諧波齒輪機構(gòu)的設(shè)計畢業(yè)論文.doc

諧波齒輪傳動第1頁共26頁第1章諧波齒輪概述1.1概述1.1.1諧波齒輪技術(shù)的發(fā)展概況諧波齒輪傳動的傳動原理與普通齒輪傳動不同，它是利用控制柔性齒輪的彈性變形來實現(xiàn)傳遞運動和動力的。諧波齒輪傳動一般有波發(fā)生器、柔性齒輪和剛性齒輪三個基本構(gòu)件。因為，由波發(fā)生器的作用迫使柔性齒輪所產(chǎn)生的變形波是一個基本對稱的簡諧波，故稱這種機械傳動形式為諧波傳動。諧波齒輪傳動是諧波傳動中的一種主要結(jié)構(gòu)類型；它是以齒輪作為基本元件的諧波傳動形式。此外，諧波齒輪還包括：諧波摩擦傳動、諧波螺旋傳動和諧波無級變速傳動等結(jié)構(gòu)類型。我過于60年代中期，國內(nèi)有關(guān)的研究機構(gòu)開始引進(jìn)了諧波傳動這項新技術(shù)，并開展了該項目的研究工作。70年代末，我國許多的工業(yè)部門、機械研究所和有關(guān)的工科院校都先后對諧波齒輪傳動進(jìn)行了理論和試驗研究以及設(shè)計試制等工作，研制出了一些性能較好的諧波齒輪減速器。自1980年起，我國也開始了諧波齒輪的標(biāo)準(zhǔn)化和系列化工作。經(jīng)過約5年時間的研究試制，于1985年制訂了中小功率的通用諧波齒輪減速器的標(biāo)準(zhǔn)系列。從而，使我國成為世界上具有通用諧波齒輪減速器標(biāo)準(zhǔn)的第四個國家。1.1.2諧波齒輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成諧波齒輪機構(gòu)通常由波發(fā)生器H、柔輪g和剛輪b（采用具有剛性齒輪的行星機構(gòu)相類似的符號來表示）三個基本構(gòu)件所組成。如下圖所示：1-波發(fā)生器2-柔輪3-剛輪在諧波傳動中，波發(fā)生器H旋轉(zhuǎn)一圈，柔輪上某一點變形的循環(huán)次數(shù)，叫做柔輪的變形波數(shù)，用符號u表示；即變形波數(shù)u應(yīng)按柔輪g與剛輪b同時嚙合的區(qū)域數(shù)目來確定。在一般情況下，可以采用單波（u=1）、雙波（u=2）、三波（u=3）、四波（u=4）傳動。但由于受到柔輪g材料許用應(yīng)力的限制，通常大都采用的是雙波（u=2）和三波（u=3）傳動；目前，應(yīng)用較廣泛的仍然是雙波（u=2）傳動。而剛輪b和柔輪g的齒數(shù)差，一般應(yīng)取為江南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計第2頁共26頁柔輪g的變形波數(shù)u，即Zb-Zg=u；或者在某寫情況下取成u的倍數(shù)。柔輪的變形波數(shù)u和剛輪b與柔輪g的齒數(shù)差Zp=Zb-Zg的選擇應(yīng)按柔輪的強度條件和傳動比的大小確定。對于傳動比i80的剛制柔輪g，采用變形波數(shù)u=2和齒數(shù)差Zp=Zb-Zg=2較為合理。對于傳動比i120的情況，當(dāng)齒數(shù)差Zp=Zb-Zg=3時，則了采用柔輪的變形波數(shù)u=3。當(dāng)變形波數(shù)u=2，而齒數(shù)差Zp=Zb-Zg=0(零齒差)時,這種零齒差的齒輪副嚙合也是完全可以實現(xiàn)的.在這種情況下,諧波齒輪減速器便轉(zhuǎn)化為諧波齒輪連軸器；即成為柔輪g與輸出剛輪b的輪齒相互嚙合的連接方式。1.2諧波齒輪機構(gòu)的主要特點由于諧波齒輪傳動中具有一個柔性構(gòu)件(柔輪g),所以,與具有剛性構(gòu)件的行星齒輪傳動相比較,諧波齒輪機構(gòu)具有以下幾個主要特點:a.結(jié)構(gòu)簡單,重量輕,體積小.由于諧波齒輪機構(gòu)的零件數(shù)目較少,其主要零件只有剛輪b、柔輪g和波發(fā)生器H三個。