一种谐波减速器的制作方法

本发明涉及机械传动领域，具体的说是涉及一种谐波减速器。

背景技术：

在机械传动领域中，有各种各样的减速器，按其特点、适用范围和使用场合。谐波减速器是一种结构简单、紧凑、传动比大，传递精度高的减速器，所以在机械工程领域得到了较为广泛的应用，尤其在机器人行业得到较好的应用。但是目前的谐波减速器通常采用椭圆波发生器，存在着椭圆波发生器设计难、加工难、检测难的技术问题。因此，目前有能力研制、设计、生产以谐波减速器的公司少之又少；而且造价及售价远高于一般的减速器。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种谐波减速器，该谐波减速器采用双半圆激波器和柔轮输出机构，整体结构简单，有效降低了制造难度，且刚轮施加给柔轮各齿的反作用力相对均衡，能够有效提高减速器的工作性能，降低生产成本。

本发明所采用的技术方案是：一种谐波减速器，包括内壁设有齿形的刚轮、安装在刚轮内并与刚轮通过齿形啮合的柔轮、轴组件、安装在柔轮内的波发生器组件以及设置在上述部件外的壳体，刚轮固定在壳体内，且刚轮的轮齿数目大于柔轮的轮齿数目，轴组件由输入轴和输出轴组成，且波发生器组件通过其中心设置的穿轴孔安装在轴组件的输入轴上，所述波发生器组件包括双半圆激波器以及套设在双半圆激波器外表面的柔性轴承，所述双半圆激波器由中心设有穿轴孔的柱体以及对称设置在柱体两侧的两个半圆形柱体组成，以使双半圆激波器转动时，柔性轴承和柔轮发生形变，柔轮的轮齿依次与刚轮的轮齿啮合，使双半圆激波器推动柔轮与刚轮产生错齿移动及反向低速转动，进而实现反向减速。

所述柔性轴承由柔性轴承内圈、柔性轴承外圈以及安装在两者之间的轴承滚动体组成，所述柔性轴承内圈套设在双半圆激波器的外表面，以使双半圆激波器转动时，带动柔性轴承内圈及轴承滚动体同步转动，以使柔性轴承外圈和柔轮发生形变，进而改变柔轮与刚轮之间的啮合角位置状态。

所述双半圆激波器的左右两侧安装有挡板，每个挡板的外侧均安装有用于压紧挡板的端头，端头通过紧固钉锁紧后固定。

刚轮的齿形由圆弧形和二次包络线弥合组成，多个二次包络线等齿距均匀的分布于刚轮内周，两相邻二次包络线之间连接有圆弧形线条。

波发生器组件的双半圆间是以直线切线或弧线切线拟合连接的线条，且线条连续无突变。

所述壳体包括安装在输入轴外的左壳体、安装在输出轴外的右壳体、安装在左壳体端部的左端盖以及安装在右壳体端部的右端盖，所述左端盖、左壳体、右壳体和右端盖依次通过锁紧螺母连接形成一体结构，右壳体和输出轴之间依次安装有支撑轴承Ⅰ、隔套Ⅰ和支撑轴承Ⅱ，所述右端盖和支撑轴承Ⅱ之间通过轴承内圈紧固螺母Ⅰ锁紧固定。

