CN1439083A - 谐波传动装置及这种传动装置的内齿轮 - Google Patents

Abstract

谐波传动装置(12)的星形内齿轮(15)由若干推杆(21)构成，这些推杆由一个保持环(28)可动地相互连接，该保持环在大约推杆颈部的高度的一半处将这些推杆围起，这样，它们就构成了一个可以操作的单独的部件。推杆颈部的内前端(28)是热形状稳定的，其带有一个滑动靴，或至少带有一个耐滑动的涂层，相对的一侧是一个径向上可弹性变形的头(26)。内齿轮(15)作为注塑件的一部分以一种多成份工艺制成，并带有一受热形状稳定的脚(23)、弹性地模塑在各形状稳定的推杆颈部上的支撑环臂(28)以及头壁(27、32)，这些部件分别由不同的塑料制成。

Description

谐波传动装置及这种传动装置的内齿轮

本发明涉及如各独立权利要求的前序部分的谐波传动装置和用于这种传动装置的内齿轮。

谐波传动装置----也称之为harmonic drive(谐波传动装置的英语-译者注)或环带式传动装置----作为主动轴与从动轴共轴的减速比非常大的减速和自制动系统的功能的依据是，一个旋转的所谓波发生器使一个也称之为挠性带的轮圈循环地径向变形，从而使其轮缘，即，其外表面循环地局部向外压一个静止的形状稳定的支撑圈的略大一点的周边的内表面。内齿本身或可旋转地支撑在其上的轮圈受力吻合地通过摩擦面或形状吻合地通过齿啮合在支撑圈内滚动，轮或者其轮圈按照其周边差的比例，比波发生器的马达驱动的驱动芯慢地旋转。这一与原驱动运动相比减慢了许多的旋转运动优选经轮圈的外齿传递到与支撑圈同心但不静止的从动圈的另一外圈的内齿上，采用不同的周边(齿数)，还可以使转速进一步减速。波发生器的驱动通过由一个共轴的、法兰连接的、高转速因而价格合理的低压直流电机来实现，该电机的旋转被减速到一个非常缓慢的旋转运动，该非常慢的旋转运动对应一个较大的转矩。

在29614738号德国实用新型中公开并在H.Him的发表于KEMAntriebstechnik第11/1996期上的文章“Genial einfach”中详细地描述的这种谐波发生器的一个实施形式中，例如一个非圆(轴向横截面上大致为三角形或优选椭圆形)的驱动芯作为波发生器在一个径向可变形的内齿轮的毂内同心地旋转。形状稳定的轮幅位于可径向变形的毂与内齿轮的同样可径向变形的带外齿的轮圈之间，其作用是使相应于其循环径向变形的外齿总是只在一个有限的弧段上与被支撑的支撑环的内齿啮合。代替与静止的外支撑环相对并相对于驱动芯反向旋转的由毂、轮幅和带齿的外轮圈构成的内齿轮，在所引用的实用新型中还规定，各蘑菇或T形的推杆及其颈部在一静止的笼的通道中相对于波发生器的轴线径向移动。于是，在支撑环内的滚压过程的循环的径向偏移通过如下的方式实现，推杆的脚在弹性偏压下支撑在驱动芯的非圆的外表面上，而在所述笼的一个同轴的中心孔中的驱动芯在马达驱动下旋转。在周边或圆周方向上，切向上加宽的推杆的头带动作为轮圈的挠性带，其外齿按照径向向外偏移的推杆的顺序局部循环地向外变形，从而滚压在支撑环上。

