CN104514847B - 一种具有鼓形轮齿的扁平谐波传动装置 - Google Patents

一种具有鼓形轮齿的扁平谐波传动装置 Download PDF

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Abstract

一种具有鼓形轮齿的扁平谐波传动装置，包括柔轮，柔轮分为轮齿部分、筒体部分和输出轴部分，筒体部分的长径比为1/4～1/2，输出轴部分最大轴段的直径小于或等于柔轮筒体部分的外圈直径，输出轴部分设有螺栓孔，与后续执行机构进行直接连接，柔轮的轮齿部分的齿根圆直径从筒体杯口到后端轴向非线性由小变大，而柔轮轮齿在齿长方向上具有同样的齿廓形状，刚轮轮齿齿槽宽从柔轮筒体杯口到后端轴向方向上先连续由大变小，再连续由小变大，本发明柔轮轮齿的前端和中部同时进入啮合状态，增大啮合面积，提高强度和刚度。

Description

一种具有鼓形轮齿的扁平谐波传动装置
技术领域
本发明涉及谐波减速器技术领域，具体涉及一种具有鼓形轮齿的扁平谐波传动装置。
背景技术
谐波传动一般是由波发生器、柔性齿轮(简称柔轮)和刚性齿轮(简称刚轮)三大部分组成，波发生器一般由椭圆凸轮及柔性轴承组成，椭圆凸轮旋转使柔性轴承发生周期性的弹性变形，产生驱动谐波。柔轮是一个薄壁齿轮，内壁与波发生器外壁紧密贴合，在波发生器的作用下柔轮产生弹性变形。刚性齿轮和普通内齿轮一样，工作时保持形状不变。谐波齿轮传动是靠波发生器使柔轮产生可控弹性变形，并与刚轮相啮合来传递运动和动力的。一般谐波齿轮的柔轮比刚轮的齿数少2或3个，所以当波发生器转动一周时，相对于柔轮，刚轮只转过2或3个齿的角度，从而实现了大的传动比。目前，随着机器人产品轻量化、小型化要求的提高，对扁平式谐波减速器产生了更大的需求，因而产生了具有长径比为1/2，甚至1/4柔轮筒体的谐波减速器。但是轴向尺寸的减小会使谐波减速器的柔轮产生很大的径向挠曲变形，主要是沿着齿长方向，柔轮轮齿的径向直径从柔轮筒体杯口到后端由大变小，并且这种变形由于波发生器和轮齿啮合的共同作用而呈现为高度非线性，因而，柔轮轮齿和刚轮轮齿无法产生理想的啮合，导致啮合区域减小，不仅严重增大了谐波减速器的局部应力，降低了强度，而且在负载作用下会产生较大的扭转变形，降低了传动刚度。
扁平谐波减速器因轴向尺寸的减小，导致柔轮发生了很大的径向挠曲变形，在发生变形后，其杯口处轮齿会先进入啮合状态，然后是轮齿中部及后端，并且在承受载荷后，轮齿后端具有较大的应力集中。并且由于传统柔轮与输出轴的连接误差会产生柔轮相对刚轮的倾斜或偏心，就会产生非均匀的轮齿啮合力，使等效应力增大。这些都降低了谐波减速器的整体强度和刚度。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有鼓形轮齿的扁平谐波传动装置，增大啮合面积，提高强度和刚度。
为了达到上述目的，本发明采取了如下的技术方案：
一种具有鼓形轮齿的扁平谐波传动装置，包括刚轮1、柔轮2、波发生器3以及交叉滚子轴承6，波发生器3安装在柔轮2筒体内部，刚轮1套装在柔轮2外圈上，刚轮1的轮齿与柔轮2的轮齿相啮合，交叉滚子轴承6的外圈与刚轮1连接，柔轮2输出轴部分D设有螺纹，交叉滚子轴承6的内圈通过锁紧螺母5紧固于柔轮2输出轴上，所述的柔轮2中间为筒体部分E,筒体部分E的外圈上加工有轮齿部分F,并且筒体部分E的端部加工有输出轴部分D。
所述的柔轮2的筒体部分E的长径比为1/4～1/2，输出轴部分D最大轴段的直径小于或等于柔轮2筒体部分E的外圈直径，输出轴部分D具有螺栓孔，与后续执行机构进行直接连接。
所述的柔轮2的轮齿部分F的齿根圆直径从筒体杯口到轮齿后端轴向非线性由小变大，而柔轮2轮齿在齿长方向上具有同样的齿廓形状。
所述的柔轮2和刚轮1轮齿齿形是渐开线齿形，或是双圆弧齿形。
所述的刚轮1具有齿厚连续变化的鼓形轮齿，刚轮1轮齿中部齿形按照柔轮2齿形通过包络法计算，刚轮1在柔轮筒体杯口处和轮齿后端处的的齿槽宽大于刚轮1轮齿中部的齿槽宽，刚轮1杯口处齿槽宽根据大变形后柔轮2的径向位置增大齿槽宽为原来的1～1.3倍并轴向逐渐减小为刚轮1轮齿中部的齿槽宽，刚轮1轮齿后端齿槽宽进行圆角修形，整个刚轮1轮齿齿槽宽从柔轮2筒体杯口到后端轴向方向上先连续由大变小，再连续由小变大。
