谐波减速器.doc

谐波减速器概述阳泉华鑫采矿设备有限公司2010.12.4目录1. 简述21.1 谐波传动技术背景22. 国内外研究现状33波减速器介绍43.1谐波传动术语介绍43.3 谐波减速器介绍43.3.1 谐波减速器 代号43.3.2 谐波减速器的品种规格43.3.3 谐波齿轮减速器的基本构造43.3.4 谐波减速器的原理53.3.5 谐波减速器主要零件常用材料:73.3.6 生产谐波减速器所需设备情况74. 谐波减速器的特点94.1 谐波减速器的主要优点94.2 谐波减速器的主要缺点104.3 谐波传动与其它传动性能的具体比较105 国内外谐波减速器比较116. 发展趋势和待解决的问题12附录 谐波减速器生产厂家131. 简述1.1 谐波传动技术背景谐波传动是上世纪五十年代后期随着航天技术的发展而出现的一种重要的新型机械传动方式，被认为是机械传动的重大突破。谐波机械传动原理是苏联工程师A.摩察尤唯金首先于1947年提出，1955年第一台用于火箭的谐波齿轮传动是由美国人C.M .Musser发明的。此后，在航天飞行器和航天设备上的多次使用，充分显示了这种传动的优越性。1959年取得了此项发明的专利后，于1960年正式公开发表了该项技术的详细资料，一九六一年开始介绍到我国。由于谐波传动具有许多优点，因而获得了广泛的推广。到上世纪七、八十年代，许多不同类型的谐波传动取得了专利。2. 国内外研究现状 谐波传动自50年代中期出现后成功地用于火箭、卫星等多种传动系统中，使用证实这种传动较一般齿轮传动具有运动精度高、回差小、传动比大、重量轻、体积小、承载能力大，并能在密封空间和辐射介质的工况下正常工作等优点。因此美、日、俄等技术先进国家，对这方面的研制工作一直都很重视。如美国就有国家航空管理局路易斯研究中心、空间技术实验室、贝尔航空空间公司、麻省理工学院、通用电气公司等几十个大型公司和研究中心都从事过这方面的研究工作。目前，美国将谐波齿轮传动应用于精密加工和测星装置的纳米级调整系统，并取得了专利。前苏联从60年代初开始，也大力开展这方而的研制工作。如苏联机械研究所、莫斯科鲍曼工业大学、全苏联减速器研究所、基耶夫减速器厂和莫斯科建筑工程学院等单位都大力开展谐波传动的研究工作。他们对该领域进行了较系统、深入的基础理论和试验研究，在谐波传动的类型、结构、应用等方而有较大发展。日木自70年代开始，从美国引进全套技术，目前不仅能大批生产各种类型的谐波齿轮传动装置，还完成了通用谐波齿轮传动装置的标准化、系列化工作。谐波齿轮传动技术于1961年由上海纺织科学研究院的孙伟工程师引入我国。此后，我国也积极引进并研究发展该项技术，1983年成立了谐波传动研究室，1984年“谐波减速器标准系列产品”在北京通过鉴定，1993年制定了GB/T14118-93谐波传动减速器标准，并且在理论研究、试制和应用方而取得了较大的成绩，成为掌握该项技术的国家之一。到目前为止我国已有北京谐波传动技术研究所、北京中技克美有限责任公司、燕山大学、郑州机械研究所、北方精密机械研究所等几十家单位从事这方面的研究和产品生产，为我国谐波传动技术的研究和推广应用打下了了较坚实的基础。3波减速器介绍3.1谐波传动术语介绍1.谐波传动 是一种靠波发生器使柔性齿轮产生可控的弹性变形波实现运动和动力传递的传动。2.谐波传动减速器 波发生器输入，刚轮固定，柔轮输出，输入和输出转向相反的传动装置。3.波发生器 使柔性齿轮产生可控弹性变形的构件。4.椭圆凸轮波发生器 椭圆凸轮与柔性轴承所构成的波发生器。5.波数 当波发生器转一整转时，柔轮上某点重复变形的次数。6.柔性齿轮 在波发生器作用下，能产生可控弹性变形的薄壁齿轮，简称柔轮。7.刚性齿轮 相对于柔性齿轮而言，它和普通齿轮一样，工作时始终保持不变形，简称刚轮。