谐波齿轮传动技术与应用讲解
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谐波齿轮传动技术与应用
郑州机械研究所
ZRIME
主要内容
一、谐波齿轮传动的发展历史 二、谐波齿轮传动的原理及特点 三、谐波齿轮传动的应用 四、国内外产品现状 五、重点研究方向和内容 六、发展趋势及待解决的问题
ZRIME
一、谐波齿轮传动的发展历史
❖ 谐波齿轮传动技术是50年代随航天技术的发展而产 生的一种新的传动技术
ZRIME
四、国内外产品现状
3. 柱状图比较结果
❖ 我国谐波齿轮传动装置尺寸大，承载 能力反而小
❖ 相同外径的产品，国外谐波齿轮传动 装置的体积仅是我国产品的30％左右， 而承载能力（转矩）却是我国产品的 1.39～2倍
ZRIME
四、国内外产品现状
4. 国内外柔轮比较
a 我国生产的杯形柔轮
b 美国HD Systems公司生产 的短筒柔轮
载能力要超过其它传动方式。其传递的功率范围 一般为几瓦至几十千瓦)
ZRIME
优点：
二、谐波齿轮传动的原理及特点
2. 特点
❖ 可以向密封空间传递运动和动力
(可以驱动在高真空、有腐蚀性及其它有害介质空 间工作的机构)
❖ 传动效率高,且在传动比很大的情况下，仍具有 较高的效率
(随速比的不同（u=60～ 250)，效率约在96～65% 左右,其中复波传动效率较低)
55
132
265
495
ZRIME
四、国内外产品现状
2. 柱状图
长度(mm)
转矩(N.m)
120 国外产品
100
国内产品
80
60
40
20
0 70
85 110 135 170
外径（mm）
700
国外产品
600
国内产品
500
400
300
200
100
0 70
85 110 135 170
外径（mm）
国内外谐波齿轮减速器主要参数比较柱状图
超过总量的60％
日本东京大学设计的服务机器人
ZRIME
三、谐波齿轮传动的应用
在其他机器人中的应用
ZRIME
三、谐波齿轮传动的应用
在 空间技术领域的应用
神州号飞船
美国设计的火星探测装置
ZRIME
三、谐波齿轮传动的应用
在武器装备中的应用
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
已经在并将越来越多地在微型飞机、便携式侦察 机器人、微小型水下航行器以及精确打击武器、灵巧 武器和智能武器等新概念微小型武器系统中得到应用。
ZRIME
三、谐波齿轮传动的应用
在武器装备中的应用
空警2000大型预警机
C-802反舰导弹 歼-7
ZRIME
三、谐波齿轮传动的应用
在医疗器械中的应用
在口腔医疗器 械中得到应用
ZRIME
四、国内外产品现状
❖ 国外小模数精密谐波齿轮传动装置多 采用短筒柔轮，其体积小、重量轻、 承载能力高
❖ 我国还是采用杯形柔轮，还没有生产 和应用短筒柔轮谐波齿轮传动装置
日本筒形柔轮的长径比为0.5～0.8，我国为0.7～1.0， 美国已开发并产品化了长径比约为0.5的CSF系列和长 径比约为0.2的CSD系列产品
❖ 等速曲线法 把谐波齿轮传动中一对齿的啮合过程看作是柔轮齿和刚
轮齿分别沿着各自的等速曲线以某一相等的速度运动，刚轮和柔轮的等速 曲线长度之比即为传动比
❖ 幂级数法 把齿廓曲线方程、共轭条件、传动比均用级数形式表示，
❖ 传动回差小，齿侧间隙可以调整,甚至可实现零 侧隙传动
ZRIME
缺点：
二. 谐波齿轮传动的原理及特点
2. 特点
❖ 起动力矩大
❖ 因柔轮周期性变形，工作情况恶劣，从而易于 疲劳损坏
❖ 柔轮和波发生器的制造难度较大，需要专门的 制造设备，给单件生产和维修造成了困难
❖ 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
❖ 在这数十年中，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的研究
❖ 美国、日本等一些工业发达国家，谐波传动技术发 展迅速，目前处于世界领先水平
❖ 我国在60年代开始谐波传动方面的相关研究，已经 取得了一系列的研究成果
ZRIME
二、谐波齿轮传动的原理及特点
1. 传动原理
1-刚轮 2-柔轮 H-波发生器
ZRIME
三、谐波齿轮传动的应用
主要应用领域：