就这样，在这种谐波传动装置中，输入轴的非常高的转速转换成与输入轴同轴的输出轴的相比之下非常低的转速，该非常低的转速对应于一个较大的扭矩。为了减小驱动芯与内齿轮毂或推杆——脚系列的相对旋转的塑料表面对之间的产生热的摩擦，在本领域的现有技术中加入一个滑动轴承，该滑动轴承形式为一个金属轴套，在其内旋转的偏心的驱动芯的影响下，该轴套也循环地偏心变形。这一加入的滑动轴承将驱动芯与内齿轮之间的相对旋转分成两级，此外，由于通常有利的塑料与金属的摩擦比，还导致摩擦损失的减少，也就是实际上完全由注塑部件小型化地制造的密封的谐波发生器内的导致损耗的加热的减少。然而，这种总是在负荷下变形的轴套需要有很高的交变疲劳强度，并且将其装入这种小尺寸的谐波传动装置中导致明显的制造成本的提高，这是因为，所述非圆的传动芯必须装入一个圆形的金属轴套中。可能是由于这种严重的缺陷，在按照DE19733497A1的谐波传动装置的进一步的发展中——用一系列无间隙的相互径向支撑的圆环扇形块代替在圆周方向上彼此隔开的推杆——放弃了这种金属轴套，取而代之的是(第2栏，第11行)重视内齿轮毂的高弹性，以便在安装非圆的驱动芯时尽可能容易插入。当(如前述公开的图6所示)两个平行于轴线的凸起平面(即，驱动芯的外表面和各内齿轮扇形的脚端)相互支撑时更需要高弹性，这时出现了一种几乎就是直线形的承载压力，并伴有相应升高了的单位面积压力。然而，缺点也是由于相邻扇形之间的不断的摩擦运动而引起的超过期望的加热。随后出现了按照尚未公开的DE19833290C1的进一步的发展，对此，在仍然是轮幅状的内齿的推杆在波发生器的驱动芯上的支撑方面，令人担心热疲劳极限会更糟，这是因为仍然彼此隔开但却是彼此通过一个挠性环带连接起来的推杆的脚不是更紧凑，而是松散了，这样是为了通过弹性弯曲产生一种径向弹簧的作用。可以看到，此时专业人员没有再对内齿轮的热负荷的问题给予适当的重视。

因此，本发明试图解决的基本技术问题是，通过进一步减少所安装的磨损部件的数量，使这种减速比非常大的塑料传动装置功能更可靠，并且更小型化，然而，尽管体积有限，还是将磨擦产生的损耗热进一步减少，因为塑料部件对这种热的耗散很慢。

为了解决这一问题，我们从下述理念出发，即，在这里所涉及的注塑制造的小型传动装置中，径向变形的内齿轮——现在为整体的或由单个部件装配而成的——的功能要求在径向截面上非常不同的甚至矛盾的材料特性。尽管摩擦生热，在驱动芯上的滚压过程还必须疲劳强度大且形状稳定，因此，对于循环的径向力传递，尽量采用弹性连接但本身刚性的轮幅或推杆——颈部，这样可以避免像现有技术那样，由于附加一个笼或者由于扇形推杆的松散的相对两侧的侧面的支撑而引起的安装成本高和摩擦产生的热，对于轮圈或挠性带在支撑环内的滚压过程，在此，很希望局部循环地以比较大的外半径在径向上弹性并挠性地紧贴凹入的弧形段中。

按照本发明的解决方案是公知的由轮毂、轮幅和轮圈构成的整体内齿轮与彼此独立地径向引导到一个笼中的单独的推杆这两种形式之间的一种形式，特别是，这种形式与一种同样在摩擦热的情况下疲劳强度大的推杆——脚的设计结合。按照这种方案，整体上呈辐射状或星状设置的各个推杆虽然轴向平行地沿周边彼此连接，它们的脚沿着一个轮毂，头沿着一个轮圈，以支撑定位，但这种连接已经不再是固定的，而是在形状稳定地支撑在波发生器的驱动芯上的前提下，通过周向上向与两侧隔开地相邻的推杆延伸的挠性臂基本上对中地彼此连接。各推杆的颈部的脚端都是相互靠近地沿径向上耐滑动(也在热形状稳定和良好的可滑动性的意义上)地支撑在波发生器的驱动芯的外表面上，在相对的一端上，推杆还可以带有可在径向上弹性地压缩的头，这些头中，只有那些正位于波发生器的较大的直径的延长部分上，即，从一个想像中的圆弧沿径向向夕申出一些的头才十足地紧贴在轴向上彼此相邻的外环(支撑环和从动环)的空心圆筒状的内表面上。如要实现一种形状吻合的滚压过程，可以将内齿轮的外齿直接设计在周边上的一系列彼此隔开地相邻的推杆头的外表面上，这一系列推杆头构成间断的轮圈，或者(此处原文为ober，意思不通，译者认为是oder的笔误，故将其作为oder译出，这样，意思就通顺了)把推杆头用作一单独的同轴挠性带的支撑体，该挠性带带有外齿，推杆头将其撑起。