所以，在相同的工作條件下，諧波齒輪傳動的體積約為普通齒輪傳動體積的1/31/2左右。零件數(shù)約少一半,結(jié)構(gòu)簡單、重量也減少了許多。b.單級傳動比大，且傳動比范圍寬。一般單級諧波齒輪機構(gòu)的傳動比為i=60100。當(dāng)采用行星式波發(fā)生器H時，其傳動比為1504000；而采用雙級或復(fù)波諧波傳動時，則其傳動比i可達(dá)106。c.同時參與嚙合的齒數(shù)多。在承受載荷情況下，雙波傳動同時嚙合齒數(shù)可達(dá)總齒數(shù)的30%50%；采用三波傳動則更多。而普通圓柱齒輪同時嚙合齒數(shù)一般為兩對左右，即重合度=12。不過，應(yīng)該指出：諧波齒輪機構(gòu)工作時同時嚙合的齒輪與其所選用的波發(fā)生器的結(jié)構(gòu)形式、嚙合參數(shù)和所轉(zhuǎn)矩的大小有關(guān)，故不能一概而論。由于諧波齒輪傳動同時參與嚙合的輪齒數(shù)目多，即可承受載荷的輪齒數(shù)目也多，故其傳動平穩(wěn)，承載能力大。d.傳動精度高。由于諧波機構(gòu)同時嚙合的齒數(shù)較多，其輪齒誤差能相互補償一部分。一般情況下，諧波齒輪傳動與相同精度等級的普通齒輪傳動相比，其傳動精度較高，有的精度可達(dá)倍左右。e.齒面磨損小而且均勻。當(dāng)正確選擇嚙合參數(shù)時，柔輪的輪齒相對于剛輪的輪齒將沿著一條滑動路徑很短的軌跡移動。此時，輪齒間的相對滑動速度要比剛性齒輪傳動小許多倍。另外，兩輪齒的嚙合接近于面接觸。因此，在諧波機構(gòu)的傳動過程中，輪齒工作面磨損小，而且均勻。f.傳動效率高。諧波齒輪機構(gòu)的傳動效率與其結(jié)構(gòu)、加工精度、表面粗糙度和潤滑有關(guān)。當(dāng)傳動比i=80300時，其單級的傳動效率約為=0.70.9。一般，諧波機構(gòu)本身是不能自鎖的，故它既可作為減速器，又可作為增速器。g.空回量小，并可實現(xiàn)無側(cè)隙傳動。在諧波齒輪機構(gòu)的傳動過程中，由于輪齒的相諧波齒輪傳動第3頁共26頁互摩擦而致使其產(chǎn)生空回量。但其空回量的大小可借助于調(diào)整波發(fā)生器的尺寸（比如凸輪的長、短軸）來進(jìn)行調(diào)整；甚至可以調(diào)整輪齒間的側(cè)隙為零，以保證獲得無側(cè)隙傳動。h.運動平穩(wěn)，無沖擊。由于同時參與嚙合的齒數(shù)多，兩輪齒的嚙合接近于面接觸。而且，柔輪的嚙入和嚙出是隨著其本身的變形而逐漸進(jìn)入和退出剛輪齒槽間的，因此，其運動平穩(wěn)，無沖擊現(xiàn)象。i.傳動的同軸性好。由于諧波機構(gòu)中的輸入軸與輸出軸大都位于同一軸線上，所以，該傳動的同軸性能良好。j.可實現(xiàn)向密封空間傳遞運動或動力。由于柔輪被固定后，它既可用作為封閉傳動裝置的殼體，又可以產(chǎn)生彈性變形，即完成錯齒運動，從而達(dá)到傳遞運動或動力的目的。因此，它可用在操縱高溫、高壓的管道，以及用來驅(qū)動在高真空、有原子輻射或其他有害介質(zhì)空間的傳動機構(gòu)。這是現(xiàn)有的其它傳動機構(gòu)所不能及的。盡管諧波齒輪機構(gòu)具有上述的優(yōu)點，但也存在著一些缺點。它的缺點如下：a.諧波齒輪傳動的傳動比下限值較高，當(dāng)采用剛制柔輪時，其單級傳動比不得小于60。目前，雖然也可能見到傳動比為3560的諧波齒輪機構(gòu)，但它們?nèi)捎冒嘿F的特種鋼制造的。因為，其傳動比的下限值受到柔輪工作時的最大應(yīng)力max的限制。一般情況是：傳動比i值越大，采用諧波齒輪機構(gòu)的傳動效果越好。但是，其單級傳動比的上限值又受到嚙合輪齒的最小模數(shù)值和輪齒嚙入深度的限制，故其傳動比的上限值為：350400。