CN107588177A - 一种摆线针轮谐波传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摆线针轮谐波传动装置，包括凸轮轴、柔性轴承、柔轮、滚针以及刚轮，柔性轴承安装在椭圆形的凸轮轴上，柔轮的内圈与柔性轴承的外圈相互配合的，柔轮的外齿面与每一根滚针相互接触，滚针均匀地分布在刚轮的半圆槽内，主轴承的内圈与柔轮固连在一起，主轴承的外圈与刚轮固连在一起。摆线针轮谐波传动齿高齿根都是摆线齿廓，减少了发生断裂失效的风险，不需要很深的啮合距离就可以获得很大的啮合量，齿宽较大，全部齿参与啮合，齿面比压小，可以承受很大的扭矩，所需的柔轮变形量也很小，可使柔轮的寿命和强度得到极大地提高。

Description

一种摆线针轮谐波传动装置

技术领域

本发明涉及精密减速机领域，具体涉及一种摆线针轮谐波传动装置。

背景技术

在工业机器人和各种精密机械领域里，精密减速机是一种核心零部件。在这些领域里要求减速机具备小型、轻量、高刚性、耐过载、平稳顺畅的特点，同时要求大速比、小间隙、小的角度传递误差和良好的加速度性能。

K-H-V(N)型渐开线少齿差行星传动是一对行星齿轮装在输入轴上的两个相差

180度的偏心轴颈上，两个行星齿轮与同一个内齿轮啮合，内齿轮的齿数和行星齿轮的齿数有差值，如果固定内齿轮，行星齿轮每做一周的公转其自身也会做一定角度的自转，自转的角度由差齿的数量决定，由于行星齿轮既有公转又有自转，所以其复杂的运动需经由输出机构把公转抵消，仅把差动形成的自转输出。与普通结构的减速机相比，K-H-V(N)型渐开线少齿差行星减速机具有传动比大、结构紧凑、质量轻和加速度性能高的特点，一级传动比可以达到i＝100,与同传动比，同功率圆柱齿轮减速机相比质量可明显的减轻。

谐波传动是由可控的弹性变形的柔性的渐开线齿轮、刚性的内齿轮以及椭圆形的波发生器为主要机械结构的传动，柔性齿轮和刚性内齿轮的齿数存在齿数差异，所以谐波传动也是一种差动传动。谐波传动的原理也可以理解为K-H-V(N)型渐开线少齿差行星传动，柔性齿轮可以理解为两个行星齿轮的融合变形，

波发生器可以理解为偏心轴的变体，而柔轮的壳体则起到了K-H-V(N)型渐开线少齿差行星传动输出机构的功能。因此本质上谐波传动也是K-H-V(N)型渐开线少齿差行星传动。这一发明使得K-H-V(N)型渐开线少齿差行星传动结构更简单，体积更紧凑，质量更轻。

开线少齿差行星传动和谐波传动存在的问题是当齿数差过少时，会发生齿廓重叠干涉和节点对方齿顶干涉，需要通过减小齿高和增大压力角的方法解决，但这样还是不能从根本上解决问题。

摆线针轮行星传动是把K-H-V(N)型渐开线少齿差行星传动的齿形进行彻底改变，把渐开线内齿轮和渐开线行星齿轮变更为针轮和摆线轮。由于摆线轮齿廓的形成原理、滚针直径以及偏心运动半径等他们之间的独特关系，一齿差摆线针轮行星传动在理论上有一半的齿数的滚针与摆线轮同时啮合，全部的滚针与摆线轮同时接触。这种齿形的啮合传动彻底的解决了渐开线少齿差行星传动齿廓重叠干涉和节点对方齿顶干涉的问题，同时明显的改善了传动精度和机构的刚性，降低了噪音。