3.3 谐波减速器介绍谐波减速机是一种动力传达机构，利用齿轮的速度转换器，将电动机的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩的机构。减速机一般用于低转速大扭矩的传动设备，把电动机，内燃机或其它高速运转的动力通过减速机的输入轴上的齿数少的齿轮啮合输出轴上的大齿轮来达到减速的目的。3.3.1 谐波减速器 代号产品代号用汉语拼音大写字母XB,XBZ表示。其中字母Z表示与支座连接。3.3.2 谐波减速器的品种规格根据GB/T14118-93规定谐波传动减速器有十二个机型六十种传动比规格。同一种机型包括若干传动比。3.3.3 谐波齿轮减速器的基本构造 如图3-1所示，谐波齿轮传动主要构件有三个，刚轮（Circular Spline）、柔轮(Flex spline)和波发生器(Wave generator)固定其中一件，其余两件，一为主动，另一为从动，其相互关系可以根据需要变换，一般均以波发生器为主动。图3-1 谐波齿轮减速器的基本构造波发生器 波发生器是一个安装于椭圆形轮毅上的薄壁球轴承，而椭圆形轮毅一般安装在谐波减速器的输入轴上作为减速器的扭矩发生器。柔轮柔轮在自然状态下是一个柔性的薄壁杯形圆柱筒，筒外壁上有轮齿，节圆直径略小于刚轮齿节圆直径。柔轮贴装于波发生器上并发生变形，变形后的形状由波发生器的外轮廓决定，一般为椭圆筒。刚轮 刚轮是一个有内齿的刚性环，内齿在波发生器的长轴方向与柔轮的外齿啮合，且齿数比柔轮多2个。刚轮一般安装于壳体上，作为谐波减速器的固定元件。3.3.4 谐波减速器的原理当波发生器为主动时，凸轮在柔轮内转动，就近使柔轮及薄壁轴承发生变形（可控的弹性变形），这时柔轮的齿就在变形的过程中进入（啮合）或退出（啮离）刚轮的齿间，在波发生器的长轴处处于完全啮合，而短轴方向的齿就处在完全的脱开。 波发生器通常成椭圆形的凸轮，将凸轮装入薄壁轴承内，再将它们装入柔轮内。此时柔轮由原来的圆形而变成椭圆形，椭圆长轴两端的柔轮与之配合的刚轮齿则处于完全啮合状态，即柔轮的外齿与刚轮的内齿沿齿高啮合。这是啮合区，一般有30%左右的齿处在啮合状态；椭圆短轴两端的柔轮齿与刚轮齿处于完全脱开状态，简称脱开；在波发生器长轴和短轴之间的柔轮齿，沿柔轮周长的不同区段内，有的逐渐退出刚轮齿间，处在半脱开状态，称之为啮出。 波发生器在柔轮内转动时，迫使柔轮产生连续的弹性变形，此时波发生器的连续转动，就使柔轮齿的啮入啮合啮出脱开这四种状态循环往复不断地改变各自原来的啮合状态。这种现象称之错齿运动，正是这一错齿运动，作为减速器就可将输入的高速转动变为输出的低速转动。 对于双波发生器的谐波齿轮传动，当波发生器顺时针转动1/8周时，柔轮齿与刚轮齿就由原来的啮入状态而成啮合状态，而原来脱开状态就成为啮入状态。同样道理，啮出变为脱开，啮合变为啮出，这样柔轮相对刚轮转动（角位移）了1/4齿；同理，波发生器再转动1/8周时，重复上述过程，这时柔轮位移一个齿距。依此类推，波发生器相对刚轮转动一周时，柔轮相对刚轮的位移为两个齿距。 柔轮齿和刚轮齿在节圆处啮合过程就如同两个纯滚动（无滑动）的圆环一样，两者在任何瞬间，在节圆上转过的弧长必须相等。由于柔轮比刚轮在节圆周长上少了两个齿距，所以柔轮在啮合过程中，就必须相对刚轮转过两个齿距的角位移，这个角位移正是减速器输出轴的转动，从而实现了减速的目的。 波发生器的连续转动，迫使柔轮上的一点不断的改变位置，这时在柔轮的节圆的任一点，随着波发生器角位移的过程，形成一个上下左右相对称的和谐波，故称之为：“谐波”。