諧波減速器原理及特點(diǎn)

1、諧波減速器原理及特點(diǎn)1. 概述1.1 產(chǎn)生及發(fā)展諧波齒輪傳動(dòng)技術(shù)是20世紀(jì)50年代末隨著航天技術(shù)發(fā)展而發(fā)明的一種具有重大突破的新型傳動(dòng)技術(shù)，由美國(guó)人C. W.馬瑟磚1955年提出專利，1960年在紐約展出實(shí)物。諧波傳動(dòng)的發(fā)展是由軍事和尖端技術(shù)開始的，以后逐漸擴(kuò)展到民用和一般機(jī)械上。這種傳動(dòng)較一般的齒輪傳動(dòng)具有運(yùn)動(dòng)精度高，回差小，傳動(dòng)比大，重量輕，體積小，承載能力大，并能在密閉空間和輻射介質(zhì)的工況下正常工作等優(yōu)點(diǎn)，因此美，俄，日等技術(shù)先進(jìn)國(guó)家，對(duì)這方面地研制工作一直都很重視。如美國(guó)就有國(guó)家航空管理局路易斯研究中心，空間技術(shù)試驗(yàn)室，USM公司，貝爾航空空間公司，麻省理工學(xué)院，通用電器公司等幾十個(gè)大

2、型公司和研究中心都從事過這方面的研究工作。前蘇聯(lián)從60年代初期開始，也大力開展這方面的研制工作，如蘇聯(lián)機(jī)械研究所，莫斯科褒曼工業(yè)大學(xué)，列寧格勒光學(xué)精密機(jī)械研究所，全蘇聯(lián)減速器研究所等都大力開展諧波傳動(dòng)的研究工作。他們對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行了較系統(tǒng)，較深入的基礎(chǔ)理論和試驗(yàn)研究，在諧波傳動(dòng)的類型，結(jié)構(gòu)，應(yīng)用等方面有較大的發(fā)展。日本長(zhǎng)谷齒輪株式會(huì)社等有關(guān)企業(yè)在諧波齒輪傳動(dòng)的研制和標(biāo)準(zhǔn)化、系列化等方面作出了很大貢獻(xiàn)。西歐一些國(guó)家除了在衛(wèi)星，機(jī)器人，數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域采用諧波齒輪傳動(dòng)外，對(duì)諧波傳動(dòng)的基礎(chǔ)理論也開始進(jìn)行系統(tǒng)的研究。諧波齒輪傳動(dòng)技術(shù)1970年引入日本，隨之誕生了日本第一家整體運(yùn)動(dòng)控制的領(lǐng)軍企業(yè)-日本Har

3、monic Drive SystemsInc.(簡(jiǎn)稱HDSI)。目前日本HDSI公司是國(guó)際領(lǐng)先的諧波減速器公司，其生產(chǎn)的Harmonic Drive諧波減速器，具有輕量、小型、傳動(dòng)效率高、減速范圍廣、精度高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種傳動(dòng)系統(tǒng)中。諧波傳動(dòng)技術(shù)于1961年由上海紡織科學(xué)研究院的孫偉工程師介紹入我國(guó)。此后，我國(guó)也積極引進(jìn)并研究發(fā)展該項(xiàng)技術(shù)，1983年成立了諧波傳動(dòng)研究室，1984年“諧波減速器標(biāo)準(zhǔn)系列產(chǎn)品”在北京通過鑒定，1993年制定了GB/T14118-1993諧波傳動(dòng)減速器標(biāo)準(zhǔn)，并在理論研究、試制和應(yīng)用方面取得較大成績(jī)，成為掌握該項(xiàng)技術(shù)的國(guó)家之一。到目前為止，我國(guó)己有北京諧波傳動(dòng)

