CN109578551B - 一种基于连续过渡曲线的谐波减速器柔轮杯体 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于连续过渡曲线的谐波减速器柔轮杯体，采用坐标系描述的方式，定义一种柔轮杯体轮廓结构形状，采用连续过渡曲线方程进行杯体结构描述。杯体外轮廓结构形状，包括杯底法兰与杯体过渡曲线段、杯体直线段、杯体与齿圈过渡曲线段，齿圈曲线段以及齿圈与杯口过渡曲线段，其结构特征采用直角坐标系下曲线方程描述的方法定义轮廓形状，所述直角坐标系以杯体中轴线为横坐标轴、杯底法兰为纵坐标轴。通过本发明的应用，可以改善柔轮应力集中的薄弱环节，提高谐波减速器的使用强度，提高柔轮的疲劳寿命，具有应用价值。

Description

一种基于连续过渡曲线的谐波减速器柔轮杯体

技术领域

本发明涉及一种谐波减速器柔轮杯体，尤其涉及一种用连续过渡曲线方程描述的柔轮杯体。

背景技术

谐波减速器属于高精密传动装置，其主要特点是传动精度高、回差小、传动比大并且结构紧凑。在航空航天、工业机器人、服务机器人等行业应用广泛。由于谐波减速器的运动主要通过柔轮的弹性变形实现与刚轮的差齿传动，因此柔轮的性能至关重要。

目前谐波减速器的主要结构如图1所示，包括柔轮1，刚轮2，柔性轴承3，波发生器4；所述柔轮1为礼帽形，如图2所示，包含法兰5，杯体6，齿圈7；所述刚轮2为内齿轮，内圈有齿；所述柔性轴承3装配在波发生器4的外圈；所述波发生器4外圈为标准椭圆，存在长轴与短轴，装入柔性轴承3的内圈，使柔性轴承外圈受迫变形，变成椭圆形状，进而使柔轮齿圈7发生变形与刚轮2的内齿啮合，由于柔轮齿圈7的齿数与刚轮2的内齿存在齿数差，从而实现差齿减速传动的目的。

谐波减速器的主要破坏形式有齿根断裂，杯底断裂和齿部磨损，其中而这三种形式主要是由于使用中柔轮的应力集中所导致，严重降低了谐波减速器的使用寿命。

发明内容

为了降低谐波减速器柔轮的应力集中现象，提高谐波减速器的使用寿命，本发明提出了一种基于连续过渡曲线的谐波减速器柔轮杯体，利用过渡曲线方程设计和曲率变化分析，确保曲线过渡点处斜率保持不变，减少杯体变形导致的应力集中，提高谐波减速器的使用寿命。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于连续过渡曲线的谐波减速器柔轮杯体，采用坐标系描述的方式，定义一种柔轮杯体轮廓结构形状，采用连续过渡曲线方程进行杯体结构描述。

所述的杯体外轮廓结构形状，包括杯底法兰与杯体过渡曲线段、杯体直线段、杯体与齿圈过渡曲线段，齿圈曲线段以及齿圈与杯口过渡曲线段，其结构特征采用直角坐标系下曲线方程描述的方法定义轮廓形状，所述直角坐标系以杯体中轴线为横坐标轴、杯底法兰为纵坐标轴。

所述杯底法兰与杯体过渡曲线段AB，其曲线方程为：

式中，x_AB为曲线段AB上任一点在直角坐标系XOY中的横坐标值，y_AB为曲线段AB上任一点在直角坐标系中的纵坐标值，d为杯底法兰的厚度，L为柔轮杯体的总长度，R₀表示柔轮杯体的内径，h为柔轮杯体的壁厚。

所述杯底法兰与杯体过渡曲线段AB右端点处斜率K_B为：

K_B＝0

所述杯体直线段BC，其直线方程为：

式中，y_BC为直线BC上任一点在直角坐标系XOY中的纵坐标值，x_BC为直线BC上任一点在直角坐标系XOY中的横坐标值。

所述杯体直线段BC左端点处斜率K_B′为：

K_B′＝0

所述杯体直线段BC右端点处斜率K_C为：

K_C＝0

所述杯体与齿圈过渡曲线段CD，其曲线方程为：

式中，x_CD为曲线段CD上任一点在直角坐标系XOY中的横坐标值，y_CD为曲线段CD上任一点在直角坐标系XOY中的纵坐标值。

所述杯体与齿圈过渡曲线段CD左端点处斜率K_C′为：

K_C′＝0

所述杯体与齿圈过渡曲线段CD右端点处斜率K_D为：

所述齿圈曲线段DE，其曲线方程为：

其中，

式中，x_DE为曲线段DE上任一点在直角坐标系XOY中的横坐标值，y_DE为曲线段DE上任一点在直角坐标系XOY中的纵坐标值，a为曲线段DE的椭圆曲线的长轴，b为曲线段DE的椭圆曲线的短轴。

