CN115823216A - 柔轮和谐波减速器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种柔轮和谐波减速器。该柔轮包括齿圈(301)、筒体(302)和筒底(304)，齿圈(301)设置在筒体(302)的外周壁上，筒底(304)连接在筒体(302)的底部，柔轮满足：

其中T为柔轮的承载能力参数，δ为齿圈壁厚，H为柔轮材料硬度，d_m为柔轮中性圆直径，w₀为柔轮径向变形量，K_R为柔轮强度系数，k_H为材料硬度系数，s为柔轮齿圈处的筒体厚度。根据本发明的柔轮，能够增强柔轮抗拉强度，提高柔轮承载能力和传动性能。

Description

柔轮和谐波减速器

技术领域

本发明涉及减速器技术领域，具体而言，涉及一种柔轮和谐波减速器。

背景技术

谐波减速器属于精密传动装置，广泛应用于工业机器人的关节模组，该装置是由波动变形原理发展而来的。谐波减速器通常由三大构件组成，即柔轮、刚轮和波发生器；其中柔轮为弹性构件，在波发生器的作用下产生周期性弹性变形，该变形使柔轮齿和刚轮齿进行啮合，从而实现运动和扭矩的传递。在谐波传动中，利用刚轮齿与柔轮齿啮合，实现降低转速、增大扭矩的功能。

柔轮为谐波减速器三大核心零部件之一，其结构将直接影响传动的承载能力、寿命、传动的啮合性能和工艺性。设计时，必须最大限度减小或消除径向变形所引起的齿的轴向偏斜，以保证齿的良好接触和减小筒壁的应力。

柔轮的壁厚和硬度大小影响柔轮在运转状态下由轴向偏斜所产生的力和集中应力，以及柔轮齿和刚轮齿啮合产生的应力变形，影响柔轮的抗拉强度，从而影响谐波减速器传动性能及使用寿命。

关于柔轮的结构设计，相关技术中提出一种筒壁厚度渐变式杯型柔轮及谐波齿轮传动装置，采用渐变式柔轮壁厚，该结构并不能改变应力变形和集中应力分布情况，因此不能从根本上提高柔轮承载能力及传动性能。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种柔轮，能够增强柔轮抗拉强度，提高柔轮承载能力和传动性能。

为了实现上述目的，根据本发明的一方面，提供了一种柔轮，包括齿圈、筒体和筒底，齿圈设置在筒体的外周壁上，筒底连接在筒体的底部，柔轮满足：

其中T为柔轮的承载能力参数，δ为齿圈壁厚，H为柔轮材料硬度，d_m为柔轮中性圆直径，w₀为柔轮径向变形量，K_R为柔轮强度系数，k_H为材料硬度系数，s为柔轮齿圈处的筒体厚度。

进一步地，K_R满足：1.24≤K_R≤1.37。

进一步地，k_H满足：0.28≤k_H≤0.87。

进一步地，

其中σ为柔轮的抗拉强度。

进一步地，筒体包括筒壁和底部拐角，筒底包括凸缘和隔膜，隔膜位于凸缘的内周侧，并与凸缘的内壁连接，底部拐角连接在筒壁和隔膜之间。

进一步地，筒体为光滑筒体。

进一步地，齿圈设置在筒体的外缘端。

进一步地，齿圈靠近筒底的一侧设置有过渡连接段，过渡连接段沿着远离齿圈的方向厚度递减，齿圈的端部通过过渡连接段与筒体的外壁连接。

根据本发明的另一方面，提供了一种谐波减速器，包括柔轮和刚轮，柔轮和刚轮啮合传动，该柔轮为上述的柔轮。

进一步地，谐波减速器还包括轴承和波发生器，刚轮与轴承的第一端配合，柔轮与轴承的第二端配合，波发生器套设在柔轮的内孔。

应用本发明的技术方案，柔轮包括齿圈、筒体和筒底，齿圈设置在筒体的外周壁上，筒底连接在筒体的底部，柔轮满足：

其中T为柔轮的承载能力参数，δ为齿圈壁厚，H为柔轮材料硬度，d_m为柔轮中性圆直径，w₀为柔轮径向变形量，K_R为柔轮强度系数，k_H为材料硬度系数，s为柔轮齿圈处的筒体厚度。柔轮通过上述公式可以将设计壁厚与材料硬度关联起来，在进行柔轮的抗拉强度设计时，可以综合考虑设计壁厚和材料硬度，使得柔轮的壁厚与材料硬度综合性能较优，从而能够增强柔轮的抗拉强度，提高柔轮的承载能力以及传动性能。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明实施例的柔轮的结构示意图；

