一种自平衡双激波凸轮双级并联平面活齿减速器

摘要

本发明提供一种自平衡双激波凸轮双级并联平面活齿减速器，包括输入轴、第一中心轮、第一内激波凸轮、第一活齿、第一外激波凸轮、第一滚柱、第二滚柱、第二外激波凸轮、第二活齿、第二内激波凸轮、第二中心轮、第三中心轮等。其传动机构采用双级并联形式，减速比计算方法更加复杂，但具备了更宽的减速比范围，同时，相同减速比的情况下，该构型具备更多的活齿个数，整机额定负载和抗冲击能力得到显著提升；采用了双激波凸轮的形式，即活齿同时与内、外两个激波凸轮啮合，从而实现了全齿啮合传力的效果；外激波凸轮外侧开有一圈滚柱槽，用于放置滚柱配重，从而降低整个机构的偏心质量，同时，滚柱提供了轴承的功能，增大了传动机构稳定性。

权利要求

1.一种自平衡双激波凸轮双级并联平面活齿减速器，包括输入轴、第一中心轮、第一内激波凸轮、第一活齿、第一外激波凸轮、第一滚柱、壳体、第一轴承、端盖、第一螺钉、第二滚柱、第二外激波凸轮、第二活齿、第二内激波凸轮、密封环、第二轴承、第三轴承、第二中心轮、密封圈、交叉滚子、第三中心轮、第二螺钉、定位销、塞子、紧定螺钉，其特征在于：所述的第一中心轮通过多个圆周均布的第二螺钉固定安装在壳体一侧上，端盖通过多个圆周均布的第一螺钉固定安装在壳体另一侧上；第二中心轮铰接在端盖上；端盖与第二中心轮之间装配有一圈密布的交叉滚子；密封圈固定安装在端盖上；输入轴两端分别通过一个第二轴承铰接在第一中心轮和第二中心轮上；第一中心轮、第二轴承和输入轴之间装配有一个密封环；第二中心轮、第二轴承和输入轴之间装配有一个密封环；第一内激波凸轮和第二内激波凸轮分别通过一个第三轴承铰接在输入轴上设置的偏心轴段上；第三中心轮通过第一轴承铰接在壳体内；第一外激波凸轮铰接在壳体内；多个第一滚柱铰接在第一外激波凸轮的圆周上，并与壳体内壁接触配合；第二外激波凸轮铰接在端盖内；多个第二滚柱铰接在第二外激波凸轮的圆周上，并与端盖内壁接触配合；第一中心轮、第一内激波凸轮、第一外激波凸轮和第三中心轮中间装配有等相位差分布的第一活齿，每个第一活齿同时与第一中心轮、第一内激波凸轮、第一外激波凸轮和第三中心轮上的活齿啮合副啮合；第二中心轮、第二内激波凸轮、第二外激波凸轮和第三中心轮中间装配有等相位差分布的第二活齿，每个第二活齿同时与第二中心轮、第二内激波凸轮、第二外激波凸轮和第三中心轮上的活齿啮合副啮合；塞子通过定位销和紧定螺钉固定安装在端盖上。

2.如权利要求1所述的一种自平衡双激波凸轮双级并联平面活齿减速器，其特征在于：活齿啮合副包括中心弦线滚道、激波弦线滚道和活齿直槽；第一内激波凸轮、第一外激波凸轮、第二内激波凸轮和第二外激波凸轮上的活齿啮合副为激波弦线滚道；第一中心轮、第二中心轮和第三中心轮上的活齿啮合副为中心弦线滚道或活齿直槽；与第一活齿啮合的第一中心轮和第三中心轮上的活齿啮合副同时包括中心弦线滚道和活齿直槽；与第二活齿啮合的第二中心轮和第三中心轮上的活齿啮合副同时包括中心弦线滚道和活齿直槽；第一内激波凸轮和第二内激波凸轮上的激波弦线滚道在第一内激波凸轮和第二内激波凸轮的外侧；