所述齿圈曲线段DE左端点处斜率K_D′为：

所述齿圈曲线段DE右端点处斜率K_E为：

所述齿圈与杯口过渡曲线段EF，其曲线方程为：

式中，x_EF为曲线段EF上任一点在直角坐标系XOY中的横坐标值，y_EF为曲线段EF上任一点在直角坐标系XOY中的纵坐标值。

所述齿圈与杯口过渡曲线段EF左端点处斜率K_E′为：

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明所述的柔轮杯体外轮廓结构形状，通过曲线方程进行杯体结构特征的描述，其主要特点是底法兰与杯体过渡曲线段右端点与杯体直线段左端点处的斜率相等，杯体直线段右端点与杯体与齿圈过渡曲线段左端点处的斜率相等，齿圈过渡曲线段右端点与齿圈曲线段左端点处的斜率相等，齿圈曲线段右端点与齿圈与杯口过渡曲线段左端点处的斜率相等。

本发明所述基于连续过渡曲线的谐波减速器柔轮杯体，目的在于保证杯体外轮廓在法兰与杯体连接点、杯体与齿圈连接点、齿圈与杯口连接点处的斜率不发生改变，保证过渡部分的平滑过渡。此外柔轮齿圈部分采用特征曲线方程描述，可以有效减少齿圈部分的应力集中。本发明采用连续过渡曲线方程描述的柔轮杯体形状，其参数化的轮廓形状方便数控机床的加工，通过本发明的应用，可以改善柔轮应力集中的薄弱环节，提高谐波减速器的使用强度，提高柔轮的疲劳寿命，具有应用价值。

附图说明

图1：一般谐波减速器的基本结构；

图2：一般柔轮的基本结构；

图3：柔轮的剖视图；其中N为本发明柔轮外轮廓曲线

图4：柔轮杯体外轮廓曲线；其中d为杯底法兰5的厚度，R₀为柔轮杯体6的内壁半径，h为柔轮杯体6的厚度，AB为杯底法兰5与杯体6的过渡曲线，BC为杯体6的直线段，CD为杯体6与齿圈7的过渡曲线段，DE为齿圈7的曲线段，EF为齿圈7与杯口的过渡曲线段。

图中标注为：1柔轮；2刚轮；3柔性轴承；4波发生器；5杯底法兰；6杯体；7齿圈。

具体实施方式

参照附图3，建立所示直角坐标系，用于表示柔轮外轮廓曲线N的坐标位置。

参照附图4，所述的杯体外轮廓结构形状曲线N，包括杯底法兰与杯体过渡曲线段AB、杯体直线段BC、杯体与齿圈过渡曲线段CD，齿圈曲线段DE以及齿圈与杯口过渡曲线段EF，其结构特征采用直角坐标系下曲线方程描述的方法定义轮廓形状，所述直角坐标系以杯体中轴线为横坐标轴、杯底法兰为纵坐标轴。

所述杯底法兰与杯体过渡曲线段AB。

其曲线方程为：

式中，x_AB为曲线段AB上任一点在直角坐标系XOY中的横坐标值，y_AB为曲线段AB上任一点在直角坐标系中的纵坐标值，d为杯底法兰的厚度，L为柔轮杯体的总长度，R₀表示柔轮杯体的内径，h为柔轮杯体的壁厚。

其在B点的斜率K_B为：

K_B＝0

所述杯体直线段BC。

其直线方程为：

式中，y_BC为直线BC上任一点在直角坐标系XOY中的纵坐标值，x_BC为直线BC上任一点在直角坐标系XOY中的横坐标值。

其在B点的斜率K_B′为：

K_B′＝0

其在C点的斜率K_C为：

K_C＝0

所述杯体与齿圈过渡曲线段CD。

其曲线方程为：

式中，x_CD为曲线段CD上任一点在直角坐标系XOY中的横坐标值，y_CD为曲线段CD上任一点在直角坐标系XOY中的纵坐标值。

其在C点的斜率K_C′为：

K_C′＝0

其在D点的斜率K_C为：

所述齿圈曲线段DE，

其曲线方程为：

其中，

式中，x_DE为曲线段DE上任一点在直角坐标系XOY中的横坐标值，y_DE为曲线段DE上任一点在直角坐标系XOY中的纵坐标值，a为曲线段DE的椭圆曲线的长轴，b为曲线段DE的椭圆曲线的短轴。

