柔轮和谐波减速器的制作方法

1.本技术涉及减速器技术领域，具体涉及一种柔轮和谐波减速器。


背景技术：

2.谐波减速器是齿轮减速器的一种，谐波减速器主要由三大件组成：刚轮、柔轮和波发生器，三者缺一不可。其中，波发生器由凸轮和柔性滚动轴承组成，凸轮轮毂为椭圆曲线。由于谐波减速器结构独特，与一般齿轮减速器相比，具有传动比大且范围宽、啮合齿数多、承载能力大、结构简单、体积小、重量轻、传动平稳、无冲击、传动效率高、传动精度高等特点，因此广泛运用于航空航天、仿生机械、精密传动等行业。
3.柔轮作为谐波减速器中最为薄弱也是最易发生疲劳破坏的零件，其结构形式对柔轮的承载与寿命影响很大。柔轮作为弹性变形体，在凸轮轮毂强制变形力的作用下，呈交变应力状态，在变形区过渡区域容易产生应力集中，载荷应力分布不均的现象。柔轮的疲劳破坏主要是由于弯曲应力的结果，与柔轮周期性变形的工作原理有关。柔轮常用的结构有杯形、礼帽型、筒形等，其中以杯形柔轮结构最为复杂且存在严重的应力集中现象，导致柔轮极易发生疲劳破坏。目前杯形柔轮常用筒体结构为直筒型，虽然会在筒体与筒底区域采用圆弧过渡，但是仍然存在应力集中现象。


技术实现要素：

4.因此，本技术要解决的技术问题在于提供一种柔轮和谐波减速器，能够有效改善柔轮底部应力集中现象，提高抗疲劳能力，提高柔轮承载能力。
5.为了解决上述问题，本技术提供一种柔轮，柔轮呈碗形结构，柔轮包括直筒段、收缩段和底部法兰，收缩段包括沿直筒段的轴向依次设置的第三圆弧段、第一圆弧段和第二圆弧段，第二圆弧段和第三圆弧段均为外凸圆弧，第三圆弧段与直筒段连接，底部法兰设置在第二圆弧段的末端。
6.优选地，第一圆弧段为内凹圆弧或外凸圆弧。
7.优选地，直筒段的外周设置有柔性齿，直筒段的壁厚s＝25
×
(3 0.01
×
z)
×
d1
×
10^
‑
4，其中z为柔性齿齿数，d1为柔性齿的分度圆直径。
8.优选地，收缩段的壁厚为s1，直筒段的壁厚为s，s1＝(0.65～0.95)
×
s。
9.优选地，第一圆弧段的半径大于第二圆弧段和第三圆弧段的半径，第二圆弧段和第三圆弧段的半径相等。
10.优选地，第一圆弧段的半径r1＝(0.2～0.4)
×
d，第二圆弧段的半径r2＝(0.1～0.15)
×
d，第三圆弧段的半径r3＝(0.1～0.15)
×
d，其中d为直筒段的内孔直径。
11.优选地，第一圆弧段的半径为r1，第二圆弧段的半径为r2，r1＝(2～2.8)
×
r2。
12.优选地，在经过柔轮的中心轴线的截面内，第三圆弧段的圆心与直筒段远离收缩段的端面的距离为l3，第三圆弧段的圆心与底部法兰朝向直筒段的端面的距离为l4，l3＝(1.0～1.25)
×
l4。
13.优选地，在经过柔轮的中心轴线的截面内，第三圆弧段与直筒段连接的内侧壁端点和第二圆弧段与底部法兰连接的内侧壁端点之间的连线为第一连线，第一连线与底部法兰的端面之间的夹角范围为45
°
～65
°
。
14.优选地，第三圆弧段与直筒段通过第一过渡部过渡连接，第二圆弧段与底部法兰通过第二过渡部过渡连接，第一过渡部沿着靠近第三圆弧段的方向厚度递减，第二过渡部沿着远离第二圆弧段的方向厚度递增。
15.优选地，直筒段的外周设置有柔性齿，第一过渡部包括位于外周的第一过渡圆弧，第二过渡部包括位于外周和/或内周的第二过渡圆弧，第三圆弧段与柔性齿的外周壁之间通过第一过渡圆弧过渡连接，第二圆弧段与底部法兰之间通过第二过渡圆弧过渡连接。