目前还未发现谐波传动中采用摆线针轮啮合的传动形式，本发明基于上述背景提出一种摆线针轮谐波传动。渐开线齿形谐波传动的以下问题，为避免齿廓重叠干涉和节点对方齿顶干涉，谐波传动的波发生器的长轴与短轴的长度之差需要尽可能大，而柔轮以及轴承的材料性能又要求波发生器的长轴与短轴的长度之差需要尽可能小，这一对矛盾使得谐波减速机在设计当中牺牲了刚性和耐冲击性，本发明可以改善以上的矛盾问题，同时可以提高啮合的重合度和提高刚性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种摆线针轮谐波传动装置，有效解决现有技术中的不足。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种摆线针轮谐波传动装置，包括凸轮轴、柔性轴承、柔轮、滚针以及刚轮，柔性轴承安装在椭圆形的凸轮轴上，柔轮的内圈与柔性轴承的外圈相互配合的，柔轮的外齿面与每一根滚针相互接触，滚针均匀地分布在刚轮的半圆槽内，主轴承的内圈与柔轮固连在一起，主轴承的外圈与刚轮固连在一起。

作为优选的技术方案，所述凸轮轴与柔性轴承的内圈紧密地配合在一起，两者一起构成波发生器，柔轮的内圈与柔性轴承的外圈紧密地配合在一起。

作为优选的技术方案，所述滚针圆周均布在刚轮的半圆槽内，刚轮的半圆槽为具有挡边的结构，挡边的内直径不宜小于滚针的分布圆直径。

作为优选的技术方案，所述柔轮为杯型结构，柔轮的底部设计成通孔，主轴承的内圈有对应的螺纹孔，其两者之间采用螺丝固连，刚轮的外圈为螺纹孔，主轴承的外圈有对应的通孔，两者之间也采用螺丝固连，主轴承选用交叉滚子轴承。

固定摆线轮，滚针以一定的规律与摆线轮发生相对运动，所述的运动规律是由减速机的机构和传动比决定的，滚针在摆线轮外围按给定的运动规律连续移动，滚针外圆在摆线轮外围形成一条连续封闭的包络线，这条包络线就是摆线轮的齿廓曲线。

摆线的设计参数分别是，滚针中心在针齿壳上分布的参考圆的半径R，滚针的数量Z，滚针的半径r，行星运动的偏心距E。以摆线轮中心为坐标原点，滚针中心坐标(x，y)关于时间t的参数方程如下。

x＝E*Cos(Z*t)+R*Cos(t)

y＝E*Sin(Z*t)+R*Sin(t)

用以上所述方法和参数设计的一齿差摆线针轮行星传动具有以下特点，在传动过程中全部的滚针外圆时刻与摆线轮的齿廓曲线相切，整个摆线轮的轮廓曲线是连续并且处处可导，啮合传动中重合度是50％，不存在齿顶干涉和齿廓重叠干涉，齿高为2倍的偏心距，摆线轮的齿数是Z-1。

以上所述的特点带来的益处是传动过程平稳，传动过程中没有啮合齿的交替冲击，重合度大。

本发明的摆线针轮谐波传动中的柔轮，在未装配之前是标准的圆形柔轮，装配以后受到与其相邻零件的约束而变形成为椭圆形。

下面说明柔轮摆线齿廓曲线和波发生器具体的设计过程。

所述柔轮摆线齿廓曲线的设计方法是包络法，柔轮摆线齿廓曲线形成原理与前面所述的一齿差摆线针轮行星传动的摆线轮齿廓曲线形成原理相同。

所述柔轮摆线的设计参数分别是，滚针中心在刚轮上分布的参考圆的半径R，滚针的数量Z，滚针的半径r，行星运动的偏心距E。以柔轮中心为坐标原点，滚针中心坐标(x，y)关于时间t的参数方程如下。

x＝E*Cos(t*(Z-1))+(R-E)*Cos(t)

y＝E*Sin(t*(Z-1))+(R+E)*Sin(t)

上面所述的参数方程是柔轮变形后的一个瞬间状态，这也是一个柔轮实际变形近似假设的状态。

以上所述方法得到柔轮曲线的设计参数，再按前面所述的一齿差摆线针轮行星传动的摆线轮设计方法得到圆形柔轮的齿廓曲线，圆形的柔轮齿廓曲线具有加工的可行性，而柔轮实际工作状态是相邻零件约束而成的变形状态。

凸轮轴101的轮廓曲线是一条封闭的椭圆曲线，长轴半径b与短轴半径a的差是2倍的偏心距。而所述椭圆的具体尺寸是由所选的薄壁轴承的内圈直径d决定，所述椭圆曲线的参数方程如下。

x＝a*cos(t)

y＝b*sin(t)

