CN114370486B - 一种谐波减速器上的三波凸轮波发生器及谐波减速器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐波减速器上的三波凸轮波发生器及谐波减速器，用以解决现有三波谐波减速器的三波凸轮波发生器的轮廓线上的余弦段曲线的极半径较小，使柔轮与刚轮啮合齿数降低，而增加单个齿的应力的问题。本发明的一种谐波减速器上的三波凸轮波发生器，所述三波凸轮波发生器的外轮廓线由三段外凸的啮合区曲线和三段外凸的非啮合区曲线形成一封闭的外轮廓线，在所述外轮廓线上每相邻两段啮合区曲线通过一段所述非啮合区曲线连接，且在连接处所述非啮合区曲线与其连接的所述啮合区曲线相切形成所述外轮廓线。本发明三波凸轮波发生器使谐波减速器具有更多的啮合齿数，可降低单个齿的应力，提高谐波减速器的使用寿命。

Description

一种谐波减速器上的三波凸轮波发生器及谐波减速器

技术领域

本发明涉及减速器领域，尤其涉及一种谐波减速器上的三波凸轮波发生器及谐波减速器。

背景技术

谐波减速器主要由刚轮、柔轮和波发生器组成。波发生器一般为椭圆，柔轮在波发生器的作用下产生弹性变形，长轴端的柔轮齿与刚轮齿相互啮合，因柔轮齿数比刚轮齿数少，两轮之间产生相对转动，从而传递运动和动力。柔轮的变形过程是一个基本对称的和谐波，不同的柔轮变形形状有不同的工作能力，柔轮的变形形状取决于波发生器的形状。

根据结构的不同，波发生器可分为凸轮式、滚轮式、圆盘式等不同类型的波发生器。凸轮波发生器可使柔轮和刚轮的啮合达到理想状态，运转平稳、精度高、效率也较高；而且由于柔轮内的应力分布状态得到改善，承载能力高，因而适用于对传动精度要求较高的传动。目前，谐波减速器主要采用凸轮式波发生器。

凸轮式波发生器是由一个按柔轮变形波运动规律设计、制作的凸轮，在其外面套装一个可在变形状态下工作的柔性轴承而构成。凸轮的变形形状和变形量直接决定着柔轮的变形形状和变形量，对整个谐波减速器的工作能力至关重要，因此，凸轮廓线的设计是凸轮式波发生器设计的主要内容。

关于凸轮廓线，常见的有余弦廓线、椭圆廓线、渐开线廓线、各段由圆弧描述的廓线、按集中力系作用下发生变形的圆环形状，等等。

在专利CN101070900A中提出了按ω＝ω₀cos3φ规律的变形形状，即三波余弦廓线；在专利CN112610674A中提出的是四力作用凸轮廓线，四力作用凸轮廓线的缺点在于在力F的作用处使柔性轴承的磨损增加，并且谐波减速器整机的使用寿命取决于柔性轴承的使用寿命，因此该缺点对整机的效率与使用寿命极为不利，相比于双波形式的波发生器，三波波发生器有三个啮合区域，比双波波发生器多一个啮合区域，所以采用三波凸轮形式的波发生器，有更多的轮齿参与啮合，从而使载荷均匀分布，使单个齿所承受的应力值降低，而现有的三波凸轮形式的波发生器的轮廓线上的余弦段曲线的极半径较小，使柔轮与刚轮啮合齿数降低，而增加单个齿的应力。

发明内容

鉴于此，本发明公开了一种谐波减速器上的三波凸轮波发生器及谐波减速器，用以解决现有三波谐波减速器的三波凸轮波发生器的轮廓线上的余弦段曲线的极半径较小，使柔轮与刚轮啮合齿数降低，而增加单个齿的应力的问题。

