諧波傳動(dòng)概念

諧波傳動(dòng)是利用一個(gè)構(gòu)建的可控制的彈性變形來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的傳遞。諧波傳動(dòng)通常由三個(gè)基本構(gòu)件組成，包括一個(gè)有內(nèi)齒的剛輪，一個(gè)工作時(shí)可產(chǎn)生徑向彈性變形并帶有外齒的柔輪和一個(gè)裝在柔輪內(nèi)部、呈橢圓形、外圈帶有柔性滾動(dòng)軸承的波發(fā)生器。柔輪的外齒數(shù)少于剛輪的內(nèi)齒數(shù)。在波發(fā)生器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，相應(yīng)與長(zhǎng)軸方向的柔輪外齒正好完全嚙入剛輪的內(nèi)齒；在短軸方向，則外齒全脫開(kāi)內(nèi)齒。當(dāng)剛輪固定，波發(fā)生器發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，柔輪的外齒將依次嚙入和嚙出剛輪的內(nèi)齒，柔輪齒圈上的任意一點(diǎn)的徑向位移將呈近似于正弦波形的變化，所以這種傳動(dòng)稱為諧波傳動(dòng)。

傳動(dòng)比大，單級(jí)為50-300，雙極可達(dá)2×10^6。

傳動(dòng)平穩(wěn)，承載能力高，傳遞單位扭矩的體積和重量小。在相同條件下，體積可減少20-50%。

齒面磨損小而均勻，傳動(dòng)效率高。當(dāng)結(jié)構(gòu)合理潤(rùn)滑效果良好時(shí)，對(duì)i=100的傳動(dòng)，效率可達(dá)0.85。

傳動(dòng)精度高。在制造精度相同的情況下，諧波傳動(dòng)的精度可比普通齒輪傳動(dòng)高一級(jí)。若齒面經(jīng)過(guò)很好的研磨，則諧波齒輪傳動(dòng)的精度要比普通齒輪傳動(dòng)高4倍。

回差小。精密諧波傳動(dòng)的回差一般可小于3'，甚至可以實(shí)現(xiàn)無(wú)回差傳動(dòng)。

可以通過(guò)密封壁傳遞運(yùn)動(dòng)，這是其他傳動(dòng)機(jī)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)的。

諧波傳動(dòng)不可能獲得中間輸出，并且杯式柔輪剛度較低。

由波發(fā)生器、柔性件和剛性件 3個(gè)基本構(gòu)件組成的機(jī)械傳動(dòng)。這種傳動(dòng)是在波發(fā)生器的作用下，

使柔性件產(chǎn)生彈性變形并與剛性件相互作用而達(dá)到傳遞運(yùn)動(dòng)或動(dòng)力的目的。在傳動(dòng)中波發(fā)生器回轉(zhuǎn)一周，柔性件上某一點(diǎn)循環(huán)變形的次數(shù)稱波數(shù)。柔性件的變形過(guò)程是一個(gè)基本對(duì)稱的諧波（圖1）,故稱為諧波傳動(dòng)。常用的諧波傳動(dòng)是雙波傳動(dòng)。

圖2為一個(gè)外周有許多齒（ 120個(gè)以上）的柔輪與一個(gè)內(nèi)周有齒的剛輪相嚙合進(jìn)行傳動(dòng)，稱為諧波齒輪傳動(dòng)。假設(shè)將齒數(shù)無(wú)限增多，齒高也無(wú)限減小，則成為柔輪外表面和剛輪內(nèi)表面在波發(fā)生器長(zhǎng)軸方向上進(jìn)行接觸的諧波摩擦傳動(dòng)。由于這種接觸點(diǎn)的摩擦力很小，傳遞的力矩不大，容易打滑，實(shí)際上應(yīng)用很少。諧波傳動(dòng)也可以設(shè)計(jì)成由轉(zhuǎn)動(dòng)改為直線運(yùn)動(dòng),成為諧波螺旋傳動(dòng)。在3種傳動(dòng)中以諧波齒輪傳動(dòng)應(yīng)用最廣。圖2中波發(fā)生器是機(jī)械式波發(fā)生器，此外還有電磁式、液力式和氣動(dòng)式的波發(fā)生器，其中機(jī)械式波發(fā)生器應(yīng)用最普遍。