4、技術(shù)研究所、北京中技克美有限責(zé)任公司、燕山大學(xué)、鄭州機(jī)械研究所、北方精密機(jī)械研究所、貴州群建齒輪有限公司等單位從事這方面的研究和生產(chǎn)，為我國(guó)諧波傳動(dòng)技術(shù)的研究和推廣應(yīng)用開展了深入的研究和試驗(yàn)工作。1.2 傳動(dòng)原理諧波傳動(dòng)減速器英文名稱：harmonic gear drive，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，如圖1-1所示。波發(fā)生器是一個(gè)凸輪部件，其兩端與柔輪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(zhǎng)。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(zhǎng)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。

5、周長(zhǎng)上其他區(qū)段的齒處于嚙合和脫離的過渡狀態(tài)。圖1-1 諧波齒輪減速器組成當(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(duì)剛輪沿波發(fā)生器相反方向的緩慢旋轉(zhuǎn)，如圖1-2所示。圖1-2 諧波齒輪嚙合簡(jiǎn)圖在傳動(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(jiǎn)單，易于獲得大的傳動(dòng)比。故為目前應(yīng)用最廣的一種。 諧波傳動(dòng)減速器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：Z2Z1=n （1-1）式中

6、： Z2、Z1-分別為剛輪與柔輪的齒數(shù)。其傳動(dòng)比為：剛輪固定柔輪輸出 （1-2）柔輪固定剛輪輸出 （1-3）雙波傳動(dòng)中，Z2Z1=2，柔輪齒數(shù)很多。上式負(fù)號(hào)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。1.3 傳動(dòng)特點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn)：（1）傳動(dòng)速比大。單級(jí)諧波齒輪傳動(dòng)速比范圍為70320，在某些裝置中可達(dá)到1000，多級(jí)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(chǎng)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

7、動(dòng)中同時(shí)嚙合的齒數(shù)多，誤差平均化，即多齒嚙合對(duì)誤差有相互補(bǔ)償作用，故傳動(dòng)精度高。在齒輪精度等級(jí)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(duì)滑移速度仍是極低（故為普通漸開線齒輪傳動(dòng)的1%），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(jiǎn)單、零件數(shù)少、安裝方便。僅有三個(gè)基本構(gòu)件，且

8、輸入與輸出軸同軸線，所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。主要缺點(diǎn)：（1）柔輪周期性變形，工作情況惡劣，從而易于疲勞損壞。（2）柔輪和波發(fā)生器的制造難度較大，需要專門設(shè)備，給單件生產(chǎn)和維修造成了困難。（3）傳動(dòng)比的下限值高，齒數(shù)不能太少，當(dāng)波發(fā)生器為主動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)比一般不能小于35。（4）起動(dòng)力矩大。1.4 應(yīng)用情況由于諧波齒輪傳動(dòng)具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，近幾十年來，諧波齒輪傳動(dòng)技術(shù)和傳動(dòng)裝置已被廣泛應(yīng)用于空間技術(shù)，雷達(dá)通訊，能源，機(jī)床，儀器儀表，機(jī)器人，汽車，造船，紡織，冶金，常規(guī)武器，精密光學(xué)設(shè)備，印刷包裝機(jī)械以及醫(yī)療機(jī)械等領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用實(shí)踐證明，無論是作為高靈敏度隨動(dòng)系統(tǒng)的精密諧波傳動(dòng)，還是作為傳遞大轉(zhuǎn)矩的動(dòng)力諧波傳動(dòng)，都表現(xiàn)出了良好的性能；作為空間傳動(dòng)裝置和用于操作高溫，操作高壓管路以及在有原子輻射或其它有害介質(zhì)下提供的工作的機(jī)構(gòu)，更顯示出了其它一些機(jī)構(gòu)難以比擬的優(yōu)越性。諧波齒輪一般都是小模數(shù)齒輪，諧波齒輪一般都具有小體積和超小體積傳動(dòng)裝置的特征。諧波齒輪傳動(dòng)在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用最多，在該領(lǐng)域的應(yīng)用數(shù)量超過總量的60%。減速器是工業(yè)機(jī)器人的三大核心零部件之一，諧波減速器則是當(dāng)前主要的兩種工業(yè)減速器之一，因?yàn)轶w積小、重量輕、扭矩大、安裝緊湊、傳動(dòng)