一种柔性针齿谐波减速器

技术领域

本发明涉及减速器技术领域，具体为一种柔性针齿谐波减速器。

背景技术

谐波减速器是一种大减速比减速器，在机器人行业获得非常成功的应用，其特点是结构紧凑、传动比大、零件数少。但是这类减速器也有致命的缺点，其齿轮齿形通常由左右两条曲线组成，如图1所示，苏联的双圆弧齿形、日本的S齿形和苏州绿的公司的P形齿形，这类齿形在结构设计时容易发生多种干涉、因此不得不通过减少同时啮合齿数来避免干涉。虽然柔轮和内齿轮都有大量的轮齿，但是同时接触齿数只有其中的20-30％，提高同时啮合齿数成为谐波减速器的重要发展方向。同时，采用这种多段曲线齿形设计的柔性齿轮和内齿轮之间存在严重线接触滑动摩擦、容易产生轮齿磨损，这不仅会限制减速器传动效率的提升(目前一般部超过70％)，而且减速器的工作寿命和承载能力也受到了严重限制。

此外，目前的谐波减速器结构要实现多齿啮合和均载就需要提高齿轮制造精度，这会拉高减速器制造成本，如何找到既能实现均载又能降低成本的谐波减速器结构形式非常重要。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种柔性针齿谐波减速器，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种柔性针齿谐波减速器，包括激波器组件、柔性齿轮以及内齿轮组件；所述柔性齿轮位于所述内齿轮组件与所述激波器组件之间；

所述内齿轮组件包括内齿轮本体、针齿组件以及针齿隔套，所述柔性齿轮位于所述内齿轮本体内部，所述针齿组件安装于所述内齿轮本体内圆柱面上的一组均布的不完整半圆形小孔中，且所述针齿隔套位于所述针齿组件一端，所述针齿隔套用于阻挡所述针齿组件避免其轴向移动，所述针齿组件与内齿轮本体上的一组不完整半圆形小孔之间实现面接触滑动，以减小接触应力和轮齿之间的磨损，所述针齿组件与所述柔性齿轮之间相互接触实现滚动摩擦，以提高承载能力和传动效率。

所述激波器组件包括激波器本体以及激波器轴承，所述激波器本体位于所述柔性齿轮内部，其外形实际为圆柱凸轮，其凸轮截形线为椭圆或接近椭圆的其它曲线，通过修改曲线的形状可调整柔性齿轮的齿形形状或反之，所述激波器轴承位于所述激波器本体外部的凸轮结构表面上，且与所述柔性齿轮内表面的外端接触，当所述激波器本体转动时，可通过所述激波器轴承挤压所述柔性齿轮的全部轮齿做径向变形运动，通过使齿数比内齿轮组件少2个或多个的所述柔性齿轮外圈上的齿廓依次与所述内齿轮组件上的针齿组件相互接触并推动所述柔性齿轮相对内齿轮组件做慢速的旋转运动，在柔性齿轮实现径向变形的同时实现微量切向转动、进而形成柔性齿轮转速远低于激波器的转速的减速效果；

所述柔性齿轮另一侧外端设有一柔性齿轮支撑轴承，并通过所述柔性齿轮支撑轴承分别与所述柔性齿轮与所述内齿轮组件相连接，进而使所述柔性齿轮与所述内齿轮组件实现同轴运动。且通过在内齿轮上采用针齿结构使内齿轮圆柱形轮齿齿形的等效曲线退化为一个点或半径为零的圆，进而有效解决谐波减速器内齿轮和柔轮因采用多段曲线存在的多重齿形干涉问题，使柔性齿轮上的所有齿能与内齿轮上的所有齿同时啮合，同时啮合齿数从传统谐波减速器的20-30％提高到接近100％，以大幅度提高减速器的承载能力和缩小其体积。

优选的，所述针齿组件前端设有第一激波器轴承挡板，所述第一激波器轴承挡板前端同时设有第一激波器弹簧卡圈，用于防止针齿在不完整小孔内做轴向移动。

优选的，所述激波器本体两侧外壁面分别设有第二激波器轴承挡板，所述第二激波器轴承挡板靠近轴心两侧分别设有第二激波器弹簧卡圈，用于保证所述激波器轴承与所述激波器本体轴向位置的稳定。

优选的，所述内齿轮本体与柔性齿轮相互接触区域依次还设有与所述针齿组件数量相同的刚性控制槽，所述刚性控制槽在内齿轮本体上均匀分布，并与所述针齿组件齿数相互交错对应。

优选的，通过所述刚性控制槽控制针齿组件轮齿切向刚性大小，且所述刚性控制槽的实际形状和尺寸根据实际减速器刚度、极限载荷进行调整，达到在一定的制造精度情况下能控制载荷在各针齿上的均匀性。