b.柔輪和撥發(fā)生器的制造較復(fù)雜，需要專門的設(shè)備，這樣就給單件生產(chǎn)和修理工作帶來了困難，因而使其制造成本較高。但是，在專業(yè)化的工廠中，進(jìn)行大批量的生產(chǎn)時，由于采用專門的工裝夾具和新的工藝，則可使諧波齒輪機構(gòu)的制造成本比行星齒輪機構(gòu)的制造成本低。c.諧波齒輪機構(gòu)一般做成相交軸的傳動結(jié)構(gòu)。由上述可見，諧波齒輪傳動與普通齒輪傳動、蝸桿蝸輪傳動等比較，具有許多獨特的優(yōu)點，而且日益得到人們的重視和廣泛應(yīng)用。它非常適用于作為大傳動比的齒輪減速器和機械分度機構(gòu)、伺服裝置、雷達(dá)裝置及自動控制等高精度的傳動系統(tǒng)中。在機械自動化方面，可用于數(shù)控機床的傳動裝置，回轉(zhuǎn)機構(gòu)的減速器。在軍事裝備方面，可用作火炮瞄準(zhǔn)機的減速裝置、坦克和自行火炮炮塔回轉(zhuǎn)機的減速器、無線電通訊天線的傳動機構(gòu)、雷達(dá)天線驅(qū)動系統(tǒng)的傳動機構(gòu)、飛機螺旋槳的強力諧波傳動機構(gòu)。在航天飛行方面，可用諧波傳動馬達(dá)代替火箭中的液體原動機和人造衛(wèi)星儀器上的諧波馬達(dá)等。1.3諧波齒輪機構(gòu)的傳動原理對于采用凸輪撥發(fā)生器的諧波齒輪機構(gòu)，在裝配前，柔輪的原始剖面為圓形。柔輪和剛輪的齒矩p（周節(jié)）相等，但剛輪的齒數(shù)比柔輪的齒數(shù)要多。波發(fā)生器的橢圓長軸比未變形柔輪的內(nèi)圓直徑略大/當(dāng)撥發(fā)生器裝入柔輪的內(nèi)圓時，迫使柔輪產(chǎn)生彈性變形，而使其變?yōu)闄E圓形。當(dāng)剛輪固定，波發(fā)生器為輸入件，柔輪為輸出件時，其傳動原理為：如下圖所示：江南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計第4頁共26頁當(dāng)波發(fā)生器在原動機的驅(qū)動下于柔輪內(nèi)旋轉(zhuǎn)時，就迫使柔輪不斷地產(chǎn)生變形，于是，柔輪的輪齒就在變形的過程中逐漸進(jìn)入或退出剛輪的齒間。在波發(fā)生器的橢圓長軸方向，柔輪與剛輪成為完全嚙合狀態(tài)（簡稱嚙合）；而在波發(fā)生器的橢圓短軸方向，則處于完全脫開狀態(tài)（簡稱脫開）。而處于波發(fā)生器長軸與短軸之間（如45o方向）的輪齒，沿柔輪軸長的不同區(qū)段內(nèi)，有的輪齒逐漸進(jìn)入剛輪的齒間，而處于半嚙合狀態(tài)，稱為嚙入；有的齒輪則逐漸退出剛輪的齒間，而處于半脫開狀態(tài)，稱為嚙出。由于波發(fā)生器在柔輪內(nèi)進(jìn)行連續(xù)轉(zhuǎn)動，便使得兩輪輪齒的嚙入、嚙合、嚙出、脫開這四種狀態(tài)不斷地改變各自原來的工作情況，而產(chǎn)生所謂的錯齒運動。正是由于存在著這種相互的錯齒運動，才能把輸入運動變成為輸出運動。例如，將波發(fā)生器輸入的角速度H,經(jīng)減速傳動而變成柔輪輸出的角速度g，此時，剛輪固定不動，柔輪便向著與波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)相反的方向轉(zhuǎn)動。對于雙波傳動（u=2）的運動規(guī)律是：波發(fā)生器H旋轉(zhuǎn)一周（周長2rH），柔輪相對于剛輪在圓周方向轉(zhuǎn)過兩個齒矩2p的弧長；若H旋轉(zhuǎn)二分之一圈時，柔輪就轉(zhuǎn)過一個齒矩p的弧長；若H旋轉(zhuǎn)四分之一圈時，則柔輪便轉(zhuǎn)過p/2（p為齒矩）的弧長；依次類推。在旋轉(zhuǎn)波發(fā)生器迫使柔輪產(chǎn)生彈性變形的