全平衡滚子链谐波传动的设计研究

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谐波传动技术被认为是机械传动中的-项重大突破，具有结构简单、传动效率高和单级传动比大等优点，广泛应用于卫星、机器人、数控机床等领域↑些年，国内外学者通过大量的研究，在提高传动效率率和传动比范围的基础上，改进了制造工艺、降低了生产成本，目前常见的谐波传动装置有谐波链传动、谐波摆线链传动和活齿谐波传动等。基于全平衡滚子链谐波传动机理与承载能力研究”的研究成果，针对传统谐波传动由于在承载性、性价比和制造难度等方面的制约，难以在-般工业领域中推广的难题，介绍-种全平衡滚子链谐波传动工作原理，并给出设计计算方法。

2全平衡滚子链谐波传动工作原理2.1机构及结构创新设计全平衡滚子链谐波传动通过机构及结构创新构思，提高大传动比传动机械的承载能力，为谐波传动适用于常规机械传动领域提供-种新的思路～滚子链引入谐波传动中，利用滚子链环的径向柔性和周向刚性的特点，用双排滚子链环取代传统谐波传动中的柔轮，变柔轮的材料宏观弹性变形为滚子链环的构件相对运动，从而解决传统谐波传动的柔轮制造困难、需要专用设备等问题。通过双排滚子链环，实现减速与输出的机构复合与功能同步，从而解决传统渐开线少齿差和摆线针轮两种加速器因输出机构制造精度要求高而引起的问题。通过几何结构上的静、动态平衡设计和啮合副间的凹凸接触等，避免了传统谐波传动中固有的动态不平衡缺陷，有机整合了常见谐波传动的优点，使传动性能得到旧能的改善。

2-2啮合传动原理全平衡滚子链谐波传动与常见谐波齿轮传动的传动原理类似，只是将普通的柔轮-刚轮副换为滚子链-刚轮副，主动轴旋转时，波发生器在滚子链(柔轮)内连续不断的旋转，迫使滚子链(柔轮)不断产生挠性变形，于是，滚子链(柔轮)的轮齿就在变形的过程中逐渐进入或退出刚轮的齿间。两轮轮齿的啮入、啮合、啮出、脱开这四种状态不断的改变各自原来的工作情况，而产生所谓的错齿运动。正是由于这种相互的错齿运动，才把输入运动变成为来稿日期：2012-09-11基金项目：浙江省自然基金项目(Y105576)作者简介：吴央芳，(1974-)，浙江慈溪人，副教授，主要研究方向：机械产品的CAD/CAM设计；孙树礼，(1964-)，黑龙江鸡西人，教授，主要研究方向：机械产品的 CAD/CAM设计第 7期 吴央芳等：全平衡滚子链谐波传动的设计研究 23输出运动，而达到传递运动和动力的目的。下面以滚子链三谐波传动机构为例来说明啮合传动原理。

1.行星架 2.滚子链 3.三齿差齿圈 4.波轮 5.导弧图 1滚子链三谐波传动机构Fig.1 Three Harmonics Drive with Roller Chain滚子链三谐波啮合传动机构的减速传动部分，如图 1所示。

由行星架 、滚子链环 2、j齿差齿罔3、波轮 4和导弧 5构成。波发生器以角速度 .回转时，双排滚子链环的-排滚子中处于波峰上的滚子与固定的摆线内齿圈4啮合，内齿圈4的齿数比滚子链环 2的链节数多i个齿。当波发生器回转-周时，滚子链环按∞ 方向(与 。的方向相反)转过三个链节，构成三齿差减速传动。

滚子链i谐波啮合传动机构的同步输出部分，如图2所示。由行星架 l、滚子链环 2、波轮4、导弧 5和零齿差齿圈 6构成。双排滚子链环上的另-排滚子中处于波峰上的滚子与固定在输出轴上的摆线内齿圈3啮合传动。内齿圈3的齿数与滚子链环2的链节数相等，从而实现零齿差同步输出的功能。

