[发明专利]具有公切线型双圆弧齿廓的杯形谐波齿轮及其齿廓设计方法

说明书

技术领域

本发明属于齿轮传动的技术领域，尤其设计一种具有公切线型双圆弧齿廓齿廓的杯形谐波齿轮及其齿廓设计方法。

背景技术

谐波齿轮传动是由美国学者C.W.Musser于1955年提出，在薄壳弹性变形的理论基础上发展而来的传动技术。谐波齿轮借助其传动比大、体积小、重量轻、承载能力高、传动精度高等优点，广泛应用于机器人、仪器仪表、交通运输等众多领域。在机器人领域的应用数量超过总量的70％。谐波齿轮通常由柔轮、刚轮和波发生器组成，作为谐波齿轮传动中的关键构件一柔轮在传动过程中始终处于波动变形状态，易发生疲劳破坏。同时由于杯型柔轮的锥度变形致使偏离计算截面的齿廓间隙过大或齿廓干涉，致使柔轮受力状态更加恶化，因此如何有效降低齿间啮合力对于提高谐波齿轮传动的承载能力及使用寿命至关重要。

自谐波齿轮问世以来，齿形研究一直是研究者关注的热点，渐开线齿廓由于在工艺上易于加工而得到广泛使用，但渐开线齿廓并不是谐波齿轮传动的最佳齿廓。近年来，国内外谐波齿轮研究者针对通过齿廓设计来提高谐波齿轮的承载能力、传动精度等进行了研究，例如：“精密谐波齿轮传动采用圆弧齿廓的合理性证明”(辛洪兵等，长春光学精密机械学院学报，1997年，47-50，第20卷第03期)；“双圆弧谐波齿轮传动基本齿廓设计”(辛洪兵，中国机械工程，2011年，656-662，第22卷第06期)。“双圆弧齿廓谐波齿轮传动的运动特性分析”，(曾世强等，华中理工大学学报，2000年，12-14，第28卷第01期)；“圆弧齿廓谐波齿轮侧隙及干涉检查的仿真研究”，(陈晓霞等，计算机集成制造系统，2011年，643-648，第17卷第03期)；Ishikawa将柔轮轮齿的运动轨迹通过相似变换，利用1/2缩小比例的直线映射，形成关于中心对称的“S齿形”柔轮齿廓，(Ishikawa S.Tooth profile of spline of strain wave.United States Patent，4823638.Apr.25.1989)；辛洪兵提出了一种基于椭圆凸轮波发生器的双圆弧齿廓谐波齿轮，并对圆弧参数给出了一些建议选取范围，(辛洪兵.具有双圆弧齿廓的谐波齿轮传动，CN 101135357A.2008年3月5日)。从工艺上易于加工的角度出发，Ishikawa提出组合双圆弧齿廓，考虑柔轮变形的锥度特征，利用1/2缩小比例的直线映射，通过连接后截面附近的柔轮的运动轨迹和加工柔轮齿条的近似运动轨迹包络获得刚轮齿廓，可实现连续啮合传动。(Ishikawa.Flexing contact type gear drive of non-profile-shifted two-circular-arc composite tooth profile.U.S.Patent No.5458023，1995)。

上述文献所提出的谐波齿轮齿廓设计方案中，渐开线齿廓，其包络存在区间大多分布在波发生器长轴区域的较小区间；圆弧或双圆弧齿廓，没有考虑杯型柔轮的沿轴向的锥形变形特征，故不能用于杯型柔轮的齿廓设计；组合双圆弧齿廓，其前截面上可参与啮合的齿对数较少，将传动荷载的主要作用面设计在后截面上，但由于杯形柔轮变形后齿圈后截面的变形小，在后截面上轮齿参与啮合的相对齿高也相对较小，故容易发生跳齿现象，引起传动失效。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种可有效增加啮合齿数、增大啮合接触面、避免轮齿啮合时发生干涉、提升谐波齿轮传动的力学性能和啮合性能、提高谐波齿轮的承载能力、延长疲劳寿命的具有公切线型双圆弧齿廓的杯形谐波齿轮。

本发明所要解决的另一技术问题是，提供一种具有公切线型双圆弧齿廓的杯形谐波齿轮的齿廓设计方法。

本发明解决所述技术问题的技术方案是：一种具有公切线型双圆弧齿廓的杯形谐波齿轮，包括刚轮、柔轮、波发生器和柔性轴承，所述刚轮为刚性内齿轮，所述柔轮为杯形圆柱直齿外齿轮，所述柔轮和刚轮的周节相同，所述柔轮齿数与所述刚轮齿数之差为二，所述波发生器的形状为椭圆形凸轮，该波发生器的外圆周面上安装有柔性轴承，所述刚轮和所述柔轮的齿廓均由齿根凹圆弧、齿顶凸圆弧和齿根凹圆弧与齿顶凸圆弧的公切线组成；所述柔轮和所述刚轮的齿廓在整个啮合区间连续共轭啮合。

一种具有公切线型双圆弧齿廓杯形谐波齿轮的齿廓设计方法为：将所述柔轮变形转化为共轭运动的一个组成部分，与其共轭的刚轮齿廓采用包络理论来求解；由于变形前的轮齿在所述柔轮中截面上的位置φ在变形后移动至位置φ1，因此，根据中面不伸长条件，变形前圆弧长等于变形后曲线长度，即