一种新型谐波减速器及其输入传动结构的制作方法

本发明属于机械领域，尤其涉及一种新型谐波减速器输入传动结构及谐波减速器。

背景技术：

自从1955年美国C.W.麦塞尔发明了第一台谐波减速器以来，全世界主要工业国家都对其进行了全面研究，进而陆续制备出很多系列种类和尺寸规格不同的谐波减速器。谐波减速器凭借其结构简单、噪音小、传动比大、传动精度高和效率高等优点，在航空航天、仿生机械、常用军械、机床、仪表、电子设备及医疗器械等方面得到日益广泛的应用，特别是在高动态性能的伺服系统中，采用谐波齿轮传动更显示出其优越性。特别的，谐波减速器在工业机器人领域的应用十分流行，对于工业机器人而言，谐波减速器能够大大减小整体尺寸，降低噪音，提高效率和精度。

目前，谐波减速器主要采用多零件装配的方式，谐波减速器主要由波发生器、柔性齿轮(柔轮)和刚性齿轮(钢轮)三个基本构件组成波发生器的凸轮与柔性齿轮通过轴承连接。将轴承套在凸轮上时，凸轮将轴承撑开成为椭圆形，这样使得轴承的装配应力很大，在转动的过程中使得轴承，尤其是轴承内圈很容易损坏使得谐波减速器的工作寿命大大降低。此外，由于柔轮要实现动力输出，因此需要一定的输出连接刚度，而柔轮的变形又需要其具有一定的柔韧度，因此现有的柔轮常用合金金属制成，但是其硬度较大，因此为了减缓柔轮与钢轮之间齿的应力，常常将齿间的配合设置为有间隙的配合从而减少旋转时的应力，但是这容易造成减速器运行不平稳。

技术实现要素：

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种新型的波发生器，减少或消除了谐波减速器关键部位的装配应力，以及减少了钢轮与柔轮在运动过程中的啮合应力，并对谐波减速器的输入与输出结构进行了重新设计，使谐波减速器工作时运动更加平稳，延长工作寿命。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种新型谐波减速器输入传动结构，包括连接输入轴的凸轮，凸轮外套设有柔轮；柔轮外啮合有钢轮；柔轮上设有外齿，钢轮上设有内齿，柔轮和钢轮通过外齿和内齿啮合；柔轮和凸轮之间设有保持架，保持架内安装有圆柱滚子；柔轮的内部和凸轮的外部均外凸成形有环形凸圆，环形凸圆上成形有与圆柱滚子配合的C型槽；环形凸圆处于柔轮的外齿侧。

进一步的改进，所述柔轮由具有较高强度和塑性的工程塑料制成；工程塑料的弹性模量E为1.45GPa～1.74GPa，收缩率为1％～2.4％。

进一步的改进，所述圆柱滚子的端面圆直径φ满足如下条件：

φ＝Δh

$\mathrm{\φ}=\mathrm{\α}\frac{{\mathrm{\ωr}}_B^2}{{\mathrm{KZ}}^{0.2}}$

其中Δh表示凸轮的长、短轴之差；α表示与端面圆直径φ有关的参数，Z表示柔轮的齿数；K表示齿厚；ω表示最大变位系数，r_B表示凸轮的基圆半径；相邻圆柱滚子在柔轮与凸轮之间呈等距分布，圆柱滚子的数量N满足如下关系式：

$N=roundup(\frac{2{\mathrm{\πr}}_B}{1.32\mathrm{\φ}},0)$

进一步的改进，α为取值范围为：0.34～0.57。

进一步的改进，所述柔轮上与凸轮长轴所对的外齿完全与钢轮的内齿啮合，无齿侧间隙；柔轮的外的齿形曲线沿其中轴线对称设置，其左侧的齿形曲线包括曲线R1,R2,R3；曲线R1,R2,R3的轨迹函数如下所示：

R1:y＝2.59-2.56cos(1.73x)-0.33sin(1.71x)0.068≤x≤0.210

R2:y＝0.2+0.09cos(28.87x)+0.06sin(28.87x)0.210≤x≤0.263

R3:y＝-1.1+0.02cos(3.876x)+0.06sin(3.876x)0.263≤x≤0.346；

其中，x表示横坐标数值，y表示纵坐标数值。

进一步的改进，所述PA工程塑料为PA12，PA12工程塑料的弹性模量为1.646GPa，收缩率为1％～2％，优选收缩率为1.26％。

进一步的改进，所述柔轮外凸成形有花键盘，输出法兰盘上设有与花键盘配合的花键槽，输出法兰盘与花键盘啮合连接，然后通过螺栓进行轴向定位，实现动力输出。

进一步的改进，所述凸轮的轮廓曲线设计为满足以下方程：

r＝0.5r_B+ωcos(2θ)

