XB1单级谐波减速器设计【含CAD图纸和说明书】
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第1章 前言改革开放以来，我国机械工业发展迅猛。同时减速器也得到了相应的发展，基本已形成了专业化、系列化生产的局面。五十年代，随着空间科学，航天技术的发展，航天飞行器控制系统的机构和仪表设备对机械传动提出了新的要求，如传动比大，体积小，重量轻，传动精度高，回差小等。对于上述要求，新出现的谐波传动满足了这种要求，他是在薄壳弹性变形的基础上发展起来的一种传动技术。该传动的基本原理由美国联合制鞋公司研究顾问C. Walt Musser (19091998)于1955年提出。1960年，C. Walt Musser在发表于美国机械设计杂志的论文中使用了Harmonic Drive一词，中文翻译为谐波传动或谐波齿轮传动。谐波传动通常由柔轮（Flexible Spline-FS）、刚轮(Circular Spline-CS)和波发生器(Wave Generator-WG)（称为谐波传动三大件）组成，当波发生器顺时针转动时，如果刚轮固定，则柔轮逆时针旋转；如果柔轮固定，则钢轮顺时针旋转。由于柔轮与刚轮齿数相差很少，因此可获得很大的传动比。经过使用证实，谐波传动与一般的齿轮传动相比较，具有运动精度高、传动比大、重量轻、体积小、承载能力大、效率高、容易实现零回差、并能在密闭空间和介质辐射的工况下正常工作等优点。谐波齿轮传动的主要失效形式是柔轮疲劳断裂、柔性轴承损坏、齿面磨损或传动滑移，不过现有的设计规范和工艺可以保证谐波齿轮传动具有额定的工作寿命。 因此，谐波传动一出现即引起了各国的重视，目前在中国、日本、美国、英国、俄罗斯、乌克兰和印度等国都有研究机构在进行此领域的研究工作。1.1 谐波传动的应用目前，谐波传动广泛应用于航空航天、机器人、加工中心、雷达设备、造纸机械、纺织机械、半导体工业晶圆传送装置、印刷包装机械、医疗器械、金属成型机械、仪器仪表、光学制造设备、核设施以及空气动力实验研究等领域。例如：日本本田公司仿生机器人ASIMO的手臂与腿部至少使用了24套谐波传动装置；美国NASA发射的火星机器人每个则使用了19套谐波传动装置；德法英联合研制的空中客车上使用了谐波传动阵列来检测飞机着陆时副翼的位置；安装于夏威夷Mauna Kea山的Subaru望远镜系统采用了264套谐波传动装置，将8.2mm口径主镜镜面精度保持在0.1m；为确保手术系统高精度定位与配合作业，在外科手术系统中应用了各种型号的谐波传动。现在，约有90的谐波传动应用在机器人工业和精密定位系统中，谐波传动已成为现代工业重要的基础部件。1.2 谐波传动的国内发展现状与趋势我国从1961年开始谐波传动方面的研制工作，并且在研究、试制和使用方面取得了较大的成绩。到目前为止，我国有几十家单位从事这方面的研究工作，并先后研制成了多种类型的谐波齿轮传动装置。如传动误差小于9、回差小于4的高精度谐波齿轮传动装置，噪声小于45dB的高灵敏度小型谐波齿轮传动装置，用于水下极光探测仪的谐波传动装置，以及用于导弹发射架和雷达传动系统中的动力谐波传动装置等，为我国谐波传动的研制和开发工作打下了坚实的基础。北京市是中国重要的谐波传动产品生产基地，拥有以北京中技克美谐波传动有限公司、北京谐波传动技术研究所和北京天阶科技工业公司等为代表的谐波传动产品的主要生产单位。国内谐波传动公司的产品已经长期应用于国防工业和多种民用机械产品领域，部分产品已出口国外，并开发成功固体润滑谐波传动和短杯谐波传动产品。