CN2481905Y - 一种带有杯形柔轮的谐波传动装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带有杯形柔轮的谐波传动装置,主要由齿廓均采用三维修形渐开线齿形的短筒杯形柔轮和刚轮及波发生器组成,杯形柔轮的h/D在0.01至0.0085之间,转速比可小到30;该齿形的原始齿形角在20°至28°之间;杯形柔轮的外齿的齿高与模数之比沿轴向变化,其比值在1至1.7之间,其齿部中间截面处的变形系数(Δ/M)的值在0.7至1之间。该装置刚度和承载能力大,运转正常,且加工难度和制造成本低,传动效率高。

Description

一种带有杯形柔轮的谐波传动装置

本实用新型涉及一种机械传动装置，特别是涉及一种带有杯形柔轮的谐波传动装置。

谐波传动装置最初由美国的Musser发明，见美国专利号2906143，这种装置的三个主要部件为波发生器、柔轮和刚轮。其中柔轮是一个杯形的多齿外齿轮，刚轮是一个多齿的内齿轮，波发生器由凸轮和柔性轴承组成。柔轮与刚轮齿形最早是直线，后来为了加工方便，渐开线齿形被普遍采用，但在短筒杯形柔轮上一直无法应用。直至1989年，为了缩短柔轮长度，增大柔轮刚度，日本HD公司发明了一种用于谐波传动装置柔轮和刚轮的新齿形，即“S”形齿形，他们为这种“S”形齿形申请和取得了专利，见美国专利4823638。同时，还发表了文章(《E1ectronic MOTORtechnics》June/July 1990)，以后还取得了多项专利。但是，这些专利公开的新齿形与渐开线齿形相比，仍存在齿形加工难度大，加工设备复杂，产品制造成本高，同时这种齿形在啮合中由于啮合处的压力角较大，不利于传动效率的进一步提高。

本实用新型的发明目的是提供一种短筒柔轮的外齿和刚轮的内齿均采用三维修形渐开线齿形的谐波传动装置，实现了缩短柔轮、速比更小、刚度和承载能力更大，运转正常的效果，而且降低了加工难度和制造成本，提高了传动效率。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种带有杯形柔轮的谐波传动装置，主要由杯形柔轮、刚轮、波发生器组成，所述波发生器由凸轮和柔性轴承组成，在所述波发生器作用下，所述杯形柔轮的外齿与所述刚轮的内齿啮合在一起，特点在于：所述杯形柔轮其杯形部分的长度L与内径D之比值在0.6至0.5之间，所述杯形柔轮的齿根下壁厚h与所述杯形柔轮内孔直径D之比值(h/D)在0.01至0.0085之间，所述波发生器与所述柔轮或所述刚轮的转速比可小到30，所述杯形柔轮的外齿和所述刚轮的内齿的齿廓均采用三维修形渐开线齿形，所述三维修形渐开线齿形的原始齿形角(α₀)在20°至28°之间；所述杯形柔轮的外齿的齿高与模数之比沿轴向变化，其比值在1至1.7之间，所述杯形柔轮在其齿部的中间截面处，变形系数(Δ/M)的值在0.7至1之间。

上述的谐波传动装置，其特点在于：所述杯形柔轮外齿的齿根部为一个与其所述的三维修形渐开线齿形的渐开线部分光滑过渡的圆弧，所述过渡圆弧的半径r与柔轮模数M的比值(r/M)在0.3至0.5之间。

上述的谐波传动装置，其特点在于：所述杯形柔轮外齿的齿顶部有一个小的圆角。

上述的谐波传动装置，其特点在于：所述杯形柔轮齿部的前段和后段齿高略低于所述杯形柔轮齿部中段的齿高，齿部的前段和后段均呈斜坡状。

本实用新型从杯形柔轮结构、凸轮轮廓曲线、柔轮和刚轮齿形三个方面采取措施，采用三维修形的渐开线齿形，达到缩短柔轮、速比更小、刚度和承载能力更大，运转正常的效果，避免了加工的困难。

