CN102927241A - 具有外波发生器的谐波齿轮传动的配齿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有外波发生器的谐波齿轮传动的配齿方法，包括如下步骤：(1)按照设计工况要求拟定理论传动比；(2)用类比法选取齿轮的模数，并取标准模数值；(3)综合考虑啮合齿轮副不发生齿顶干涉、润滑与散热问题，拟定刚轮齿顶圆与柔轮齿顶圆弧之间的最大径向间隙；(4)计算柔轮和刚轮的齿数差；(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，拟定柔轮与刚轮的齿数，并计算实际传动比；(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，将上述配齿方案作为最终结果。本发明算法简单、使用方便，对具有外波发生器的谐波齿轮传动的配齿计算具有指导意义。
Description
技术领域
本发明涉及齿轮传动技术领域，具体涉及一种具有外波发生器的谐波齿轮传动中齿轮齿数的选择方法。
背景技术
谐波齿轮传动是20世纪50年代后期随着航天技术的发展而出现的一种新型传动方式，被认为是机械传动的重大突破。它具有承载能力高、结构简单、传动比大、噪音低等优点，国内外已将谐波齿轮传动成功地应用于航空航天、雷达系统、光学仪器、机器人、常规武器及通用机械等领域。
现有的谐波齿轮传动装置，波发生器大多位于柔轮内部，属于具有内波发生器的谐波齿轮传动，其研究已经比较透彻。但是由于波发生器内置，与刚轮啮合处的柔轮轮齿的根部成为强度的薄弱环节，且整个装置的体积较大。如果把波发生器设计在柔轮外部，成为具有外波发生器的谐波齿轮传动，就可以解决上述问题，从而满足特殊应用场合的需要。国外在数控机床等产品中已经采用了具有外波发生器的谐波传动装置，由于国外对谐波齿轮传动技术实行严格保密，也没有相关的文献进行介绍，使得具有外波发生器的谐波传动装置的设计方法在国内还未能掌握。
具有外波发生器的谐波齿轮传动的基本结构如图1所示，它也是由柔轮R、波发生器B和刚轮G三个基本件组成。显然，柔轮和刚轮的齿数选择是具有外波发生器的谐波齿轮传动机构结构设计的首要一步，也是进行齿轮应力及其强度分析的前提，但是国内有关书籍或机械设计手册中，尚缺乏具有外波发生器的谐波齿轮传动的配齿计算方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种算法简单、使用方便的具有外波发生器的谐波齿轮传动的配齿方法，以克服具有外波发生器的谐波齿轮传动中齿轮齿数的确定依据不充分、设计不合理的不足。
为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种具有外波发生器的谐波齿轮传动的配齿方法，包括如下步骤：
(1)按照设计工况要求拟定理论传动比；
(2)用类比法选取齿轮的模数，并取标准模数值；
(3)综合考虑啮合齿轮副不发生齿顶干涉、润滑与散热问题，拟定刚轮齿顶圆与柔轮齿顶圆弧之间的最大径向间隙；
(4)计算柔轮和刚轮的齿数差；
(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，拟定柔轮与刚轮的齿数，并计算实际传动比；
(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，将上述配齿方案作为最终结果。
所述步骤(4)中柔轮和刚轮的齿数差的计算公式为：ZR-ZG＝1.0426(1.65+W/m)；式中ZR和ZG分别为柔轮和刚轮的齿数，m是所述步骤(2)中确定的标准模数值，W为所述步骤(3)中拟定的刚轮齿顶圆与柔轮齿顶圆弧之间的最大径向间隙。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)配齿过程简便：所述配齿方法可以得到多个备选齿数方案，且整个计算过程简单、实现方便，易于掌握，对具有外波发生器的谐波齿轮传动的配齿设计具有指导意义。
(2)理论依据充分：具有外波发生器的谐波齿轮传动中柔轮、刚轮的齿数选取，不仅与柔轮变形后椭圆中性层的形状有关，而且还受到柔轮和刚轮的正确啮合、装配及强度条件等的制约。本发明基于材料力学中的弹性薄壳理论、变形协调条件、莫尔定理、力法准则，根据外波发生器作用下柔轮圆环中性层的径向变形规律及其与刚轮的啮合情况分析，提出了具有外波发生器的谐波齿轮传动的配齿原则，理论依据充分，为具有外波发生器的谐波齿轮传动的齿数选择与结构设计奠定了基础。
(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，确定刚轮齿顶圆与柔轮齿顶圆弧之间的径向间隙，以留出一定的润滑与散热空间，从而满足在某些特殊应用场合润滑与散热空间的需要。
附图说明
图1为具有外波发生器的谐波齿轮传动的基本结构示意图；
图2是本发明具有外波发生器的谐波齿轮传动的配齿方法实施例的流程图。
