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,,,諧波齒輪傳動技術與應用,,鄭州機械研究所,,主要內(nèi)容,一、諧波齒輪傳動的發(fā)展歷史 二、諧波齒輪傳動的原理及特點 三、諧波齒輪傳動的應用 四、國內(nèi)外產(chǎn)品現(xiàn)狀 五、重點研究方向和內(nèi)容 六、發(fā)展趨勢及待解決的問題,ZRIME,,一、諧波齒輪傳動的發(fā)展歷史,諧波齒輪傳動技術是50年代隨航天技術的發(fā)展而產(chǎn)生的一種新的傳動技術 在這數(shù)十年中，世界各工業(yè)比較發(fā)達的國家都集中了一批研究力量致力于這類新型傳動的研究 美國、日本等一些工業(yè)發(fā)達國家，諧波傳動技術發(fā)展迅速，目前處于世界領先水平 我國在60年代開始諧波傳動方面的相關研究，已經(jīng)取得了一系列的研究成果,ZRIME,,三大構(gòu)件實物圖,傳動原理簡圖 （少齒差傳動）,二、諧波齒輪傳動的原理及特點,1-剛輪 2-柔輪 H-波發(fā)生器,1. 傳動原理,ZRIME,,二、諧波齒輪傳動的原理及特點,2. 特點,結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕,(零件數(shù)量約減少50%，體積和重量減少1/3以上),傳動比大，傳動比范圍廣,(單級傳動 50～300，雙級傳動 3000～60000，復波可達100～140000),承載能力高，傳動平穩(wěn)且精度高，噪音低,(同時嚙合的齒數(shù)多,材料和速比相同的情況下，承載能力要超過其它傳動方式。其傳遞的功率范圍一般為幾瓦至幾十千瓦),ZRIME,優(yōu)點：,,二、諧波齒輪傳動的原理及特點,可以向密封空間傳遞運動和動力,(可以驅(qū)動在高真空、有腐蝕性及其它有害介質(zhì)空間工作的機構(gòu)),傳動效率高,且在傳動比很大的情況下，仍具有 較高的效率,(隨速比的不同（u=60～ 250)，效率約在96～65%左右,其中復波傳動效率較低),傳動回差小，齒側(cè)間隙可以調(diào)整,甚至可實現(xiàn)零側(cè)隙傳動,2. 特點,ZRIME,優(yōu)點：,,二. 諧波齒輪傳動的原理及特點,因柔輪周期性變形，工作情況惡劣，從而易于疲勞損壞,柔輪和波發(fā)生器的制造難度較大，需要專門的制造設備，給單件生產(chǎn)和維修造成了困難,傳動比的下限值高，齒數(shù)不能太少，當波發(fā)生器為主動時，傳動比一般不能小于35,2. 特點,起動力矩大,ZRIME,缺點：,,三、諧波齒輪傳動的應用,機器人 空間技術 雷達通訊 醫(yī)療器械 汽車工業(yè) 儀器儀表,現(xiàn)代武器裝備 常規(guī)武器 印刷包裝機械 數(shù)控機床 精密光學設備,ZRIME,主要應用領域：,,三、諧波齒輪傳動的應用,在機器人中的應用,日本東京大學設計的服務機器人,諧波齒輪傳動在機器人領域的應用最多，在該領域的應用數(shù)量超過總量的60％,ZRIME,,三、諧波齒輪傳動的應用,在其他機器人中的應用,ZRIME,,三、諧波齒輪傳動的應用,在 空間技術領域的應用,神州號飛船,美國設計的火星探測裝置,ZRIME,,三、諧波齒輪傳動的應用,在武器裝備中的應用,,廣泛地應用于航空、航天、船舶潛艇、宇宙飛船、導彈導引頭、導航控制、光電火控系統(tǒng)、單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)等軍事裝備中，如在戰(zhàn)機的舵機和慣導系統(tǒng)中，在衛(wèi)星和航天飛船的天線和太陽能帆板展開驅(qū)動機構(gòu)中都得到應用 已經(jīng)在并將越來越多地在微型飛機、便攜式偵察機器人、微小型水下航行器以及精確打擊武器、靈巧武器和智能武器等新概念微小型武器系統(tǒng)中得到應用。