柔輪設計

柔輪設計
    諧波齒輪傳動可由于其元件的任何一種失效而導
致井個傳動喪失工作能力。因此分析諧波齒輪傳動的
失效原因，確立其合理的工作能力準則，是研究和設
計諧波齒輪傳動的重要課題。通過柔輪破損斷口的分
析與柔輪應力洲試，柔輪破損應屬于以拉·彎為主的
低應力高循環疲勞性質。因此柔輪的強度計算、結構
設計與工藝安排，均應以此為出發點。
 柔輪分度圓直徑與波高的確定
    在初步設計時，可根據圖9.4-4來選擇柔輪的分
度圓直徑與波高。
    若工作負載情況有變化，應對承級能力圖進行修
正，即將轉矩除以系數，而系數值根據工作條件不同
而變化。
    1)無沖擊負荷，一天工作8~10h，系數二1.0,
    2)有間斷沖擊負荷，一天工作8一10h，系數=
1. 1,
    3)有間斷沖擊負荷，一天工作24h,系數=
1.3。
    4)間斷工作，不經常使用時，負毅可高于圖內
數值，也可用圖中轉矩值而減小減速器尺寸，即系數
小于1.0.
    選擇的具體步驟如下:
    1)在圖的縱軸上找到所需的輸出轉矩，過此點
作一水平線，交圖上曲線于若千點。
    2)由交點作水平軸的垂線，求得若干分度圓直
徑。這是在某個波高的情況下.柔輪能夠承受輸出轉
矩時的最小分度圓直徑。


    4)當算出的傳動比較所需的傳動比小時，可增
大分度圓直徑來湊所器的傳動比。從而得到滿足輸出
轉矩及傳動比時的波高與分度圓直徑。


 齒形幾何關系的確定
    1)用諧波齒輪刀具加工時的齒形參數(見圖
9.4-5和表9.4-4)。目前已有幾種規格的雙波滾刀、捅
刀定型生產，其波高(mm)為0.4, 0.6, 1.0, 1.5,
2.0等。

    2)采用200或300標準小模數刀具，用移距變位
方法加工時的齒形參數(見表9.4-5),
    3) S齒形簡介近年來又提出了一種新型的S
齒形。其優點如下:①它比以往齒形的同時喻合齒數
多，可達到總齒數的20%以上。②由于輪齒具有撓
性.降低了齒根的彎曲應力。③由于輪齒承受的載荷
減少而降低了齒部的應力。④與以往機種相比，其強
度能提高200%,剛度提高200%,瞬間最大允許轉
矩可提高150%以上。此種齒形的諧波減速器已成功
地應用子工業機器人的某些關節的驅動部分、機床的
進給與分度機構、必須實現高精度定位及高回轉精度
的精密機械等。



柔輪結構尺寸的確定(見表9.4-6)

柔輪的應力分析
    柔輪計算模型的建立比較復雜。因為同時嚙合的
實際齒數及齒間的載荷分布規律、柔輪與發生器的有
矩理論包角等都未知，且隨載荷變化而變化。為簡化
向題的分析.以光滑圓柱亮體的計算模型來進行應力
分析，然后再根據試驗結果進行適當的修正。其計算
應力公式如下






    設柔輪筒體的微元體處于平面應力狀態，即受沿
筒體母線方向和圈周方向的正應力及由變形和扭轉產
生的切應力�？紤]到σ較小，引用系數K。來計及影
響。柔輪疲勞強度計算采用校驗雙向秘定變應力狀態
下的安全系數。
    因諧波齒輪傳動在工作時.柔輪筒體處于變應力
狀態，正應力荃本上呈對稱變化，而切應力呈脈動變


柔輪強度計算舉例
    例2設計一諧波齒輪傳動，要求傳動比i= 100,
輸出轉矩M1=500N·m。無沖擊負荷，一天工作8-
10b,輸人電動機轉速3000r/min。并校驗其強度。
    解
    (1)求柔輪分度圓直徑與波高
    無沖擊負荷，一天工作8-10b，由圖9.4-4注可
知，承載能力修正系數為1.0。并由此圖求得柔輪分
度圓直徑及波高為

