CN111255876B - 一种柔性齿轮和谐波减速器 - Google Patents

一种柔性齿轮和谐波减速器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种柔性齿轮和谐波减速器，柔性齿轮包括：包括齿轮段(1)、法兰段(5)和位于所述齿轮段(1)和所述法兰段(5)之间的拐角段(3)，且所述拐角段(3)为变厚度过渡的曲线段；所述变厚度过渡的曲线段包括相对靠近所述法兰段(5)的第一变厚度段(a)和相对靠近所述齿轮段(1)的第二变厚度段(c)，以及连接于所述第一变厚度段(a)和所述第二变厚度段(c)之间的过渡段(b)。通过本发明有效增加了柔轮薄壁段与帽檐段的过渡厚度，与普通柔轮相比，本发明增加了柔轮强度，降低谐波减速机带负载运行时柔轮的疲劳应力，降低柔轮拐角段失效风险，有利于提高柔轮的使用寿命，有利于提高谐波减速机可靠性。

Description

一种柔性齿轮和谐波减速器
技术领域
本发明属于减速器技术领域，具体涉及一种柔性齿轮和谐波减速器。
背景技术
减速器具有高精度、高扭矩、低振动和响应快速性特点，因此广泛应用于工业机器人、机械设备、航空航天、通信设备、光学器材等不同领域。其中工业机器人领域主要使用谐波减速器、RV减速器和行星齿轮减速器。谐波减速器因其传动精度高、效率高、传动平稳、体积小等特点在应用于机器人部分关节时优势明显。柔性齿轮简称为柔轮是一种薄壁零件，普通柔轮(礼帽型)结构由齿轮段1、薄壁段2、圆弧过渡段3、帽檐段4与法兰段5组成。这种柔轮一般采用均匀壁厚结构，特点为加工简单，但谐波减速机在运行时，柔轮承受波发生器对其施加的交变应力与刚性齿轮对其施加的差齿啮合力矩，在这种复杂的受力情况下长期运行时，圆弧过渡段3极易发生损坏，影响减速机寿命。
由于现有技术中的谐波减速机在运行时，柔轮承受波发生器对其施加的交变应力与刚性齿轮对其施加的差齿啮合力矩，在这种复杂的受力情况下长期运行时，圆弧过渡段极易发生损坏，影响减速机寿命等技术问题，因此本发明研究设计出一种柔性齿轮和谐波减速器。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的谐波减速器中柔轮承受波发生器对其施加的交变应力与刚性齿轮对其施加的差齿啮合力矩，导致圆弧过渡段极易发生损坏，影响减速机寿命的缺陷，从而提供一种柔性齿轮和谐波减速器。
本发明提供一种柔性齿轮，其包括：
包括齿轮段、法兰段和位于所述齿轮段和所述法兰段之间的拐角段，且所述拐角段为变厚度过渡的曲线段；所述变厚度过渡的曲线段包括相对靠近所述齿轮段的第一变厚度段和相对靠近所述法兰段的第二变厚度段，以及连接于所述第一变厚度段和所述第二变厚度段之间的过渡段。
优选地，
所述第一变厚度段包括位于外侧壁的第一曲线段L1和位于内侧壁的第二曲线段L2，其中L1曲线方程为：
Figure BDA0002375516760000021
和/或其中L2曲线方程为：
Figure BDA0002375516760000022
其中：θ为函数自变量角度，c、R为任意常数。
优选地，
所述过渡段为圆弧过渡段。
优选地，
所述过渡段具有圆弧中心和圆心，所述圆弧中心和所述圆心连线为中心连线，且所述第二变厚度段的曲线与所述第一变厚度段的曲线关于所述中心连线成对称布置。
优选地，
所述第一变厚度段与所述过渡段在相接处为光滑过渡，二者的曲率相等；和/或，所述第二变厚度段与所述过渡段在相接处为光滑过渡，二者的曲率相等。
优选地，
所述第一变厚度段与所述过渡段在相接处的切线为同一条切线；和/或，所述第一变厚度段与所述过渡段在相接处的切线为同一条切线。
优选地，
所述齿轮段和所述拐角段之间还以连接二者的方式形成有薄壁段；所述法兰段和所述拐角段之间还以连接二者的方式形成有帽檐段。
优选地，
所述薄壁段为等厚度直段，所述法兰段为等厚度直段：
