CN105090372A - 波发生器外置式新型谐波齿轮传动装置 - Google Patents

波发生器外置式新型谐波齿轮传动装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种波发生器外置式新型谐波齿轮传动装置，包括刚轮、柔轮、波发生器，其特征在于波发生器置于柔轮外面，波发生器由椭圆形轮廓的刚性凹轮和镶嵌在刚性凹轮内圈上的柔性轴承组成，波发生器位于最外端，柔轮位于中间，刚轮位于中心；外置柔轮是内齿轮，刚轮是外齿轮，波发生器内壁与柔轮外壁相互压紧；所用柔轮为酒杯形柔轮，柔轮在装入波发生器作用后不产生倾斜；柔轮与刚轮不产生干涉，且多齿啮合；有益效果是可以减小谐波减速器体积，降低柔轮齿根处应力，大大提高柔轮寿命，提高减速器整机寿命和系统可靠性，拆装及维修方便，运转平稳，噪音小，且传递扭矩增加，有效提高谐波减速器的机械效率。

Description

波发生器外置式新型谐波齿轮传动装置
技术领域
本发明涉及谐波传动技术领域，特别是涉及一种波发生器外置式新型谐波齿轮传动装置。
背景技术
谐波减速器是一种利用行星齿轮传动原理发展起来的一种新型减速器，由于其承载能力高，传动比大，体积小、重量轻、传动平稳且传动精度高等这些独特优点，使得谐波减速器广泛应用于电子、航天航空、机器人等行业。目前，现有谐波齿轮传动装置如图3、4所示，由刚轮、柔轮、波发生器，三大部件组成，波发生器由椭圆形轮廓的刚性凸轮和镶嵌在刚性凸轮外圈上的柔性轴承组成，且波发生器位于柔轮内部，刚轮为内齿轮，柔轮为外齿轮。
目前谐波减速器的波发生器均位于柔轮内部，属波发生器内置式谐波齿轮传动。由于波发生器位于柔轮内部，波发生器内置式谐波减速器形式导致柔轮长轴处的变形很大，空载时长轴处相应的应力很大。柔轮长轴处外齿与刚轮内齿啮合，承载时长轴附近齿根处的弯曲应力较大。两处应力同时叠加在柔轮长轴处，因此与刚轮啮合处的柔轮轮齿的根部成为强度的薄弱环节，这将极大影响柔轮的使用寿命。另外，波发生器内置型谐波齿轮传动装置的体积较大，某些工况条件下，空间狭小，传统的谐波减速器由于体积较大使用将会受限制。
另外目前谐波减速机的柔轮外形为圆筒型，由于柔轮的变形，柔轮内齿的直线形状部位将发生倾斜，并与圆环形刚轮外齿的直线形状部位形成一定角度。因此，圆环形刚轮的外齿和柔轮的内齿在啮合时会发生干涉现象。圆环形刚轮的外齿齿顶与柔轮的内齿齿底形成了圆环形刚轮的外齿干涉部位，柔轮的内齿齿顶与圆环形刚轮的外齿齿底形成了柔轮的内齿干涉部位。
为了解决谐波减速器设计、制造、安装、使用中的技术瓶颈，本发明提出了一种原理新颖、结构简单、体积小巧、运行平稳、机械效率高，能够满足加工和装配工艺要求的新型谐波齿轮传动装置，既能满足企业的实际需求，填补相关技术空白，又可产生较大的社会效益与经济效益。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种波发生器外置式新型谐波齿轮传动装置，能够提高承载扭矩，运行平稳减少噪音，减小谐波减速器体积，延长减速器寿命，特别是极大的延长柔轮使用寿命，降低柔轮齿根部位的集中应力，提高柔轮强度，解决刚轮和柔轮啮合干涉问题，大大提高整个谐波减速器整体的可靠性和运行性能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：创造性的将波发生器置于柔轮外面，波发生器由椭圆形轮廓的刚性凹轮和镶嵌在刚性凹轮内圈上的柔性轴承组成，刚轮为外齿轮，柔轮为内齿轮，且所采用柔轮的外形为酒杯型，形成了波发生器外置式新型谐波齿轮传动装置。