諧波齒輪傳動機構(gòu)

中文名稱

諧波齒輪傳動機構(gòu)

英文名稱

harmonic gear drive mechanism

定　　義

由柔性齒輪、剛性齒輪、波發(fā)生器構(gòu)成的齒輪傳動機構(gòu)。

應(yīng)用學(xué)科

機械工程（一級學(xué)科），傳動（二級學(xué)科），齒輪傳動（三級學(xué)科）

諧波齒輪傳動系統(tǒng)有三個基本構(gòu)件組成，如圖1所示：剛輪(Circular Spline)，柔輪(Flexspline)和波發(fā)生器(Wave Generator)。諧波齒輪傳動的原理就是在柔性齒輪構(gòu)件中，通過波發(fā)生器的作用，產(chǎn)生一個移動變形波，并與剛輪齒相嚙合，從而達到傳動目的。

其中，波發(fā)生器是按一定變形規(guī)律產(chǎn)生周期性彈性變形波的部件，常見的有機械式波發(fā)生器、電磁式波發(fā)生器、液壓式波發(fā)生器和氣動式波發(fā)生器。

圖1中所示為采用滾動軸承的機械式波發(fā)生器，其是在凸輪的外緣安裝薄壁滾珠軸承，該薄壁滾珠軸承的內(nèi)圈固定在凸輪上，通過滾珠和凸輪的相互作用實現(xiàn)外圈襯環(huán)的彈性變形，凸輪通常作為輸入端，通過內(nèi)孔與輸入軸相連。柔輪為薄壁杯型金屬撓性部件，開口部外緣有齒，未裝配時截面呈圓形，柔輪的杯型底部被稱為膜片部，膜片部通常作為輸出端，起到法蘭的作用。剛輪一般為環(huán)狀部件，內(nèi)緣有齒，節(jié)圓與柔輪相同，齒數(shù)通常比柔輪多1~3齒（齒差通常為波數(shù)的整數(shù)倍，為獲得最大齒高，一般取等于波數(shù)，即齒差為1~3），經(jīng)常作為固定端與機架連接。將波發(fā)生器裝入柔輪內(nèi)時，柔輪將產(chǎn)生彈性變形，在工作過程中，波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)一周，柔輪上某點發(fā)生彈性變形的循環(huán)次數(shù)稱為諧波齒輪的波數(shù)，一般為1~3，其中最常用的是波發(fā)生器呈橢圓狀的雙波諧波齒輪，顧名思義其波數(shù)為2。

以雙波諧波齒輪為例，即柔輪和剛輪間的齒差為2，其傳遞力和運動的過程如圖2所示。當波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)角度為0°時，其長軸兩端柔輪的齒恰好與剛輪的齒完全嚙入，短軸處柔輪的齒則完全嚙出，而長短軸之間其他區(qū)域柔輪的輪齒則處于嚙入和嚙出的過渡狀態(tài)。當剛輪固定，波發(fā)生器輸入，柔輪輸出時，波發(fā)生器沿順時針方向旋轉(zhuǎn)，柔輪在波發(fā)生器做用下發(fā)生彈性變形，則柔輪與剛輪嚙合齒的位置也沿順時針方向旋轉(zhuǎn)。當波發(fā)生器沿順時針方向旋轉(zhuǎn)180°后，柔輪僅沿逆時針方向轉(zhuǎn)過1個齒。當波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)360°后，由于剛輪比柔輪多2齒，因此柔輪沿逆時針方向移動2個齒。以此類推，通過柔輪的不斷彈性變形使得輪齒嚙入嚙出，諧波齒輪即產(chǎn)生輸出力矩和旋轉(zhuǎn)運動。

諧波齒輪傳動技術(shù)是上世紀50年代隨航天技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一種新的傳動技術(shù)。五十年代，隨著空間科學(xué)、航天技術(shù)的發(fā)展，航天飛行器控制系統(tǒng)的機構(gòu)和儀表設(shè)備對機械傳動提出了新的要求，如：傳動比大、體積小、重量輕、傳動精度高、回差小等。對于上述要求，新出現(xiàn)的諧波傳動滿足了這種要求，它是在薄殼彈性變形的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種傳動技術(shù)。

在諧波傳動出現(xiàn)后短短的幾十年中，世界各工業(yè)比較發(fā)達的國家都集中了一批研究力量致力于這類新型傳動技術(shù)的研究。如美國就有國家航空航天管理局路易斯研究中心、空間技術(shù)實驗室、USM公司、貝爾航空空間公司、卡曼飛機公司、本迪克斯航空公司、波音航空公司、肯尼迪空間中心(KSC)、麻省理工學(xué)院(MIT)、通用電氣(GE)公司等幾十個大型公司和研究中心從事這方面的研究工作。前蘇聯(lián)從上世紀60年代初期開始，也大力開展了這方面的研究工作，如前蘇聯(lián)機械研究所、莫斯科鮑曼工業(yè)大學(xué)、列寧格勒光學(xué)精密機械研究所、全蘇減速器研究所、基也夫減速器廠和莫斯科建筑工程學(xué)院等單位都大力開展了諧波傳動的研究工作。他們在該領(lǐng)域進行了較系統(tǒng)、深入的基礎(chǔ)理論和試驗研究，在諧波傳動的類型、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用等方面有較大發(fā)展。日本長谷川齒輪株式會社等有關(guān)企業(yè)，自1970年開始，從美國引進USM公司的全套技術(shù)資料，成立了諧波傳動株式會社，現(xiàn)除能大批生產(chǎn)各種類型的諧波傳動裝置外，還完成了通用諧波傳動裝置的標準化、系列化工作。值得注意的是西歐一些國家，如德國、法國、英國、瑞士、瑞典及意大利等國，都開展了諧波傳動的研究工作并推廣應(yīng)用研究成果，他們不但對諧波傳動的基礎(chǔ)理論進行系統(tǒng)的研究，而且把諧波傳動應(yīng)用在衛(wèi)星、機器人、數(shù)控機床等領(lǐng)域。

諧波齒輪傳動技術(shù)于1961年由上海紡織科學(xué)研究院的孫偉工程師引入我國。此后，我國也積極引進并研究發(fā)展該項技術(shù)，1983年成立了諧波傳動研究室，1984年“諧波減速器標準系列產(chǎn)品”在北京通過鑒定，1993年制定了GB/T14118- 93諧波傳動減速器標準，并且在理論研究、試制和應(yīng)用方面取得了較大的成績，成為掌握該項技術(shù)的國家之一。到今為止，我國已有北京諧波傳動技術(shù)研究所、北京中技克美有限責任公司、燕山大學(xué)、鄭州機械研究所、北方精密機械研究所等幾十家單位從事這方面的研究和產(chǎn)品生產(chǎn)，為我國諧波傳動技術(shù)的研究和推廣應(yīng)用打下了較堅實的基礎(chǔ)。