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            諧波齒輪減速機工作原理及應用場景

            2022-04-11 23

            諧波齒輪減速機由固定的內齒剛輪、柔輪、和使柔輪發生徑向變形的波發生器組成,諧波齒輪減速機是齒輪減速機中的一種新型傳動結構,它是利用柔性齒輪產生可控制的彈性變形波,引起剛輪與柔輪的齒間相對錯齒來傳遞動力和運動。

            這種傳動與一般的齒輪傳遞具有本質上的差別,在嚙合理論、集合計算和結構設計方面具有特殊性。

            諧波齒輪減速器具有高精度、高承載力等優點,和普通減速器相比,由于使用的材料要少50%,其體積及重量至少減少1/3。

            諧波齒輪減速機組成與結構


            諧波齒輪減速機由剛輪、柔輪、和波發生器三個主要構件組成。

            固定剛輪是一個剛性的內齒輪

            柔輪是一個容易變形的薄壁圓筒外齒輪,它們一同具有三角形(或漸開線)的齒形,且兩者的周節相等,但剛輪比柔輪多幾個齒(通常為兩齒)

            波發生器由一個橢圓盤和一個柔性球軸承組成,或者由一個兩端均帶有滾子的轉臂組成。

            通常波發生器為原動體,柔輪和剛輪之一為從動體,另一個為固定件。


            諧波齒輪減速器的結構組成


            在未裝配前,柔輪及其內孔呈圓形,當波發生器裝入柔輪的內孔后,由于波發生器的長度略大于柔輪的內孔直徑,柔輪撐成橢圓形,迫使柔輪在橢圓的長軸方向與固定的剛輪完全嚙合,在短軸方向完全分離,其余各處的齒視柔輪回轉位置的不同,或者處于“嚙入”狀態,或者處于“嚙出”狀態。由于剛輪固定,波發生器逆時針轉動時,柔輪作順時針轉動。當波發生器連續回轉時,柔輪長軸和短軸及“嚙入”、“嚙出”的位置隨之不斷變化,柔輪齒由嚙入轉向嚙出,又嚙合轉向嚙出,由嚙出轉向脫開,如此,嚙入、嚙合、嚙出、脫開、嚙入、嚙合……往復循環,迫使柔輪連續轉動。

            柔輪隨著波發生器轉動過程中,其中一個齒從與剛輪的一個齒嚙合到再一次與剛輪上的這個齒相嚙合時,柔輪恰好旋轉一周,而此時波發生器旋轉了很多圈,波發生器的旋轉圈數與柔輪旋轉圈數(1圈)之比,即為諧波齒輪減速器的減速比,故其減速比很大。在整個運動過程中,柔輪的變形在柔輪圓周的展開圖上是連續的簡諧波形,因此,這一傳動稱之為諧波齒輪傳動。 

            諧波齒輪減速器按其機械波數目的多少可分為:單波、雙波及三波,其中最常用的是雙波傳達。在諧波傳動中,剛輪與柔輪的齒數差應等于機械波數的整數倍,通常取其等于波數。

            圖片

            圖3.諧波齒輪減速器輪齒嚙合狀態示意圖 


            圖片

            圖4.諧波齒輪減速器工作示意圖



            優點

            1、傳動速比大。

            單級諧波齒輪傳動速比范圍為70~320,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多,雙波傳動同時嚙合的齒數可達總齒數的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動中同時嚙合的齒數多,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,甚至能做到無側隙嚙合,故諧波齒輪減速機傳動空程小,適用于反向轉動。  

            4、傳動效率高、運動平穩。

            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百分之—),所以,輪齒磨損小,效率高(可達69%~96%)。又由于嚙入和嚙出時,齒輪的兩側都參加工作,因而無沖擊現象,運動平穩。  

            5、結構簡單、零件數少、安裝方便。

            僅有三個基本構件,且輸入與輸出軸同軸線,所以結構簡單,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。 

            7、可向密閉空間傳遞運動。

            利用柔輪的柔性特點,輪傳動的這一可貴優點是現有其他傳動無法比擬的。 


            缺點

            1、柔輪周期性地發生變形,因而產生交變應力,使之易于產生疲勞破壞。 

            2、轉動慣量和起動力矩大,不宜用于小功率的跟蹤傳動。

            3、不能用于傳動速比小于35的場合。  

            4、采用滾子波發生器(自由變形波)的諧波傳動,其瞬時傳動比不是常數。 

            5、散熱條件差。 


            應用場合

            諧波齒輪減速機在航空、航天、能源、航海、造船、仿生機械、常用軍械、機床、儀表、電子設備、礦山冶金、交通運輸、起重機械、石油化工機械、紡織機械、農業機械以及醫療器械等方面得到日益廣泛的應用,特別是在高動態性能的伺服系統中,采用諧波齒輪傳動更顯示出其優越性。它傳遞的功率從幾十瓦到幾十千瓦,但大功率的諧波齒輪傳動多用于短期工作場合。


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