谐波减速机齿廓设计方法及谐波减速机

摘要

本发明提供了一种谐波减速机齿廓设计方法及谐波减速机，包括：以波发生器的短轴的延伸方向为X轴，以波发生器的长轴的延伸方向为Y轴，以减速机的回转中心为原点O建立直角坐标系；设定刚性齿轮的第一齿槽中线为C轴，设定柔性齿轮的第二轮齿中线为f轴，第一齿槽和第二轮齿相互啮合；以f轴与变形后的柔性齿轮轮廓线的交点为Of’，并以Of’点与O点之间的极径ρ与Y轴之间的极角为θ，θS≤θ≤θB；其中，θB的值域为[π/3，2π/5]，根据θ值以及齿条近似法确定刚性齿轮的齿顶轮廓方程和柔性齿轮的齿顶轮廓方程。本发明解决了现有技术中的谐波减速机中刚轮和柔轮的啮合齿数低的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及谐波减速机齿廓设计领域，具体而言，涉及一种谐波减速机齿廓设计方法及谐波减速机。

背景技术

目前，谐波减速机主要由刚轮、柔轮和波发生器组成，柔轮在波发生器的作用下产生弹性变形，并与刚轮互相作用，从而达到转动目的。绕曲成椭圆状的柔轮在其长轴的两端部分与刚轮啮合。因此，啮合部分传递负载扭矩而产生拉伸应力。为了提高谐波减速机传递的扭矩容量，降低柔轮单个齿所产生的应力，可增加啮合齿数。

现有技术中，大多依据齿条近似法，对柔轮中性层上一点运动轨迹进行相似变换，得到柔轮与刚轮的齿廓。

但是，现有技术中的齿廓设计，并没有增加刚轮和柔轮的啮合齿数，导致谐波减速机的扭矩容量低，减速机的使用寿命低。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种谐波减速机齿廓设计方法及谐波减速机，以解决现有技术中的谐波减速机中刚轮和柔轮的啮合齿数低的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种谐波减速机齿廓设计方法，包括：以波发生器的短轴的延伸方向为X轴，以波发生器的长轴的延伸方向为Y轴，以减速机的回转中心为原点O建立直角坐标系；设定刚性齿轮的第一齿槽中线为C轴，设定柔性齿轮的第二轮齿中线为f轴，第一齿槽和第二轮齿相互啮合；以f轴与变形后的柔性齿轮轮廓线的交点为Of’，并以Of’点与O点之间的极径ρ与Y轴之间的极角为θ，θ

