CN107882949A - 一种超短设计寿命的重载单波形发生器谐波减速器 - Google Patents

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Abstract

一种超短设计寿命的重载单波形发生器谐波减速器，它涉及航空航天技术领域。本发明为解决现有谐波减速器体积大，使用寿命有明显冗余，降低了航空航天器有效载荷的问题。本发明包括小锥齿轮、左壳体、反馈轴、大锥齿轮、波发生器、固定钢轮、柔轮、输出轴和右端盖，反馈轴的后端与输出轴水平固接，反馈轴的外侧套装有大锥齿轮，小锥齿轮与大锥齿轮相啮合，大锥齿轮的外侧套装有波发生器，波发生器为偏心圆环，波发生器的外侧套装有柔轮，柔轮的外齿轮与固定钢轮的内齿轮和输出轴的内齿轮相啮合。本发明用于航空航天传动。

Description

一种超短设计寿命的重载单波形发生器谐波减速器
技术领域
本发明涉及航空航天技术领域，具体涉及一种超短设计寿命的重载单波形发生器谐波减速器。
背景技术
在航空航天领域中，部分场合下使用的电动舵机减速器有高功率重量比的要求，目前存在的许多传动形式，如行星齿轮传动、少齿差齿轮传动、摆线针轮传动都可以实现以上要求。但是，这些传动类型一般结构较为复杂、传动零件较多、加工精度要求较高、传动效率较低、未形成成熟生产工艺，而谐波齿轮传动单级只需要三个传动零件就可以实现200左右的减速比，可以明显的减小传动部件的尺寸和重量，进而减小减速器壳体等部件的尺寸，在要求高功重比的应用场合具有明显优势。因此，谐波齿轮传动目前被广泛应用在航空航天领域。
目前常用的谐波减速器均采用双波形发生器、设计寿命在5000小时以上。远超过航空航天领域的超短使用寿命需求(远小于5000小时，一般以秒为单位)，具有明显的设计冗余，降低了航空航天器的有效载荷。本发明针对这一问题，研制了一种采用单波形发生器、使用寿命极短但符合需求的重载谐波减速器。
发明内容
本发明为了解决现有谐波减速器体积大，使用寿命有明显冗余，降低了航空航天器有效载荷的问题，进而提出一种超短设计寿命的重载单波形发生器谐波减速器。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种超短设计寿命的重载单波形发生器谐波减速器包括小锥齿轮、左壳体、反馈轴、大锥齿轮、波发生器、固定钢轮、柔轮、输出轴和右端盖，小锥齿轮竖直设置在左壳体的内部，小锥齿轮与电机连接，反馈轴水平设置在左壳体的内部，反馈轴的前端与左壳体转动连接，反馈轴的后端与输出轴水平固接，输出轴的外侧套装有右端盖，输出轴与右端盖转动连接，反馈轴的外侧套装有大锥齿轮，大锥齿轮与反馈轴转动连接，小锥齿轮与大锥齿轮相啮合，大锥齿轮的外侧套装有波发生器，波发生器为偏心圆环，波发生器的外侧套装有柔轮，波形发生器与柔轮之间设有柔性轴承，柔轮的外圆周表面设有外齿轮，柔轮的外侧套装有固定钢轮，固定钢轮固接在左壳体与右端盖之间，固定钢轮的内圆周表面设有内齿轮，输出轴的前端套装在柔轮的外侧，输出轴前端的内圆周表面设有内齿轮，柔轮的外齿轮与固定钢轮的内齿轮和输出轴的内齿轮相啮合。
本发明与现有技术相比包含的有益效果是：
1、本发明给出的是面向高功重比需求的超短设计寿命的单波谐波减速器。单波谐波传动是指刚轮齿数与柔轮齿数之差为1的谐波齿轮传动。传动比为两者中转子齿数。单波传动不仅拥有谐波传动的所有优点，而且在传动比和模数相同情况下，其径向尺寸比双波传动小近一倍。这种传动在高功重比场合具有特殊意义。首先采用偏心圆盘式单波波发生器，波发生器材料为40Cr，结构为偏心圆环，波发生器装在大锥齿轮上，形成单侧偏心圆盘波发生器组件，二者通过一个小端盖用螺栓紧固到一起，同时此端盖还充当柔性轴承的定位夹紧元件。柔轮通过柔性轴承定位。