通过特定的形状或者材料选择，使各推杆的头在颈部的纵向上具有良好的可弹性变形性。与此相反的是，在相反的方向上的各推杆的颈部的脚端还是要设计成在摩擦生热的情况下疲劳强度很大，这在前面已经叙述过，为此，可以对其施加一层适合于滑动的，例如电镀的涂层，或/并使其带有由硬的并耐高温的材料构成的滑石(滑石的露出的表面上还可衬上相对于驱动芯的外表面耐滑动的材料)。

只要各推杆的颈部具有两个短的弯曲臂，各臂的端部成型出连接结构，用于与圆周方向上相邻的两侧相邻推杆的相邻的臂铰接，则可由可变数量的推杆组装成一个内轮。但推杆的数量优选预先确定好。所述臂或者设计成与两侧相邻的推杆颈部一体，即，在颈部上弯曲地注塑出，或者这些臂环绕着连接成一个塑料材料的或者弹簧板的挠性操持环，例如在结构上为此预定的位置上与各推杆一体。

为了避免使安装工作费用昂贵且易出故障，上述辐射状或轮圈状图案由径向上可相对移动的、大致同轴地弹性连接的轮幅状推杆实现，然而，一体地实现是适宜的，即，采用一种多成份注塑工艺，这样便可考虑局部上完全不同的材料特性的要求。特别是，推杆轮圈在一个注塑工艺中由一个由一种具有非常好的滑动特性的材料构成的脚、一个用于径向上向外传递力的高强度的刚性颈部和上述的特定形状的用于两侧连接相对尽可能自由移动的推杆的连接臂以及用于径向上可压缩的同样具有良好的滑动特性的头制成。虽然这些彼此矛盾的要求的一部分也可以通过相互协调地采用不同的壁厚来近似地满足，但从结构上的边界条件来讲，这是不令人满意的，而且会导致功率的损失。因此，按照本发明的这一方面的推杆内轮采用多成份注塑工艺，在不同结构的局部使用不同的材料特性来制成。在此，首先放入用于推杆的颈部的固体材料，然后，在这些材料存在于模具中的情况下，向模具中注入用于不抗弯的局部区域的弹性较好的材料。这些不同材料之间的连接不仅可以形状吻合地实现，也可以通过连接在一起的热塑材料的粘性实现。这样，通过在一个制造工艺中使用非常不同的材料，这种对内装部件的不同的结构要求可以价格合理地得到满足。除了由多种(优选两种)不同的热塑塑料制造以外，在本发明的框架中，还可以在塑料制造工艺中加入另一中材料，例如抗热变形材料，用作可靠的插入部件，特别是用于推杆—颈部的脚端。

下面结合附图描述本发明的技术方案的一个优选的实施形式，由此，并结合下面的权利要求书和与本申请同一名称的我们的另两个专利申请可以看出本发明的其他特征和进一步的实施形式。

图1示出一个装在谐波传动装置的支撑环内的一多成份的推杆轮圈。

图2示出作为图1所示的推杆一轮圈的一部分的一个推杆的前视图。

图3示出图2中的推杆的纵剖面图。

图1近似成比例放大地示出按照本发明设计的一谐波传动装置12的位于固定的支撑轮圈11内的内齿轮15的一前视图，图中仅示出了功能上的基本部件，齿啮合关系也只是非常粗略地示出。在本实施例中，内齿轮15包括若干相同的推杆21，这些推杆借助于一个保持环41连接成一个一体的可操作环圈。一形状稳定的波发生器14同轴地穿过内齿轮15。波发生器14的驱动芯的横截面通常为图示的椭圆，其可与内齿轮15同心地旋转，同时，其又同轴且抗扭地与驱动轴16啮合，该驱动轴可以直接就是一驱动装置的细长的马达轴(图中未示出，可以是同心地穿过图中平面的电机或液压马达)。