本发明为实现上述的目标，采用的技术方案是：

本发明第一方面公开了一种谐波减速器上的三波凸轮波发生器，所述三波凸轮波发生器的外轮廓线由三段外凸的啮合区曲线和三段外凸的非啮合区曲线形成一封闭的外轮廓线，在所述外轮廓线上每相邻两段啮合区曲线通过一段所述非啮合区曲线连接，且在连接处所述非啮合区曲线与其连接的所述啮合区曲线相切形成所述外轮廓线。

进一步可选的，所述啮合区曲线的方程包括：

ρ＝r+ω₀[cos(3φ)+νsin²(6φ)]

其中，ρ为极坐标半径，r为基圆半径，ω₀为变形量系数，ν为廓线参数，ν的取值区间为[0.001,0.125]；φ为角度变量。

进一步可选的，所述啮合曲的曲线方程作为所述外轮廓线的整体轮廓曲线方程，其中，0≤φ<2π。

进一步可选的，所述非啮合区的曲线方程包括：

ρ＝r+ω₀cos(3φ)

其中，ρ为极坐标半径，r为基圆半径，ω₀为变形量系数，φ为角度变量，φ取值区间为[π/6，π/2]∪[5π/6，7π/6]∪[3π/2，11π/6]。

进一步可选的，方程ρ＝r+ω₀[cos(3φ)+νsin²(6φ)]中φ取值区间为[-π/6，π/6]∪[π/2，5π/6]∪[7π/6，3π/2]。

进一步可选的，所述外轮廓线的方程为多段函数，沿所述凸轮波发生器的轴线的顺时针方向或逆时针方向所对应的多段函数方程分别为：

ρ＝r+ω₀[cos(3φ)+νsin²(6φ)]-π/6≤φ<π/6

ρ＝r+ω₀cos(3φ)π/6≤φ<π/2

ρ＝r+ω₀[cos(3φ)+νsin²(6φ)]π/2≤φ<5π/6

ρ＝r+ω₀cos(3φ)5π/6≤φ<7π/6

ρ＝r+ω₀[cos(3φ)+νsin²(6φ)]7π/6≤φ≤3π/2

ρ＝r+ω₀cos(3φ)3π/2≤φ<11π/6

函数ρ＝r+ω₀[cos(3φ)+νsin²(6φ)]表示啮合区曲线，ρ＝r+ω₀cos(3φ)表示非啮合区曲线；

其中，ρ为极坐标半径，r为基圆半径，ω₀为变形量系数，ν为廓线参数，ν的取值区间为[0.001,0.125]；φ为角度变量。

本发明第二方面公开了一种谐波减速器，包括第一方面所述的三波凸轮波发生器。

进一步可选的，所述减速器还包括：柔性轴承，套设在所述三波凸轮波发生器的外轮廓上，并与所述三波凸轮波发生器的外轮廓形状相适应；柔轮，套设在所述柔性轴承上，与所述柔性轴承的形状相适应；刚轮，套设在所述柔轮上，与所述柔轮之间具有三部分啮合区域。

进一步可选的，所述刚轮的齿数为Z1，所述柔轮的齿数为Z2，其中，Z1-Z2＝3n，n≥1，n为正整数。

进一步可选的，所述刚轮的齿数和所述柔轮的齿数为3的倍数。

有益效果：本发明通过啮合区曲线的极坐标表达式生成的余弦曲线，不仅使啮合区曲线与非啮合区曲线之间实现平滑过渡，同时啮合区的余弦曲线变得更加凸出，型线更加饱满，三波凸轮波发生器所驱动的柔轮和刚轮之间的啮合区域具有更多的啮合齿参与工作，降低单个齿的应力，提高谐波减速器的使用寿命。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施例，本发明公开的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。下面描述的附图仅仅是本发明公开的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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示出了本发明一实施例中三波凸轮波发生器的示意图，图中虚线为啮合区曲线，实线为非啮合区曲线；

图2示出了本发明一实施例中谐波减速器的示意图。

附图标记：

a-啮合区曲线；b-非啮合区曲线；1-三波凸轮波发生器；2-柔性轴承；3-柔轮；4-刚轮。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种，但是不排除包含至少一种的情况。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

