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諧波齒輪傳動 — 一種新型的機(jī)械傳動 諧波傳動技術(shù)自國外六十年代開始發(fā)展以來，美國、日本、俄國等國發(fā)展迅速并在高科技領(lǐng)域廣闊應(yīng)用。國內(nèi)除在航天、航空、航海、常規(guī)軍械等軍事領(lǐng)域應(yīng)用外，在民用領(lǐng)域尚處起步階段，諧波傳動作為一種新型傳動，在機(jī)床、儀表、電子設(shè)備、礦山冶金、交通運(yùn)輸、起重機(jī)械、石油化工機(jī)械、紡織、農(nóng)業(yè)機(jī)械以及醫(yī)療器械等領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V闊的應(yīng)用前景，國際市場需求量較大。諧波齒輪出現(xiàn)以前，最早，齒輪是采用直齒，這樣嚙合的齒數(shù)只有1-2對，承載力就相對低一些。隨后，發(fā)展了曲齒，或者叫螺旋齒輪，就是輪齒是彎的，這樣同時嚙合齒數(shù)增多了，承載力也加大，當(dāng)然付出的代價就是設(shè)計和加工難度增加。諧波齒輪傳動是通過機(jī)械波 ( 或動力潑 ) 使材料產(chǎn)生彈性來達(dá)到傳動要求的一種新的傳動方式，它具有其它傳動難以達(dá)到的優(yōu)點：如傳動比大且范圍寬；同時參與嘀合的齒數(shù)多，承載能力大；結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕；傳動精度高；傳動平穩(wěn)，無沖擊，傳動效率較高等特點，對于節(jié)約原材料、減少電力消耗、縮短在制造加工周期、提高使用效益和奇化機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)等方面，具有很大的實用意義。諧波齒輪傳動具有良好的阻尼特性以及可實現(xiàn)無間隙傳動的特點,其扭轉(zhuǎn)剛度呈現(xiàn)"磁滯"特性,傳動誤差具有明顯的拍頻現(xiàn)象。近些年來，應(yīng)用諧波傳動的場合如機(jī)器人等需要精密定位領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，對諧波齒輪傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性需要更為詳細(xì)的研究和描述。本文簡單介紹了諧波齒輪傳動的結(jié)構(gòu)組成、原理、特點及發(fā)展前景。 一 諧波齒輪傳動的組成 諧波齒輪傳動由三個基本構(gòu)件組成（見圖1）： 諧波發(fā)生器（簡稱波發(fā)生器）……是凸輪（通常為橢圓形）及薄壁軸承組成，隨著凸輪轉(zhuǎn)動，薄壁軸承的外環(huán)作橢圓形變形運(yùn)動（彈性范圍內(nèi)）。 剛輪……是剛性的內(nèi)齒輪。 柔輪……是薄殼形元件，具有彈性的外齒輪。 圖1諧波齒輪傳動的組成 二 波齒輪傳動的原理 諧波齒輪傳動的三個構(gòu)件可以任意固定一個，成為減速傳動及增速傳動，或者發(fā)生器、剛輪主動，柔輪從動，成為差動機(jī)構(gòu)（即轉(zhuǎn)動的代數(shù)合成）。諧波傳動工作過程如下圖2 圖2諧波齒輪傳動的工作原理 當(dāng)波發(fā)生器為主動時，凸輪在柔輪內(nèi)轉(zhuǎn)動，就近使柔輪及薄壁軸承發(fā)生變形（可控的彈性變形），這時柔輪的齒就在變形的過程中進(jìn)入（嚙合）或退出（嚙離）剛輪的齒間，在波發(fā)生器的長軸處處于完全嚙合，而短軸方向的齒就處在完全的脫開。 波發(fā)生器通常成橢圓形的凸輪，將凸輪裝入薄壁軸承內(nèi)，再將它們裝入柔輪內(nèi)。此時柔輪由原來的圓形而變成橢圓形，橢圓長軸兩端的柔輪與之配合的剛輪齒則處于完全嚙合狀態(tài)，即柔輪的外齒與剛輪的內(nèi)齒沿齒高嚙合。這是嚙合區(qū)，一般有30%左右的齒處在嚙合狀態(tài)；橢圓短軸兩端的柔輪齒與剛輪齒處于完全脫開狀態(tài)，簡稱脫開；在波發(fā)生器長軸和短軸之間的柔輪齒，沿柔輪周長的不同區(qū)段內(nèi)，有的逐漸退出剛輪齒間，處在半脫開狀態(tài)，稱之為嚙出。 波發(fā)生器在柔輪內(nèi)轉(zhuǎn)動時，迫使柔輪產(chǎn)生連續(xù)的彈性變形，此時波發(fā)生器的連續(xù)轉(zhuǎn)動，就使柔輪齒的嚙入—嚙合—嚙出—脫開這四種狀態(tài)循環(huán)往復(fù)不斷地改變各自原來的嚙合狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱之錯齒運(yùn)動，正是這一錯齒運(yùn)動，作為減速器就可將輸入的高速轉(zhuǎn)動變?yōu)檩敵龅牡退俎D(zhuǎn)動。 