优选的，所述柔性齿轮支撑轴承上分别设有第一连接螺钉和第二连接螺钉，且所述第一连接螺钉位于所述柔性齿轮支撑轴承外圈，所述第二连接螺钉位于所述柔性齿轮支撑轴承内圈，所述柔性齿轮支撑轴承与所述内齿轮本体之间通过所述第一连接螺钉相连，所述柔性齿轮支撑轴承与所述柔性齿轮之间通过所述第二连接螺钉相连。

优选的，所述激波器轴承内部环绕设有钢球或滚柱。

优选的，所述柔性齿轮齿形曲线通过柔性齿轮轮齿中心线与激波器轴承外圈的交点按照其到激波器椭圆类曲线长轴或短轴端点的弧长距离与变形前二者的弧长距离保持不变、且轮齿中心线与激波器椭圆类曲线垂直的原则可求得齿轮上各轮齿的坐标原点及坐标轴，进而可根据啮合原理求得齿形曲线。

优选的，所述的针齿组件和内齿轮本体之间通过设置径向沉割槽以使针齿两端支撑、中部悬空，通过适当降低和控制针齿的径向刚性达到调控针齿组件和柔性齿轮多齿接触的载荷均匀性达到提高承载能力和有效防止卡死现象。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明中提出一种柔性针齿谐波减速器，并将传统谐波减速器内齿轮与柔轮轮齿之间的滑动摩擦改变为滚动摩擦以及针齿与内齿轮本体上的不完整圆柱形小孔之间的面接触滑动摩擦，并利用针齿与针齿壳之间的大接触面积改善滑动摩擦的工况，提高传统效率，大幅度提高承载能力和延长其工作寿命，改方案可望使谐波减速器传动效率从70％以下提高到80％以上。

2、本发明提出一种内齿轮开槽均载方案，实现均载、降低制造精度要求，通过在内齿轮上切割具有一定形状、长度的刚度控制槽来降低内齿轮轮齿刚性，并保证该刚性能满足额定载荷下的设计要求，同时降低减速器的制造精度要求和进一步降低谐波减速器的制造成本。

3、本发明中，采用针齿结构的内齿轮，使内齿轮圆形齿形曲线的等效齿形可退化为一个点(针齿中心)，可以避免多条齿形曲线构成一个齿形存在的多种干涉问题，理论上可使柔轮上的所有齿与内齿轮上的所有齿同时啮合，比常规谐波减速器的同时啮合齿数至少增加1倍以上。采用针齿可实现全齿同时啮合，大幅度提高减速器承载能力，在承载能力要求相同时可望进一步减小谐波减速器的体积和重量，这对空间机器人和人形机器人的发展具有重大意义。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1是几种典型谐波减速器的齿形示意图；

图2是本发明柔性针齿谐波减速器轴截面图；

图3是本发明柔性针齿谐波减速器横截面图；

图4是本发明柔性针齿谐波减速器初始位置传动原理图；

图5是本发明柔性针齿谐波减速器任意位置传动原理图；

图中标号：1、激波器组件；101、激波器本体；102、第一激波器弹簧卡圈；103、第一激波器轴承挡板；104、激波器轴承；2、柔性齿轮；3、内齿轮组件；301、内齿轮本体；302、针齿隔套；303、针齿组件；304、第二激波器弹簧卡圈；305、第二激波器轴承挡板；4、第一连接螺钉；5、柔性齿轮支撑轴承；6、第二连接螺钉。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

在常规摆线针轮减速器的内齿轮采用的针齿结构中，针齿和针齿壳之间具有半圆柱形结合面，针齿可相对内齿轮上的半圆形孔相对滑动，由于其间接触面积大，在间隙设计适当时和载荷适当时可实现具有油膜隔离的滑动摩擦，此时虽然摆线轮与针齿之间此时仍然为线接触，但针齿与摆线轮之间的接触则为滚动摩擦，这样不仅可显著提高减速器的传动效率，而且可以减缓内齿轮和柔轮的轮齿间的滑动摩擦磨损。

因此，本发明提供了一种柔性针齿谐波减速器，如图2和图3所示，包括激波器组件1、柔性齿轮2以及内齿轮组件3；所述柔性齿轮位于所述内齿轮组件3与所述激波器组件1之间；