为进一步阐述本发明中的技术方案，现结合图1-图2，提供了如下具体实施例。

实施例1

在本实施例中提供了一种谐波减速器上的三波凸轮波发生器，如图1和图2所示，三波凸轮波发生器的外轮廓线由三段外凸的啮合区曲线a和三段外凸的非啮合区曲线b形成一封闭的外轮廓线，在所述外轮廓线上每相邻两段啮合区曲线a通过一段所述非啮合区曲线b连接，且在连接处非啮合区曲线b与其连接的啮合区曲线a相切形成外轮廓线。三段啮合区曲线在三波凸轮波发生器的周向形成三个啮合区。

本实施例中啮合区曲线的方程可包括：ρ＝r+ω₀[cos(3φ)+νsin²(6φ)]，其中，ρ为极坐标半径，r为基圆半径，ω₀为变形量系数，ν为廓线参数，ν的取值区间为[0.001,0.125]；φ为角度变量，φ取值区间为[-π/6，π/6]∪[π/2，5π/6]∪[7π/6，3π/2]。

本实施例中非啮合区曲线可通过样条曲线、圆弧曲线等构造形成，作为本实施例的优选方式，非啮合区的曲线方程可包括：ρ＝r+ω₀cos(3φ)其中，ρ为极坐标半径，r为基圆半径，ω₀为变形量系数，φ为角度变量，φ取值区间为[π/6，π/2]∪[5π/6，7π/6]∪[3π/2，11π/6]。

本实施例中沿所述凸轮波发生器的轴线的顺时针方向或逆时针方向所对应的多段函数方程，包括：

(1)ρ＝r+ω₀[cos(3φ)+νsin²(6φ)]-π/6≤φ<π/6

(2)ρ＝r+ω₀cos(3φ)π/6≤φ<π/2

(3)ρ＝r+ω₀[cos(3φ)+νsin²(6φ)]π/2≤φ<5π/6

(4)ρ＝r+ω₀cos(3φ)5π/6≤φ<7π/6

(5)ρ＝r+ω₀[cos(3φ)+νsin²(6φ)]7π/6≤φ≤3π/2

(6)ρ＝r+ω₀cos(3φ)3π/2≤φ<11π/6

其中，ρ为极坐标半径，r为基圆半径，ω₀为变形量系数，φ为角度变量。多段啮合区曲线沿所述凸轮波发生器的轴线的顺时针方向或逆时针方向，按照公式(1)-(6)依次对应，函数方程(1)、(3)、(5)对应啮合区曲线，函数方程(2)、(4)、(6)对应非啮合区曲线。

下表一中A1表示现有技术中双波余弦的三波凸轮波发生器1在空载下的啮合齿数，B表示本实施例中三波余弦的三波凸轮波发生器1在空载下的啮合齿数；下表二中A2表示现有技术中三波余弦的三波凸轮波发生器1在负载下的啮合齿数，B表示本实施例中三波余弦的三波凸轮波发生器1在负载下的啮合齿数。由表一和表二可知，本实施例中的三波凸轮波发生器1无论是在负载下还是空载下，啮合区的啮合齿数都远大于现有技术中的双波余弦的三波凸轮波发生器1和三波余弦的三波凸轮波发生器1的啮合齿数。

表一

	A1	B
			空载下啮合齿对数	18	27

表二

	A2	B
			负载下啮合齿对数	18	33

三波凸轮波发生器1的廓线方程采用分段式的目的在于能够优化余弦曲线，即通过啮合区曲线实现柔轮3与刚轮4的啮合齿数增多，柔轮3的啮合应力减小，同时可与非啮合区曲线b形成光滑过渡，保证谐波减速器在工作过程中柔轮3和刚轮4平稳的啮合，而采用其它形式的方程，存在柔轮3和刚轮4啮合区的齿数减少，以及三波凸轮波发生器1轮廓的余弦曲线和外凸的非啮合区曲线b不能光滑过渡，出现凹陷的情况，而导致柔轮3和刚轮4啮合时不能平稳的工作。