❖ 机器人 ❖ 空间技术 ❖ 雷达通讯 ❖ 医疗器械 ❖ 汽车工业 ❖ 仪器仪表
❖ 现代武器装备 ❖ 常规武器 ❖ 印刷包装机械 ❖ 数控机床 ❖ 精密光学设备
ZRIME
三、谐波齿轮传动的应用
在机器人中的应用
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
三大构件实物图
传动原理简图 （少齿差传动）
ZRIME
优点：
二、谐波齿轮传动的原理及特点
2. 特点
❖ 结构简单，体积小，重量轻 (零件数量约减少50%，体积和重量减少1/3以上)
❖ 传动比大，传动比范围广 (单级传动 50～300，双级传动 3000～60000，复
波可达100～140000)
❖ 承载能力高，传动平稳且精度高，噪音低 (同时啮合的齿数多,材料和速比相同的情况下，承
ZRIME
研究谐波齿轮啮合理论 主要采用的几种方法:
五、重点研究方向和内容
1. 啮合原理及运动学研究
❖ 图解分析法 在确定啮合齿对的一个齿廓后运用中性层曲线的变形关
系，用极坐标仿射或啮合运动几何关系图解法求出另一齿廓
❖ 用包络理论求共轭齿形的解析法 其实质是把柔轮弹性变形转
化为共轭运动的一个组成部分，并用包络理论求解谐波齿轮的共轭齿形
国内外柔轮比较示意图
ZRIME
四、国内外产品现状
5.齿轮精度比较
❖ 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1～2级
❖ 国外谐波齿轮传动装置的运动精度和回 差一般小于3′,我国产品的回差一般都 大于6′
ZRIME
五、重点研究方向和内容
重点研究方向和内容：
❖ 啮合原理及运动学研究 ❖ 齿形研究 ❖ 柔轮变形及应力状态分析 ❖ 结构参数及优化设计 ❖ 制造工艺研究 ❖ 传动精度研究
ZRIME
四、国内外产品现状
1. 国内外谐波齿轮减速器比较
表1 国内外谐波齿轮减速器主要参数比较表
（转速1500r/min，速比100）
外径(mm)
70
85
110
135
170
国外 14
17
22
来自百度文库
27
33
长度 (mm)
我国 50
55
70
95
110
国外 57
110
233
398
686
转矩 (N.m)
我国 33
郑州机械研究所
ZRIME
主要内容
一、谐波齿轮传动的发展历史 二、谐波齿轮传动的原理及特点 三、谐波齿轮传动的应用 四、国内外产品现状 五、重点研究方向和内容 六、发展趋势及待解决的问题
ZRIME
一、谐波齿轮传动的发展历史
❖ 谐波齿轮传动技术是50年代随航天技术的发展而产 生的一种新的传动技术
ZRIME
四、国内外产品现状
3. 柱状图比较结果
❖ 我国谐波齿轮传动装置尺寸大，承载 能力反而小
❖ 相同外径的产品，国外谐波齿轮传动 装置的体积仅是我国产品的30％左右， 而承载能力（转矩）却是我国产品的 1.39～2倍
ZRIME
四、国内外产品现状
4. 国内外柔轮比较
a 我国生产的杯形柔轮
b 美国HD Systems公司生产 的短筒柔轮
载能力要超过其它传动方式。其传递的功率范围 一般为几瓦至几十千瓦)
ZRIME
优点：
二、谐波齿轮传动的原理及特点
2. 特点
❖ 可以向密封空间传递运动和动力
(可以驱动在高真空、有腐蚀性及其它有害介质空 间工作的机构)
❖ 传动效率高,且在传动比很大的情况下，仍具有 较高的效率
(随速比的不同（u=60～ 250)，效率约在96～65% 左右,其中复波传动效率较低)
55
132
265
495
ZRIME
四、国内外产品现状
2. 柱状图
长度(mm)
转矩(N.m)
120 国外产品
100
国内产品
80
60
40
20
0 70
85 110 135 170
外径（mm）
700
国外产品
600
国内产品
500
400
300
200
100
0 70
85 110 135 170
外径（mm）
国内外谐波齿轮减速器主要参数比较柱状图
超过总量的60％
日本东京大学设计的服务机器人
ZRIME
三、谐波齿轮传动的应用
在其他机器人中的应用
ZRIME
三、谐波齿轮传动的应用
在 空间技术领域的应用
神州号飞船
美国设计的火星探测装置
ZRIME
三、谐波齿轮传动的应用
在武器装备中的应用
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
