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谐波齿轮传动 — 一种新型的机械传动 谐波传动技术自国外六十年代开始发展以来，美国、日本、俄国等国发展迅速并在高科技领域广阔应用。国内除在航天、航空、航海、常规军械等军事领域应用外，在民用领域尚处起步阶段，谐波传动作为一种新型传动，在机床、仪表、电子设备、矿山冶金、交通运输、起重机械、石油化工机械、纺织、农业机械以及医疗器械等领域将具有广阔的应用前景，国际市场需求量较大。谐波齿轮出现以前，最早，齿轮是采用直齿，这样啮合的齿数只有1-2对，承载力就相对低一些。随后，发展了曲齿，或者叫螺旋齿轮，就是轮齿是弯的，这样同时啮合齿数增多了，承载力也加大，当然付出的代价就是设计和加工难度增加。谐波齿轮传动是通过机械波 ( 或动力泼 ) 使材料产生弹性来达到传动要求的一种新的传动方式，它具有其它传动难以达到的优点：如传动比大且范围宽；同时参与嘀合的齿数多，承载能力大；结构简单，体积小，重量轻；传动精度高；传动平稳，无冲击，传动效率较高等特点，对于节约原材料、减少电力消耗、缩短在制造加工周期、提高使用效益和奇化机械设备结构等方面，具有很大的实用意义。谐波齿轮传动具有良好的阻尼特性以及可实现无间隙传动的特点,其扭转刚度呈现"磁滞"特性,传动误差具有明显的拍频现象。近些年来，应用谐波传动的场合如机器人等需要精密定位领域技术的发展，对谐波齿轮传动系统的动态特性需要更为详细的研究和描述。本文简单介绍了谐波齿轮传动的结构组成、原理、特点及发展前景。 一 谐波齿轮传动的组成 谐波齿轮传动由三个基本构件组成（见图1）： 谐波发生器（简称波发生器）……是凸轮（通常为椭圆形）及薄壁轴承组成，随着凸轮转动，薄壁轴承的外环作椭圆形变形运动（弹性范围内）。 刚轮……是刚性的内齿轮。 柔轮……是薄壳形元件，具有弹性的外齿轮。 图1谐波齿轮传动的组成 二 波齿轮传动的原理 谐波齿轮传动的三个构件可以任意固定一个，成为减速传动及增速传动，或者发生器、刚轮主动，柔轮从动，成为差动机构（即转动的代数合成）。谐波传动工作过程如下图2 图2谐波齿轮传动的工作原理 当波发生器为主动时，凸轮在柔轮内转动，就近使柔轮及薄壁轴承发生变形（可控的弹性变形），这时柔轮的齿就在变形的过程中进入（啮合）或退出（啮离）刚轮的齿间，在波发生器的长轴处处于完全啮合，而短轴方向的齿就处在完全的脱开。 波发生器通常成椭圆形的凸轮，将凸轮装入薄壁轴承内，再将它们装入柔轮内。此时柔轮由原来的圆形而变成椭圆形，椭圆长轴两端的柔轮与之配合的刚轮齿则处于完全啮合状态，即柔轮的外齿与刚轮的内齿沿齿高啮合。这是啮合区，一般有30%左右的齿处在啮合状态；椭圆短轴两端的柔轮齿与刚轮齿处于完全脱开状态，简称脱开；在波发生器长轴和短轴之间的柔轮齿，沿柔轮周长的不同区段内，有的逐渐退出刚轮齿间，处在半脱开状态，称之为啮出。 波发生器在柔轮内转动时，迫使柔轮产生连续的弹性变形，此时波发生器的连续转动，就使柔轮齿的啮入—啮合—啮出—脱开这四种状态循环往复不断地改变各自原来的啮合状态。这种现象称之错齿运动，正是这一错齿运动，作为减速器就可将输入的高速转动变为输出的低速转动。 对于双波发生器的谐波齿轮传动，当波发生器顺时针转动1/8周时，柔轮齿与刚轮齿就由原来的啮入状态而成啮合状态，而原来脱开状态就成为啮入状态。同样道理，啮出变为脱开，啮合变为啮出，这样柔轮相对刚轮转动（角位移）了1/4齿；同理，波发生器再转动1/8周时，重复上述过程，这时柔轮位移一个齿距。依此类推，波发生器相对刚轮转动一周时，柔轮相对刚轮的位移为两个齿距。 柔轮齿和刚轮齿在节圆处啮合过程就如同两个纯滚动（无滑动）的圆环一样，两者在任何瞬间，在节圆上转过的弧长必须相等。由于柔轮比刚轮在节圆周长上少了两个齿距，所以柔轮在啮合过程中，就必须相对刚轮转过两个齿距的角位移，这个角位移正是减速器输出轴的转动，从而实现了减速的目的。 波发生器的连续转动，迫使柔轮上的一点不断的改变位置，这时在柔轮的节圆的任一点，随着波发生器角位移的过程，形成一个上下左右相对称的和谐波，故称之为：“谐波”。 三 波齿轮传动的特点 1结构简单，体积小，重量轻。 谐波齿轮传动的主要构件只有三个：波发生器、柔轮、刚轮。它与传动比相当的普通减速器比较，其零件减少50%，体积和重量均减少1/3左右或更多。 2传动比范围大 单级谐波减速器传动比可在50—300之间，优选在75—250之间； 双级谐波减速器传动比可在3000—60000之间； 复波谐波减速器传动比可在200—140000之间。 3同时啮合的齿数多。 双波谐波减速器同时啮合的齿数可达30%，甚至更多些。而在普通齿轮传动中，同时啮合的齿数只有2—7%，对于直齿圆柱渐开线齿轮同时啮合的齿数只有1—2对。正是由于同时啮合齿数多这一独特的优点，使谐波传动的精度高，齿的承载能力大，进而实现大速比、小体积。 4承载能力大。 