CN115638227A - 柔轮和谐波减速器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔轮和谐波减速器，涉及机器人技术领域，用于解决柔轮的开口端容易出现径向撕裂的问题。柔轮包括：本体，具有开口部；以及外齿部，设置在本体的外周面上，且靠近开口部；以及加强筋，设置在开口部的内壁面上；其中，加强筋为环状结构，加强筋与开口部构造出柔轮的开口端。本发明中设置加强筋改变了柔轮的开口端构造，使柔轮的开口端受力由径向应力变为轴向应力，加强筋增加了对开口端的径向保护，从而降低柔轮径向撕裂的风险，进而确保谐波减速器能够稳定且可靠的工作。

Description

柔轮和谐波减速器

技术领域

本发明涉及机器人设备技术领域，特别地涉及一种柔轮和谐波减速器。

背景技术

谐波减速器主要由刚轮、柔轮和谐波发生器组成。柔轮在波发生器的作用下产生弹性变形使柔轮的外齿部与刚轮产生啮合，从而达到传动目的。柔轮的变形过程是一个基本对称的和谐波。

然而，现有技术中柔轮的外齿部的最薄位置在齿根，而由于柔轮本身为薄壁圆筒结构及其柔轮的弹性变形特性，柔轮的齿根紧挨着啮合位，且其上端为开口式结构，这样导致柔轮的开口端容易出现径向撕裂，使得谐波减速器失效。

以上也就是说，现有技术中柔轮的开口端容易出现径向撕裂的问题。

发明内容

本发明提供一种柔轮和谐波减速器，用于解决柔轮的开口端容易出现径向撕裂的问题。

本发明提供一种柔轮，柔轮用于谐波减速器，其包括：本体，具有开口部；以及外齿部，设置在本体的外周面上，且靠近开口部；以及加强筋，设置在开口部的内壁面上；其中，加强筋为环状结构，加强筋与所述开口部构造出柔轮的开口端。

在一个实施方式中，加强筋的中心轴线与本体的中心轴线相重合。在本实施方案中，将加强筋的中心轴线与本体的中心轴线相重合，这样使得加强筋内部能够均匀受力。从而更好地增加了对开口端的径向保护，进一步地降低柔轮径向撕裂的风险，以确保谐波减速器能够稳定且可靠的工作。

在一个实施方式中，加强筋设置有外端面，外端面朝向本体的中心轴线，外端面的轮廓线为封闭曲线。在本实施方案中，将加强筋朝向本体的中心轴线的外端面的轮廓线设置成封闭曲线。这样在柔轮变形过程中起到了应力延展的作用，避免应力集中，从而提高了柔轮的承载扭矩，并延长了其使用寿命。

在一个实施方式中，外齿部包括多个沿本体的中心轴线设置的轮齿，轮廓线为余弦曲线，其包括多个间隔设置的波峰和多个间隔设置的波谷，其中相邻的两个波峰之间设置有一个波谷，多个轮齿的齿顶与多个波谷一一对应设置，多个轮齿的齿根与多个波峰一一对应设置。在本实施方案中，加强筋的余弦轮廓的波峰和波谷分别对应柔轮的轮齿的齿根和齿顶。这样增加了柔轮齿根位置的壁厚，增加了柔轮最薄位置齿根处的厚度。从而增强了外齿部的强度。进而提高了柔轮的承载扭矩，并延长了其使用寿命。而且余弦轮廓在柔轮变形过程中起到了应力延展的作用，避免了应力集中，从而提高了柔轮的承载扭矩，并延长了其使用寿命。

在一个实施方式中，轮齿的齿顶与波谷的最大径向距离d1不小于轮齿的两个齿高D。

在一个实施方式中，轮齿的齿根与波峰的最大径向距离d2不小于轮齿的两个齿高D。在本实施方案中，加强筋的余弦轮廓的波峰和波谷分别对应柔轮的轮齿的齿根和齿顶。这样增加了柔轮齿根位置的壁厚，增加了柔轮最薄位置齿根处的厚度至一个齿高D。从而增强了外齿部的强度。进而提高了柔轮的承载扭矩，并延长了其使用寿命。而且余弦轮廓在柔轮变形过程中起到了应力延展的作用，避免了应力集中，从而提高了柔轮的承载扭矩，并延长了其使用寿命。

