具有公切線型雙圓弧齒廓的杯形諧波齒輪及其齒廓設計方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種具有公切線型雙圓弧齒廓的杯型諧波齒輪，由波發(fā)生器、柔輪和剛輪組成，該諧波齒輪傳動的柔輪和剛輪齒廓為公切線型雙圓弧平面齒廓；本發(fā)明同時提供了一種具有公切線型雙圓弧齒廓的杯形諧波齒輪的齒廓設計方法，考慮杯型柔輪沿軸向的錐度變形，根據(jù)柔輪前、中、后三個截面上的最大徑向變形及其輪齒相對于剛輪齒槽的運動軌跡的不同，為了避免發(fā)生干涉，在剛輪的齒根圓弧部分采用柔輪前截面的輪齒運動軌跡進行包絡及擬合計算；在剛輪的齒頂圓弧部分采用柔輪后截面的輪齒運動軌跡進行包絡及擬合計算，使得柔輪和剛輪在整個嚙合區(qū)間上連續(xù)共軛傳動；本發(fā)明具有增加嚙合齒數(shù)、增大嚙合接觸面，承載能力大、疲勞壽命長等優(yōu)點。
【專利說明】具有公切線型雙圓弧齒廓的杯形諧波齒輪及其齒廓設計方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于齒輪傳動的【技術領域】，尤其設計一種具有公切線型雙圓弧齒廓齒廓的杯形諧波齒輪及其齒廓設計方法。

【背景技術】
[0002]諧波齒輪傳動是由美國學者C.ff.Musser于1955年提出，在薄殼彈性變形的理論基礎上發(fā)展而來的傳動技術。諧波齒輪借助其傳動比大、體積小、重量輕、承載能力高、傳動精度高等優(yōu)點，廣泛應用于機器人、儀器儀表、交通運輸?shù)缺姸囝I域。在機器人領域的應用數(shù)量超過總量的70%。諧波齒輪通常由柔輪、剛輪和波發(fā)生器組成，作為諧波齒輪傳動中的關鍵構件一柔輪在傳動過程中始終處于波動變形狀態(tài)，易發(fā)生疲勞破壞。同時由于杯型柔輪的錐度變形致使偏離計算截面的齒廓間隙過大或齒廓干涉，致使柔輪受力狀態(tài)更加惡化，因此如何有效降低齒間嚙合力對于提高諧波齒輪傳動的承載能力及使用壽命至關重要。
[0003]自諧波齒輪問世以來，齒形研究一直是研究者關注的熱點，漸開線齒廓由于在工藝上易于加工而得到廣泛使用，但漸開線齒廓并不是諧波齒輪傳動的最佳齒廓。近年來，國內(nèi)外諧波齒輪研究者針對通過齒廓設計來提高諧波齒輪的承載能力、傳動精度等進行了研究，例如:“精密諧波齒輪傳動采用圓弧齒廓的合理性證明”(辛洪兵等，長春光學精密機械學院學報，1997年，47-50，第20卷第03期)；“雙圓弧諧波齒輪傳動基本齒廓設計”(辛洪兵，中國機械工程，2011年，656-662，第22卷第06期)?！半p圓弧齒廓諧波齒輪傳動的運動特性分析”，(曾世強等，華中理工大學學報，2000年，12-14，第28卷第01期)；“圓弧齒廓諧波齒輪側(cè)隙及干涉檢查的仿真研究”，(陳曉霞等，計算機集成制造系統(tǒng)，2011年，643-648，第17卷第03期);Ishikawa將柔輪輪齒的運動軌跡通過相似變換，利用1/2縮小比例的直線映射，形成關于中心對稱的“S齒形”柔輪齒廓，(Ishikawa S.Tooth profile of splineof strain wave.United States Patent, 4823638.Apr.25.1989);辛洪兵提出了一種基于橢圓凸輪波發(fā)生器的雙圓弧齒廓諧波齒輪，并對圓弧參數(shù)給出了一些建議選取范圍，(辛洪兵.具有雙圓弧齒廓的諧波齒輪傳動，CN 101135357A.2008年3月5日)。從工藝上易于加工的角度出發(fā)，Ishikawa提出組合雙圓弧齒廓，考慮柔輪變形的錐度特征，利用1/2縮小比例的直線映射，通過連接后截面附近的柔輪的運動軌跡和加工柔輪齒條的近似運動軌跡包絡獲得剛輪齒廓，可實現(xiàn)連續(xù)卩齒合傳動。(Ishikawa.Flexing contact type geardrive of non-profile-shifted two—circular—arc composite tooth profile.U.S.PatentN0.5458023,1995)o