2、本发明采用复波柔轮代替杯型柔轮，同杯形柔轮相比，复波结构的柔轮结构简单便于加工，由于不受杯底的应力集中的限制，复波结构的柔轮的轴向尺寸可以压缩到很小，从而使得柔轮的抗扭刚度极大，明显地减小扭转回差。采用复波结构的谐波传动方式，轴向布置极为紧凑，缩了整体结构尺寸，而且，轴向尺寸的减小使得柔轮的径向刚度得以提高，减小了回差，对于需要经常进行换向操作的位置控制系统极为关键。当然，用复波结构会造成传动效率相对于筒形结构有所降低，降低幅度并不明显。
3、本发明有反馈轴进行输出速度反馈，反馈轴左端可连接反馈电位计。反馈轴从大锥齿轮中穿过，由于单波传动中柔轮和钢轮为单边啮合，载荷较大，以及整体尺寸结构尺寸要求。与常规谐波减速器采用滚动轴承设计不同的是，新设计采用粉末冶金轴承支撑，这样可以在保证足够的承载能力的情况下，大大减小轴承外径尺寸。为了克服采用单波形发生器设计带来的偏载误差所引起的运转平稳性问题，此粉末冶金轴承采用与反馈轴配做的方式加工，减小间隙，予以克服。同时采用粉末冶金轴承可以保证足够的反馈轴轴径尺寸，减小反馈轴挠度造成的运转不平稳性。反馈轴右端与输出轴固连在一起，充当整个谐波传动的支撑轴，反馈轴左端的粉末冶金轴承和输出轴端的轴承充当整个谐波传动系统的支撑。为了减小整体尺寸，我们以固定钢轮充当主壳体，左壳体和右端盖主要起支撑和连接作用，改用铝合金以减小减速器整体重量。反馈轴与输出轴固连在一起，同时也充当波发生器组件的支撑轴，反馈轴与波发生器组件之间采用粉末冶金轴承支撑，在缩小整体尺寸的同时提供较大的径向负载能力。本发明针对使用寿命极短的航空航天领域，在保证减速器能传递较大扭矩的同时，明显地减小了谐波减速器的尺寸，其尺寸是目前商用的谐波减速器的50％，同时承载能力提高4倍，在设计寿命周期内能保证谐波减速器在平稳可靠的完成工作。
4、本发明能够承受200Nm负载转矩，具有40分钟的使用寿命，在满足使用需求的同时，减少设计冗余。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种超短设计寿命的重载单波形发生器谐波减速器包括小锥齿轮1、左壳体2、反馈轴5、大锥齿轮8、波发生器9、固定钢轮11、柔轮12、输出轴17和右端盖19，小锥齿轮1竖直设置在左壳体2的内部，小锥齿轮1与电机连接，反馈轴5水平设置在左壳体2的内部，反馈轴5的前端与左壳体2转动连接，反馈轴5的后端与输出轴17水平固接，输出轴17的外侧套装有右端盖19，输出轴17与右端盖19转动连接，反馈轴5的外侧套装有大锥齿轮8，大锥齿轮8与反馈轴5转动连接，小锥齿轮1与大锥齿轮8相啮合，大锥齿轮8的外侧套装有波发生器9，波发生器9为偏心圆环，波发生器9的外侧套装有柔轮12，波形发生器9与柔轮12之间设有柔性轴承10，柔轮12的外圆周表面设有外齿轮，柔轮12的外侧套装有固定钢轮11，固定钢轮11固接在左壳体2与右端盖19之间，固定钢轮11的内圆周表面设有内齿轮，输出轴17的前端套装在柔轮12的外侧，输出轴17前端的内圆周表面设有内齿轮，柔轮12的外齿轮与固定钢轮11的内齿轮和输出轴17的内齿轮相啮合。
本实施方式中柔轮12为直筒型柔轮。
本实施方式中动力经由电机由小锥齿轮1输入，小锥齿轮1与大锥齿轮8啮合传动完成第一次减速并且实现速度转向；大锥齿轮8成为谐波减速的输入端，大锥齿轮8和内外圆偏心的环状波发生器9组成偏心圆盘式的凸轮；直筒型柔轮12和偏心圆盘凸轮之间设有柔性轴承10，柔轮12的内部和波发生器9的外部均为圆形，柔轮12内侧环形凸圆用于柔性轴承10的定位和安装；柔轮12的外齿轮与固定钢轮11的内齿轮形成滚动啮合，柔轮12的外齿轮与输出轴17的内齿轮形成花键啮合；反馈轴5与输出轴17固连在一起，同时也充当波发生器组件的支撑轴。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述反馈轴5与大锥齿轮8之间设有第一粉末冶金轴承6，反馈轴5的前端与左壳体2之间设有第二粉末冶金轴承3，输出轴17与右端盖19之间设有深沟球轴承15。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
