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谐波齿轮减速器设计.docx

谐波齿轮减速器设计【3D-ProE】含三维图纸【全套CAD图纸+毕业论文】【原创资料】

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定单343-谐波齿轮减速器设计【最终】

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3D-ProE

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关键词：: 谐波齿轮减速器设计 proe 全套 cad 图纸毕业论文原创资料

资源描述：

摘要1

Abstract1

第一章绪论2

1.1研究谐波齿轮传动的背景及意义2

1.2 国内外研究现况2

1.3 谐波齿轮传动原理3

第二章总体设计5

2.1设计要求5

2.2 传动方案的选定5

2.3 传动比及齿数的计算7

2.4材料选定7

2.4.1 柔轮材料7

2.4.2 刚轮材料9

2.4.3 凸轮轮材料9

2.5波发生器的形式及几何参数的选定9

2.6 传动模数的初步确定11

第三章主要几何尺寸计算13

3.1 选定主要啮合参数（，，，）13

3.1.1 基准齿形角13

3.1.2 变位系数13

3.1.3 径向变形量系数13

3.1.4 齿廓工作段高度14

3.2 柔轮和刚轮的主要几何尺寸14

3.3 齿廓啮合干涉验算15

3.4 保证传动正常的条件16

第四章主要部件结构设计17

4.1 柔轮和刚轮17

4.2波发生器20

4.2.1 柔性轴承的结构20

4.2.2 保持器22

4.2.2 凸轮22

4.3低速轴的设计23

第五章设计验算与校核24

5.1柔轮的疲劳强度验算与稳定性校核24

5.2柔性轴承的寿命计算25

5.3传动效率估算26

结论28

参考文献29

致谢30

摘要

谐波传动是五十年代中期出现的一种新型传动，它随着空间技术的发展而迅速发展起来。由于谐波传动具有传动比大、体积小、传动精度高的特点，一开始就被运用在火箭、导弹、卫星等飞行器中，实现了他的优越性。目前这种传动技术已由航天飞行器，飞机中的应用迅速推广到原子能、雷达、通讯、造船、冶金、汽车、坦克、机床、仪表、防止、建筑、起重运输、医疗器械等各个部门。

本文首先分析了国内外研究现况，再根据设计参数选定适合此次设计要求的方案，接着对谐波齿轮减速器各主要部件，包括刚轮、柔轮、凸轮、柔性轴承、轴等进行了详细设计与校核，然后才有Pro/E三维设计软件对该谐波齿轮减速器进行三维设计，最后用AutoCAD软件绘制了其装配图和主要零件图。

关键词：谐波传动，齿轮，减速器

Abstract

Harmonic drive is a new drive appears mid-fifties, which along with the development of space technology and developed rapidly. Since the harmonic drive with transmission ratio, small size, high transmission accuracy, beginning to be used in rockets, missiles, satellites, aircraft, and realized his superiority. Currently this transmission technology has been spacecraft, aircraft applications quickly extended to atomic energy, radar, communications, shipbuilding, metallurgy, automobiles, tanks, machine tools, instrumentation and prevent various departments construction, material handling, medical equipment. This paper analyzes the current research status at home and abroad for the design requirements of the program and then selected based on design parameters, then the harmonic gear reducer for all major components, including just wheels, flexible wheel, cam, flexible bearings, shafts, etc. detailed design and verification, and then have Pro / E design software for three-dimensional three-dimensional design of the harmonic gear reducer, finally drawn its main assembly drawing and parts drawing using AutoCAD software.

Key words: Harmonic Drive; Gear; Reducer

第一章绪论

1.1研究谐波齿轮传动的背景及意义

谐波齿轮传动是50年代末随着空间科学、宇航尖端技术的发展而产生的。在谐波出现后的短短几十年中，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技术的研究。它是建立在弹性变形理论基础上的一种新型传动技术。1959年美国学者C·W·麦塞尔（Musser）取得该项技术的发明专利后，于1960年正式展出了实物[1]。

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/T 14118-93谐波传动减速器标准，并且在理论研究、试制和应用方面取得了较大的成绩，成为掌握该项技术的国家之一[2]。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生产，为我国谐波传动技术的研究和推广应用打下了较坚实的基础谐波齿轮传动是利用柔性构件的弹性变形波进行运动或动力传递的一种新型传动装置，谐波齿轮减速器一般是由波发生器、柔轮和刚轮所组成的[4]。

其优点有:

(1) 结构简单，零件少，体积小，重量轻。与传动比相当的普通减速器比较，其零件约减少50%，体积和重量均减少1/3.