2006年，北京工商大学基于椭圆凸轮波发生器，开发成功了具有自主知识产权的谐波齿轮传动双圆弧基本齿廓、谐波齿轮加工刀具以及双圆弧谐波齿轮传动装置。经FEM分析显示，双圆弧齿形有效减小了柔轮齿根应力。对比试验则表明，双圆弧谐波齿轮传动的运动精度和传动刚度明显优于渐开线谐波齿轮传动，特别是在低载荷段，传动刚度增加了40%以上1.3 谐波传动的国外发展现状与趋势 日本的谐波传动技术和产业发展较快。1964年，日本Hasegawa齿轮公司生产了实用化谐波传动减速器；1970年，Hasegawa公司与USM公司在日本东京合资创立了谐波传动系统有限公司（Harmonic Drive System Inc.）。根据合作协议，谐波传动系统公司从Hasegawa公司获得谐波传动机构商业权益。1976年9月，公司资本金降至1亿日元，谐波传动系统公司成为USM公司的全资子公司。1977年，谐波传动系统有限公司开始生产销售驱动器和控制器等工厂自动化设备。1984年12月，为了拓展市场，谐波传动系统有限公司在台湾和韩国设置了销售代理。1987年，其为拓展美国市场，创建了子公司HD System公司，与Mitsui & Co. Ltd 签署了在韩国的产品分销协议。1988年，开始生产具有新开发的IH齿形的谐波传动减速器。1989年，其创建全资子公司，即 “新的”谐波传动系统有限公司，并转移商业权益。以前的谐波传动系统有限公司被Koden电子公司接手。1990年，公司将生产基地从日本Matsumoto转移至位于Nagano的Hotaka工厂，1996年与德国Harmonic Drive Antriebstechnik 公司（现在的Harmonic Drive 公司）签署排他性分销协议，后者负责在欧洲、中东、非洲、印度和拉丁美洲的产品销售，同年12月签署授权与技术支持协。1998年，谐波传动系统有限公司进入日本证券交易协会场外交易市场；1999年，创立了HD物流和Harmonic Precision等子公司。2002年，其获得了Harmonic Drive 公司25%流通股权；2004年12月，进入了Jasdaq证券交易市场；2005年，在美国创建Harmonic Drive L.L.C公司，该公司是HD Systems与Harmonic Drive Technologies Nabtesco的合资公司议。Harmonic Drive AG成立了子公司Micromotion公司，专门负责用直接LIG工艺开发与制造微型谐波齿轮传动及其传动方案，在微型谐波传动领域，于2005年向市场推出了“P”齿形，目前开发出了MHD8和MHD10两个系列的产品，外径最小为8mm，采用行星齿轮传动式波发生器，传动比为160、500和1000，质量最小为2.2g，重复精度可达10弧秒。由于传统工艺能加工齿轮的最小模数为0.6010mm，因此微型谐波齿轮传动元件采用了LIGA工艺制造。LIGA工艺可以获得高深宽比微结构，它于1980年代起源于德国Karlsruhe原子核研究中心，是目前微型机系统（MEMS）加工的重要工艺。子公司Harmonic Drive Polymer公司专门负责用热塑性塑料制造大减速比精密谐波齿轮传动的开发与制造，子公司Ovalo公司则负责大批量的生产与应用，开发或将用户定制的谐波传动产品工业化。Harmonic Drive 公司还分别在英国、法国、意大利、澳大利亚和西班牙创建了另外5个子公司，以加强国际销售和本土化服务。在谐波齿轮传动中采用双圆弧齿廓，可以有效改善柔轮齿根的应力状况和传动啮合质量，提高承载能力、扭转刚度和柔轮疲劳寿命，并可降低最小传动比。