在一个实施方式中，轮廓线上的任一点A的坐标表达式为：

p＝(a,∮)；

a＝r+0.75×h+0.25×h×cos[(n×∮+1)×π]；

其中，上表达式中∮为AO与BO的夹角，单位°，其中柔轮圆心为O，轮齿的齿顶位置B，余弦轮廓点到柔轮圆心O的距离为AO，轮齿的齿顶位置B到柔轮圆心的距离为BO；

a为余弦轮廓点到柔轮圆心O的距离AO，单位mm；

r为柔轮内孔半径，单位为mm；

n为柔轮齿数；

h为柔轮齿形全齿高，单位为mm。在本实施方案中，在对本体的外端面的轮廓进行加工时，可以按照该坐标表达式进行数控编程。从而提高柔轮的加工精度。另外，上述轮廓线公式是对余弦轮廓线进行优化后获得。符合该轮廓线公式的外端面的轮廓面在柔轮变形过程中能够更好地起到应力延展的作用，从而更好地避免了应力集中，进一步地提高了柔轮的承载扭矩，延长了其使用寿命。

在一个实施方式中，还包括限位结构，限位结构设于加强筋，用于限定柔性轴承在谐波减速器内的安装位置。

在一个实施方式中，限位结构为加强筋的下端面，下端面与柔性轴承贴合时，柔性轴承安装到位。在本实施方案中，下端面和柔性轴承贴合，通过下端面对柔性轴承进行限位；具体地柔性轴承在装配时，柔性轴承通过从柔轮的另一端安装进去，柔性轴承端面和下端面贴合即安装到位，从而提高了柔性轴承的装配效率和装配精度。而且在谐波减速器运行时，下端面通过限制柔性轴承在第一方向上的自由度，从而提高了谐波减速器运行的稳定性，并延长了其使用寿命。

本发明还提供了一种谐波减速器，包括：轴承，具有外圈和内圈；上述的柔轮，与轴承的外圈连接；以及刚轮，与柔轮啮合，刚轮与轴承的内圈连接；以及谐波发生器，设置在柔轮内；其中，谐波发生器连续转动时，使得柔轮不断产生形变，改变其与刚轮的啮合状态，以实现谐波发生器到柔轮的运动传递。

与现有技术相比，本发明的优点在于，设置加强筋改变了柔轮的开口端构造，使柔轮的开口端受力由径向应力变为轴向应力，加强筋增加了对开口端的径向保护，从而降低柔轮的开口端径向撕裂的风险，进而确保谐波减速器能够稳定且可靠的工作。另外，设置加强筋能够增加开口端的整体厚度，这样增加了外齿部的齿根位置的整体壁厚，从而增强了外齿部的强度。进而提高了柔轮的承载扭矩，并延长了其使用寿命。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。

图1是本发明的实施例中柔轮的主视图；

图2是图1中柔轮的主剖视图；

图3是图1中柔轮的仰视图；

图4是图1中C处的局部放大视图；

图5是图1中加强筋的外端面的余弦轮廓位置示意图；

图6是发明的实施例中谐波减速器的结构组成示意图；

图7是图6中谐波减速器的三维立体爆炸视图；

图8是图1中柔轮所受应力的示意图(显示出了轴向应力)；

图9是图1中柔轮所受应力的示意图(显示出了径向应力和轴向应力)。

附图标记：

10、本体；11、开口部；20、外齿部；21、轮齿；211、齿顶；212、齿根；30、加强筋；31、外端面；311、轮廓线；3111、波峰；3112、波谷；32、下端面；100、柔轮；200、柔性轴承；300、轴承；301、外圈；302、内圈；400、刚轮；500、凸轮。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

需要说明的是，本申请中的谐波减速器用于机器人领域，谐波减速器具有传动比大、体积小、质量轻且传动精度高的特点。谐波减速器是一种利用柔性工作构件的弹性形变进行运动或动力传递的一种新型传动方式。谐波减速器突破了机械传动采用刚性构件机构的模式，使用了一个柔性构件来实现机械传动，从而获得了一系列其他传动所难以达到的特殊功能。在当前的机器人领域中，谐波减速器成为机器人的一个无法取代的重要零部件。

如图1至图3所示，本发明提供一种柔轮100，柔轮100用于谐波减速器，其包括本体10、外齿部20和加强筋30。其中，本体10具有开口部11，外齿部20设置在本体10的外周面上，且靠近开口部11，加强筋30设置在开口部11的内壁面上。加强筋30为环状结构，开口部11与加强筋30构造出柔轮100的开口端。

上述设置中，设置加强筋30，改变了柔轮100的开口端构造，这样使柔轮100的开口端所受应力由径向应力变为轴向应力，增加了对柔轮100的开口端的径向保护，从而降低了柔轮100的开口端径向撕裂的风险，进而确保谐波减速器能够稳定且可靠的工作。另外，设置加强筋30能够增加了柔轮100的开口端的整体厚度，这样增加了外齿部20的齿根位置的壁厚，从而增强了外齿部20的强度。进而提高了柔轮100的承载扭矩，并延长了其使用寿命。

