諧波傳動(dòng)減速器

　　英文名稱：harmonicgeardrive定義：主要由波發(fā)生器、柔性齒輪和剛性齒輪三個(gè)基本構(gòu)件組成，諧波傳動(dòng)減速器，是一種靠波發(fā)生器使柔性齒輪產(chǎn)生可控彈性變形，并與剛性齒輪相嚙合來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的齒輪傳動(dòng)。應(yīng)用學(xué)科：機(jī)械工程（一級學(xué)科）；傳動(dòng)（二級學(xué)科）；齒輪傳動(dòng)（三級學(xué)科）諧波齒輪傳動(dòng)減速器是利用行星齒輪傳動(dòng)原理發(fā)展起來的一種新型減速器。諧波齒輪傳動(dòng)（簡稱諧波傳動(dòng)）。

1 傳動(dòng)原理

　　最簡單的諧波減速器

　　它主要由三個(gè)基本構(gòu)件組成：

　　（1）帶有內(nèi)齒圈的剛性齒輪（剛輪），它相當(dāng)于行星系中的中心輪；

　?。?）帶有外齒圈的柔性齒輪（柔輪），它相當(dāng)于行星齒輪；

　?。?）波發(fā)生器H，它相當(dāng)于行星架。

　　作為減速器使用，通常采用波發(fā)生器主動(dòng)、剛輪固定、柔輪輸出形式。

　　波發(fā)生器H是一個(gè)桿狀部件，其兩端裝有滾動(dòng)軸承構(gòu)成滾輪，與柔輪1的內(nèi)壁相互壓緊。柔輪為可產(chǎn)生較大彈性變形的薄壁齒輪，其內(nèi)孔直徑略小于波發(fā)生器的總長。波發(fā)生器是使柔輪產(chǎn)生可控彈性變形的構(gòu)件。當(dāng)波發(fā)生器裝入柔輪后，迫使柔輪的剖面由原先的圓形變成橢圓形，其長軸兩端附近的齒與剛輪的齒完全嚙合，而短軸兩端附近的齒則與剛輪完全脫開。周長上其他區(qū)段的齒處于嚙合和脫離的過渡狀態(tài)。當(dāng)波發(fā)生器沿圖示方向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，柔輪的變形不斷改變，使柔輪與剛輪的嚙合狀態(tài)也不斷改變，由嚙入、嚙合、嚙出、脫開、再嚙入……，周而復(fù)始地進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)柔輪相對剛輪沿波發(fā)生器H相反方向的緩慢旋轉(zhuǎn)。工作時(shí)，固定剛輪，由電機(jī)帶動(dòng)波發(fā)生器轉(zhuǎn)動(dòng)，柔輪作為從動(dòng)輪，輸出轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)。在傳動(dòng)過程中，波發(fā)生器轉(zhuǎn)一周，柔輪上某點(diǎn)變形的循環(huán)次數(shù)稱為波數(shù)，以n表示。常用的是雙波和三波兩種。雙波傳動(dòng)的柔輪應(yīng)力較小，結(jié)構(gòu)比較簡單，易于獲得大的傳動(dòng)比。故為目前應(yīng)用最廣的一種。

　　諧波齒輪傳動(dòng)的柔輪和剛輪的齒距相同，但齒數(shù)不等，通常采用剛輪與柔輪齒數(shù)差等于波數(shù)，即

　　z2－z1=n

　　式中z2、z1--分別為剛輪與柔輪的齒數(shù)。

　　當(dāng)剛輪固定、發(fā)生器主動(dòng)、柔輪從動(dòng)時(shí)，諧波齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比為

　　i=-z1/(z2-z1)

　　雙波傳動(dòng)中，z2－z1=2，柔輪齒數(shù)很多。上式負(fù)號表示柔輪的轉(zhuǎn)向與波發(fā)生器的轉(zhuǎn)向相反。由此可看出，諧波減速器可獲得很大的傳動(dòng)比。

　　波發(fā)生器使柔輪產(chǎn)生彈性變形而呈橢圓狀。為此，橢圓的長軸部分與剛輪完全嚙合，而短軸部分兩輪輪齒處于完全脫開狀態(tài)。

　　使剛輪固定，波發(fā)生器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，柔輪產(chǎn)生彈性變形，與剛輪輪齒嚙合的部位順次移動(dòng)。

　　波發(fā)生器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180度，柔輪逆時(shí)針移動(dòng)一個(gè)輪齒。

　　波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)一周（360度），由于柔輪的齒數(shù)比剛輪少兩個(gè)，因此逆時(shí)針移動(dòng)兩個(gè)輪齒。通常將該運(yùn)動(dòng)傳遞作為輸出。

　　1.減速比高單級同軸可獲得1/30～1/320的高減速比。結(jié)構(gòu)、構(gòu)造簡單，卻能實(shí)現(xiàn)高減速比裝置。

　　2.齒隙小HarmonicDrive?不同于與普通的齒輪嚙合，齒隙極小，該特長對于控制器領(lǐng)域而言是不可或缺的要素。

　　3.精度高多齒同時(shí)嚙合，并且有兩個(gè)180度對稱的齒輪嚙合，因此齒輪齒距誤差和累積齒距誤差對旋轉(zhuǎn)精度的影響較為平均，使位置精度和旋轉(zhuǎn)精度達(dá)到極高的水準(zhǔn)。

　　4.零部件少、安裝簡便三個(gè)基本零部件實(shí)現(xiàn)高減速比，而且它們都在同軸上，所以套件安裝簡便，造型簡捷。

　　5.體積小、重量輕與以往的齒輪裝置相比，體積為1/3，重量為1/2，卻能獲得相同的轉(zhuǎn)矩容量和減速比，實(shí)現(xiàn)小型輕量化。

　　6.轉(zhuǎn)矩容量高柔輪材料使用疲勞強(qiáng)度大的特殊鋼。與普通的傳動(dòng)裝置不同，同時(shí)嚙合的齒數(shù)占總齒數(shù)的約30%，而且是面接觸，因此使得每個(gè)齒輪所承受的壓力變小，可獲得很高的轉(zhuǎn)矩容量。

　　7.效率高輪齒嚙合部位滑動(dòng)甚小，減少了摩擦產(chǎn)生的動(dòng)力損失，因此在獲得高減速比的同時(shí)，得以維持高效率，并實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的小型化。

　　8.噪音小輪齒嚙合周速低，傳遞運(yùn)動(dòng)力量平衡，因此運(yùn)轉(zhuǎn)安靜，且振動(dòng)極小。

2 基本特點(diǎn)

　　1．承載能力高諧波傳動(dòng)中，齒與齒的嚙合是面接觸，加上同時(shí)嚙合齒數(shù)（重疊系數(shù)）比較多，因而單位面積載荷小，承載能力較其他傳動(dòng)形式高。

　　2．傳動(dòng)比大單級諧波齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比，可達(dá)i=70～500。

　　3．體積小、重量輕。

　　4．傳動(dòng)效率高、壽命長。

　　5．傳動(dòng)平穩(wěn)、無沖擊，無噪音，運(yùn)動(dòng)精度高。

　　6．由于柔輪承受較大的交變載荷，因而對柔輪材料的抗疲勞強(qiáng)度、加工和熱處理要求較高，工藝復(fù)雜。

　　諧波減速器在國內(nèi)于六七十年代才開始研制，已有不少廠家專門生產(chǎn)，并形成系列化。廣泛應(yīng)用于電子、航天航空、機(jī)器人等行業(yè)，由于它的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在化工行業(yè)的應(yīng)用也逐漸增多。

3 主要優(yōu)點(diǎn)

　　(1)傳動(dòng)速比大。單級諧波齒輪傳動(dòng)速比范圍為70~320，在某些裝置中可達(dá)到1000，多級傳動(dòng)速比可達(dá)30000以上。它不僅可用于減速，也可用于增速的場合。

　　(2)承載能力高。這是因?yàn)橹C波齒輪傳動(dòng)中同時(shí)嚙合的齒數(shù)多，雙波傳動(dòng)同時(shí)嚙合的齒數(shù)可達(dá)總齒數(shù)的30%以上，而且柔輪采用了高強(qiáng)度材料，齒與齒之間是面接觸。

　　(3)傳動(dòng)精度高。這是因?yàn)橹C波齒輪傳動(dòng)中同時(shí)嚙合的齒數(shù)多，誤差平均化，即多齒嚙合對誤差有相互補(bǔ)償作用，故傳動(dòng)精度高。在齒輪精度等級相同的情況下，傳動(dòng)誤差只有普通圓柱齒輪傳動(dòng)的1/4左右。同時(shí)可采用微量改變波發(fā)生器的半徑來增加柔輪的變形使齒隙很小，甚至能做到無側(cè)隙嚙合，故諧波齒輪減速機(jī)傳動(dòng)空程小，適用于反向轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　(4)傳動(dòng)效率高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。由于柔輪輪齒在傳動(dòng)過程中作均勻的徑向移動(dòng)，因此，即使輸入速度很高，輪齒的相對滑移速度仍是極低(故為普通漸開線齒輪傳動(dòng)的百分之—)，所以，輪齒磨損小，效率高(可達(dá)69%~96%)。又由于嚙入和嚙出時(shí)，齒輪的兩側(cè)都參加工作，因而無沖擊現(xiàn)象，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。

　　(5)結(jié)構(gòu)簡單、零件數(shù)少、安裝方便。僅有三個(gè)基本構(gòu)件，且輸入與輸出軸同軸線，所以結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。

　　(6)體積小、重量輕。與一般減速機(jī)比較，輸出力矩相同時(shí)，諧波齒輪減速機(jī)的體積可減小2/3，重量可減輕1/2。

　　(7)可向密閉空間傳遞運(yùn)動(dòng)。利用柔輪的柔性特點(diǎn)，輪傳動(dòng)的這一可貴優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)有其他傳動(dòng)無法比擬的。

4 應(yīng)用范圍

　　諧波齒輪減速機(jī)在航空、航天、能源、航海、造船、仿生機(jī)械、常用軍械、機(jī)床、儀表、電子設(shè)備、礦山冶金、交通運(yùn)輸、起重機(jī)械、石油化工機(jī)械、紡織機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械以及醫(yī)療器械等方面得到日益廣泛的應(yīng)用，特別是在高動(dòng)態(tài)性能的伺服系統(tǒng)中，采用諧波齒輪傳動(dòng)更顯示出其優(yōu)越性。它傳遞的功率從幾十瓦到幾十千瓦，但大功率的諧波齒輪傳動(dòng)多用于短期工作場