日本的IH齿形是基于余弦凸轮波发生器开发的双圆弧齿形，由于采用近似方法设计，应用初期出现了齿廓干涉等问题，但是到1990年代初期已经基本完善。目前，日本谐波传动系统有限公司的谐波产品有十几个类型，二十多个系列，最小传动比为30，型号中带有字母“S”的，其齿形为双圆弧齿形，产品垄断了主要国际市场。其中超短杯型号CSD和SHD，其柔轮长度仅有常规谐波传动柔轮的1/3，既增加传动刚度，又大幅度减轻了谐波减速器重量。此外，在谐波传动轻量化技术方面，采用铝等轻合金材料制造波发生器与减速器壳体等方式，减薄刚轮外缘以及改进连接结构等形式，使整机重量大幅度减轻，在航空航天和机器人领域，其轻量化谐波传动产品系列的应用日益广泛。自2000年开始，日本谐波传动系统有限公司还在中国大陆注册了11项与谐波传动相关的商标，其中，仅2006年就申请注册了10项。在研究投入方面，根据公司（Harmonic Drive System Inc.）2007年财报，减速器销售额为150亿日元，占公司产品的75.7%；公司有研究开发人员55人，占员工比例14.9%；研究开发费用11.85亿日元，占净销售额的6.2%。日本谐波传动系统有限公司通过持续深入的研究开发、规模化经营与资本运作，促进了新产品的开发和升级换代。目前，其谐波传动产品不仅垄断了主要国际市场，并且进入了中国市场。与国外，主要是日本相比，国内谐波传动产业规模偏小且产品种类少，研究开发人员和投入不足，在加强知识产权保护、加快新产品开发、产品升级换代以及经营管理等方面，日本谐波传动系统有限公司的发展可以作为有益的借鉴。第2章 谐波齿轮传动概述2.1谐波齿轮的传动原理谐波齿轮传动是通过柔轮变形所产生的机械谐波来达到传递运动或动力的目的。在谐波传动中，波发生器转一圈，柔轮某一点变形的循环次数叫波数。由于材料所能承受的应力所限，通常采用的只是双波传动和三波传动两种。如图1所示的单级双谐波传动中，刚轮是内齿轮、柔轮是外齿轮、波发生器是椭圆凸轮，即双波发生器。在谐波齿轮传动中，刚轮和柔轮的周节相等，但它们的齿数不相等。当采用双波传动时，它们的齿数差为2，即刚轮和柔轮的周长差2个齿距的弧长；采用三波传动时，齿数差为3。图1 谐波传动工作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，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”。2.2. 谐波齿轮的传动特点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.可实现高增速运动 由于谐波齿轮传动的效率高及机构本身的特点，加之体积小、重量轻的优点，因此是理想的高增速装置。对于手摇发电机、风力发电机等需要高增速的设备有广阔的应用前景。12.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。13.谐波齿轮传动与其它传动性能的具体比较 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：参数单 位减 速 器 类 型行星齿轮人字齿轮蜗杆加螺旋齿轮圆柱齿轮谐波齿轮01传动级数3223102输出力矩N.m39039039039039003传 动 比97.49610098.310004效率%858578938505齿轮数量个13446206轴承数量套17668507节圆线速度M/S7.627.627.627.620.09408齿滑动速度M/S12.712.712.712.70.1209同时啮合齿数%75333010齿面接触应力MPA3453453453454.1211齿的剪应力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Kg11112792.5325252.3谐波齿轮传动的应用由于谐波传动的突出优点,近几十年来,已由空间技术领域被迅速推广到能源、通讯、机床、仪器仪表、机器人、汽车、造船、常规武器、纺织、冶金、印刷机构以及医疗器械等领域。