CN101725690A - 离散齿谐波传动 - Google Patents

Abstract

离散齿谐波传动是一种新型的谐波传动装置，是对现有谐波传动的一种改进。谐波传动能够实现传动并获得速比大、结构紧凑等一系列其它传动无法取代的优点都是源于采用了柔轮结构，也正是由于柔轮的特性使得谐波传动的传动刚度差、近似啮合传动质量不理想，强度和精度都受到限制。本发明提出一种具有一组中间可动件离散齿的离散齿轮来取代柔轮，实现了准确的等速共轭啮合，从而使得传动刚度显著增大，精度、强度、效率都得以提高，另外，离散齿轮的长度仅原谐波传动柔轮的三分之一，结构更紧凑，体积减小、重量更轻，因此，离散齿谐波传动能得到更广泛的应用。

Description

离散齿谐波传动

本发明的技术领域

本发明为涉及一种离散齿谐波传动的通用机械传动装置，是对现有谐波传动的一种具有实质性的改进。

本发明的技术背景

谐波传动是上世纪50年代由C.W.Musser发明的一种新型机械传动装置(见美国专利2906143)，这种传动由柔轮(1)，刚轮(2)和波发生器(3)三个基本构件组成，如图1所示。柔轮(1)是一具有外齿的柔性薄环；刚轮(2)为一具有内齿的刚性厚环，两轮的轮齿均为渐开线齿廓而且模数相等，但柔轮的齿比刚轮少两个，因此，柔轮的节圆直径比刚轮的节圆直径小；波发生器(3)为一椭圆凸轮(4)外套一薄壁轴承(5)组成。波发生器装于柔轮内孔中后，柔轮的节圆也被撑成椭圆形。如果设计时保证柔轮变形后节圆长轴处的直径与刚轮节圆直径相等，则柔轮可装入刚轮中并在长轴两端附近两轮轮齿形成两个啮合区，在啮合区内，轮齿形成逐一啮入和逐一啮出的啮合关系，其它部分的轮齿不发生接触。如此设计，椭圆凸轮转动时将迫使柔轮轮齿依次逐一地与刚轮轮齿发生啮合。由于柔轮的齿比钢轮少两个，若刚轮固定不动，波发生器每旋转一周，柔轮会反方向旋转2个齿的角度，从而实现三个基本构件间的减速运动和传递动力的作用。

按谐波传动原理设计和制造的谐波传动减速器国内外均有标准化系列产品问世。如图2所示的中国国家标准中的XB1单级谐波传动减速器就是谐波传动的最通用和最典型的实施例之一。该减速器柔轮(21)设计成薄的杯形结构，杯口的外侧做有Z_r个轮齿，杯底较厚以便和用轴承(27)支承于壳体上的输出轴(26)相联接输出运动和扭矩。小型号的产品，柔轮和输出轴做成一体。刚轮(22)则为一具有Z_g个内齿的刚性厚环，直接固定在壳体(201)上。两轮轮齿均采用20°或30°齿形角的标准小模数渐开线齿廓，模数相等。波发生器(23)是由椭圆凸轮(24)和薄壁轴承(25)组成，直接固定在输入轴(28)上。输入轴(28)一端用轴承(29)支承在输出轴(26)的内孔中，另一端用轴承(20)支承在壳体大端盖(202)的内孔中，保证波发生器(23)在柔轮杯口内沿轴向对正轮齿的位置，沿径向与柔轮和刚轮同心。由于Z_g＝Z_r+2，波发生器(23)装入柔轮杯口内对应轮齿的位置后，沿椭圆凸轮(24)长轴方向将柔轮顶起使柔轮和刚轮两轮轮齿形成啮合。当刚轮固定时，输入轴带动波发生器每转一周，驱动柔轮反向转动两个齿的角度，实现i＝-Z_r/2的减速传动；当柔轮固定时，输入轴带动波发生器每转一周，驱动刚轮同向转动两个齿的角度，由此实现i＝Z_g/2的减速传动。