波发生器14使内齿轮15循环地在横截面上非圆地变形，由于这种变形，内齿轮的外表面17引起挠性带13与静止的外支撑环11的形状稳定的空心圆柱内表面18旋转啮合，这种旋转啮合只发生在波发生器14的长半径的延长段上，沿着在那里充分径向向外延长的底段32。所述旋转啮合是受力吻合的，或者如图所示，通过径向上的齿啮合19/20而形状吻合。内齿轮15连同波发生器14在轴向上还延伸到图示平面下的另一个与图中可见的支撑环11轴向上相邻的外环内，但该环不是静止的，而是作为这一变速比很大的减速传动装置12的同轴从动环，设置成可随内齿轮15的外齿19一同旋转。

这一轴向上长、径向上宽、并且径向上可变形的内齿轮15包括若干相同的推杆21，这些推杆呈辐射状彼此相邻，并可动地相互连接。各推杆21大致为T形的，其首先包括一个矩形颈部22，该矩形颈部大致在波发生器14的整个轴向上的长度上延伸，并借助于脚23沿着泛函数曲线相对于传动轴24径向地支撑在波发生器14的非圆横截面的外表面40上。与脚23的自由的前端相对，各颈部22的另一端是一个可弹性压缩的头26。该压缩头的横截面形状基本为一空心圆柱，该空心圆柱平行轴线地在整个波发生器14的长度和颈部22的长度上延伸，并在与颈部22的脚23相对的一端上带有不抗弯的过渡段，扇形侧壁27与该过渡段相连。当头26的一与所述扇形侧壁对27-27的前侧连接的弧形壁32由于顶到外环11而径向上受到挤压(即，变平)时，侧壁向周边扩展。这使得齿啮合19/20更加可靠。一个在内齿15的主平面上延伸，从而垂直于装置轴24的方向延伸的膜状壁43的作用是使基本上径向弹性的头26获得结构上可调节的加强。所述膜状壁或多或少使壁27-36-27之间的头26的自由空间更拉紧。

原则上相互间尽可能可自由移动的、在周边(即，在内齿轮15的周边方向)上相邻的推杆21的侧面上一个接一个的定位借助于彼此相对地在颈部22上优选一体地弹性成形出的短臂28-28实现，这些短臂彼此连接成一个保持环41。上述推杆的定位在前视图中形成一圆形，或者说在轴向横截面上形成一轮圈状，这些推杆连接成一个一体的内齿轮15。在两相邻的推杆颈部22之间的相邻臂28-28可以相互铰接，以便由原来松散连接的大量链节状相互铰接的推杆21组装成一个在轴向横截面上可有限变形的内齿轮15。通过连接成内齿轮15的推杆21的数量的变化，可以以已知的比例改变内齿轮的周边，以适应一特定的支撑环11的内表面18的直径。推杆头23的外圆弧不总是位于一段与内表面18同心的弧上，这无关紧要，其原因是，在齿啮合19-20的区域内，当轮圈(挠性带13)的中间层下的前侧弧形壁32变形时，头26沿径向压入支撑环11的内表面18，从而始终保持良好的同步闭合。

相邻的推杆21之间可整体弯曲地连接成一个由推杆21和保持环41构成的单体的内环15，这样的设计更简单，在制造工艺上也更有利于自动化。为此，各推杆的两侧带有一个直接接在相邻的推杆21上的臂28。但是，正如从图1中清楚地看出的，也可以不采用变形的臂，而是采用一个塑料或弹簧钢制成的弹性的环41来将推杆21一个个地连接起来。适宜的是，如图1所示，各推杆21交替地在一个轴向和另一个相对的轴向上受力和形状吻合地装在周边连接的保持环41上。