所述柔轮和输出轴之间安装有调节环和柔轮压环，且调节环和柔轮压环上设有对应设置的螺纹孔，并通过拧紧螺母固定在输出轴上。

所述左壳体和输入轴之间依次安装有支撑轴承Ⅲ、隔套Ⅱ和支撑轴承Ⅳ，所述左端盖和支撑轴承Ⅲ之间通过轴承内圈紧固螺母Ⅱ锁紧固定。

所述左端盖与输入轴之间、右端盖与输出轴之间分别设有油封。

所述右壳体上设有泄油孔。

所述双半圆激波器和输入轴之间安装有轴键。

本发明的有益效果：

（1）本发明双半圆波发生器型谐波减速器采用双半圆波发生器，与传统的椭圆发生器相比不仅有效降低了制造难度，进而降低了成本，提高了工作的效率，而且由于双半圆波发生器的曲率半径大于椭圆波发生器的最小曲率半径，所以被双半圆波发生器撑开柔轮的曲率半径大于被椭圆波发生器撑开的最小曲率半径，在谐波减速器转动工作时，双半圆波发生器使柔轮的曲率半径变大，结果降低了柔轮变形折损疲劳强度，延长柔轮的工作寿命；又由于双半圆波发生器的曲率半径变大，使其曲率半径更接近于刚轮齿顶圆半径，使柔轮上的齿更接近刚轮内周上的内齿，所以能使柔轮与刚轮产生更多的齿间啮合；提高了刚轮与柔轮齿间的啮合率，啮合率的提高，提高了传递精度，同时也提高了传动扭矩效率，提高了谐波减速器效率，同时增大了谐波减速器的输出转矩，延长使用工作寿命；

（2）传统的刚轮的齿形设计多采用三角形、双圆弧形S、CTC、渐开线等齿形，这些齿形的共同点是刚轮齿根区域的齿形被设计固定，不是柔轮齿顶齿廓的轨迹曲线，所以在这种情况下只能有两种情况产生：一是柔轮的齿顶区域始终不能和刚轮齿的齿根区域啮合，降低传递效率，不利于产品的小型化；二是柔轮的齿顶区域始终和刚轮齿的齿根区域啮合出现干涉现象，导致刚轮齿形和柔轮齿形受力异常、磨损加剧、噪声高、振动大、发热加剧缩短谐波减速器的寿命；本发明中谐波减速器刚轮采用二次包络齿形，解决了传统的设计方法，充分地最大限度的发挥并提高刚轮齿与柔轮齿的啮合率，有效的提高谐波减速器的传递效率、传动精度高、噪声低、振动小、寿命长。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为波发生器组件的结构示意图；

图4为刚轮二次包络齿形与柔轮的啮合图；

图5为传统刚轮圆弧齿形与柔轮的啮合图；

图中标记：1、刚轮，2、柔轮，3、轴组件，4、波发生器组件，5、壳体，6、双半圆激波器，7、柔性轴承，8、半圆形柱体，9、挡板，10、端头，11、紧固钉，12、支撑轴承Ⅰ，13、隔套Ⅰ，14、支撑轴承Ⅱ，15、轴承内圈紧固螺母Ⅰ，16、调节环，17、柔轮压环，18、拧紧螺母，19、支撑轴承Ⅲ，20、隔套Ⅱ，21、支撑轴承Ⅳ，22、轴承内圈紧固螺母Ⅱ，23、油封，24、泄油孔，25、轴键，301、输入轴，302、输出轴，501、左壳体，502、右壳体，503、左端盖，504、右端盖，701、柔性轴承内圈，702、柔性轴承外圈，703、轴承滚动体。

具体实施方式

如图所示，一种谐波减速器，包括内壁设有齿形的刚轮1、安装在刚轮1内并与刚轮1通过齿形啮合的柔轮2、轴组件3、安装在柔轮2内的波发生器组件4以及设置在上述部件外的壳体5，刚轮1固定在壳体5内，且刚轮1的轮齿数目大于柔轮2的轮齿数目，轴组件3由输入轴301和输出轴302组成，且波发生器组件4通过其中心设置的穿轴孔安装在轴组件3的输入轴301上，所述波发生器组件4包括双半圆激波器6以及套设在双半圆激波器6外表面的柔性轴承7，所述双半圆激波器6由中心设有穿轴孔的柱体以及对称设置在柱体两侧的两个半圆形柱体8组成，使其波发生器组件最大尺寸（长轴）两端处柔轮轮齿插入刚轮的轮齿槽内，成为完全啮合状态；而其短轴处两轮轮齿完全不接触，处于脱开状态。由啮合到脱开的过程之间则处于啮出或啮入状态。当使双半圆激波器转动时，柔性轴承和柔轮发生形变，柔轮的轮齿依次与刚轮的轮齿啮合，使两轮轮齿在进行啮入、啮合、啮出、脱开的过程中不断改变各自的工作状态，产生了所谓的错齿运动，实现了波发生器组件4与柔轮的运动传递。使波发生器组件4推动柔轮低速反向转动，实现减速。