反馈轴5与波发生器组件之间用第一粉末冶金轴承6支撑，反馈轴5前端的第二粉末冶金轴承3和输出轴17上的深沟球轴承15充当整个谐波传动系统的支撑。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述波发生器9内圆和外圆的偏心距为0.14mm。其它组成和连接方式与具体实施方式一或二相同。
本实施方式中波发生器9的材料为40Cr，为偏心圆环，波发生器9装在大锥齿轮8上，形成偏心圆盘单波发生器组件。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述柔轮12的外齿轮模数为0.2mm，齿数为130，变位系数为0.1。其它组成和连接方式与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述固定钢轮11的内齿轮模数为0.2mm，齿数为131，变位系数为1.1。其它组成和连接方式与具体实施方式四相同。
本实施方式中固定钢轮11的材料为40Cr与柔轮12的外齿轮啮合传动。
具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述输出轴17的内齿轮模数为0.2mm，齿数为130，变位系数为2.1。其它组成和连接方式与具体实施方式五相同。
本实施方式中输出轴17的材料为40Cr与柔轮12的外齿轮紧密啮合在一起，输出轴17与柔轮12同速，完成减速输出。
具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述左壳体2通过左螺钉7与固定钢轮11固接，右端盖19通过右螺钉13与固定钢轮11固接。其它组成和连接方式与具体实施方式一、二、四、五或六相同。
具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述反馈轴5的后端与输出轴17通过紧固螺钉固接。其它组成和连接方式与具体实施方式七相同。
本实施方式中反馈轴5的材料为40Cr，与输出轴17通过紧固螺钉固连在一起，两者同速。反馈轴5的前端连接传感器进行输出速度反馈，对电机转速进行调整。
具体实施方式九：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述柔性轴承10的后端设有轴承端盖14，轴承端盖14上设有沉头螺钉16，沉头螺钉16的末端旋装在大锥齿轮8和波发生器9内。其它组成和连接方式与具体实施方式二相同。
本实施方式中大锥齿轮8与波发生器9固接。
具体实施方式十：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种超短设计寿命的重载单波形发生器谐波减速器的外形尺寸为33mm×35mm×35mm。其它组成和连接方式与具体实施方式一、二、四、五、六、八或九相同。
本实施方式中通过采用单波形发生器的结构，使得减速器的外形尺寸极大的降低。本发明给出的是面向高功重比需求的超短设计寿命的单波谐波减速器。首先采用复波柔轮代替杯型柔轮，同杯形柔轮相比，复波结构的柔轮结构简单便于加工，由于不受杯底的应力集中的限制，复波结构的柔轮的轴向尺寸可以压缩到很小，从而使得柔轮的抗扭刚度极大，明显地减小扭转回差。其次，设计单波形发生器替代双波形发生器，在相同的传动比下，径向尺寸缩小一半，同时，提高输出轴直径，并且在低速输出轴支撑端，采用粉末冶金轴承配做的方式，减小单波形发生器的偏载误差，在克服单波形发生器运转平稳性劣势的同时，发挥了其承载能力强，传动精度高的优势。

