一种零回差谐波齿轮传动装置的制作方法

本发明涉及传动装置技术领域，具体涉及一种零回差谐波齿轮传动装置。

背景技术：

谐波齿轮传动是二十世纪50年代末和60年代初问世的一种崭新的齿轮传动。它与一般齿轮传动相比，具有传动比大、体积小、重量轻、精度高及噪声小等优点。此外，还具有通过密封壳体传动运动和动力的功能，使谐波齿轮传动具有其他一些传动装置无法比拟的优越性。近十几年来，谐波齿轮传动技术及传动装置已经被广泛应用于仪器仪表、汽车、机器人、精密光学设备等各个领域，无论是作为高灵敏度随动系统的精密谐波传动，还是作为传递大转矩的动力谐波传动，都表现出了良好的性能，其发展前景十分广阔。

目前，国内外相关学者几乎对该领域所有问题都进行过程度不同的研究，但许多问题至今仍无定论，规律并没有被揭示，仍有大量基础性工作有待开展。传动回差是精密谐波齿轮传动中的一项关键性能指标，在谐波齿轮传动传动回差方面，谐波齿轮传动传动回差主要源于齿侧间隙，其对传动系统传动回差值的影响约占系统整体传动回差值的70％以上。为达到减小传动回差的目的，几十年来国内外谐波传动领域的研究人员进行了许多针对消除谐波齿轮传动齿侧间隙的探索。

以2010年燕山大学殷燕的硕士毕业论文《零侧隙渐开线谐波齿轮传动的参数优化设计及有限元分析》为代表的部分学者，通过一系列优化算法得出谐波齿轮传动柔轮、刚轮轮齿的无侧隙啮合参数，从而在理论上可达到零传动回差的设计要求；此外，国内外大多数企业生产的谐波齿轮传动产品也试图通过提高柔轮、刚轮轮齿啮合齿面的加工及装配精度来尽量消除轮齿啮合侧隙，从而试图使得谐波传动产品具有较小的传动回差值。然而，由于实际加工水平的局限性，目前，无法通过上述方式理想化地实现大幅减小谐波齿轮传动传动回差的目的。如美国harmonicdrivellc公司生产的大部分产品传动回差值为3′左右，国内中技克美、谐波研究所等企业大部分产品传动回差水平在3′-6′。虽然个别型号产品通过优化的参数设计以及精密的加工设备使传动回差达到1′水平，但随着长时间工作齿面的磨损出现新的啮合侧隙，新的传动回差值随即产生。因此，仅从完善设计参数和提高加工水平很难实现谐波传动零传动回差的设计目标。

2001年r.degen和r.slatter在《proceedingsofactuator》(电机论文集)上发表的论文《hollowshaftmicroservoactuatorsrealizedwiththemicroharmonicdrive》(基于微型谐波传动的空心轴微伺服电机)中，由德国micromotiongmbh公司设计研发的微小型谐波齿轮传动装置通过具有弹性变形能力的行星式波发生器，对轮齿进行齿侧间隙补偿，从结构设计的角度出发使其实时具有零回差传动的可能。资料表明，该公司生产的微型谐波齿轮传动装置回差可控制在10"左右，基本实现零回差的要求。但从结构分析可知，具有弹性变形的行星式波发生器与柔轮接触面积小(仅通过内啮合齿轮齿面接触)，柔轮、刚轮啮合齿数少，从而导致传动负载及功率低。此结构只适合微型谐波齿轮传动，不适合向大型谐波齿轮传动装置推广。

1995年范又功和曹炳和在国防工业出版社出版的《谐波齿轮传动技术手册》中，提出一种可消除齿啮合侧隙的调心凸轮，其结构分三部分，即上、下滑块及中间块。其中上、下滑块由圆柱螺旋弹簧支撑在中间滑块上，在弹簧力作用下上、下两滑块推动柔性轴承(3)使柔轮轮齿与刚轮轮齿紧密啮合，从而消除啮合侧隙。此结构虽然能够通过波发生器的弹性装置实现自动调节消除侧隙的功能，但结构设计过于复杂，同时引入新的移动摩擦副，因此尚存在一定缺陷。

综合上述分析，零回差谐波齿轮传动的关键问题是如何有效消除轮齿啮合侧隙。通过分析国内外研究现状可知，目前国内外现有产品传动回差普遍较大。因此，对零回差谐波齿轮传动的研究非常必要。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种零回差谐波齿轮传动装置，其结构简单，设计合理，实现方便，不仅能够有效消除齿侧间隙，有效消除回差，而且保证了扭转刚度，使用寿命长，应用范围广，实用性强，推广应用价值高。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种零回差谐波齿轮传动装置，其特征在于：包括刚性齿轮、柔性齿轮和波发生器，所述波发生器由柔性轴承和弹性凸轮组成，所述柔性齿轮位于刚性齿轮内，所述柔性齿轮的上下两端与刚性齿轮的上下两端相啮合，所述柔性轴承位于弹性凸轮和柔性齿轮之间，所述弹性凸轮的形状为椭圆形，所述弹性凸轮的中心部位设置有轴孔，所述弹性凸轮的长轴方向上位于轴孔的两侧各设置有一个用于在弹性凸轮的长轴方向上两端形成凸轮薄壁的结构孔。

