諧波減速器原理及特點

1、諧波減速器原理及特點1. 概述1.1 產(chǎn)生及發(fā)展諧波齒輪傳動技術是20世紀50年代末隨著航天技術發(fā)展而發(fā)明的一種具有重大突破的新型傳動技術，由美國人C. W.馬瑟磚1955年提出專利，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。這種傳動較一般的齒輪傳動具有運動精度高，回差小，傳動比大，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，因此美，俄，日等技術先進國家，對這方面地研制工作一直都很重視。如美國就有國家航空管理局路易斯研究中心，空間技術試驗室，USM公司，貝爾航空空間公司，麻省理工學院，通用電器公司等幾十個大

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)機械研究所，莫斯科褒曼工業(yè)大學，列寧格勒光學精密機械研究所，全蘇聯(lián)減速器研究所等都大力開展諧波傳動的研究工作。他們對該領域進行了較系統(tǒng)，較深入的基礎理論和試驗研究，在諧波傳動的類型，結(jié)構(gòu)，應用等方面有較大的發(fā)展。日本長谷齒輪株式會社等有關企業(yè)在諧波齒輪傳動的研制和標準化、系列化等方面作出了很大貢獻。西歐一些國家除了在衛(wèi)星，機器人，數(shù)控機床等領域采用諧波齒輪傳動外，對諧波傳動的基礎理論也開始進行系統(tǒng)的研究。諧波齒輪傳動技術1970年引入日本，隨之誕生了日本第一家整體運動控制的領軍企業(yè)-日本Har

3、monic Drive SystemsInc.(簡稱HDSI)。目前日本HDSI公司是國際領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、傳動效率高、減速范圍廣、精度高等特點，被廣泛應用于各種傳動系統(tǒng)中。諧波傳動技術于1961年由上海紡織科學研究院的孫偉工程師介紹入我國。此后，我國也積極引進并研究發(fā)展該項技術，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/T14118-1993諧波傳動減速器標準，并在理論研究、試制和應用方面取得較大成績，成為掌握該項技術的國家之一。到目前為止，我國己有北京諧波傳動

4、技術研究所、北京中技克美有限責任公司、燕山大學、鄭州機械研究所、北方精密機械研究所、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)，為我國諧波傳動技術的研究和推廣應用開展了深入的研究和試驗工作。1.2 傳動原理諧波傳動減速器英文名稱：harmonic gear drive，主要由波發(fā)生器、柔性齒輪和剛性齒輪三個基本構(gòu)件組成，如圖1-1所示。波發(fā)生器是一個凸輪部件，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。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。

5、周長上其他區(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波發(fā)生器沿圖示方向連續(xù)轉(zhuǎn)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(xiàn)柔輪相對剛輪沿波發(fā)生器相反方向的緩慢旋轉(zhuǎn)，如圖1-2所示。圖1-2 諧波齒輪嚙合簡圖在傳動過程中，波發(fā)生器轉(zhuǎn)一周，柔輪上某點變形的循環(huán)次數(shù)稱為波數(shù)，以 n 表示。常用的是雙波和三波兩種。雙波傳動的柔輪應力較小，結(jié)構(gòu)比較簡單，易于獲得大的傳動比。故為目前應用最廣的一種。 諧波傳動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）雙波傳動中，Z2Z1=2，柔輪齒數(shù)很多。上式負號表示柔輪的轉(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比。1.3 傳動特點主要優(yōu)點：（1）傳動速比大。單級諧波齒輪傳動速比范圍為70320，在某些裝置中可達到1000，多級傳動速比可達30000以上。它不僅可用于減速，也可用于增速的場合。（2）承載能力高。這是因為諧波齒輪傳動中同時嚙合的齒數(shù)多，雙波傳動同時嚙合的齒數(shù)可達總齒數(shù)的30%以上，而且柔輪采用了高強度材料，齒與齒之間是面接觸。（3）傳動精度高。這是因為諧波齒輪傳

7、動中同時嚙合的齒數(shù)多，誤差平均化，即多齒嚙合對誤差有相互補償作用，故傳動精度高。在齒輪精度等級相同的情況下，傳動誤差只有普通圓柱齒輪傳動的1/4左右。同時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，故諧波齒輪減速機傳動空程小，適用于反向轉(zhuǎn)動。（4）傳動效率高、運動平穩(wěn)。由于柔輪輪齒在傳動過程中作均勻的徑向移動，因此，即使輸入速度很高，輪齒的相對滑移速度仍是極低（故為普通漸開線齒輪傳動的1%），所以，輪齒磨損小，效率高（可達69%96%）。又由于嚙入和嚙出時，齒輪的兩側(cè)都參加工作，因而無沖擊現(xiàn)象，運動平穩(wěn)。（5）結(jié)構(gòu)簡單、零件數(shù)少、安裝方便。僅有三個基本構(gòu)件，且

8、輸入與輸出軸同軸線，所以結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。（6）體積小、重量輕。與一般減速機比較，輸出力矩相同時，諧波齒輪減速機的體積可減小2/3，重量可減輕1/2。主要缺點：（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，需要專門設備，給單件生產(chǎn)和維修造成了困難。（3）傳動比的下限值高，齒數(shù)不能太少，當波發(fā)生器為主動時，傳動比一般不能小于35。（4）起動力矩大。1.4 應用情況由于諧波齒輪傳動具有許多獨特的優(yōu)點，近幾十年來，諧波齒輪傳動技術和傳動裝置已被廣泛應用于空間技術，雷達通訊，能源，機床，儀器儀表，機器人，汽車，造船，紡織，冶金，常規(guī)武器，精密光學設備，印刷包裝機械以及醫(yī)療機械等領域。國內(nèi)外的應用實踐證明，無論是作為高靈敏度隨動系統(tǒng)的精密諧波傳動，還是作為傳遞大轉(zhuǎn)矩的動力諧波傳動，都表現(xiàn)出了良好的性能；作為空間傳動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)下提供的工作的機構(gòu)，更顯示出了其它一些機構(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裝置的特征。諧波齒輪傳動在機器人領域的應用最多，在該領域的應用數(shù)量超過總量的60%。減速器是工業(yè)機器人的三大核心零部件之一，諧波減速器則是當前主要的兩種工業(yè)減速器之一，因為體積小、重量輕、扭矩大、安裝緊湊、傳動