谐波传动能够实现传动并获得速比大和结构紧凑等一系列其它传动无法取代的优点都源于采用了柔轮结构，也正是由于柔轮的特性使谐波传动的传动刚度差和啮合质量不理想，强度和精度都受到限制。因此，多年来在如何提高谐波传动性能方面的研究大多是围绕柔轮进行的。主要集中在三个方面：改善齿廓曲线，提高啮合质量；改进柔轮结构，减小轮齿翘曲；采用其它方式，取代弹性柔轮。

改善齿廓曲线，提高啮合质量

必须指出的是：谐波传动实质上是属于刚性啮合传动，但是齿廓曲线不是按等速共轭原理设计的，只有当速比足够大，齿数多而齿体小并对齿廓进行仔细的变位修形才能实现近似等速共轭啮合传动。对于这种杯形结构的柔轮，装入波发生器后，柔轮轮齿在发生径向位移的同时还发生角向翘曲，如图3所示。这使得齿廓啮合状态更为复杂，变位修形设计十分困难，传动性能难以保证。由此，如何改善谐波传动齿廓啮合特性的研究一直成为专业人士关注的首要课题。美国、日本和中国先后有多项专利问世，如US4823638A、JP5-209655A、US5456139A、US5485766A、US5269202、US562008A、CN2485905Y等。这些专利不外是用修改齿廓曲线、加工时采用不同的变位修形和修改齿顶以适应轮齿翘曲等方法改善谐波传动齿廓啮合特性。这类专利中最新和最具代表性的是中国发明专利ZL200610127982.6，如图4所示。该发明采用设计和制造技术都十分成熟的渐开线作为柔轮和刚轮的齿廓，在柔轮具有外齿的一段长度上，沿齿长取多个垂直于柔轮轴线的截面，根据各个截面不同的径向变形系数设计截面的渐开线齿廓，从而得到沿齿长连续变化参数的渐开线齿廓，这就是用成熟的渐开线齿廓二维修形的方法实现谐波传动轮齿三维修形的目的。实践证实，经过三维修形的谐波传动产品，轮齿的啮合情况得到明显的改善，避免轮齿干涉，增加受载后的啮合齿数和啮合齿的接触面积，从而达到以较低的制造成本得到谐波传动产品性能显著提高的目的。然而，设计计算和加工制造都比较困难，性能也不稳定。

改进柔轮结构，减小轮齿翘曲

现有谐波传动减速器，大多采用杯形结构的柔轮。柔轮在装入波发生器后，柔轮轮齿在发生径向位移的同时还发生角向翘曲，如图3所示。这使齿廓啮合状态更为复杂，变位修形设计十分困难，传动性能难以保证。早年苏联曾有人提出将柔轮设计成“钟”型结构，企图减小杯口装入波发生器后轮齿产生的角向翘曲，如图5所示。但是，这种结构加工十分困难，成本很高，不具实用性，未能推广使用。早年美国专利US4619156还提出一种柔轮杯底外翻的(帽形柔轮)盘式桥形辐板结构的柔轮，如图6所示。这种柔轮结构要有较大的径向尺寸而且很难保证柔轮的柔顺性，实际中未见应用。

采用其它方式，取代弹性柔轮

中国1992年的一项ZL901030001.5发明专利，提出一种谐波齿形链减速器。如图7所示。该传动是以渐开线齿形的变距齿形链(图7之3)作为柔轮，以齿形链反向安装与刚轮和输出轮构成内侧共轭啮合，并采用齿圈式结构的刚轮(图7之4)和三圆盘式的波发生器(图7之2)组成减速器。这种设计实现传动是可行的，但是只能适应一般减速器的性能范围，要做到现有谐波传动小体积、大速比和高精度的传动是不可能的。而小体积、大速比和高精度的特性恰恰是谐波传动的突出优点，是目前任何其它传动无法取代的。正是由于这一突出优点使谐波传动被航天航空、军工装备、数控机床和各种自动控制系统所广泛采用。如果仅能实现谐波传动类似的传动运作而失去其主要优点，则这种设计不属于提高谐波传动性能的范围。