所述柔性轴承7由柔性轴承内圈701、柔性轴承外圈702以及安装在两者之间的轴承滚动体703组成，所述柔性轴承内圈701套设在双半圆激波器6的外表面，以使双半圆激波器6转动时，带动柔性轴承内圈701及轴承滚动体703同步转动，以使柔性轴承外圈702和柔轮2发生形变。

所述双半圆激波器6的左右两侧安装有挡板9，每个挡板9的外侧均安装有用于压紧挡板9的端头10，端头10通过紧固钉11锁紧后固定。

刚轮1的齿形由圆弧形和二次包络线弥合组成，多个二次包络线等齿距均匀的分布于刚轮内周，两相邻二次包络线之间连接有圆弧形线条。

波发生器组件4的双半圆间是以直线切线或弧线切线拟合连接的线条，且线条连续无突变。

所述壳体5包括安装在输入轴外的左壳体501、安装在输出轴外的右壳体502、安装在左壳体501端部的左端盖503以及安装在右壳体502端部的右端盖504，所述左端盖503、左壳体501、右壳体502和右端盖504依次通过螺栓连接形成一体结构，右壳体502和输出轴之间依次安装有支撑轴承Ⅰ12、隔套Ⅰ13和支撑轴承Ⅱ14，所述右端盖504和支撑轴承Ⅱ14之间通过轴承内圈紧固螺母Ⅰ15锁紧固定。

所述柔轮2和输出轴之间安装有调节环16和柔轮压环17，且调节环16和柔轮压环17上设有对应设置的螺纹孔，并通过拧紧螺母18固定在输出轴上。

所述左壳体501和输入轴之间依次安装有支撑轴承Ⅲ19、隔套Ⅱ20和支撑轴承Ⅳ21，所述左端盖503和支撑轴承Ⅲ19之间通过轴承内圈紧固螺母Ⅱ22锁紧固定。

所述左端盖503与输入轴之间、右端盖504与输出轴之间分别设有油封23。

所述右壳体502上设有泄油孔24。

所述双半圆激波器6和输入轴301之间安装有轴键25。

本发明谐波减速器的装配过程如下：首先将输入轴301装入波发生器组件4的穿轴孔，并在双半圆激波器的左右两侧安装挡板9，在挡板9的外侧安装端头，以将挡板9进行压紧，然后通过紧固钉11将端头及挡板9锁紧固定，将右壳体502安装在输出轴上，并将支撑轴承Ⅰ12、隔套Ⅰ13和支撑轴承Ⅱ14依次从左至右依次安装右壳体与输出轴之间的轴孔内，然后采用轴承内圈紧固螺母Ⅰ15进行固定，随后安装谐波器的右端盖504，并通过锁紧螺母将右端盖504与右壳体502进行锁紧固定，随后将调节环安装到输出轴上，装入柔轮以及柔轮压环并通过拧紧螺母穿入调节环16和柔轮压环17上设置的螺纹孔对调节环和柔轮压环进行拧紧固定，把刚轮装入谐波器壳体左侧，然后将波发生器组件装入柔轮内，将柔轮撑开与刚轮齿进行啮合，对正齿位，然后安装左壳体501并通过螺钉进行固定，依次将支撑轴承Ⅲ19、隔套Ⅱ20和支撑轴承Ⅳ21安装到输入轴301上，并通过轴承内圈紧固螺母Ⅱ22对支撑轴承Ⅲ19、隔套Ⅱ20和支撑轴承Ⅳ21进行固定，完成后将左端盖503安装固定，柔轮被波发生器组件撑开，且其撑开最长尺寸长轴部分与刚轮啮合的最深。

本发明的工作原理：本发明中谐波减速器有输入轴、波发生器组件、刚轮、柔轮、输出轴、支撑轴承、壳体七部分组成，柔轮外周和刚轮内周设有相互啮合的轮齿，且柔轮的齿数少于刚轮齿数。