第一外激波凸轮和第二外激波凸轮上的激波弦线滚道在第一外激波凸轮和第二外激波凸轮的内侧。

3.如权利要求1所述的一种自平衡双激波凸轮双级并联平面活齿减速器，其特征在于：第一活齿和第二活齿均为空间旋转体；活齿啮合副表面与第一活齿和第二活齿的外表面完全贴合、部分贴合或相切。

4.如权利要求2所述的一种自平衡双激波凸轮双级并联平面活齿减速器，其特征在于：活齿直槽沿圆周均布，其数量和与之啮合的第一活齿或第二活齿的数量相同。

5.如权利要求2所述的一种自平衡双激波凸轮双级并联平面活齿减速器，其特征在于：中心弦线滚道和激波弦线滚道采用相同形式的滚道中心曲线参数方程，即其中，A‑滚道波幅；R‑滚道径向半径；Z‑滚道波数。

6.如权利要求2或5所述的一种自平衡双激波凸轮双级并联平面活齿减速器，其特征在于：与第一活齿啮合的中心弦线滚道和激波弦线滚道的滚道波幅和滚道径向半径均相等，滚道波数不等，但波数之和或之差等于第一活齿的数量；与第二活齿啮合的中心弦线滚道和激波弦线滚道的滚道波幅和滚道径向半径均相等，滚道波数不等，但波数之和或之差等于第二活齿的数量；所有的中心弦线滚道和激波弦线滚道的滚道波幅均相等。

7.如权利要求5所述的一种自平衡双激波凸轮双级并联平面活齿减速器，其特征在于：活齿直槽与对应的中心弦线滚道或激波弦线滚道应满足下式其中，Dmin‑活齿直槽径向最小边界距离；Dmax‑活齿直槽径向最大边界距离。

8.如权利要求7所述的一种自平衡双激波凸轮双级并联平面活齿减速器，其特征在于：活齿直槽径向最小边界距离是活齿直槽的径向内边界，距离其所在的第一中心轮、第二中心轮或第三中心轮轴线的距离；活齿直槽径向最大边界距离是活齿直槽的径向外边界，距离其所在的第一中心轮、第二中心轮或第三中心轮轴线的距离。

9.如权利要求1或5所述的一种自平衡双激波凸轮双级并联平面活齿减速器，其特征在于：输入轴包括第一轴段、偏心轴段、第二轴段、内花键和外接螺孔；第一轴段和第二轴段同轴线，分别用于铰接第二轴承；偏心轴段轴线与第一轴段轴线距离为滚道波幅，用于铰接第三轴承；第一轴段和第二轴段端面上分别有圆周均布的外接螺孔；输入轴内部贯通，有内花键。

10.如权利要求1所述的一种自平衡双激波凸轮双级并联平面活齿减速器，其特征在于：第一外激波凸轮外侧有圆周分布的第一滚柱槽，部分或全部的第一滚柱槽内装配有用于平衡机构偏心质量的第一滚柱；第一外激波凸轮内侧与第一内激波凸轮外侧同心；第一外激波凸轮外侧与壳体内侧同心；第二外激波凸轮外侧有圆周分布的第二滚柱槽，部分或全部的第二滚柱槽内装配有用于平衡机构偏心质量的第二滚柱；第二外激波凸轮内侧与第二内激波凸轮外侧同心；第二外激波凸轮外侧与端盖内侧同心。

说明书

一种自平衡双激波凸轮双级并联平面活齿减速器

技术领域

[0001] 本发明涉及活齿传动技术领域，特别涉及一种自平衡双激波凸轮双级并联平面活齿减速器。

背景技术

[0002] 我国已坐拥全球最大的工业机器人市场，每年需要大量的高精密减速器，但高端减速器领域依赖进口，无国产可替代。遵循现有的三大传统传动技术，即行星齿轮传动、谐
波传动和RV传动，很难按照其原有的技术路线实现突破并打破市场垄断。对此，针对区别于
传统三大传动技术的活齿传动技术的研究，就很有必要。

