谐波齿轮减速器工作原理

谐波齿轮减速器工作原理

谐波齿轮减速器是一种由固定的内齿刚轮、柔轮、和使柔轮发生径向变形的波发生器组成，谐波齿轮减速机是齿轮减速机中的一种新型传动结构，它是利用柔性齿轮产生可控制的弹性变形波，引起刚轮与柔轮的齿间相对错齿来传递动力和运动。这种传动与一般的齿轮传递具有本质上的差别，在啮合理论、集合计算和结构设计方面具有特殊性。谐波齿轮减速器具有高精度、高承载力等优点，和普通减速器相比，由于使用的材料要少50%，其体积及重量至少减少1/3。

图1.谐波齿轮减速器

组成与结构

谐波齿轮减速机由刚轮、柔轮、和波发生器三个主要构件组成。其中，波发生器是主动件，刚轮和柔轮之一为从动件。固定刚轮是一个刚性的内齿轮，柔轮是一个容易变形的薄壁圆筒外齿轮，它们一同具有三角形（或渐开线）的齿形，且两者的周节相等，但刚轮比柔轮多几个齿（通常为两齿）。波发生器由一个椭圆盘和一个柔性球轴承组成，或者由一个两端均带有滚子的转臂组成。通常波发生器为原动体，柔轮和刚轮之一为从动体，另一个为固定件。

图2.谐波齿轮减速器的结构组成

工作原理

在未装配前，柔轮及其内孔呈圆形，当波发生器装入柔轮的内孔后，由于波发生器的长度略大于柔轮的内孔直径，柔轮撑成椭圆形，迫使柔轮在椭圆的长轴方向与固定的刚轮完全啮合，在短轴方向完全分离，其余各处的齿视柔轮回转位置的不同，或者处于“啮入”状态，或者处于“啮出”状态。由于刚轮固定，波发生器逆时针转动时，柔轮作顺时针转动。当波发生器连续回转时，柔轮长轴和短轴及“啮入”、“啮出”的位置随之不断变化，柔轮齿由啮入转向啮出，又啮合转向啮出，由啮出转向脱开，如此，啮入、啮合、啮出、脱开、啮入、啮合……往复循环，迫使柔轮连续转动。

柔轮随着波发生器转动过程中，其中一个齿从与刚轮的一个齿啮合到再一次与刚轮上的这个齿相啮合时，柔轮恰好旋转一周，而此时波发生器旋转了很多圈，波发生器的旋转圈数与柔轮旋转圈数（1圈）之比，即为谐波齿轮减速器的减速比，故其减速比很大。在整个运动过程中，柔轮的变形在柔轮圆周的展开图上是连续的简谐波形，因此，这一传动称之为谐波齿轮传动。

谐波齿轮减速器按其机械波数目的多少可分为：单波、双波及三波，其中最常用的是双波传达。在谐波传动中，刚轮与柔轮的齿数差应等于机械波数的整数倍，通常取其等于波数。

图3.谐波齿轮减速器轮齿啮合状态示意图

图4.谐波齿轮减速器工作示意图

优点

1、传动速比大。单级谐波齿轮传动速比范围为70~320，在某些装置中可达到1000，多级传动速比可达30000以上。它不仅可用于减速，也可用于增速的场合。

2、承载能力高。这是因为谐波齿轮传动中同时啮合的齿数多，双波传动同时啮合的齿数可达总齿数的30％以上，而且柔轮采用了高强度材料，齿与齿之间是面接触。

3、传动精度高。这是因为谐波齿轮传动中同时啮合的齿数多，误差平均化，即多齿啮合对误差有相互补偿作用，故传动精度高。在齿轮精度等级相同的情况下，传动误差只有普通圆柱齿轮传动的1/4左右。同时可采用微量改变波发生器的半径来增加柔轮的变形使齿隙很小，甚至能做到无侧隙啮合，故谐波齿轮减速机传动空程小，适用于反向转动。

4、传动效率高、运动平稳。由于柔轮轮齿在传动过程中作均匀的径向移动，因此，即使输入速度很高，轮齿的相对滑移速度仍是极低(故为普通渐开线齿轮传动的百分之—)，所以，轮齿磨损小，效率高(可达69%~96％)。又由于啮入和啮出时，齿轮的两侧都参加工作，因而无冲击现象，运动平稳。

5、结构简单、零件数少、安装方便。仅有三个基本构件，且输入与输出轴同轴线，所以结构简单，安装方便。

6、体积小、重量轻。与一般减速机比较，输出力矩相同时，谐波齿轮减速机的体积可减小2／3，重量可减轻1／2。

7、可向密闭空间传递运动。利用柔轮的柔性特点，轮传动的这一可贵优点是现有其他传动无法比拟的。

缺点

1、柔轮周期性地发生变形，因而产生交变应力，使之易于产生疲劳破坏。

2、转动惯量和起动力矩大，不宜用于小功率的跟踪传动。

3、不能用于传动速比小于35的场合。

4、采用滚子波发生器(自由变形波)的谐波传动，其瞬时传动比不是常数。

5、散热条件差。

应用场合

谐波齿轮减速机在航空、航天、能源、航海、造船、仿生机械、常用军械、机床、仪表、电子设备、矿山冶金、交通运输、起重机械、石油化工机械、纺织机械、农业机械以及医疗器械等方面得到日益广泛的应用，特别是在高动态性能的伺服系统中，采用谐波齿轮传动更显示出其优越性。它传递的功率从几十瓦到几十千瓦，但大功率的谐波齿轮传动多用于短期工作场合。