五十年代中期,由于空间技术的发展,航天飞行器控制系统的机构和仪表对机械传动提出了新的要求。例如,要 求传动比大、体积小、重量轻;传动精度高;回差小,甚至要求达到零回差;在某些场合下,要求通过密封传递运动和 具有高真空状态下工作的能力,等等.对于上述这些要求,现有的一般传动装置已经不能满足,“谐波传动”技术则是 一项新的突破。 “北京谐波传动技术研究所”是我国专门从事谐波传动技术研究的专业化所。十年来,该所先后研制成功 了机器人用“高精度谐波传动减速器R系列”产品、“单级谐波齿轮减速器XB系列”产品。 谐波齿轮传动的工作原理 所谓谐波齿轮传动是一种靠中间挠性构件弹性变形来实现运动或动力传递的装置的总称。由于中间挠性构件的 变形过程基本上是一个对称的谐波,故而得名。谐波齿轮传动由三个基本构件组成: l)谐波发生器(简称波发生器)是由凸轮(通常为椭圆形)及薄壁轴承组成,随着凸轮转动,薄壁轴承的外环作椭圆 形变形运动(弹性范围内)。 2)刚轮是刚性的内齿轮。 3)柔轮是薄壳形元件,具有弹性的外齿轮。 以上三个构件可以任意固定一个,成为减速传动及增速传动,或者波发生器,刚轮主动,柔轮从动,成为差动机构 (即转动的代数合成)。 谐波传动工作过程如下图:

当波发生器为主动时,凸轮在柔轮内转动,就迫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 在变形的过程中进人(啮合)或退出(啮出)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(见图). 波发生器通常成椭圆形的凸轮,将凸轮装人薄壁轴承内,再将它们装人柔轮内。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齿与之相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相啮合。 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,有的逐渐进人刚轮齿间,处于半啮合状态,称之为啮人; 有的逐渐退出刚轮齿间,处于半脱开状态,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,就使柔轮齿的啮人一啮合 一啮出一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 为减速机就可将输人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人状态而成啮 合状态,而原来脱开状态就成为啮人状态。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,这时柔轮相对刚轮转过1/2齿;当波发生器相对柔轮转过半周 时,则刚轮位移一个齿距。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机愉出轴的转动,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地改变位置,这时在柔轮的节圆的任一点,随着波发生器角位移的 过程,形成一个上下左右对称的和谐波,故称之为“谐波’。

目前各国的谐波齿轮传动装置及减速机,多数为双波内发生器形式,因此刚轮的齿数比柔轮的齿数多两个,即 Zg=Zr 2或者Zr=Zg一2,因此,减速器的速比为:

l)当刚轮固定,波发生器主动,柔轮围出时:速比λ1=Zr/2,输人输出相反转动。

2)当柔轮固定,波发生器主动,刚轮输出时:速比λ2=Zg/2=(Zr 2)/2=λ1 1,输出转动方向同发生器一致。

3)当波发生器固定,柔轮主动,刚轮输出时:速比λ3=Zg/Zr,λ3=1.0166~1.004左右。

4)当波发生器固定,刚轮主动,柔轮摘出时:速比λ4=Zr/Zg,λ4=0.9836~0.9960左右。 后两种情况可视为速比近似为l,即齿啮联轴节工作状况。 谐波齿轮传动的特点 1.结构简单,体积小,重量轻。 谐波齿轮传动的主要构件有波发生器、柔轮、刚轮。它与传动比相当的普通齿轮减速比较,其零件减少50%,体 积和重量均减少1/3左右以上。

2.传动比范围大. 单级谐波减速器传动速比可在50~30之间,优选在75~250之间;双级谐波减速器传动速比可在5000~6000左右;复 波谐波减速器传动速比可达100000左右是不困难的。

3.同时啮合齿数多。 双波谐波齿轮传动在受力后,同时啮合的齿数可达30%以上。而在普通齿轮传动中,同时啮合的齿数只有2~7%,对 于直齿圆柱渐开线齿轮同时啮合的齿数只有l~2对。正是由于同时啮合齿数多这一独特的优点,使之谐波传动的精度 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,噪音小. 齿的啮人、啮出是随着柔轮的变形,逐渐进人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。 谐波传动在啮合过程中,柔轮齿和刚轮齿之间间隙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目少,而且啮合齿面的速度低,因此效率很高,随速比的不 同以(λ=60~250),效率约在65~96%(谐波复波传动效率低),齿面的磨损很小.

9.同轴性好。 谐波齿轮减速器的高速和低速轴同处一轴线上。

10.可实现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.可以实现高增速传动。 由于谐波齿轮传动的效率高及机构自身的特点,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,从而方便地实现快慢速工作状况.这一点对许多机床走刀机构都很有实用价值,只 要经过适当设计可改变机床结构性能。

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,五种普通减速器与谐波齿轮传动减速器的性能比较 为: