一种柔轮齿形、刚轮齿形以及谐波减速机的制作方法

本实用新型涉及精密传动的技术领域，具体涉及一种柔轮齿形、一种与柔轮齿形相对应的刚轮齿形以及一种谐波减速机。

背景技术：

谐波减速机的主要部件为波发声器、柔性齿轮(以下简称柔轮)和刚性齿轮(以下简称刚轮)，其依靠波发声器使柔性齿轮产生可控弹性变形，并与刚性齿轮相啮合来传递运动和动力的齿轮传动。谐波减速机最早是为了适应航天技术发展而迅速发展起来的一种新型机械传动，随着科技的不断发展，谐波减速机还广泛应用于医疗机械、机器人等精密传动领域，因此，对谐波减速机的要求也越来越高，齿轮是机械设备中的主要传动部件，随着对谐波减速机需求的提高，对刚轮齿形和柔轮齿形的要求也越来越高。

传统谐波减速机中的刚轮齿形和柔轮齿形经过了最早Walt Musser 所采用的直线齿形，之后为渐开线齿形，再到后来的IH齿形(又称S 齿形)、P齿形(又称短齿形)的发展，使得柔轮齿形和刚轮齿形的承载能力和使用寿命均有了显著的提高，但是现阶段所广泛采用的IH齿形对柔轮的加工工艺要求很高，生产过程繁琐，而P齿形由于齿形较短，装载之后形成的谐波减速机运行后易降低精度，因此，均不利于使用。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种柔轮齿形、一种与柔轮齿形相对应的刚轮齿形以及一种谐波减速机，用于解决现有的柔轮齿形或刚轮齿形运行精度低和加工要求高的问题。

为了实现上述目的，本实用新型的第一技术方法为一种柔轮齿形，其特征在于，包括第一齿顶面，所述第一齿顶面为圆弧面，所述第一齿顶面的弦长为0.05-1mm；所述柔轮齿形包括以第一齿顶面的中心线呈轴对称的圆弧组，每个所述圆弧组包括第一齿顶圆弧和第一齿根圆弧，所述第一齿顶圆弧的顶端与所述第一齿顶面相连，所述第一齿顶圆弧的半径R₁为3～15mm，所述第一齿顶圆弧的齿顶高h₁为0.1～2.5mm。

优选地，所述第一齿顶圆弧和所述第一齿顶面之间通过倒圆弧角相连，所述倒圆弧角的半径R₂为0.1mm，所述倒圆弧角所对应的圆心角为20～60°。

优选地，所述第一齿根圆弧的半径R₃为0.2～1.5mm，所述第一齿根圆弧的齿根高h₃为0.1～2.5mm。

优选地，所述第一齿顶圆弧和所述第一齿根圆弧通过第一过渡圆弧相连，且所述第一齿顶圆弧、所述第一过渡圆弧和所述第一齿根圆弧之间为相切过渡，所述第一过渡圆弧的半径R₄为5～30mm，所述第一过渡圆弧的弧高h₄为0.1～1.5mm。

相比于现有技术，本实用新型所述的柔轮齿形具有以下优势：本实用新型通过加大了柔轮齿形中第一齿顶圆弧的曲率，使得在柔轮与刚轮啮合时能更好地避免齿之间干涉现象的发生。此外，本实用新型还通过在柔轮的第一齿顶圆弧和第一齿顶面之间设置有倒圆弧角并进一步通过第一过渡圆弧的设计以及第一齿根圆弧的设计，不仅进一步解决了齿之间干涉的问题，而且有效改善了柔轮齿根的应力分布，从而显著增加了柔轮齿根的强度。另外，本实用新型中的柔轮齿形可采用包络法成型，加工过程简单方便。

本实用新型的第二技术方案为一种刚轮齿形，其特征在于，包括第二齿顶面，所述第二齿顶面为圆弧面，所述第二齿顶面的弦长为 0.1～1.5mm；所述刚轮齿形包括以第二齿顶面的中心线呈轴对称的圆弧组，每个所述圆弧组包括第二齿顶圆弧和第二齿根圆弧，所述第二齿顶圆弧的半径R₅为3～15mm，所述第二齿顶圆弧的齿顶高h₅为0.1～1.0mm。