其在D点的斜率K_D′为：

其在E点的斜率K_E为：

所述齿圈与杯口过渡曲线段EF，

其曲线方程为：

式中，x_EF为曲线段EF上任一点在直角坐标系XOY中的横坐标值，y_EF为曲线段EF上任一点在直角坐标系XOY中的纵坐标值。

其在E点的斜率K_E′为：

按照上述连续过渡曲线方程的谐波减速器柔轮，保证柔轮轮廓曲线的平滑，此外柔轮齿圈部分采用特征曲线方程描述，可以有效减少齿圈部分的应力集中。上述参数化的轮廓曲线方程方便数控机床的加工，提升产品的精度和一致性。通过本发明的应用，可以改善柔轮应力集中的薄弱环节，提高谐波减速器的使用强度，提高柔轮的疲劳寿命，具有应用价值。

Claims (1)

1.一种基于连续过渡曲线的谐波减速器柔轮杯体，采用坐标系描述的方式，定义一种柔轮杯体轮廓结构形状，采用连续过渡曲线方程进行杯体结构描述；

杯体外轮廓结构形状，包括杯底法兰与杯体过渡曲线段、杯体直线段、杯体与齿圈过渡曲线段，齿圈曲线段以及齿圈与杯口过渡曲线段，其结构特征采用直角坐标系下曲线方程描述的方法定义轮廓形状，直角坐标系以杯体中轴线为横坐标轴、杯底法兰为纵坐标轴；

杯底法兰与杯体过渡曲线段AB，其曲线方程为：

式中，x_AB为曲线段AB上任一点在直角坐标系XOY中的横坐标值，y_AB为曲线段AB上任一点在直角坐标系中的纵坐标值，d为杯底法兰的厚度，L为柔轮杯体的总长度，R₀表示柔轮杯体的内径，h为柔轮杯体的壁厚；

杯底法兰与杯体过渡曲线段AB右端点处斜率K_B为：

K_B＝0

杯体直线段BC，其直线方程为：

y_BC＝R₀+h,

式中，y_BC为直线BC上任一点在直角坐标系XOY中的纵坐标值，x_BC为直线BC上任一点在直角坐标系XOY中的横坐标值；

杯体直线段BC左端点处斜率K_B′为：

K_B′＝0

杯体直线段BC右端点处斜率K_C为：

K_C＝0

杯体与齿圈过渡曲线段CD，其曲线方程为：

式中，x_CD为曲线段CD上任一点在直角坐标系XOY中的横坐标值，y_CD为曲线段CD上任一点在直角坐标系XOY中的纵坐标值；

杯体与齿圈过渡曲线段CD左端点处斜率K_C′为：

K_C′＝0

杯体与齿圈过渡曲线段CD右端点处斜率K_D为：

齿圈曲线段DE，其曲线方程为：

其中，

式中，x_DE为曲线段DE上任一点在直角坐标系XOY中的横坐标值，y_DE为曲线段DE上任一点在直角坐标系XOY中的纵坐标值，a为曲线段DE的椭圆曲线的长轴，b为曲线段DE的椭圆曲线的短轴；

齿圈曲线段DE左端点处斜率K_D′为：

齿圈曲线段DE右端点处斜率K_E为：

齿圈与杯口过渡曲线段EF，其曲线方程为：

式中，x_EF为曲线段EF上任一点在直角坐标系XOY中的横坐标值，y_EF为曲线段EF上任一点在直角坐标系XOY中的纵坐标值；

齿圈与杯口过渡曲线段EF左端点处斜率K_E′为：

柔轮杯体外轮廓结构形状，通过曲线方程进行杯体结构特征的描述，底法兰与杯体过渡曲线段右端点与杯体直线段左端点处的斜率相等，杯体直线段右端点与杯体与齿圈过渡曲线段左端点处的斜率相等，齿圈过渡曲线段右端点与齿圈曲线段左端点处的斜率相等，齿圈曲线段右端点与齿圈与杯口过渡曲线段左端点处的斜率相等。

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