进一步地，极角θ与其对应的极径ρ之间的关系式为：极径ρ(θ)＝r+ωcos(2θ)；其中，r和ω均为常数。

进一步地，柔性齿轮的齿顶面与刚性齿轮的齿底面之间具有预定距离。

进一步地，谐波减速机齿廓设计方法包括：设定柔性齿轮的轮齿相对于刚性齿轮的齿槽的运动轨迹为F，θ

进一步地，谐波减速机齿廓设计方法包括：设定柔性齿轮的轮齿相对于刚性齿轮的齿槽的运动轨迹为F，θ

进一步地，谐波减速机齿廓设计方法包括：设定柔性齿轮的轮齿相对于刚性齿轮的齿槽的运动轨迹为F，θ

进一步地，谐波减速机齿廓设计方法包括：设定C轴与Y轴之间的夹角为

进一步地，柔性齿轮的齿顶面与刚性齿轮的齿底面之间的距离为Z，柔性齿轮的齿高与柔性齿轮的轮缘厚度的一半之和为h，刚性齿轮的齿顶齿廓方程为：x

进一步地，设定C轴与Y轴之间的夹角为

进一步地，柔性齿轮的齿顶面与刚性齿轮的齿底面之间的距离为Z，柔性齿轮的齿高与柔性齿轮的轮缘厚度的一半之和为h，柔性齿轮的齿顶齿廓方程为：x

根据本发明的另一方面，提供了一种谐波减速机，包括柔性齿轮和刚性齿轮，柔性齿轮的齿廓方程和刚性齿轮的齿廓方程适用于上述的谐波减速机齿廓设计方法。

应用本发明的技术方案，谐波减速机齿廓设计方法，具体包括如下步骤：以波发生器的短轴的延伸方向为X轴，以波发生器的长轴的延伸方向为Y轴，以减速机的回转中心为原点O建立直角坐标系；设定刚性齿轮的第一齿槽中线为C轴，设定柔性齿轮的第二轮齿中线为f轴，第一齿槽和第二轮齿相互啮合；以f轴与变形后的柔性齿轮轮廓线的交点为Of’，并以Of’点与O点之间的极径ρ与Y轴之间的极角为θ，θ

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的谐波减速机齿廓设计方法的传动模型示意图；

图2示出了根据本发明的谐波减速机齿廓设计方法的柔性齿轮的结构示意图；

图3示出了根据本发明的谐波减速机齿廓设计方法的柔性齿轮运动轨迹的部分示意图；

图4示出了根据本发明的谐波减速机齿廓设计方法的侧隙控制量示意图；

图5示出了根据本发明的谐波减速机齿廓设计方法中的谐波减速机结构示意图；以及

图6示出了根据本发明的谐波减速机齿廓设计方法得到的刚性齿轮和柔性齿轮的啮合仿真示意图；以及

图7示出了根据本发明的谐波减速机齿廓设计方法得到的刚性齿轮和柔性齿轮的啮合参数与现有的刚性齿轮和柔性齿轮的啮合参数的对比表。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、柔性齿轮；2、刚性齿轮；3、柔性轴承；4、凸轮。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明提供了一种谐波减速机齿廓设计方法，请参考图1至图4，包括：以波发生器的短轴的延伸方向为X轴，以波发生器的长轴的延伸方向为Y轴，以减速机的回转中心为原点O建立直角坐标系；设定刚性齿轮2的第一齿槽中线为C轴，设定柔性齿轮1的第二轮齿中线为f轴，第一齿槽和第二轮齿相互啮合；以f轴与变形后的柔性齿轮轮廓线的交点为Of’，并以Of’点与O点之间的极径ρ与Y轴之间的极角为θ，θ

根据本发明提供的谐波减速机齿廓设计方法，具体包括如下步骤：以波发生器的短轴的延伸方向为X轴，以波发生器的长轴的延伸方向为Y轴，以减速机的回转中心为原点O建立直角坐标系；设定刚性齿轮2的第一齿槽中线为C轴，设定柔性齿轮1的第二轮齿中线为f轴，第一齿槽和第二轮齿相互啮合；以f轴与变形后的柔性齿轮轮廓线的交点为Of’，并以Of’点与O点之间的极径ρ与Y轴之间的极角为θ，θ

在这里需要说明的是，齿条近似法是在假设谐波传动齿数无穷多情况下的近似齿廓设计方法，此时柔性齿轮的轮齿相对于刚性齿轮的轮齿沿着运动轨迹做平移运动，也就是通过中性线方程ρ(θ)，推导得出柔性齿轮的运动轨迹，在通过坐标变换得到柔性齿轮和刚性齿轮的齿廓。

具体地，如图1所示，极角θ与其对应的极径ρ之间的关系式为：极径ρ(θ)＝r+ωcos(2θ)；其中，r和ω均为常数。其中θ为变量，进而使在本发明提供的θ的范围内，刚性齿轮2和柔性齿轮1的齿廓设计最优。

为了避免柔性齿轮1与刚性齿轮2的轮齿间相互干涉，柔性齿轮1的齿顶面与刚性齿轮2的齿底面之间具有预定距离。

如图3所示，C轴为刚性齿轮2的齿槽中线，X1轴为C轴在原点O处的法线，虚线F为Of’的运动轨迹，此轨迹线表达了柔性齿轮1的轮齿相对于刚性齿轮2的齿槽的运动轨迹，柔性齿轮1变形后形成了椭圆，轨迹线上的各个点为Of’点在椭圆上的不同位置，每一个位置对应一个极角，由齿条近似法，确定运动轨迹的最高点A，近似起点A，近似终点B，本发明提供的实施例中，A点和S点重合，点A(S)对应的极角为0，点A在柔性齿轮的中性线轮廓确定后即确定，可控制极角θ