對于雙波發(fā)生器的諧波齒輪傳動，當(dāng)波發(fā)生器順時針轉(zhuǎn)動1/8周時，柔輪齒與剛輪齒就由原來的嚙入狀態(tài)而成嚙合狀態(tài)，而原來脫開狀態(tài)就成為嚙入狀態(tài)。同樣道理，嚙出變?yōu)槊撻_，嚙合變?yōu)閲С?，這樣柔輪相對剛輪轉(zhuǎn)動（角位移）了1/4齒；同理，波發(fā)生器再轉(zhuǎn)動1/8周時，重復(fù)上述過程，這時柔輪位移一個齒距。依此類推，波發(fā)生器相對剛輪轉(zhuǎn)動一周時，柔輪相對剛輪的位移為兩個齒距。 柔輪齒和剛輪齒在節(jié)圓處嚙合過程就如同兩個純滾動（無滑動）的圓環(huán)一樣，兩者在任何瞬間，在節(jié)圓上轉(zhuǎn)過的弧長必須相等。由于柔輪比剛輪在節(jié)圓周長上少了兩個齒距，所以柔輪在嚙合過程中，就必須相對剛輪轉(zhuǎn)過兩個齒距的角位移，這個角位移正是減速器輸出軸的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)了減速的目的。 波發(fā)生器的連續(xù)轉(zhuǎn)動，迫使柔輪上的一點不斷的改變位置，這時在柔輪的節(jié)圓的任一點，隨著波發(fā)生器角位移的過程，形成一個上下左右相對稱的和諧波，故稱之為：“諧波”。 三 波齒輪傳動的特點 1結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕。 諧波齒輪傳動的主要構(gòu)件只有三個：波發(fā)生器、柔輪、剛輪。它與傳動比相當(dāng)?shù)钠胀p速器比較，其零件減少50%，體積和重量均減少1/3左右或更多。 2傳動比范圍大 單級諧波減速器傳動比可在50—300之間，優(yōu)選在75—250之間； 雙級諧波減速器傳動比可在3000—60000之間； 復(fù)波諧波減速器傳動比可在200—140000之間。 3同時嚙合的齒數(shù)多。 雙波諧波減速器同時嚙合的齒數(shù)可達(dá)30%，甚至更多些。而在普通齒輪傳動中，同時嚙合的齒數(shù)只有2—7%，對于直齒圓柱漸開線齒輪同時嚙合的齒數(shù)只有1—2對。正是由于同時嚙合齒數(shù)多這一獨特的優(yōu)點，使諧波傳動的精度高，齒的承載能力大，進(jìn)而實現(xiàn)大速比、小體積。 4承載能力大。 諧波齒輪傳動同時嚙合齒數(shù)多，即承受載荷的齒數(shù)多，在材料和速比相同的情況下，受載能力要大大超過其它傳動。其傳遞的功率范圍可為幾瓦至幾十千瓦。 5運(yùn)動精度高。 由于多齒嚙合，一般情況下，諧波齒輪與相同精度的普通齒輪相比，其運(yùn)動精度能提高四倍左右。 6運(yùn)動平穩(wěn)，無沖擊，噪聲小。 齒的嚙入、嚙出是隨著柔輪的變形，逐漸進(jìn)入和逐漸退出剛輪齒間的，嚙合過程中齒面接觸，滑移速度小，且無突然變化。 7齒側(cè)間隙可以調(diào)整。 諧波齒輪傳動在嚙合中，柔輪和剛輪齒之間主要取決于波發(fā)生器外形的最大尺寸，及兩齒輪的齒形尺寸，因此可以使傳動的回差很小，某些情況甚至可以是零側(cè)間隙。 8傳動效率高。 與相同速比的其它傳動相比，諧波傳動由于運(yùn)動部件數(shù)量少，而且嚙合齒面的速度很低，因此效率很高，隨速比的不同（u=60-250)，效率約在65—96%左右（諧波復(fù)波傳動效率較低），齒面的磨損很小。 9同軸性好。 諧波齒輪減速器的高速軸、低速軸位于同一軸線上。 10可實現(xiàn)向密閉空間傳遞運(yùn)動及動力。 用密封柔輪諧波傳動減速裝置，可以驅(qū)動工作在高真空、有腐蝕性及其它有害介質(zhì)空間的機(jī)構(gòu)，諧波傳動這一獨特優(yōu)點是其它傳動機(jī)構(gòu)難于達(dá)到的。 11可實現(xiàn)高增速運(yùn)動。 由于諧波齒輪傳動的效率高及機(jī)構(gòu)本身的特點，加之體積小、重量輕的優(yōu)點，因此是理想的高增速裝置。對于手搖發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等需要高增速的設(shè)備有廣闊的應(yīng)用前景。 12方便的實現(xiàn)差速傳動。 由于諧波齒輪傳動的三個基本構(gòu)件中，可以任意兩個主動，第三個從動，那么如果讓波發(fā)生器、剛輪主動，柔輪從動，就可以構(gòu)成一個差動傳動機(jī)構(gòu)，從而方便的實現(xiàn)快慢速工作狀況。這一點對許多機(jī)床的走刀機(jī)構(gòu)很有實用價值，經(jīng)適當(dāng)設(shè)計，可以大大改變機(jī)床走刀部分的結(jié)構(gòu)性能。 13諧波齒輪傳動與其它傳動性能的具體比較。 