本实施例的三波凸轮波发生器1的外轮廓线在余弦凸轮方程的基础上增加了ω₀νsin²(6φ)的变形量，新构造的三波凸轮波发生器1的外轮廓线表达式连续可导，所以凸轮型线光滑，不会产生尖点。同时要保证谐波传动为三波传动，ν为廓线参数，确定ν值的定义域为[0.001，0.125]。与现有余弦凸轮型线相比，啮合区曲线的极半径的最大值和最小值不变，啮合区曲线变得更加凸出，型线更加饱满，柔轮3与刚轮4的啮合齿数增多，柔轮3的啮合应力减小。

实施例2

在本实施例中提供了一种谐波减速器上的三波凸轮波发生器，三波凸轮波发生器的外轮廓线由三段外凸的啮合区曲线a和三段外凸的非啮合区曲线b形成一封闭的外轮廓线，每相邻两段啮合区曲线a通过一段所述非啮合区曲线b连接，且在连接处非啮合区曲线b与其连接的啮合区曲线a相切形成外轮廓线。三段啮合区曲线在三波凸轮波发生器的周向形成三个啮合区。

本实施例中的外轮廓线的整体轮廓线的方程式可为：

ρ＝r+ω₀[cos(3φ)+νsin²(6φ)]

其中，ρ为极坐标半径，r为基圆半径，ω₀为变形量系数，ν为廓线参数，ν的取值区间为[0.001,0.125]；φ为角度变量，φ取值区间为0≤φ<2π。

本实施例与现有三波凸轮发生器及双波余弦凸轮发生器相比，虽然啮合区的齿数增多，但与实施例1相比，三波凸轮波发生器的外轮廓线在非啮合区域变的复杂，从而增加加工的难度和成本，而非啮合区域的形状不影响轮齿之间的啮合。存在的不足是加工难度大，成本较高。

实施例1和2中啮合区曲线a是指三波凸轮波发生器工作时，使柔轮与刚轮进入啮合区域的轮廓曲线，非啮合区曲线b是指三波凸轮波发生器工作时，未使柔轮与刚轮进入啮合区域的轮廓曲线。

在实施例1或2的基础上，做了进一步优化：

本实施例中三个啮合区曲线沿三波凸轮波发生器的轴线一周均匀分布。

实施例3

本实施例提供了一种谐波减速器，如图2所示，包括以实施例1为例的的三波凸轮波发生器1。

减速器还包括：柔性轴承2，套设在三波凸轮波发生器1的外轮廓上，并与三波凸轮波发生器1的外轮廓形状相适应；柔轮3，套设在柔性轴承2上，与柔性轴承2的形状相适应；刚轮4，套设在柔轮3上，与柔轮3之间具有三部分啮合区域。

本实施例中柔轮3的外周表面和刚轮4内周表面具有多个齿，此为现有技术。

进一步可选的，刚轮4的齿数为Z1，柔轮3的齿数为Z2，其中，Z1-Z2＝3n，n≥1，n为正整数。进一步，刚轮4的齿数和柔轮3的齿数为3的倍数。可使三波凸轮波发生器1驱动柔轮3和在刚轮4上分布的三个啮合区域能正确的啮合。

本实施例凸轮波发生器转动时，使柔性轴承2适应凸轮波发生器的外轮廓形状转动，进而使柔轮3在刚轮上滚动，由于柔轮3和刚轮4的齿数不同，实现减速，其中柔轮3在刚轮4的内圈上具有三个啮合区，这是由于凸轮波发生器的三个啮合区曲线的作用，将柔轮3的一部分区域朝着远离凸轮波发生器的轴线方向凸伸与刚轮4内周的齿啮合。

以上具体地示出和描述了本公开的示例性实施例。应可理解的是，本公开不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本公开意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