图2示出了本发明实施例的柔轮的尺寸结构图；以及

图3示出了本发明实施例的谐波减速器的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、刚轮；2、轴承；3、柔轮；4、波发生器；5、紧固螺钉；301、齿圈；302、筒体；303、过渡连接段；304、筒底；3021、筒壁；3022、底部拐角；3041、凸缘；3042、隔膜。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参见图1至图3所示，根据本发明的实施例，柔轮包括齿圈301、筒体302和筒底304，齿圈301设置在筒体302的外周壁上，筒底304连接在筒体302的底部，柔轮满足：

其中T为柔轮的承载能力参数，δ为齿圈壁厚，H为柔轮材料硬度，d_m为柔轮中性圆直径，w₀为柔轮径向变形量，K_R为柔轮强度系数，k_H为材料硬度系数，s为柔轮齿圈处的筒体厚度。

谐波减速器运行中，由于轴向偏斜及齿轮副啮合产生受力变形使柔轮抗拉强度变小，导致柔轮承载能力和传动性能下降。

在本实施例中，进行柔轮的设计时，可以通过上述公式可以将柔轮的设计壁厚与柔轮的材料硬度关联起来，如此一来，在进行柔轮的抗拉强度设计时，可以综合考虑设计壁厚和材料硬度，使得柔轮的壁厚与材料硬度综合性能较优，从而能够增强柔轮的抗拉强度，提高柔轮的承载能力以及传动性能。

通过对壁厚与材料硬度的优化设计，可以优化柔轮结构，提升齿传动效率，确保刚柔轮齿轮啮合过程，齿间啮合更加充分，延长齿轮传动精度保持性，从而提高谐波减速器整机性能。

此外，还能够增大柔轮抗拉强度，大幅度减小柔轮的受力变形，增强柔轮齿耐冲击性和耐磨性，保证柔轮拥有良好的运动性能，延长使用寿命，最终提高谐波减速器整机使用寿命。

在一个实施例中，K_R满足：1.24≤K_R≤1.37。

在一个实施例中，k_H满足：0.28≤k_H≤0.87。

在约束条件K_R、k_H内，承载能力参数T越大，柔轮抗拉强度越大，柔轮受力变形将大幅度减少。因此该结构类型的柔轮抗拉强度大，受力变形小，运动过程中使刚柔轮齿充分啮合，减少齿间冲击和磨损，从而提高柔轮运动性能及使用寿命，最终实现提高谐波减速器性能和寿命。

在一个实施例中，

其中σ为柔轮的抗拉强度。

基于圆柱体壳体理论计算分析，柔轮的承载能力取决于抗拉强度的大小，即周向应力大小；柔轮结构尺寸如径向变形量w₀和中性圆直径d_m影响柔轮周向应力大小，其中柔轮周向应力与径向变形量w₀成正比，柔轮周向应力与(d_m/2)²成反比；而材料抗拉强度满足强度-硬度换算公式：

在确定柔轮径向变形量w₀、中性圆直径d_m的情况下，可以将壁厚与硬度联系起来表示为一承载能力参数T，利用承载能力参数T来表征柔轮的强度值。

公式中用T表征柔轮的强度值，根据上述公式可以得到强度值T关于壁厚量和硬度值的关系，当其中任意一项确定了之后，与另一项参数关联的强度值T的曲线形式都接近拱形，存在最大值。

相关技术中都是单独设计壁厚值和硬度值，本发明实施例是根据壁厚或者硬度值中其一(例如壁厚)，同其他参数一同代入公式，找到使得T取得最大值的另一参数(例如硬度)，从而使得柔轮的设计能够获得最大的承载能力，提高柔轮的承载能力以及传动性能，延长柔轮的使用寿命。

在一个实施例中，筒体302包括筒壁3021和底部拐角3022，筒底304包括凸缘3041和隔膜3042，隔膜3042位于凸缘3041的内周侧，并与凸缘3041的内壁连接，底部拐角3022连接在筒壁3021和隔膜3042之间。

在本实施例中，底部拐角3022为圆弧结构，能够在筒体302与筒底304的连接位置处形成圆弧过渡连接，连接性能更好，能够减小连接应力，而且可以降低成型难度。

在一个实施例中，筒体302为光滑筒体。

在一个实施例中，齿圈301设置在筒体302的外缘端，也即齿圈301设置在筒体302的远离筒底304的一端，这种结构设置能够避免齿圈301与刚轮1的啮合收到筒底304的结构过多影响，使得柔轮与刚轮1的啮合传动性能更佳，设计性能更加容易保证。

在一个实施例中，齿圈301靠近筒底304的一侧设置有过渡连接段303，过渡连接段303沿着远离齿圈301的方向厚度递减，齿圈301的端部通过过渡连接段303与筒体302的外壁连接。