需要说明的是，参考图8和图9，现有技术中的开口端由于平行于轴心(柔轮的中心轴线)，在变形过程中开口端受径向应力(平行于轴心)，而本申请中开口端包括开口部11和加强筋30，其中加强筋30垂直于轴心，即在现有技术中开口端的构造基础上，增设了加强筋30。由于开口端应力方向为沿着开口端方向，所以加强筋30后续改变应力方向为轴向应力(垂直于轴心)。

需要说明的是，谐波减速器是依靠柔轮100在谐波发生器的作用下产生反复变形，使柔轮100和刚轮400产生啮合运动，柔轮100在反复变形的过程中，导致在柔轮100的开口端产生应力集中，而柔轮100的薄弱点为其轮齿21的齿形径向方向。本申请设置加强筋30，改变了现有技术中柔轮的开口端结构(直筒结构)，从而改变了开口端所受的应力方向，这样增加了对开口端径向的保护，进而解决了现有技术中柔轮的开口端因反复变形，导致柔轮的开口端径向撕裂的问题，以确保谐波减速器稳定地工作，避免其失效。

具体地，如图2所示，在一个实施例中，加强筋30的中心轴线与本体10的中心轴线相重合。这样使得加强筋30内部能够均匀受力。从而更好地增加对开口端的径向保护，进一步地降低了柔轮100径向撕裂的风险，以确保谐波减速器能够稳定且可靠的工作。

具体地，如图1和图2所示，在一个实施例中，加强筋30由该薄壁筒体的端部弯折形成。

当然在本申请附图中未显示出的替代实施例中，加强筋30作为焊接件，直接焊接在开口部11的内壁面上。

需要说明的是，外齿部20设置在本体10的外周面且靠近开口部11，而不直接设置在开口部11的外周面上。这样避免了在焊接或弯折加强筋30时对外齿部20造成影响。

具体地，如图1和图2所示，在一个实施例中，加强筋30的外端面31的轮廓线311为封闭曲线(图1中垂直于纸面方向外端面31的轮廓)，外端面31朝向本体10的中心轴线。

上述设置中，将加强筋30的外端面31的轮廓线311设置成封闭曲线。这样在柔轮100变形过程中起到了应力延展的作用，避免了应力集中，从而提高了柔轮100的承载扭矩，并延长了其使用寿命。

具体地，如图4所示，在一个实施例中，外齿部20包括多个沿本体10的中心轴线设置的轮齿21，轮廓线311为余弦曲线，其包括多个间隔设置的波峰3111和多个间隔设置的波谷3112，其中相邻的两个波峰3111之间设置有一个波谷3112，多个轮齿21的齿顶211与多个波谷3112一一对应设置，多个轮齿21的齿根212与多个波峰3111一一对应设置。

上述设置中，加强筋30的余弦轮廓的波峰3111和波谷3112分别对应柔轮100的轮齿21的齿根212和齿顶211。这样增加了柔轮齿根位置的壁厚以及柔轮100的最薄位置齿根处的厚度。从而增强了外齿部20的强度。进而提高了柔轮100的承载扭矩，并延长了其使用寿命。而且余弦轮廓在柔轮100变形过程中起到了应力延展的作用，避免了应力集中，从而提高了柔轮100的承载扭矩，并延长了其使用寿命。

具体地，如图4所示，在一个实施例中，轮齿21的齿顶211与波谷3112的最大径向距离d1等于轮齿21的两个齿高D(即轮齿21的齿根212与波谷3112处的距离为D)。

当然在可根据实际情况，将轮齿21的齿顶211与波谷3112的最大径向距离d1设置成大于轮齿21的两个齿高D。

具体地，如图4所示，在一个实施例中，轮齿21的齿根212与波峰3111的最大径向距离d2等于轮齿21的两个齿高D。

当然在可根据实际情况，将轮齿21的齿根212与波峰3111的最大径向距离d2大于轮齿21的两个齿高D。

上述设置中，加强筋30的余弦轮廓的波峰3111和波谷3112分别对应柔轮100的轮齿21的齿根212和齿顶211。这样增加了柔轮齿根位置的壁厚，增加了柔轮100最薄位置齿根处的厚度至一个齿高D。从而增强了外齿部20的强度。进而提高了柔轮100的承载扭矩，并延长了其使用寿命。而且余弦轮廓在柔轮100变形过程中起到了应力延展的作用，避免了应力集中，从而提高了柔轮100的承载扭矩，并延长了其使用寿命。