（2) 传动比大，传动比范围广。单级谐波减速器传动比可在50～300之间，双级谐波减速器传动比可在3000～60000之间，复波谐波减速器传动比可在100～140000之间。

（3）由于同时啮合的齿数多，齿面相对滑动速度低，使其承载能力高，传动平稳且精度高，噪声低。

（4）谐波齿轮传动的回差较小，齿侧间隙可以调整，甚至可以实现零侧隙传动。

（5）在采用如电磁波发生器或圆盘波发生器等结构型式时，可获得较小的转动惯量。

（6）谐波齿轮传动还可以向密封空间传递运动和动力，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。

（7）传动效率较高，且在传动比很大的情况下，仍具有较高的效率。

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内容简介：: 谐波齿轮减速器设计 I 目录摘要 . 1 Abstract . 1 第一章绪论 . 2 1.1 研究谐波齿轮传动的背景及意义 . 2 1.2 国内外研究现况 . 2 1.3 谐波齿轮传动原理 . 3 第二章总体设计 . 5 2.1 设计要求 . 5 2.2 传动方案的选定 . 5 2.3 传动比及齿数的计算 . 7 2.4 材料选定 . 7 2.4.1 柔轮材料 . 7 2.4.2 刚轮材料 . 9 2.4.3 凸轮轮材料 . 9 2.5 波发生器的形式及几何参数的选定 . 9 2.6 传动模数的初步确定 . 11 第三章主要几何尺寸计算 . 12 3.1 选定主要啮合参数（ x1， x2， 0， hn） . 12 3.1.1 基准齿形角 . 12 3.1.2 变位系数 . 12 3.1.3 径向变形量系数 . 12 3.1.4 齿廓工作段高度 . 13 3.2 柔轮和刚轮的主要几何尺寸 . 13 3.3 齿廓啮合干涉验算 . 14 3.4 保证传动正常的条件 . 15 第四章主要部件结构设计 . 16 4.1 柔轮和刚轮 . 16 nts谐波齿轮减速器设计 II 4.2 波发生器 . 19 4.2.1 柔性轴承的结构 . 19 4.2.2 保持器 . 21 4.2.2 凸轮 . 21 4.3 低速轴的设计 . 22 第五章设计验算与校核 . 24 5.1 柔轮的疲劳强度验算与稳定性校核 . 24 5.2 柔性轴承的寿命计算 . 25 5.3 传动效率估算 . 26 结论 . 28 参考文献 . 29 致谢 . 30 nts谐波齿轮减速器设计 1 摘要谐波传动是五十年代中期出现的一种新型传动，它随着空间技术的发展而迅速发展起来。由于谐波传动具有传动比大、体积小、传动精度高的特点，一开始就被运用在火箭、导弹、卫星等飞行器中，实现了他的优越性。目前这种传动技术已由航天飞行器，飞机中的应用迅速推广到原子能、雷达、通讯、造船、冶金、汽车、坦克、机床、仪表、防止、建筑、起重运输、医疗器械等各个部门。本文首先分析了国内外研究现况，再根据设计参数选定适合此次设计要求的方案，接着对谐波齿轮减速器各主要部件，包括刚轮、柔轮、凸轮、柔性轴承、轴等进行了详细设计与校核，然后才有 Pro/E 三维设计软件对该谐波齿轮减速器进行三维设计，最后用 AutoCAD 软件绘制了其装配图和主要零件图。关键词：谐波传动，齿轮，减速器 Abstract Harmonic drive is a new drive appears mid-fifties, which along with the development of space technology and developed rapidly. Since the harmonic drive with transmission ratio, small size, high transmission accuracy, beginning to be used in rockets, missiles, satellites, aircraft, and realized his superiority. Currently this transmission technology has been spacecraft, aircraft applications quickly extended to atomic