波发生器外置式新型谐波齿轮传动装置如图1、2所示，它主要由三个基本构件组成：带有外齿的刚轮；带有内齿的柔轮和波发生器。波发生器由椭圆形轮廓的刚性凹轮和镶嵌在刚性凹轮内圈上的柔性轴承组成，波发生器位于最外端，柔轮位于中间，刚轮位于中心，柔轮是内齿轮，刚轮是外齿轮。波发生器的内壁与柔轮的外壁相互压紧，柔轮为可产生较大弹性变形的薄壁齿轮，其外径略小于波发生器的內椭圆周长。波发生器是使柔轮产生可控弹性变形的构件，当柔轮装入波发生器后，迫使柔轮的剖面由原先的圆形变成椭圆形，其短轴两端附近的齿与刚轮的齿完全啮合，而长轴两端附近的齿则与刚轮完全脱开，周长上其他区段的齿处于啮合和脱离的过渡状态。当波发生器连续转动时，柔轮的变形不断改变，使柔轮与刚轮的啮合状态也不断改变，由啮入、啮合、啮出、脱开、再啮入……，周而复始地进行，从而实现啮合传动。
柔轮是谐波减速器中最薄弱环节，因此柔轮的寿命决定了整个谐波减速器的寿命。传统型谐波齿轮传动装置由于采用波发生器内置结构，柔轮长轴处的变形较大，空载时长轴处相应的应力较大。柔轮长轴处外齿与刚轮内齿啮合，承载时长轴附近齿根处的弯曲应力较大。这两应力同时叠加在柔轮长轴处，因此与刚轮啮合处的柔轮齿根部位成为强度的薄弱环节，这将会极大影响柔轮的使用寿命。新型谐波齿轮传动装置创造性的采用波发生器外置结构使柔轮短轴处内齿与刚轮外齿啮合。空载时长轴处应力与承载时应力不产生叠加，柔轮应力减小可延长柔轮疲劳寿命，从而延长谐波减速器寿命。波发生器外置式新型谐波齿轮传动装置的结构形式决定了其整体体积较小，因此新型谐波齿轮传动装置的体积更小，且同时缩短轴向方向尺寸。波发生器外置式新型谐波齿轮传动装置比传统型波发生器内置式谐波齿轮传动装置更容易拆装，因此对谐波减速器整机后期检修及维护极为方便。
新型谐波齿轮传动装置所采用的柔轮未装波发生器时，其外形为酒杯型，且在装入波发生器后与刚轮发生啮合时，柔轮同样不会发生倾斜变形，刚轮外齿的直线形状部位和柔轮内齿的直线形状部位均与轴向平行，如图6所示。采用圆筒型柔轮在装入波发生器后与刚轮发生啮合时，柔轮将会发生很大的倾斜变形，如图5所示。如图7所示，R1＝R2(1-cosφ)-r，L＝R2sinφ，根据φ与r与r/R2的关系曲线确定，r/R2最佳为1/3，对应φ为31.3°。在较小长度尺寸下能保证柔轮内齿沿径向方向做平行移动，使载荷沿齿轮长度方向均匀分布。
由于酒杯型柔轮的内齿在波发生器作用后会沿径向方向上平行移动，因此刚轮外齿的直线形状部位和柔轮内齿的直线形状部位均与轴向平行。齿轮之间啮合良好，不发生干涉。传统直筒型柔轮在装入波发生器作用后产生倾斜，承载时短轴附近齿根处的弯曲应力较大，因此与刚轮啮合处的柔轮齿根部位成为强度的薄弱环节，这将会极大影响柔轮的使用寿命。酒杯型柔轮在装入波发生器作用后不产生倾斜，应力减小可延长柔轮疲劳寿命，从而延长谐波减速器寿命。由于酒杯型柔轮与刚轮不产生干涉，运行更平稳，噪音更小；酒杯型柔轮与刚轮更多齿参与啮合，提高承载扭矩，从而提高谐波减速机效率。
