谐波减速器.docx
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谐波减速器
谐波减速器
谐波减速器概述
阳泉华鑫采矿设备有限公司
2010.12.4
1.简述
1.1谐波传动技术背景
谐波传动是上世纪五十年代后期随着航天技术的发展而出现的一种重要的新型机械传动方式，被认为是机械传动的重大突破。
谐波机械传动原理是苏联工程师A.摩察尤唯金首先于1947年提出，1955年第一台用于火箭的谐波齿轮传动是由美国人C.M.Musser发明的。
此后，在航天飞行器和航天设备上的多次使用，充分显示了这种传动的优越性。
1959年取得了此项发明的专利后，于1960年正式公开发表了该项技术的详细资料，一九六一年开始介绍到我国。
由于谐波传动具有许多优点，因而获得了广泛的推广。
到上世纪七、八十年代，许多不同类型的谐波传动取得了专利。
2.国内外研究现状
谐波传动自50年代中期出现后成功地用于火箭、卫星等多种传动系统中，使用证实这种传动较一般齿轮传动具有运动精度高、回差小、传动比大、重量轻、体积小、承载能力大，并能在密封空间和辐射介质的工况下正常工作等优点。
因此美、日、俄等技术先进国家，对这方面的研制工作一直都很重视。
如美国就有国家航空管理局路易斯研究中心、空间技术实验室、贝尔航空空间公司、麻省理工学院、通用电气公司等几十个大型公司和研究中心都从事过这方面的研究工作。
目前，美国将谐波齿轮传动应用于精密加工和测星装置的纳米级调整系统，并取得了专利。
前苏联从60年代初开始，也大力开展这方而的研制工作。
如苏联机械研究所、莫斯科鲍曼工业大学、全苏联减速器研究所、基耶夫减速器厂和莫斯科建筑工程学院等单位都大力开展谐波传动的研究工作。
他们对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、应用等方而有较大发展。
日木自70年代开始，从美国引进全套技术，目前不仅能大批生产各种类型的谐波齿轮传动装置，还完成了通用谐波齿轮传动装置的标准化、系列化工作。
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
如图3-1所示，谐波齿轮传动主要构件有三个，刚轮（CircularSpline）、柔轮（Flexspline）和波发生器（Wavegenerator）固定其中一件，其余两件，一为主动，另一为从动，其相互关系可以根据需要变换，一般均以波发生器为主动。
图3-1谐波齿轮减速器的基本构造
波发生器
波发生器是一个安装于椭圆形轮毅上的薄壁球轴承，而椭圆形轮毅一般安装在谐波减速器的输入轴上作为减速器的扭矩发生器。
柔轮
柔轮在自然状态下是一个柔性的薄壁杯形圆柱筒，筒外壁上有轮齿，节圆直径略小于刚轮齿节圆直径。
柔轮贴装于波发生器上并发生变形，变形后的形状由波发生器的外轮廓决定，一般为椭圆筒。
刚轮
刚轮是一个有内齿的刚性环，内齿在波发生器的长轴方向与柔轮的外齿啮合，且齿数比柔轮多2个。
刚轮一般安装于壳体上，作为谐波减速器的固定元件。
3.3.4谐波减速器的原理
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”。
下图3-2是谐波传动的原理图：
图3-2谐波传动的工作原理
3.3.5谐波减速器主要零件常用材料:
柔轮:
30CrMnSi、35CrMnSiA、40CrNiMoA
刚轮
45、40Cr
凸轮或偏心盘
45
3.3.6生产谐波减速器所需设备情况
生产谐波齿轮减速器除一般通用的机床（车床、铣床、钻床等）外，还需要插齿机、磨齿机、滚齿机和中高频淬火机床，一台国产滚齿机床价格在20万左右，比如泰兴成泰机床设备有限公司生产的Y3180滚齿机市场报价20.5万/部；进口磨齿机价格稍高，比如德国产的五轴联动数控成型磨齿机报价都在100万以上，不过国产磨齿机就相对便宜多了，比如浙江缙云县壶镇振利机械厂生产的MSG—450B磨齿机报价只有15万左右；至于淬火机床，生产厂家众多，价格在几万到几十万不等，总之，生产谐波减速器所需设备不算太贵，一般公司都可承受。
下图为双波单级谐波齿轮减速器结构图，1-端盖2-壳体3-双滚轮式波发生器4-柔轮5-抗弯环6-刚轮7-输出轴8-轴衬
4.谐波减速器的特点
4.1谐波减速器的主要优点
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。
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，谐波传动这一独特优点是其它传动机构难于达到的。
11.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。
4.2谐波减速器的主要缺点
1.传动比的下限值高，齿数不能太少，当波发生器为主动时，传动比不小于35；
2.柔轮和波发生器的制造复杂，需要专门设备，造成单件生产和维修困难，但批量生产时谐波传动装置的价格低于行星传动装置；
3.柔轮周期性变形，易于疲劳损坏;
4.起动力矩大;
5.在承载初始阶段，刚度较小，变刚度特性是属于带条件性的缺点;
6.不能做成交叉轴和交错轴的结构形式。
4.3谐波传动与其它传动性能的具体比较
蜗轮蜗杆减速机的主要特点是具有反向自锁功能，可以有较大的减速比，输入轴和输出轴不在同一轴线上，也不在同一平面上。
但是一般体积较大，传动效率不高，精度不高。
谐波减速机的谐波传动是利用柔性元件可控的弹性变形来传递运动和动力的，体积不大、精度很高，但缺点是柔轮寿命有限、不耐冲击，刚性与金属件相比较差。
输入转速不能太高。
行星减速机其优点是结构比较紧凑，回程间隙小、精度较高，使用寿命很长，额定输出扭矩可以做的很大。
但价格略贵。
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：
减 速 器 类 型
参 数
单位
行星齿轮
人字齿轮
蜗杆加螺旋齿轮
圆柱齿轮
谐波齿轮
1
传动级数
3
2
2
3
1
2
输出力矩
N．m
390
390
390
390
390
3
传动比
97.4
96
100
98.3
100
4
效 率
%
85
85
78
93
85
5
齿轮数量
个
13
4
4
6
2
6
轴承数量
套
17
6
6
8
5
7
节圆线速度
M/S
7.62
7.62
7.62
7.62
0.094
8
齿滑动速度
M/S
12.7
12.7
12.7
12.7
0.12
9
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
18
外形尺寸宽
CM
33.1
25.4
25.4
34.6
16.5
19
体 积
1000CM3
40
146
44
185
5.5
20
质 量
Kg
111
127
92.5
325
25
5国内外谐波减速器比较
目前，国外小模数精密谐波齿轮减速器多采用短筒柔轮，其体积小、重量轻、承载能力高;
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