[0003] 活齿传动种类多样，本团队主要从事正弦活齿传动的研究，依托国家重点研发计划、智能机器人专项中的“机器人新型高可靠精密减速器”课题，现已申请并授权了多项正
弦活齿减速器专利，如申请号为201910759519.0提出的《偏心驱动双级平面活齿减速器》，
具备高精度高效率的特点，但轴向结构不科学，长径比较大，未能拥有大的扭矩/体积比；对
此，另一种减速器改善了这种情况，即申请号为201910640403.5提出的《凸轮激波式双级平
面钢球减速器》，该减速器在结构和原理上都做了调整，通过新的轴向传动件布置形式，极
大地缩短了轴向长度，提高了扭矩/体积比，但相对于前者，该构型在传动时不是全齿同时
啮合传力，其寿命和抗冲击能力较前者降低。同时，以上两个构型的减速器驱动构件都具备
偏心质量，高速运转时的振动问题比较严重，需要通过机械平衡试验合理配重，增加了设计
和制造的难度。

[0004] 根据上述问题，开发一款兼具全齿啮合传力效果，同时具备大扭矩/体积比和低振动特性的减速器，成了亟待解决的问题。

发明内容

[0005] 针对上述问题，本发明提供一种自平衡双激波凸轮双级并联平面活齿减速器，其传动机构是将双级串联的凸轮激波式平面钢球减速器的传动结构改为了双级并联形式，减
速比计算方法更加复杂，但具备了更宽的减速比范围，同时，相同减速比的情况下，该构型
具备更多的活齿个数，整机额定负载和抗冲击能力得到显著提升；采用了双激波凸轮的形
式，即活齿同时与内、外两个激波凸轮啮合，从而实现了全齿啮合传力的效果；外激波凸轮
外侧开有一圈滚柱槽，用于放置滚柱配重，从而降低整个机构的偏心质量，同时，滚柱提供
了轴承的功能，增大了传动机构稳定性。

[0006] 本发明所使用的技术方案是：一种自平衡双激波凸轮双级并联平面活齿减速器，包括输入轴、第一中心轮、第一内激波凸轮、第一活齿、第一外激波凸轮、第一滚柱、壳体、第
一轴承、端盖、第一螺钉、第二滚柱、第二外激波凸轮、第二活齿、第二内激波凸轮、密封环、
第二轴承、第三轴承、第二中心轮、密封圈、交叉滚子、第三中心轮、第二螺钉、定位销、塞子、
紧定螺钉，所述的第一中心轮通过多个圆周均布的第二螺钉固定安装在壳体一侧上，端盖
通过多个圆周均布的第一螺钉固定安装在壳体另一侧上；第二中心轮铰接在端盖上；端盖
与第二中心轮之间装配有一圈密布的交叉滚子；密封圈固定安装在端盖上；输入轴两端分
别通过一个第二轴承铰接在第一中心轮和第二中心轮上；第一中心轮、第二轴承和输入轴
之间装配有一个密封环；第二中心轮、第二轴承和输入轴之间装配有一个密封环；第一内激
波凸轮和第二内激波凸轮分别通过一个第三轴承铰接在输入轴上设置的偏心轴段上；第三
中心轮通过第一轴承铰接在壳体内；第一外激波凸轮铰接在壳体内；多个第一滚柱铰接在
第一外激波凸轮的圆周上，并与壳体内壁接触配合；第二外激波凸轮铰接在端盖内；多个第
二滚柱铰接在第二外激波凸轮的圆周上，并与端盖内壁接触配合；第一中心轮、第一内激波
凸轮、第一外激波凸轮和第三中心轮中间装配有等相位差分布的第一活齿，每个第一活齿
同时与第一中心轮、第一内激波凸轮、第一外激波凸轮和第三中心轮上的活齿啮合副啮合；
第二中心轮、第二内激波凸轮、第二外激波凸轮和第三中心轮中间装配有等相位差分布的
第二活齿，每个第二活齿同时与第二中心轮、第二内激波凸轮、第二外激波凸轮和第三中心
轮上的活齿啮合副啮合；塞子通过定位销和紧定螺钉固定安装在端盖上。