谐波齿轮传动同时啮合齿数多，即承受载荷的齿数多，在材料和速比相同的情况下，受载能力要大大超过其它传动。其传递的功率范围可为几瓦至几十千瓦。 5运动精度高。 由于多齿啮合，一般情况下，谐波齿轮与相同精度的普通齿轮相比，其运动精度能提高四倍左右。 6运动平稳，无冲击，噪声小。 齿的啮入、啮出是随着柔轮的变形，逐渐进入和逐渐退出刚轮齿间的，啮合过程中齿面接触，滑移速度小，且无突然变化。 7齿侧间隙可以调整。 谐波齿轮传动在啮合中，柔轮和刚轮齿之间主要取决于波发生器外形的最大尺寸，及两齿轮的齿形尺寸，因此可以使传动的回差很小，某些情况甚至可以是零侧间隙。 8传动效率高。 与相同速比的其它传动相比，谐波传动由于运动部件数量少，而且啮合齿面的速度很低，因此效率很高，随速比的不同（u=60-250)，效率约在65—96%左右（谐波复波传动效率较低），齿面的磨损很小。 9同轴性好。 谐波齿轮减速器的高速轴、低速轴位于同一轴线上。 10可实现向密闭空间传递运动及动力。 用密封柔轮谐波传动减速装置，可以驱动工作在高真空、有腐蚀性及其它有害介质空间的机构，谐波传动这一独特优点是其它传动机构难于达到的。 11可实现高增速运动。 由于谐波齿轮传动的效率高及机构本身的特点，加之体积小、重量轻的优点，因此是理想的高增速装置。对于手摇发电机、风力发电机等需要高增速的设备有广阔的应用前景。 12方便的实现差速传动。 由于谐波齿轮传动的三个基本构件中，可以任意两个主动，第三个从动，那么如果让波发生器、刚轮主动，柔轮从动，就可以构成一个差动传动机构，从而方便的实现快慢速工作状况。这一点对许多机床的走刀机构很有实用价值，经适当设计，可以大大改变机床走刀部分的结构性能。 13谐波齿轮传动与其它传动性能的具体比较。 当输入转速1500转/分钟，传动比和输出力矩相同的情况下，四种普通减速器与谐波齿轮传动减速器的性能比较为： 参 数 单 位 减 速 器 类 型 行星齿轮 人字齿轮 蜗杆加螺旋齿轮 圆柱齿轮 谐波齿轮 01 传动级数 3 2 2 3 1 02 输出力矩 N.m 390 390 390 390 390 03 传 动 比 97.4 96 100 98.3 100 04 效 率 % 85 85 78 93 85 05 齿轮数量 个 13 4 4 6 2 06 轴承数量 套 17 6 6 8 5 07 节圆线速度 M/S 7.62 7.62 7.62 7.62 0.094 08 齿滑动速度 M/S 12.7 12.7 12.7 12.7 0.12 09 同时啮合齿数 % 7 5 3 3 30 10 齿面接触应力 MPA 345 345 345 345 4.12 11 齿的剪应力 MPA 172 172 172 172 2.06 12 安全系数 3 3 2 5 36 13 齿面接触状态 线 线 线 线 面 14 运动平稳性 中 好 好 中 好 15 力的平衡 好 好 不好 好 好 16 外形尺寸高 CM 33.1 35.6 40.6 58.8 18.5 17 外形尺寸长 CM 38.1 50.8 43.2 91 16 谐波传动技术是我国六十年代引进的高新技术，但只应用于国防和航空天工业上，直到八十年代末期才逐步应用于民用工业。我国是继美国、日本、俄国之后第四个拥有多种谐波传动产品的家。据悉，日本年产谐波传动产品在35万台左右，而我国目前年产权万台左右。根据有关资料介绍，现全国生产谐波齿轮减速器的厂家有七家，科研和公司各一家。我国已将谐波传动这一高技术产品列为九十年代的机械工业重点推广项目之一，国家科学技术部决定将“高精度谐波传动减速器系列产品”列为国家级科技成果重点推广计划项目。我国“九五”期间谐波传动技术将有一个较大较快的发展，在国民经济各个领域的机械传动中将得到广泛应用。当今世界，知识、经济全球化的趋势加快，以美国为首的先进工业国正在进行行业结构调整，劳动密集型产品、高能耗产品、普通制造业正在向发展中国家转移，国际采购是经济发展的必然趋势。第二次世界大战后，以自动化、计算机技术、微电子技术和信息技术作为经济发展的基础。八十年代初，齿轮制造柔性单元的出现推动了齿轮先进制造技术的发展，这主要表现在： · 计算机辅助设计与制造技术，如CAE、CAD、CAM、CAPP、CNC柔性制造、FMC机器人的应用 · 自动材料配送系统AMV · 柔性装配系统FAS · 快速原型制造技术PRM · 精益制造理论 · 计算机集成制造系统CIMS在汽车齿轮制造方面的应用 齿轮传动既是各种机械成套装备中的传动系模块，又是由机、电元件组装成的变速传动产品。鉴于齿轮产品具技术密集兼劳动密集的特点，在经济全球化步伐加速下，中国的齿轮行业必将成为齿轮产品国际采购的重要基地。 [十五]期间是齿轮行业的调整与发展的关键时期，中国齿轮业的发展与齿轮产品出口前景将更加美好。 |
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