諧波齒輪傳動(dòng)

諧波齒輪傳動(dòng)機(jī)械工術(shù)語(yǔ)01發(fā)展概述原理應(yīng)用組成特點(diǎn)參數(shù)目錄030502040607約束條件發(fā)展趨勢(shì)加工制造工藝目錄0908基本信息諧波齒輪傳動(dòng)是一種依靠彈性變形運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的新型機(jī)構(gòu)，它突破了機(jī)械傳動(dòng)采用剛性構(gòu)件機(jī)構(gòu)的模式，使用了一個(gè)柔性構(gòu)件來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械傳動(dòng)，從而獲得了一系列其他傳動(dòng)所難以達(dá)到的特殊功能，已廣泛應(yīng)用。但也帶來(lái)了設(shè)計(jì)中必須解決的特殊問(wèn)題。發(fā)展概述發(fā)展概述諧波齒輪傳動(dòng)技術(shù)是上世紀(jì)50年代隨航天技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一種新的傳動(dòng)技術(shù)。五十年代，隨著空間科學(xué)、航天技術(shù)的發(fā)展，航天飛行器控制系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)和儀表設(shè)備對(duì)機(jī)械傳動(dòng)提出了新的要求，如：傳動(dòng)比大、體積小、重量輕、傳動(dòng)精度高、回差小等。對(duì)于上述要求，新出現(xiàn)的諧波傳動(dòng)滿(mǎn)足了這種要求，它是在薄殼彈性變形的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種傳動(dòng)技術(shù)。在諧波傳動(dòng)出現(xiàn)后短短的幾十年中，世界各工業(yè)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家都集中了一批研究力量致力于這類(lèi)新型傳動(dòng)技術(shù)的研究。如美國(guó)就有國(guó)家航空航天管理局路易斯研究中心、空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、USM公司、貝爾航空空間公司、卡曼飛機(jī)公司、本迪克斯航空公司、波音航空公司、肯尼迪空間中心(KSC)、麻省理工學(xué)院(MIT)、通用電氣(GE)公司等幾十個(gè)大型公司和研究中心從事這方面的研究工作。前蘇聯(lián)從上世紀(jì)60年代初期開(kāi)始，也大力開(kāi)展了這方面的研究工作，如前蘇聯(lián)機(jī)械研究所、莫斯科鮑曼工業(yè)大學(xué)、列寧格勒光學(xué)精密機(jī)械研究所、全蘇減速器研究所、基也夫減速器廠和莫斯科建筑工程學(xué)院等單位都大力開(kāi)展了諧波傳動(dòng)的研究工作。他們?cè)谠擃I(lǐng)域進(jìn)行了較系統(tǒng)、深入的基礎(chǔ)理論和試驗(yàn)研究，在諧波傳動(dòng)的類(lèi)型、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用等方面有較大發(fā)展。日本長(zhǎng)谷川齒輪株式會(huì)社等有關(guān)企業(yè)，自1970年開(kāi)始，從美國(guó)引進(jìn)USM公司的全套技術(shù)資料，成立了諧波傳動(dòng)株式會(huì)社，現(xiàn)除能大批生產(chǎn)各種類(lèi)型的諧波傳動(dòng)裝置外，還完成了通用諧波傳動(dòng)裝置的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化工作。值得注意的是西歐一些國(guó)家，如德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、瑞士、瑞典及意大利等國(guó)，都開(kāi)展了諧波傳動(dòng)的研究工作并推廣應(yīng)用研究成果，他們不但對(duì)諧波傳動(dòng)的基礎(chǔ)理論進(jìn)行系統(tǒng)的研究，而且把諧波傳動(dòng)應(yīng)用在衛(wèi)星、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域。