一种波发生器外置式新型谐波齿轮传动装置，包括刚轮、柔轮、波发生器，其特征在于波发生器置于柔轮外面，波发生器由椭圆形轮廓的刚性凹轮和镶嵌在刚性凹轮内圈上的柔性轴承组成；波发生器位于最外端，柔轮位于中间，刚轮位于中心；柔轮是内齿轮，刚轮是外齿轮，波发生器内壁与柔轮外壁相互压紧；所用柔轮为酒杯型柔轮，酒杯形柔轮在装入波发生器作用后不产生倾斜变形，可减少应力集中并延长柔轮寿命；酒杯型柔轮的内齿在波发生器作用后会沿径向方向上平行移动，刚轮的外齿的直线形状部位和柔轮的内齿的直线形状部位均与轴向平行；酒杯型柔轮与刚轮不产生干涉，运行平稳，且多齿参与啮合，承载转矩大。柔轮为可产生较大弹性变形的薄壁齿轮，其外径略小于波发生器的內椭圆周长，波发生器是使柔轮产生可控弹性变形的构件，当柔轮装入波发生器后，迫使柔轮的剖面由原先的圆形变成椭圆形，其短轴两端附近的齿与刚轮的齿完全啮合，而长轴两端附近的齿则与刚轮完全脱开，周长上其他区段的齿处于啮合和脱离的过渡状态，当波发生器连续转动时，柔轮的变形不断改变，使柔轮与刚轮的啮合状态也不断改变，由啮入、啮合、啮出、脱开、再啮入，周而复始地进行，实现啮合传动。波发生器置于柔轮外面，使柔轮短轴处内齿与刚轮外齿啮合，空载时长轴处应力与承载时应力不产生叠加，柔轮应力减小可延长柔轮疲劳寿命，从而延长谐波减速器寿命。波发生器置于柔轮外面，波发生器外置式结构有效减小了整机体积，且轴向方向尺寸小。波发生器置于柔轮外面，波发生器外置式结构更易于拆装，方便后期检修及维护。采用酒杯型柔轮，柔轮在参数r/R2＝1/3，φ＝31.3°时，抗变形效果最佳，在较小长度尺寸下能保证柔轮轮齿沿径向方向做平行移动，使载荷沿轮齿长度方向均匀分布。
与现有技术相比，本发明的有益效果是，可以减小谐波减速器体积，特别降低柔轮齿根处应力，大大提高柔轮寿命，提高减速器整机寿命和系统可靠性，拆装及维修方便，运转平稳，噪音小，且传递扭矩提高，有效提高谐波减速器的机械效率。
附图说明
图1是新型谐波齿轮传动装置剖视图(波发生器外置式)；
图2是新型谐波齿轮传动装置主视图(波发生器外置式)；
图3是传统谐波齿轮传动装置剖视图(波发生器内置式)；
图4是传统谐波齿轮传动装置主视图(波发生器内置式)；
图5是直筒型柔轮及其新型谐波齿轮传动装置图(波发生器外置式)；
图6是酒杯型柔轮及其新型谐波齿轮传动装置图(波发生器外置式)；
图7是酒杯型柔轮结构图。
图1、2中：
1、刚轮；2、柔轮；3、波发生器；4、内齿；
5、外齿；6、柔性轴承；7、刚性凹轮。
图3、4中：
1、刚轮；2、柔轮；3、波发生器；4、刚性凸轮；
5、柔性轴承。
具体实施方式
参考附图描述本发明的实施方式，以采用酒杯型形状的柔轮(2)的波发生器外置式新型谐波齿轮传动装置为例进行具体说明。在图1、2中，带有外齿(5)的刚轮(1)，带有内齿(4)的柔轮(2)和波发生器(3)构成了外置式新型谐波齿轮传动装置的主体结构。波发生器(3)由椭圆形轮廓的刚性凹轮(7)和镶嵌在刚性凹轮(7)内圈上的柔性轴承(6)组成，波发生器(3)位于最外端，柔轮(2)位于中间，刚轮(1)位于中心，柔轮(2)是内齿轮，刚轮(1)是外齿轮。波发生器(3)的内壁与柔轮(2)的外壁相互压紧，柔轮(2)为可产生较大弹性变形的薄壁齿轮，其外径略小于波发生器(3)的內椭圆周长。