energy, radar, communications, shipbuilding, metallurgy, automobiles, tanks, machine tools, instrumentation and prevent various departments construction, material handling, medical equipment. This paper analyzes the current research status at home and abroad for the design requirements of the program and then selected based on design parameters, then the harmonic gear reducer for all major components, including just wheels, flexible wheel, cam, flexible bearings, shafts, etc. detailed design and verification, and then have Pro / E design software for three-dimensional three-dimensional design of the harmonic gear reducer, finally drawn its main assembly drawing and parts drawing using AutoCAD software. Key words: Harmonic Drive; Gear; Reducer nts谐波齿轮减速器设计 2 第一章绪论 1.1 研究谐波齿轮传动的背景及意义谐波齿轮传动是 50 年代末随着空间科学、宇航尖端技术的发展而产生的。在谐波出现后的短短几十年中，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技术的研究。它是建立在弹性变形理论基础上的一种新型传动技术。 1959年美国学者 CW麦塞尔（ Musser）取得该项技术的发明专利后，于 1960 年正式展出了实物 1。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/T 14118-93 谐波传动减速器标准，并且在理论研究、试制和应用方面取得了较大的成绩，成为掌握该项技术的国家之一 2。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生产，为我国谐波传动技术的研究和推广应用打下了较坚实的基础谐波齿轮传动是利用柔性构件的弹性变形波进行运动或动力传递的一种新型传动装置，谐波齿轮减速器一般是由波发生器、柔轮和刚轮所组成的 4。其优点有 : (1) 结构简单，零件少，体积小，重量轻。与传动比相当的普通减速器比较，其零件约减少 50%，体积和重量均减少 1/3. （ 2) 传动比大，传动比范围广。单级谐波减速器传动比可在 50 300 之间，双级谐波减速器传动比可在 3000 60000 之间，复波谐波减速器传动比可在 100140000 之间。（ 3）由于同时啮合的齿数多，齿面相对滑动速度低，使其承载能力高，传动平稳且精度高，噪声低。（ 4）谐波齿轮传动的回差较小，齿侧间隙可以调整，甚至可以实现零侧隙传动。（ 5）在采用如电磁波发生器或圆盘波发生器等结构型式时，可获得较小的转动惯量。（ 6）谐波齿轮传动还可以向密封空间传递运动和动力，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。（ 7）传动效率较高，且在传动比很大的情况下，仍具有较高的效率。 1.2 国内外研究现况目前，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nts谐波齿轮减速器设计 3 载能力高；我国采用的还是普通杯型柔轮，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齿轮减速器的主要参数见表 1，国外柔轮结构比较见图 1 由表 1 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。