谐波减速器全部知识

一、谐波减速器的定义与结构

谐波减速器是一种减速装置，主要由柔轮、刚轮及波发生器三个构件组成，在某些定义下还包括柔性轴承，它是基于谐波传动原理工作的元件，是上世纪50年代后期发展出的一种新型齿轮传动方式，依靠波发生器与柔轮装配后，在旋转过程中迫使柔轮产生弹性变形与刚轮齿圈啮合来传递运动和动力。

二、谐波减速器的工作原理

1.结构组成与初始状态

谐波减速器由刚轮（带有内齿圈的刚性齿轮）、柔轮（带有外齿圈的柔性齿轮）和波发生器三个主要构件组成。波发生器是主动件，刚轮和柔轮之一为从动件，另一个为固定件。刚轮是一个刚性的内齿轮，柔轮是一个容易变形的薄壁圆筒外齿轮，它们一同具有三角形（或渐开线）的齿形，且两者的周节相等，但刚轮比柔轮多几个齿（通常为两齿）。在未装配前，柔轮及其内孔呈圆形，当波发生器装入柔轮的内孔后，由于波发生器的长度略大于柔轮的内孔直径，柔轮撑成椭圆形，迫使柔轮在椭圆的长轴方向与固定的刚轮完全啮合，在短轴方向完全分离，其余各处的齿视柔轮回转位置的不同，或者处于啮入状态，或者处于啮出状态。

2.转动过程与减速实现

当波发生器转动时（例如波发生器逆时针转动），由于刚轮固定，柔轮作顺时针转动。当波发生器连续回转时，柔轮长轴和短轴及啮入、啮出的位置随之不断变化，柔轮齿由啮入转向啮出，又啮合转向啮出，由啮出转向脱开，如此，啮入、啮合、啮出、脱开、啮入、啮合……往复循环，迫使柔轮连续转动。柔轮随着波发生器转动过程中，其中一个齿从与刚轮的一个齿啮合到再一次与刚轮上的这个齿相啮合时，柔轮恰好旋转一周，而此时波发生器旋转了很多圈，波发生器的旋转圈数与柔轮旋转圈数（1圈）之比，即为谐波齿轮减速器的减速比，所以其减速比很大。在整个运动过程中，柔轮的变形在柔轮圆周的展开图上是连续的简谐波形，因此，这一传动称之为谐波齿轮传动。

三、谐波减速器的种类

根据特殊性能需求，有超薄型、高扭矩型谐波减速器等系列。

四、谐波减速器的精度

1.精度衡量指标 谐波减速机精度等级主要根据传动误差和空程来衡量。

2.精度等级分类 传动误差小于等于30弧秒属于高精密级减速器，用大写字母A表示，属于A级；传动误差大于30弧秒小于等于1弧分属于精密级减速器，用大写字母B表示，属于B级；传动误差大于1弧分小于等于3弧分属于普通级减速器，用大写字母C表示，属于C级。

五、谐波减速器的优缺点

1.优点

承载能力高：这是因为谐波齿轮传动中同时啮合的齿数多，双波传动同时啮合的齿数可达总齿数的30%以上，而且柔轮采用了高强度材料，齿与齿之间是面接触。 传动精度高：谐波齿轮传动中同时啮合的齿数多，误差平均化，即多齿啮合对误差有相互补偿作用，故传动精度高。在齿轮精度等级相同的情况下，传动误差只有普通圆柱齿轮传动的1/4左右。同时可采用微量改变波发生器的半径来增加柔轮的变形使齿隙很小，甚至能做到无侧隙啮合，故谐波齿轮减速机传动空程小，适用于反向转动。 传动效率高、运动平稳：由于柔轮轮齿在传动过程中作均匀的径向移动，因此，即使输入速度很高，轮齿的相对滑移速度仍是极低（故为普通渐开线齿轮传动的百分之—），所以，轮齿磨损小，效率高（可达69% - 96%）。又由于啮入和啮出时，齿轮的两侧都参加工作，因而无冲击现象，运动平稳。 结构简单、零件数少、安装方便：仅有三个基本构件，且输入与输出轴同轴线，所以结构简单，安装方便。 体积小、重量轻：与一般减速机比较，输出力矩相同时，谐波齿轮减速机的体积可减小2/3，重量可减轻1/2。 可向密闭空间传递运动：利用柔轮的柔性特点，轮传动的这一可贵优点是现有其他传动无法比拟的。

2.缺点

柔轮易疲劳破坏：柔轮周期性地发生变形，因而产生交变应力，使之易于产生疲劳破坏。 转动惯量和起动力矩大：不宜用于小功率的跟踪传动。 传动速比限制：不能用于传动速比小于35的场合。 瞬时传动比问题：采用滚子波发生器（自由变形波）的谐波传动，其瞬时传动比不是常数。 散热条件差：在工作过程中散热相对困难。 六、谐波减速器的应用范围 1.工业机器人领域 在工业机器人和协作机器人领域应用需求较高，在多关节型机器人和SCARA机器人对于谐波减速器需求量高，平均每台机器人需3台谐波减速器。在中国制造2025政策的支持下，我国机器人行业快速发展，2020年我国工业机器人产量约为23.7万台，对于谐波减速器的需求量约为68.6台左右。预计未来几年中国机器人行业仍将保持快速发展，国内谐波减速器市场发展潜力巨大。 2.其他高端设备领域 除了机器人领域以外，谐波减速器还能够在数控机床、医疗器械、航空航天等高端设备领域得到应用，也广泛应用于服务机器人、机械臂、纸箱包装机械、测量/分析/试验机器、大型望远镜、电缆制造设备精密包装机械、气象设备、高级仪器仪表等，还在航空、航天、能源、航海、造船、仿生器械、常用军械、器床、仪表、电子设备。

审核编辑 黄宇