谐波齿轮传动技术现状与研究动态

第**卷第**期20**年*月机械工程学报JOURNALOFMECHANICALENGINEERINGVol.**No.****20**谐波齿轮传动技术现状与研究动态*摘要：随着技术的发展，谐波齿轮传动已被迅速推广到工业智能机器人、数控机床、医疗器械、无线电通讯设备等领域。同时，后者自身的不断发展又对谐波齿轮传动提出越来越高的要求。本文在简要介绍谐波齿轮传动的传动原理、性能特点及国内外发展现状的基础上，重点介绍分析了谐波齿轮传动的研究重点。关键词：谐波齿轮传动传动原理啮合原理齿形柔轮变形加工工艺中图分类号：TH132.43ResearchstatusandindustrilizationdevelopmentstrategyofharmonicgeardriveCAOXinchengXiamenUniversity,Xiamen361005Abstract:Withthedevelopmentoftechnology,theharmonicgeardrivewasquicklyextendedtoindustrialintelligentrobots,CNCmachinetools,medicalequipment,radiocommunicationequipment,etc..Whilethelattercontinuestodevelop,higherandhigherrequirementsofharmonicgeardriveareputforward.Basedonthebriefintroductiontotheprinciplesofharmonicgeardrive,performancecharacteristicsandthedevelopmentstatus,theresearchemphasisoftheharmonicgeardriveareanalyzed.Keywords:harmonicgeardrive;theprinciplesofharmonicgeardrive;theprincipleofmesh;toothprofile;thedeformationofflexspline;machiningtechnology;0前言*1谐波传动是50年代中期随着空间科学技术的发展在薄壳弹性变形理论基础上发展起来的一种新型传动。该传动的基本原理由美国联合制鞋公司研究顾问C.WaltMusser(1909~1998)于1955年提出。1960年，C.WaltMusser在发表于美国机械设计杂志的论文中使用了HarmonicDrive一词，中文翻译为谐波传动或谐波齿轮传动[1]。谐波齿轮传动是一种依靠弹性变形运动来达到传动目的的新型传动，由于它改变了传统的传动原理,因而具有结构简单、重量轻、传动比范围大、传动精度高、承载能力大、齿隙小,甚至可达到无侧隙传动、同时啮合齿数多和可实现向密闭空间传递运动及动力等许多优点[2]。近几十年来,国内外的很多学者都在从事着谐波齿轮传动的研究工作，取得了一系列的研究成果。目科技论文阅读与写作期末论文前,谐波齿轮传动技术已被广泛的应用于空间技术、能源、机器人、雷达通讯、机床、仪表、造船、汽车、武器、起重运输、医疗器械等各个工业领域,并已开始系列化生产谐波齿轮传动产品。但是,在谐波齿轮传动技术中还存在一些尚未解决的问题,而且随着谐波齿轮传动技术的推广和应用,不断对其提出了新的要求[3]。1谐波齿轮传动原理与特点1.1传动原理谐波齿轮传动装置的传动原理与普通齿轮传动的传动原理有着本质的区别,它是利用机械波控制柔性齿轮弹性变形来传递力和运动的一种新型传动装置。如图1所示,谐波齿轮传动的主要构件有3个:刚轮1、柔轮2和波发生器H。刚轮为刚性外齿轮；柔轮是薄壳型元件，柔性内齿轮；波发生器又称谐波发生器，由凸轮(通常为椭圆形)及薄壁轴承机械工程学报第49卷第6期期90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)[4]。