经过计算机积分计算椭圆的周长，进而计算相应圆的直径，结果与所选的轴承102内径d对比，反复迭代可获得a和b的准确值，于是就确定了椭圆的轮廓曲线。

用以上所述方法和参数设计的摆线针轮谐波传动具有以下特点，在传动过程中全部的滚针外圆时刻与柔轮的齿廓曲线相切，整个柔轮的轮廓曲线是连续并且处处可导，啮合传动中重合度是50％，不存在齿顶干涉和齿廓重叠干涉，齿高为2倍的偏心距，柔轮的齿数是Z-2。因此本发明的谐波传动是2齿差的差动传动。

以上所述的特点带来的益处是,与普通齿形的谐波传动相比，摆线针轮谐波传动过程平稳，传动过程中没有啮合齿的交替冲击，重合度大。波发生器的长轴与短轴半径只差明显减小，柔轮的长度可以设计的更短，柔壁厚可以设计的更厚，进而改善谐波传动的扭转刚性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是摆线针轮谐波传动结构原理简图；

图2是摆线针轮谐波传动爆炸示意图；

图3是摆线针轮谐波传动结构剖视图；

图4是摆线针轮谐波传动正面视图；

图5是摆线针轮谐波传动凸轮轴旋转固定角度时啮合情况简图；

图6是外摆线形成原理示意简图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1-图4所示，柔性轴承2安装在椭圆形的凸轮轴1上，柔轮3的内圈与柔性轴承2的外圈相互配合的，柔轮3的外齿面与每一根滚针4相互接触，滚针4均匀地分布在刚轮5的半圆槽内，主轴承6的内圈与柔轮2固连在一起，主轴承6的外圈与刚轮5固连在一起。

进一步地说，所采用的凸轮轴1与柔性轴承2的内圈紧密地配合在一起，两者一起构成波发生器，柔轮3的内圈与柔性轴承2的外圈紧密地配合在一起，由于凸轮轴1的外形是椭圆曲线，因此，理论上柔性轴承2的内圈、柔性轴承2的外圈以及柔轮3的内圈都是凸轮轴1椭圆的等距曲线。

进一步地说，滚针4圆周均布在刚轮5的半圆槽内，为了防止滚针2轴向脱出，刚轮5的半圆槽需设计成具有挡边的结构，为了防止与柔轮2发生干涉，挡边的内直径不宜小于滚针4的分布圆直径。

进一步地说，柔轮3为杯型结构，柔轮3的底部设计成通孔，主轴承6的内圈有对应的螺纹孔，它们之间采用螺丝固连，刚轮5的外圈设计成螺纹孔，主轴承6的外圈有对应的通孔，它们之间也采用螺丝固连，而主轴承6选用交叉滚子轴承，既能承载径向载荷又能承受轴向载荷以及弯矩。

更进一步地说，理论上，柔轮3齿廓的设计参数分别是，滚针4中心在刚轮5上分布的参考圆的半径R，滚针4的数量Z，滚针4的半径r，行星运动的偏心距E。以柔轮3中心为坐标原点，滚针4中心坐标(x，y)关于时间t的参数方程如下。

x＝E*Cos(t*(Z-1))+(R-E)*Cos(t)

y＝E*Sin(t*(Z-1))+(R+E)*Sin(t)

而柔轮3的齿廓为滚针4中心的曲线的等距曲线，曲线的偏移量为滚针4的半径，偏移方向沿着中心。为了使得滚针4与柔轮3相切，这就要求行星运动的偏心距E等于凸轮轴1的长半轴与短半轴差的一半。

更进一步地说，上述的这种椭圆形的齿廓并不方便加工且不能使用，本发明采用如下方法获得柔轮3的齿廓。

采用设计方程为：

x＝E*Cos(t*(Z-1))+R*Cos(t)

y＝E*Sin(t*(Z-1))+R*Sin(t)

其中偏心距E等于凸轮轴1的长半轴与短半轴差的一半，R等于滚针4的分布圆半径，Z为滚针4的数量。我们再将此曲线向中心做等距偏移，偏移距离等于滚针4的一半，得出的曲线就是柔轮3的自由情形下的曲线，当凸轮轴1嵌入柔性轴承2内，柔性轴承2内嵌入柔轮3时，由凸轮轴1的椭圆致使柔轮3的曲线发生变化，其结果就是滚针4与柔轮2处处相切。

