諧波傳動介紹

由波發(fā)生器、柔性件和剛性件 3個基本構件組成的機械傳動。這種傳動是在波發(fā)生器的作用下，

使柔性件產生彈性變形并與剛性件相互作用而達到傳遞運動或動力的目的。在傳動中波發(fā)生器回轉一周，柔性件上某一點循環(huán)變形的次數稱波數。柔性件的變形過程是一個基本對稱的諧波（圖1）,故稱為諧波傳動。常用的諧波傳動是雙波傳動。

圖2為一個外周有許多齒（ 120個以上）的柔輪與一個內周有齒的剛輪相嚙合進行傳動，稱為諧波齒輪傳動。假設將齒數無限增多，齒高也無限減小，則成為柔輪外表面和剛輪內表面在波發(fā)生器長軸方向上進行接觸的諧波摩擦傳動。由于這種接觸點的摩擦力很小，傳遞的力矩不大，容易打滑，實際上應用很少。諧波傳動也可以設計成由轉動改為直線運動,成為諧波螺旋傳動。在3種傳動中以諧波齒輪傳動應用最廣。圖2中波發(fā)生器是機械式波發(fā)生器，此外還有電磁式、液力式和氣動式的波發(fā)生器，其中機械式波發(fā)生器應用最普遍。

諧波傳動是美國人C.W.馬瑟于1955年提出的專利，1959年得到批準，1960年在紐約展出實物。諧波傳動的發(fā)展是由軍事和尖端技術開始的，以后逐漸擴展到民用和一般機械上。一些國家如美國、日本、蘇聯(lián)已有了諧波齒輪減速器的系列化產品，在中國也制定了諧波齒輪的部頒標準。

工作原理 　以諧波齒輪傳動為例。它是利用柔輪、剛輪和波發(fā)生器的相對運動，特別是柔輪的可控彈性變形(形狀改變)來實現運動和動力傳遞的。在這 3個基本構件中可任意固定一個，其余一個為主動件一個為從動件。如果3個都不固定,則成為差動輪系。如以剛輪固定不變，以波發(fā)生器為主動件,柔輪為從動件,波發(fā)生器內的橢圓形凸輪在柔輪內旋轉便使柔輪產生變形。在波發(fā)生器的橢圓形凸輪長軸兩端處的柔輪輪齒和剛輪輪齒進入嚙合時，短軸兩端處的柔輪輪齒與剛輪輪齒脫開。對于波發(fā)生器長軸和短軸之間的齒，沿柔輪和剛輪周長的不同區(qū)段內處于逐漸進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)轉動，使嚙入、嚙合、嚙出和脫開四種運動不斷改變各自原來的工作狀態(tài)，這種運動稱為錯齒運動。錯齒運動使輸入轉動變?yōu)檩敵鲞\動。若剛輪固定不動，柔輪則相對于波發(fā)生器作反方向的轉動。反之若柔輪固定不動，剛輪則相對于波發(fā)生器作同方向的轉動。對于雙波傳動的諧波齒輪傳動，它的轉動規(guī)律是：波發(fā)生器轉一周，柔輪相對于剛輪在周長方向轉過兩個齒距的弧長，其轉動比計算如下：

當剛輪固定時 當柔輪固定時 柔輪或剛輪的齒數都很多，它們之間的差數又很小，因此可獲得很大的傳動比。

結構 　諧波齒輪傳動的結構有多種型式,圖3為單級雙波諧波齒輪減速器的結構。

諧波傳動

① 波發(fā)生器:它與輸入軸相聯(lián)，對柔輪的齒圈的變形起產生和控制的作用。它由一個橢圓形凸輪和一個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口端部外面有齒圈，它隨波發(fā)生器的轉動而變形，筒底部分與輸出軸聯(lián)接。

③ 剛輪:它是一個剛性的內齒輪。雙波諧波傳動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。

兩個或多個單級諧波齒輪減速器串聯(lián)起來，可構成復式諧波齒輪減速器,其傳動比在106～ 107之間。波發(fā)生器、柔輪和剛輪的位置可以反轉，即剛輪在里邊，波發(fā)生器在最外面，這種傳動稱為外激式諧波齒輪傳動。除徑向諧波齒輪傳動之外，尚有行星式諧波齒輪傳動和端面諧波齒輪傳動。前者的傳動比為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。