所述第一变厚度段的最厚点的厚度为所述薄壁段的厚度的1.3-1.5倍，所述第一变厚度段的最厚点的厚度为所述法兰段的厚度的1.3-1.5倍；和/或，所述第二变厚度段的最厚点的厚度为所述薄壁段的厚度的1.3-1.5倍，所述第二变厚度段的最厚点的厚度为所述法兰段的厚度的1.3-1.5倍。
优选地，
所述薄壁段为等厚度直段，所述法兰段为等厚度直段：
所述第一变厚度段与所述薄壁段相连接处的厚度为所述薄壁段的厚度的1.3-1.5倍，所述第一变厚度段与所述法兰段相连接处的厚度为所述法兰段的厚度的1.3-1.5倍；和/或，所述第二变厚度段与所述薄壁段相连接处的厚度为所述薄壁段的厚度的1.3-1.5倍，所述第二变厚度段与所述法兰段相连接处的厚度为所述法兰段的厚度的1.3-1.5倍。
本发明还提供一种谐波减速器，其包括前任一项所述的柔性齿轮。
本发明提供的一种柔性齿轮和谐波减速器具有如下有益效果：
本发明通过将柔轮的圆弧过渡段由原来的均匀壁厚设计改变为变壁厚设计，有效增加了柔轮薄壁段与帽檐段的过渡厚度，与普通柔轮相比，本发明增加了柔轮强度，降低谐波减速机带负载运行时柔轮的疲劳应力，降低柔轮拐角段失效风险，有利于提高柔轮的使用寿命，有利于提高谐波减速机可靠性，结构简单，成本低，可行性高，具有较大的推广价值。
附图说明
图1为本发明的柔性齿轮的立体结构图；
图2为本发明的柔性齿轮的的侧面剖示图；
图3为图2中B部分的局部放大结构图；
图4为图2中C部分的局部放大结构图。
图中附图标记表示为：
1、齿轮段；2、薄壁段；3、拐角段；a、第一变厚度段；b、过渡段；O1、圆弧中心；O2、圆心；c、第二变厚度段；4、帽檐段；5、法兰段。
具体实施方式
如图1-4所示，本发明提供一种柔性齿轮，其包括：
包括齿轮段1、法兰段5和位于所述齿轮段1和所述法兰段5之间的拐角段3，且所述拐角段3为变厚度过渡的曲线段；所述变厚度过渡的曲线段包括相对靠近所述法兰段5的第一变厚度段a和相对靠近所述齿轮段1的第二变厚度段c，以及连接于所述第一变厚度段a和所述第二变厚度段c之间的过渡段b。
本发明通过将柔轮的圆弧过渡段由原来的均匀壁厚设计改变为变壁厚设计，有效增加了柔轮薄壁段与帽檐段的过渡厚度，与普通柔轮相比，本发明增加了柔轮强度，降低谐波减速机带负载运行时柔轮的疲劳应力，降低柔轮拐角段失效风险，有利于提高柔轮的使用寿命，有利于提高谐波减速机可靠性，结构简单，成本低，可行性高，具有较大的推广价值。
优选地，
所述第一变厚度段a包括位于外侧壁的第一曲线段L1和位于内侧壁的第二曲线段L2，其中L1曲线方程为：
Figure BDA0002375516760000041
和/或其中L2曲线方程为：
Figure BDA0002375516760000042
其中：θ为函数自变量角度，c、R为任意常数，通过调节上述参数能够控制曲线大小与曲率；
这是本发明的第一变厚度段a的进一步优选结构形式，即上面两方程为螺旋线内外侧曲线，这样能够进一步增加柔轮帽檐段的过渡厚度，使得柔轮强度增加，降低谐波减速机带负载运行时柔轮的疲劳应力，降低柔轮拐角段失效风险，进一步提高柔轮的使用寿命，提高谐波减速机可靠性。
优选地，所述过渡段b为圆弧过渡段。这是本发明的拐角段中过渡段的优选结构形式，将其设置为圆弧形的过渡段能够进行有效进行过渡作用，减小应力集中，减小疲劳应力，降低柔轮拐角段失效风险，提高柔轮的使用寿命。
优选地，
所述过渡段b具有圆弧中心O1和圆心O2，所述圆弧中心O1和所述圆心O2连线为中心连线，且所述第二变厚度段c的曲线与所述第一变厚度段a的曲线关于所述中心连线成对称布置。这是本发明的进一步优选结构形式，即第二变厚度段相对于过渡段的圆弧中心和圆心的连线成轴对称布置，能够有效增加柔轮薄壁段的过渡厚度，形成为螺旋线内外侧曲线，能够进一步增加柔轮薄壁段的过渡厚度，使得柔轮强度增加，降低谐波减速机带负载运行时柔轮的疲劳应力，降低柔轮拐角段失效风险，进一步提高柔轮的使用寿命，提高谐波减速机可靠性。