本发明有益效果是：本发明让柔轮2轮齿根部直径从杯口到后端非线性逐渐连续变大，这与柔轮2的非线性径向变形的方向是相反的，可让弯曲引起的刚轮1轮齿和柔轮2轮齿之间非平行情况得到减小，尤其是减小柔轮2杯口处的径向位置，缓解柔轮2的高度非线性挠曲变形对轮齿啮合位置的影响。本发明让刚轮1轮齿齿槽宽从柔轮2筒体杯口到后端轴向方向上先连续由大变小，再连续由小变大，这样，在柔轮2杯口处，虽然柔轮2轮齿由于变形会具有较大的径向高度，但是刚轮1齿槽宽较大，所以相比于刚轮1中部轮齿之间的啮合，会较晚产生啮合作用，使柔轮2轮齿的杯口处和中部基本同时进入啮合状态，这样便增大了轮齿的啮合面积，提高了减速器的强度和刚度。在柔轮轮齿后端，刚轮1轮齿较大的齿槽宽降低了柔轮2轮齿后端的啮合压力，使啮合力主要集中在柔轮2轮齿和刚轮1轮齿的中部，避免了应力集中。并且，前后具有较大齿槽宽的刚轮1鼓形轮齿还能够缓解由于柔轮2和刚轮1之间倾斜和偏心等装配误差带来的影响。柔轮2输出轴段部分的设计能降低由于柔轮2筒体和其他输出轴连接过程产生的轴向尺寸增长或装配误差等问题。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是柔轮2的结构示意图。
图3是柔轮2轮齿结构示意图。
图4是刚轮1轮齿结构示意图。
图5是柔轮2轮齿和刚轮1轮齿的啮合过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述。
如图1所示，一种具有鼓形轮齿的扁平谐波传动装置，包括刚轮1、柔轮2、波发生器3以及交叉滚子轴承6，波发生器3安装在柔轮2筒体内部，刚轮1套装在柔轮2外圈上，刚轮1的轮齿与柔轮2的轮齿相啮合，交叉滚子轴承6的外圈与刚轮1通过螺栓4连接，柔轮2输出轴部分D设有螺纹，交叉滚子轴承6的内圈通过锁紧螺母5紧固于柔轮2输出轴上。如图2所示，所述的柔轮2中间为筒体部分E,筒体部分E的外圈上加工有轮齿部分F,并且筒体部分E的端部加工有输出轴部分D。
所述的柔轮2的筒体部分E的长径比为1/4～1/2，输出轴部分D最大轴段的直径小于或等于柔轮2筒体部分E的外圈直径，输出轴部分D具有螺栓孔，与后续执行机构进行直接连接。
如图3所示，所述的柔轮2的轮齿部分F的齿根圆直径从柔轮1筒体杯口到轮齿后端轴向非线性由小变大，而柔轮2轮齿在齿长方向上具有同样的齿廓形状。
所述的柔轮2和刚轮1轮齿齿形是渐开线齿形，或是双圆弧齿形。
如图4所示，所述的刚轮1具有齿厚连续变化的鼓形轮齿，刚轮1轮齿中部齿形按照柔轮2齿形通过包络法计算，刚轮1在柔轮筒体杯口处和轮齿后端处的的齿槽宽大于刚轮1轮齿中部的齿槽宽，刚轮1杯口处齿槽宽根据大变形后柔轮2的径向位置增大齿槽宽为原来的1～1.3倍并轴向逐渐减小为刚轮1轮齿中部的齿槽宽，刚轮1轮齿后端齿槽宽进行圆角修形，整个刚轮1轮齿齿槽宽从柔轮2筒体杯口到后端轴向方向上先连续由大变小，再连续由小变大。图4中，A截面为刚轮1轮齿杯口处的截面，B截面为刚轮1轮齿中部截面，C截面为刚轮1轮齿后端截面。
本发明的工作原理为：
如图3所示，让柔轮2轮齿根部直径从杯口到后端非线性逐渐连续变大，这与柔轮2的非线性径向变形的方向是相反的，可让弯曲引起的刚轮1轮齿和柔轮2轮齿之间非平行情况得到减小，尤其是减小柔轮2杯口处的径向位置，缓解柔轮2的高度非线性挠曲变形对轮齿啮合位置的影响。如图4和图5所示，取三处垂直于刚轮轴线的截面为例说明本发明中柔轮轮齿和刚轮轮齿的啮合过程。图4中，A截面为刚轮轮齿杯口处的截面，B截面为刚轮轮齿中部截面，C截面为刚轮轮齿后端截面。在A截面中，虽然柔轮2轮齿由于变形会具有较大的径向高度，但是刚轮1齿槽宽较大，所以相比于B截面中轮齿之间的作用，会较晚产生啮合，使柔轮2轮齿的杯口处和中部基本同时进入啮合状态，这样便增大了轮齿的啮合面积，提高了减速器的强度和刚度。在C截面中，刚轮1轮齿较大的齿槽宽降低了柔轮2轮齿后端的啮合压力，使啮合力主要集中在柔轮2轮齿和刚轮1轮齿的中部，避免应力集中。并且,前后具有较大齿槽宽的刚轮1轮齿还能够减缓由于柔轮2和刚轮1之间倾斜和偏心等装配误差带来的影响。柔轮2输出轴段部分的设计能降低由于柔轮2筒体和其他输出轴连接过程产生的轴向尺寸增长或装配误差等问题。