諧波傳動的特點是：

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

②傳遞扭矩的同時嚙合的齒數多,一般雙波傳動嚙合齒數可占總齒數的30%左右，三波傳動則更多。因此傳動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由諧波齒輪構成的減速器重量輕、體積小，傳動裝置含有的零件少。

④傳動平穩(wěn)，噪聲小。

⑤傳動效率高。

⑥運動精度高，在起動或反轉時，輸出軸瞬時跟動，沒有空程，可實現零回差轉動。

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

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。諧波齒輪傳動可用于雷達的隨動系統(tǒng)、飛行器、機械手、假肢等，還可用于起重運輸、化工機械、印刷機械、電動工具中的減速裝置和儀器的微調機構上。2100433B

傳動比大，單級為50-300，雙極可達2×10^6。

傳動平穩(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，傳動效率高。當結構合理潤滑效果良好時，對i=100的傳動，效率可達0.85。

傳動精度高。在制造精度相同的情況下，諧波傳動的精度可比普通齒輪傳動高一級。若齒面經過很好的研磨，則諧波齒輪傳動的精度要比普通齒輪傳動高4倍。

回差小。精密諧波傳動的回差一般可小于3'，甚至可以實現無回差傳動。

可以通過密封壁傳遞運動，這是其他傳動機構很難實現的。

諧波傳動不可能獲得中間輸出，并且杯式柔輪剛度較低。

諧波傳動是利用一個構建的可控制的彈性變形來實現機械運動的傳遞。諧波傳動通常由三個基本構件組成，包括一個有內齒的剛輪，一個工作時可產生徑向彈性變形并帶有外齒的柔輪和一個裝在柔輪內部、呈橢圓形、外圈帶有柔性滾動軸承的波發(fā)生器。柔輪的外齒數少于剛輪的內齒數。在波發(fā)生器轉動時，相應與長軸方向的柔輪外齒正好完全嚙入剛輪的內齒；在短軸方向，則外齒全脫開內齒。當剛輪固定，波發(fā)生器發(fā)生轉動時，柔輪的外齒將依次嚙入和嚙出剛輪的內齒，柔輪齒圈上的任意一點的徑向位移將呈近似于正弦波形的變化，所以這種傳動稱為諧波傳動。

圖冊《最簡單的諧波減速器》第一張圖表示出一種最簡單的諧波傳動減速器基本結構，第二張圖表示諧波傳動工作原理圖。

它主要由三個基本構件組成：

（1）帶有內齒圈的剛性齒輪（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、剛輪固定、柔輪輸出形式。

波發(fā)生器H是一個桿狀部件，其兩端裝有滾動軸承構成滾輪，與柔輪1的內壁相互壓緊。柔輪為可產生較大彈性形變的薄壁齒輪，其內孔直徑略小于波發(fā)生器的長軸。波發(fā)生器是使柔輪產生可控彈性變形的構件。當波發(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)。當波發(fā)生器沿圖示方向連續(xù)轉動時，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……，周而復始地進行，從而實現柔輪相對剛輪沿波發(fā)生器H相反方向的緩慢旋轉。工作時，固定剛輪，由電機帶動波發(fā)生器轉動，柔輪作為從動輪，輸出轉動，帶動負載運動。在傳動過程中，波發(fā)生器轉一周，柔輪上某點變形的循環(huán)次數稱為波數，以 n 表示。常用的是雙波和三波兩種。雙波傳動的柔輪應力較小，結構比較簡單，易于獲得大的傳動比。故為應用最廣的一種。

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

z2－z1=n

式中 z2、z1--分別為剛輪與柔輪的齒數。

當剛輪固定、發(fā)生器主動、柔輪從動時，諧波齒輪傳動的傳動比為

i=-z1/(z2-z1)

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

杯型系列諧波傳動減速器

帽型系列諧波傳動減速器

超薄型系列諧波傳動減速器

高扭矩型系列諧波傳動減速器

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

2．傳動比大 單級諧波齒輪傳動的傳動比，可達 i=70～500。

3．體積小、重量輕。

4．傳動效率高、壽命長。

5．傳動平穩(wěn)、無沖擊，無噪音，運動精度高。

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度、加工和熱處理要求較高，工藝復雜。

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