CN102927211B - 谐波齿轮传动齿数的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种谐波齿轮传动齿数的确定方法，以解决目前谐波齿轮传动中齿轮齿数的选择依据不尽充分合理的问题。该方法包括以下步骤：(1)按照设计工况要求拟定理论传动比；(2)根据齿轮轮齿的承载能力，采用类比法选取齿轮的模数，并取标准模数值；(3)兼顾啮合齿轮副不发生齿顶干涉、润滑与散热问题，拟定柔轮的齿顶圆弧与刚轮的齿顶圆之间的最大径向间隙；(4)拟定刚轮与柔轮的齿数差；(5)根据谐波齿轮传动的齿数差应等于波数的整数倍的原则，拟定刚轮、柔轮的齿数，并得出实际传动比；(6)判断所述实际传动比是否满足设计要求，若不满足要求，则返回步骤(2)；否则，将上述确定的刚轮与柔轮的齿数作为最终结果。

Description

谐波齿轮传动齿数的确定方法

技术领域

本发明涉及机械传动领域，特别涉及一种谐波齿轮传动中齿轮的齿数的确定方法。

背景技术

谐波齿轮传动机构是一种通过柔轮弹性变形来传递运动或动力的机械装置，它具有结构简单、传动比大、承载能力高、噪音低等优点，广泛应用于航天航空技术、仿生技术、原子反应堆和通用机械、医学器械等领域。

在谐波齿轮传动中，大多采用内波发生器的谐波传动，图1示出了其基本结构，包括波发生器B、柔轮R和刚轮G，其中，柔轮、刚轮是两个关键齿轮。在各种设计参数中，柔轮和刚轮的齿数是显著影响两个齿轮的承载能力、啮合性能、装配、柔轮强度、机构动态特性的两个基本参数，需要精心选取。

国内近二十年来的有关机械设计手册或书籍中，在谈到谐波齿轮传动中刚轮、柔轮的齿数选择时，除了要求应满足传动比等条件外，均建议两者的齿数差取为柔轮的变形波数，或者在某些情况下取成变形波数的倍数，同时指出了柔轮的变形波数和刚轮与柔轮的齿数差的选择应按柔轮的强度条件和传动比的大小确定，参见北京机械工业出版社1992年出版的，由中国减速器实用技术手册编委会编写的《减速器实用技术手册》，及北京国防工业出版社1994年出版的，作者为饶振纲的《行星传动机构设计》。

我国在谐波齿轮传动机构或谐波齿轮减速器设计时，刚轮、柔轮的齿数差通常取等于柔轮的变形波数，这基本上仅适用于容易配齿的简单情况，设计过程有赖于经验。对于较复杂的谐波齿轮传动，在具体配齿计算时，与传动比要求往往不能同时满足。如果需要兼顾两种齿轮啮合过程中的齿顶干涉、机构或减速器的润滑与散热问题时，以柔轮变形波数的值作为两种齿轮的齿数差也是不妥的。由于柔轮变形等方面的理论计算复杂，在什么情况下刚轮与柔轮的齿数差取成变形波数的倍数？究竟齿数差的合理范围是多少？迄今还没有直接的分析指导方法。

发明内容

为了克服现有技术的不足和满足在某些特殊应用场合润滑与散热空间的需要，本发明提供了一种计算简单、使用方便的谐波齿轮传动中刚轮与柔轮齿数的确定方法，可以解决目前谐波齿轮传动中齿轮齿数的确定依据不充分和靠经验选取而带来的设计保守或设计不合理的问题。

为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种谐波齿轮传动齿数的确定方法，包括以下步骤：

(1)按照设计工况要求拟定理论传动比；

(2)根据齿轮轮齿的承载能力，采用类比法选取齿轮的模数，并取标准模数值m；

(3)兼顾啮合齿轮副不发生齿顶干涉、润滑与散热问题，拟定柔轮的齿顶圆弧与刚轮的齿顶圆之间的最大径向间隙W；

(4)按公式Z_G-Z_R＝1.0426(1.65+W/m)计算刚轮与柔轮的齿数差，其中，Z_G和Z_R分别为刚轮和柔轮的齿数；

(5)根据谐波齿轮传动的齿数差应等于波数的整数倍的原则，拟定刚轮、柔轮的齿数，并得出实际传动比；

(6)判断所述实际传动比是否满足设计要求，若不满足要求，则返回步骤(2)；否则，将上述确定的刚轮与柔轮的齿数作为最终结果。

与现有技术相比，本发明谐波齿轮传动齿数的确定方法具有如下有益效果：

(1)理论依据充分：谐波齿轮传动中刚轮、柔轮的齿数选取，不仅与柔轮变形后椭圆中性层的形状有关，而且还受到刚轮与柔轮的正确啮合、装配及强度条件等的制约。材料力学中有关平面曲杆、圆环的应力和变形的计算属于成熟技术，理论依据充分。据此，本发明根据柔轮圆环中性层的径向变形规律的分析计算，结合谐波齿轮传动装置刚轮、柔轮的啮合要求，提出了谐波齿轮传动齿数的选取原则。

(2)齿数确定过程简便：所述齿数确定方法可以得到多个备选齿数方案，且整个计算过程简单、方便，可操作性好，易于掌握。

(3)考虑了润滑与散热问题：若谐波齿轮传动机构各运动件的速度较大，或者谐波减速器使用现场的工作温度较高而散热性差，本发明可以根据不同的具体情况，确定柔轮的齿顶圆弧与刚轮的齿顶圆之间的径向间隙，以留出一定的润滑与散热空间。

