谐波齿轮传动技术与应用

,谐波齿轮传动技术与应用,郑州机械研究所,主要内容,一、谐波齿轮传动的发展历史二、谐波齿轮传动的原理及特点三、谐波齿轮传动的应用四、国内外产品现状 五、重点研究方向和内容六、发展趋势及待解决的问题,ZRIME,一、谐波齿轮传动的发展历史,谐波齿轮传动技术是50年代随航天技术的发展而产生的一种新的传动技术在这数十年中，世界各工业比较发达的国家都集中了一批研究力量致力于这类新型传动的研究 美国、日本等一些工业发达国家，谐波传动技术发展迅速，目前处于世界领先水平我国在60年代开始谐波传动方面的相关研究，已经取得了一系列的研究成果,ZRIME,三大构件实物图,传动原理简图（少齿差传动）,二、谐波齿轮传动的原理及特点,1-刚轮 2-柔轮 H-波发生器,1. 传动原理,ZRIME,二、谐波齿轮传动的原理及特点,2. 特点,结构简单，体积小，重量轻,(零件数量约减少50%，体积和重量减少1/3以上),传动比大，传动比范围广,(单级传动 50300，双级传动 300060000，复波可达100140000),承载能力高，传动平稳且精度高，噪音低,(同时啮合的齿数多,材料和速比相同的情况下，承载能力要超过其它传动方式。其传递的功率范围一般为几瓦至几十千瓦),ZRIME,优点：,二、谐波齿轮传动的原理及特点,可以向密封空间传递运动和动力,(可以驱动在高真空、有腐蚀性及其它有害介质空间工作的机构),传动效率高,且在传动比很大的情况下，仍具有 较高的效率,(随速比的不同（u=60 250)，效率约在9665%左右,其中复波传动效率较低),传动回差小，齿侧间隙可以调整,甚至可实现零侧隙传动,2. 特点,ZRIME,优点：,二. 谐波齿轮传动的原理及特点,因柔轮周期性变形，工作情况恶劣，从而易于疲劳损坏,柔轮和波发生器的制造难度较大，需要专门的制造设备，给单件生产和维修造成了困难,传动比的下限值高，齿数不能太少，当波发生器为主动时，传动比一般不能小于35,2. 特点,起动力矩大,ZRIME,缺点：,三、谐波齿轮传动的应用,机器人 空间技术 雷达通讯 医疗器械 汽车工业 仪器仪表,现代武器装备 常规武器 印刷包装机械 数控机床 精密光学设备,ZRIME,主要应用领域：,三、谐波齿轮传动的应用,在机器人中的应用,日本东京大学设计的服务机器人,谐波齿轮传动在机器人领域的应用最多，在该领域的应用数量超过总量的60,ZRIME,三、谐波齿轮传动的应用,在其他机器人中的应用,ZRIME,三、谐波齿轮传动的应用,在 空间技术领域的应用,神州号飞船,美国设计的火星探测装置,ZRIME,三、谐波齿轮传动的应用,在武器装备中的应用,广泛地应用于航空、航天、船舶潜艇、宇宙飞船、导弹导引头、导航控制、光电火控系统、单兵作战系统等军事装备中，如在战机的舵机和惯导系统中，在卫星和航天飞船的天线和太阳能帆板展开驱动机构中都得到应用 已经在并将越来越多地在微型飞机、便携式侦察机器人、微小型水下航行器以及精确打击武器、灵巧武器和智能武器等新概念微小型武器系统中得到应用。,ZRIME,三、谐波齿轮传动的应用,在武器装备中的应用,空警2000大型预警机,C-802反舰导弹,歼-7,ZRIME,三、谐波齿轮传动的应用,在医疗器械中的应用,在口腔医疗器械中得到应用,ZRIME,四、国内外产品现状,国外小模数精密谐波齿轮传动装置多采用短筒柔轮，其体积小、重量轻、承载能力高我国还是采用杯形柔轮，还没有生产和应用短筒柔轮谐波齿轮传动装置,ZRIME,日本筒形柔轮的长径比为0.50.8，我国为0.71.0，美国已开发并产品化了长径比约为0.5的CSF系列和长径比约为0.2的CSD系列产品,四、国内外产品现状,1. 国内外谐波齿轮减速器比较,（转速1500r/min，速比100）,表1 国内外谐波齿轮减速器主要参数比较表,ZRIME,四、国内外产品现状,2. 柱状图,国内外谐波齿轮减速器主要参数比较柱状图,ZRIME,四、国内外产品现状,3. 柱状图比较结果,我国谐波齿轮传动装置尺寸大，承载能力反而小 相同外径的产品，国外谐波齿轮传动装置的体积仅是我国产品的30左右，而承载能力（转矩）却是我国产品的1.392倍,ZRIME,a 我国生产的杯形柔轮,b 美国HD Systems公司生产的短筒柔轮,国内外柔轮比较示意图,四、国内外产品现状,4. 国内外柔轮比较,ZRIME,四、国内外产品现状,5.齿轮精度比较,国外小模数谐波齿轮传动装置中的齿轮精度一般比我国的齿轮精度高12级 国外谐波齿轮传动装置的运动精度和回差一般小于3,我国产品的回差一般都大于6,ZRIME,五、重点研究方向和内容,啮合原理及运动学研究 齿形研究 柔轮变形及应力状态分析 结构参数及优化设计 制造工艺研究 传动精度研究,ZRIME,重点研究方向和内容：,五、重点研究方向和内容,1. 