波发生器组件由双半圆激波器6、柔性轴承内圈701、轴承滚动体703、柔性轴承外圈702和输入轴301组成；双半圆激波器6由两个半圆形柱体8偏离中心且对称设置、且两个半圆形柱体8中间以切线相连的整体为矩形柱状体的激波器；波发生器组件4将柔轮2撑成与波发生器组件4中柔性轴承外圈702一样的形状；电机带动输入轴301高速转动时，双半圆激波器6、柔性轴承内圈701随输入轴301高速转动，驱动轴承滚动体703滚动，使柔性轴承外圈702、柔轮2产生形变，起到柔轮2按一定规律均匀的改变变形位，用对称凸轮滚动轴承起到均匀规律变形的滚动轴承的效果，柔轮输出件是利用双半圆激波器转动驱动柔轮形变并获得与双半圆激波器相反的方向自转能力，被波发生器组件4最大尺寸位置两端撑开的柔轮2迫使柔轮2变形拉长，两段最长点柔轮2的齿与刚轮1齿啮合最深，按顺序柔轮的齿依次与刚轮1齿的啮合深度逐渐变浅，直至无啮合。

如图2和图4所示，刚轮1齿形设置为二次包络线齿形，且由数个二次包络线齿形等齿距均匀的分布于刚轮内周；图4中虚线H下方CDE齿形线段为圆弧齿形，虚线H上方ABC齿形线段是二次包络齿形线段；刚轮1齿形是由圆环体柱状内周按等齿距均布设置二次包络齿形ABC段和圆弧齿形CDE段两段合成；二次包络线齿形使刚轮齿与柔轮齿的啮合点增多，齿形受力更均衡，同时提升输出扭矩能力、提高传递效率、延长寿命，二次包络齿形ABC段的形成，是由图5所示的原始设计的圆弧齿形齿CDE段与柔轮齿啮合形成的柔轮轨迹，该轨迹形成柔轮齿形段齿顶区域齿形和段齿根区域齿形，两段合成柔轮齿形；柔轮齿形段齿顶区域齿形与刚轮齿啮合时，如图4中所示，柔轮齿形段齿顶区域齿形齿廓在图5中AFGC形成的齿廓轨迹，即为图4中所示ABC曲线段，该曲线段为二次包络线ABC段，这段二次包络线ABC段为刚轮包络齿形。该刚轮的二次包络齿形和圆弧齿形合成齿形，运动啮合合理，齿形受力均衡，提高啮合率；使双半圆波发生器型谐波减速器运行噪声低、振动小、寿命延长、传递精度高。

谐波减速器在工作过程中，由于柔轮的齿数少于刚轮的齿数，故当柔轮被双半圆波发生器组件最大尺寸位置两端撑开的柔轮迫使柔轮变形拉长，两段最长点柔轮的齿与刚轮齿啮合最深，按顺序柔轮的齿依次与刚轮齿的啮合深度逐渐变浅，直至无啮合。

由于柔轮2变形齿依次与刚轮1的轮齿啮合时，刚轮1将推动柔轮2低速转动，实现了减速功能。

柔轮2，柔轮压环17、调节环16、支撑轴承Ⅲ19、隔套Ⅱ20和支撑轴承Ⅳ21、轴承内圈紧固螺母Ⅱ22一起装配在输出轴上，共同组成柔轮输出组件，这种机构的作用是传递柔轮的输出，使输出轴302得到与柔轮同步输出的低速转动。