图中：R.柔轮，B.波发生器，G.刚轮，W为刚轮齿顶圆与柔轮齿顶圆弧之间的最大径向间隙。
具体实施方式
下面结合图1、图2，以具有外波发生器且波发生器固定、刚轮主动、柔轮从动的双波谐波齿轮传动机构为例，对本发明的配齿方法作进一步的详细说明。
1)启动系统；
2)按照设计工况要求拟定理论传动比it，也可以根据原动机(如电动机、内燃机等)的转速、被驱动工作装置的转速来拟定理论传动比it；
3)根据齿轮轮齿的承载能力，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)综合考虑啮合齿轮副不发生齿顶干涉、润滑与散热问题，拟定刚轮齿顶圆与柔轮齿顶圆弧之间的最大径向间隙W；
5)根据公式(1)计算柔轮和刚轮的齿数差ZR-ZG：
ZR-ZG＝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，选定柔轮和刚轮的齿数差为某个整数K；再根据公式(2)，拟定刚轮的齿数：
ZG＝K/(it-1) (2)
根据公式(3)，拟定柔轮的齿数：
ZR＝ZG+K (3)
7)根据上述拟定的柔轮和刚轮的齿数，由公式(4)计算实际传动比：
ip＝ZR/ZG (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＝|ip-it|/ip (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ZR、ZG，完成此次柔轮和刚轮的配齿工作。
为了体现本发明配齿方法的简单易行，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外波发生器且波发生器固定、刚轮主动、柔轮从动的双波谐波齿轮传动机构的理论传动比it＝1.05，用类比法取齿轮标准模数m＝1.5，综合考虑啮合齿轮副不发生齿顶干涉、润滑与散热问题，拟定刚轮齿顶圆与柔轮齿顶圆弧之间的最大径向间隙W为齿轮标准模数的(4.4～6.6)倍。
确定该谐波齿轮传动机构的柔轮和刚轮的齿数，可通过以下步骤实现：
1)由公式(1)可得柔轮和刚轮的齿数差ZR-ZG：
ZR-ZG＝1.0426(1.65+W/m)＝1.0426[1.65+(4.4～6.6)]＝6.3077～8.6014
2)因为ZR-ZG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ZR-ZG＝8，即取K＝8；
由公式(2)得刚轮齿数ZG＝K/(it-1)＝8/(1.05-1)＝160；
再由公式(3)得到柔轮的齿数ZR＝ZG+K＝160+8＝168。
3)根据公式(4)可得实际传动比：
ip＝ZR/ZG＝168/160＝1.05
4)由公式(5)得传动比误差Δi＝|ip-it|/ip＝|1.05-1.05|/1.05＝0％＜5％，因此，上述配齿结果满足传动比要求。
5)输出柔轮齿数ZR＝168，刚轮齿数ZG＝160，结束配齿过程。
本发明的配齿方法是依据在外波发生器作用下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、柔轮和刚轮的啮合干涉及润滑与散热空间要求进行配齿计算。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，本发明推荐柔轮与刚轮的齿数差应等于波数的2倍或3倍。从有利于润滑与改善散热效果的角度考虑，在设计具有外波发生器的谐波齿轮传动机构或谐波减速器时，本发明建议柔轮与刚轮的齿数差等于波数的4倍或5倍。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应涵盖在本发明的权利要求保护范围当中。
Claims (2)
1.一种具有外波发生器的谐波齿轮传动的配齿方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)按照设计工况要求拟定理论传动比；
(2)用类比法选取齿轮的模数，并取标准模数值；
(3)综合考虑啮合齿轮副不发生齿顶干涉、润滑与散热问题，拟定刚轮齿顶圆与柔轮齿顶圆弧之间的最大径向间隙；
(4)计算柔轮和刚轮的齿数差；
(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，拟定柔轮与刚轮的齿数，并计算实际传动比；
(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，将上述配齿方案作为最终结果。
2.根据权利要求1所述的具有外波发生器的谐波齿轮传动的配齿方法，其特征在于：所述步骤(4)中柔轮和刚轮的齿数差的计算公式为：ZR-ZG＝1.0426(1.65+W/m)；式中ZR和ZG分别为柔轮和刚轮的齿数，m是所述步骤(2)中确定的标准模数值，W为所述步骤(3)中拟定的刚轮齿顶圆与柔轮齿顶圆弧之间的最大径向间隙。
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