从图 1 可以直观的看到，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，就应该下功夫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，运动精度和回差精度能够小于 3，而我国产品的回差一般都在 6以上。 1.3 谐波齿轮传动原理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nts谐波齿轮减速器设计 4 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 ”。 nts谐波齿轮减速器设计 5 第二章总体设计 2.1 设计参数 2.1.1 原始参数要求本课题要求设计一台地脚板安装式的谐波减速器。技术参数：传动比 i=100；输出轴扭拒 M2=75N.m；输出轴转速 n2=14r/min 2.1.2 动力参数计算 mNnPTKWPPKWnTPrnin887.0140013.09550955013.085.011.011.09550m i n/140014100112122221 2.2 传动方案的选定谐波齿轮传动就其本质来说 , 是属 Z-X-V 型行星齿轮传动。其工作原理如图 1 所示 , 它是由三个元件组成的 , 即波发生器、柔轮和刚轮。其中任何一件均可固定不动 , 其余两件作为输入件和输出件它可作为减速器使用 , 也可作为增速器使用。通常 , 刚轮为内齿轮 , 固定不动 ; 波发生器为椭圆凸轮 ( 或双滚轮 ) , 作输入轴 ; 柔轮为外齿轮 , 作输出轴 ; 而且大都采用 2 波传动 , 即波发生器转 1 转 , 柔轮变形两次 ; 也即刚轮与柔轮的齿数差为 2。若将波发生器装在柔轮中 , 将使柔轮变为椭圆形 , 此时 , 处于长轴的齿将与刚轮齿接触啮合 , 而处于短轴的齿则与刚轮齿脱开。当波发生器回转时 , 将迫使柔轮齿依次同刚轮齿啮合 , 由于相差 2 齿 , 故发生器转 1 转 , 将使柔轮在相反方向转过 2 齿 , 从而获得减速运动。 nts谐波齿轮减速器设计 6 图 1 工作原理 Fig 1 Working principle 本设计采用钢轮固定不动，波发生器作输入轴，柔轮作输出轴。柔轮的结构型式主要有杯形、环形和钟形三种。经常采用的是杯形柔轮 ,本设计也采用了杯形柔轮，其结构如图 2 所示。图 2 柔轮结构简图 Fig 2 Flexible wheel structure diagram 杯形柔轮虽然工艺性较差，但结构简单，联接方便，刚性好，传动精度高。波发生器的结构型式主要有双滚轮式、四滚轮式、偏心盘式、柔性轴承凸轮式等。经常采用的是柔性轴承凸轮式或双滚轮式波发生器。其结构如图 3所示。 nts谐波齿轮减速器设计 7 图 3 凸轮式和双滚轮式波发生器 Fig3 Cam and double wheel wave generator 柔性轴承凸轮式波发生器能全面控制柔轮变形 , 承载能力大 , 刚度好 , 适于标准化批量生产。双滚轮式波发生器结构简单 , 制造方便 , 但承载能力低 , 适于单件生产。本设计采用凸轮式波发生器。本设计的主要性能指标为：传动比 80、输入转速 2800r/min、输入转矩 40Nm。单级传动的传动比为 75-500，能够满足传动比要求，且结构建东效率较高，所以本设计采用单级传动。综上所述，传动方案采用凸轮式波发生器，钢轮固定，波发生器输入，柔轮输出的单级谐波齿轮传动。 2.3 传动比及齿数的计算以下所有公式与表格均出自此轮手册第 9篇传动比计算公式： iH12 = Z1Z2;Z1 （ 1）传动比： iH12 =-100 钢轮齿数： z2=101 柔轮齿数： z1=100 2.4 材料选定 2.4.1 柔轮材料在谐波齿轮传动中，柔轮是在反复弹性变形的的状态下工作的，即要承受狡辩弯曲应力，又要承受扭转应力，工作条件恶劣，因此应使用疲劳极限 ;1 350MPa和调制硬度 280320HBS 的合金钢制造柔轮。另外根据承受载荷情况的不同，所选的柔轮材料也应有区别。 nts谐波齿轮减速器设计 8 对于重载荷且传动比较小的的柔轮，推荐采用对应力集中敏感性小的高韧度的结构钢。