2005年10月中国《机械管理开发》杂志“活齿式谐波齿轮的设计与工作原理”一文中，提出一种活齿式谐波齿轮结构取代传统谐波传动中的柔轮。具体结构如图8所示。该设计把一个100个轮齿的盘形齿轮分割成20个扇形齿块，每块5个齿，每块上还有径向定位的榫头1和切向定位的榫头3。这些扇形齿块称为活齿，如图9之a所示。波发生器是一个偏心圆槽形凸轮如图9之b所示。另外，还有一个活齿盘4如图9之c所示，盘上开有20个与活齿切向定位的榫头1相配的径向滑槽，活齿在波发生器偏心圆凸轮槽的驱动下在活齿盘上作径向往复运动，驱使活齿齿轮与刚轮产生啮合传动。必须指出的是：这种传动和谐波传动一样是属于刚性啮合传动，但其齿廓曲线不是按等速共轭原理设计的，只有当速比足够大，齿数多而齿体小并对齿廓进行仔细的变位修形才能实现近似等速共轭啮合传动。但是，谐波传动是以波发生器长轴处的柔轮轮齿齿廓进行变位修形设计的，这样，每一柔轮轮齿在进入波发生器长轴处时都能达到较近似的等速共轭啮合传动；而活齿式谐波齿轮由于每块活齿上有多个齿同时沿一个齿的径向移动，但齿轮进行变位修形设计时只能按一个齿进行设计计算和加工制作。这样，其它齿则不是发生干涉就是出现间隙脱离啮合，进一步修形达到能传动时，也许每块活齿上只有一个齿进行啮合。这样，传递运动可以实现，但传动质量难以保证。另外，单波槽形凸轮波发生器制造精度难以保证，传动时线速度高，摩擦发热问题严重，传动效率很低。所有这些都制约了活齿式谐波齿轮的性能很难达到现有谐波传动的水平。一直未见推广应用。

本发明的任务

谐波传动能够实现传动并获得速比大和结构紧凑等一系列其它传动无法取代的优点都是源于采用了柔轮结构，也正是由于柔轮的特性使得谐波传动的传动刚度差、近似啮合传动质量不理想以及强度和精度都受到限制。上述的现有技术都是围绕克服柔轮结构带来的不足展开的，但均未达到目的。因此，本发明的任务是提出一种具有一组中间可动件---离散齿的离散齿轮取代柔轮，避免现有谐波传动采用柔轮带来的缺点，实现上述现有技术希望达到而未能实现的目的。

本发明的内容

离散齿谐波传动是由离散齿轮(11)，刚轮(12)和波发生器(13)三个基本构件组成，如图10所示。其中，波发生器(13)与谐波传动相同，由一个双波或多波的凸轮(14)外套一薄壁轴承(15)组成，以椭圆凸轮最为常用；离散齿轮(11)是由一个开有若干径向齿槽(17)的圆环(16)和置于槽中的一组中间可动件-离散齿(18)组成，离散齿(18)可以是球形、圆柱形或两侧做成平面的圆柱体，但以圆柱形较好，齿槽(17)则与离散齿(18)相匹配；刚轮(12)也与谐波传动类似，为一刚性厚环，环内壁开有轮齿。不同的是，齿廓曲线不是渐开线而是按等速共轭原理设计的离散齿(18)的包络曲线，即选定离散齿(18)的形状后，在椭圆凸轮波发生器(13)驱动下，用等速共轭原理计算出离散齿(18)的包络曲线，以此曲线作为刚轮(12)的齿廓曲线(19)。用椭圆凸轮激波器驱动圆截面离散齿时，刚轮齿廓曲线的计算方式如下：

图11所示为齿廓曲线E的坐标X，Y计算图，图中：

XOY为固定坐标系

X’OY’为激波器的连体坐标系

X”OY”为离散齿轮的连体坐标系

R    为滚子的半径

i    为活齿传动的传动比

a    为激波器长轴半径

b    为激波器短轴半径

令激波凸轮连体坐标系X′OY′相对于固定坐标系XOY顺时针转动，在任意时刻转角为j  (∠YOY′)，与此同时活齿架连体坐标系X″OY″带动离散齿中心O′相对于固定坐标系XOY转过h(∠YOY″)角，而且转角j及h满足输入-输出的传动比条件：j/h＝i，令α₀＝a+R，b₀＝b+R

x_o′＝ρsin(j/i)

y_o′＝ρcos(j/i)