1.行星架 2.滚子链 4.波轮 5.导弧 6.零齿差齿圈图2滚子链三谐波同步输出机构Fig.2 The Synchronous Output Mechanism滚子链三谐波啮合传动机构中的三个波峰以 1 20。方式均匀分布。非波峰位置上的滚子由安装在行星架上的三块导弧支撑，它的圆弧的半径大写滚子链环能够被充分撑开但留有-定的松弛度计算确定。滚子链三谐波啮合传动机构在结构上满足了动态平衡要求。

3设计框架t 全平衡滚子链谐波传动的设计计算主要包括基本结构参数设计、波峰波谷控制参数设计和齿圈齿廓坐标计算。设计计算流程，如图3所示。

设计要求与原始数据基本结构参数没计波峰波符参数与宽松量控制的设计齿罔齿廓坐标计算图3设计计算流程图Fig.3 The Flow Chart of Design and Calculations4滚子链谐波传动的设计计算4.1基本结构参数的设计滚子链谐波传动基本结构参数的设计，包括传动比、滚子链节数、齿圈齿数、滚子链型号和波轮基本参数的计算和确定。

4.1.1传动比的设计位于谐波波谷区域的滚子在导弧 5上滚动，导弧与行星架 1固连。固定的内齿圈3与滚子 2啮合，它的齿数z 比滚子链环的链节数 (即滚子数)多 3。当行星架回转-周时，由于滚子与内齿圈的齿廓依次啮合，滚子链环逆向转过三个链节。因此行星架1与滚子链环 2的传动比为：12-- L (1)4.1.2链节及齿圈的设计根据已知条件和传动比公式(1)，可分别得出链节数 三齿差齿圈的齿数 滚子链的链节数 零齿差齿圈的齿数 可按给定的传动比和谐波数 1，求得：Z6：H i 。 - (2)4.1.3滚子链及主要参数根据国家标准选定双排滚子链的型号，即可确定滚子链环的链节距P、滚子外圆半径 R，等主要参数和尺寸。

4.1.4波峰与波轮基本参数对于由 个链节构成的滚子链圆环，其滚子中心的分布圆半径 R 可由下式求得： R 赢 )为了使滚子与内齿圈啮合，形成谐波的波峰啮合区，在波峰上的滚子中心至行星架回转中心的距离为： R 4kR (4)其中，波幅系数 k可在(0.8-1.5)范围内选取，条件是要保证在谐波的波谷位置上的滚子与齿圈之间不发生运动干涉。

如图4所示，波轮的齿数为 波轮上滚子的中心圆半径为波轮节圆半径 ，按下式计算：R Pf m1 (5)4.2波峰波谷参数与宽松量控制的设计 在全平衡滚子链谐波传动中，谐波波峰区域的滚子与齿圈的齿廓啮合，实现减速和同步输出功能；在波谷区域，滚子相对于齿圈作相对圆周运动。

为了便于计算，可把谐波传动曲线分为三部分 ：波峰区、波谷区和直线过渡区，滚子链环上的所有滚子分布在由这三部分所组成谐波传动曲线上。谐波传动曲线的总长度需要满足-定的条机 械设 计 与制 造No.7July.2013件，才能使机构正常传动：谐波传动曲线的总长度应小于滚子链的总长度，否则滚子链条无法首尾链接成环；若谐波传动曲线的总长度太小，则链条太松，影响传动质量。波峰半径 R 可由式(4)确定，因而波谷区导浑径R 的大婿定了谐波曲线的总长度。

如图4所示 ，三谐波滚子链环可分成六个相同的区段 ，每段由圆弧AB、直线 BC和圆弧 CD组成，每段对应的中心角为6O。：圆弧ABR · (6)直线 BC(R。-R4)sinb (7)圆弧 cDR ·( -0) (8)其中， 可由下式得出：q，acosRv--R4 ) (9)件式：R <尺 O.5mm (I9)式中：尺t齿 圈的齿顶圆半径。

4.3齿圈齿廓坐标的计算如图 5所示，当行星架回转角度 时，波轮的节圆随之逆时针旋转，则在此过程中，波轮的节圆在此圈节圆上作纯滚动的弧长 BC由下式得出：圆弧 ∞ · (20)y。