例如 38CrMoAlA， 40CrNiMoA 等。中等载荷与轻载荷的柔轮，可以用脚廉价的 30CrMnSiA、 35CrMnSiA 或 60Si2、 40Cr 等。目前我国通用谐波齿轮减速器及前苏联国家标准的通用谐波齿轮减速器，柔轮的材料主要采用 30CrMnSiA。不锈钢 Cr18Ni10T具有很高的塑性，便于控制及旋压，但却贵而稀缺。密封谐波传动的柔轮常采用此种材料。上述材料的热处理方法通常采用调制（ 280320HBS）。热处理之后，不需要进行光整工序就可以进行直接加工，包括齿形加工。柔轮的齿圈，包括齿槽在内，通常要进行冷作硬化。冷作硬化可以提高疲劳极限 ;1值得 10%15%。同样，对齿圈进行氮化也是有效的方法。氮化不仅能提高疲劳极限值得 30%40%，而且还可以减少齿轮的磨损。柔轮常用金属材料的热处理规范和力学性能见表 2.3.1 表 1 金属柔轮材料及热处理规范 Table 1 Metal material and heat treatment of flexible wheel range 钢的牌号热处理方法热处理规范力学性能硬度抗拉强度 b（ MPa）疲劳极限 ;1（ MPa） 30CrMnSiA 调制 1.油中淬火 880 +油中回火 540 850 380 300320HBS 2油中淬火 890910 +油中回火 540 1100 420 等温淬火用个硝酸钾等温淬火880890 + 加热到370空气冷却 1090 450 调制 +喷丸冷作硬化调制 +氮化调制 +喷丸冷作硬化 1100 480500 2832HRC 调制 +氮化 1100 600650 5054HRC 芯部280320HBS 35CrMnSiA 调制油中淬火 880 +水或油中回火 540 880 380 300280HBS nts谐波齿轮减速器设计 9 等温淬火用个硝酸钾等温淬火880 + 加热到280310空气冷却 1300 450 60Si2 调制油中淬火 870 +空气中回火 460 1400 500 50CrMn 调制油中淬火 840 +空气中回火 490 1100 610 240280HBS 40CrNiMoA 调制油中淬火 850 +空气中回火 600 950 530 40Cr 调制油中淬火 850 +油中回火 550 900 400 38CrMoAlA 调制油中淬火 9400 +油中回火 6400 1000 400490 表面6570HRC 芯部 320HBS 调制 +氮化调制 +氮化 1000 620630 Cr18Ni10T 安供应状况 600 280 本设计的传动比较小，中等载荷， 30CrMnSiA 调制处理后能够达到力学性能的要求，且价格便宜，所以本设计选用 30CrMnSiA 调制处理作为柔轮的材料。 2.4.2 刚轮材料钢轮的应力状态大大低于柔轮。因此刚轮可以此阿勇普通结构钢，例如 45、 40Cr等。亦可用铸铁件与箱体铸在一起，材料应选用搞强度的铸铁或球墨镁铸铁等。铸铁刚轮与钢制柔轮形成减摩副，可以减轻表面磨损。本设计采用 45 作为刚轮材料，刚轮与箱体采用连接件链接。 2.4.3 凸轮轮材料凸轮材料无需要求，常用 45钢，调制处理。 2.5 波发生器的形式及几何参数的选定波发生器是迫使柔轮产生预期变形规律的元件。安变形波数分，有单波、双波和三波发生器，按柔轮变形特性不同，又可分为自由变形波发生器和确定变形波发生器两类，前者不能完全控制柔轮的变形状态，而后者则能在柔轮的各点上控制其变形。按波发生器与柔轮相互作用的原理的不同，可分为机械波发生器、液压波发生器、nts谐波齿轮减速器设计 10 气压波发生器和电磁波发生器，其中以机械波发生器应用最广。常用的机械波发生器有滚轮式，偏心盘式和凸轮式，其中凸轮式柔轮变形全部控制，承载能力较大，刚度较好，精度也较高。是目前国内外最通用的结构。所以本设计选取凸轮式波发生器。如下图：图 4 凸轮波发生器 Fig 4 Cam-wave generator 凸轮形式主要有标准椭圆凸轮，此种凸轮加工简单方便，为目前最常用的一种凸轮；以四力作用下圆环变形曲线为廓线的椭圆凸轮，此种凸轮的加工虽较前者复杂，但只要改变角，便可获得所需之各种凸轮性状，当 =20 30 时，柔轮中峰值力克达到最小；双偏心圆弧凸轮，此种凸轮加工方便，啮合区较大，但柔轮中的应力较大。本设计采用标准椭圆凸轮形式。