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        諧波齒輪傳動柔輪的設(shè)計

        2018-02-06 03:05:30莊劍毅
        機電信息 2018年3期
        關(guān)鍵詞:柔輪齒形隔膜

        劉 青 鄒 俊 莊劍毅

        (1.廣州市昊志機電股份有限公司,廣東廣州511356;2.歐姆龍(廣州)汽車電子有限公司,廣東廣州510663)

        1 諧波齒輪的組成及工作原理

        諧波減速器,俗稱諧波齒輪傳動裝置。該減速器結(jié)構(gòu)簡單,由三個基本件組成:柔輪、剛輪及波發(fā)生器。柔輪是具有外齒圈的柔性薄壁零件,其內(nèi)圈與柔性軸承的外圈相配合,一般安裝在減速器的輸出端;剛輪是具有內(nèi)齒圈的剛性環(huán)狀零件,一般比柔輪多兩個齒,固定在減速器的機體上;波發(fā)生器,一般由凸輪與柔性軸承組成,作為諧波齒輪傳動的輸入端,柔性軸承內(nèi)圈與凸輪固定,外圈則通過滾動體產(chǎn)生彈性變形而呈橢圓狀。

        諧波齒輪傳動通常作為減速器使用。在工作過程中,柔輪被迫產(chǎn)生彈性變形而呈橢圓狀,其長軸處柔輪的輪齒插入到剛輪的齒槽內(nèi),成為完全嚙合狀態(tài);而其短軸處兩輪輪齒則完全不接觸,處于脫開狀態(tài);輪齒由嚙合到脫開的過程中則處于嚙入或嚙出狀態(tài)。當(dāng)波發(fā)生器連續(xù)轉(zhuǎn)動時,柔輪被迫不斷產(chǎn)生彈性變形,使兩輪輪齒在嚙入、嚙出及脫開的過程中不斷改變各自的工作狀態(tài),產(chǎn)生錯齒運動,從而實現(xiàn)了主動波發(fā)生器與柔輪的運轉(zhuǎn)傳遞。波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)一周,柔輪向逆時針方向移動兩個齒,其錯齒過程如圖1所示。

        圖1 諧波減速器錯齒過程

        2 諧波齒輪傳動的特點及應(yīng)用

        諧波齒輪傳動裝置特有的結(jié)構(gòu)決定了其獨特性。與一般齒輪減速器相比,其主要特點如下:(1)傳動比大而且范圍廣。單級傳動的傳動比為50~500(如果采用行星式波發(fā)生器,則傳動比可擴大至150~4 000,復(fù)式傳動的傳動比可達107)。(2)傳動時同時參與嚙合的齒對數(shù)多(傳遞名義力矩時,同時參與嚙合的齒對數(shù)可達總齒數(shù)的30%~40%),承載能力大。(3)齒面磨損小而均勻,傳動效率高。根據(jù)傳動比值的不同,單級傳動效率為65%~90%。(4)傳動精度高,壽命長。在相同的制造精度下,諧波齒輪傳動的精度比一般齒輪傳動的精度至少高一級。(5)傳動平穩(wěn),無沖擊,噪音小。(6)齒側(cè)間隙便于調(diào)整,并易于獲得零側(cè)隙傳動。

        正因為諧波齒輪傳動有上述優(yōu)點,其在航天、航空、航海、仿生機械、能源、常規(guī)軍械、機床、儀表、電子設(shè)備、礦山冶金、交通運輸、起重機械、石油化工機械、紡織、農(nóng)業(yè)機械、醫(yī)療器械以及機器人關(guān)節(jié)等方面得到了日益廣泛的應(yīng)用。特別是在高動態(tài)性能的伺服系統(tǒng)中,采用諧波齒輪傳動更顯示出其優(yōu)越性能。

        在傳動比和承載條件相當(dāng)?shù)臈l件下,諧波齒輪傳動裝置體積與質(zhì)量可減小1/3~1/2。在該減速裝置中,柔輪是在反復(fù)彈性變形的狀態(tài)下工作的。由于柔輪是可產(chǎn)生較大變形的薄壁金屬件,其結(jié)構(gòu)直接影響了諧波減速器角度傳動精度、剛性、強度、使用壽命等性能。