所述内齿轮组件3包括内齿轮本体301、针齿组件303以及针齿隔套302，所述柔性齿轮2位于所述内齿轮本体301内部，所述针齿组件303安装于所述内齿轮本体301内圆柱面上的一组均布的不完整半圆形小孔中，其中的针齿垫片和弹簧挡圈用于防止针齿在针齿壳内轴向移动，所述的针齿组件303和内齿轮本体301之间通过设置径向沉割槽以使针齿两端支撑、中部悬空，通过适当降低和控制针齿的径向刚性达到调控针齿组件303和柔性齿轮2多齿接触的载荷均匀性达到提高承载能力和有效防止卡死现象；所述针齿隔套302位于所述针齿组件303一端，所述针齿隔套302用于阻挡所述针齿组件303避免其轴向移动，所述针齿组件303前端设有第一激波器轴承挡板103，所述第一激波器轴承挡板103前端同时设有第一激波器弹簧卡圈102，用于防止针齿在不完整小孔内做轴向移动，所述内齿轮本体301与柔性齿轮2相互接触区域依次还设有与所述针齿组件303数量相同的刚性控制槽，所述刚性控制槽在内齿轮本体301上均匀分布，并与所述针齿组件303齿数相互交错对应，通过所述刚性控制槽控制针齿组件303轮齿切向刚性大小，且所述刚性控制槽的实际形状和尺寸根据实际减速器刚度、极限载荷进行调整，达到在一定的制造精度情况下能控制载荷在各针齿上的均匀性；所述针齿组件303与内齿轮本体301上的一组不完整半圆形小孔之间实现面接触滑动，以减小接触应力和轮齿之间的磨损，所述针齿组件303与所述柔性齿轮2之间相互接触实现滚动摩擦，以提高承载能力和传动效率。

所述激波器组件1包括激波器本体101以及激波器轴承104，所述激波器本体101位于所述柔性齿轮2内部，其外形实际为圆柱凸轮，其凸轮截形线为椭圆或接近椭圆的其它曲线，通过修改曲线的形状可调整柔性齿轮2的齿形形状或反之，所述激波器轴承104位于所述激波器本体101外部的凸轮结构表面上，所述激波器轴承104内部环绕设有钢球或滚柱，且与所述柔性齿轮2内表面的外端接触，所述激波器本体101两侧外壁面分别设有第二激波器轴承挡板305，所述第二激波器轴承挡板305靠近轴心两侧分别设有第二激波器弹簧卡圈304，用于保证所述激波器轴承104与所述激波器本体101轴向位置的稳定，当所述激波器本体101转动时，可通过所述激波器轴承104挤压所述柔性齿轮2的全部轮齿做径向变形运动，通过使齿数比内齿轮组件3少2个或多个的所述柔性齿轮2外圈上的齿廓依次与所述内齿轮组件3上的针齿组件303相互接触并推动所述柔性齿轮2相对内齿轮组件3做慢速的旋转运动，在柔性齿轮2实现径向变形的同时实现微量切向转动、进而形成柔性齿轮2转速远低于激波器的转速的减速效果；

所述柔性齿轮2另一侧外端设有一柔性齿轮支撑轴承5，并通过所述柔性齿轮支撑轴承5分别与所述柔性齿轮2与所述内齿轮组件3相互连接，进而使所述柔性齿轮2与所述内齿轮组件3实现同轴运动；所述柔性齿轮支撑轴承5上分别设有第一连接螺钉4和第二连接螺钉6，且所述第一连接螺钉4位于所述柔性齿轮支撑轴承5外圈，所述第二连接螺钉6位于所述柔性齿轮支撑轴承5内圈，所述柔性齿轮支撑轴承5与所述内齿轮本体301之间通过所述第一连接螺钉4相连，所述柔性齿轮支撑轴承5与所述柔性齿轮2之间通过所述第二连接螺钉6相连，所述柔性齿轮2齿形曲线通过柔性齿轮2轮齿中心线与激波器轴承104外圈的交点按照其到激波器椭圆类曲线长轴或短轴端点的弧长距离与变形前二者的弧长距离保持不变、且轮齿中心线与激波器椭圆类曲线垂直的原则可求得齿轮上各轮齿的坐标原点及坐标轴，进而可根据啮合原理求得齿形曲线，且通过在内齿轮上采用针齿结构使内齿轮圆柱形轮齿齿形的等效曲线退化为一个点或半径为零的圆，进而有效解决谐波减速器内齿轮和柔轮因采用多段曲线存在的多重齿形干涉问题，使柔性齿轮2上的所有齿能与内齿轮上的所有齿同时啮合，同时啮合齿数从传统谐波减速器的20-30％提高到接近100％，以大幅度提高减速器的承载能力和缩小其体积。

图4为柔性针齿谐波减速器初始位置传动原理图，图中S

图5为柔性针齿谐波减速器任意位置传动原理图，设柔性齿轮2不回转，激波器组件1相对柔性齿轮2旋转角度为A

为了设计出完整齿轮齿形，考虑到齿形的对称性，可令激波器组件1相对柔性齿轮2旋转90度，在该区间可获得R点的运动轨迹和S2曲线在R点的切线的方程，从而可以得到坐标系R-X

除此之外，还包含一种与上述结构方案对称的方案是内齿和外齿结构互换，即将图2、图3中的柔轮轮齿改为针齿，将内齿轮改为常规齿轮，即轮齿和基体一体化的齿轮，进一步降低柔性齿轮2的径向刚性、达到降低其对材料疲劳强度的要求。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。