項(xiàng)目的研究工作。70年代末，我國許多的工業(yè)部門、機(jī)械研究所和有關(guān)的工科院校都先后對(duì)諧波齒輪傳動(dòng)進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究以及設(shè)計(jì)試制等工作，研制出了一些性能較好的諧波齒輪減速器。自1980年起，我國也開始了諧波齒輪的標(biāo)準(zhǔn)化和系列化工作。經(jīng)過約5年時(shí)間的研究試制，于1985年制訂了中小功率的通用諧波齒輪減速器的標(biāo)準(zhǔn)系列。從而，使我國成為世界上具有通用諧波齒輪減速器標(biāo)準(zhǔn)的第四個(gè)國家。1.1.2諧波齒輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成諧波齒輪機(jī)構(gòu)通常由波發(fā)生器H、柔輪g和剛輪b（采用具有剛性齒輪的行星機(jī)構(gòu)相類似的符號(hào)來表示）三個(gè)基本構(gòu)件所組成。如下圖所示：1-波發(fā)生器2-柔輪3-剛輪在諧波傳動(dòng)中，波發(fā)生器H旋轉(zhuǎn)一圈，柔輪上某一點(diǎn)變形的循環(huán)次數(shù)，叫做柔輪的變形波數(shù)，用符號(hào)u表示；即變形波數(shù)u應(yīng)按柔輪g與剛輪b同時(shí)嚙合的區(qū)域數(shù)目來確定。在一般情況下，可以采用單波（u=1）、雙波（u=2）、三波（u=3）、四波（u=4）傳動(dòng)。但由于受到柔輪g材料許用應(yīng)力的限制，通常大都采用的是雙波（u=2）和三波（u=3）傳動(dòng)；目前，應(yīng)用較廣泛的仍然是雙波（u=2）傳動(dòng)。而剛輪b和柔輪g的齒數(shù)差，一般應(yīng)取為江南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)第2頁共26頁柔輪g的變形波數(shù)u，即Zb-Zg=u；或者在某寫情況下取成u的倍數(shù)。柔輪的變形波數(shù)u和剛輪b與柔輪g的齒數(shù)差Zp=Zb-Zg的選擇應(yīng)按柔輪的強(qiáng)度條件和傳動(dòng)比的大小確定。對(duì)于傳動(dòng)比i80的剛制柔輪g，采用變形波數(shù)u=2和齒數(shù)差Zp=Zb-Zg=2較為合理。對(duì)于傳動(dòng)比i120的情況，當(dāng)齒數(shù)差Zp=Zb-Zg=3時(shí)，則了采用柔輪的變形波數(shù)u=3。當(dāng)變形波數(shù)u=2，而齒數(shù)差Zp=Zb-Zg=0(零齒差)時(shí),這種零齒差的齒輪副嚙合也是完全可以實(shí)現(xiàn)的.在這種情況下,諧波齒輪減速器便轉(zhuǎn)化為諧波齒輪連軸器；即成為柔輪g與輸出剛輪b的輪齒相互嚙合的連接方式。1.2諧波齒輪機(jī)構(gòu)的主要特點(diǎn)由于諧波齒輪傳動(dòng)中具有一個(gè)柔性構(gòu)件(柔輪g),所以,與具有剛性構(gòu)件的行星齒輪傳動(dòng)相比較,諧波齒輪機(jī)構(gòu)具有以下幾個(gè)主要特點(diǎn):a.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,重量輕,體積小.由于諧波齒輪機(jī)構(gòu)的零件數(shù)目較少,其主要零件只有剛輪b、柔輪g和波發(fā)生器H三個(gè)。所以，在相同的工作條件下，諧波齒輪傳動(dòng)的體積約為普通齒輪傳動(dòng)體積的1/31/2左右。零件數(shù)約少一半,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量也減少了許多。b.單級(jí)傳動(dòng)比大，且傳動(dòng)比范圍寬。一般單級(jí)諧波齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比為i=60100。當(dāng)采用行星式波發(fā)生器H時(shí)，其傳動(dòng)比為1504000；而采用雙級(jí)或復(fù)波諧波傳動(dòng)時(shí)，則其傳動(dòng)比i可達(dá)106。c.同時(shí)參與嚙合的齒數(shù)多。在承受載荷情況下，雙波傳動(dòng)同時(shí)嚙合齒數(shù)可達(dá)總齒數(shù)的30%50%；采用三波傳動(dòng)則更多。而普通圓柱齒輪同時(shí)嚙合齒數(shù)一般為兩對(duì)左右，即重合度=12。不過，應(yīng)該指出：諧波齒輪機(jī)構(gòu)工作時(shí)同時(shí)嚙合的齒輪與其所選用的波發(fā)生器的結(jié)構(gòu)形式、嚙合參數(shù)和所轉(zhuǎn)矩的大小有關(guān)，故不能一概而論。由于諧波齒輪傳動(dòng)同時(shí)參與嚙合的輪齒數(shù)目多，即可承受載荷的輪齒數(shù)目也多，故其傳動(dòng)平穩(wěn)，承載能力大。