CN113446377B - 共轭摆线齿廓谐波减速器 - Google Patents

共轭摆线齿廓谐波减速器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种共轭摆线齿廓谐波减速器，包括刚轮，柔轮，波发生器及柔性轴承。所述刚轮齿廓与所述柔轮齿廓为共轭摆线齿廓。所述刚轮齿廓与柔轮齿廓由两个滚圆分别绕所述刚轮节圆与所述柔轮在啮合状态下的节圆形成的内摆线和外摆线构成。所述第一滚圆和第二滚圆的半径之和等于所述刚轮节圆和所述柔轮在啮合状态下的节圆的半径之差。所述波发生器采用双圆弧式凸轮波发生器，凸轮曲线在长轴包角范围内为一段圆弧，在所述包角内刚轮与柔轮齿廓为共轭啮合，通过设计圆弧包角可确定共轭啮合的齿对数。具有瞬时速比恒定，啮合齿对数范围广，不干涉，承载大，精度高，相对滑动率低且恒定，参数少易于加工等优点。

Description

共轭摆线齿廓谐波减速器
技术领域
本发明涉及行星传动领域，具体涉及谐波齿轮传动领域，尤其涉及一种共轭摆线齿廓谐波减速器。
背景技术
近年来，随着生产的发展与科技的进步，航空航天、国防、医疗、机器人、精密数控机床等领域，对减速器提出了更高的要求。尤其在国防与武器装备等特种领域应用的精密减速器，往往具有高承载、高精度、高效率等更为苛刻的性能要求。
目前，行星齿轮传动在工程中得到广泛的应用。其中，谐波齿轮传动具有速比大、结构紧凑等突出优点，成为了工程应用的首选。在谐波齿轮传动中，柔轮随着波发生器的形状产生复杂的弹性变形，因而谐波传动领域的新型齿廓具有更大的设计空间，成为了齿轮传动的研究热点。渐开线齿形具有加工简单等优势，在刚性传动中应用最为广泛。但在谐波齿轮传动中，柔轮的变形导致多数齿处于尖点啮合的状态。双圆弧公切线齿是由两段圆弧及一段与之相切的直线组成，改善了空载状态下啮合齿数过少的问题，同时参与啮合齿数大大提高，在谐波齿轮传动中广为应用。
然而，这些齿形的研究，都是对柔轮变形前的齿形进行设计，利用啮合方程求出复杂的刚轮齿形，进而用简单曲线进行逼近拟合，以满足加工的需要。这种方法会导致实际加工出的齿廓啮合状态与理论分析结果存在偏差，降低齿廓性能；且难以根据性能对齿廓参数进行调整。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明提供一种承载大，性能好的共轭摆线齿廓谐波减速器。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种共轭摆线齿廓谐波减速器，包括刚轮、柔轮、波发生器和柔性轴承；所述柔性轴承安装在所述波发生器与所述柔轮之间；所述刚轮的齿廓与所述柔轮在啮合状态下的齿廓为共轭摆线齿廓，分别由齿顶齿廓和齿根齿廓两部分构成；所述刚轮的齿顶齿廓为第一滚圆绕所述刚轮的节圆纯滚动形成的内摆线，所述刚轮的齿根齿廓为第二滚圆绕所述刚轮的节圆纯滚动形成的外摆线；所述柔轮的齿根齿廓为第一滚圆绕所述柔轮在啮合状态下的节圆纯滚动形成的内摆线，所述柔轮的齿顶齿廓为第二滚圆绕所述柔轮在啮合状态下的节圆纯滚动形成的外摆线；所述第一滚圆和第二滚圆的半径之和等于所述刚轮节圆和所述柔轮在啮合状态下节圆的半径之差，以实现所述刚轮齿廓与所述柔轮齿廓的完全共轭，增大共轭啮合的齿对数，提高承载能力；所述波发生器为双圆弧式凸轮波发生器，所述的双圆弧式凸轮波发生器的凸轮曲线在长轴包角范围内为圆弧。
进一步讲，本发明所述的共轭摆线齿廓谐波减速器，其中：
所述波发生器和所述柔性轴承装入所述柔轮中，所述柔轮在所述波发生器圆弧曲线的作用下产生变形；在长轴包角范围内，所述柔轮的齿分布在所述柔轮在啮合状态下的节圆上，并与所述刚轮的齿相互啮合，在长轴包角范围内任意啮合点处的法线，均交于节点。
所述节点在所述刚轮与柔轮运动平面上的轨迹分别为所述刚轮的节圆和所述柔轮在啮合状态下的节圆。
所述刚轮的齿顶与所述柔轮的齿顶之间、所述刚轮的齿顶与柔轮齿根之间、所述刚轮的齿根与所述柔轮的齿顶之间形成三个共轭区间；其中，所述刚轮的齿顶与所述柔轮的齿顶、所述刚轮的齿顶与所述柔轮的齿根同时啮合。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的共轭摆线齿廓谐波减速器，以共轭摆线齿廓作为刚轮与柔轮啮合状态下的齿廓，因此具有瞬时速比恒定，重合度大，承载大，精度高，不易产生干涉，相对滑动率低且恒定，无根切等优点。与目前的，设计柔轮未变形齿廓，进而包络拟合出刚轮齿廓的谐波减速器相比，齿廓参数少，可实现参数化设计，具有理论设计基础。