組成組成圖1諧波齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)件諧波齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)有三個(gè)基本構(gòu)件組成，如圖1所示：剛輪(CircularSpline)，柔輪(Flexspline)和波發(fā)生器(WaveGenerator)。諧波齒輪傳動(dòng)的原理就是在柔性齒輪構(gòu)件中，通過(guò)波發(fā)生器的作用，產(chǎn)生一個(gè)移動(dòng)變形波，并與剛輪齒相嚙合，從而達(dá)到傳動(dòng)目的。其中，波發(fā)生器是按一定變形規(guī)律產(chǎn)生周期性彈性變形波的部件，常見(jiàn)的有機(jī)械式波發(fā)生器、電磁式波發(fā)生器、液壓式波發(fā)生器和氣動(dòng)式波發(fā)生器。圖1中所示為采用滾動(dòng)軸承的機(jī)械式波發(fā)生器，其是在凸輪的外緣安裝薄壁滾珠軸承，該薄壁滾珠軸承的內(nèi)圈固定在凸輪上，通過(guò)滾珠和凸輪的相互作用實(shí)現(xiàn)外圈襯環(huán)的彈性變形，凸輪通常作為輸入端，通過(guò)內(nèi)孔與輸入軸相連。柔輪為薄壁杯型金屬撓性部件，開(kāi)口部外緣有齒，未裝配時(shí)截面呈圓形，柔輪的杯型底部被稱(chēng)為膜片部，膜片部通常作為輸出端，起到法蘭的作用。剛輪一般為環(huán)狀部件，內(nèi)緣有齒，節(jié)圓與柔輪相同，齒數(shù)通常比柔輪多1~3齒（齒差通常為波數(shù)的整數(shù)倍，為獲得最大齒高，一般取等于波數(shù)，即齒差為1~3），經(jīng)常作為固定端與機(jī)架連接。將波發(fā)生器裝入柔輪內(nèi)時(shí)，柔輪將產(chǎn)生彈性變形，在工作過(guò)程中，波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)一周，柔輪上某點(diǎn)發(fā)生彈性變形的循環(huán)次數(shù)稱(chēng)為諧波齒輪的波數(shù)，一般為1~3，其中最常用的是波發(fā)生器呈橢圓狀的雙波諧波齒輪，顧名思義其波數(shù)為2。原理原理諧波齒輪傳動(dòng)與普通齒輪傳動(dòng)不同，其力矩和運(yùn)動(dòng)的傳遞主要依靠柔輪不斷進(jìn)行彈性變形實(shí)現(xiàn)，前蘇聯(lián)研究者將這種傳動(dòng)原理稱(chēng)作變形原理。以最常用的雙波諧波齒輪為例，令波發(fā)生器為其輸入端，柔輪為其輸出端，剛輪固定。定義柔輪的內(nèi)外兩曲面之間的距離為柔輪的厚度δ，則可知柔輪厚度δ遠(yuǎn)小于其它結(jié)構(gòu)尺寸，且與其最小曲率半徑相比通常小于5%，因而可應(yīng)用薄殼理論進(jìn)行研究。對(duì)柔輪的殼體中面進(jìn)行研究，由于諧波齒輪軸向方向的運(yùn)動(dòng)只影響殼體的應(yīng)力狀態(tài)，與其運(yùn)動(dòng)學(xué)的分析求解無(wú)關(guān)，因而將該問(wèn)題簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題進(jìn)行研究，即將殼體中面簡(jiǎn)化為中線。假設(shè)柔輪壁厚對(duì)柔輪變形無(wú)影響，受載變形后中線尺寸不變，且柔輪可以完全按照波發(fā)生器產(chǎn)生的形狀產(chǎn)生變形，則設(shè)φ0為波發(fā)生器初始角度，ω為波發(fā)生器轉(zhuǎn)速，t為時(shí)間，φ為波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)角度，α為柔輪徑向變形量，β為柔輪切向變形量，并將柔輪中線細(xì)分為無(wú)數(shù)個(gè)微小線元，取其中任意一個(gè)微小線元進(jìn)行研究，如圖3所示?？芍浩渲袌D3在雙波諧波齒輪中，函數(shù)是周期為π的周期函數(shù)。通過(guò)前蘇聯(lián)研究者的實(shí)驗(yàn)證明，諧波齒輪在受載嚙合過(guò)程中柔輪殼體中線的變化量普遍小于齒形公差的10%，因而可以假設(shè)在嚙合過(guò)程中，柔輪殼體中線長(zhǎng)度為恒定不變的常值。根據(jù)上述假設(shè)，可以推導(dǎo)α和β之間的函數(shù)關(guān)系。特點(diǎn)特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件少，體積小，重量輕。與傳動(dòng)比相當(dāng)?shù)钠胀p速器比較，其零件約減少50%，體積和重量均減少1/3以上。