$\mathrm{\ρ}=\frac{a_0{b}_0}{{[{a_0}^2\sin (i-1/\mathrm{ij})+{b_0}^2\cos (i-1/\mathrm{ij})]}^{1/2}}$

设

为o′点轨迹的法向量，则，

$n_{\mathrm{ox}}=\frac{-B}{C}$ $n_{\mathrm{oy}}=\frac{A}{C}$

其中，

$C=\sqrt{A^2+B^2}$

A＝F sin(j/i)+(1/i)ρcos(j/i)

B＝F cos(j/i)-(1/i)ρsin(j/i)

$F=\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂j}=\frac{-(i-1)a_0{b}_0[{a_0}^2-{b_0}^2]\sin (i-1/\mathrm{ij})\cos (i-1/\mathrm{ij})}{i\·{[{a_0}^2{\sin }^2(i-1/\mathrm{ij})+{b_0}^2\cos (i-1/\mathrm{ij})]}^{3/2}}$

由此可以得到齿廓曲线(即图中E)的坐标表达式：

X_E＝x_o′+Rn_ox

Y_E＝y_o′+Rn_oy

由上面式子可以计算出椭圆激波器每转一个角度时，对应于齿廓曲线上一个点的坐标，由此可绘出齿廓曲线。

随着所选参数R、i、a、b的不同，计算所得的齿廓曲线会有如图12所示变化。这些曲线一般都可应用，但性能会有差异。当出现齿顶顶切时，同啮齿数会减少；当齿顶变圆时，齿顶部分的曲线曲率半径方向变得与滚柱相反，对压力角和接触强度都趋于不利。设计者可根据使用条件调整选定。

普通的谐波传动中，柔轮和刚轮的轮齿模数相等，但柔轮齿数比刚轮少两个(用椭圆波发生器时)。在离散齿谐波传动中则不同，离散齿轮和刚轮的齿数差仍为2，这是产生错齿运动，实现传动的基本条件，但这个差数设计在哪个轮子上则可任意安排而传动比仍保持不变，改变的只是输出输入件的相对运动方向。设计者可根据运转方向需要选定。一般刚轮少两个齿对齿轮设计较为有利，本专利以刚轮少两个齿论述。

若刚轮(12)的齿数为Z_g，则离散齿(18)的齿数Z_h＝Z_g+2。一般，Z_h＝Z_g+2。

离散齿谐波传动的传动比i：

当刚轮固定，波发生器输入，离散齿轮输出时：

i＝Z_h/2

当离散齿轮固定，波发生器输入，刚轮输出是：

i＝-Z_g/2

在实际设计时，常由于速比大、结构空间限制，离散齿圈上安排不下Z_h个离散齿。此时，可作抽齿处理。即离散齿和齿槽数仍按Z_h计算和布置，实际结构可任意取消部分离散齿和齿槽。如果不受载荷限制，只保留3-4个分散开的齿，仍可传递运动。一般取实装齿数Z_h’＝Z_h/n。n＝1-3，然后取Z_h’为整数。显然，抽齿后受力的齿数减少，减速器的承载能力也随之降低。好在离散齿谐波传动同时啮合齿数多，一般可达实装齿数20％-30％，抽齿又多在大速比时才采用，此时抽取部分齿，承载能力仍然十分可观。

本发明的优点

用上述方法设计的离散齿谐波传动装置，在运转时，离散齿轮(10)上的诸离散齿(18)与刚轮(12)的轮齿在啮合区内，能保证实现准确地等速共轭啮合传动。即在啮合区内诸离散齿(18)与刚轮(12)的轮齿都能无干涉和连续地同时接触传动。显然，实现这样的传动，其同时啮合齿数多，且承载能力、传动精度、运转平稳性和噪音都必将得到极大改善。