优选地，所述第二齿根圆弧的半径R₆为0.1～0.8mm，所述第二齿根圆弧的齿根高h₆为0.01～0.5mm。

优选地，所述第二齿顶圆弧和所述第二齿根圆弧通过第二过渡圆弧相连，所述第二过渡圆弧包括第一段圆弧和第二段圆弧，所述第二齿顶圆弧、第一段圆弧、第二段圆弧和第二齿根圆弧依次相切过渡，所述第一段圆弧的半径R₇为5～30mm，所述第一段圆弧的弧高h₇为 0.01～0.5mm，所述第二段圆弧的半径R₈为0.2～1.5mm，所述第二段圆弧的弧高h₈为0.1～1.0mm。

相比于现有技术，本实用新型所述的刚轮齿形具有以下优势：本实用新型中的刚轮同样通过加大并选用合适的第二齿顶圆弧，同样达到了避免齿之间干涉的问题。此外，本实用新型中的刚轮还通过对第二齿根圆弧以及第二过渡圆弧的设计，进一步解决了刚轮干涉的问题，并增大了刚轮与柔轮的啮合面，从而优化了刚轮对柔轮的应力分布，延长刚轮与配合使用的柔轮的使用寿命。另外，本实用新型中的刚轮可采用包络法加工成型，操作过程简单方便高效。

本实用新型的第三技术方案为一种谐波减速机，其特征在于，所述谐波减速机包括如第一技术方案所述的柔轮齿形和如第二技术方案所述的刚轮齿形。

相比于现有技术，本实用新型所述的谐波减速机具有以下优势：本实用新型所述的谐波减速机相对于现有技术所具有的优势与上述柔轮齿形相对于现有技术所具有的优势以及上述刚轮齿形相对于现有技术所具有的优势相同，故在此不再赘述。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。在附图中：

图1示出了本实用新型一种优选实施方式的柔轮齿形的曲线图，

图2示出了本实用新型一种优选实施方式的刚轮齿形的曲线图。

附图说明：

1-第一齿顶面， 2-第一齿顶圆弧，

3-第一齿根圆弧， 4-倒圆弧角，

5-第一过渡圆弧， 6-第二齿顶面，

7-第二齿顶圆弧， 8-第二齿根圆弧，

9-第二过渡圆弧， 91-第一段圆弧，

92-第二段圆弧。

具体实施方式

本实用新型提供了许多可应用的创造性概念，该创造性概念可大量的体现于具体的上下文中。在下述本实用新型的实施方式中描述的具体的实施例仅作为本实用新型的具体实施方式的示例性说明，而不构成对本实用新型范围的限制。

下面结合附图和具体的实施方式对本实用新型作进一步的描述。

请参阅图1，本实施例提供一种柔轮齿形，包括第一齿顶面1，所述第一齿顶面1为为圆弧面，所述第一齿顶面1的弦长为0.05～1mm；所述柔轮齿形包括以第一齿顶面1的中心线呈轴对称的圆弧组，每个所述圆弧组包括第一齿顶圆弧2和第一齿根圆弧3，所述第一齿顶圆弧2 的顶端与所述第一齿顶面1相连，所述第一齿顶圆弧2的半径R₁为 3～15mm，所述第一齿顶圆弧2的齿顶高h₁为0.1～2.5mm。

根据柔轮的型号不同，第一齿顶面1的直径也不同。为本领域技术人员所熟知，第一齿顶面1的直径一般根据各柔轮的模数和齿数而变化。

柔轮在谐波减速机中是一种外表面设置有与圆环形刚轮内齿相配合的弹性外齿的部件，其由多个齿重复排列设置形成，本实施例中的每个齿均采用上述形状。在柔轮齿与刚轮齿呈啮合状态时，柔轮的第一齿顶面与刚轮的第二齿底面贴合，齿顶圆弧在柔轮与刚轮啮合的过程中是重要的曲线段，本实施例中柔轮齿顶圆弧相比于传统的柔轮齿顶圆弧，其曲率更大，在刚轮和柔轮啮合时能更好地避免齿之间的干涉现象的发生。

进一步，为了更好地避免干涉现象的发生，在第一齿顶圆弧2和第一齿顶面1之间通过倒圆弧角4相连，所述倒圆弧角4的半径R₂为0.1mm，所述倒圆弧角4所对应的圆心角为20～60°。