Claims (10)

1.一种超短设计寿命的重载单波形发生器谐波减速器，其特征在于：所述一种超短设计寿命的重载单波形发生器谐波减速器包括小锥齿轮(1)、左壳体(2)、反馈轴(5)、大锥齿轮(8)、波发生器(9)、固定钢轮(11)、柔轮(12)、输出轴(17)和右端盖(19)，小锥齿轮(1)竖直设置在左壳体(2)的内部，小锥齿轮(1)与电机连接，反馈轴(5)水平设置在左壳体(2)的内部，反馈轴(5)的前端与左壳体(2)转动连接，反馈轴(5)的后端与输出轴(17)水平固接，输出轴(17)的外侧套装有右端盖(19)，输出轴(17)与右端盖(19)转动连接，反馈轴(5)的外侧套装有大锥齿轮(8)，大锥齿轮(8)与反馈轴(5)转动连接，小锥齿轮(1)与大锥齿轮(8)相啮合，大锥齿轮(8)的外侧套装有波发生器(9)，波发生器(9)为偏心圆环，波发生器(9)的外侧套装有柔轮(12)，波形发生器(9)与柔轮(12)之间设有柔性轴承(10)，柔轮(12)的外圆周表面设有外齿轮，柔轮(12)的外侧套装有固定钢轮(11)，固定钢轮(11)固接在左壳体(2)与右端盖(19)之间，固定钢轮(11)的内圆周表面设有内齿轮，输出轴(17)的前端套装在柔轮(12)的外侧，输出轴(17)前端的内圆周表面设有内齿轮，柔轮(12)的外齿轮与固定钢轮(11)的内齿轮和输出轴(17)的内齿轮相啮合。
2.根据权利要求1所述一种超短设计寿命的重载单波形发生器谐波减速器，其特征在于：所述反馈轴(5)与大锥齿轮(8)之间设有第一粉末冶金轴承(6)，反馈轴(5)的前端与左壳体(2)之间设有第二粉末冶金轴承(3)，输出轴(17)与右端盖(19)之间设有深沟球轴承(15)。
3.根据权利要求1或2所述一种超短设计寿命的重载单波形发生器谐波减速器，其特征在于：所述波发生器(9)内圆和外圆的偏心距为0.14mm。
4.根据权利要求3所述一种超短设计寿命的重载单波形发生器谐波减速器，其特征在于：所述柔轮(12)的外齿轮模数为0.2mm，齿数为130，变位系数为0.1。
5.根据权利要求4所述一种超短设计寿命的重载单波形发生器谐波减速器，其特征在于：所述固定钢轮(11)的内齿轮模数为0.2mm，齿数为131，变位系数为1.1。
6.根据权利要求5所述一种超短设计寿命的重载单波形发生器谐波减速器，其特征在于：所述输出轴(17)的内齿轮模数为0.2mm，齿数为130，变位系数为2.1。
7.根据权利要求1、2、4、5或6所述一种超短设计寿命的重载单波形发生器谐波减速器，其特征在于：所述左壳体(2)通过左螺钉(7)与固定钢轮(11)固接，右端盖(19)通过右螺钉(13)与固定钢轮(11)固接。
8.根据权利要求7所述一种超短设计寿命的重载单波形发生器谐波减速器，其特征在于：所述反馈轴(5)的后端与输出轴(17)通过紧固螺钉固接。
9.根据权利要求2所述一种超短设计寿命的重载单波形发生器谐波减速器，其特征在于：所述柔性轴承(10)的后端设有轴承端盖(14)，轴承端盖(14)上设有沉头螺钉(16)，沉头螺钉(16)的末端旋装在大锥齿轮(8)和波发生器(9)内。
10.根据权利要求1、2、4、5、6、8或9所述一种超短设计寿命的重载单波形发生器谐波减速器，其特征在于：所述一种超短设计寿命的重载单波形发生器谐波减速器的外形尺寸为33mm×35mm×35mm。
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