下图3-2是谐波传动的原理图： 图 3-2 谐波传动的工作原理3.3.5 谐波减速器主要零件常用材料:柔轮: 30CrMnSi、35CrMnSiA、40CrNiMoA刚轮 45、40Cr凸轮或偏心盘 453.3.6 生产谐波减速器所需设备情况生产谐波齿轮减速器除一般通用的机床（车床、铣床、钻床等）外，还需要插齿机、磨齿机、滚齿机和中高频淬火机床，一台国产滚齿机床价格在20万左右，比如泰兴成泰机床设备有限公司生产的Y3180滚齿机市场报价20.5万/部；进口磨齿机价格稍高，比如德国产的五轴联动数控成型磨齿机报价都在100万以上，不过国产磨齿机就相对便宜多了，比如浙江缙云县壶镇振利机械厂生产的MSG450B磨齿机报价只有15万左右；至于淬火机床，生产厂家众多，价格在几万到几十万不等，总之，生产谐波减速器所需设备不算太贵，一般公司都可承受。下图为双波单级谐波齿轮减速器结构图，1-端盖2-壳体3-双滚轮式波发生器4-柔轮5-抗弯环6-刚轮7-输出轴8-轴衬4. 谐波减速器的特点4.1 谐波减速器的主要优点1.结构简单，体积小，重量轻 谐波齿轮传动的主要构件只有三个：波发生器、柔轮、刚轮。它与传动比相当的普通减速器比较，其零件减少50%，体积和重量均减少1/3左右或更多。 2.传动比范围大 单级谐波减速器传动比可在50300之间，优选在75250之间；双级谐波减速器传动比可在300060000之间；复波谐波减速器传动比可在200140000之间。 3.同时啮合的齿数多。 双波谐波减速器同时啮合的齿数可达30%，甚至更多些。而在普通齿轮传动中，同时啮合的齿数只有27%，对于直齿圆柱渐开线齿轮同时啮合的齿数只有12对。正是由于同时啮合齿数多这一独特的优点，使谐波传动的精度高，齿的承载能力大，进而实现大速比、小体积。 4.承载能力大。 谐波齿轮传动同时啮合齿数多，即承受载荷的齿数多，在材料和速比相同的情况下，受载能力要大大超过其它传动。其传递的功率范围可为几瓦至几十千瓦。 5.运动精度高。 由于多齿啮合，一般情况下，谐波齿轮与相同精度的普通齿轮相比，其运动精度能提高四倍左右。 6.运动平稳，无冲击，噪声小。 齿的啮入、啮出是随着柔轮的变形，逐渐进入和逐渐退出刚轮齿间的，啮合过程中齿面接触，滑移速度小，且无突然变化。 7.齿侧间隙可以调整。 谐波齿轮传动在啮合中，柔轮和刚轮齿之间主要取决于波发生器外形的最大尺寸，及两齿轮的齿形尺寸，因此可以使传动的回差很小，某些情况甚至可以是零侧间隙。 8.传动效率高。 与相同速比的其它传动相比，谐波传动由于运动部件数量少，而且啮合齿面的速度很低，因此效率很高，随速比的不同（u=60-250)，效率约在6596%左右（谐波复波传动效率较低），齿面的磨损很小。 9.同轴性好。 谐波齿轮减速器的高速轴、低速轴位于同一轴线上。10.可实现向密闭空间传递运动及动力。 采用密封柔轮谐波传动减速装置，可以驱动工作在高真空、有腐蚀性及其它有害介质空间的机构，谐波传动这一独特优点是其它传动机构难于达到的。 11.方便的实现差速传动。 由于谐波齿轮传动的三个基本构件中，可以任意两个主动，第三个从动，那么如果让波发生器、刚轮主动，柔轮从动，就可以构成一个差动传动机构，从而方便的实现快慢速工作状况。这一点对许多机床的走刀机构很有实用价值，经适当设计，可以大大改变机床走刀部分的结构性能。4.2 谐波减速器的主要缺点 1.传动比的下限值高，齿数不能太少，当波发生器为主动时，传动比不小于35；2.柔轮和波发生器的制造复杂，需要专门设备，造成单件生产和维修困难，但批量生产时谐波传动装置的价格低于行星传动装置；3.柔轮周期性变形，易于疲劳损坏;4.起动力矩大;5.在承载初始阶段，刚度较小，变刚度特性是属于带条件性的缺点;6.不能做成交叉轴和交错轴的结构形式。4.3 谐波传动与其它传动性能的具体比较蜗轮蜗杆减速机的主要特点是具有反向自锁功能，可以有较大的减速比，输入轴和输出轴不在同一轴线上，也不在同一平面上。但是一般体积较大，传动效率不高，精度不高。谐波减速机的谐波传动是利用柔性元件可控的弹性变形来传递运动和动力的，体积不大、精度很高，但缺点是柔轮寿命有限、不耐冲击，刚性与金属件相比较差。