附图说明
图1是本发明共轭摆线齿廓谐波减速器的结构示意简图；
图2是图1中所示的波发生器的结构示意简图；
图3是图1所示减速器的共轭摆线齿廓的生成示意图；
图4是图3中所示共轭摆线齿廓齿顶关系的示意图；
图中：1-刚轮，2-柔轮，3-波发生器，4-柔性轴承。
具体实施方式
本发明的设计构思是，该谐波传动减速器中的刚轮齿廓与柔轮在啮合状态下的齿廓为共轭摆线齿廓。所述刚轮齿廓与柔轮在啮合状态下的齿廓由两个滚圆分别绕所述刚轮与所述柔轮在啮合状态下的节圆形成的内摆线和外摆线构成，且两个滚圆的半径之和等于所述刚轮节圆和所述柔轮在啮合状态下的节圆的半径之差；其中的波发生器采用双圆弧式凸轮波发生器，凸轮曲线在长轴包角范围内为一段圆弧，在所述包角内刚轮与柔轮齿廓为共轭啮合，通过设计圆弧包角可确定共轭啮合的齿对数。本发明设计的共轭摆线齿廓谐波减速器，所述刚轮的齿顶与所述柔轮的齿顶之间、所述刚轮的齿顶与柔轮齿根之间、所述刚轮的齿根与所述柔轮的齿顶之间形成三个共轭区间。本发明以共轭摆线齿廓作为谐波传动减速器的刚轮齿廓与柔轮齿廓，因此具有瞬时速比恒定，啮合齿对数范围广，不干涉，承载大，精度高，相对滑动率低且恒定，参数少易于加工等优点。
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明，本发明的特征、目的将会变得更明显，可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。另外，需要强调的是：不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1所示，本发明提出的一种共轭摆线齿廓谐波减速器，包括刚轮1、柔轮2、波发生器3和柔性轴承4。
如图2所示，所述波发生器3为双圆弧式凸轮波发生器，所述的双圆弧式凸轮波发生器的凸轮曲线在长轴4γ包角范围内，是分别以O2、O2′为圆心，Rm为半径的两段圆弧。
如图1所示，所述柔性轴承4安装在所述波发生器3与所述柔轮2之间。所述柔性轴承4与所述柔轮2具有一定柔性，在所述波发生器3的作用下产生变形，在长轴4γ包角范围内呈现圆弧形状。
如图3所示，所述刚轮1的齿廓与所述柔轮2在啮合状态下的齿廓为共轭摆线齿廓，该共轭摆线齿廓包括齿顶齿廓和齿根齿廓两部分，是由两个滚圆分别绕所述刚轮1节圆与所述柔轮2在啮合状态下的节圆形成的内摆线和外摆线构成，其中，所述刚轮1的齿顶齿廓为与刚轮节圆O1内切于P点的第一滚圆o1绕所述刚轮1的节圆O1纯滚动形成的内摆线，所述刚轮1的齿根齿廓为与刚轮1的节圆O1外切于P点的第二滚圆o2绕所述刚轮1的节圆O1纯滚动形成的外摆线；所述柔轮2的齿根齿廓为所述第一滚圆o1绕所述柔轮2在啮合状态下的节圆O2纯滚动形成的内摆线，所述柔轮2的齿顶齿廓为所述第二滚圆o2绕所述柔轮2在啮合状态下的节圆O2纯滚动形成的外摆线。
如图1至图4所示，所述第一滚圆o1和第二滚圆o2的半径之和等于所述刚轮1节圆O1和所述柔轮2在啮合状态下节圆O2的半径之差，即
r1+r2＝R1-R2
式中，r1为第一滚圆o1的半径，r2为第二滚圆o2的半径，R1为刚轮节圆半径，R2为柔轮在啮合状态下的节圆半径；根据摆线生成等效法，所述刚轮齿顶齿廓与柔轮齿顶齿廓，可由半径为R的滚圆，分别绕刚轮节圆O1与柔轮在啮合状态下的节圆O2纯滚动生成。因此，所述刚轮齿顶齿廓与柔轮齿顶齿廓也互相共轭，实现所述刚轮1齿廓与所述柔轮2齿廓的完全共轭，增大了共轭啮合的齿对数，提高了承载能力。其中，滚圆半径R满足：
R＝R1-r1＝R2+r2
例如，分别以O1、O2为坐标原点，O1、O2与P点连线为y1轴和y2轴，建立刚轮的坐标系O1-x1y1与柔轮的坐标系O2-x2y2。则所述共轭摆线齿廓在各自坐标系下的方程为
Figure BDA0003210641010000041
Figure BDA0003210641010000042
Figure BDA0003210641010000043
Figure BDA0003210641010000044
式中，参数t为齿廓参数，对应滚圆绕节圆转过的角度。