波发生器(3)是使柔轮(2)产生可控弹性变形的构件，当柔轮(2)装入波发生器(3)后，迫使柔轮(2)的剖面由原先的圆形变成椭圆形，其短轴两端附近的齿与刚轮(1)的齿完全啮合，而长轴两端附近的齿则与刚轮(1)完全脱开，周长上其他区段的齿处于啮合和脱离的过渡状态。当波发生器(3)沿图示方向连续转动时，柔轮(2)的变形不断改变，使柔轮(2)与刚轮(1)的啮合状态也不断改变，由啮入、啮合、啮出、脱开、再啮入……，周而复始地进行，从而实现啮合传动。由于柔轮(2)的内齿(4)在波发生器(3)作用后会沿径向方向上平行移动，因此刚轮(1)的外齿(5)的直线形状部位和柔轮(2)的内齿(4)的直线形状部位均与轴向平行，不发生倾斜变形，齿轮之间啮合良好，不发生干涉。
以上所述，仅是发明的较佳实施方式，并非对本发明做任何限制，凡是根据本发明实质对以上实施方式所作的任何修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种波发生器外置式新型谐波齿轮传动装置，包括刚轮、柔轮、波发生器，其特征在于波发生器置于柔轮外面，波发生器由椭圆形轮廓的刚性凹轮和镶嵌在刚性凹轮内圈上的柔性轴承组成；波发生器位于最外端，柔轮位于中间，刚轮位于中心；柔轮是内齿轮，刚轮是外齿轮，波发生器内壁与柔轮外壁相互压紧；所用柔轮为酒杯型柔轮，酒杯形柔轮在装入波发生器作用后不产生倾斜变形，可减少应力集中并延长柔轮寿命；酒杯型柔轮的内齿在波发生器作用后会沿径向方向上平行移动，刚轮的外齿的直线形状部位和柔轮的内齿的直线形状部位均与轴向平行；酒杯型柔轮与刚轮不产生干涉，运行平稳，且多齿参与啮合，承载转矩大。
2.根据权利要求1所述的波发生器外置式新型谐波齿轮传动装置，其特征在于柔轮为可产生较大弹性变形的薄壁齿轮，其外径略小于波发生器的內椭圆周长，波发生器是使柔轮产生可控弹性变形的构件，当柔轮装入波发生器后，迫使柔轮的剖面由原先的圆形变成椭圆形，其短轴两端附近的齿与刚轮的齿完全啮合，而长轴两端附近的齿则与刚轮完全脱开，周长上其他区段的齿处于啮合和脱离的过渡状态，当波发生器连续转动时，柔轮的变形不断改变，使柔轮与刚轮的啮合状态也不断改变，由啮入、啮合、啮出、脱开、再啮入，周而复始地进行，实现啮合传动。
3.根据权利要求1所述的波发生器外置式新型谐波齿轮传动装置，其特征在于波发生器置于柔轮外面，使柔轮短轴处内齿与刚轮外齿啮合，空载时长轴处应力与承载时应力不产生叠加，柔轮应力减小可延长柔轮疲劳寿命，从而延长谐波减速器寿命。
4.根据权利要求1所述的波发生器外置式新型谐波齿轮传动装置，其特征在于波发生器置于柔轮外面，波发生器外置式结构有效减小了整机体积，且轴向方向尺寸小。
5.根据权利要求1所述的波发生器外置式新型谐波齿轮传动装置，其特征在于波发生器置于柔轮外面，波发生器外置式结构更易于拆装，方便后期检修及维护。
6.根据权利要求1所述的波发生器外置式新型谐波齿轮传动装置，其特征在于采用酒杯型柔轮，柔轮在参数φ＝31.3°时，抗变形效果最佳，在较小长度尺寸下能保证柔轮轮齿沿径向方向做平行移动，使载荷沿轮齿长度方向均匀分布。
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