,ZRIME,,三、諧波齒輪傳動的應用,在武器裝備中的應用,,空警2000大型預警機,C-802反艦導彈,殲-7,ZRIME,,三、諧波齒輪傳動的應用,在醫(yī)療器械中的應用,在口腔醫(yī)療器械中得到應用,ZRIME,,四、國內(nèi)外產(chǎn)品現(xiàn)狀,國外小模數(shù)精密諧波齒輪傳動裝置多采用短筒柔輪，其體積小、重量輕、承載能力高 我國還是采用杯形柔輪，還沒有生產(chǎn)和應用短筒柔輪諧波齒輪傳動裝置,ZRIME,日本筒形柔輪的長徑比為0.5～0.8，我國為0.7～1.0，美國已開發(fā)并產(chǎn)品化了長徑比約為0.5的CSF系列和長徑比約為0.2的CSD系列產(chǎn)品,,四、國內(nèi)外產(chǎn)品現(xiàn)狀,1. 國內(nèi)外諧波齒輪減速器比較,（轉(zhuǎn)速1500r/min，速比100）,表1 國內(nèi)外諧波齒輪減速器主要參數(shù)比較表,ZRIME,,四、國內(nèi)外產(chǎn)品現(xiàn)狀,2. 柱狀圖,國內(nèi)外諧波齒輪減速器主要參數(shù)比較柱狀圖,ZRIME,,四、國內(nèi)外產(chǎn)品現(xiàn)狀,3. 柱狀圖比較結(jié)果,我國諧波齒輪傳動裝置尺寸大，承載能力反而小 相同外徑的產(chǎn)品，國外諧波齒輪傳動裝置的體積僅是我國產(chǎn)品的30％左右，而承載能力（轉(zhuǎn)矩）卻是我國產(chǎn)品的1.39～2倍,ZRIME,a 我國生產(chǎn)的杯形柔輪,b 美國HD Systems公司生產(chǎn)的短筒柔輪,國內(nèi)外柔輪比較示意圖,,四、國內(nèi)外產(chǎn)品現(xiàn)狀,4. 國內(nèi)外柔輪比較,ZRIME,,四、國內(nèi)外產(chǎn)品現(xiàn)狀,5.齒輪精度比較,國外小模數(shù)諧波齒輪傳動裝置中的齒輪精度一般比我國的齒輪精度高1～2級 國外諧波齒輪傳動裝置的運動精度和回差一般小于3′,我國產(chǎn)品的回差一般都大于6′,ZRIME,,五、重點研究方向和內(nèi)容,嚙合原理及運動學研究 齒形研究 柔輪變形及應力狀態(tài)分析 結(jié)構(gòu)參數(shù)及優(yōu)化設計 制造工藝研究 傳動精度研究,ZRIME,重點研究方向和內(nèi)容：,,五、重點研究方向和內(nèi)容,1. 嚙合原理及運動學研究,研究諧波齒輪嚙合理論主要采用的幾種方法:,圖解分析法 在確定嚙合齒對的一個齒廓后運用中性層曲線的變形關系，用極坐標仿射或嚙合運動幾何關系圖解法求出另一齒廓 用包絡理論求共軛齒形的解析法 其實質(zhì)是把柔輪彈性變形轉(zhuǎn)化為共軛運動的一個組成部分，并用包絡理論求解諧波齒輪的共軛齒形 等速曲線法 把諧波齒輪傳動中一對齒的嚙合過程看作是柔輪齒和剛輪齒分別沿著各自的等速曲線以某一相等的速度運動，剛輪和柔輪的等速曲線長度之比即為傳動比 冪級數(shù)法 把齒廓曲線方程、共軛條件、傳動比均用級數(shù)形式表示，把空間問題轉(zhuǎn)化為平面問題,ZRIME,,五、重點研究方向和內(nèi)容,1. 嚙合原理及運動學研究,諧波傳動的運動學分析模型可分為兩大類:,摩擦模型 按照無滑動純滾動原理，來分析定義傳動比，并將平均角速度積分原理引入研究 行星傳動模型 將諧波傳動機構(gòu)抽象為行星傳動機構(gòu)，把其看作行星齒輪傳動的變形，按照行星傳動機構(gòu)的運動特性來研究其運動學規(guī)律,ZRIME,,五、重點研究方向和內(nèi)容,2. 齒形研究,齒形研究發(fā)展:,直線齒形,漸開線齒形,S齒形,,將柔輪的運動軌跡進行了簡化，沒有考慮薄壁彈性變形時產(chǎn)生的切向位移和法線轉(zhuǎn)角，認為只存在徑向位移,原蘇聯(lián)學者 用圖解法分析后指出柔輪和剛輪可以近似地采用漸開線齒形 另外還有圓弧齒廓及擺線齒廓,日本學者 從不需變形而保證連續(xù)接觸的角度出發(fā)，提出的基于曲線映射的新齒形，映射基準曲線為柔輪齒頂相對剛輪的運動軌跡。,,ZRIME,,五、重點研究方向和內(nèi)容,2. 齒形研究,漸開線齒形,S齒形,漸開線齒形及修形漸開線齒形，由于在工藝上易于加工而得到最廣泛的使用,“S齒形”，對諧波齒輪嚙合性能、承載能力等有很大的提高，我國已經(jīng)開始對這種齒形進行研究,ZRIME,,五、重點研究方向和內(nèi)容,3. 