国内外的使用实践证明,无论是作为高灵敏度随动系统的精密谐波传动,还是作为传递大扭矩的动力谐波传动,都获得了满意的效果。此外,谐波传动更主要的优点是它能在高真空的密闭空间正常工作。因而用它作为空间传动装置和用于操纵高温、高压管路以及在有原子辐射或其它有害介质条件下工作的机构,所显示出的优越性,更是现有一些传动装置难以比拟的。谐波传动的应用范围极其广泛,以下主要对谐波齿轮传动在航空航天、原子反应堆和高能加速器、雷达系统、机器人领域、光学仪器以及通用机械领域中的应用进行概述。（1）航空航天领域美国和苏联对谐波传动应用于空间技术进行了最完善的研究。由美国USM等公司共同研制的用于卫星上的新型恒速传动装置中采用了谐波齿轮传动机构,该传动装置制成具有外置波发生器的马达-减速器形式,柔轮具有双钟形形状,它保证了传动装置在具有非常小的轴向尺寸时所要求的径向变形。该传动装置在精密运转情况下的运动精度为12,允许超载3.5倍重力加速度,冲击强度达20倍重力加速度。以上结果是该谐波齿轮传动装置在6000h的实验(其中1100 h是在1.33310-5-1.33310-6Pa的真空中)和最大循环负荷条件下测得的。结果表明:因为多齿对同时啮合,使轮齿具有较小的接触应力,而误差的均化效应则使加工误差对传动精度的影响大大减小,传动装置的动力性能得到改善,同时在真空情况下没有发生轮齿的磨损、咬住和精度降低等现象,该精密谐波齿轮传动装置能够满意地工作。70年代初,由于高性能飞机的设计要求,美国航空航天管理局埃米斯研究中心把谐波传动用于风洞动态稳定装置的各种传动系统中。由于采用了谐波齿轮传动,使风洞的横截面积大幅度减小,动力消耗明显降低,为建立大型风洞提供了新的技术途径。（2）原子反应堆和高能加速器由于谐波传动可以通过密闭的空间传递运动,承载能力大,并能在高温高压下正常工作,因此密闭谐波齿轮传动在原子反应堆和高能加速器中获得了应用。它们可以将反应堆或加速器外部的高速回转运动,转变为内部的慢速直线运动,无需采用隔膜、波纹管和其它类型的密封结构,就能简便可靠地保证有毒、放射性和其它有害介质或高温高压下的液体、气体与外界隔离。（3）雷达系统雷达系统工作时,天线跟踪系统的位置控制依赖于从各种传感器传来的信号来计算位置和速度偏差,并通过伺服机构来执行必要的修正。由于制造误差、装配误差和润滑需要,普通传动装置中存在的回差,将造成控制系统对位置的过度修正甚至可能产生振荡,因此对雷达系统的驱动装置的要求是：体积小、重量轻、减速比大、零回差等,结果使具有这些特点以及较高位置精度和重复精度的谐波传动装置被大量地应用于雷达系统中。美国从60年代起,在地面及航空雷达系统中广泛采用谐波齿轮传动。例如,应用于导弹对地跟踪雷达的天线方位驱动系统中的谐波齿轮传动装置,其传动比为172,波发生器由直流伺服电机驱动,柔轮与从动轴相连,刚轮固定,为使驱动系统保持力平衡,在径向位置安装了两套相同的谐波齿轮传动装置。新结构的传动误差为30,尺寸是原来的三分之一,而重量只有原来的二分之一。目前,用于雷达精密定位系统的谐波传动装置约占其总产量的25%。（4）机器人领域由于谐波齿轮传动的突出优点,目前约占其总产量64%的谐波齿轮传动已广泛应用于机器人领域。