諧波傳動(dòng)是美國(guó)人C.W.馬瑟于1955年提出的專利，1959年得到批準(zhǔn)，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(kāi)始的，以后逐漸擴(kuò)展到民用和一般機(jī)械上。一些國(guó)家如美國(guó)、日本、蘇聯(lián)已有了諧波齒輪減速器的系列化產(chǎn)品，在中國(guó)也制定了諧波齒輪的部頒標(biāo)準(zhǔn)。

工作原理 　以諧波齒輪傳動(dòng)為例。它是利用柔輪、剛輪和波發(fā)生器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，特別是柔輪的可控彈性變形(形狀改變)來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞的。在這 3個(gè)基本構(gòu)件中可任意固定一個(gè)，其余一個(gè)為主動(dòng)件一個(gè)為從動(dòng)件。如果3個(gè)都不固定,則成為差動(dòng)輪系。如以剛輪固定不變，以波發(fā)生器為主動(dòng)件,柔輪為從動(dòng)件,波發(fā)生器內(nèi)的橢圓形凸輪在柔輪內(nèi)旋轉(zhuǎn)便使柔輪產(chǎn)生變形。在波發(fā)生器的橢圓形凸輪長(zhǎng)軸兩端處的柔輪輪齒和剛輪輪齒進(jìn)入嚙合時(shí)，短軸兩端處的柔輪輪齒與剛輪輪齒脫開(kāi)。對(duì)于波發(fā)生器長(zhǎng)軸和短軸之間的齒，沿柔輪和剛輪周長(zhǎng)的不同區(qū)段內(nèi)處于逐漸進(jìn)入嚙合的半嚙合狀態(tài)，稱為嚙入；處于逐漸退出嚙合的半嚙合狀態(tài)，稱為嚙出。波發(fā)生器的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，使嚙入、嚙合、嚙出和脫開(kāi)四種運(yùn)動(dòng)不斷改變各自原來(lái)的工作狀態(tài)，這種運(yùn)動(dòng)稱為錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)。錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)使輸入轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)檩敵鲞\(yùn)動(dòng)。若剛輪固定不動(dòng)，柔輪則相對(duì)于波發(fā)生器作反方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。反之若柔輪固定不動(dòng)，剛輪則相對(duì)于波發(fā)生器作同方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于雙波傳動(dòng)的諧波齒輪傳動(dòng)，它的轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律是：波發(fā)生器轉(zhuǎn)一周，柔輪相對(duì)于剛輪在周長(zhǎng)方向轉(zhuǎn)過(guò)兩個(gè)齒距的弧長(zhǎng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)比計(jì)算如下：

當(dāng)剛輪固定時(shí) 當(dāng)柔輪固定時(shí) 柔輪或剛輪的齒數(shù)都很多，它們之間的差數(shù)又很小，因此可獲得很大的傳動(dòng)比。

結(jié)構(gòu) 　諧波齒輪傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)有多種型式,圖3為單級(jí)雙波諧波齒輪減速器的結(jié)構(gòu)。

諧波傳動(dòng)

① 波發(fā)生器:它與輸入軸相聯(lián)，對(duì)柔輪的齒圈的變形起產(chǎn)生和控制的作用。它由一個(gè)橢圓形凸輪和一個(gè)薄壁的柔性軸承組成。柔性軸承不同于普通軸承，它的外環(huán)很薄，容易產(chǎn)生徑向變形，在未裝入凸輪之前環(huán)是圓形的，裝上之后為橢圓形。

② 柔輪:有薄壁杯形、薄壁圓筒形或平嵌式等多種。薄壁圓筒形柔輪的開(kāi)口端部外面有齒圈，它隨波發(fā)生器的轉(zhuǎn)動(dòng)而變形，筒底部分與輸出軸聯(lián)接。

