CN105351451A - 一种滚柱谐波减速器 - Google Patents

Abstract

一种滚柱谐波减速器，至少包含且不限于包含一个刚性齿轮、一个变心滚柱齿轮、一个波轮，各部件同公共轴地安装在一起；所述的刚性齿轮为内齿轮，各齿的齿顶为凸圆形，齿根为凹圆形，齿根圆的直径大于变心滚柱齿轮的滚柱直径；所述的变心滚柱齿轮具有2圈或多于2圈的滚柱。如减速比为正整数a，少齿数为正整数m，则刚性齿轮的齿数为正整数b=m*a，变心滚柱齿轮齿数为正整数c=m*(a-1)，波轮轮廓线上距公共轴最远点和最近点的数量都为m。

Description

一种滚柱谐波减速器

技术领域

本发明涉及减速装置，特别涉及一种滚柱谐波减速器。

背景技术

在谐波减速器中，柔轮在运动中一直周期性的发生变形产生交变应力，交变应力容易使柔轮产生疲劳破坏，导致柔轮失效无法工作；同时，因为柔轮的非刚性结构，不但导致谐波减速器回差较大，而且也决定了谐波减速器的负载扭矩较小，市场上能见到的最大的传统谐波减速器的最大扭矩小于4500N.m，从而限制了谐波减速器的很多应用场合。为克服这些问题，我们研发了一种用变心滚柱齿轮代替柔轮的滚柱谐波减速器，从而得到使用寿命长、回差小、扭矩大、生产简单的谐波减速器。迄今为止，有很多专利针对滚柱谐波减速器提出了技术方案，但这些方案大部分都存在致命的缺点，无法达到本发明的目的，例如：中国专利申请号为87206444.1，名称为《活齿谐波减速机》的实用新型，采用偏心轮波轮结构，刚性齿轮采用凹圆弧齿形，滚柱从齿顶过度到弧面时，无法顺利完成过渡；中国专利申请号为201510192426.6，名称为《一种柔性滚柱啮合的谐波减速器》，采用椭圆形波轮及凹槽刚性齿轮，在非凹槽的圆弧部分显然也无法转动，而且椭圆波轮导致齿形曲线复杂；中国专利申请号为201510217930.7，名称为《滚柱减速器》，采用偏心轮波发生器及类似于本发明的刚性齿轮，如果要实现转动，刚性齿轮的曲线方程及其复杂，难以加工，且采用单排滚柱，导致没有空间使保持盘和滚柱能形成一个刚性整体的变心滚柱齿轮，从而导致结构特别复杂；还有中国专利申请号为01277247.X，名称为《刚性可移式谐波齿轮传动机构》等等，都因为存在种种问题，无法实现其目的。

发明内容

本发明目的是为了克服传统谐波减速器柔轮容易失效、回差大、负载扭矩受限、材料要求高的缺点，并提供一种用变心滚柱齿轮取代柔轮的滚柱谐波减速器。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：至少包含且不限于包含一个刚性齿轮、一个变心滚柱齿轮、一个波轮，三部件及多个轴承同公共轴安装在一起，波轮位于变心滚柱齿轮内部，刚性齿轮位于变心滚柱齿轮外部，三部件的垂直于轴向的中心面重叠或邻近，变心齿轮和轴承配合，使三部件只能绕公共轴转动，同时，变心滚柱齿轮的端盖和轴承配合，限制各部件轴向移动。

所述的刚性齿轮，和传统谐波减速器的刚性齿轮作用相同，但是齿形不同，其齿顶截面为凸圆形，齿根截面为凹圆形，齿顶圆和齿根圆相切，且齿根圆的半径大于变心滚柱齿轮的滚柱半径，且齿根圆和齿顶圆的圆弧角度都小于180度。刚轮的齿形也可以为渐开线齿，齿宽要大于滚柱直径，圆齿和渐开线齿的区别在于波轮轮廓线的方程是不同的，也可以运行，但加工复杂。

所述的变心滚柱齿轮是由一组刚性柱状体、两个滚柱保持盘、大于或等于2圈的滚柱、两个端盖及连接螺栓组成；所述的保持盘为一个圆环体，外径大于刚性齿轮的齿根圆的公共内切圆直径并用于轴承安装，内径用来穿过公共轴并用于轴承安装，环面上有均匀分布的径向滚柱导槽，滚柱导槽宽度为滚柱直径，滚柱导槽深度可穿过环面或不穿过环面，滚柱导槽数量为c=m*(a-1)，其中m为少齿数，a为减速比；刚性柱状体把两个相同的滚柱保持盘及端盖对称地同轴地连接为一个刚性整体，刚性柱状体安装在两个滚柱导槽之间，中间间隙要确保滚柱径向通过；滚柱分别安装在两个滚柱保持盘的每一对滚柱导槽内，且每个滚柱导槽内的滚柱数量大于或等于2，且所有滚柱导槽内的滚柱数量和直径相等，当每槽滚柱数量大于2时，中间滚柱可以用滑块或滚珠替代。必须说明的是，这里对连接保持盘的刚性柱状体并没有给出具体形状，可以是圆柱，可以是截面的梯形的柱体或其他柱体，其核心作用是把两个保持盘及端盖连接为一个刚性整体，并允许滚柱径向通过之间的间隙，只要符合这一思想，不管任何形状，都视为在本发明的权利保护范围内。

