一种具有变系数摆线齿廓的谐波齿轮制造技术

本发明专利技术公开了一种具有变系数摆线齿廓的谐波齿轮，该谐波齿轮主要由波发生器、刚轮和柔轮构成，其中刚轮为具有变系数摆线齿廓的直齿圆柱内齿轮，柔轮为薄壁直齿外齿轮，柔轮齿在各个截面的齿廓都由刚轮齿廓包络计算而来，是具有不同系数的变系数摆线齿廓；变系数摆线齿廓主要由齿顶摆线和齿根摆线构成，两段齿廓之间由公切线连接；本发明专利技术中的具有变系数摆线齿廓的刚轮和柔轮在啮合过程中齿面接触为线接触，能够有效的降低齿面磨损，且连续共轭啮合区间大于90°，同时啮合的齿数占总齿数的50％以上，能有效的增加谐波齿轮的传动精度和承载能力。

A Harmonic Gear with Variable Coefficient Cycloid Profile

【技术实现步骤摘要】
一种具有变系数摆线齿廓的谐波齿轮
本专利技术涉及一种谐波齿轮，特别是涉及一种具有变系数摆线齿廓的谐波齿轮。
技术介绍
谐波齿轮主要依靠薄壁柔轮在波发生器作用下产生弹性变形后与刚轮形成少齿差啮合实现转速和扭矩的传递。齿廓对谐波齿轮的啮合性能和传动精度等都有显著的影响。渐开线齿廓加工工艺成熟，在谐波齿轮传动中得以最早应用，但在齿数比较大(200个齿左右)的时候，齿廓接近为一条直线，在谐波齿轮传动中共轭存在区间小，在负载状态下多数齿处于尖点啮合状态，传动精度和负载能力比较低。专利文献1中提出了一种具有三维接触渐开线正偏位齿形的波动齿轮装置，该方案提供了成锥状的柔轮齿，沿锥状齿线偏位移动主截面齿廓，以实现沿齿宽方向部分区域内柔轮齿和刚轮齿的线接触状态。根据谐波齿轮柔轮齿的运动轨迹可知，谐波齿轮的理想齿廓是在刚轮和柔轮的齿顶都具有凸齿廓的曲线。为了改善谐波齿轮中的轮齿啮合状态，圆弧、双圆弧齿廓被应用在谐波齿轮中，双圆弧齿廓在刚轮和柔轮齿顶都具有凸齿特征，能够有效的提升谐波齿轮的共轭存在区间，在较大范围内实现刚轮与柔轮的连续共轭啮合，增加传动精度和负载能力，在谐波齿轮传动中具有优于渐开线齿廓的啮合特性。在专利文献2提出了一种具有双圆弧齿廓的谐波齿轮传动，给出了圆弧参数的一些选取范围。该方案未考虑杯形或礼帽形柔轮的锥度变形特征，如不加修正将导致在前、后截面出现齿廓干涉。杯形和礼帽形柔轮在变形时具有锥度特征，在不同截面上柔轮轮齿的运动轨迹也不相同，考虑到杯形或礼帽形柔轮锥状变形，为消除干涉并实现连续共轭啮合需要在不同截面进行共轭求解，获得刚轮的共轭齿廓，专利文献3中提出了一种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，综合考虑柔轮齿廓在前中后不同截面轨迹形成的多组共轭点，设计出一种既满足连续共轭又不产生干涉的刚轮齿廓。该方案中柔轮与刚轮齿面为点接触，且共轭啮合区间以及啮合齿对数还有很大的提升空间。专利文献4中提出了一种用于谐波齿轮传动的复合双圆弧齿形，该齿形是基于齿条近似法根据柔轮在不同截面的运动轨迹做1/2缩小映射后拟合获得的，能够实现大范围的连续啮合。该方案使用齿条做近似，运动轨迹中没有考虑到轮齿的偏角变化，所形成的齿形在谐波齿轮传动中并不处于准确的共轭状态。一般情况下，刚轮为内齿轮，以柔轮齿廓为基本齿廓设计的刚轮齿廓具有空间三维特征，工艺复杂，加工难度大且不便于装配。