其中，θ为极半径与长轴的夹角，r_B为基圆直径，ω为最大变位系数。

进一步的改进，所述凸轮通过C型卡环连接轮毂，轮毂与凸轮间安装有摩擦垫圈，轮毂左端连接有镶块；柔轮连接输出法兰盘实现动力输出；输出法兰盘外套设有第一端盖和第二端盖，输出法兰盘内部设有十字交叉滚子。

一种安装有上述任一所述新型谐波减速器输入传动结构的谐波减速器。

本发明采用上述技术方案的有益效果是：本发明提供的谐波减速器波发生器的凸轮结构做出了相应的改进，结合谐波减速器的特殊工况，凸轮的轮廓曲线设计为满足方程r＝0.5r_B+ωcos(2θ)的椭圆结构形状，并且在外端面开有C型槽，凸轮与柔轮之间通过圆柱滚子来传递力与扭矩，圆柱滚子的安装分布与位置受凸轮边缘的C型槽、保持架、柔轮内壁的C型槽约束。并且本发明提供的结构巧妙的简化了装配环节，使谐波加速器的结构更加紧凑，由此大大减少了整个系统中由于装配造成的应力分布，均匀分布的圆柱滚子还可以维持柔轮的形状和增强柔轮的刚度，此外，圆柱形滚子可以提高谐波工作过程中运动的平稳，柔轮材料为工程塑料的设计方法，也大大减小了因凸轮形状而受迫变形产生的应力。此外，本发明还提供了一种新型的谐波减速器钢轮与柔轮啮合的新齿形，当凸轮长轴方向的几对齿啮合时，本发明提供的齿形消除了齿侧间隙，这样的设计方法提高了柔轮与钢轮啮合时的接触刚度，使运动更加平稳，并且能有效的减少系统的传递误差，由于柔轮的齿为塑性较好的工程塑料，这样的结构设计使钢轮与柔轮的啮合应力也极大的减少。本发明的整个设计过程中，减少或消除了谐波减速器工作过程应力的产生，提高了谐波减少器的工作寿命。最后，针对柔轮的材料特性，本发明的谐波减速器输出端采用了一种花键连接的设计，这对提高输出端的连接刚度具有很大的益处。

附图说明

图1为本发明剖视图

图2为本发明正面结构示意图

图3为凸轮正面结构图；

图4为凸轮侧面结构；

图5本发明刚、柔齿轮啮合剖面图

图6为柔轮剖视图

图7为柔轮左视图

图8为输出法兰盘左视图

图9为输出法兰盘B-B剖视图

图10保持架的正面结构示意图；

图11为保持架的剖面结构示意图；

图12为谐波减速器柔性齿轮结构左视图

图13为输出法兰盘的结构示意图

其中，图1中包括有：1--钢轮；2--圆柱滚子；3--保持架；4--凸轮；5---轮毂；6--C型卡环；7---摩擦垫圈；8--镶块；9--柔轮；10--螺栓A；11--法兰外圈；12—第一端盖；13--十字交叉滚子；14—第二端盖；15--输出法兰盘；16--螺栓B；17--花键盘；18--花键槽；19--环形凸圆；20--C型槽。

具体实施方式

以下通过具体实施方式并且结合附图对本发明的技术方案作具体说明。

实施例1

如图1和图2所示，一种新型谐波减速器输入传动结构，包括连接输入轴的凸轮4，凸轮4外套设有柔轮9；柔轮9外啮合有钢轮1；柔轮9上设有外齿，钢轮1上设有内齿，柔轮9和钢轮1通过外齿和内齿啮合；柔轮9和凸轮4之间设有保持架3，保持架3内安装有圆柱滚子2；柔轮9的内部和凸轮4的外部均外凸成形有环形凸圆19，环形凸圆19上成形有与圆柱滚子2配合的C型槽20；环形凸圆19处于柔轮9的外齿侧。

本发明通过凸轮4与柔轮9结构的改变，取消轴承的设置，从而完全消除了轴承安装时产生的装配应力，大大提高了谐波减速器的使用寿命，经ANSYS有限元仿真计算与实验测试，谐波减速器使用寿命因此自3000多小时提高到了10000余小时。

实施例2

于谐波减速器的疲劳失效多发生于柔轮及轴承，所以柔轮与钢轮的啮合程度及方式对谐波减速器的稳定性及寿命影响很大。在本发明中柔轮由PA 12塑料制成，由于其弹性优于原来柔轮制造用的弹性金属，因此柔轮上与凸轮长轴所对的外齿可完全与钢轮的内齿啮合，无齿侧间隙，如附图5所示。其中，齿形曲线由R1,R2,R3三段曲线及与其对称的R1',R2',R3'三段曲线组成，曲线起始或相邻曲线分别相交于P₁,P₂,P₃,P₄(P₄'),P₃',P₂',P₁'。在笛卡尔坐标下，R1,R2,R3的曲线方程如下所示。此种设计方法，可以提高谐波减速器的运动的稳定性，增加钢轮与柔轮的接触面积并由此降低啮合时的接触应力。