在未装配前,柔轮的原始剖面呈圆形,柔轮和刚轮的周节相同，但柔轮的齿数比刚轮齿数略少,而波发生器的最大直径比柔轮内圆直径略大。当把波发生器装入柔轮内时,迫使柔轮产生变形,在其长轴两端的齿恰好与刚轮齿完全啮合,短轴处的齿则完全脱开;而处于波发生器长轴与短轴之间沿周长不同区段内的齿,则处于啮入或啮出的不同过渡状态[3]。谐波齿轮传动机构在传递运动或动力时,弹性柔轮将产生一个移动的变形波,即柔轮各点的径向位移随转角的变化情况为一个基本对称的简谐波,因此把这种传动称为谐波传动。在传动的过程中,波发生器转一周,柔轮上某点变形的循环次数称为波数。如以椭圆形波发生器传递啮合时为例,变形后柔轮上各点相对于未变形柔轮的运动,在以变形长轴为起点展开后,近似呈具有两个全波的余弦曲线的连续简谐波形,称为双波传动。其余类推,有单波、三波,考虑到柔轮的疲劳寿命,一般波数不大于三,双波是最常用的[4]。一般情况下,有一个输入运动时,能获得一个确定的输出运动。在三个构件中,必须有一个固定的,即所谓的行星型机构,三个构件中其余两个一个若为主动,另一个即为从动。当波发生器回转时,将迫使柔轮齿依次同刚轮齿啮合,由于齿数不同,故波发生器转1周,使柔轮在相反方向转过两者的齿数差,从而获得变速传动。三个主要构件的相互关系根据需要可以互换,有时为了满足某种使用要求,亦可做成三个构件均不固定的差动型的机构,以用于将两个输入运动合成一个确定的输出运动,或将一个输入运动分解为两个不确定的输出运动[5]。1.2主要优点[6](1)结构简单,零件少,体积小,重量轻。(2)传动比大,范围广。单级谐波减速器传动比可在50~300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100~140000之间。(3)重合率高,双波谐波减速器同时啮合的齿数可达30%,齿面相对滑动速度低,使其承载能力高,传动平稳无冲击且精度高,噪声低。(4)齿侧间隙可调整,回差小,可实现零侧隙传动。(5)可以向密封空间传递运动和动力,采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。(6)传动效率较高,且在传动比很大的情况下,仍具有较高的效率。(7)可实现高增速运动。1.3主要缺点[7](1)柔轮周期性变形,易疲劳损坏。(2)柔轮和波发生器的制造难度较大。(3)传动比的下限值高,齿数不能太少,当波发生器为主动时,传动比一般不能小于35。(4)起动力矩大。2国内外发展现状[7-9]2.1国外发展现状在在谐波传动出现后短短的几十年中,世界各工业比较发达的国家都集中了一批研究力量致力于这类新型传动技术的研究。如美国的国家航空航天管理局路易斯研究中心、肯尼迪空间中心(KSC)、麻省理工学院(MIT)，前苏联的前苏联机械研究所、列宁格勒光学精密机械研究所、全苏减速器研究所等单位都大力开展了谐波传动的研究工作。他们在该领域进行了较系统、深入的基础理论和试验研究,在谐波传动的类型、结构、应用等方面有较大发展。西欧一些国家,如德国、瑞士等国不但对谐波传动的基础理论进行系统的研究,而且把谐波传动应用在卫星、机器人、数控机床等领域。值得注意的是，日本自1970年开始,从美国引进全套技术资料并购买专利,谐波传动技术和产业发展较快。如日本谐波传动系统有限公司通过持续深入的研究开发、规模化经营与资本运作，促进了新产品的开发和升级换代。目前，其谐波传动产品不仅垄断了主要国际市场，并且进入了中国市场。2.2国内发展现状谐波齿轮传动技术于1961年由上海纺织科学研究院的孙伟工程师引入我国。此后,我国也积极引进并研究发展该项技术,1983年成立了谐波传动研究室,1984年“谐波减速器标准系列产品”在北京通过鉴定,1993年制定了GB/T14118-93谐波传动减H12图1谐波齿轮传动原理月2013年3月曹新城：谐波齿轮传动技术现状与研究动态91速器标准,并且在理论研究、试制和应用方面取得了较大的成绩,成为掌握该项技术的国家之一。