优选地，
所述第一变厚度段a与所述过渡段b在相接处为光滑过渡，二者的曲率相等；和/或，所述第二变厚度段c与所述过渡段b在相接处为光滑过渡，二者的曲率相等。这是本发明的第一变厚度段和第二变厚度段在与过渡段相接处的优选结构形式，通过将过渡位置设置为光滑过度的结构形式能够进一步减小应力拐角处的应力集中，降低柔轮拐角段失效风险，进一步提高柔轮的使用寿命，提高谐波减速机可靠性。
优选地，
所述第一变厚度段a与所述过渡段b在相接处的切线为同一条切线；和/或，所述第一变厚度段a与所述过渡段b在相接处的切线为同一条切线。这是本发明的第一变厚度段和第二变厚度段在与过渡段相接处的优选结构形式，通过将过渡位置设置为切线为同一切线的结构形式能够使得变厚度段和过渡段在相接处能够进一步实现光滑过渡的效果，进一步减小应力拐角处的应力集中，降低柔轮拐角段失效风险，进一步提高柔轮的使用寿命，提高谐波减速机可靠性。
优选地，所述齿轮段1和所述拐角段3之间还以连接二者的方式形成有薄壁段2；所述法兰段5和所述拐角段3之间还以连接二者的方式形成有帽檐段4。这是本发明的进一步优选结构形式，即齿轮段和拐角段之间通过薄壁段进行连接，法兰段和拐角段之间通过帽檐段进行有效连接。
优选地，
所述薄壁段2为等厚度直段，所述帽檐段4为等厚度直段：
所述第一变厚度段a的最厚点的厚度为所述帽檐段4的厚度的1.3-1.5倍，或所述第一变厚度段a的最厚点的厚度为所述薄壁段2的厚度的1.3-1.5倍；和/或，所述第二变厚度段c的最厚点的厚度为所述薄壁段2的厚度的1.3-1.5倍，或所述第二变厚度段c的最厚点的厚度为所述帽檐段4的厚度的1.3-1.5倍。这样的设置方式能够进一步有效提高帽檐段与第一变厚度段相接处的过渡厚度，也进一步有效提高薄壁段与第二变厚度段相接处的过渡厚度，使得柔轮强度增加，降低谐波减速机带负载运行时柔轮的疲劳应力，降低柔轮拐角段失效风险，有利于提高柔轮的使用寿命，有利于提高谐波减速机可靠性。
优选地，
所述薄壁段2为等厚度直段，所述帽檐段4为等厚度直段：
所述第一变厚度段a与所述帽檐段4相连接处的厚度为所帽檐段4的厚度的1.3-1.5倍；和/或，所述第二变厚度段c与所述薄壁段2相连接处的厚度为所述薄壁段2的厚度的1.3-1.5倍。这样的设置方式能够进一步有效提高帽檐段与第一变厚度段相接处的过渡厚度，也进一步有效提高薄壁段与第二变厚度段相接处的过渡厚度，使得柔轮强度增加，降低谐波减速机带负载运行时柔轮的疲劳应力，降低柔轮拐角段失效风险，有利于提高柔轮的使用寿命，有利于提高谐波减速机可靠性。
本发明还提供一种谐波减速器，其包括前任一项所述的柔性齿轮。
本发明提供了一种变壁厚谐波减速机柔轮结构，如图3、图4所示，由齿轮段1、薄壁段2、拐角段3、帽檐段4与法兰段5组成。本发明柔轮将圆弧过渡段的均匀壁厚设计改变为变壁厚设计，并称之为拐角段。其结构如图1所示，由变厚度段a、c与圆弧过渡段b组成，增加柔轮薄壁段与帽檐段的过渡厚度。与普通柔轮相比，本发明增加了柔轮强度，减小谐波减速机带负载运行时柔轮的疲劳应力，降低柔轮拐角段失效风险，有利于提高柔轮的使用寿命，有利于提高谐波减速机可靠性，结构简单，成本低，可行性高，具有较大的推广价值。
现有柔性齿轮简称为柔轮是一种薄壁零件，普通柔轮(礼帽型)一般采用均匀壁厚结构，特点为加工简单，但谐波减速机在运行时，柔轮承受波发生器对其施加的交变应力与刚性齿轮对其施加的差齿啮合力矩，在这种复杂的受力情况下长期运行时，圆弧过渡段极易发生损坏，影响减速机寿命。本发明柔轮将圆弧过渡段的均匀壁厚设计改变为变壁厚设计，增加柔轮薄壁段与帽檐段的过渡厚度。与普通柔轮相比，本发明增加了柔轮强度，减小谐波减速机带负载运行时柔轮的疲劳应力，降低柔轮拐角段失效风险，有利于提高柔轮的使用寿命，有利于提高谐波减速机可靠性。