如美国送上月球的移动式机器人,全身各关节均采用电机直接驱动谐波减速器的结构,其中1个手臂就用了30个谐波传动装置；又如苏联送入月球的“登月者”移动机器人,它成对安装的8个轮子也是分别采用密闭式谐波齿轮传动来驱动的。90年代,美国研制了一种臂长达15.24 m的机械手(Long-reach Space-based Manipulator),用于从航天飞机货物仓中搬运13 607.76 kg以上的有效负荷,其终端驱动装置采用直流伺服电机驱动的谐波齿轮传动装置,该机械手已计划用于大型空间结构的在轨装配,如自由号空间站和未来的火星运载工具。据美国国家航空航天管理局Goddard空间飞行中心的研究报告,作为NASA在该中心FTS (Flight Telerobotic Servicer)项目的一部分, Goddard空间飞行中心实验开发了称为DTF-1系列的遥控机器手,该机械手约有1.68 m长,各关节执行器都采用了无刷直流电机驱动、传动比为100的谐波传动装置的结构。（5）光学仪器谐波齿轮传动在光学仪器领域也获得了应用。例如国外将塑料制成的谐波齿轮传动用于光学显微镜的影像清晰度调节机构；我国研制的可供各种变焦距镜头控制系统使用的高灵敏度小型谐波马达减速器,不仅体积小、重量轻,而且其噪声可以大幅度地降低。将谐波齿轮传动应用于大型光学仪器的机械传动系统的可能性也已被论证,试验表明,为负载转动惯量为1960 kgm2的俯仰轴研制的大速比谐波齿轮传动,其动态传动误差在9以内,纯间隙在3左右。（6）通用机械当前,谐波齿轮传动在通用机械领域中的应用已经越来越广泛。例如，国外在自动生产线的精密设备中,利用谐波齿轮传动装置来自动改变精密搪磨机搪磨头直径。而在轻工机械、印刷机械、数控机床、起重运输机械中的成功应用及推广,说明谐波齿轮传动在通用机械领域具有相当大的应用潜力。此外,谐波传动还成功地应用于电视机、录音机、军用便携式收发报机的调频装置、电子元器件专用制造设备、医疗器械、电动假肢减速传动机构、太阳能热水器跟踪传动系统、电动窗帘甚至高级电动玩具等许多领域中。 具体应用在航天、航空、航海、舰船、军工、数控机床、加工中心、机器人、机械臂、假肢、纺织机械、化纤机械、化工机械、石油机械、冶金机械、矿山机械、轻工机械、食品机械、印刷喷绘机械、纸箱包装机械、橡塑机械、能源机械、节能设备、农林牧渔机械、医疗设备、通讯设备、电子产品制造设备、雷达设备、卫星地面接收设备、气象设备、真空制造设备、半导体制造设备、玻璃制造设备、晶体制造设备、自动控制设备、建材机械、电动工具、自动焊接设备、电缆制造设备、电动阀门、高级仪器仪表、计量仪器、分析仪器、电工工具、光学制造设备、核设施、高能物理实验研究设备、空气动力实验研究设备等。2.4. 谐波齿轮传动的分类及结构形式在谐波齿轮传动中，当波发生器转一转时，按柔轮某一点变形的循环次数的多少，即按波数来分类。较常见的有双波和三波两种。双谐波齿轮传动的特点是弹性变形时柔轮的表面应力小，易获得大的传动比，结构较简单；三谐波齿轮传动的特点是径向力小，内力较平衡，精度较高，但弹性变形时柔轮的表面应力较大，而且结构较为复杂。谐波齿轮传动按级数来分，可分为单级、双级和复级（复波）三种。单级谐波传动：在谐波传动中，仅有一对齿轮啮合，即仅有一个柔轮和一个刚轮的传动，称之为单级传动。其结构简单，其传动比可达1504000。双级传动：在谐波齿轮传动中，具有两对齿轮的啮合，即有两个柔轮和两个刚轮，而组成两个单级谐波传动的串联，称之为双级传动。通常有轴向双级传动和径向双级传动两种结构形式。其传动比可达2200016000000。 复波传动：在谐波齿轮传动中，若具有公共的波发生器和柔轮，且具有两对齿轮的啮合，则称为复波传动。