下面结合附图进一步说明本实用新型的实施例

图1是谐波传动装置三个主要部件的横向断面

图2是谐波传动装置三个主要部件装在整台减速器中的情形

图3是谐波传动装置的主要部件之一杯形柔轮变形前的轴向截面

图4是杯形柔轮变形后轴向各个截面变形量不同的示意图

图5是对应于中部截面处的柔轮齿形

图6是柔轮齿形前后两段齿高略微削低的情形

图7是刚轮齿形

在图1和图2中，现有的谐波传动装置由波发生器、柔轮和刚轮组成。其中图1是该装置的横向断面，图2是该三个部件装在实际一台减速器中的安装情况。

凸轮4外廓上有N个均布的凸出部分(N正为整数，通常N＝2)在图1中N＝2，柔轮3是一个杯形的多齿外齿轮，刚轮2是一个比柔轮多K个齿的内齿轮，其中K为N的正整数倍，通常K＝N，波发生器装在杯形柔轮内孔中使柔轮变形，从而使柔轮的外齿与装在柔轮外面的刚轮的内齿之间在圆周上形成N个啮合区和与之相邻的N个脱开区，在波发生器旋转时，啮合区和脱开区的位置也随之旋转，由于刚轮比柔轮多K个齿，如刚轮固定，柔轮就会在波发生器每旋转一周时向相反方向转过K个齿，如柔轮固定，刚轮就会在波发生器每旋转一周时向相同方向转过K个齿，从而实现减速。如果波发生器为从动件，则可实现增速。

在谐波传动装置中，柔轮轮齿与刚轮轮齿之间在啮合区应有足够的啮合齿数和啮合深度，且在啮合过程中不应发生干涉。凸轮轮廓曲线和两轮齿形的设计和加工质量应保证以上两点要求。另一方面，柔轮杯形部分的壁厚和轴向长度应有合理的值，缩短轴向长度不但可以缩小体积，还可以增加刚度，但如果柔轮轴向长度太短，由于杯形柔轮的变形部分(杯口处)和不变形部分(杯底处)相距太近，疲劳应力过大，运转中齿部和杯底可能产生裂纹。

在N＝2时，凸轮的轮廓曲线可能是椭圆、余弦曲线、二力作用曲线、四力作用曲线、偏心圆弧曲线等，凸轮突出部分的最大向径应比柔性轴承的内径大，其差值Δ称为变形量，Δ与齿轮模数M之比Δ/M称为变形系数，是谐波传动装置的一个重要参数。杯形柔轮杯的长度L与内径D之比值L/D称为长径比，也是谐波传动装置的一个重要参数。

在图3、4中，表示了该谐波传动装置的主要部件之一杯形柔轮变形前后的轴向截面。谐波传动装置的优点之一是刚轮与柔轮之间同时啮合的齿数较多，因而承载能力较大，传动精度也较高，但采用渐开线齿形时，刚轮与柔轮之间同时啮合的若干对齿中，间隙并不均匀，有一部分齿虽然在啮合区内，间隙却较大，这部分齿要在运行过程中进一步变形后才能够承载；另一方面，由于杯形元件变形过程中的力学规律，柔轮变形后齿部沿柔轮轴向的变形量是变化的，靠近杯口处变形量比凸轮大，靠近杯底处变形量比凸轮小，而柔轮与刚轮的齿形沿轴向通常是不变的，因此柔轮与刚轮之间在轴向不同截面处啮合情况是不同的，设计时很难做到每个截面的啮合情况都令人满意。在图4中，可以看到当杯形柔轮变形后轴向各个截面变形量是不同的。由于用户对谐波传动装置提出了更高的性能要求，特别是要求速比更小和刚度更高，为达到这些要求必须缩小柔轮的长径比，即采用短筒柔轮，但柔轮长度的缩短使柔轮变形量沿轴向的变化更大，在这种情况下如仍采用渐开线齿形，运转过程往往发生柔轮齿部或底部损坏等现象，因此上述各国专利提出对短筒柔轮改用非渐开线的新齿形。但他们所提出的新齿形存在着加工困难等缺点。

本实用新型从杯形柔轮结构、凸轮轮廓曲线、柔轮和刚轮齿形三个方面采取措施，采用三维修形的渐开线齿形，达到缩短柔轮、速比更小、刚度和承载能力更大，运转正常的效果，避免了加工的困难。在本实用新型的实施中，新设计的短筒杯形柔轮谐波传动装置主要由柔性轴承1、刚轮2、短筒杯形柔轮3、凸轮4组成，凸轮4的外廓套上柔性轴承1后，组成该谐波传动装置的波发生器。在杯形柔轮结构方面，采取的措施是在缩小长径比L/D的同时适当减小杯形柔轮的壁厚，并采用强度较高的材料，对热处理的要求也作了相应的提高。在凸轮轮廓曲线方面，采取的措施是适当缩小变形量，选择Δ/M为0.8-0.9。凸轮轮廓曲线可以采用二次曲线椭圆，也可以采用其它的凸轮轮廓曲线。在柔轮和刚轮齿形方面，采取的措施是采用渐开线齿形，其原始齿形角取在28°以下，最小可取到20°，这样使啮合中径向力较小。此外，对渐开线齿形进行适当的三维修形，目的是增加齿的强度，降低疲劳应力，避免齿根部的疲劳损坏，增加齿的承载能力。