离散齿轮(10)的轮体(16)仍然是个较薄的筒体，但相对谐波传动的柔轮来说还是厚很多，一般情况下离散齿轮轮体(16)的厚度为柔论筒体壁厚的三倍以上，而且该筒体不受径向力，也不发生径向变形。离散齿轮(10)的轮体(16)只在两对称部位诸离散齿(18)齿槽内侧沿切线方向受力，载荷比较分散，而轮体沿切线方向的扭转刚度相对较高，因此，离散齿谐波传动的传动刚度比普通谐波传动提高很多。

离散齿谐波传动刚轮(12)轮齿，齿廓曲线不是渐开线而是特殊的包络曲线，不能用现有的齿轮机床和刀具加工。原来要制造这样特殊齿廓的齿轮是十分困难的。现今数控加工技术发展已十分成熟，制造这种特殊齿廓的齿轮已不是难题。

尤其可贵的是：离散齿谐波传动中离散齿轮(10)的轴向尺寸非常小，不及现有谐波传动柔轮的三分之一。以100机型整机的实例比较，总长度可减小30％，传动部分主壳体长度减小56％。这显然是一个非常重要的改进。开发短筒柔轮谐波传动产品是当今谐波行业竞争的热门课题。近年，著名的谐波传动公司已开发出短筒柔轮谐波产品，其柔轮长度已接近传统谐波产品的一半，减速器总长度可减小20％-25％。由于其尺寸紧凑，为航天航空、军工装备、数控机床和各种自动控制系统行业欢迎并广泛采用，已形成市场垄断。离散齿谐波传动中离散齿轮(10)的轴向尺寸不及现有谐波传动柔轮的三分之一，其竞争优势是显而易见的。

现有谐波传动的传动比大，单级可达80～200，但实际应用中，传动比在80以下的需求最为常见。因此，研制传动比80以下的谐波产品也是行业中的迫切课题。目前，先进的谐波公司已有传动比50～60的产品问世。离散齿谐波传动较理想的传动比范围是12～80，正好弥补谐波传动之不足，满足实际应用的需求。

本发明的不足之处是速比太大，机型过小时不适用。

附图简要说明

图1谐波传动装置原理简图

图2中国国标XB1系列单级谐波传动减速器

图3柔轮变形后轮齿的角向翘曲

图4谐波传动轮齿的三维修形

图5钟形结构的柔轮

图6外翻盘式桥形辐板结构的柔轮

图7谐波齿形链减速器

图8活齿式谐波齿轮结构示意图

图9活齿式谐波齿轮零件结构示意图

图10离散齿谐波传动原理简图

图11离散齿谐波传动刚轮齿廓曲线设计

图12离散齿谐波传动刚轮齿廓曲线

图13离散齿谐波传动最佳实施例

图14离散齿谐波传动最佳实施例刚轮齿廓曲线

本发明的最佳实施例

图13所示为本发明的最佳实施例。该实施例是对照中国国家标准XB1系列谐波传动减速器100机型设计的一台速比i＝40的离散齿谐波传动减速器。该减速器的输入输出部件和安装尺寸与对照的谐波传动减速器完全一致，但总长度减小30％，传动部分主壳体长度减小56％。能够取得如此效果的原因是用一个离散齿轮(10)取代了原谐波传动中的柔轮。

由图12所示的离散齿谐波传动减速器结构可见，离散齿轮(10)的轮体(101)设计成短浅的杯形并与输出轴做成一体的结构。尺寸较大时，离散齿轮体(101)也可做成杯体底部与输出轴相联接的结构。离散齿轮(10)连同输出轴一起用一对滚动轴承(102)固定在壳体(111)上。本实例中，离散齿数Z_h＝80，作抽齿处理后，实装齿数Zh’＝40。因此，在离散齿轮体(101)沿杯形壁的口部开有40个齿槽(117)，每个槽中装有一个滚柱作为离散齿(118)。滚柱的长度取与波发生器宽度相同；滚柱的直径d_h根据机型和传动比选定。为了挡住离散齿(滚柱)(118)沿轴向滑出齿槽(117)，在离散齿轮体(101)杯形壁口的端部还固定有一个并联环(119)。并联环(119)不但限制住了离散齿(滚柱)(118)的轴向位置，还起到并联载荷的作用，即在受载齿槽和非受载齿槽之间起到均载作用。