他的传动特点是：一个波发生器作用于具有两个齿圈的柔轮，使其产生相应的两个谐波互相作用，且合称为一个复波传动。其结构简单、紧凑、精度高传动比可达500250000。第3章 谐波齿轮传动的设计计算已知条件：谐波减速器传动比，柔轮长度，输出转矩，模数，输入转速。3.1.传动结构形式的选择该减速器是电传动减速的谐波齿轮装置。要求其传动比较大结构简单紧凑效率较高承载力较高通用性良好。因此本设计方案所选的结构形式为刚轮固定波发生器主动和柔轮从动比较合适。采用单级双波（u=2）双偏心圆弧凸轮式波发生器和筒形带底销轴连接式柔轮结构。为了便于采用标准刀具来加工柔轮和刚轮，特选取压力角的渐开线齿廓。 3.2.几何参数的计算齿数的确定柔轮齿数：刚轮齿数： 已知模数：，则柔轮分度圆直径：钢轮分度圆直径：柔轮齿圈处的厚度：重载时，为了增大柔轮的刚性， 允许将1计算值增加20%，即柔轮筒体壁厚： 为了提高柔轮的刚度，取 轮齿宽度：轮毂凸缘长度：取柔轮筒体长度：轮齿过渡圆角半径：为了减少应力集中，以提高柔轮抗疲劳能力，取3.3.啮合参数的计算由于采用压力角的渐开线齿廓，传动的啮合参数可按考虑到构件柔度的计算公式，即按如下公式进行计算。考虑到轮齿扭矩，使轮齿间隙减小的值为： （扭转弹性模数G=80GPa）其中： W0m=0.89810-5Zr2Cnmaxm为了消除在的情况下进入啮合的齿顶干涉，则必须使最大侧隙大于由于齿轮扭转减小的侧隙后，还应保证存在有侧隙值。 其中： 径向变形系数：则： 径向变形系数：柔轮的变位系数： 刚轮的变位系数： 验算相对啮入深度： 如果计算得到的，为了继续进行计算，可取2。如果出现，为了传递动力，应适当增加值重新计算，使。柔轮齿根圆直径： 其中（齿顶高系数，径向间隙系数）柔轮齿顶圆直径： 其中（查表得）相对啮入深度和轮齿过渡曲线深度系数之和应符合两个不等式验算公式。即：刚轮齿顶圆直径： 刚轮齿根圆直径： 选取插齿刀齿数，插齿刀变位系数（中等磨损程度的插齿刀），插齿刀原始齿形压力角，则 刚轮和插齿刀的制造啮合角：查渐开线函数表和三角函数表得则刚轮和插齿刀的制造中心距：插齿刀的齿顶圆直径：刚轮齿根圆直径：验算刚轮齿根圆和柔轮齿顶圆的径向间隙：即：可见沿波发生器长轴,在刚轮齿根圆与柔轮齿顶圆之间存在径向间隙。 3.4 凸轮波发生器及其薄壁轴承的计算滚珠直径： 柔轮齿圈处的内径：则：轴承外环厚度：由于工艺上的要求，可将外环做成无滚道的轴承内环厚度： 内环滚道深度：式中的是考虑到外环无滚道而内环滚道加深量。 轴承内外环宽度：所用为滚珠轴承，近似等于齿宽 轴承外环外径： 轴承内环内径：为了便于制造，采用双偏心凸轮波发生器。则凸轮圆弧半径：其中是偏心距：（刚轮分度圆直径，柔轮分度圆直径）则凸轮圆弧半径： 凸轮长半轴：凸轮短半轴：3.5材料的选择和柔轮的加工工艺 根据谐波齿轮传动的工作原理可知，柔轮是谐波传动中的关键零件，它的材料选择及其加工工艺都直接影响到传动的可靠性和寿命。由于柔轮是在经受反复弹性变形的状态下工作的，为了使它在工作过程中不产生塑性变形和破坏，故要选用高强度和耐疲劳性能较好且含杂质很少的合金结构钢来制作柔轮。尤其是在传动比较小的情况下，对柔轮的材料要求更高。本设计中，柔轮材料选用，调制硬度HB229269。刚轮的材料选用45，硬度HRC2832。薄壁轴承材料选用45，硬度HB179207。波发生器的材料选用45钢，硬度HB197241。由于柔轮是一个薄壁圆筒弹性体，故对它提出的加工工艺性要求较高。对刚轮加工工艺性要求较低，按一般加工内齿的要求即可。柔轮和刚轮在加工时应注意以下几点：（1）毛坯需经锻压加工，锻压后经退火处理。