(2)傳動(dòng)比大，傳動(dòng)比范圍廣。單級(jí)諧波減速器傳動(dòng)比可在50～300之間，雙級(jí)諧波減速器傳動(dòng)比可在3000～之間，復(fù)波諧波減速器傳動(dòng)比可在100～之間。(3)由于同時(shí)嚙合的齒數(shù)多，齒面相對(duì)滑動(dòng)速度低，使其承載能力高，傳動(dòng)平穩(wěn)且精度高，噪聲低。(4)諧波齒輪傳動(dòng)的回差較小，齒側(cè)間隙可以調(diào)整，甚至可實(shí)現(xiàn)零側(cè)隙傳動(dòng)。(5)在采用如電磁波發(fā)生器或圓盤(pán)波發(fā)生器等結(jié)構(gòu)型式時(shí)，可獲得較小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。(6)諧波齒輪傳動(dòng)還可以向密封空間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，采用密封柔輪諧波傳動(dòng)減速裝置，可以驅(qū)動(dòng)工作在高真空、有腐蝕性及其它有害介質(zhì)空間的機(jī)構(gòu)。(7)傳動(dòng)效率較高，且在傳動(dòng)比很大的情況下，仍具有較高的效率。應(yīng)用應(yīng)用由于諧波傳動(dòng)具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，近幾十年來(lái)，諧波齒輪傳動(dòng)技術(shù)和傳動(dòng)裝置已被廣泛應(yīng)用于空間技術(shù)、雷達(dá)通訊、能源、機(jī)床、儀器儀表、機(jī)器人、汽車(chē)、造船、紡織、冶金、常規(guī)武器、精密光學(xué)設(shè)備、印刷包裝機(jī)械以及醫(yī)療器械等領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用實(shí)踐證明，無(wú)論是作為高靈敏度隨動(dòng)系統(tǒng)的精密諧波傳動(dòng)，還是作為傳遞大轉(zhuǎn)矩的動(dòng)力諧波傳動(dòng)，都表現(xiàn)出了良好的性能;作為空間傳動(dòng)裝置和用于操縱高溫、高壓管路以及在有原子輻射或其它有害介質(zhì)條件下工作的機(jī)構(gòu)，更顯示了一些其他傳動(dòng)裝置難以比擬的優(yōu)越性。諧波齒輪一般都是小模數(shù)齒輪，諧波齒輪傳動(dòng)裝置一般都具有小體積和超小體積傳動(dòng)裝置的特征。諧波齒輪傳動(dòng)在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用最多，在該領(lǐng)域的應(yīng)用數(shù)量超過(guò)總量的60%。諧波齒輪傳動(dòng)還在化工立式攪拌機(jī)、礦山隧道運(yùn)輸用的井下轉(zhuǎn)轍機(jī)、高速靈巧的修牙機(jī)以及精密測(cè)試設(shè)備的微小位移機(jī)構(gòu)、精密分度機(jī)構(gòu)、小側(cè)隙傳動(dòng)系統(tǒng)中得到應(yīng)用。隨著軍事裝備的現(xiàn)代化，諧波齒輪傳動(dòng)更加廣泛地應(yīng)用于航空、航天、船舶潛艇、宇宙飛船、導(dǎo)彈導(dǎo)引頭、導(dǎo)航控制、光電火控系統(tǒng)、單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)等軍事裝備中，如在戰(zhàn)機(jī)的舵機(jī)和慣導(dǎo)系統(tǒng)中，在衛(wèi)星和航天飛船的天線和太陽(yáng)能帆板展開(kāi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中都得到應(yīng)用。另外，精確打擊武器和微小型武器是未來(lái)軍事高科技的發(fā)展趨勢(shì)之一。先后出現(xiàn)了微型飛機(jī)、便攜式偵察機(jī)器人、微小型水下航行器、精確打擊武器及靈巧武器和智能武器等新概念微小型武器系統(tǒng)。它們具有尺寸小、成本低、隱蔽性好、機(jī)動(dòng)靈活等特征，在未來(lái)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)、城市和狹小地區(qū)以及反恐斗爭(zhēng)中將占據(jù)重要的位置和發(fā)揮不可替代的作用。為進(jìn)一步提高打擊精度，提高可靠性，降低成本，武器系統(tǒng)的關(guān)鍵功能部件正在向小型化方向發(fā)展，超小體積諧波齒輪傳動(dòng)裝置常用來(lái)構(gòu)成相關(guān)部件的傳動(dòng)裝置，以提高武器系統(tǒng)的打擊精確性。