③ 剛輪:它是一個(gè)剛性的內(nèi)齒輪。雙波諧波傳動(dòng)的剛輪通常比柔輪多二齒。諧波齒輪減速器多以剛輪固定，外部與箱體聯(lián)接。

兩個(gè)或多個(gè)單級(jí)諧波齒輪減速器串聯(lián)起來(lái)，可構(gòu)成復(fù)式諧波齒輪減速器,其傳動(dòng)比在106～ 107之間。波發(fā)生器、柔輪和剛輪的位置可以反轉(zhuǎn)，即剛輪在里邊，波發(fā)生器在最外面，這種傳動(dòng)稱為外激式諧波齒輪傳動(dòng)。除徑向諧波齒輪傳動(dòng)之外，尚有行星式諧波齒輪傳動(dòng)和端面諧波齒輪傳動(dòng)。前者的傳動(dòng)比為150～4000;后者的波發(fā)生器、柔輪和剛輪是沿軸向依次排列的，軸向尺寸很短。

諧波傳動(dòng)的特點(diǎn)是：

①傳動(dòng)比大，選擇范圍廣。單級(jí)諧波齒輪的傳動(dòng)比一般為60～320,其中以80～200為最常用。

②傳遞扭矩的同時(shí)嚙合的齒數(shù)多,一般雙波傳動(dòng)嚙合齒數(shù)可占總齒數(shù)的30%左右，三波傳動(dòng)則更多。因此傳動(dòng)輪之間的接觸為面接觸，而齒面上的比壓小，因而承載能力高。

③由諧波齒輪構(gòu)成的減速器重量輕、體積小，傳動(dòng)裝置含有的零件少。

④傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲小。

⑤傳動(dòng)效率高。

⑥運(yùn)動(dòng)精度高，在起動(dòng)或反轉(zhuǎn)時(shí)，輸出軸瞬時(shí)跟動(dòng)，沒(méi)有空程，可實(shí)現(xiàn)零回差轉(zhuǎn)動(dòng)。

⑦可構(gòu)成密封傳動(dòng)，因此可在高溫、高壓、高真空、有害氣體或原子能輻射的環(huán)境中傳遞運(yùn)動(dòng)。

⑧輸出軸和輸入軸位于同一軸心線上。

⑨維修方便，便于保養(yǎng)、檢查和更換零件。諧波齒輪傳動(dòng)可用于雷達(dá)的隨動(dòng)系統(tǒng)、飛行器、機(jī)械手、假肢等，還可用于起重運(yùn)輸、化工機(jī)械、印刷機(jī)械、電動(dòng)工具中的減速裝置和儀器的微調(diào)機(jī)構(gòu)上。2100433B

圖冊(cè)《最簡(jiǎn)單的諧波減速器》第一張圖表示出一種最簡(jiǎn)單的諧波傳動(dòng)減速器基本結(jié)構(gòu)，第二張圖表示諧波傳動(dòng)工作原理圖。

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）；

（2）帶有外齒圈的柔性齒輪（柔輪）；

（3）波發(fā)生器H。

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)生較大彈性形變的薄壁齒輪，其內(nèi)孔直徑略小于波發(fā)生器的長(zhǎng)軸。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(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(kāi)。周長(zhǎng)上其他區(qū)段的齒處于嚙合和脫離的過(guò)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(kāi)、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(guò)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(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。

杯型系列諧波傳動(dòng)減速器

帽型系列諧波傳動(dòng)減速器

超薄型系列諧波傳動(dòng)減速器

高扭矩型系列諧波傳動(dòng)減速器

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(jí)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(zhǎng)。

5．傳動(dòng)平穩(wěn)、無(wú)沖擊，無(wú)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(duì)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(guó)內(nèi)于六七十年代才開(kāi)始研制，已有不少?gòu)S家專門(mén)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。