传统谐波减速机在柔轮和刚轮的啮合过程中，通常会有干涉情况的发生，一般为齿廓重叠干涉，发生在柔轮齿顶与刚轮齿廓之间。为了使两轮在啮合的过程中不产生齿廓重叠干涉，就要使得在任意啮合的位置两齿廓的工作段不相交。

首先，第一齿顶圆弧2采用的是曲率较大的曲线，曲线的曲率是针对曲线上某个点的切线方向角对弧长的转动率，通过微分来定义，是曲率半径的倒数，其能表明曲线偏离直线的程度，曲率越大，表明曲线的弯曲程度越大。其次，在第一齿顶圆弧2与齿顶面相接的位置还设置有圆弧倒角，使得柔轮的齿顶与刚轮的齿廓之间不产生相交，从而进一步避免了本实施例中的柔轮在工作时齿廓之间干涉情况的发生。

需要说明的是，本实施例中柔轮齿形的第一齿根圆弧3的半径R₃为0.2～1.5mm，所述第一齿根圆弧3的齿根高h₃为0.1～2.5mm。

根据现有的谐波减速机的使用情况来看，柔轮齿根在使用一段时间后其齿根部分易遭到损坏而断裂，本实施例中的第一齿根圆弧3所采用的半径相比于现有的柔轮齿形更大，从而使得柔轮齿根部的啮合面更大，可有效改善柔轮齿根的应力分布，显著增加柔轮齿根的强度，避免断裂情况的发生。

此外，第一齿顶圆弧2和第一齿根圆弧3之间通过第一过渡圆弧5 相连，且第一齿顶圆弧2、第一过渡圆弧5和第一齿根圆弧3依次相切过渡，第一过渡圆弧5的半径R₄为5～30mm，第一过渡圆弧5的弧高 h₄为0.1～1.5mm。

第一过渡圆弧5起到连接第一齿顶圆弧2和第一齿根圆弧3的作用，其也是啮合过程中的重要曲线段，大曲率的第一过渡圆弧5同样能避免刚轮和柔轮在啮合时干涉现象的发生。

此处的相切过渡是指第一齿顶圆弧2端点的圆弧切线与第一过渡圆弧5起点的圆弧切线垂直，第一过渡圆弧5端点的圆弧切线与第一齿根圆弧3起点的圆弧切线垂直。呈相切过渡的第一齿顶圆弧2、第一过渡圆弧5和第一齿根圆弧3保证了柔轮在啮合-啮出时的平稳性。且在啮合时，第一齿顶圆弧2、第一齿根圆弧3和第一过渡圆弧5均为啮合线，较长的啮合线增大了柔轮与刚轮啮合时的啮合面，从而能有效地改善柔轮齿根的应力分布，且同时也提高了传动承载能力与扭转刚度。

请参阅图2，本实施例还提供一种刚轮齿形，包括第二齿顶面6，所述第二齿顶面6为圆弧面，所述第二齿顶面6的弦长为0.1～1.5mm；所述刚轮齿形包括以第二齿顶面6的中心线呈轴对称的圆弧组，每个所述圆弧组包括第二齿根圆弧8和第二齿顶圆弧7，所述第二齿顶圆弧7 的半径R₅为3～15mm，所述第二齿顶圆弧7的齿顶高h₅为0.1～1.0mm。

根据刚轮的型号不同，第二齿顶面6的直径也不同。为本领域技术人员所熟知，第二齿顶面6的直径一般根据各刚轮的模数和齿数而变化。

刚轮为圆环形结构，其内表面由多个刚性内齿重复排列设置形成，本实施例中的每个齿均采用上述形状。本实施例中的刚轮齿形与柔轮齿形相对应。本实施例中刚轮齿形的第二齿顶圆弧7半径与柔轮齿形的第一齿顶圆弧2相同，均为3～15mm，刚轮大曲率的第二齿顶圆弧7与柔轮大曲率的第一齿顶圆弧2相配合，均起到了避免刚轮与柔轮在啮合时干涉情况的发生。