上述的一种零回差谐波齿轮传动装置，其特征在于：所述弹性凸轮由弹性模量为180gpa～240gpa、泊松比为0.25～0.32的弹塑性材料制成。

上述的一种零回差谐波齿轮传动装置，其特征在于：所述弹性凸轮由合金钢制成。

上述的一种零回差谐波齿轮传动装置，其特征在于：所述结构孔的外轮廓包括一条靠近弹性凸轮的长轴方向端部的圆弧边和一条靠近轴孔并用于连接圆弧边的两端的直线边，所述直线边的两端分别通过两个小圆弧与圆弧边的两端连接；所述圆弧边与弹性凸轮的长轴方向端部边缘之间的部分为凸轮薄壁。

上述的一种零回差谐波齿轮传动装置，其特征在于：两个结构孔的两条直线边之间的距离为l1为弹性凸轮的长轴长且l1＝dnn+2ω0+δ，其中，dnn为柔性轴承内圈的直径，ω0为柔性齿轮的最大变形量，δ为弹性凸轮长轴外壁相对柔性轴承内圈过盈量且取值为2ω0～10ω0。

上述的一种零回差谐波齿轮传动装置，其特征在于：所述小圆弧的半径为l2为弹性凸轮的短轴长且l2＝dnn-2ω0-δ，其中，dnn为柔性轴承内圈的直径，ω0为柔性齿轮的最大变形量，δ为弹性凸轮长轴外壁相对柔性轴承内圈过盈量且取值为2ω0～10ω0。

上述的一种零回差谐波齿轮传动装置，其特征在于：所述凸轮薄壁的厚度为3ω0～10ω0，其中，ω0为柔性齿轮的最大变形量。

上述的一种零回差谐波齿轮传动装置，其特征在于：所述弹性凸轮长轴外壁相对柔性轴承内圈过盈量为2ω0～10ω0，其中，ω0为柔性齿轮的最大变形量。

上述的一种零回差谐波齿轮传动装置，其特征在于：所述弹性凸轮的长轴长l1＝dnn+2ω0+δ，所述弹性凸轮的短轴长l2＝dnn-2ω0-δ，其中，dnn为柔性轴承内圈的直径，ω0为柔性齿轮的最大变形量，δ为弹性凸轮长轴外壁相对柔性轴承内圈过盈量且取值为2ω0～10ω0。

上述的一种零回差谐波齿轮传动装置，其特征在于：所述轴孔为圆形且一端设置有键槽。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明针对现有普通谐波齿轮传动中刚性凸轮式波发生器无法消除由于制造、装配以及磨损造成的齿侧间隙的问题，从波发生器结构出发，使用了弹性凸轮构成波发生器，使波发生器在长轴方向具有向柔性齿轮内壁提供适当弹性变形量的柔性结构，能够不间断地调整波发生器径向轮廓线，通过波发生器不间断地贴合柔性齿轮内壁，迫使柔性齿轮、刚性齿轮无间隙啮合，使本发明在制造装配以及使用磨损后均能达到零回差传动的要求。

2、本发明的结构简单，设计合理，实现方便。

3、本发明不仅能够有效消除齿侧间隙，有效消除传动回差，而且保证了扭转刚度。

4、本发明不易发生磨损，使用寿命长，使用过程中无需经常维护维修。

5、本发明能够作为高精度遥控车载武器传动装置，不仅能够满足遥控车载武器传动装置体积小、重量轻、传动平稳、承载能力强等设计要求，而且有望降低因系统传动回差对遥控车载武器传动精度的影响，满足现代战争对于遥控车载武器的高精度要求，对提高遥控车载武器整体技术性能有重大意义；此外，本发明还能够作为精密传动核心部件，在精确打击武器、微小型武器、航天飞行器等其他国防工程方面可以发挥至关重要的作用，在能源、通讯、仪器仪表、机床、汽车、造船、冶金、精密光学设备、机器人、印刷机械以及医疗器械等领域也有着广阔的应用前景；本发明的应用范围广，实用性强，推广应用价值高。

综上所述，本发明的结构简单，设计合理，实现方便，不仅能够有效消除齿侧间隙，有效消除回差，而且保证了扭转刚度，使用寿命长，应用范围广，实用性强，推广应用价值高。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的右视图。

图3为本发明弹性凸轮的结构示意图。

附图标记说明:

1—刚性齿轮；2—柔性齿轮；3—柔性轴承；

4—弹性凸轮；5—轴孔；6—结构孔；

6-1—圆弧边；6-2—直线边；6-3—小圆弧；

7—凸轮薄壁；8—键槽。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的零回差谐波齿轮传动装置，包括刚性齿轮1、柔性齿轮2和波发生器，所述波发生器由柔性轴承3和弹性凸轮4组成，所述柔性齿轮2位于刚性齿轮1内，所述柔性齿轮2的上下两端与刚性齿轮1的上下两端相啮合，所述柔性轴承3位于弹性凸轮4和柔性齿轮2之间，所述弹性凸轮4的形状为椭圆形，所述弹性凸轮4的中心部位设置有轴孔5，所述弹性凸轮4的长轴方向上位于轴孔5的两侧各设置有一个用于在弹性凸轮4的长轴方向上两端形成凸轮薄壁7的结构孔6。采用椭圆形的弹性凸轮4，能够从几何结构的角度使得柔性齿轮2与刚性齿轮1的啮合齿数最多，传动输出扭矩最大，传动刚度最强。