參數(shù)參數(shù)齒形幾何參數(shù)傳動(dòng)嚙合參數(shù)結(jié)構(gòu)尺寸表1諧波齒輪齒形幾何參數(shù)表2諧波齒輪傳動(dòng)的嚙合參數(shù)選擇及幾何計(jì)算幾點(diǎn)說(shuō)明：表3圓柱形柔輪結(jié)構(gòu)尺寸柔輪長(zhǎng)度：對(duì)于整體式柔輪，取偏大值；輕載時(shí)d值可適當(dāng)減小，重載時(shí)可適當(dāng)增大；塑性柔輪壁厚為鋼制柔輪的2~3倍。齒圈寬度：其中，--齒寬系數(shù)，對(duì)于動(dòng)力傳動(dòng)，對(duì)于傳遞運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)。約束條件約束條件為保證諧波傳動(dòng)能正常工作，設(shè)計(jì)中必須滿(mǎn)足如下列約束條件為(1)不產(chǎn)生齒廓重疊干涉，要使兩輪在嚙合過(guò)程中不產(chǎn)生齒廓重疊干涉，就要使在任意嚙合位置兩齒廓的工作段不相交。(2)不產(chǎn)生過(guò)渡曲線干涉，為了防止在嚙合過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)渡曲線干涉，所選取的嚙合參數(shù)必須保證：在輪齒最大嚙入深度的位置上的柔輪和剛輪的齒頂均不進(jìn)入配對(duì)齒輪輪齒的過(guò)渡曲線部分。(3)最大嚙入深度不應(yīng)小于某一規(guī)定值，為提高傳動(dòng)的承載能力，并適當(dāng)擴(kuò)大嚙合區(qū)間，因而必須限定不能小于某一規(guī)定值。一般情況下，可取此值等于模數(shù)m。(5)最大嚙入深度不應(yīng)超過(guò)其允許的極限值嚙入深度的最大值應(yīng)受刀具所能加工的最大齒高的條件限制。(6)保證齒頂和齒根之間有一定的徑向間隙，為了滿(mǎn)足傳動(dòng)徑向間隙的要求，必須對(duì)柔輪齒頂和剛輪齒根間的徑向間隙進(jìn)行驗(yàn)算。(7)在短軸方向柔輪齒能順利退出嚙合，如果在設(shè)計(jì)時(shí)嚙合參數(shù)選擇不當(dāng)，很可能導(dǎo)致柔輪齒在變形短軸方向不能退出嚙合。(8)保證柔輪剛輪齒頂不變尖，齒頂不變尖。加工制造工藝加工制造工藝諧波齒輪傳動(dòng)裝置中，波發(fā)生器和具有幾百個(gè)輪齒的柔輪加工最為復(fù)雜?，F(xiàn)日、美等國(guó)均采用數(shù)控機(jī)床對(duì)波發(fā)生器進(jìn)行加工。由于切齒的工作量為制造零件總工作量的70～80%，所以對(duì)柔輪和剛輪加工工藝的研究是這一領(lǐng)域的熱點(diǎn)。國(guó)際上已開(kāi)發(fā)了柔輪滾軋加工技術(shù)，剛輪內(nèi)齒滾壓加工工藝及凈成形加工方法等。提出了“轉(zhuǎn)化嚙合再現(xiàn)法”來(lái)對(duì)柔輪齒進(jìn)行加工，這種方法是使柔輪處在與剛輪空載嚙合時(shí)相同的變形條件下進(jìn)行范成加工，消除了嚙合干涉，縮短了跑合時(shí)間。我國(guó)燕山大學(xué)在滾軋柔輪、剛輪齒形，焊接柔輪、粘接柔輪及柔輪毛坯熱強(qiáng)旋成形等方面做了大量的實(shí)驗(yàn)研究，取得了較大的進(jìn)展。此外，采用新材料來(lái)替代傳統(tǒng)柔輪材料也是很有潛力的研究方向，如文獻(xiàn)采用具有高單位剛度、高比強(qiáng)度與優(yōu)異阻尼性能的碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料來(lái)制造柔輪。這種柔輪有足夠的轉(zhuǎn)矩傳遞能力，且其抗扭剛度提高50%，在基本固有頻率下的震動(dòng)衰減能力提高100%。

發(fā)展趨勢(shì)發(fā)展趨勢(shì)隨著工業(yè)智能機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械、無(wú)線電通訊設(shè)備等民用設(shè)備儀器的質(zhì)量、性能、可靠性的不斷提高以及武器裝備的不斷更新?lián)Q代，也就必然對(duì)其中的諧波齒輪傳動(dòng)提出越來(lái)越高的要求。諧波齒輪傳動(dòng)裝置的小型化、高精度和高可靠性將是諧波齒輪傳動(dòng)的主要發(fā)展趨勢(shì)，即齒輪模數(shù)將越來(lái)越小，零部件精度越來(lái)越高，零件材料性能更加優(yōu)良，