16.优选地，第一过渡圆弧的半径为r4，第二过渡圆弧的半径为r5，r4＞r5。
17.优选地，第二圆弧段的半径为r2，r4＝(1.6～2.0)
×
r2，r5＝(0.25～0.5)
×
r2。
18.优选地，底部法兰包括轴向凸缘，轴向凸缘至少部分向直筒段所在端凸出。
19.根据本技术的另一方面，提供了一种谐波减速器，包括柔轮，该柔轮为上述的柔轮。
20.本技术提供的柔轮，呈碗形结构，柔轮包括直筒段、收缩段和底部法兰，收缩段包括沿直筒段的轴向依次设置的第三圆弧段、第一圆弧段和第二圆弧段，第二圆弧段和第三圆弧段均为外凸圆弧，第三圆弧段与直筒段连接，底部法兰设置在第二圆弧段的末端。该柔轮为碗形结构，碗口端呈直筒状，位于碗底端的收缩段包括多个依次连接的圆弧段，使得收缩段整体呈现收缩状结构，且相邻的圆弧段之间采用相切结构，形成良好的连接性能，减弱柔轮筒部处的强制变形影响，利用圆弧段与底部法兰连接形成的弧形连接结构，减弱筒部与底部法兰交接处应力集中，提高筒部承载抗弯曲的承载能力，减小弯曲应力，提高柔轮筒部刚性，减少柔轮变形的位移、应变值，提高柔轮疲劳强度，增加柔轮疲劳寿命，提高谐波减速器的承载能力。
附图说明
21.图1为本技术一个实施例的柔轮的结构尺寸关系示意图；
22.图2为本技术一个实施例的柔轮的结构示意图；
23.图3为本技术一个实施例的柔轮的结构示意图；
24.图4为本技术一个实施例的柔轮的结构示意图；
25.图5为本技术一个实施例的柔轮的结构示意图；
26.图6为本技术一个实施例的柔轮的侧视结构图；
27.图7为本技术一个实施例的柔轮的侧视结构图。
28.附图标记表示为：
29.1、直筒段；2、收缩段；3、底部法兰；4、第一圆弧段；5、第二圆弧段；6、第三圆弧段；7、柔性齿；8、第一过渡部；9、第二过渡部；10、轴向凸缘。
具体实施方式
30.结合参见图1至图7所示，根据本技术的实施例，柔轮呈碗形结构，柔轮包括直筒段1、收缩段2和底部法兰3，收缩段2包括沿直筒段1的轴向依次设置的第三圆弧段6、第一圆弧
段4和第二圆弧段5，第二圆弧段5和第三圆弧段6均为外凸圆弧，第三圆弧段6与直筒段1连接，底部法兰3设置在第二圆弧段5的末端。
31.该柔轮为碗形结构，碗口端呈直筒状，位于碗底端的收缩段2包括多个依次连接的圆弧段，使得收缩段2整体呈现收缩状结构，且相邻的圆弧段之间采用相切结构，形成良好的连接性能，减弱柔轮筒部处的强制变形影响，利用圆弧段与底部法兰3连接形成的弧形连接结构，减弱筒部与底部法兰3交接处应力集中，提高筒部承载抗弯曲的承载能力，减小弯曲应力，提高柔轮筒部刚性，减少柔轮变形的位移、应变值，提高柔轮疲劳强度，增加柔轮疲劳寿命，提高谐波减速器的承载能力。
32.上述的筒部包括直筒段1和收缩段2，底部法兰3设置在筒部的底部。
33.采用本技术的碗形结构的柔轮与相关技术中的柔轮的仿真数据见下表所示：
34.solidworks仿真分析数据相同壁厚、相同工况
35.结构应力值mpa)位移值mm应变值mm碗形结构柔轮1.632e 024.238e
‑
026.828e
‑
04传统结构柔轮2.128e 022.376e
‑
017.666e
‑
04优化之百分比23.3％82.2％10.9％