有益效果：
本发明柔轮将圆弧过渡段的均匀壁厚设计改变为变壁厚设计，并称之为拐角段。其结构如图1所示，由变厚度段a、c与圆弧过渡段b组成，增加柔轮薄壁段与帽檐段的过渡厚度。与普通柔轮相比，本发明增加了柔轮强度，降低谐波减速机带负载运行时柔轮的疲劳应力，降低柔轮拐角段失效风险，有利于提高柔轮的使用寿命，有利于提高谐波减速机可靠性，结构简单，成本低，可行性高，具有较大的推广价值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种柔性齿轮，其特征在于，包括：
包括齿轮段(1)、法兰段(5)和位于所述齿轮段(1)和所述法兰段(5)之间的拐角段(3)，且所述拐角段(3)为变厚度过渡的曲线段；所述变厚度过渡的曲线段包括相对靠近所述法兰段(5)的第一变厚度段(a)和相对靠近所述齿轮段(1)的第二变厚度段(c)，以及连接于所述第一变厚度段(a)和所述第二变厚度段(c)之间的过渡段(b)；
所述第一变厚度段(a)包括位于外侧壁的第一曲线段L1和位于内侧壁的第二曲线段L2，其中L1曲线方程为：
Figure FDA0002869656050000011
和/或其中L2曲线方程为：
Figure FDA0002869656050000012
其中：θ为函数自变量角度，c、R为任意常数。
2.根据权利要求1所述的柔性齿轮，其特征在于：
所述过渡段(b)为圆弧过渡段。
3.根据权利要求2所述的柔性齿轮，其特征在于：
所述过渡段(b)具有圆弧中心(O1)和圆心(O2)，所述圆弧中心(O1)和所述圆心(O2)连线为中心连线，且所述第二变厚度段(c)的曲线与所述第一变厚度段(a)的曲线关于所述中心连线成对称布置。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的柔性齿轮，其特征在于：
所述第一变厚度段(a)与所述过渡段(b)在相接处为光滑过渡，二者的曲率相等；和/或，所述第二变厚度段(c)与所述过渡段(b)在相接处为光滑过渡，二者的曲率相等。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的柔性齿轮，其特征在于：
所述第一变厚度段(a)与所述过渡段(b)在相接处的切线为同一条切线；和/或，所述第一变厚度段(a)与所述过渡段(b)在相接处的切线为同一条切线。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的柔性齿轮，其特征在于：
所述齿轮段(1)和所述拐角段(3)之间还以连接二者的方式形成有薄壁段(2)；所述法兰段(5)和所述拐角段(3)之间还以连接二者的方式形成有帽檐段(4)。
7.根据权利要求6所述的柔性齿轮，其特征在于：
所述薄壁段(2)为等厚度直段，所述帽檐段(4)为等厚度直段：
所述第一变厚度段(a)的最厚点的厚度为所述帽檐段(4)的厚度的1.3-1.5倍，或所述第一变厚度段(a)的最厚点的厚度为所述薄壁段(2)的厚度的1.3-1.5倍；和/或，所述第二变厚度段(c)的最厚点的厚度为所述薄壁段(2)的厚度的1.3-1.5倍，或所述第二变厚度段(c)的最厚点的厚度为所述帽檐段(4)的厚度的1.3-1.5倍。
8.根据权利要求6所述的柔性齿轮，其特征在于：
所述薄壁段(2)为等厚度直段，所述帽檐段(4)为等厚度直段：
所述第一变厚度段(a)与所述帽檐段(4)相连接处的厚度为所帽檐段(4)的厚度的1.3-1.5倍；和/或，所述第二变厚度段(c)与所述薄壁段(2)相连接处的厚度为所述薄壁段(2)的厚度的1.3-1.5倍。
9.一种谐波减速器，其特征在于：包括权利要求1-8中任一项所述的柔性齿轮。
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