输入转速不能太高。行星减速机其优点是结构比较紧凑，回程间隙小、精度较高，使用寿命很长，额定输出扭矩可以做的很大。但价格略贵。当输入转速1500转/分钟，传动比和输出力矩相同的情况下，四种普通减速器与谐波齿轮传动减速器的性能比较为：减 速 器 类 型参数单 位行星齿轮人字齿轮蜗杆加螺旋齿轮圆柱齿轮谐波齿轮1传动级数322312输出力矩Nm3903903903903903传 动 比97.49610098.31004效率%85857893855齿轮数量个1344626轴承数量套1766857节圆线速度M/S7.627.627.627.620.0948齿滑动速度M/S12.712.712.712.70.129同时啮合齿数%75333010齿面接触应力MPA3453453453454.1211齿剪应力MPA1721721721722.0612安全系数33253613齿面接触状态线线线线面14运动平稳性中好好中好15力的平衡好好不好好好16外形尺寸高CM33.135.640.658.818.517外形尺寸长CM38.150.843.2911618外形尺寸宽CM33.125.425.434.616.519体积1000CM340146441855.520质量Kg11112792.5325255 国内外谐波减速器比较目前，国外小模数精密谐波齿轮减速器多采用短筒柔轮，其体积小、重量轻、承载能力高;我国采用的还是普通杯形柔轮，还没有生产短筒柔轮谐波齿轮减速器。几种国外短筒柔轮谐波齿轮减速器与国产精密杯形谐波齿轮减速器的主要参数见表5-1，国内外柔轮结构比较见图5.1 表5-1 国内外谐波减速器比较 由表5-l可知，我国谐波齿轮减速器尺寸大，承载能力反而小，国外短筒柔轮谐波齿轮减速器的体积仅是我国相同外径产品的30%左右，而承载能力(转矩)却是我国相同外径产品的1.39-2倍。图5.1 国内外柔轮比较图从图4.l可以很直观地看到，我国杯形柔轮的轴向尺寸比国外短筒柔轮的轴向尺寸要大得多。要在承载能力不变的情况下减小装置的体积，就应该下功大研究短筒柔轮及其传动装置。另外，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2级，运动精度和回差能够小于3，而我国产品的回差一般都在6以上。6. 发展趋势和待解决的问题 随着工业智能机器人、数控机床、医疗器械、无线电通讯设备等民用设备仪器的质量、性能、可靠性的不断提高以及武器装备的不断更新换代，也就必然对其中的谐波齿轮传动提出越来越高的要求。谐波齿轮传动装置的小型化、高精度和高可靠性将是谐波齿轮传动的主要发展趋势，即齿轮模数将越来越小，零部件精度越来越高，零件材料性能更加优良，短筒柔轮将得到普遍应用，传动装置的体积和重量越来越小，结构更加紧凑合理，可靠性不断提高。虽然谐波齿轮传动的研究己经取得了很大的进展，但仍然需要进一步研究解决如下问题:1）短筒柔轮的变形力和应力随着筒长的减小而急剧增加的问题;2)高强度短筒柔轮材料试验研究及尺寸限制条件下短筒柔轮的优化设计问题3）研究新齿形，解决制齿方法和工艺问题;4)超小模数短筒柔轮和刚轮的制造问题等。这些问题的解决，必将使谐波齿轮传动产品得到更广泛的应用。附录 谐波减速器生产厂家日本HD谐波减速机公司是世界上最大的从事谐波传动及特种传动技术的研发、生产及销售的公司，谐波减速机有传动比范围大、啮合的齿数多、承载能力大、运动精度高、运动平稳，无冲击，噪声小、齿侧间隙可以调整、结构简单，体积小，重量轻、传动效率高、同轴性好、可实现高增速运动等特点。主要用于各类机器人/机械臂、印刷/纸箱包装机械、医疗机械、测量/分析/试验机器、大型望远镜、电缆制造设备精密包装机械、气象设备、高级仪器仪表、光学制造设备、半导体制造装置、晶体制造设备、FPD制造装置、通信装置、航空航天机器、数控机床、雷达多种卫星地面接收设备等对体积有要求的精密传动系统。