在本实施例中，齿圈301靠近筒底304的端部通过过渡连接段303与筒体302连接，由于柔轮与刚轮1的啮合主要通过齿圈301实现，因此齿圈301是柔轮与刚轮1啮合的主要受力部件，需要承受较大的作用力，要想保证柔轮的使用寿命，就需要保证齿圈301与筒体302的连接强度。通过在齿圈301的端部增加过渡连接段303，使得齿圈301的内壁与筒体302的外壁固定连接，齿圈301的端面通过过渡连接段303与筒体302连接，能够提高齿圈301与筒体302的连接强度，提高柔轮结构的整体结构强度，提高齿圈301与刚轮1啮合所能够承受的作用力，进而增强柔轮的整体结构性能。

过渡连接段303沿着远离齿圈301的方向厚度递减，可以使得过渡连接段303越靠近筒底304，厚度越小，收到筒底304与筒体302的连接结构的影响越小，对齿圈301所在位置处的筒体302在与刚轮1啮合过程中的形变所产生的影响越小，使得柔轮与刚轮1的啮合具有更加良好的形态，提高柔轮与刚轮1的配合性能。过渡连接段303的厚度是指沿筒体302的径向方向的厚度。

过渡连接段303可以采用下凹弧形结构。

筒体302可以采用等壁厚设计，也可以采用变壁厚设计。

柔轮3可以为礼帽型柔轮、杯型柔轮或短筒型柔轮。

结合参见图1所示，根据本发明的实施例，谐波减速器包括柔轮3和刚轮1，柔轮3和刚轮1啮合传动，该柔轮3为上述的柔轮。

在一个实施例中，谐波减速器还包括轴承2和波发生器4，刚轮1与轴承2的第一端配合，柔轮3与轴承2的第二端配合，波发生器4套设在柔轮3的内孔。

刚轮1与轴承2的左端配合，柔轮3与轴承2右端配合；刚轮1端面有四个均匀分布通孔，紧固螺钉5通过四个均布通孔至轴承2的螺纹孔将刚轮1与轴承2紧固；柔轮3底部端面有四个均布通孔，紧固螺钉5通过四个通孔至轴承2的螺纹孔将柔轮3与轴承2紧固；波发生器4由带有椭圆轮廓的凸台与柔性轴承组成，再将波发生器4装配到柔轮3内孔中，形成完整的谐波减速器。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

以上所述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。

Claims (10)

1.一种柔轮，其特征在于，包括齿圈(301)、筒体(302)和筒底(304)，所述齿圈(301)设置在所述筒体(302)的外周壁上，所述筒底(304)连接在所述筒体(302)的底部，所述柔轮满足：

其中T为柔轮的承载能力参数，δ为齿圈壁厚，H为柔轮材料硬度，d_m为柔轮中性圆直径，w₀为柔轮径向变形量，K_R为柔轮强度系数，k_H为材料硬度系数，s为柔轮齿圈处的筒体厚度。

2.根据权利要求1所述的柔轮，其特征在于，K_R满足：1.24≤K_R≤1.37。

3.根据权利要求1所述的柔轮，其特征在于，k_H满足：0.28≤k_H≤0.87。

4.根据权利要求1所述的柔轮，其特征在于，

其中σ为所述柔轮的抗拉强度。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的柔轮，其特征在于，所述筒体(302)包括筒壁(3021)和底部拐角(3022)，所述筒底(304)包括凸缘(3041)和隔膜(3042)，所述隔膜(3042)位于所述凸缘(3041)的内周侧，并与所述凸缘(3041)的内壁连接，所述底部拐角(3022)连接在所述筒壁(3021)和所述隔膜(3042)之间。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的柔轮，其特征在于，所述筒体(302)为光滑筒体。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的柔轮，其特征在于，所述齿圈(301)设置在所述筒体(302)的外缘端。

8.根据权利要求7所述的柔轮，其特征在于，所述齿圈(301)靠近所述筒底(304)的一侧设置有过渡连接段(303)，所述过渡连接段(303)沿着远离所述齿圈(301)的方向厚度递减，所述齿圈(301)的端部通过所述过渡连接段(303)与所述筒体(302)的外壁连接。

9.一种谐波减速器，包括柔轮(3)和刚轮(1)，所述柔轮(3)和所述刚轮(1)啮合传动，其特征在于，所述柔轮(3)为权利要求1至8中任一项所述的柔轮。

10.根据权利要求9所述的谐波减速器，其特征在于，所述谐波减速器还包括轴承(2)和波发生器(4)，所述刚轮(1)与所述轴承(2)的第一端配合，所述柔轮(3)与所述轴承(2)的第二端配合，所述波发生器(4)套设在所述柔轮(3)的内孔。

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