本实施例中，所述弹性凸轮4由弹性模量为180gpa～240gpa、泊松比为0.25～0.32的弹塑性材料制成。

本实施例中，所述弹性凸轮4由合金钢制成。

结合图3，本实施例中，所述结构孔6的外轮廓包括一条靠近弹性凸轮4的长轴方向端部的圆弧边6-1和一条靠近轴孔5并用于连接圆弧边6-1的两端的直线边6-2，所述直线边6-2的两端分别通过两个小圆弧6-3与圆弧边6-1的两端连接；所述圆弧边6-1与弹性凸轮4的长轴方向端部边缘之间的部分为凸轮薄壁7。

本实施例中，两个结构孔6的两条直线边6-2之间的距离为l1为弹性凸轮4的长轴长且l1＝dnn+2ω0+δ，其中，dnn为柔性轴承3内圈的直径，ω0为柔性齿轮2的最大变形量，δ为弹性凸轮4长轴外壁相对柔性轴承3内圈过盈量且取值为2ω0～10ω0。

本实施例中，所述小圆弧6-3的半径为l2为弹性凸轮4的短轴长且l2＝dnn-2ω0-δ，其中，dnn为柔性轴承3内圈的直径，ω0为柔性齿轮2的最大变形量，δ为弹性凸轮4长轴外壁相对柔性轴承3内圈过盈量且取值为2ω0～10ω0。小圆弧6-3的半径选取合适，能够有效减小凸轮薄壁7时小圆弧6-3处的应力大小。

本实施例中，所述凸轮薄壁7的厚度为3ω0～10ω0，其中，ω0为柔性齿轮2的最大变形量。所述凸轮薄壁7的厚度选取合适，能够有效消除齿侧间隙，有效消除回差，且保证了扭转刚度。

本实施例中，所述弹性凸轮4长轴外壁相对柔性轴承3内圈过盈量为2ω0～10ω0，其中，ω0为柔性齿轮2的最大变形量。当弹性凸轮4未与柔性轴承3装配时，弹性凸轮4长轴外壁相对柔性轴承内圈3存在过盈量；当弹性凸轮4与柔性轴承3装配但未与刚性齿轮1时，弹性凸轮4长轴使柔性轴承3产生径向变形，柔性轴承3具有足够的过盈量来保证柔性齿轮2齿廓相对于刚性齿轮1齿廓产生沿长轴方向的过盈；因此，当弹性凸轮4、柔性轴承3、柔性齿轮2及刚性齿轮1均完成装配后，柔性齿轮2齿廓与刚性齿轮1齿廓紧密贴合，齿侧间隙消除，实现无侧隙啮合。

本实施例中，所述弹性凸轮4的长轴长l1＝dnn+2ω0+δ，所述弹性凸轮4的短轴长l2＝dnn-2ω0-δ，其中，dnn为柔性轴承3内圈的直径，ω0为柔性齿轮2的最大变形量，δ为弹性凸轮4长轴外壁相对柔性轴承3内圈过盈量且取值为2ω0～10ω0。

本实施例中，所述轴孔5为圆形且一端设置有键槽8。轴孔5内外接转动轴时，通过设置在键槽8内的键连接。

本发明使用时的工作原理为：在轴孔5内外接转动轴，令波发生器为主动，当它在柔性齿轮2内旋转时，就迫使柔性齿轮2产生变形，于是柔性齿轮2的齿就在变形的过程中进入或退出刚性齿轮1的齿间；在弹性凸轮4的长轴方向，刚性齿轮1和柔性齿轮2的齿完全啮合；而在弹性凸轮4的短轴方向，刚性齿轮1和柔性齿轮2的齿则处于完全脱开状态；处于弹性凸轮4长轴和短轴之间(如45°方向)的齿，沿周长的不同区段内有的逐渐进入刚性齿轮1齿间，处于半啮合状态，称为啮入；有的则逐渐退出刚性齿轮1齿间，处于半脱开状态，成为啮出；由于波发生器的连续转动，就使得啮入、啮合、啮出、脱开这四种情况不断的改变着各自原来的工作状态，即啮入变为啮合，啮合变为啮出，啮出变为脱开，脱开变为啮入；这种现象，称之为错齿运动；正是这种错齿运动，把输入转动变为输出转动。由于采用了弹性凸轮4构成波发生器，使波发生器在长轴方向具有向柔性齿轮内壁提供适当弹性变形量的柔性结构，能够不间断地调整波发生器径向轮廓线，通过波发生器不间断地贴合柔性齿轮2内壁，迫使柔性齿轮2、刚性齿轮1无间隙啮合，使本发明在制造装配以及使用磨损后均能达到零回差传动的要求。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。