主要系列有：组件：CSG、CSD、CSF、SHG、SHF；整机：CSG-2UH、CSF-2UH、SHG-2UH、SHF-2UH、SHG-2UJ、SHF-2UJ、CSF-1U；简易/中空轴/超薄型：SHG-2SH、SHF-2SH 、SHG-2UHSO、SHF-2SO、SHD-2SH；相位调节用：FB、FD、FR；迷你型：CSF-GH、CSF-2XH；精密行星减速机：HPG、HP-F天津市华星减速机有限公司始建予2003年，是国家定点生产减速机、变速机的专业厂；是行星摆线针轮减速机和油浸式电动滚筒产品开发生产的发源地；是机械工业重点骨干企业；中国减、变速机行业协会理事长单位；原机械工业部机加工工艺样板厂。列为中国机械工业500家大型企业之一，天津市百强企业之一。 公司主要产品有行星摆线针轮减速机，各种电动滚筒，全系列的渐开线硬齿面减速机，无极变速器等。其产品广泛应用于石油、冶金、矿山、建筑、环保、化工、纺织、轻工、国防、科研等各行各业传动机械中。先后或多项国家、国际金牌，被贸促会和法国质监会授予“向欧盟市场推荐产品”。是中国质量管理协会确定的“全国用户满意企业”。 “华星”牌系列产品以质量精良，性能可靠，用途广泛，得到了国内外用户的普遍欢迎。产品广泛应用于国家重点工程、国防、科研等领域，如西昌卫星发射基地，宝钢二期工程，三峡工程等，并配套出口到30多个国家和地区。上海弗麦传动机械有限公司是国内知名的专业研发、生产减速机、变速机械的企业，率先通过了ISO9001质量认证体系，公司拥有国内外最先 进的瑞士莱斯豪尔AZA、NZA、ZB磨齿机、德国尼尔斯滚齿机、YD7163锥面砂轮磨齿机、215磨齿机、THA6350卧式加工中心、TP6111B、 TX619卧式数显镗床等，先进的生产加工设备及Z450齿轮综合误差测量仪、JXBB电脑型万能工具显微镜等多台检测设备。 公司主要生产H、B大功率齿轮减速机,DBY/DCY圆锥圆柱齿轮减速器,ZDY/ZLY/ZSY硬齿面圆柱齿轮减速器,R系列斜齿轮减速机,S系列斜 齿轮蜗杆减速机,F系列平行轴斜齿轮减速机,K系列斜齿轮锥齿轮减速机,T系列螺旋锥齿轮换向器,WB系列微型摆线针轮减速机,X、B系列摆 线针轮减速机,RV蜗轮减速机,WP系列蜗轮减速机MB系列行星摩擦式无级变速机,P系列行星齿轮减速机,和精密齿轮减速机等;完善的质量管 理体系,深受广大用户的信赖。 公司成立以来,一直致力于开发、生产高效、节能、环保型传动系列产品,拥有高素质的技术研发、质量管理和技工队伍。先进的技术 工艺，精密的生产制造设备，严谨的质量控制程序使产品成为国内外广大用户的首选品牌，广泛用于石油、化工、冶金、矿山、环保工 程、食品包装、啤酒饮料机械、制药设备、木材加工设备，陶瓷机械、起重运输设备、烟草机械、立体停车设备、橡胶塑料机械、生产流 水线等领域。 我公司始终本着“敬业、求实、创新的经营理念；坚持质量第一、信誉第一”的宗旨，为广大用户提供优质产品和服务；以质量求 生存、以顾客为中心、以“管理求效益、以市场求发展”是我公司的经营方针，公司全体员工决心以更加优质、及时、快捷的服务，以敢 为人先、艰苦创业的敬业精神，使企业迅速发展。上海力展减速机有限公司是国内专业生产减、变速机传动设备的制造公司，率先通过ISO9001：2000国际质量体系认证，销售网点覆盖全国。 公司先后引进德国的先进技术和完整的加工设备，使产品质量不断提高，力展产品主要有R、S、F、K系列齿轮减速机，MB系列无级调速变速机，T、ARA系列螺旋伞齿轮换向箱，RV、WJ、WP系列蜗轮蜗杆减速机，XB、WB系列摆线针轮减速机，G系列封闭式小齿轮马达， SWL蜗轮丝杆升降机，HB硬齿面大功率减速机和ZD系列硬齿面圆柱齿轮减速机等，十几个系列近二万多种速比。减速