[0007] 进一步的，活齿啮合副包括中心弦线滚道、激波弦线滚道和活齿直槽；第一内激波凸轮、第一外激波凸轮、第二内激波凸轮和第二外激波凸轮上的活齿啮合副为激波弦线滚
道；第一中心轮、第二中心轮和第三中心轮上的活齿啮合副为中心弦线滚道或活齿直槽；与
第一活齿啮合的第一中心轮和第三中心轮上的活齿啮合副同时包括中心弦线滚道和活齿
直槽；与第二活齿啮合的第二中心轮和第三中心轮上的活齿啮合副同时包括中心弦线滚道
和活齿直槽；第一内激波凸轮和第二内激波凸轮上的激波弦线滚道在第一内激波凸轮和第
二内激波凸轮的外侧；第一外激波凸轮和第二外激波凸轮上的激波弦线滚道在第一外激波
凸轮和第二外激波凸轮的内侧。

[0008] 进一步的，第一活齿和第二活齿均为空间旋转体；活齿啮合副表面与第一活齿和第二活齿的外表面完全贴合、部分贴合或相切。

[0009] 进一步的，活齿直槽沿圆周均布，其数量和与之啮合的第一活齿或第二活齿的数量相同。

[0010] 进一步的，中心弦线滚道和激波弦线滚道采用相同形式的滚道中心曲线参数方程，即

[0011]

[0012] 其中，A‑滚道波幅；R‑滚道径向半径；Z‑滚道波数。

[0013] 进一步的，与第一活齿啮合的中心弦线滚道和激波弦线滚道的滚道波幅和滚道径向半径均相等，滚道波数不等，但波数之和或之差等于第一活齿的数量；与第二活齿啮合的
中心弦线滚道和激波弦线滚道的滚道波幅和滚道径向半径均相等，滚道波数不等，但波数
之和或之差等于第二活齿的数量；所有的中心弦线滚道和激波弦线滚道的滚道波幅均相
等。

[0014] 进一步的，活齿直槽与对应的中心弦线滚道或激波弦线滚道应满足下式

[0015]

[0016] 其中，Dmin‑活齿直槽径向最小边界距离；Dmax‑活齿直槽径向最大边界距离。

[0017] 进一步的，活齿直槽径向最小边界距离是活齿直槽的径向内边界，距离其所在的第一中心轮、第二中心轮或第三中心轮轴线的距离；活齿直槽径向最大边界距离是活齿直
槽的径向外边界，距离其所在的第一中心轮、第二中心轮或第三中心轮轴线的距离。

[0018] 进一步的，输入轴包括第一轴段、偏心轴段、第二轴段、内花键和外接螺孔；第一轴段和第二轴段同轴线，分别用于铰接第二轴承；偏心轴段轴线与第一轴段轴线距离为滚道
波幅，用于铰接第三轴承；第一轴段和第二轴段端面上分别有圆周均布的外接螺孔；输入轴
内部贯通，有内花键。

[0019] 进一步的，第一外激波凸轮外侧有圆周分布的第一滚柱槽，部分或全部的第一滚柱槽内装配有用于平衡机构偏心质量的第一滚柱；第一外激波凸轮内侧与第一内激波凸轮
外侧同心；第一外激波凸轮外侧与壳体内侧同心；第二外激波凸轮外侧有圆周分布的第二
滚柱槽，部分或全部的第二滚柱槽内装配有用于平衡机构偏心质量的第二滚柱；第二外激
波凸轮内侧与第二内激波凸轮外侧同心；第二外激波凸轮外侧与端盖内侧同心。