工作时，当凸轮轴1装入柔性轴承2，柔性轴承2又装入柔轮3时，迫使柔轮3产生弹性变形而呈现椭圆状，使其长轴处柔轮3的齿根嵌入滚针4，形成在齿根两处相切的状态，而其短轴处柔轮3的齿顶与滚针4也相切，处于接触保持状态。当凸轮轴1连续转动时，迫使柔轮3不断产生变形，柔轮3和滚针4接触的位置不断地变化，产生了所谓的错齿运动，从而实现了运动传递。

进一步地说，如图5所示，我们假定刚轮5固定，当凸轮轴1旋转在0度时，柔轮2与刚轮5在箭头处重合，当凸轮轴1顺时针旋转在180度时，如图中柔轮箭头所示，这时候柔轮2则逆时针旋转1个齿的距离，当凸轮轴1顺时针选转在360度时，如图中柔轮箭头所示，这时候柔轮2则逆时针旋转2个齿的距离，因此，当刚轮固定，柔轮旋转时，减速比等于柔轮2的齿数量的一半。

凸轮轴1其椭圆采用数控加工方式而成，柔轮2采用慢走丝或者滚齿加工，刚轮5采用数控铣床、慢走丝或者插齿方式加工而成，加工极为简单。

滚针4采用的材质为轴承钢，热处理后硬度为HRC60-62，粗糙度Ra0.4以上，有利于减小磨损，提高寿命。

如图6所示，固定摆线轮201，滚针202以一定的规律与摆线轮发生相对运动，所述的运动规律是由减速机的机构和传动比决定的，滚针在摆线轮外围按给定的运动规律连续移动，滚针外圆在摆线轮外围形成一条连续封闭的包络线，这条包络线就是摆线轮的齿廓曲线。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种摆线针轮谐波传动装置，其特征在于：包括凸轮轴、柔性轴承、柔轮、滚针以及刚轮，柔性轴承安装在椭圆形的凸轮轴上，柔轮的内圈与柔性轴承的外圈相互配合的，柔轮的外齿面与每一根滚针相互接触，滚针均匀地分布在刚轮的半圆槽内，主轴承的内圈与柔轮固连在一起，主轴承的外圈与刚轮固连在一起。

2.如权利要求1所述的摆线针轮谐波传动装置，其特征在于：所述凸轮轴与柔性轴承的内圈紧密地配合在一起，两者一起构成波发生器，柔轮的内圈与柔性轴承的外圈紧密地配合在一起。

3.如权利要求1所述的摆线针轮谐波传动装置，其特征在于：所述滚针圆周均布在刚轮的半圆槽内，刚轮的半圆槽为具有挡边的结构，挡边的内直径不宜小于滚针的分布圆直径。

4.如权利要求1所述的摆线针轮谐波传动装置，其特征在于：所述柔轮为杯型结构，柔轮的底部设计成通孔，主轴承的内圈有对应的螺纹孔，其两者之间采用螺丝固连，刚轮的外圈为螺纹孔，主轴承的外圈有对应的通孔，两者之间也采用螺丝固连，主轴承选用交叉滚子轴承。

5.一种柔轮摆线齿廓曲线的设计方法，其特征在于，包括以下几个具体步骤:

(一)滚针4中心在刚轮5上分布的参考圆的半径R，滚针4的数量Z，滚针4的半径r，行星运动的偏心距E，其中偏心距E等于凸轮轴1的长半轴与短半轴差的一半，以柔轮3中心为坐标原点，滚针4中心坐标(x，y)关于时间t的参数方程如下：

x＝E*Cos(t*(Z-1))+(R-E)*Cos(t)

y＝E*Sin(t*(Z-1))+(R+E)*Sin(t)；

(二)将此曲线向中心做等距偏移，偏移距离等于滚针的一半，即得出波发生器安装在柔轮之后的柔轮齿廓，以柔轮中心为坐标原点，滚针中心坐标xy关于时间t的参数方程如下：

x＝E*Cos(t*(Z-1))+R*Cos(t)

y＝E*Sin(t*(Z-1))+R*Sin(t)；

(三)再将此曲线向中心做等距偏移，偏移距离等于滚针的一半，即得出柔轮在没有安装波发生器时自由情形下的齿廓。