进一步，所述波发生器组件4的外轮廓双半圆可以采用接近双半圆的圆弧，双半圆的圆弧之间以直线切线或弧线切线拟合连接的线条、且线条连续无突变。

波发生器组件的设计原理：

（1）以谐波减速器刚轮内齿齿顶圆半径、刚轮内齿齿数、齿的模数、柔轮厚度和波数即刚轮多于柔轮的齿数为波数为设计双半圆或双接近半圆的圆弧波发生器的基本数据；

（2）根据柔轮的齿数、模数，算出柔轮的齿根圆的周长；

（3）根据柔轮内周长等于双半圆或双接近半圆的圆弧波发生器外周长的原理设计双半圆或双接近半圆的圆弧波发生器；

（4）根据数学中的几何原理计算出双半圆波发生器双半圆或双接近半圆的圆弧的曲率半径；

（5）双半圆波发生器的双半圆双接近半圆的圆弧间以连续无突变的直线切线弧线拟合连接构成一个整体；

（6）算出双半圆双接近半圆的圆弧的曲率半径大于等周长等长轴椭圆的最小曲率半径，使双半圆双接近半圆的圆弧的曲率半径接近于刚轮内齿齿顶圆半径，从而使刚轮和柔轮的齿间啮合齿数增多，提高刚轮和柔轮间齿数的啮合率，传输效率得到提高。

波发生器组件的计算设计方法包括以下步骤：

（1）根据谐波减速器的尺寸规格要求，确定刚轮的齿距、模数、齿顶圆半径、柔轮厚度、波数；

（2）根据柔轮的齿数、模数，算出柔轮的齿根圆的周长；

（3）根据刚轮内齿齿顶圆半径减去柔轮厚度等于柔轮内周半径，算出柔轮内周长，再根据柔轮内周长等于双半圆或双接近半圆的圆弧波发生器外周长的关系，得到双半圆或双接近半圆的圆弧波发生器外周长；

（4）根据数学中的几何原理计算出双半圆或双接近半圆的圆弧波发生器双半圆或双接近半圆的圆弧的曲率半径；

（5）双半圆或双接近半圆的圆弧波发生器的双半圆双接近半圆的圆弧间以直线切线弧线拟合连接构成一个整体；

（6）在实际应用中，由于双半圆双接近半圆的圆弧的曲率半径大于等周长等长轴椭圆的最小曲率半径，使双半圆双接近半圆的圆弧的曲率半径接近于刚轮内齿齿顶圆半径，从而使刚轮和柔轮的齿间啮合齿数增多，提高刚轮和柔轮间齿数的啮合率，传输效率得到提高；又由于双半圆波发生器的曲率半径大于同周长同长轴椭圆波发生器的最小曲率半径，且曲率变化小，减少柔轮的折损疲劳程度，延长了柔轮的使用时间，从而延长了谐波减速器的工作寿命。

刚轮、柔轮齿形设计方法和原理：

（1）先以刚轮轮齿齿顶区域齿形的圆弧形为基准；

（2）按照谐波减速器的柔轮的运动规律计算柔轮的齿形；

（3）再继续根据柔轮齿顶区域的运动规律，计算出柔轮齿顶区域齿形在刚轮齿根区域的二次包络轨迹，利用这一原理，再进行二次计算，算出柔轮齿顶区域齿形在刚轮齿根区域的二次包络轨迹，该轨迹做为刚轮的齿根区域的二次包络齿形；

（4）该刚轮的齿根区域二次包络齿形齿形与刚轮齿顶区域的圆弧齿形共同组成刚轮完整的齿形；

（5）根据上述原理设计出的刚轮齿形和柔轮齿形，使刚柔轮间齿形的啮合达到最佳啮合状态。

刚轮齿形的计算方法包括以下步骤：

（1）根据谐波减速器的尺寸规格要求，确定刚轮的齿距、齿顶区域圆弧齿形的曲率半径、齿顶圆半径；

（2）根据刚轮的齿距、齿顶区域圆弧齿形的曲率半径算出柔轮的齿形；

（3）根据求出的柔轮齿顶区域齿形，计算出刚轮的齿根区域的二次包络齿形；

（4）用刚轮齿顶区域的圆弧齿形和刚轮的齿根区域的二次包络齿形组成刚轮齿形。

本发明中，刚轮、柔轮齿形设计方法和原理适用于刚轮、柔轮的其他齿形设计、计算；波发生器组件设计方法简单、易于实现，便于推广应用；按上述原理设计出的刚柔论齿形，可使刚柔轮间齿的啮合率达到最大；使齿的啮合受力均匀，降低柔轮受力不均带来的应力集中等产生的柔轮疲劳、断裂、同时也降低了柔轮磨损；增大输出扭矩，提高传递效率，延长柔轮的寿命；使谐波减速器的寿命得到延长。