36.由上述数据对比可以看出，采用本技术实施例的碗形结构柔轮，相比于相关技术的柔轮而言，应力值为163.2mpa，比传统结构值212.8mpa减少23.3％、位移值变形值为0.04238mm，比传统结构0.2376mm减少82.3％、应变值为0.0006828mm，比传统结构0.0007666mm减少10.9％，柔轮筒部总体变形、应力改善效果明显，承载能力显著提高。
37.在本实施例中，收缩段2与直筒段1以及底部法兰3在连接位置处均为光滑曲面过渡连接，收缩段2自身的多个圆弧段之间在连接位置处相切，形成光滑的过渡曲面，使得筒体的侧壁结构的形态更加圆滑，应力更小。
38.在一个实施例中，第一圆弧段4为内凹圆弧或外凸圆弧。
39.在一个实施例中，直筒段1的外周设置有柔性齿7，直筒段1的壁厚s＝25
×
(3 0.01
×
z)
×
d1
×
10^
‑
4，其中z为柔性齿7齿数，d1为柔性齿7的分度圆直径。能够使得获得的直筒段1的壁厚合适，不仅结构强度好，而且应力更小。
40.在一个实施例中，收缩段2的壁厚为s1，s1＝(0.65～0.95)
×
s。
41.在一个实施例中，第一圆弧段4的半径大于第二圆弧段5和第三圆弧段6的半径，第二圆弧段5和第三圆弧段6的半径相等，可以使得收缩段2在结构上更加对称均匀，且形成的碗底结构强度适中，更加适用于柔轮的结构变形。
42.在一个实施例中，第一圆弧段4的半径r1＝(0.2～0.4)
×
d，第二圆弧段5的半径r2＝(0.1～0.15)
×
d，第三圆弧段6的半径r3＝(0.1～0.15)
×
d，其中d为直筒段1的内孔直径，能够合理限定碗底结构的取值范围，减小了取值的波动范围，提高碗底结构的均匀性，提高柔轮的变形能力，减小变形应力。
43.在一个实施例中，第一圆弧段4的半径为r1，第二圆弧段5的半径为r2，r1＝(2～2.8)
×
r2。
44.在一个实施例中，在经过柔轮的中心轴线的截面内，第三圆弧段6的圆心与直筒段1远离收缩段2的端面的距离为l3，第三圆弧段6的圆心与底部法兰3朝向直筒段1的端面的距离为l4，l3＝(1.0～1.25)
×
l4。
45.在一个实施例中，在经过柔轮的中心轴线的截面内，第三圆弧段6与直筒段1连接的内侧壁端点和第二圆弧段5与底部法兰3连接的内侧壁端点之间的连线为第一连线，第一连线与底部法兰3的端面之间的夹角范围为45
°
～65
°
。优选地，第一连线与底部法兰3的端面之间的夹角为55
°
。该夹角的角度过大容易导致柔性齿部长度变短，柔性齿性能不足，角度过小，容易导致碗部长度变短，变形能力变差，不能满足柔轮工作过程中的形变能力需求。
46.在一个实施例中，第三圆弧段6与直筒段1通过第一过渡部8过渡连接，第二圆弧段5与底部法兰3通过第二过渡部9过渡连接，第一过渡部8沿着靠近第三圆弧段6的方向厚度递减，在与第三圆弧段6的连接位置处与第三圆弧段6等壁厚，第二过渡部9沿着远离第二圆弧段5的方向厚度递增，在与底部法兰3连接的位置处与底部法兰3等壁厚。由于收缩段2的厚度与直筒段1的厚度不同，且收缩段2的厚度与底部法兰3的厚度也不同，因此，如果直接将收缩段2与直筒段1或者收缩段2与底部法兰3连接，由于厚度差的存在，容易导致连接位置的应力集中，当采用厚度变化的过渡段实现连接位置处的平滑过渡连接时，能够有效地解决该问题，避免发生应力集中现象。
47.在一个实施例中，底部法兰3包括轴向凸缘10，轴向凸缘10至少部分向直筒段1所在端凸出。该结构中，轴向凸缘10的至少部分位于筒部内侧，在底部法兰3的轴向长度不变的情况下，可以减小柔轮的轴向总体长度，进而能够减小谐波减速器的轴向总体长度。