图 5 凸轮轮廓线 Fig 5 Cam contour 凸轮长半轴： a=0.5（） + （ 2） nts谐波齿轮减速器设计 11 凸轮短半轴： b=19*(6 7a) 41 5a 2a2+ （ 3）考虑补偿波发生器径向尺寸链总的间隙量柔性轴承内径凸轮廓线方程： = b 2 in 2 :b2 o 2 （ 4）凸轮波发生器的原始曲线可看作凸轮廓线的外等距曲线。计算得：（ mm） a=54.4 b=50.56 2.6 传动模数的初步确定由于谐波齿轮传动两轮的齿数均很多，故轮齿啮合时很接近于面接触，因此齿面磨损可由工作表面的比压来控制。于是，齿面比压 p为： P= 8 KT1 dd12hnzv pp （ 5）式中： T1 用在柔轮上的转矩（ N m） 1 柔轮分度圆直径 hn 齿廓工作段高度，其精确值应由集合计算确定，近似取 hn=chm，其中 ch=1.41.6， m为模数 d 齿宽系数， d=b/ 1，一般取 0.10.2， b为齿宽 zv 当量与沿齿廓工作段高度接触的全齿合工作齿数， zv=0.25 z1 啮合齿数站总齿数的百分数，一般取 =0.30.5 K 计算载荷系数，当静载荷时，取 K=0.1，工作中有冲击和震动时，取K=1.151.5 pp 许用比压。齿圈材料，且在润滑条件下工作时，对不同钢种及热处理条件，可取 pp=2040N/mm2，当润滑不良时， pp值应适当降低，对塑料齿圈， pp 8N/mm2。在计算时，齿面磨损条件往往用来大致确定传动模数，由式（ 2.3-1）得 m 2 z1 KT1 d hpp3 （ 6）取 z1=100， K=1.5， T1=0.887N m， =0.4， d=0.1， ch 1 5， pp=30N/mm2按公式（ 2.5-2）求得 m1.41，本设计取模数为 1.5。 nts谐波齿轮减速器设计 12 第三章主要几何尺寸计算 3.1 选定主要啮合参数（ x1， x2，， hn）渐开线谐波齿轮传动啮合参数合理选择所遵循的基本原则是：在保证传动不发生啮合干涉的情况下，获得较大的啮合深度和啮合区，且保证有合理的啮合侧隙。因而在齿形确定之后，影响传动性能的参数主要是基准齿形角，变为系数 x1、 x2，径向变形量系数和齿廓工作段高度 hn。 3.1.1 基准齿形角我国目前谐波齿轮传动中柔轮、刚轮所采用的均为渐开线窄槽齿，基准齿形角分别采用 20 、 25 、 28 36，和 30 四种。为防止干涉，均采用短齿。对于 =28 36，和 30 的大压力角齿形，可不变位或取较小变位。对于 =20 的渐开线齿形，可采用变位的方法来防止啮合干涉。因为目前各国应用最广泛的是渐开线齿形，所以本设计取齿形基准角 =20 的渐开线齿形，同时采用适当的变位系数来防止干涉。 3.1.2 变位系数从增大啮入深度和啮合区的观点出发，变位系数应选大些，但其极限受齿顶变尖的限制。现设定柔轮用滚刀加工，刚轮用用插刀加工，则对于采用非标准柔性轴承的凸轮波发生器，圆盘波发生器和滚轮波发生器的谐波齿轮传动，柔轮和刚轮的变位系数可大致取： x1=（ 1.35- ） /（ 0.85z1;13-0.04）（ 7） x2=x1+（ -1） (8) 对于采用标准柔性轴承的凸轮波发生器的谐波齿轮传动， x1=0 5(Db mz1) S （ h c） m/m (9) 式中：径向变形量系数 Db 柔性轴承外径（ mm） h 齿顶高系数 S 柔轮齿圈壁厚（ mm） C 径向间隙系数。 3.1.3 径向变形量系数径向变形量系数定义为 =/m（其中为柔论的最大径向变量）在其他条件不变时，增加，可使啮合深度增加大，所需的变位系数减小；但此时啮合区缩小，nts谐波齿轮减速器设计 13 柔轮中的应力增大。一般取 =0.91.1。在动力传动中，亦可取： =0.89+810;5z1+2jbt/m (10) 而 jbt/m=Tb/（ 12s1Gm） +410;4（ i-60） (11) 式中： jbt 空载时在啮合区应保证的间隙（ mm） T 输出力矩（ N mm） b 柔轮齿圈宽度（ mm） s1 柔轮光滑圆柱部分的壁厚（ mm） G 剪切弹性模量（ N/mm2）由于本设计为非动力传动，所以直接取 =1.0 3.1.4 齿廓工作段高度通常，齿廓工作段高度 hn随的增加而增加。