其中， 按式(9)计算，于是可得滚子中心的三谐波曲线总长 0为：L26(ABBCCD) (10)图4三谐波滚子链环谐波传动曲线示意图FigA The Transmission Curve of Three Harmonic Roller Chain因为已知滚子链环的节距为P，链节数为孙 所以滚子链环总长度为：Lg2p (11)根据装配和运行质量要求，应满足宽松度条件 ：o<(L- 2)≤1.0mm (12)导浑径 R.为：R -R， (13)按式(11)确定滚子链的总长度，以式(12)为条件，采用数值计算方法求得R 值和R.。

宽松度的增量计算如下：在波轮上的链条节数 m 为：m4--(6AB/p) (14)每节链条的宽松度增量 A 为：A42R4arcsin(p/2R4)呻 (15)在导弧上的链条节数 m.为：m.6CD/p (16)每节链条的宽松度增量 △.为：△t2Rarcsin(p/2R )-p (1 7)总宽松度增量 △为：AmlAIm4△4 (18)为了避免在波谷区域的滚子与齿圈的齿顶干涉，应满足条幽 5齿 圈齿廓坐标计算 图解Fig.5 The Coordinate System of the Ring Gear节距差补偿量 CC 为：cc，：i 二 (21)滚子中心 C的位置矢量为：e Loa ei般4e (22)由图 5可知：(23)(24)将式(23)和(24)代入式(22)中，即得：。

(唔等 ) (25)齿圈的齿廓曲线是滚子中心轨迹的等距曲线，因此啮合点K的位置矢量可如下式求得 ： (26)于是可得 K点对应的直角坐标为：IxkL cos 般4COS( ) rCOS( 手) -I sin 嘏4sin( -y ) rsin( 手)5结束语全平衡滚子链谐波传动作为-种新型的谐波传动形式，用双排滚子链环取代传统谐波传动中的柔轮，并实现减速与输出的机构复合与功能同步，可解决传统谐波传动的制造成本、承载能力等制约性问题，使谐波传动由高端推向-般工业领域，有望在矿山、冶金、化工、纺织、轻工 、制药 、起重运输等行业以及高科技领域中的机械配套设备中得到应用。给出的设计计算方法可用于指导滚子链谐波传动的工程设计，其正确性已经过工业样机的验证。 (下转第27页)No.7July.201 3 机 械 设计 与 制 造实时监测束流限制器的温度。

4.5模拟入口测试室的模拟人口是根据 NBI与 EAST的接口设计，在入口处通有磁场，模拟中性束注入 EAST的过程，并测试中性束注入的再电离损失。在模拟入口上装有热电偶，以检验模拟入口是否有粒子束撞击。模拟入口由绝缘垫片、插板阀和波纹管组成。绝缘垫片使 EAST-NBI与多功能测试室电位隔离；波纹管使 NBI与测试室为柔性连接，便安装与调节；插板阀使 NBI与测试室保持独立的真空环境。

4.6 EAST-NBI与多功能测试室连接EAST-NBI与多功能测试室连接，如图 3所示。

EAST-NBI多功能测试室 EAST-NBI图3 EAST-NBI多功能测试室与EAST-NBI连接Fig.3 Connection of EAST-NBI Multi-FunctionTest Tank and EAST-NBI5结论EAST-NBI多功能测试室能满足各种不同工况的测试要求，根据测试室今后实验内容的不同，其具体工况包括：(1)NBI高热流负载部件测试。此时测试室需具备冷却水流量与温度监测、部件温度监测、部件位置调整等功能。主要测试：离子源、功率测量靶 、离子吞食器的原形件性能。(2)中性束注入 EAST模拟测试。

在 NBI装置完成建设后，利用测试室模拟中性束注入 EAST等离子体的工作条件，测试其再电离损失、束阻塞、注入窗口热负荷等相关数据。(3)高热流性能测试。NBI装置建设后期，其束流强度大羞有较高的实验数据积累∩根据功能扩展需求，为其样品测试提供不同功率大小的束流，通过测试室开展材料的高热流性能测试。(4)设备真空性能测试。属于测试室后期功能扩展应用，主要指利用测试室大真空室、大真空密封面和完整的真空监测设备等条件，开展真空泵抽速标定、非标真空设备的检漏、材料放气率的测试等。