48.在一个实施例中，轴向凸缘10全部向直筒段1所在端凸出。
49.在一个实施例中，轴向凸缘10的一部分向直筒段1所在端凸出，另一部分向远离直筒段1的一端凸出，使得轴向凸缘10的一部分位于筒部内，另一部分位于筒部外。
50.在一个实施例中，直筒段1的外周设置有柔性齿7，第一过渡部8包括位于外周的第一过渡圆弧，第二过渡部9包括位于外周和/或内周的第二过渡圆弧，第三圆弧段6与柔性齿7的外周壁之间通过第一过渡圆弧过渡连接，第二圆弧段5与底部法兰3之间通过第二过渡圆弧过渡连接。
51.在本实施例中，由于直筒段1与收缩段2的内周壁是共面结构，因此此处无需考虑连接问题，而直筒段1的外壁与收缩段2的外壁并未位于同一高度，因此只需要实现直筒段1的外壁与收缩段2的外壁平滑过渡连接，就可以解决直筒段1与收缩段2在连接位置处的应力集中问题。
52.而对于收缩段2与底部法兰3的连接位置而言，底部法兰3的轴向凸缘10的设置位置决定了收缩段2与底部法兰3的轴向凸缘10的过渡连接关系。例如当轴向凸缘10完全向筒部内侧凸出时，则第二过渡圆弧位于第二过渡部9的内周侧；当轴向凸缘10完全向筒部外侧凸出时，则第二过渡圆弧位于第二过渡部9的外周侧；当轴向凸缘10同时向筒部外侧和筒部内侧凸出时，则第二过渡圆弧位于第二过渡部9的内周侧和外周侧。
53.在一个实施例中，第一圆弧段4下凹，第一圆弧段4的圆心位于第二圆弧段5的末端端点的切线延长线上。
54.在一个实施例中，第一过渡圆弧的半径为r4，第二过渡圆弧的半径为r5，r4＞r5。由于齿部末端与柔轮筒部在结合位置处的应力大于收缩段2与底部法兰3在结合位置处的应力，因此，使得第一过渡圆弧的半径大于第二过渡圆弧的半径，能够使得圆弧半径更好地适配并改善结构应力。
55.在一个实施例中，第二圆弧段5的半径为r2，r4＝(1.6～2.0)
×
r2，r5＝(0.25～0.5)
×
r2。在本实施例中，r4为齿部末端与柔轮筒部的过渡圆弧段，能够有效改善该处结构的应力，避免尖角产生应力集中现象，提高抗疲劳强度；r5为筒部与法兰底部的过渡圆弧，能够有效改善该处结构的应力，避免尖角产生应力集中现象，提高抗疲劳强度。
56.在一个实施例中，底部法兰3的中部设置有通孔，通孔与输出构件连接，通孔的周侧设置有连接孔，连接孔在通孔的周侧均布。
57.在一个实施例中，底部法兰3的中部通孔为正多边形结构或者花键结构，能够方便与输出构件之间实现转动驱动连接。
58.在一个实施例中，在经过柔轮的中心轴线的截面内，以碗口端面与中心轴线的交点为圆心，第一圆弧段4下凹，第一圆弧段4的圆心坐标为(l
‑
l2 s1，1.25
×
d1/2)。
59.在一个实施例中，碗形结构的柔性齿有效长度l1＝(0.3～0.4)
×
l，底部法兰3的轴向长度为l2＝(0.06～0.1)
×
l，l为碗形结构柔轮的总的轴向长度。
60.根据本技术的实施例，谐波减速器包括柔轮，该柔轮为上述的柔轮。
61.本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
62.以上仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。以上仅是本技术的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本技术的保护范围。