    (2)柔輪與剛輪齒數的確定
    由傳動比i=100，并選定波發生器輸入，剛輪固
定，柔輪輸出,波數n=2時

    (3)計算齒形幾何參數
    采用諧波齒輪刀具加工，則由表9.4-4求得齒形
的各種幾何參數

    (4)柔輪結構參數的確定
由表9.4-6可求得柔輪壁厚、柔輪亮體中性層半
徑及柔輪長度

    (5)選擇波發生器形式
    選用凸輪廓線為四力作用彈性曲線的薄壁軸承積
極式波發生器。


(10)結論
柔輪旋勞強度滿足要求。
柔輪材料
    柔輪承受較大的交變應力，在起動時沖擊負荷較
大.為此對材料的選擇提出了更離的要求。
    疲勞斷裂主要經過生核、擴展與斷裂3個階段，
且裂紋一般都在表面形成，然后向內部擴展。選擇的
材料最好使其既不易生核又要使裂紋擴展速率最低，
使裂紋擴展到更大范圍時才進行最后斷裂。這可通過
選擇強度和沖擊韌度都高的材料來達到.一般而言，
提高了強度，沖擊韌度就降低了。另一途徑是通過表
面強化，減少表面缺陷和改餐表面應力狀態，阻礙疲
勞裂紋在表面生核，此外還可使零件的中心具有強度
和沖擊韌度的良好配合，降低疲勞裂紋的擴張速率
da/dN,
    選擇材料時，應提高材料的純度之要求原始坯料
中存在的雜質、非金屬夾雜物必須很少，偏析值也很
小，且不得有白點存在)、減小晶粒度及適當提高材
料的硬度。這對周于高循環疲勞的柔輪來講是有益
的。
    一般推薦采用含碳量(質雖分數)為35%-
40%的鉻翎系列鋼種。見表9.4-9、表9.4-10.




柔輪的坯料加工及熱處理
    柔輪坯料通常為鍛打，鍛打時應盡量使金屬纖維
方向成為環形，這有利于提高柔輪疲勞強度。
    采用熱模鍛成形的方法�？墒咕Я６冗_到8級，
材料的強度與疲勞強度均得到提高，加工余量較少。
    采用壓模中冷擠壓成形的方法，能提高成形精
度，機加工量極少，材料利用率達90%一95%，與
熱模鍛相比可減少加工里30% -40%。零件的尺寸
精度在2~3級。表面粗糙度低。此外，采用這種冷
擠壓成形時，根據材料的塑性變形程度，材料的抗拉
強度增加0.5~1倍，而屈服極限增加1~1.5倍，從
而顯著地提高了所加工零件的力學性能。
    采用金屬強力旋壓技術。材料經強力旋壓后，其
組織結構與力學性能均發生變化，晶粒細化并形成具
有連續纖維狀的特性，強度可提高60%一90%,硬
度可提高20% -30%，伸長率則有所降低，可在同
一制品上獲得多種不同的力學性能。旋壓后產品的粗
糙度得到很大改善，柔輪壁厚的均勻度可在0.02mm
以下。與機加工相比可節省材料20%一30%，有的
材料利用血可達90%。金屬旋壓有自檢作用，在旋
壓過程中坯料的夾渣、裂紋等缺陷會自行暴露。從而
提商了零件使用的可靠性�，F已有各種規格的柔輪批
量生產。
    柔輪毛坯經旋壓形變強化之后，再進行恰當的相
變熱處理，使兩者有機地相結合，材料的綜合力學性
能在形變強化的墓礎上又進一步強化。
    對于筒形柔輪可采用焊接方法來改替工藝。焊口
位置應設計在靠近簡底的圖周上。推薦選用徽束等離
子弧焊及鴿極紐弧焊。
    柔輪可采用等溫淬火的熱處理工藝,等沮淬火適
合于處理第一類回火脆性較嚴重的鋼材，如
30CrMnSiA, 4OCTMnMoA, 30CrMnSi,等鋼種。等溫
淬火后，若柔輪的硬度高于規定時，不允許采用在較
高沮度下回火的方法來降低硬度，因為這樣會使沖擊
韌度大大降低。這時可提高等沮溫度重新淬火。
    裂紋通常在表面產生，并向內部擴展，可采用各
種表面強化和表面處理工藝，以求得具有離強度及殘
余壓應力的表面，提高疲勞壽命。采用氣體軟氮化工
藝時.工件變形量小，使疲勞強度得到提高(一般
來說，杭拉強度提高的幅度:碳鋼為60%一80%，
低碳合金鋼為30% -50%)，而且耐磨(比淬火回火
處理提高三倍)，發熱及抗攘傷被合的性能也有較大
的改善。氮化引人殘余壓應力，還有抵翻有害環境的
保護作用。
    冷滾壓也可在表面引人殘余壓應力，既改善了表
面缺陷的情況，又使零件的表面粗樁度得到降低。
    當然還可采用低碳馬氏體、形變熱處理、輝光離
子氮化及滲金屬處理等新工藝。
(責任編輯：laugh521521)

文章分享：