这是为了改善材料的纤维方向，提高材料的机械性能。（2）金相检验。（3）柔轮在精车前必须退火，并在精车及切齿后均应进行探伤检查。（4）调质热处理。（5）粗车时端面应加压，以减少残余应力、变形和椭圆偏差。（6）加工齿时，为了减少变形，对于筒形带低式的柔轮，应采用芯轴定位、端面夹紧。（7）精加工前可进行表面滚压或喷丸强化处理。（8）切齿后淬火，淬火硬度一般在HRC3848为宜。（9）齿的跑和处理。为了提高齿的光洁度，提高承载能力和传动效率。3.6 承载能力的计算3.6.1柔轮齿面的接触强度计算根据谐波传动传动比大的特点，其柔轮和刚轮的齿数较多，齿形很接近于直线。故实际谐波齿轮传动的载荷能力主要应由柔轮齿侧工作表面的最大接触应力所限制。因此，谐波齿轮传动的柔轮齿侧面应满足如下接触强度条件：接触强度计算公式： 输出转矩柔轮节圆半径柔轮轮齿宽刚轮压力角接触系数（0.40.9）对于一般双波传动，轮齿宽许用接触应力 则： 所以满足齿面的接触强度要求。3.6.2柔轮疲劳强度的计算 谐波齿轮传动中轮齿的工作特点是：齿面的摩擦滑移接触和柔轮承受着反复的交变载荷。为了使柔轮在循环的弹性变形下能正常工作，除满足耐磨条件外，还必须进行柔轮的疲劳强度计算。柔轮材料采用 调制硬度229269。计算柔轮在反复弹性变形状态下工作时所产生的交变应力幅和平均应力为截面处正应力：切应力：由扭矩产生的剪切应力：其中： 则：验算安全系数：疲劳极限应力：应力安全系数：其中，抗拉屈服极限： 剪切应力集中系数：则满足疲劳强度条件。3.7 传动效率的计算对于单级谐波齿轮传动，传动效率一般较高。因为其传动的内力平衡，齿轮精度高，润滑条件较好。谐波齿轮传动中的损失主要有：齿轮的啮合损失，轴承的摩擦损失和润滑油的液力损失。在啮合损失中主要的影响因素是齿面间的相对摩擦损失和波发生器与柔轮内壁的相对摩擦损失。传动效率的近似计算公式为： 输出扭矩 输入扭矩 传动比 压力角 谐波波数 柔轮波高 柔轮分度圆半径 齿面间的滑动摩擦系数（0.010.1） 滚轮的滚动摩擦系数（0.0010.005）柔轮波高: 第4章 谐波齿轮减速器的结构设计4.1 谐波减速器的结构尺寸谐波减速器主要尺寸 /mm谐波减速器组件外形图：4.2 轴承的选用轴承代号内径（mm）d外径（mm）D宽度（mm）B600215329600420421260094575164.3 谐波减速器的润滑与密封 此谐波减速器采用脂润滑，因为脂润滑不易流失，便于密封和维护，且一次充填润滑脂可运转较长时间。密封采用接触式密封，输入轴密封件选用毡圈油封，输出轴密封件选用旋转轴唇形密封圈。总结在此设计中，通过对谐波减速器的调查，以及对它的类型，结构，工作原理的学习及研究，运用所学专业知识，对谐波减速器进行设计、校核、绘图，做到安全可靠的设计结果，采用了在大学期间学习的有关机械设计的理论，应用在这个设计中，做到事事有依据，拿理论说话。并且通过CAD的绘图，更加熟练的掌握CAD制图的方法。在收集和自己预定的某些参数后，通过推倒运算得到一个合适的结果，并在进行校核，最终完成谐波减速器的设计。 致谢本论文的选题、研究内容、研究方法及论文的形成是在老师支持、鼓励和悉心指导下完成的。在论文完成的过程中倾注了导师大量的心血，在论文完成之际，特向我尊敬的导师表示衷心的感谢。在我论文完成过程中，老师在百忙之中抽出时间给予了我很多指导和帮助，在此我特向老师表示衷心的感谢。此外，我还得到了其他同学的支持与帮助，在此也要向他们致以诚挚的谢意，在此同时也向在此
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