离散齿谐波传动所用的波发生器(13)与普通谐波传动一样，是由一个椭圆凸轮(120)外套一个薄壁轴承(121)组成，然后用键直接固定在输入轴(28)上。输入轴(28)一端用轴承(29)支承在离散齿轮(101)的内孔中，另一端用轴承(20)支承在壳体大端盖(202)的内孔中，保证波发生器(23)在柔轮杯口内沿轴向对正轮齿的位置，沿径向与柔轮和刚轮同心。

离散齿谐波传动所用的刚轮(12)与谐波传动类似，为一刚性厚环，环内壁开有轮齿。不同的是，齿廓曲线不是渐开线而是按等速共轭原理设计的离散齿(118)的包络曲线。该曲线在传动基本参数选定后，可用图12和所列的公式计算出来。本实例刚轮齿廓曲线如图14所示。在刚轮两个端面留有止口(200)，以保证与壳体和大端盖的同心。刚轮上开有8个通孔，用8个螺钉(203)连同大端盖(202)一起固定在壳体(111)上。

与传统的谐波传动减速器一样，在该减速器上还装有注油塞、通气塞、油封等辅助零件。

附图说明：说明书附图6中，600-柔轮齿圈，601-镂空槽，603-安装法兰，604-桥式弹性辐板。

说明书附图8中，1-刚轮，2-活动齿轮，3-波发生器，4-活齿盘。

说明书附图9中，2-活齿，3-波发生器，4-活齿盘位，5-径向定位，6-切向定位，7、8-滑道。

说明书附图11中，E-刚轮齿廓曲线，S-激波凸轮齿廓曲线，T-激波器理论轮廓曲线。

说明书附图14中，a-整圈，b-单齿。

Claims (3)

1.一种离散齿谐波传动装置，包括以下三个部件

激波器：由一个双波或多波凸轮外套和一薄壁轴承组成，波数n；

离散齿轮：由一个开有若干径向齿槽的圆环和置于槽中的一组中间可动件-离散齿组成，其齿数为Z_h；

刚轮：与离散齿轮相啮合的共轭曲线齿廓的内齿齿轮，其齿数为

Zg＝Z_h±n；

本发明的特征在于：

用一个离散齿轮代替传统谐波传动中的柔轮，离散齿轮(11)由一个开有Z_h个径向齿槽(17)的圆环(16)和置于槽中的Z_h个中间可动件-离散齿(18)组成；离散齿(18)可以是球形、圆柱形或两侧做成平面的圆柱体，但以圆柱形较好；离散齿和齿槽数按Z_h设计，实际结构可任意取消部分离散齿和齿槽，只保留3-4个分散开的齿，仍可传递运动。一般取实装齿数Z_h’＝Z_h/n，n＝1-3，然后取Z_h’为整数，齿槽(17)则与离散齿(18)相匹配。

2.根据权利要求1所述的离散齿谐波传动装置，其特征还在于：

刚轮(12)为一刚性厚环，环内壁开有轮齿，齿廓曲线为按等速共轭原理设计的离散齿(18)的包络曲线，即选定离散齿(18)的形状后，在凸轮波发生器(13)驱动下，用等速共轭原理计算出离散齿(18)的包络曲线，作为刚轮(12)的齿廓曲线(19)。

3.根据权利要求1所述的离散齿谐波传动装置，其特征还在于：

离散齿轮和刚轮的齿数差为激波器的波数n，这是产生错齿运动、实现传动的基本条件，这个差数设计在哪一个轮子上可任意安排而传动比保持不变，改变的只是输出输入件的相对运动方向，设计者可根据运转方向需要选定；一般刚轮少n个齿对齿轮设计较为有利；若刚轮(12)的齿数为Zg，则离散齿(18)的齿数Z_h＝Zg±n，一般Z_h＝Zg+n。

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