已经在并将越来越多地在微型飞机、便携式侦察 机器人、微小型水下航行器以及精确打击武器、灵巧 武器和智能武器等新概念微小型武器系统中得到应用。
ZRIME
三、谐波齿轮传动的应用
在武器装备中的应用
空警2000大型预警机
C-802反舰导弹 歼-7
ZRIME
三、谐波齿轮传动的应用
在医疗器械中的应用
在口腔医疗器 械中得到应用
ZRIME
四、国内外产品现状
❖ 国外小模数精密谐波齿轮传动装置多 采用短筒柔轮，其体积小、重量轻、 承载能力高
❖ 我国还是采用杯形柔轮，还没有生产 和应用短筒柔轮谐波齿轮传动装置
日本筒形柔轮的长径比为0.5～0.8，我国为0.7～1.0， 美国已开发并产品化了长径比约为0.5的CSF系列和长 径比约为0.2的CSD系列产品
❖ 等速曲线法 把谐波齿轮传动中一对齿的啮合过程看作是柔轮齿和刚
轮齿分别沿着各自的等速曲线以某一相等的速度运动，刚轮和柔轮的等速 曲线长度之比即为传动比
❖ 幂级数法 把齿廓曲线方程、共轭条件、传动比均用级数形式表示，
❖ 传动回差小，齿侧间隙可以调整,甚至可实现零 侧隙传动
ZRIME
缺点：
二. 谐波齿轮传动的原理及特点
2. 特点
❖ 起动力矩大
❖ 因柔轮周期性变形，工作情况恶劣，从而易于 疲劳损坏
❖ 柔轮和波发生器的制造难度较大，需要专门的 制造设备，给单件生产和维修造成了困难
❖ 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
❖ 在这数十年中，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的研究
❖ 美国、日本等一些工业发达国家，谐波传动技术发 展迅速，目前处于世界领先水平
❖ 我国在60年代开始谐波传动方面的相关研究，已经 取得了一系列的研究成果
ZRIME
二、谐波齿轮传动的原理及特点
1. 传动原理
1-刚轮 2-柔轮 H-波发生器
ZRIME
三、谐波齿轮传动的应用
主要应用领域：
❖ 机器人 ❖ 空间技术 ❖ 雷达通讯 ❖ 医疗器械 ❖ 汽车工业 ❖ 仪器仪表
❖ 现代武器装备 ❖ 常规武器 ❖ 印刷包装机械 ❖ 数控机床 ❖ 精密光学设备
ZRIME
三、谐波齿轮传动的应用
在机器人中的应用
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
三大构件实物图
传动原理简图 （少齿差传动）
ZRIME
优点：
二、谐波齿轮传动的原理及特点
2. 特点
❖ 结构简单，体积小，重量轻 (零件数量约减少50%，体积和重量减少1/3以上)
❖ 传动比大，传动比范围广 (单级传动 50～300，双级传动 3000～60000，复
波可达100～140000)
❖ 承载能力高，传动平稳且精度高，噪音低 (同时啮合的齿数多,材料和速比相同的情况下，承
ZRIME
研究谐波齿轮啮合理论 主要采用的几种方法:
五、重点研究方向和内容
1. 啮合原理及运动学研究
❖ 图解分析法 在确定啮合齿对的一个齿廓后运用中性层曲线的变形关
系，用极坐标仿射或啮合运动几何关系图解法求出另一齿廓
❖ 用包络理论求共轭齿形的解析法 其实质是把柔轮弹性变形转
化为共轭运动的一个组成部分，并用包络理论求解谐波齿轮的共轭齿形
国内外柔轮比较示意图
ZRIME
四、国内外产品现状
5.齿轮精度比较
❖ 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1～2级
❖ 国外谐波齿轮传动装置的运动精度和回 差一般小于3′,我国产品的回差一般都 大于6′
ZRIME
五、重点研究方向和内容
重点研究方向和内容：
❖ 啮合原理及运动学研究 ❖ 齿形研究 ❖ 柔轮变形及应力状态分析 ❖ 结构参数及优化设计 ❖ 制造工艺研究 ❖ 传动精度研究
ZRIME
四、国内外产品现状
1. 国内外谐波齿轮减速器比较
表1 国内外谐波齿轮减速器主要参数比较表
（转速1500r/min，速比100）
外径(mm)
70
85
110
135
170
国外 14
17
22
来自百度文库
27
33
长度 (mm)
我国 50
55
70
95
110
国外 57
110
233
398
686
转矩 (N.m)
我国 33