到目前为止,我国已有北京谐波传动技术研究所、北京中技克美有限责任公司、燕山大学、郑州机械研究所、北方精密机械研究所等几十家单位从事这方面的研究和产品生产,为我国谐波传动技术的研究和推广应用打下了较坚实的基础。3研究重点3.1啮合原理与运动学研究许多学者对谐波齿轮啮合原理进行了研究[10,11],谐波传动的创始人Musser忽略薄壳弹性变形时产生的切向位移和法线转角,认为只存在径向位移,将柔轮的运动轨迹进行了不合理的简化,而提出谐波齿轮传动可以采用直线齿形。Musser提到柔轮、刚轮也可以采用渐开线齿形[10],但也无法提供理论上的证明和啮合参数的选择方法。20世纪60年代末期,金茨勃格提出了所谓等速曲线的方法。沈允文等[11]使包络理论在研究柔轮、刚轮的共轭齿廓中得到实用,它的实质是把柔轮的弹性变形转化为共轭运动的一部分,并用包络理论求解出谐波齿轮传动的共轭齿廓等。通过对谐波齿轮传动空载时的几何关系及啮合过程的分析可知[12](见图2),在啮入过程中,柔轮齿1逐渐啮入刚轮2的齿间,柔轮齿与刚轮齿之间存在侧隙,且柔轮齿顶的侧隙Ci1始终小于刚轮齿顶的侧隙Ci2,呈楔形间隙。承载后由于柔轮筒体的弹性变形和相应的柔轮中线法线转角及轮齿的弹性变形的影响使柔轮齿顶边缘与刚轮齿廓相接触,处于尖点啮合状态。见图3,实线齿廓为空载时的啮合位置,虚线齿廓为承载变形后柔轮的齿廓[13]。谐波传动的刚轮和柔轮上分别制有彼此共轭内齿和外齿,就可以构成谐波齿轮传动,虽然通常可以认为谐波齿轮传动是行星传动的变态形式,但是必须注意到谐波齿轮传动与行星传动的本质区别,即谐波齿轮传动中没有作行星运动的构件,在谐波齿轮传动中,柔轮、刚轮与传动的轴线一致,运动的传递并不依靠杠杆原理,而是由柔轮连续移动的变形波实现的。研究谐波齿轮传动的运动学,仍可以使用转换机构法。不失一般性,我们从研究双波谐波齿轮传动入手,假设波发生器为输入,刚轮柔轮均不固定。根据相对运动原理,在轮系上施加一个与波发生器大小相等而方向相反的角速度,则整个轮系转化为类似于一般内啮合传动的转化轮系,波发生器可视为固定不动,而此时各构件间的相对运动关系仍保持不变[14]。3.2齿形研究由于谐波齿轮传动存在能产生可控变形的柔轮，因而齿形问题的研究远较一般齿轮传动复杂，自谐波齿轮传动问世以来，谐波齿轮的齿形及其参数选择一直是从事谐波传动的研究工作者，甚至某些数学工作者十分关注而感兴趣的研究课题[15]。世界上第一台谐波齿轮减速器的发明者C.W.Musser所提出的齿形是一种大压力角的直线齿形[11]。采用这样的齿形是基于两方面的理由,既满足定传动比的要求,同时又使轮齿实现面接触以提高其承载能力。通过分析得出,若柔轮中线变形曲线的工作段是阿基米德螺旋线,则直线齿形能保证得到接近于恒定的传动比。但是,由于Musser所采用的模型没有考虑柔轮中线上点的切向位移,以及中线变形时曲率变化所引起的柔轮齿对称线的转动,加上阿基米德螺旋线的径矢和螺旋线上相应点法线的夹角不是常数,故这种齿形存在一些不足之处[15]。针对Musser所提出的确定齿形参数模型存在的不足,以及某些学者的错误观点,1964年以后,国内外学者相继从建立谐波齿轮传动的啮合理论出发,对谐波齿轮传动的齿形及其参数进行了一系列的理论研究。从使用实践上,得出以下结论:由于谐波齿轮传动中存在着能产生可控弹性变形的柔轮,因而两轮轮齿是否严格共轭,对传动性能影响并不显著,而齿形参数的影响却很大,这就促使人们主要从工艺观点出发来探讨谐波齿轮传动的齿形及其参数对啮合性能的影响。90年代以前,在谐波齿轮的研究和应用中,受到极力推崇的是渐开线齿形或修形后的渐开线齿形。但用以上介绍的齿形研究方法,所获得的齿形实际上都是一种近似共轭齿形。近似共轭的结果是不1-柔轮2-刚轮图2轮齿几何关系及啮入过程1-柔轮2-刚轮图3轮齿啮合状态机械工程学报第49卷第6期期92能保证有精确的运动规律,其瞬时传动比将发生变化。基于