具体地，谐波减速机齿廓设计方法包括：设定柔性齿轮1的轮齿相对于刚性齿轮2的齿槽的运动轨迹为F，θ

进一步地，谐波减速机齿廓设计方法包括：设定柔性齿轮1的轮齿相对于刚性齿轮2的齿槽的运动轨迹为F，θ

谐波减速机齿廓设计方法包括：设定柔性齿轮1的轮齿相对于刚性齿轮2的齿槽的运动轨迹为F，θ

在具体实施的过程中，如图1所示，谐波减速机齿廓设计方法包括：设定C轴与Y轴之间的夹角为

具体地，如图4所示，柔性齿轮1的齿顶面与刚性齿轮2的齿底面之间的距离为Z，柔性齿轮1的齿高与柔性齿轮1的轮缘厚度的一半之和为h，刚性齿轮2的齿顶齿廓方程为：x

在本发明提供的实施例中，设定C轴与Y轴之间的夹角为

柔性齿轮1的齿顶面与刚性齿轮2的齿底面之间的距离为Z，柔性齿轮1的齿高与柔性齿轮1的轮缘厚度的一半之和为h，柔性齿轮1的齿顶齿廓方程为：x

根据本发明提供的谐波减速机齿廓设计方法，通过设定θ

如图5所示的谐波减速机，柔性齿轮1通过柔性轴承3套设在凸轮4上，刚性齿轮2套设在柔性齿轮1上，当中性层上一点运动轨迹确定后，柔轮和刚轮的啮合齿数由齿顶高决定，齿顶高越大，轮齿有效啮合齿高越高，有效参与啮合的齿数越多，因为齿顶高越高，柔性齿轮的啮入越早，啮入起始的轮齿越接近短轴，从而使啮合区域越大即啮合齿数越多。

在谐波减速器负载一定的情况下，参与承受载荷的齿数越多，那么单个齿所受载荷就越小，从而能够降低柔轮齿根应力，增加谐波减速机的使用寿命。同样，在单个齿能承受载荷一定的情况下，参与承受载荷的齿数越多，谐波减速器所能够承受的负载容量就越大，从而实现高扭矩的谐波减速机。

在得到柔性齿轮的齿廓和刚性齿轮的齿廓后，根据运动轨迹，并考虑到柔性齿轮的法向转角，对柔性齿轮的啮入过程进行仿真，因为啮出过程和啮入对称，所以只需考察啮入过程即可，如图6所示，实现为通过本发明得到的刚性齿轮齿廓，虚线为柔性齿轮齿廓，通过仿真模拟，轮齿啮合充分且无干涉。定义现有齿廓的谐波减速机为标准型，本发明齿廓的谐波减速机为高扭矩型，通过软件对比了标准型和高扭矩型谐波减速机的啮合齿数和啮合区域，如图7中的表1所示，本发明能有效增加啮合齿数、增大啮合区域。并且进行了寿命试验，标准型减速机寿命为7000h，高扭矩型减速机为10000小时，有效的验证了本发明齿廓的谐波减速机能够有效提高整机的使用寿命。

本发明还提供了一种谐波减速机，包括柔性齿轮1和刚性齿轮2，柔性齿轮1的齿廓方程和刚性齿轮2的齿廓方程适用于上述实施例的谐波减速机齿廓设计方法。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

根据本发明提供的谐波减速机齿廓设计方法，具体包括如下步骤：以波发生器的短轴的延伸方向为X轴，以波发生器的长轴的延伸方向为Y轴，以减速机的回转中心为原点O建立直角坐标系；设定刚性齿轮的第一齿槽中线为C轴，设定柔性齿轮的第二轮齿中线为f轴，第一齿槽和第二轮齿相互啮合；以f轴与变形后的柔性齿轮轮廓线的交点为Of’，并以Of’点与O点之间的极径ρ与Y轴之间的极角为θ，θ

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。