一般取 hn=（ 1.31.6） m，或推荐按下式确定： hn=4 (4 64 )10;3z1 2 48m (12) 本设计取 =1.0， hn=1.5m=2.7,再由式（ 7）、 (8)、（ 9）求得： x1=1.2 x2=1.2 应该指出， x1， x2，和 hn的选择是相互关联的，因而最合理的值应该用优化的方法确定。 3.2 柔轮和刚轮的主要几何尺寸柔轮：分度圆直径 1 mz1 齿顶圆直径 1 g1 2hn 齿根圆直径 f1 mz1 2（ x1 h c）式中： g1 柔轮齿上渐开线起始圆直径 g1 m（ z1 2hn 2x1） 2 4（ ha;x1t n0） 2 （ 13）由上式求得： 1=150 1=157 f1=153.7 刚轮：分度圆直径 2=mz2 齿顶圆直径 2= g2 2hn 齿根圆直径 f2=2（ a 2+r ） nts谐波齿轮减速器设计 14 式中： g2 刚轮齿上渐开线终止圆直径 g2=2a 2 sin 2， r 2 rb 2 rb222（ 14） 2，插削刚轮时的切齿啮合角 a 2 插削刚轮时的切齿中心距 rb2 刚轮基准半径 r ， r 2 插齿刀的顶元和基圆半径由上式得： 2=151.5 2=150 f2=158.5 3.3 齿廓啮合干涉验算根据大量的计算和使用时间证明，齿廓重叠干涉大多都发生在柔轮齿顶与刚轮齿廓啮合之处，因而只需验算柔轮齿顶与刚轮齿廓干涉与否即可。设柔轮齿顶坐标为M1（ x 1， y 1），以 rM=x 12 x 22 为半径作弧与相邻刚轮齿廓相交，即得到对应点 M2（ xM2， yM2）当啮合处在第一相线时，啮合位置不放生干涉的条件为： xM2-x 1 0， y 1-yM2 0 （ 15）其中点 M1， M2的坐标为： x 1 = r1sin (u 1 1) u 1 cosa cos (u 1 1 a ) sin1 rm sin （ 16） y 1 = r1cos (u 1 1)u 1 cosa sin (u 1 1 a ) cos1 rm cos (17) =1 (18) 式中 r1， r2 柔轮和刚轮的分度圆半径（ mm） rm 柔轮变形前的中线圆半径（ mm）原始曲线的极半径进行齿廓啮合干涉验算时，理论上讲，此验算应在全啮合范围内进行。但是根据大量计算可知，对于 1的传动，只需验算 0 ， 5 和 10 三个位置即可；而对于 1的传动，则验算 0 ， 5 和 10 三个位置。若验算发现传动有干涉现象，则需要相应的增大或 x1，或减小 hn，重新计算。经验算，没有干涉现象，啮合参数无需改动。 nts谐波齿轮减速器设计 15 3.4 保证传动正常的条件为保证传动正常工作性能，除保证无啮合干涉的条件以外，还要满足如下条件：（ 1）不产生渡曲线干涉： hn 0 5( g2 g1) (19) （ 2）为保证传动的承载能力，其最大啮入深度不应小于 m 0.5（ 1 2） m (20) （ 3）保证有一定的顶隙 0.5（ 2 1） 0 2m (21) （ 4）齿廓工作段高度不应超过允许的极限值 m（ 0.5z1 x1 h ） 0 5 g1 hn (22) （ 5）齿顶不变尖 s 1 0 25m， s 2 0 25m 式中： s 1， s 2 柔轮和刚轮的齿顶厚。带入数据验算，均满足要求。 nts谐波齿轮减速器设计 16 第四章主要部件结构设计 4.1 柔轮和刚轮谐波齿轮传动的主要构件柔轮、刚轮的结构设计正确与否，严重影响到波发生器的工作性能。如寿命、承载能力、刚度、效率、精度等。因此正确的选择柔轮、刚轮的结构要素是完成谐波齿轮传动设计的重要主城部分。柔轮最常见的的柔轮结构形式是杯形柔轮结构，它可以采用图元或花键与输出轴相连接，或者直接与轴做成整体形式。其次是具有齿啮输出形式的环状柔轮，以及用于外复式传动具有双排齿圈的环行柔轮。此外，还有钟形柔轮以及向密闭空间传递运动的密闭式柔轮结构。杯形柔轮结构简单，联接方便，刚性好，传动精度高。在相同直径的柔轮中，比别的结构形式的柔轮承载能力大。是国内外应用最普遍的结构形式。如下图：图 6 柔轮 Fig 6 Flexible wheel 几何尺寸： d= f1 2s S=（ 0.010.03） 1 当 i150；或者载荷大时，即 T/ 13 0.3MPa时取大值，反之取小值。推荐最佳壁厚系数为 0.0125 1，即 nts谐波齿轮减速器设计 17 S=0.0125 1 s1=（ 0.60.9） s s2 s1 带输出轴的整体式柔轮部分尺寸与普通杯形柔轮相同，适用于小直径的轮。