Claims (2)

1.一种具有鼓形轮齿的扁平谐波传动装置，包括刚轮(1)、柔轮(2)、波发生器(3)以及交叉滚子轴承(6)，其特征在于：波发生器(3)安装在柔轮(2)筒体内部，刚轮(1)套装在柔轮(2)外圈上，刚轮(1)的轮齿与柔轮(2)的轮齿相啮合，交叉滚子轴承(6)的外圈与刚轮(1)连接，柔轮(2)输出轴部分(D)设有螺纹，交叉滚子轴承(6)的内圈通过锁紧螺母(5)紧固于柔轮(2)输出轴上，所述的柔轮(2)中间为筒体部分(E),筒体部分(E)的外圈上加工有轮齿部分(F),并且筒体部分(E)的端部加工有输出轴部分(D)，所述的柔轮(2)的筒体部分(E)的长径比为1/4～1/2，输出轴部分(D)最大轴段的直径小于或等于柔轮(2)筒体部分(E)的外圈直径，输出轴部分(D)具有螺栓孔，与后续执行机构进行直接连接；
所述的柔轮(2)的轮齿部分(F)的齿根圆直径从筒体杯口到轮齿后端轴向非线性由小变大，柔轮(2)轮齿在齿长方向上具有同样的齿廓形状；
所述的刚轮(1)具有齿厚连续变化的鼓形轮齿，刚轮(1)轮齿中部齿形按照柔轮(2)齿形通过包络法计算，刚轮(1)在柔轮筒体杯口处和轮齿后端处的的齿槽宽大于刚轮(1)轮齿中部的齿槽宽，刚轮(1)杯口处齿槽宽根据大变形后柔轮(2)的径向位置增大齿槽宽为原来的1～1.3倍并轴向逐渐减小为刚轮(1)轮齿中部的齿槽宽，刚轮(1)轮齿后端齿槽宽进行圆角修形，整个刚轮(1)轮齿齿槽宽从柔轮(2)筒体杯口到后端轴向方向上先连续由大变小，再连续由小变大。
2.根据权利要求1所述的一种具有鼓形轮齿的扁平谐波传动装置，其特征在于：所述的柔轮(2)和刚轮(1)轮齿齿形是渐开线齿形，或是双圆弧齿形。
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