[0004]上述文獻所提出的諧波齒輪齒廓設計方案中，漸開線齒廓，其包絡存在區(qū)間大多分布在波發(fā)生器長軸區(qū)域的較小區(qū)間；圓弧或雙圓弧齒廓，沒有考慮杯型柔輪的沿軸向的錐形變形特征，故不能用于杯型柔輪的齒廓設計；組合雙圓弧齒廓，其前截面上可參與嚙合的齒對數(shù)較少，將傳動荷載的主要作用面設計在后截面上，但由于杯形柔輪變形后齒圈后截面的變形小，在后截面上輪齒參與嚙合的相對齒高也相對較小，故容易發(fā)生跳齒現(xiàn)象，引起傳動失效。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明所要解決的技術問題是，提供一種可有效增加嚙合齒數(shù)、增大嚙合接觸面、避免輪齒嚙合時發(fā)生干涉、提升諧波齒輪傳動的力學性能和嚙合性能、提高諧波齒輪的承載能力、延長疲勞壽命的具有公切線型雙圓弧齒廓的杯形諧波齒輪。
[0006]本發(fā)明所要解決的另一技術問題是，提供一種具有公切線型雙圓弧齒廓的杯形諧波齒輪的齒廓設計方法。
[0007]本發(fā)明解決所述技術問題的技術方案是:一種具有公切線型雙圓弧齒廓的杯形諧波齒輪，包括剛輪、柔輪、波發(fā)生器和柔性軸承，所述剛輪為剛性內(nèi)齒輪，所述柔輪為杯形圓柱直齒外齒輪，所述柔輪和剛輪的周節(jié)相同，所述柔輪齒數(shù)與所述剛輪齒數(shù)之差為二，所述波發(fā)生器的形狀為橢圓形凸輪，該波發(fā)生器的外圓周面上安裝有柔性軸承，所述剛輪和所述柔輪的齒廓均由齒根凹圓弧、齒頂凸圓弧和齒根凹圓弧與齒頂凸圓弧的公切線組成；所述柔輪和所述剛輪的齒廓在整個嚙合區(qū)間連續(xù)共軛嚙合。
[0008]一種具有公切線型雙圓弧齒廓杯形諧波齒輪的齒廓設計方法為:將所述柔輪變形轉(zhuǎn)化為共軛運動的一個組成部分，與其共軛的剛輪齒廓采用包絡理論來求解；由于變形前的輪齒在所述柔輪中截面上的位置Φ在變形后移動至位置Φ1，因此，根據(jù)中面不伸長條件，變形前圓弧長等于變形后曲線長度，即
[0009]

【權利要求】
1.一種具有公切線型雙圓弧齒廓的杯形諧波齒輪，包括剛輪、柔輪、波發(fā)生器和柔性軸承，所述剛輪為剛性內(nèi)齒輪，所述柔輪為杯形圓柱直齒外齒輪，所述柔輪和剛輪的周節(jié)相同，所述柔輪齒數(shù)與所述剛輪齒數(shù)之差為二，所述波發(fā)生器的形狀為橢圓形凸輪，該波發(fā)生器的外圓周面上安裝有柔性軸承，其特征在于:所述剛輪和所述柔輪的齒廓均由齒根凹圓弧、齒頂凸圓弧和齒根凹圓弧與齒頂凸圓弧的公切線組成；所述柔輪和所述剛輪的齒廓在整個嚙合區(qū)間連續(xù)共軛嚙合。
2.一種適用于權利要求1的具有公切線型雙圓弧齒廓杯形諧波齒輪的齒廓設計方法，其特征在于:將所述柔輪變形轉(zhuǎn)化為共軛運動的一個組成部分，與其共軛的剛輪齒廓采用包絡理論來求解；根據(jù)中截面不伸長條件，變形前圓弧長等于變形后曲線長度，即
且所述柔輪輪齒對稱線相對于徑矢轉(zhuǎn)過角度的幾何關系滿足:
所述剛輪的齒根圓弧部分采用柔輪前截面的輪齒的運動軌跡進行包絡及擬合計算；所述剛輪的齒頂圓弧部分采用柔輪后截面的輪齒的運動軌跡進行包絡及擬合計算；所述剛輪齒頂圓弧和齒根圓弧中間的直線段則為兩圓弧的公切線。
【文檔編號】F16H55/08GK104074948SQ201410309903
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月2日 優(yōu)先權日:2014年7月2日
【發(fā)明者】陳曉霞, 邢維潔 申請人:天津工業(yè)大學