需要说明的是，本实施例中刚轮的第二齿根圆弧8半径R₆为 0.1～0.8mm，所述第二齿根圆弧8的齿根高h₆为0.01～0.5mm。

所述第二齿根圆弧9将刚轮的两侧工作齿面光滑过渡连接，一方面能起到避免应力集中的作用，另一方面当本实施例中的刚轮与柔轮啮合时还能在柔轮齿顶间留有间隙，有利于润滑，可有效减少刚轮与柔轮之间的齿部磨损。

此外，刚轮的第二齿顶圆弧7和第二齿根圆弧8通过第二过渡圆弧 9相连，第二过渡圆弧9包括第一段圆弧91和第二段圆弧92，所述第二齿顶圆弧7、第一段圆弧91、第二段圆弧92和第二齿根圆弧8依次相切过渡，所述第一段圆弧91的半径R₇为5～30mm，所述第一段圆弧 91的弧高h₇为0.01～0.5mm，所述第二段圆弧92的半径R₈为0.2～1.5mm，所述第二段圆弧92的弧高h₈为0.1～1.0mm。

此处的相切过渡是指第二齿顶圆弧7端点的圆弧切线与第一段圆弧 91起点的圆弧切线相垂直，第一段圆弧91端点的圆弧切线与第二段圆弧92起点的圆弧切线相垂直，第二段圆弧92端点的圆弧切线与第二齿根圆弧8起点的圆弧切线相垂直。第二过渡圆弧9起到连接第二齿顶圆弧7和第二齿根圆弧8的作用，其中，第一段圆弧91采用的是大曲率圆弧，在第一段圆弧91和第二齿根圆弧8之间通过第二段圆弧92实现相连，既避免了啮合时的干涉现象，也增大了刚轮与柔轮之间的啮合面，有效改善刚轮作用于柔轮上的应力作用。

本实施例中的刚轮齿形和柔轮齿形均可采用包络法形成，包络法亦称展成法、范成法或共轭法，是目前齿轮加工过程中最常用的一种方法，其是根据一对齿轮啮合传动时，两轮的齿廓互为共轭曲线的原理来加工的。因此，本实施例中的刚轮和柔轮可操作性强，且加工过程简单。

本实施例同时还提供一种谐波减速机，所述谐波减速机包括上述技术方案所述的柔轮齿形和刚轮齿形。

谐波减速机是依靠波发声器迫使柔轮变形所产生的连续移动的变形波来实现运动或动力的传递。谐波减速机通常由三个基本构件组成，包括波发声器、刚轮和柔轮，其中波发声器是由椭圆形凸轮及薄壁轴承组成，椭圆形凸轮装入薄壁轴承后再装入柔轮内部，则柔轮由原本的圆形变为椭圆形，长轴两端的柔轮齿与刚轮呈啮合状态，短轴两端的柔轮齿与刚轮呈脱开状态，在长轴和短轴之间的柔轮齿与刚轮呈半啮合状态。随着凸轮的转动，柔轮在弹性范围内产生连续的弹性变形，循环往复地改变各自原来的啮合状态。刚轮与柔轮之间的传动过程为：随着柔轮的变形，柔轮的齿不断地啮入和啮出，即逐渐进入和逐渐退出刚轮齿间，啮合过程中吃面接触，滑移速度小，且无突然变化。因此整个传动过程运动平稳、无冲击、噪声较小、效率高、磨损小。经过这种运动，使得减速机将输入的高速运动转变为输出的低速运动。

本实施例提供的谐波减速机通过上述柔轮齿形和刚轮齿形的配合使用，能有效避免柔轮齿与刚轮齿在啮合时干涉现象的发生，同时能有效改善柔轮齿上的应力分布，显著增加柔轮齿根的强度，避免断裂情况的发生。

对本实施例中的谐波减速机进行负载试验，超载试验采用4倍额定扭矩，扭矩是指发动机从曲轴端输出的力矩，反应了谐波减速机的的负载能力，历时3min，谐波减速机无滑齿现象。重新启动谐波减速机后能在额定负载下正常运转，在额定转速，额定负载下正反向运转，启动加速度在0.1秒时，减速机也能长期正常运转。因此，本实施例所提供的谐波减速机负载能力强，使用效果好，宜于广泛应用。

应该注意的是，上述实施例对本实用新型进行说明而不是对本实用新型进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。