        柔輪結(jié)構(gòu)既可以為杯型,亦可設(shè)計為禮帽型,與剛輪嚙合部位呈薄壁外齒圈結(jié)構(gòu)。本文以杯型柔輪(外形結(jié)構(gòu)如圖2所示)為例來闡述其設(shè)計思路。

        圖2 柔輪結(jié)構(gòu)示意圖

        3 隔膜、胴部設(shè)計

        由于柔輪是薄壁件,且在工作過程中承受周期性變形,而其變形主要是通過隔膜與胴部來吸收的,因此柔輪的隔膜與胴部的設(shè)計尤為重要。

        柔輪隔膜與胴部設(shè)計可參考圖3、圖4。

        圖3 隔膜部分放大圖

        圖4 胴部部分放大圖

        3.1 隔膜的設(shè)計

        如圖3所示,隔膜主要由四段圓弧組成,且其厚度的大小從根部至柔輪半徑方向依次逐漸減小,其圓心依次為O1、O2、O3、O4,與此對應(yīng)的半徑比例為:1:R1:R2:R3。

        在設(shè)計時,先通過下式初步確定t(a),且t(b)/t(a)≤1/3。

        式中,D為柔輪分度圓直徑。

        圓弧O1的圓心角取α1,圓弧O2的圓心角取α2,圓弧O3的圓心角取α3。

        3.2 胴部的設(shè)計

        如圖4所示,胴部的長度分為兩部分,其中L4部分的厚度為一定值t(d),L3為圓弧,圓心為O7,且以O(shè)1為圓心的圓弧的半徑與以O(shè)7為圓心的圓弧的半徑之比為1:R4,最小厚度為t(c),且t(c)/t(d)=N/1。

        3.3 隔膜與胴部連接處的設(shè)計

        兩者之間的連接為圓弧連接,且其以O(shè)5、O6為圓心的內(nèi)外壁處圓弧半徑與以O(shè)1為圓心的圓弧的半徑之比為M/1。

        4 齒形設(shè)計

        在諧波齒輪傳動裝置中,每次齒形的改進都會使減速器的性能得到很大程度的提高。從最早的三角形直齒,到后來的漸開線齒形,到現(xiàn)在的雙圓弧齒形以及日本獨創(chuàng)的IH齒形,皆為減速器的發(fā)展帶來了質(zhì)的飛躍。在如火如荼的齒形創(chuàng)新中,我司亦研究出一種新齒形——ES齒形。

        該齒形的設(shè)計,首先要根據(jù)減速器的功能要求,確定以下參數(shù):減速比R、柔輪齒數(shù)ZF、剛輪齒數(shù)ZC。

        其設(shè)計思路參考我司專利CN 104819267A。

        5 齒向設(shè)計

        由于張角的存在,柔輪中性線沿著軸線方向,其徑向變形量是不一樣的,即其運動軌跡是不一樣的,在靠近杯底和靠近杯口的兩頭比較容易產(chǎn)生干涉。

        為了避免干涉并獲得良好的大范圍接觸,柔輪的齒向并不是一條直線,而是在兩頭存在小角度α,α的理論值為:

        式中,ω為徑向最大變形量;L為柔性軸承滾珠中心至杯底的距離。

        6 結(jié)語

        本文介紹了諧波齒輪傳動裝置的組成及工作原理,并列舉出其傳動特點及應(yīng)用。通過理論分析,給出了柔輪隔膜、胴部、齒形及齒向的設(shè)計思路及方法,為我司今后該系列產(chǎn)品的設(shè)計提供了一定參考,同時也為該行業(yè)的發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)。

        [1]湯秀清,莊劍毅.一種采用非干涉且大范圍嚙合齒廓的諧波齒輪裝置:CN 104819267A[P].2015-08-05.

        [2]龔仲華.工業(yè)機器人從入門到應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2016.

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