d.傳動(dòng)精度高。由于諧波機(jī)構(gòu)同時(shí)嚙合的齒數(shù)較多，其輪齒誤差能相互補(bǔ)償一部分。一般情況下，諧波齒輪傳動(dòng)與相同精度等級(jí)的普通齒輪傳動(dòng)相比，其傳動(dòng)精度較高，有的精度可達(dá)倍左右。e.齒面磨損小而且均勻。當(dāng)正確選擇嚙合參數(shù)時(shí)，柔輪的輪齒相對(duì)于剛輪的輪齒將沿著一條滑動(dòng)路徑很短的軌跡移動(dòng)。此時(shí)，輪齒間的相對(duì)滑動(dòng)速度要比剛性齒輪傳動(dòng)小許多倍。另外，兩輪齒的嚙合接近于面接觸。因此，在諧波機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)過程中，輪齒工作面磨損小，而且均勻。f.傳動(dòng)效率高。諧波齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率與其結(jié)構(gòu)、加工精度、表面粗糙度和潤(rùn)滑有關(guān)。當(dāng)傳動(dòng)比i=80300時(shí)，其單級(jí)的傳動(dòng)效率約為=0.70.9。一般，諧波機(jī)構(gòu)本身是不能自鎖的，故它既可作為減速器，又可作為增速器。g.空回量小，并可實(shí)現(xiàn)無側(cè)隙傳動(dòng)。在諧波齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)過程中，由于輪齒的相諧波齒輪傳動(dòng)第3頁共26頁互摩擦而致使其產(chǎn)生空回量。但其空回量的大小可借助于調(diào)整波發(fā)生器的尺寸（比如凸輪的長(zhǎng)、短軸）來進(jìn)行調(diào)整；甚至可以調(diào)整輪齒間的側(cè)隙為零，以保證獲得無側(cè)隙傳動(dòng)。h.運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無沖擊。由于同時(shí)參與嚙合的齒數(shù)多，兩輪齒的嚙合接近于面接觸。而且，柔輪的嚙入和嚙出是隨著其本身的變形而逐漸進(jìn)入和退出剛輪齒槽間的，因此，其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無沖擊現(xiàn)象。i.傳動(dòng)的同軸性好。由于諧波機(jī)構(gòu)中的輸入軸與輸出軸大都位于同一軸線上，所以，該傳動(dòng)的同軸性能良好。j.可實(shí)現(xiàn)向密封空間傳遞運(yùn)動(dòng)或動(dòng)力。由于柔輪被固定后，它既可用作為封閉傳動(dòng)裝置的殼體，又可以產(chǎn)生彈性變形，即完成錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到傳遞運(yùn)動(dòng)或動(dòng)力的目的。因此，它可用在操縱高溫、高壓的管道，以及用來驅(qū)動(dòng)在高真空、有原子輻射或其他有害介質(zhì)空間的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。這是現(xiàn)有的其它傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所不能及的。盡管諧波齒輪機(jī)構(gòu)具有上述的優(yōu)點(diǎn)，但也存在著一些缺點(diǎn)。它的缺點(diǎn)如下：a.諧波齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比下限值較高，當(dāng)采用剛制柔輪時(shí)，其單級(jí)傳動(dòng)比不得小于60。目前，雖然也可能見到傳動(dòng)比為3560的諧波齒輪機(jī)構(gòu)，但它們?nèi)捎冒嘿F的特種鋼制造的。因?yàn)?，其傳?dòng)比的下限值受到柔輪工作時(shí)的最大應(yīng)力max的限制。一般情況是：傳動(dòng)比i值越大，采用諧波齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效果越好。但是，其單級(jí)傳動(dòng)比的上限值又受到嚙合輪齒的最小模數(shù)值和輪齒嚙入深度的限制，故其傳動(dòng)比的上限值為：350400。b.柔輪和撥發(fā)生器的制造較復(fù)雜，需要專門的設(shè)備，這樣就給單件生產(chǎn)和修理工作帶來了困難，因而使其制造成本較高。但是，在專業(yè)化的工廠中，進(jìn)行大批量的生產(chǎn)時(shí)，由于采用專門的工裝夾具和新的工藝，則可使諧波齒輪機(jī)構(gòu)的制造成本比行星齒輪機(jī)構(gòu)的制造成本低。c.諧波齒輪機(jī)構(gòu)一般做成相交軸的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。