具体地，参考图5，在一个实施例中，轮廓线311上的任一点A的坐标表达式为：p＝(a,∮)；

a＝r+0.75×h+0.25×h×cos[(n×∮+1)×π]；

其中，上表达式中∮为AO与BO的夹角，单位为°，其中柔轮100圆心为O，轮齿的齿顶位置B，余弦轮廓点到柔轮100圆心O的距离为AO，轮齿的齿顶位置B到柔轮100圆心的距离为BO；

a为余弦轮廓点到柔轮100圆心O的距离AO，单位为mm；

r为柔轮内孔半径，单位为mm；

n为柔轮齿数；

h为柔轮齿形全齿高(齿高D)，单位为mm。

需要说明的是，在对本体10的外端面31的轮廓进行加工时，可以按照该坐标表达式进行数控编程。从而提高柔轮100的加工精度。另外，上述轮廓线公式是对余弦轮廓线进行优化后获得。符合该轮廓线公式的外端面31的轮廓面在柔轮100变形过程中能够更好地起到应力延展的作用，从而更好地避免了应力集中，进一步地提高了柔轮100的承载扭矩，并延长了其使用寿命。

具体地，如图2所示，在一个实施例中，柔轮100还包括限位结构，限位结构设于加强筋30，用于限定柔性轴承200在谐波减速器内的安装位置。

具体地，如图2所示，在一个实施例中，限位结构为加强筋30的下端面32，下端面32与柔性轴承200贴合时，柔性轴承200安装到位。

上述设置中，下端面32和柔性轴承200贴合，通过下端面32对柔性轴承200进行限位。具体地，柔性轴承200在装配时，柔性轴承200通过从柔轮100的另一端安装进去，柔性轴承端面和下端面32贴合即安装到位，从而提高了柔性轴承200的装配效率和装配精度。而且，在谐波减速器运行时，下端面32通过限制柔性轴承200在第一方向上(图3中的竖直方向)的自由度，从而提高了谐波减速器运行的稳定性，并延长了其使用寿命。

如图6和图7所示，本发明还提供了一种谐波减速器，其包括轴承300、上述的柔轮100、刚轮400和谐波发生器。其中，轴承300具有外圈301和内圈302，柔轮100与轴承300的外圈301连接，刚轮400与柔轮100啮合，刚轮400与轴承300的内圈302连接。谐波发生器设置在柔轮100内，谐波发生器连续转动时，使得柔轮100不断产生形变，改变其与刚轮400的啮合状态，以实现谐波发生器到柔轮100的运动传递。

具体地，如图6和图7所示，在一个实施例中，谐波发生器包括凸轮500和设置在凸轮500外周上的柔性轴承200。

具体地，如图6和图7所示，在一个实施例中，轴承300采用交叉滚子轴承。

具体地，如图6和图7所示，在一个实施例中，柔性轴承200的轴承内圈与凸轮500的外周面连接固定。

需要说明的是，本申请中谐波减速器原理是指利用柔轮100、刚轮400和波发生器的相对运动，主要是柔轮100的可控弹性变形来实现运动和动力传递的。谐波发生器内的椭圆形的凸轮500在柔轮100内旋转使柔轮100产生变形。在谐波发生器的椭圆形的凸轮长轴两端处的柔轮轮齿和刚轮轮齿进入啮合时，短轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿脱开。对于谐波发生器长轴和短轴之间的齿，沿柔轮100和刚轮400周长的不同区段内处于逐渐进入啮合的半啮合状态，称为啮入；处于逐渐退出啮合的半啮合状态，称为啮出。当谐波发生器的连续转动时，柔轮100不断产生形变，使两轮轮齿在啮入、啮合、啮出和脱开四种运动不断改变各自原来的工作状态，产生错齿运动，实现了谐波发生器到柔轮100的运动传递。

需要说明的是，本发明提出一种柔轮100，在其开口部11的内侧设置朝向轴心的加强筋30，增加了对柔轮100的开口端的径向保护，防止开口端径向撕裂。本体10端面设置成余弦轮廓，余弦轮廓的波峰3111对应柔轮轮齿的齿根212，波谷3112对应齿顶位置，柔轮100最薄弱位置齿根处增加一个齿高厚度，增加了柔轮100的强度，使谐波减速器有更高的承载扭矩，并延长其使用寿命。余弦轮廓在柔轮反复变形过程中，可以对应力进行延展分散，避免了应力集中导致的柔轮100失效，从而延长了谐波减速器的使用寿命。

