谐波齿轮传动概述

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较坚实的 基础。
2 谐波齿轮传动的特点
2. 1 主要优点 ( 1) 结构简单, 零件少, 体积小, 重量轻。与传动
国外
70
外径/ mm
国内
70
国外
14
长度/ mm
国内
50
国外
57
转矩/ N. m
国内
33
85
110
85
110
17
22
55
70
110
233
55
132
135
170
135
170
27
33
95
110
398
686
265
495
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。
7 范又功. 高精度伺服系统中的谐波齿轮传动. 制造技术与机床, 1994, 2: 19~ 20
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图 1 国内外柔轮比较示意图
5 发展趋势及待研究解决的问题
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。
( 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。 2. 2 主要缺点
( 1) 柔轮周期性变形, 工作情况恶劣, 从而易于疲 劳损坏。
( 2) 柔轮和波发生器的制造难度较大, 需要专门 设备, 给单件生产和维修造成了困难。
( 3) 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。
关键词 谐波齿轮传动 发展趋势
1 谐波齿轮传动的发展历史
谐波齿轮传动技术是上世纪 50 年代随航天技术 的发展而产生的一种新的传动技术。在谐波传动出现 后短短的几十年中, 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传动技术的研究。 如美国就有国家航空航天管理局路易斯研究中心、空 间技术实验室、USM 公司、贝尔航空空间公司、卡曼飞 机公司、本迪克斯航空公司、波音航空公司、肯尼迪空 间中心( KSC) 、麻省理工学院( MIT) 、通用电气( GE) 公 司等几十个大型公司和研究中心从事这方面的研究工 作。前苏联从上世纪 60 年代初期开始, 也大力开展了 这方面的研究工作, 如前苏联机械研究所、莫斯科鲍曼 工业大学、列宁格勒光学精密机械研究所、全苏减速器 研究所、基也夫减速器厂和莫斯科建筑工程学院等单 位都大力开展了谐波传动的研究工作。他们在该领域 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、应用等方面有较大发展。日本长谷川 齿轮株式会社等有关企业, 自 1970 年开始, 从美国引 进 USM 公司的全套技术资料, 成立了谐波传动株式会 社, 目前除能大批生产各种类型的谐波传动装置外, 还 完成了通用谐波传动装置的标准化、系列化工作。值 得注意的是西欧一些国家, 如德国、法国、英国、瑞士、 瑞典及意大利等国, 都开展了谐波传动的研究工作并 推广应用研究成果, 他们不但对谐波传动的基础理论 进行系统的研究, 而且把谐波 传动应用在卫星、机器 人、数控机床等领域。
虽然谐波齿轮传动的 研究已经取得 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
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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。
参考文献
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86 文章编号: 1004- 2539( 2006) 04- 0086- 03
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谐波齿轮传动概述
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( 郑州机械研究所, 河南 郑州 450052) 王长明 阳 培 张立勇
摘要 简要介绍了国内外谐波齿轮传动的发展历史, 介绍了谐波齿轮传动的主要优缺点及其在军 事和民用领域的应用情况; 对比介绍了国内外谐波齿轮传动的发展现状以及我国精密谐波齿轮产品存 在的主要差距。最后介绍了谐波齿轮传动未来的发展趋势及亟待研究解决的问题。
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。到目前为止, 我国
从图 1 可以很直观地看到, 我国杯形柔轮的轴向 尺寸比国外Hale Waihona Puke Baidu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, 运动精度和回差能 够小于 3 , 而我国产品的回差一般都在 6 以上。
4 姜世平, 陈谌闻, 宋延 辉等. 谐波齿轮传动中柔轮载荷分布规律 分析 研究. 燕山大学学报, 2001, 1
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6 张佑林, 李峰, 刘文波等. 活齿端面 谐波齿轮 的传动原 理与传动 比. 武汉理工大学学报, 2004, 6
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 以上。
( 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。
19 阳培, 张立勇, 王长 路等. 谐 波齿轮 传动技 术发展 概述. 机械传 动, 2005, 3: 69~ 72
收稿日期: 20060224 作者简介: 王长明( 1949- ) , 男, 河南襄城县人, 研究员
( 上接第 78 页) 需保证高刚度和有一定的悬伸量。翻 转力矩为夹具和工件自重产生的翻转力矩与切削载荷 产生的翻转力矩之和。
10 孙瑞涛, 辛洪兵, 丁熙 元等. 谐 波齿轮 传动系 统的各 误差 分量及 其 综合. 北京工商大学学报( 自然科学版) , 2002, 1: 49~ 53
11 姜世平, 陈谌闻等. 谐 波齿轮 传动中 柔轮载 荷分 布规律 分析研 究. 燕山大学学报, 2001, 25( 1) : 29~ 32
4 国内外谐波齿轮减速器比较
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 1, 国内外柔轮结 构比较见图 1。
表 1 国内外谐波齿轮减速器主要参数比较表( 转速 1500r/ m, 速比 100)
随着军事装备的现代化, 谐波齿轮传动更加广泛 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。 另外, 精确打击武器和微小型武器是未来军事高科技 的发展趋势之一。先后出现了微型飞机、便携式侦察 机器人、微小型水下航行器、精确打击武器及灵巧武器 和智能武器等新概念微小型武器系统。它们具有尺寸 小、成本低、隐蔽性好、机动灵活等特征, 在未来信息化 战争、城市和狭小地区以及反恐斗争中将占据重要的 位置和发挥不可替代的作 用。为进一步 提高打击精 度, 提高可靠性, 降低成本, 武器系统的关键功能部件 正在向小型化方向发展, 超小体积谐波齿轮传动装置 常用来构成相关部件的传动装置, 以提高武器系统的 打击精确性。
( 4) 谐波齿轮传动的回差较小, 齿侧间隙可以调 整, 甚至可实现零侧隙传动。
( 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。
( 4) 起动力矩大。
第 30 卷 第 4 期
谐波齿轮传动概述
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3 谐波齿轮传动的应用
由于谐波传动具有许多独特的优点, 近几十年来, 谐波齿轮传动技术和传动装置已被广泛应用于空间技 术、雷达通讯、能源、机床、仪器仪表、机器人、汽车、造 船、纺织、冶金、常规武器、精密光学设备、印刷包装机 械以及医疗器械等领域。国内外的应用实践证明, 无 论是作为高灵敏度随动系统的精密谐波传动, 还是作 为传递大转矩的动力谐波传动, 都表现出了良好的性 能; 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, 更 显示了一些其他传动装置难以比拟的优越性。
16 韩健华, 范祖尧. 谐波传动中杯形柔轮的应力分析. 机械传动, 1987, 11( 5) : 6~ 9
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谐波齿轮一般都是小模数齿轮, 谐波齿轮传动装 置一般都具有小体积和超小体积传动装置的特征。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% 。谐波齿轮传动还在化工立 式搅拌机、矿山隧道运输用的井下转辙机、高速灵巧的 修牙机以及精密测试设备的微小位移机构、精密分度 机构、小侧隙传动系统中得到应用。