由上述可見，諧波齒輪傳動(dòng)與普通齒輪傳動(dòng)、蝸桿蝸輪傳動(dòng)等比較，具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，而且日益得到人們的重視和廣泛應(yīng)用。它非常適用于作為大傳動(dòng)比的齒輪減速器和機(jī)械分度機(jī)構(gòu)、伺服裝置、雷達(dá)裝置及自動(dòng)控制等高精度的傳動(dòng)系統(tǒng)中。在機(jī)械自動(dòng)化方面，可用于數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)裝置，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的減速器。在軍事裝備方面，可用作火炮瞄準(zhǔn)機(jī)的減速裝置、坦克和自行火炮炮塔回轉(zhuǎn)機(jī)的減速器、無線電通訊天線的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、雷達(dá)天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、飛機(jī)螺旋槳的強(qiáng)力諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。在航天飛行方面，可用諧波傳動(dòng)馬達(dá)代替火箭中的液體原動(dòng)機(jī)和人造衛(wèi)星儀器上的諧波馬達(dá)等。1.3諧波齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)原理對(duì)于采用凸輪撥發(fā)生器的諧波齒輪機(jī)構(gòu)，在裝配前，柔輪的原始剖面為圓形。柔輪和剛輪的齒矩p（周節(jié)）相等，但剛輪的齒數(shù)比柔輪的齒數(shù)要多。波發(fā)生器的橢圓長(zhǎng)軸比未變形柔輪的內(nèi)圓直徑略大/當(dāng)撥發(fā)生器裝入柔輪的內(nèi)圓時(shí)，迫使柔輪產(chǎn)生彈性變形，而使其變?yōu)闄E圓形。當(dāng)剛輪固定，波發(fā)生器為輸入件，柔輪為輸出件時(shí)，其傳動(dòng)原理為：如下圖所示：江南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)第4頁共26頁當(dāng)波發(fā)生器在原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下于柔輪內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，就迫使柔輪不斷地產(chǎn)生變形，于是，柔輪的輪齒就在變形的過程中逐漸進(jìn)入或退出剛輪的齒間。在波發(fā)生器的橢圓長(zhǎng)軸方向，柔輪與剛輪成為完全嚙合狀態(tài)（簡(jiǎn)稱嚙合）；而在波發(fā)生器的橢圓短軸方向，則處于完全脫開狀態(tài)（簡(jiǎn)稱脫開）。而處于波發(fā)生器長(zhǎng)軸與短軸之間（如45o方向）的輪齒，沿柔輪軸長(zhǎng)的不同區(qū)段內(nèi)，有的輪齒逐漸進(jìn)入剛輪的齒間，而處于半嚙合狀態(tài)，稱為嚙入；有的齒輪則逐漸退出剛輪的齒間，而處于半脫開狀態(tài)，稱為嚙出。由于波發(fā)生器在柔輪內(nèi)進(jìn)行連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，便使得兩輪輪齒的嚙入、嚙合、嚙出、脫開這四種狀態(tài)不斷地改變各自原來的工作情況，而產(chǎn)生所謂的錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)。正是由于存在著這種相互的錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)，才能把輸入運(yùn)動(dòng)變成為輸出運(yùn)動(dòng)。例如，將波發(fā)生器輸入的角速度H,經(jīng)減速傳動(dòng)而變成柔輪輸出的角速度g，此時(shí)，剛輪固定不動(dòng)，柔輪便向著與波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于雙波傳動(dòng)（u=2）的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是：波發(fā)生器H旋轉(zhuǎn)一周（周長(zhǎng)2rH），柔輪相對(duì)于剛輪在圓周方向轉(zhuǎn)過兩個(gè)齒矩2p的弧長(zhǎng)；若H旋轉(zhuǎn)二分之一圈時(shí)，柔輪就轉(zhuǎn)過一個(gè)齒矩p的弧長(zhǎng)；若H旋轉(zhuǎn)四分之一圈時(shí)，則柔輪便轉(zhuǎn)過p/2（p為齒矩）的弧長(zhǎng)；依次類推。在旋轉(zhuǎn)波發(fā)生器迫使柔輪產(chǎn)生彈性變形的