附图说明

图1为内波发生器的谐波齿轮传动的基本结构示意图；

图2是本发明谐波齿轮传动齿数的确定方法实施例的流程图。

图中：B.波发生器，R.柔轮，G.刚轮，W为柔轮的齿顶与刚轮的齿顶圆之间的最大径向间隙。

具体实施方式

下面结合图1、图2，以具有内波发生器且柔轮固定、波发生器主动、刚轮从动的谐波齿轮传动机构为例，详细描述本发明齿数确定方法的实施过程。

1)启动系统； 

2)按照设计工况要求拟定理论传动比i_t，也可以根据原动机(如电动机、柴油机等)的转速、被驱动工作装置的转速来拟定理论传动比i_t；

3)根据齿轮轮齿的承载能力，采用类比法选取齿轮的模数，并按“渐开线圆柱齿轮模数(GB1357-87)”取标准值m；

4)兼顾啮合齿轮副不发生齿顶干涉、同时考虑到润滑与散热问题，拟定柔轮的齿顶圆弧与刚轮的齿顶圆之间的最大径向间隙W；

5)根据公式(1)拟定刚轮与柔轮的齿数差Z_G-Z_R：

Z_G-Z_R＝1.0426(1.65+W/m)    (1) 

6)根据谐波齿轮传动的齿数差应等于波数的整数倍的原则，选定刚轮与柔轮的齿数差为某个整数K；再根据公式(2)，拟定刚轮的齿数：

Z_G＝i_tK    (2)

根据公式(3)，拟定柔轮的齿数：

Z_R＝Z_G-K    (3)

7)根据上述拟定的刚轮与柔轮的齿数，由公式(4)得出实际传动比：

i_p＝Z_G/(Z_G-Z_R)    (4)

8)利用公式(5)计算传动比误差，判断所述实际传动比是否满足设计要求：

Δi＝|i_p-i_t|/i_p    (5) 

若满足Δi＜5％，则表明上述确定的齿数符合传动系统的传动比要求，执行下一步。否则，返回步骤3)；

9)确定并输出Z_G、Z_R，完成此次刚轮齿数与柔轮齿数的确定工作。

为了体现本发明齿数确定方法的简单易行，下面通过一个具体的设计过程加以说明。

首先：根据设计工况及用户要求确定具有内波发生器且柔轮固定、波发生器主动、刚轮从动的双波谐波齿轮传动机构的理论传动比i_t＝120，按类比法取标准模数m＝1.25，拟定柔轮的齿顶圆弧与刚轮的齿顶圆之间的最大径向间隙W为模数的(2.2～4.4)倍。

确定该谐波齿轮传动机构的刚轮与柔轮的齿数，可通过以下步骤实现：

1)由公式(1)可得刚轮与柔轮的齿数差Z_G-Z_R：

Z_G-Z_R＝1.0426(1.65+W/m)＝1.0426[1.65+(2.2～4.4)]＝4.014～6.3077

2)因为Z_G-Z_R应等于波数的整数倍，对于双波传动，根据上述齿数差的范围，选定Z_G-Z_R＝6，即取K＝6；由公式(2)得刚轮齿数Z_G＝i_tK＝120×6＝720，再由公式(3)得到柔轮的齿数Z_R＝Z_G-K＝720-6＝714。

3)根据公式(4)可得实际传动比：

i_p＝Z_G/(Z_G-Z_R)＝720/(720-714)＝120

4)由公式(5)得传动比误差Δi＝|i_p-i_t|/i_p＝|120-120|/120＝0％＜5％，因此，上述齿数计算结果满 足传动比要求。

5)输出刚轮齿数Z_G＝720，柔轮齿数Z_R＝714，结束齿数确定过程。

本发明的齿数确定方法是依据谐波齿轮传动齿轮副啮合过程中柔轮中性层的径向变形规律、刚轮与柔轮的啮合干涉及润滑与散热空间要求来确定齿数。依据柔轮中性层的变形特点，为了防止啮合副出现齿顶相碰的现象，本发明推荐刚轮与柔轮的齿数差应等于波数，从有利于润滑与改善散热效果的角度考虑，本发明建议刚轮与柔轮的齿数差等于波数的2倍或3倍，可以作为新型谐波齿轮传动机构或谐波减速器设计计算的依据。

尽管结合附图对本发明进行了上述描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。本领域的技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之列。

Claims (1)

1.一种谐波齿轮传动齿数的确定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)按照设计工况要求拟定理论传动比；

(2)根据齿轮轮齿的承载能力，采用类比法选取齿轮的模数，并取标准模数值m；

(3)兼顾啮合齿轮副不发生齿顶干涉、润滑与散热问题，拟定柔轮的齿顶圆弧与刚轮的齿顶圆之间的最大径向间隙W；

(4)按公式Z_G-Z_R＝1.0426(1.65+W/m)计算刚轮与柔轮的齿数差，其中，Z_G和Z_R分别为刚轮和柔轮的齿数；

(5)根据谐波齿轮传动的齿数差应等于波数的整数倍的原则，拟定刚轮、柔轮的齿数，并得出实际传动比；

(6)判断所述实际传动比是否满足设计要求，若不满足要求，则返回步骤(2)；否则，将上述确定的刚轮与柔轮的齿数作为最终结果。