环形柔轮结构简单，加工方便，轴向尺寸较小，但扭转刚度、传动精度，承载能力等于杯形柔轮相比，有所降低。啮合输出柔轮的承载能力约降低 1/3 左右。几何尺寸： L=2(b+c+f)+a 尺寸 c、 b同上，尺寸 f由结构设计确定 a r 2 （ r h） 2 (23) r 滚刀外圆半径 h 柔轮全齿高密封柔轮， A-A 面和底部需进行强度校核，多用于密闭谐波齿轮传动。几何尺寸： s （ 0 01 0 03） 1 常取 s=0.0125 1 s1=(0 7 1)s d= f1 2s D2 1 3 L1或 L2 （ 1 1 25） 1 5 本设计采用杯形柔轮，按几何计算公式求得起集合尺寸为： 1=144 S=0.0125 1=1.8 s1=（ 0.60.9） s=1.2 s2 s1 刚轮常用的刚轮结构主要有环状和带凸缘的两种。环状刚轮的结构简单，加工方便，制造成本低，故通用性广；带凸缘的刚轮可利用凸缘径向定位，因而安装定位比环状刚轮灵活、方便，但加工略较复杂。刚轮齿宽一般比柔轮齿宽大 25mm，刚轮齿圈的厚度应保证有一定的径向刚度。环状刚轮和带凸缘的刚轮结构尺寸的推荐值见下表：(mm) 表 2 环状刚轮的结构尺寸 nts谐波齿轮减速器设计 18 Table 2 Circular drum structure size 机型 BC A A1 G Q Q1 Q2 25 9 40; 16 34 6 3.5 3 : 1 M3 32 10 50; 16 43 6 3.5 3 : 1 M3 40 11 60; 19 51 6 4.5 4 : 12 M4 50 12 70; 29 62 6 4.5 4 : 12 M4 60 14 85; 35 75 6 5.5 5 : 12 M5 80 18 115; 35 100 6 6.5 6 : 12 M6 100 24 135; 4 120 6 9 8 : 15 M8 120 28 170; 4 150 6 11 10 : 15 M10 160 38 220; 46 195 6 13 12 : 18 M12 200 40 270; 52 240 6 18 16 : 18 M16 25 55 330; 5 295 6 21 20 : 2 M18 表 3 带凸缘刚轮的结构尺寸 Table 3 Flanged drum structure size 机型 b c BC A A1 A2 G Q 32,40 8 2 12 50 44 38 6 3.5 50 14 3 20 70 60 54 6 3.5 60 16 3 22 85 75 67 6 4.5 80 20 3 26 110 100 90 6 5.5 100 25 4 33 135 120 110 6 6.5 120 30 4 38 170 150 135 6 9 160 40 5 50 215 195 177 6 11 200 50 6 62 265 240 218 6 11 250 60 6 72 330 290 272 6 14 本设计选择带凸缘的刚轮结构，根据之前计算的刚轮轮齿的几何尺寸，从表 3中选择型号 200的刚轮。 nts谐波齿轮减速器设计 19 图 7 刚轮 Fig 7 Rigid wheel 4.2 波发生器 4.2.1 柔性轴承的结构实践表明，使谐波齿轮减传动的承载能力、工作性能、及寿命收到限制的又一薄弱环节是柔性轴承。谐波齿轮传动工作时，柔性轴承的外环不断反复变形，因此常出现的破换形式是是外环的疲劳断裂。而内环在装配时只是一次变形，故常出现的破坏形式是点蚀。除此之外，保持器设计制造不合理也会产生断裂或运动干涉。因此，正确的设计及确定柔性轴承的结构尺寸，严格保证材料的性能质量（我国制造柔性轴承的材料选用 ZGCr15 军用甲级钢。严格按军用技术条件检验其化学成分和控制碳化物偏析等级）、合理的制造工艺，是保证柔性轴承寿命及其性能的关键。柔性轴承外环与柔轮内孔的配合为 H7h7；柔性轴承的内环的内环与凸轮的配合取 H7j 6。如果柔性轴承装入柔轮内孔过紧，竟会引起远见内应力增加，发热，使轴承效率降低，最后导致破坏。柔性轴承外环的硬度为 5560HRC,内环

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