在图4、5、6、7中，本实用新型对短筒柔轮和刚轮采用三维修形渐开线齿形时采取了如下修形措施。柔轮外齿沿轴向可分为三段，分别对应于图4中的三个截面，其中对应于中部截面B-B的一段齿形如图5所示，其齿高H与此模数M之比H/M称为齿高系数，柔轮与刚轮轮齿啮合最深处(即凸轮3长轴处)的啮入深度H₁与模数M之比H₁/M称为啮入深度系数。在啮入深度H₁的1/2处，柔轮齿的弧齿厚为S，柔轮齿间的弧长为S₁，S₁取得比S大，以减小齿部对柔轮筒体弯曲应力的影响。为了加强柔轮齿根处的抗疲劳强度，柔轮齿根处的圆弧半径r取得比一般齿轮大一些，r约等于模数的一半。柔轮齿顶处也有小的圆角，有利于改善啮合情况。除了上述齿根处的圆弧和齿顶处的小圆角外，柔轮齿形的其余部分为经计算确定的有适当原始齿形角和移距系数的渐开线。

由于柔轮对应于图3中A-A截面和C-C截面的两面段齿比上述B-B截面处的齿更容易发生干涉，A-A截面处是由于变形量太大，柔轮轮齿的齿顶与刚轮齿根处啮入时产生干涉。C-C截面处是在啮出时两轮齿顶容易发生干涉，为了避免干涉，在图6中，这两段齿的齿高可以略微削低一些，做成斜坡状。

在图7中，刚轮的齿形同是渐开线，其原始齿形角和移距系数均取经计算确定的适当值。除了齿顶部有一个小的圆角外，齿形的其余部分和一般内齿轮的渐开线齿形完全一样，便于采用通常的制齿方法和设备加工。

按照上述方法对柔轮与刚轮的渐开线齿形进行适当的三维修形，并对杯形柔轮结构、凸轮轮廓曲线采取如上所述的改进措施后，实践已经证明，采用便于加工的三维修形渐开线齿形，可以达到缩短柔轮的长径比至0.6-0.5、速比小至30、刚度和承载能力不低于国外采用非渐开线齿形的同类产品，运转正常的效果。

当然，本实用新型不但适用于短筒柔轮的谐波传动装置，也适用于一般的长筒柔轮谐波传动装置。

Claims (4)

1、一种带有杯形柔轮的谐波传动装置，主要由杯形柔轮、刚轮、波发生器组成，所述波发生器由凸轮和柔性轴承组成，在所述波发生器作用下，所述杯形柔轮的外齿与所述刚轮的内齿啮合在一起，特征在于：所述杯形柔轮其杯形部分的长度L与内径D之比值在0.6至0.5之间，所述杯形柔轮的齿根下壁厚h与所述杯形柔轮内孔直径D之比值(h/D)在0.01至0.0085之间，所述波发生器与所述柔轮或所述刚轮的转速比可小到30，所述杯形柔轮的外齿和所述刚轮的内齿的齿廓均采用三维修形渐开线齿形，所述三维修形渐开线齿形的原始齿形角(α₀)在20°至28°之间；所述杯形柔轮的外齿的齿高与模数之比沿轴向变化，其比值在1至1.7之间，所述杯形柔轮在其齿部的中间截面处，变形系数(Δ/M)的值在0.7至1之间。

2、根据权利要求1所述的谐波传动装置，其特征在于：所述杯形柔轮外齿的齿根部为一个与其所述的三维修形渐开线齿形的渐开线部分光滑过渡的圆，所述过渡圆弧的半径r与柔轮模数M的比值(r/M)在0.3至0.5之间。

3、根据权利要求1所述的谐波传动装置，其特征在于：所述杯形柔轮外齿的齿顶部有一个小的圆角。

4、根椐权利要求1、2或3所述的谐波传动装置，其特征在于：所述杯形柔轮齿部的前段和后段齿高略低于所述杯形柔轮齿部中段的齿高，齿部的前段和后段均呈斜坡状。

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