曲线R1,R2,R3的轨迹函数如下所示：

R1:y＝2.59-2.56cos(1.73x)-0.33sin(1.71x) 0.068≤x≤0.210

R2:y＝0.2+0.09cos(28.87x)+0.06sin(28.87x) 0.210≤x≤0.263

R3:y＝-1.1+0.02cos(3.876x)+0.06sin(3.876x) 0.263≤x≤0.346；

x表示横坐标数值，y表示纵坐标数值。

经ANSYS有限元仿真计算与实验测试，工程塑料的弹性模量E为1.45GPa～1.74GPa，收缩率为1％～2.4％时，柔轮的运动特性较好，且内部应力和变形小，使用寿命更长。本专利使用的弹性模量为1.646GPa，收缩率为1％～2％的工程塑料PA 12能很好的满足设计需求。

由于PA12的硬度小于合金金属，因此需要重新设置圆柱滚子2的大小，实现对柔轮的支撑，经优化，圆柱滚子2的端面圆直径φ要满足如下条件：

φ＝Δh

$\mathrm{\φ}=\mathrm{\α}\frac{{\mathrm{\ωr}}_B^2}{{\mathrm{KZ}}^{0.2}}$

其中Δh表示凸轮的长、短轴之差；α表示与端面圆直径φ有关的参数，Z表示柔轮的齿数；K表示齿厚；ω表示最大变位系数，r_B表示凸轮的基圆半径；相邻圆柱滚子在柔轮与凸轮之间呈等距分布，圆柱滚子的数量N满足如下关系式：

$N=roundup(\frac{2{\mathrm{\πr}}_B}{1.32\mathrm{\φ}},0)$

特别的，通过ANSYS的仿真计算，为减少凸轮，圆柱滚子和柔轮间的应力，使谐波减速器的寿命能达到10000小时以上，α为取值范围优选为：0.34～0.57，此时谐波减速器的传动及疲劳寿命性能最佳

由于柔轮的刚度较小因此为了提高输出端的连接刚度，所述柔轮9外凸成形有花键盘17，输出法兰盘15上设有与花键盘17配合的花键槽，输出法兰盘15与花键盘17啮合连接，然后通过螺栓16进行轴向定位，实现动力输出。

实施例3

本发明的谐波减速器柔轮所使用的PA 12是一种低比重、高抗拉强度、耐磨、自润滑性好、冲击韧性优异、具有刚柔兼备的性能的工程塑料，而并非金属材料。其弹性模量为1.646GPa，收缩率可达1％～2％。如图1所示，本发明的谐波减速器输入传统结构，该传动结构的凸轮4呈椭圆形状，轮廓曲线满足方程:r＝0.5r_B+ωcos(2θ)，在凸轮外援面开有C型槽。柔轮9在轮齿筒体内部有一同轮齿等宽的环形凸圆19，凸圆内圆面开有C型槽20。

凸轮4与柔轮9之间的C型滚槽之间均匀装有41颗圆柱滚子2，圆柱滚子的位置受凸轮4、柔轮9及保持3架约束。通过圆柱滚子2的连接与挤压，使柔轮9产生较大弹性变形，迫使柔轮的剖面轮廓曲线由原先的圆形变成与凸轮4相似的椭圆形状，其长轴两端附近的轮齿与刚轮1的轮齿完全啮合，而短轴两端附近的齿则与刚轮完全脱开。周长上其他区段的齿处于啮合和脱离的过渡状态。当凸轮4连续转动时，柔轮9的变形不断改变，柔轮9与刚轮1的啮合状态也不断改变，由啮入、啮合、啮出、脱开、再啮入循环运动，从而实现柔轮9相对刚轮1沿波发生器凸轮4相反方向的缓慢旋转，从而实现谐波减速器的运动机理和完成动力的传递。工作时，刚轮1固定，由电机带动波发生器轮毂5转动，从而带动凸轮4转动。柔轮9作为从动轮，最后柔轮9与输出法兰盘15通过花键连接，并通过螺栓16进行轴向定位，输出法兰盘15与柔轮9同步运动，输出动力，带动负载运动。

经计算当PA12工程塑料弹性模量为1.646GPa，收缩率为1.26％计算其使用寿命为10745小时。因此其在不降低减速器使用寿命的前提下，提高了减速器的稳定性并降低了其制作成本。

上述仅为本发明的一个具体导向实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明的保护范围的行为。