啮合原理及运动学研究,研究谐波齿轮啮合理论主要采用的几种方法:,图解分析法 在确定啮合齿对的一个齿廓后运用中性层曲线的变形关系，用极坐标仿射或啮合运动几何关系图解法求出另一齿廓 用包络理论求共轭齿形的解析法 其实质是把柔轮弹性变形转化为共轭运动的一个组成部分，并用包络理论求解谐波齿轮的共轭齿形 等速曲线法 把谐波齿轮传动中一对齿的啮合过程看作是柔轮齿和刚轮齿分别沿着各自的等速曲线以某一相等的速度运动，刚轮和柔轮的等速曲线长度之比即为传动比 幂级数法 把齿廓曲线方程、共轭条件、传动比均用级数形式表示，把空间问题转化为平面问题,ZRIME,五、重点研究方向和内容,1. 啮合原理及运动学研究,谐波传动的运动学分析模型可分为两大类:,摩擦模型 按照无滑动纯滚动原理，来分析定义传动比，并将平均角速度积分原理引入研究行星传动模型 将谐波传动机构抽象为行星传动机构，把其看作行星齿轮传动的变形，按照行星传动机构的运动特性来研究其运动学规律,ZRIME,五、重点研究方向和内容,2. 齿形研究,齿形研究发展:,直线齿形,渐开线齿形,S齿形,将柔轮的运动轨迹进行了简化，没有考虑薄壁弹性变形时产生的切向位移和法线转角，认为只存在径向位移,原苏联学者 用图解法分析后指出柔轮和刚轮可以近似地采用渐开线齿形另外还有圆弧齿廓及摆线齿廓,日本学者 从不需变形而保证连续接触的角度出发，提出的基于曲线映射的新齿形，映射基准曲线为柔轮齿顶相对刚轮的运动轨迹。,ZRIME,五、重点研究方向和内容,2. 齿形研究,渐开线齿形,S齿形,渐开线齿形及修形渐开线齿形，由于在工艺上易于加工而得到最广泛的使用,“S齿形”，对谐波齿轮啮合性能、承载能力等有很大的提高，我国已经开始对这种齿形进行研究,ZRIME,五、重点研究方向和内容,3. 柔轮变形及应力状态分析,主要研究方法:,理论公式法,根据弹性薄壳体的几何非线性理论，采用光滑圆柱壳体的简化模型，进行理论分析，推导应力公式,常用的有光弹性法和电阻应变片法。实验法直观，接近实际，但实验成本高、周期长，无法获得柔轮内部的应力应变情况，常与理论公式法相结合,实验归纳法,计算机数值模拟分析法,多采用有限元法，可以缩短研究周期，节省研究费用，可以在较理论公式法较少简化的基础上，分析柔轮中的应力应变分布状况,ZRIME,五、重点研究方向和内容,4. 结构参数及优化设计,常规方法,在给定传动比、输出扭矩后，为了得到各轮齿数、模数、齿宽等一系列参数，往往采用类比法或事先选定其中的几个参数，给出各种误差值后，再求出其它参数。采用这种方法，难以得到最优方案,优化设计方法,是针对啮合参数和结构参数进行综合性的优化设计，避免了单一参数优化设计中存在的某些缺陷，可使传动效率、承载能力提高，结构尺寸缩小,ZRIME,结构参数设计方法：,五、重点研究方向和内容,5. 制造工艺研究,谐波齿轮传动装置中，波发生器和具有几百个轮齿的柔轮加工最为复杂,国际上开发了柔轮滚轧加工技术，刚轮内齿滚压 加工工艺及净成形加工方法等 用“转化啮合再现法” 来加工柔轮轮齿，是使柔轮处在与刚轮空载啮合时相同的变形条件下进行范成加工，消除了啮合干涉，缩短了跑合时间 燕山大学在滚轧柔轮和刚轮齿形、焊接柔轮、粘接柔轮及柔轮毛坯热强旋成形等方面做了大量的实验研究，取得了较大的进展,ZRIME,五、重点研究方向和内容,5. 制造工艺研究,另外，采用新材料来替代传统柔轮材料也是很有潜力的研究方向 如用具有高单位刚度、高比强度与优异阻尼性能的碳纤维环氧复合材料来制造柔轮，柔轮有足够的扭矩传递能力，且其抗扭刚度提高50%，在基本固有频率下的衰减能力可提高100%,ZRIME,五、重点研究方向和内容,6. 传动精度研究,由于多对齿同时啮合，因此谐波齿轮传动装置的传动精度要高于一般齿轮传动的精度 孙瑞涛等从系统的传动误差产生的机理出发，按误差独立性作用原理研究了齿轮的切向综合误差与基节误差、齿轮安装轴的偏心与配合间隙偏心、输出轴与轴承孔的偏心和配合间隙、轴承的径向游隙与径向跳动以及波发生器部件对谐波齿轮传动系统传动误差的影响等 结果表明：柔轮、刚轮和波发生器等零件的制造误差及装配误差是产生传动误差的主要原因，传动误差是谐波齿轮传动系统中主要的非线性因素,ZRIME,六、发展趋势及待解决的问题,1. 发展趋势,小型化高精度高可靠性,齿轮模数将越来越小,短筒柔轮将得到普遍应用，传动装置体积和重量不断减小,结构更加紧凑合理,零部件精度越来越高, 装置的传动精度也不断提高,零件材料性能更加优良,设计方案更加合理, 传动装置可靠性不断提高,ZRIME,六、发展趋势及待解决的问题,2