當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速1500轉(zhuǎn)/分鐘，傳動比和輸出力矩相同的情況下，四種普通減速器與諧波齒輪傳動減速器的性能比較為： 參 數(shù) 單 位 減 速 器 類 型 行星齒輪 人字齒輪 蝸桿加螺旋齒輪 圓柱齒輪 諧波齒輪 01 傳動級數(shù) 3 2 2 3 1 02 輸出力矩 N.m 390 390 390 390 390 03 傳 動 比 97.4 96 100 98.3 100 04 效 率 % 85 85 78 93 85 05 齒輪數(shù)量 個 13 4 4 6 2 06 軸承數(shù)量 套 17 6 6 8 5 07 節(jié)圓線速度 M/S 7.62 7.62 7.62 7.62 0.094 08 齒滑動速度 M/S 12.7 12.7 12.7 12.7 0.12 09 同時嚙合齒數(shù) % 7 5 3 3 30 10 齒面接觸應(yīng)力 MPA 345 345 345 345 4.12 11 齒的剪應(yīng)力 MPA 172 172 172 172 2.06 12 安全系數(shù) 3 3 2 5 36 13 齒面接觸狀態(tài) 線 線 線 線 面 14 運(yùn)動平穩(wěn)性 中 好 好 中 好 15 力的平衡 好 好 不好 好 好 16 外形尺寸高 CM 33.1 35.6 40.6 58.8 18.5 17 外形尺寸長 CM 38.1 50.8 43.2 91 16 諧波傳動技術(shù)是我國六十年代引進(jìn)的高新技術(shù)，但只應(yīng)用于國防和航空天工業(yè)上，直到八十年代末期才逐步應(yīng)用于民用工業(yè)。我國是繼美國、日本、俄國之后第四個擁有多種諧波傳動產(chǎn)品的家。據(jù)悉，日本年產(chǎn)諧波傳動產(chǎn)品在35萬臺左右，而我國目前年產(chǎn)權(quán)萬臺左右。根據(jù)有關(guān)資料介紹，現(xiàn)全國生產(chǎn)諧波齒輪減速器的廠家有七家，科研和公司各一家。我國已將諧波傳動這一高技術(shù)產(chǎn)品列為九十年代的機(jī)械工業(yè)重點推廣項目之一，國家科學(xué)技術(shù)部決定將“高精度諧波傳動減速器系列產(chǎn)品”列為國家級科技成果重點推廣計劃項目。我國“九五”期間諧波傳動技術(shù)將有一個較大較快的發(fā)展，在國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域的機(jī)械傳動中將得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)今世界，知識、經(jīng)濟(jì)全球化的趨勢加快，以美國為首的先進(jìn)工業(yè)國正在進(jìn)行行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，勞動密集型產(chǎn)品、高能耗產(chǎn)品、普通制造業(yè)正在向發(fā)展中國家轉(zhuǎn)移，國際采購是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然趨勢。第二次世界大戰(zhàn)后，以自動化、計算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和信息技術(shù)作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)。八十年代初，齒輪制造柔性單元的出現(xiàn)推動了齒輪先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，這主要表現(xiàn)在： · 計算機(jī)輔助設(shè)計與制造技術(shù)，如CAE、CAD、CAM、CAPP、CNC柔性制造、FMC機(jī)器人的應(yīng)用 · 自動材料配送系統(tǒng)AMV · 柔性裝配系統(tǒng)FAS · 快速原型制造技術(shù)PRM · 精益制造理論 · 計算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS在汽車齒輪制造方面的應(yīng)用 齒輪傳動既是各種機(jī)械成套裝備中的傳動系模塊，又是由機(jī)、電元件組裝成的變速傳動產(chǎn)品。鑒于齒輪產(chǎn)品具技術(shù)密集兼勞動密集的特點，在經(jīng)濟(jì)全球化步伐加速下，中國的齒輪行業(yè)必將成為齒輪產(chǎn)品國際采購的重要基地。 [十五]期間是齒輪行業(yè)的調(diào)整與發(fā)展的關(guān)鍵時期，中國齒輪業(yè)的發(fā)展與齒輪產(chǎn)品出口前景將更加美好。 |
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