波轮是动力输入装置及谐波发生器，理论上，波轮的垂直公共轴的截面轮廓线必须确保在任何时候，变心滚柱齿轮滚柱导槽里的滚柱列的一端的滚柱和刚轮的齿形圆相切，另一端和波轮的轮廓线相切，一旦存在间隙，间隙越大，滚柱谐波减速器性能就越差，因此在生产中，应尽量减小这一间隙。根据波轮的垂直于轴线的截面的边缘线的方程，波轮轮廓线的距公共轴线的最远点数量为和最近点的数量都为m，各点的实际距离由每个设计的方程决定。

使用时，固定刚性齿轮，当波轮旋转时，驱动滚柱在滚柱导槽内径向移动并绕自身轴线转动，挤压刚性齿轮齿圆弧面并获得扭矩，由于刚性齿轮固定，反作用力迫使变心滚柱齿轮自身转动，从而从变心滚柱齿轮输出转矩；也可以把变心滚柱齿轮固定，当波轮旋转时，驱动滚柱在滚柱导槽内径向移动并绕自身轴线转动，挤压刚性齿轮，迫使刚性齿轮绕公共轴转动，从而从刚性齿轮输出转矩；这样，当波轮旋转一圈是，刚性齿轮或变心滚柱齿轮旋转少齿数m个刚轮齿距角。本发明可以串联使用以提高减速比。

滚柱谐波减速器是一个系列产品，有少一齿型，少两齿型，直到少m齿形（m为正整数），少齿数量越多，则在同减速比下的传递扭矩就越大。每个型号有不同的变速比，存在以下规律(m、a、b、c为正整数)：1）减速比为a：1；2）刚轮齿数b=m*a；3）变心齿轮齿数为c=m*(a-1)；4）波轮轮廓线的最远点数量为m。

本发明与传统谐波减速器的性能比较，体积和重量仅和后者三大件的体积重量相近，使用时不需要增加其他部件，而且其传递的扭矩没有上限，增加少齿数可以成倍提高扭矩传递能力，适当增加滚柱长度，也可提高扭矩传递能力；对材料要求低，不需要谐波减速器的柔轮合金，且易于加工，生产简单；滚柱磨损后更换成本低，更换简单；采用多台进行串联可以提供很大的减速比。

必须说明的是，技术人员根据本发明的核心思想，可以轻易地做出一些更改，例如，把某些部件制作在一起或把某个部件分开成几个部分，或把某个部件改变形状，或在某个部件上添加一些部件，或者把刚性齿轮和波轮做成斜柱面并把滚柱做成锥形，或把中间滚柱做成带凸起纹路的柱状体或其他变形，或把轴承更改为锥形轴承或推力轴承等等，只要采用了本发明的核心思想，就视为在本发明的权利要求保护范围内。

附图说明

图1变速比11少1齿谐波滚柱减速器原理图；

图2变速比11少2齿谐波滚柱减速器原理图；

图3变速比21少1齿滚柱谐波减速器变心滚柱齿轮；

图4变速比21少1齿滚柱谐波减速器整机剖切图。

具体实施方式

为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是变速比为11的少1齿谐波滚柱减速器原理图，图中，粗黑线部分为刚性齿轮1，细黑线部分为变心滚柱齿轮2，淡粗线部分为波轮3，4为滚柱，5为公共轴，图中，刚性齿轮齿数为11，变心滚柱齿轮齿数为10，变心齿轮比刚性齿轮齿数少1，变速比为11。如图，固定刚性齿轮，当波轮绕公共轴开始顺时钟旋转时，竖直对称线左边的滚柱被迫在滚柱导槽里径向远离轴线，依次挤压刚性齿轮的齿的圆弧面并获得扭矩，由于刚性齿轮固定，变心齿轮在反作用力的驱使下获得逆时钟扭矩，绕公共轴逆时钟转动，竖直对称线右边的滚柱在刚轮的挤压下靠向轴线，使滚柱得到复位；如固定变心齿轮，那么波轮顺时钟旋转时刚性齿轮则能获得顺时钟力矩，刚性齿轮会绕公共轴顺时钟旋转；如波轮逆时钟旋转，那么，刚性齿轮或变心滚柱齿轮的转矩方向也会相反。