因此，设计一种能够实现在全啮入区间齿面线接触共轭啮合、工艺上更易于实现且便于装配的齿廓成为谐波齿轮设计的关键问题之一。根据柔轮运动轨迹的形状类似一条摆线可知，使用具有摆线特征的曲线作为谐波齿轮的齿廓是合适的，对摆线进行适当的设计可使其能够最大程度的利用谐波齿轮传动的运动特征，实现更大范围的连续共轭啮合传动进而提高谐波齿轮的传动精度和承载能力。专利文献：专利文献1：中国专利技术专利公开号CN102959275A专利文献2：中国专利技术专利公开号CN101135357A专利文献3：中国专利技术专利公开号CN104074948B专利文献4：美国专利技术专利公开号US005458023A
技术实现思路
本专利技术是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种具有变系数摆线齿廓的谐波齿轮。为了达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种具有变系数摆线齿廓的谐波齿轮，其中刚轮为具有变系数摆线齿廓的直齿圆柱内齿轮，柔轮为薄壁直齿外齿轮，柔轮齿在各个截面的齿廓都由刚轮齿廓包络计算而来，是具有不同系数的变系数摆线齿廓。其设计方法为：1)刚轮变系数摆线齿廓设计先确定所需谐波传动的模数、齿数、齿高、齿厚等参数，给出刚轮齿顶变系数摆线齿廓式(1)，在完成柔轮主截面变系数摆线齿廓设计之后，再根据柔轮主截面齿顶齿廓包络结果拟合出刚轮齿根变系数摆线齿廓式(2)，在刚轮齿顶和齿根廓线之间做公切线完成刚轮变系数摆线齿廓的设计；刚轮齿顶的齿廓表达式(1)：刚轮齿根的齿廓表达式(2)：2)柔轮变系数摆线齿廓设计以刚轮齿沿齿宽方向齿廓保持不变为前提，柔轮齿在不同截面具有系数不同的变系数摆线齿廓；其中，柔轮在主截面和后截面(靠近柔轮杯底端)的齿顶齿廓式(3)和齿根齿廓式(4)由刚轮齿顶齿廓式(1)在啮入区的包络结果进行拟合设计完成，柔轮在前截面(靠近柔轮杯口端)的齿顶齿廓式(5)由刚轮齿根齿廓式(2)在啮出区的包络结果进行拟合设计完成，柔轮在前截面的齿根齿廓式(3)由刚轮齿顶齿廓式(1)在啮出区的包络结果进行拟合设计。柔轮齿顶在主、后截面的齿廓表达式(3)：柔轮齿根齿廓的表达式(4)：柔轮齿顶在前截面的齿廓表达式(5)：式(1)～(5)中，rt是摆线生成圆半径，u是摆线参数，e2是刚轮分度圆齿槽宽，s1是柔轮分度圆齿厚，Ra2是刚轮齿顶圆半径，Rf2是刚轮齿根圆半径，rma是柔轮变形后中性层长轴半径，rmb是柔轮变形后中性层短轴半径。A1，A2为x向摆线放大系数，B1，B2为摆线生成圆半径放大系数，C1，C2为x向摆线校正系数，D1，D2为y向摆线放大系数。具体步骤如下：步骤1：确定所设计谐波齿轮的模数、齿数、齿高和齿厚等参数，给出式(1)中的参数A2，B2，C2和D2。初步确定刚轮齿顶齿廓。步骤2：将刚轮齿顶齿廓式(1)通过主截面坐标转换关系在柔轮齿廓坐标系中表达，代入到包络方程，在啮入区进行包络求解，获得与刚轮齿顶廓线共轭的主截面齿廓离散点坐标，将齿廓离散点分为凸齿廓和凹齿廓两部分。步骤3：将凸齿廓离散点以式(3)为目标曲线进行单侧逼近拟合，确定式(3)中参数A1，B1，C1和D1。初步确定柔轮在主截面的齿顶齿廓。