所述的共轭摆线齿廓，在所述刚轮1的齿顶与所述柔轮2的齿顶之间、所述刚轮1的齿顶与柔轮2齿根之间、所述刚轮1的齿根与所述柔轮2的齿顶之间形成三个共轭区间。其中，所述刚轮1的齿顶与所述柔轮2的齿顶、所述刚轮1的齿顶与所述柔轮2的齿根同时啮合，存在区间重合，即所述共轭摆线齿廓存在两点共轭现象，提高了承载能力。
所述波发生器3和所述柔性轴承4装入所述柔轮2中，所述柔轮2在所述波发生器圆弧曲线的作用下产生变形，在长轴包角范围内，所述柔轮2的齿分布在所述柔轮2在啮合状态下的节圆上，并与所述刚轮1的齿相互啮合，在长轴4γ包角范围内任意啮合点处的法线，均交于节点P，即所述共轭摆线齿廓瞬时速比恒定。所述节点P在所述刚轮1与柔轮2运动平面上的轨迹分别为所述刚轮1的节圆O1和所述柔轮2在啮合状态下的节圆O2，即所述共轭摆线齿廓在长轴4γ角包角范围内处于啮合状态，在长轴4γ包角范围外处于脱开状态，如图1所示。因此可通过增大γ，增加所述共轭摆线齿廓谐波减速器的啮合齿数，提高重合度及承载能力。
本发明设计的所述共轭摆线齿廓具有摆线不易产生干涉，相对滑动率低且恒定，无根切的特点。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离本发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (4)

1.一种共轭摆线齿廓谐波减速器，包括刚轮(1)、柔轮(2)、波发生器(3)和柔性轴承(4)；所述柔性轴承(4)安装在所述波发生器(3)与所述柔轮(2)之间；其特征在于，
所述刚轮(1)的齿廓与所述柔轮(2)在啮合状态下的齿廓为共轭摆线齿廓，分别由齿顶齿廓和齿根齿廓两部分构成；
所述刚轮(1)的齿顶齿廓为与该刚轮节圆内切于P点的第一滚圆绕所述刚轮(1)的节圆纯滚动形成的内摆线，所述刚轮(1)的齿根齿廓为与该刚轮节圆外切于P点的第二滚圆绕所述刚轮(1)的节圆纯滚动形成的外摆线；所述P点是所述柔轮(2)的长轴与所述刚轮(1)的节圆的交点；
所述柔轮(2)的齿根齿廓为第一滚圆绕所述柔轮(2)在啮合状态下的节圆纯滚动形成的内摆线，所述柔轮(2)的齿顶齿廓为第二滚圆绕所述柔轮(2)在啮合状态下的节圆纯滚动形成的外摆线；
所述第一滚圆半径r1和第二滚圆半径r2之和等于所述刚轮(1)节圆和所述柔轮(2)在啮合状态下节圆的半径之差，以实现所述刚轮(1)齿廓与所述柔轮(2)齿廓的完全共轭，增大共轭啮合的齿对数，提高承载能力；
所述共轭摆线齿廓在各自坐标系下的方程为：
Figure FDA0004040810610000011
Figure FDA0004040810610000012
Figure FDA0004040810610000013
Figure FDA0004040810610000014
式中，参数的定义是在分别以O1、O2为坐标原点，O1、O2与P点连线为y1轴和y2轴，建立刚轮的坐标系O1-x1y1与柔轮的坐标系O2-x2y2下定义的，其中，R1为刚轮节圆半径，R2为柔轮在啮合状态下的节圆半径，R＝R1-r1＝R2+r2，t为齿廓参数，对应滚圆绕节圆转过的角度；
所述波发生器(3)为双圆弧式凸轮波发生器，所述的双圆弧式凸轮波发生器的凸轮曲线在长轴包角范围内为圆弧。
2.根据权利要求1所述的共轭摆线齿廓谐波减速器，其特征在于，所述波发生器(3)和所述柔性轴承(4)装入所述柔轮(2)中，所述柔轮(2)在所述波发生器圆弧曲线的作用下产生变形；在长轴包角范围内，所述柔轮(2)的齿分布在所述柔轮(2)在啮合状态下的节圆上，并与所述刚轮(1)的齿相互啮合，在长轴包角范围内任意啮合点处的法线，均交于节点。
3.根据权利要求2所述的共轭摆线齿廓谐波减速器，其特征在于，所述节点在所述刚轮(1)与柔轮(2)运动平面上的轨迹分别为所述刚轮(1)的节圆和所述柔轮(2)在啮合状态下的节圆。
4.根据权利要求1所述的共轭摆线齿廓谐波减速器，其特征在于，所述刚轮(1)的齿顶与所述柔轮(2)的齿顶之间、所述刚轮(1)的齿顶与柔轮(2)齿根之间、所述刚轮(1)的齿根与所述柔轮(2)的齿顶之间形成三个共轭区间；其中，所述刚轮(1)的齿顶与所述柔轮(2)的齿顶、所述刚轮(1)的齿顶与所述柔轮(2)的齿根同时啮合。
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