Claims (9)

1.一种谐波减速器上的三波凸轮波发生器，其特征在于，所述三波凸轮波发生器的外轮廓线由三段外凸的啮合区曲线和三段外凸的非啮合区曲线形成一封闭的外轮廓线，在所述外轮廓线上每相邻两段啮合区曲线通过一段所述非啮合区曲线连接，且在连接处所述非啮合区曲线与其连接的所述啮合区曲线相切；

所述啮合区曲线的方程包括：

ρ＝r+ω₀[cos(3φ)+νsin²(6φ)]

其中，ρ为极坐标半径，r为基圆半径，ω₀为变形量系数，ν为廓线参数，ν的取值区间为[0.001,0.125]；φ为角度变量。

2.如权利要求1所述的三波凸轮波发生器，其特征在于，所述啮合区的曲线方程作为所述外轮廓线的整体轮廓曲线方程，其中，0≤φ<2π。

3.如权利要求2所述的三波凸轮波发生器，其特征在于，所述非啮合区的曲线方程包括：

ρ＝r+ω₀cos(3φ)

其中，ρ为极坐标半径，r为基圆半径，ω₀为变形量系数，φ为角度变量，φ取值区间为[π/6，π/2]∪[5π/6，7π/6]∪[3π/2，11π/6]。

4.如权利要求1所述的三波凸轮波发生器，其特征在于，方程ρ＝r+ω₀[cos(3φ)+νsin²(6φ)]中φ取值区间为[-π/6，π/6]∪[π/2，5π/6]∪[7π/6，3π/2]。

5.一种谐波减速器上的三波凸轮波发生器，其特征在于，所述三波凸轮波发生器的外轮廓线由三段外凸的啮合区曲线和三段外凸的非啮合区曲线形成一封闭的外轮廓线，在所述外轮廓线上每相邻两段啮合区曲线通过一段所述非啮合区曲线连接，且在连接处所述非啮合区曲线与其连接的所述啮合区曲线相切；所述外轮廓线的方程为多段函数方程，沿所述凸轮波发生器的轴线的顺时针方向或逆时针方向所对应的多段函数方程依次包括：

ρ＝r+ω₀[cos(3φ)+νsin²(6φ)]-π/6≤φ<π/6

ρ＝r+ω₀cos(3φ)π/6≤φ<π/2

ρ＝r+ω₀[cos(3φ)+νsin²(6φ)]π/2≤φ<5π/6

ρ＝r+ω₀cos(3φ)5π/6≤φ<7π/6

ρ＝r+ω₀[cos(3φ)+νsin²(6φ)]7π/6≤φ≤3π/2

ρ＝r+ω₀cos(3φ)3π/2≤φ<11π/6

其中，ρ＝r+ω₀[cos(3φ)+νsin²(6φ)]表示啮合区曲线；

ρ＝r+ω₀cos(3φ)表示非啮合区曲线；

ρ为极坐标半径，r为基圆半径，ω₀为变形量系数，ν为廓线参数，ν的取值区间为[0.001,0.125]；φ为角度变量。

6.一种谐波减速器，其特征在于，包括权利要求1-2任一所述的三波凸轮波发生器。

7.如权利要求6所述的谐波减速器，其特征在于，所述减速器还包括：

柔性轴承，套设在所述三波凸轮波发生器的外轮廓上，并与所述三波凸轮波发生器的外轮廓形状相适配；

柔轮，套设在所述柔性轴承上，与所述柔性轴承的形状相适配；

刚轮，套设在所述柔轮上，与所述柔轮之间形成三部分啮合区域。

8.如权利要求7所述的谐波减速器，其特征在于，所述刚轮的齿数为Z1，所述柔轮的齿数为Z2，其中，Z1-Z2＝3n，n≥1，n为正整数。

9.如权利要求8所述的谐波减速器，其特征在于，所述刚轮的齿数和所述柔轮的齿数为3的倍数。