柔輪變形及應力狀態(tài)分析,主要研究方法:,理論公式法,根據(jù)彈性薄殼體的幾何非線性理論，采用光滑圓柱殼體的簡化模型，進行理論分析，推導應力公式,常用的有光彈性法和電阻應變片法。實驗法直觀，接近實際，但實驗成本高、周期長，無法獲得柔輪內(nèi)部的應力應變情況，常與理論公式法相結(jié)合,實驗歸納法,計算機數(shù)值模擬分析法,多采用有限元法，可以縮短研究周期，節(jié)省研究費用，可以在較理論公式法較少簡化的基礎上，分析柔輪中的應力應變分布狀況,ZRIME,,五、重點研究方向和內(nèi)容,4. 結(jié)構(gòu)參數(shù)及優(yōu)化設計,常規(guī)方法,在給定傳動比、輸出扭矩后，為了得到各輪齒數(shù)、模數(shù)、齒寬等一系列參數(shù)，往往采用類比法或事先選定其中的幾個參數(shù)，給出各種誤差值后，再求出其它參數(shù)。采用這種方法，難以得到最優(yōu)方案,優(yōu)化設計方法,是針對嚙合參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進行綜合性的優(yōu)化設計，避免了單一參數(shù)優(yōu)化設計中存在的某些缺陷，可使傳動效率、承載能力提高，結(jié)構(gòu)尺寸縮小,ZRIME,結(jié)構(gòu)參數(shù)設計方法：,,五、重點研究方向和內(nèi)容,5. 制造工藝研究,諧波齒輪傳動裝置中，波發(fā)生器和具有幾百個輪齒的柔輪加工最為復雜,國際上開發(fā)了柔輪滾軋加工技術，剛輪內(nèi)齒滾壓 加工工藝及凈成形加工方法等 用“轉(zhuǎn)化嚙合再現(xiàn)法” 來加工柔輪輪齒，是使柔輪處在與剛輪空載嚙合時相同的變形條件下進行范成加工，消除了嚙合干涉，縮短了跑合時間 燕山大學在滾軋柔輪和剛輪齒形、焊接柔輪、粘接柔輪及柔輪毛坯熱強旋成形等方面做了大量的實驗研究，取得了較大的進展,ZRIME,,五、重點研究方向和內(nèi)容,5. 制造工藝研究,另外，采用新材料來替代傳統(tǒng)柔輪材料也是很有潛力的研究方向 如用具有高單位剛度、高比強度與優(yōu)異阻尼性能的碳纖維環(huán)氧復合材料來制造柔輪，柔輪有足夠的扭矩傳遞能力，且其抗扭剛度提高50%，在基本固有頻率下的衰減能力可提高100%,ZRIME,,五、重點研究方向和內(nèi)容,6. 傳動精度研究,由于多對齒同時嚙合，因此諧波齒輪傳動裝置的傳動精度要高于一般齒輪傳動的精度 孫瑞濤等從系統(tǒng)的傳動誤差產(chǎn)生的機理出發(fā)，按誤差獨立性作用原理研究了齒輪的切向綜合誤差與基節(jié)誤差、齒輪安裝軸的偏心與配合間隙偏心、輸出軸與軸承孔的偏心和配合間隙、軸承的徑向游隙與徑向跳動以及波發(fā)生器部件對諧波齒輪傳動系統(tǒng)傳動誤差的影響等 結(jié)果表明：柔輪、剛輪和波發(fā)生器等零件的制造誤差及裝配誤差是產(chǎn)生傳動誤差的主要原因，傳動誤差是諧波齒輪傳動系統(tǒng)中主要的非線性因素,ZRIME,,六、發(fā)展趨勢及待解決的問題,1. 發(fā)展趨勢,小型化 高精度 高可靠性,齒輪模數(shù)將越來越小,短筒柔輪將得到普遍應用，傳動裝置體積和重量不斷減小,結(jié)構(gòu)更加緊湊合理,零部件精度越來越高, 裝置的傳動精度也不斷提高,零件材料性能更加優(yōu)良,設計方案更加合理, 傳動裝置可靠性不斷提高,ZRIME,,六、發(fā)展趨勢及待解決的問題,2. 待研究解決的問題,1）短筒柔輪的變形力和應力隨著筒長的減小而急劇增加的問題 2）高疲勞強度短筒柔輪材料試驗研究問題 3）尺寸限制條件下短筒柔輪的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的優(yōu)化設計問題,ZRIME,,六、發(fā)展趨勢及待解決的問題,2. 待研究解決的問題,4）研究新齒形，并解決相應的制齒方法和工藝問題 5）超小模數(shù)短筒柔輪和剛輪制造困難的問題 6）探索研究諧波齒輪傳動系統(tǒng)的非線性動力學特性等問題,ZRIME,謝謝 ！,,ZRIME,