本发明中的谐波减速器，采用上述的柔轮100，通过加强齿根厚度和变形时的应力延展，避免了柔轮100的开口端撕裂的问题，延长了柔轮100的寿命，从而提高了谐波减速器的承载扭矩，并延长了其使用寿命。另一方面通过在柔轮100上增加限位结构，限制柔性轴承200的自由度，提高了谐波减速器运行的稳定性，并延长了其使用寿命。

由上的具体的实施方式的描述可知，设置加强筋，使柔轮的开口端受力由径向应力变为轴向应力，加强筋增加了对开口端的径向保护，从而降低了柔轮的开口端径向撕裂的风险，进而确保谐波减速器能够稳定且可靠的工作。另外，设置加强筋能够增加开口端的厚度，这样增加了外齿部的齿根位置的壁厚，从而增强了外齿部的强度。进而提高了柔轮的承载扭矩，并延长了其使用寿命。加强筋的余弦轮廓的波峰和波谷分别对应柔轮的轮齿的齿根和齿顶。这样增加了柔轮齿根位置的壁厚，增加了柔轮最薄位置齿根处的厚度。从而增强了外齿部的强度。进而提高了柔轮的承载扭矩，并延长了其使用寿命。而且余弦轮廓在柔轮变形过程中起到了应力延展的作用，避免了应力集中，从而提高了柔轮的承载扭矩，并延长了其使用寿命。在对本体的外端面的轮廓进行加工时，可以按照该坐标表达式进行数控编程。从而提高柔轮的加工精度。另外，上述轮廓线公式是对余弦轮廓线进行优化后获得。符合该轮廓线公式的外端面的轮廓面在柔轮变形过程中能够更好地起到应力延展的作用，从而更好地避免了应力集中，进一步地提高了柔轮的承载扭矩，延长了其使用寿命。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种柔轮，其特征在于，所述柔轮用于谐波减速器，其包括：

本体，具有开口部；以及

外齿部，设置在所述本体的外周面上，且靠近所述开口部；以及

加强筋，设置在所述开口部的内壁面上；

其中，所述加强筋为环状结构，所述加强筋与所述开口部构造出所述柔轮的开口端。

2.根据权利要求1所述的柔轮，其特征在于，所述加强筋的中心轴线与所述本体的中心轴线相重合。

3.根据权利要求1所述的柔轮，其特征在于，所述加强筋设置有外端面，所述外端面朝向所述本体的中心轴线，所述外端面的轮廓线为封闭曲线。

4.根据权利要求3所述的柔轮，其特征在于，所述外齿部包括多个沿所述本体的周向设置的轮齿，所述轮廓线为余弦曲线，其包括多个间隔设置的波峰和多个间隔设置的波谷，其中相邻的两个所述波峰之间设置有一个所述波谷，多个所述轮齿的齿顶与多个所述波谷一一对应设置，多个所述轮齿的齿根与多个所述波峰一一对应设置。

5.根据权利要求4所述的柔轮，其特征在于，所述轮齿的齿顶与所述波谷的最大径向距离d1不小于所述轮齿的两个齿高D。

6.根据权利要求4所述的柔轮，其特征在于，所述轮齿的齿根与所述波峰的最大径向距离d2不小于所述轮齿的两个齿高D。

7.根据权利要求4所述的柔轮，其特征在于，所述轮廓线上的任一点A的坐标表达式为：

p＝(a,∮)；

a＝r+0.75×h+0.25×h×cos[(n×∮+1)×π]；

其中，上表达式中∮为AO与BO的夹角，单位为°，其中柔轮圆心为O，轮齿的齿顶位置B，余弦轮廓点到所述柔轮圆心O的距离为AO，所述轮齿的齿顶位置B到柔轮圆心的距离为BO；

a为所述余弦轮廓点到所述柔轮圆心O的距离AO，单位为mm；

r为柔轮内孔半径，单位为mm；

n为柔轮齿数；

h为柔轮齿形全齿高，单位为mm。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的柔轮，其特征在于，还包括限位结构，所述限位结构设于所述加强筋，用于限定柔性轴承在所述谐波减速器内的安装位置。

9.根据权利要求8所述的柔轮，其特征在于，所述限位结构为所述加强筋的下端面，所述下端面与所述柔性轴承贴合时，所述柔性轴承安装到位。

10.一种谐波减速器，其特征在于，包括：

轴承，具有外圈和内圈；

权利要求1至9中任一项所述的柔轮，与所述轴承的外圈连接；以及

刚轮，与所述柔轮啮合，所述刚轮与所述轴承的内圈连接；以及

谐波发生器，设置在所述柔轮内；

其中，所述谐波发生器连续转动时，使得所述柔轮不断产生形变，改变其与所述刚轮的啮合状态，以实现所述谐波发生器到所述柔轮的运动传递。

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