谐波齿轮减速器的工作原理

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之前发过一个关于谐波减速器的视频，大家比较喜欢，所以发文详细讲讲，希望大家能够喜欢。

Harmonic Drive谐波齿轮装置采用基于金属弹性力学的独特工作原理。与其他齿轮相比，最大的好处是零背隙特性，以及重量和空间的节省，因为这个齿轮机构仅由三个基本部件组成。它们是：Wave Generator（波发生器） 、Flexspline （柔轮）和Circular Spline（钢轮） 。

主要组件

这种简单的三元件结构与独特的工作原理相结合，可在非常紧凑和轻便的外壳中实现极高的减速比。齿轮的尺寸和重量均不随减速比而变化。这种齿轮技术的高性能属性，包括零背隙、高扭矩、紧凑的尺寸、出色的定位精度和可重复性，都是独特工作原理的结果。

谐波减速器动画

具体说说这三个部件：

其中波发生器由一个专门设计的薄滚珠轴承组成，该轴承安装在椭圆轮毂上。这用作高效变矩器并用作齿轮的输入连接到电机轴。Wave Generator 插头的外表面呈椭圆形，经过精心加工以达到精确的规格。波发生器通常用作输入，通常连接到伺服电机。

Flexspline（柔轮） 是一个由合金钢制成的薄圆柱形杯，杯的开口端有外齿。Flexspline 径向柔顺，但扭转得非常僵硬。当波发生器插入 Flexspline 时，齿轮呈椭圆形。Flexspline 用作输出并连接到输出法兰。

注意：虽然钢制 Flexspline 在正常运行期间会弯曲，但无需担心疲劳失效。产生的应力远低于材料的耐受极限。因此，当根据目录等级使用时，Flexspline 将实现很长的寿命。

圆形刚轮是带有内齿的刚性环。当齿轮组装好时，它与波发生器椭圆长轴上的 Flexspline 的齿啮合。这种啮合就像一个同心圆内接的椭圆。在数学上，一个内接椭圆将在两个点和一个圆接触。然而，轮齿具有有限的高度。所以实际上有两个牙齿啮合区域（而不是两个点）。圆花键比柔性花键多两个齿，并固定在齿轮箱上。

是怎么运动的？

下面是一个夸张的二维图，展示了三个齿轮元件如何啮合和旋转。

柔性齿轮的直径略小，齿数比圆形刚轮少两个。波发生器的椭圆形状使柔性齿轮的齿在椭圆长轴上的两个相对区域与刚轮啮合。波形发生器每顺时针旋转 180 度，柔轮的齿相对于刚轮逆时针前进一个齿。Wave Generator （波形发生器）的每一次顺时针旋转都会导致 Flexspline （柔轮）相对于 Circular Spline（刚轮） 从其原始位置逆时针移动两个齿。由于齿轮齿始终在沿主轴的区域内完全啮合，Harmonic Drive 谐波齿轮具有零背隙。

运动过程

采用 S 齿设计的卓越齿轮性能

Harmonic Drive 开发了一种独特的齿轮齿形，可优化齿轮齿的啮合。它具有 S 齿形独有的特殊曲面，可与齿形连续接触。它还通过根据齿轮齿厚加宽齿槽宽度和扩大底部半径来缓解应力集中。这种齿形可以同时实现多达 30% 的总齿数。此外，与渐开线齿相比，大齿根半径增加了齿强度。这种技术创新可实现高扭矩、高扭转刚度、长寿命和平稳旋转。

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