图2为变速比11的少2齿谐波滚柱减速器原理图，图中，粗黑线部分为刚性齿轮2，细黑线部分为变心滚柱齿轮3，淡粗线部分为波轮1，4为滚柱导槽，5为滚柱，6为齿根圆，7为齿顶圆。运行原理和上例相同，区别在于变心齿轮的驱动齿多一倍，故额定扭矩也大一倍，少多齿的目的就在于增大负载扭矩。从图中可看出，由于是少2齿，故波轮的最高点和最低点都是2个，变心滚柱齿轮的滚柱分成4组，2组为力矩传递，2组为滚柱复位。

图3为变速比21的少1齿滚柱谐波减速器的变心滚柱齿轮，图中，1为刚性柱状体，2为滚柱，3为下端盖及保持盘，4为上保持盘，5为上端盖，为提高刚性，刚性柱状体和下保持盘及下端盖制作为整体结构，上端盖和上保持盘通过螺栓和除滚柱外的其他部件连接为整体，滚柱安装在上下保持盘的滚柱导槽中；显然，这种结构使变心滚柱齿轮具有较好的刚性，同时使滚柱谐波减速器的结构得到简化，体积缩小，重量减轻，使其非常适合于机器人关节。

图4变速比21的少1齿的滚柱谐波减速器整机的多次剖切图，图中，1为刚性齿轮，上面附加了轴承座、安装螺孔、电机连接装置等结构，2、5、10、11为轴承，3为滚柱，4为变心滚柱齿轮的刚性柱状体、下保持盘、下端盖的整体结构，6为上保持盘，7为连接螺栓，8为定位销，9为上端盖，12为波轮。本实例已有样机，直径160mm，高度82mm，重量7.354kg。

Claims (8)

1.一种滚柱谐波减速器，其特征在于：至少包含且不限于包含一个刚性齿轮、一个变心滚柱齿轮、一个波轮，各部件同公共轴地安装在一起；所述的刚性齿轮为内齿轮，各齿的齿顶横截面为凸圆弧形，齿根为凹圆弧形，齿根圆的直径大于变心滚柱齿轮的滚柱直径；所述的变心滚柱齿轮具有2圈或多于2圈的滚柱。

2.根据权利要求1所述的一种滚柱谐波减速器，其特征在于：所述的刚性齿轮为内齿轮，各齿横截面的齿顶为凸圆弧形，齿根为凹圆弧形，所有齿顶圆和两边的齿根圆相切，所有齿根圆和两边的齿顶圆相切，所有的齿顶圆直径相等，所有的齿根圆直径相等，齿根圆直径大于变心滚柱齿轮的滚柱直径。

3.根据权利要求1所述的一种滚柱谐波减速器，其特征在于：所述的刚性齿轮为内齿轮，各齿横截面的齿顶为凸渐开线形，齿根为凹渐开线形，所有齿顶轮廓线和两边的齿根轮廓线相切，所有齿根轮廓线和两边的齿顶轮廓线相切，所有的齿顶基圆直径相等，所有的齿根基圆直径相等，齿宽大于变心滚柱齿轮的滚柱直径。

4.根据权利要求1所述的一种滚柱谐波减速器，其特征在于：所述的变心滚柱齿轮是由一组刚性柱状体、两个滚柱保持盘、大于或等于2圈的滚柱、两个端盖及连接螺栓组成；所述的保持盘为一个圆环体，外圆外径稍大于刚性齿轮的齿根圆的公共内切圆直径，内圆用来穿过公共轴，环面上有均匀分布的径向滚柱导槽，滚柱导槽宽度为滚柱直径，滚柱导槽数量为c=m*(a-1)，其中m为少齿数，a为减速比；一组刚性柱状体把两个相同的滚柱保持盘及2个端盖对称地同轴地连接为一个刚性整体，刚性柱状体安装在两个滚柱导槽之间，中间间隙要确保滚柱径向通过；滚柱分别安装在两个滚柱保持盘的每一对滚柱导槽内，且每个滚柱导槽内的滚柱数量大于或等于2，且所有滚柱导槽内的滚柱数量和直径相等，当每槽滚柱数量大于2时，中间滚柱可以用滑块或滚珠替代。

5.根据权利要求1所述的一种滚柱谐波减速器，其特征在于：所述的波轮的垂直于轴线的截面的轮廓线必须确保变心齿轮的每个滚柱导槽内的滚柱列紧密排列，不论波轮旋转到任何位置时滚柱列都一端和齿形线相切，一端和波轮外沿线相切，波轮截面轮廓线上距公共轴最远点和最近点的数量都为少子数m。

6.根据权利要求1所述的一种滚柱谐波减速器，其特征在于：如减速比为正整数a，少齿数为正整数m，则刚性齿轮的齿数为正整数b=m*a，变心滚柱齿轮齿数为正整数c=m*(a-1)，波轮轮廓线上距公共轴最远点和最近点的数量都为m。

7.根据权利要求1所述的一种滚柱谐波减速器，其特征在于：可以采用2台或2台以上的滚柱谐波减速器串联使用。

8.根据权利要求1所述的滚柱谐波减速器，其特征在于：所述的滚柱，插入滚柱导槽部分的直径稍大于露出滚柱导槽部分的直径。