[发明专利]一种应用于机器人、探测器的小模数谐波传动啮合齿形的设计方法

摘要

本发明提供了一种应用于机器人、探测器的小模数谐波传动啮合齿形的设计方法，其特征在于，包括柔轮和刚轮的齿形设计以及啮合设计、选材加工和修正柔轮齿形的步骤，其中柔轮齿形设计是关键，柔轮的齿形设计为四段光滑圆弧a、b、c、d特征曲线并依次相切构成SC型齿形。本发明能消除现有齿轮啮合过程中的干涉现象，将渐开线齿形啮合的点接触或者线接触设计为面接触，以增加空间载荷，同时提高谐波减速器的传动精度和使用寿命，这种新设计的圆弧齿形的谐波减速器适用于月球探测器和机器人用的小模数的谐波传动。

主权项

1.一种机器人和探测器用小模数谐波传动啮合齿形的设计方法，其特征在于，包括如下的步骤：步骤1，柔轮齿形设计：柔轮的齿形设计为四段光滑圆弧a、b、c、d特征曲线并依次相切构成SC型齿形，其中前三段圆弧a、b、c参与啮合，圆弧d决定柔轮齿根强度，圆弧a的半径为Pg，圆弧b的半径为Pa，圆弧c的半径为Pf，圆弧d的半径为Pr，柔轮节圆是柔轮变位之前的柔轮和刚轮的理论啮合线，其直径等于模数m乘以柔轮齿数z1即m z1，刚轮节圆直径为模数m乘以刚轮齿数z2即m z2；其设计过程为：(1)建坐标系x₁O₁y₁，设计角δ的取值范围为15°～25°，设计角δ决定柔轮齿形的形状即第二段圆弧b和第二段圆弧c的位置，以第二段圆弧b齿廓圆心x方向的偏移量ax、第二段圆弧b齿廓圆心y方向的偏移量ay和第二段圆弧b齿廓半径Pa确定第二段圆弧b齿廓的位置和尺寸；(2)同理，以第三段圆弧c齿廓圆心x方向的偏移量fx、第三段圆弧c齿廓圆心y方向的偏移量fy和第三段圆弧c齿廓半径Pf确定第三段圆弧c齿廓的位置和尺寸，并进行微调以保证第二段圆弧b齿廓和第三段圆弧c齿廓相切连接；(3)再根据节圆偏移量L确定变形前柔轮内孔壁圆心y方向的偏移量，根据名义齿厚Sa确定变形前柔轮内孔壁圆心x方向的偏移量，从而确定变形前柔轮内孔壁圆心O₂；(4)以名义齿顶高ha和名义齿根高hf确定齿顶圆和齿根圆，根据第一段圆弧a齿廓半径Pg和第四段圆弧d齿廓半径Pr确定第一段圆弧a齿廓和第四段圆弧d齿廓的位置和尺寸，从而实现四段圆弧光滑相切依次连接的SC齿形；(5)所述SC齿形成后，再结合柔轮齿根圆直径、齿顶圆直径和齿数数据，将右半边齿形以y₂为对称轴镜像，形成一个完整的齿，以O₂为基点，通过圆形阵列就可以得到整个柔轮的齿形，从而形成柔轮；步骤2，刚轮齿形设计：按柔轮的特征曲线形式来确定柔轮内孔变形后的位置，即将变形前的柔轮齿形从A点移动到B点，得到变形后的柔轮齿形，A点与B点之间的距离由柔轮的特征曲线的长短轴差来确定，将变形后的柔轮齿形进行偏移，偏移量从微量0.001mm开始递增，选择合适的柔轮齿和刚轮齿的根隙与顶隙，确定刚轮齿齿廓，再结合刚轮齿的齿顶圆、齿根圆和刚轮齿数，确定一个完整刚轮的齿形；将刚轮齿变形前柔轮内孔壁的圆心和O₂重合点为基点进行圆形阵列，将变形后的柔轮齿形以变形后的柔轮内孔壁与中心线的交点B为基点，以变形后的柔轮内孔壁为母线进行曲线阵列，偏移量依次以0.001mm微量开始递增，寻求最小的在特征曲线高点位置柔轮和刚轮相啮合的齿侧间隙Δ₀，使阵列后的柔轮和刚轮的齿形都不会有干涉存在为止，从而再形成刚轮；步骤3，柔轮和刚轮的齿形啮合设计：将步骤1和步骤2得到的柔轮和刚轮装配，确保在二维状态下内部的柔轮和外部的刚轮相啮合，且保证柔轮和刚轮齿形啮合不干涉，啮合率达到54％，单波的啮合角度达到96.405°，双波啮合时则整个啮合角度为192.81°，啮合角度达到53.6％；步骤4，选材加工：根据所确定的柔轮和刚轮的齿廓进行相应加工刀具的设计与加工，按最小齿侧间隙时刚轮和柔轮的齿顶圆直径控制柔轮的加工，柔轮和刚轮的材料采用具有高抗拉强度的合金钢材料，在常规热处理后确保两者的硬度相差≥10HRC即可；步骤5，修正柔轮齿形：在输入额定转矩和转速的条件下，将刚轮、柔轮和已有的谐波机构装配好进行跑合，每间隔两小时拆开查看并检测柔轮齿形的磨损情况，以磨损的位置和磨损量重新修正柔轮齿形，最终得到与刚轮齿形柔顺啮合的柔轮齿形。