在与弹性头26相对一侧，推杆21带有一个同样受热形状稳定的脚23，该脚优选用多成份注塑的方法，由耐热材料在颈部22的前端注塑成形状吻合的燕尾槽一弹簧一或类似轮廓。作为一种替换或一种附加措施，可以在颈部22的内前侧或铸造或注塑的脚23的内前侧施加一层耐磨的电镀涂层42。

图2示出在图1中已经示出的推杆21的突出的结构的放大的截面。从图3的轴向视图中可以看出，由弹性塑料注塑而成或由弹簧钢制成的用于接收各推杆21的成型的保持环41不必穿过推杆21的颈部22的整个轴向长度。然而，为了力矩平衡，以达到低噪音运转的效果，适宜的是，可以将偶数推杆21交替地从保持环41的两侧平行轴线地装到保持环41上。

无论如何，谐波传动装置12的星状的内齿轮15都是由各推杆21构成，借助于一个大约推杆——颈部22的一半高的环绕的保持环41可相对运动地连接成一个可单独操作的部件。与一个径向弹性的可压缩头26相对，推杆——颈部22的受热形状稳定的前端带有一个滑块(脚23)或者至少耐磨的涂层。内齿轮15作为单体的塑料喷塑部件，采用多成份工艺，用不同的热塑性塑料与受热形状恒定的脚23、在各形状稳定并高强度的推杆——颈部22上弹性地成型出的保持臂28及头壁27和32一起制成。

Claims (11)

1.谐波传动装置(12)，具有一在其内共轴旋转地设置的非圆的驱动芯，该驱动芯构成波发生器(14)，并具有一可循环地径向变形的内齿轮(15)，其推杆(21)以滑动的方式径向支撑在波发生器(14)上，其特征在于：推杆(21)通过与其颈部(22)相连的非抗弯的臂(28-28)可周向运动地相互连接，各推杆的颈部(22)的脚端设计成耐热变形的，并且相对于波发生器的外表面(40)具有良好的耐滑动性。

2.波发生器内齿轮(15)，一可同轴转动地装在其内的非圆的驱动芯作为波发生器(14)，可驱动所述内齿轮循环地径向变形，该内齿轮的推杆(21)以滑动的方式径向支撑在波发生器(14)上，其特征在于：推杆(21)通过与其颈部(22)相连的非抗弯的臂(28-28)可周向运动地相互连接，各推杆的颈部(22)的脚端设计成耐热变形的，并且相对于波发生器的外表面(40)具有耐滑动性。

3.如权利要求1的内齿轮，其特征在于：所述脚端施加适合滑动的层。

4.如权利要求1的内齿轮，其特征在于：所述脚端施加适合滑动的滑块。

5.如前述任一权利要求的内齿轮，其特征在于：颈部(22)上装有滑动脚(23)。

6.如前述任一权利要求的内齿轮，其特征在于：颈部(22)装有可弯曲的周向臂(28)，所述周向臂将两个相邻的推杆(21-21)相互连接。

7.如前述任一权利要求的内齿轮，其特征在于：臂(28)彼此连接成一个用于保持推杆(21)的周向上的保持环(41)。

8.如前述任一权利要求的内齿轮，其特征在于：各推杆(21)的高强度的刚性颈部(22)上带有可沿径向和周向变形的头(26)。

9.如前述任一权利要求的内齿轮，其特征在于：头(26)设计成平行于轴的空心柱体扇形部分，该扇形部分带有接在颈部(22)上的非抗弯的侧壁(27-27)，一弧形臂(32)桥接在两侧壁之间。

10.如前述任一权利要求的内齿轮，其特征在于：头(26)的内部空间至少在垂直于装置轴(24)的方向上由一膜壁(4)撑开。

11.如前述任一权利要求的内齿轮，其特征在于：其在一个多成份注塑工艺中由不同强度和弹性的塑料制成。

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