将凹齿廓离散点以式(4)为目标曲线进行单侧逼近拟合，确定式(4)中参数A2，B2，C2和D2。初步确定柔轮齿根在主截面的齿廓。计算式(3)和式(4)确定的两条变系数摆线的公切线，并确定柔轮主截面齿形角，完成柔轮主截面变系数摆线齿廓的设计。步骤4：将获得的柔轮主截面齿顶齿廓式(3)通过主截面坐标转换关系在刚轮齿廓坐标系中表达，代入到包络方程，在啮入区进行包络求解，获得与柔轮主截面齿顶廓线共轭的齿廓离散点坐标，取其中的凸齿部分离散点以式(2)为目标曲线进行单侧逼近拟合，确定式(2)中参数A1，B1，C1和D1，初步确定刚轮齿根齿廓。计算式(1)和式(2)确定的两条变系数摆线的公切线，并确定刚轮齿形角，完成刚轮变系数摆线齿廓的设计。步骤5：将刚轮齿顶齿廓式(1)通过后截面坐标转换关系在柔轮齿廓坐标系中表达，代入到包络方程，在啮入区进行包络求解，获得与刚轮齿顶廓线共轭的后截面的齿廓离散点坐标。重复步骤3完成柔轮后截面变系数摆线齿廓的设计。刚轮齿廓在前截面共形成四次包络，其中刚轮齿顶齿廓在啮入区形成二次包络，刚轮在后续的啮合过程中会与二次包络产生的共轭点干涉，故二次包络不可用。刚轮齿顶齿廓在啮出区形成第三次包络，产生柔轮前截面齿根齿廓共轭离散点；刚轮齿根齿廓在啮出区形成第四次包络，产生柔轮前截面齿顶齿廓共轭离散点。步骤6：将刚轮齿顶齿廓式(1)通过前截面坐标转换关系在柔轮齿廓坐标系中表达，代入到包络方程，在啮出区进行包络求解，获得与刚轮齿顶廓线共轭的前截面凹齿廓离散点坐标。将该凹齿廓离散点以式(4)为目标曲线进行单侧逼近拟合，确定式(4)中参数A2，B2，C2和D2，初步确定柔轮齿根在前截面的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有变系数摆线齿廓的谐波齿轮，其特征在于：所述谐波齿轮的刚轮为具有变系数摆线齿廓的直齿圆柱内齿轮，柔轮为薄壁直齿外齿轮，柔轮齿在各个截面都具有系数不同的变系数摆线齿廓。

【技术特征摘要】
2019.04.17 CN 20191031545401.一种具有变系数摆线齿廓的谐波齿轮，其特征在于：所述谐波齿轮的刚轮为具有变系数摆线齿廓的直齿圆柱内齿轮，柔轮为薄壁直齿外齿轮，柔轮齿在各个截面都具有系数不同的变系数摆线齿廓。2.根据权利要求1所述的一种具有变系数摆线齿廓的谐波齿轮，其特征在于：刚轮齿顶的齿廓表达式(1)：刚轮齿根的齿廓表达式(2)：刚轮齿顶摆线式(1)和齿根摆线式(2)之间由公切线光滑连接；柔轮齿顶在主、后截面的齿廓表达式(3)：柔轮齿根齿廓的表达式(4)：柔轮齿顶在前截面的齿廓表达式(5)：柔轮齿顶摆线式(3)、式(5)和齿根摆线式(4)之间由公切线光滑连接；式(1)～(5)中，rt是摆线生成圆半径，u是摆线参数，e2是刚轮在分度圆上的齿槽宽，s1是柔轮在分度圆上的齿厚，Ra2是刚轮齿顶圆半径，Rf2是刚轮齿根圆半径，rma是柔轮变形后中性层长轴半径，rmb是柔轮变形后中性层短轴半径；A1，A...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈晓霞，姚云鹏，邢静忠，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12