[0020] 由于本发明采用了上述技术方案，本发明具有以下优点：(1)减速比范围宽；(2)具备多种安装方式，不同安装方式减速比不同；(3)具备大扭矩/体积比、高精度、高刚度、高抗
冲击能力、高额定载荷和高寿命等特点；(4)构型方式灵活多变、传动比范围广；(5)结构简
单紧凑，便于加工制造及装配。

附图说明

[0021] 图1为本发明的整体结构装配图。

[0022] 图2、图3为本发明的整体结构平面剖视示意图。

[0023] 图4、图5为本发明的整体结构空间剖视示意图。

[0024] 图6为本发明的输入轴零件结构示意图。

[0025] 图7为本发明的第一中心轮零件结构示意图。

[0026] 图8为本发明的第一内激波凸轮零件结构示意图。

[0027] 图9为本发明的第一外激波凸轮零件结构示意图。

[0028] 图10为本发明的端盖零件结构示意图。

[0029] 图11为本发明的第二外激波凸轮零件结构示意图。

[0030] 图12为本发明的第二内激波凸轮零件结构示意图。

[0031] 图13为本发明的第二中心轮零件结构示意图。

[0032] 图14、图15为本发明的第三中心轮零件结构示意图。

[0033] 附图标号：1‑输入轴；2‑第一中心轮；3‑第一内激波凸轮；4‑第一活齿；5‑第一外激波凸轮；6‑第一滚柱；7‑壳体；8‑第一轴承；9‑端盖；10‑第一螺钉；11‑第二滚柱；12‑第二外
激波凸轮；13‑第二活齿；14‑第二内激波凸轮；15‑密封环；16‑第二轴承；17‑第三轴承；18‑
第二中心轮；19‑密封圈；20‑交叉滚子；21‑第三中心轮；22‑第二螺钉；23‑定位销；24‑塞子；
25‑紧定螺钉；101‑第一轴段；102‑偏心轴段；103‑第二轴段；104‑内花键；105‑外接螺孔；
201‑第一活齿啮合副；202‑第一中心弦线；301‑第一内激波滚道；302‑第一激波弦线；501‑
第一外激波滚道；502‑第一滚柱槽；901‑第一交叉滚子滚道；902‑定位孔；903‑塞孔；1201‑
第二外激波滚道；1202‑第二滚柱槽；1401‑第二内激波滚道；1402‑第二激波弦线；1801‑第
二活齿啮合副；1802‑第二中心弦线；1803‑第二交叉滚子滚道；2101‑第三活齿啮合副；
2102‑第四活齿啮合副。

具体实施方式

[0034] 下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

[0035] 图1‑15为本发明的优选实施例，采用象形法取象征意义，用符号“S”代表中心弦线滚道，用符号“H”表示活齿直槽，S与对应的H连在一起，再加上内外激波凸轮，即构成一组活
齿啮合副。第一中心轮上有第一活齿啮合副，第二中心轮上有第二活齿啮合副，第三中心轮
上有第三活齿啮合副和第四活齿啮合副。这四个活齿啮合副分别用于两级传动的机构中，
按照排列组合的形式，用前述的符号表达，本发明按照啮合副排列组合的布置形式，共有
“SHSH”、“SHHS”、“HSSH”和“HSHS”四种传动形式。

[0036] 在本实施例中采用了SHHS型，如图7所示，第一中心轮上的第一活齿啮合副为中心弦线滚道，其滚道对应的第一中心弦线的方程为：

[0037]

[0038] 式中，x和y的单位为mm。

[0039] 如图8所示，第一内激波滚道上的第一激波弦线方式为：

[0040]

[0041] 式中，x和y的单位为mm。

[0042] 如图12所示，第二内激波滚道上的第二激波弦线方式为：

[0043]

[0044] 式中，x和y的单位为mm。

[0045] 如图13所示，第二中心轮上的第二活齿啮合副为中心弦线滚道，其滚道对应的第二中心弦线的方程为：

[0046]

[0047] 式中，x和y的单位为mm。

[0048] 如图14和15所示，第三中心轮两端面的第三活齿啮合副和第四活齿啮合副均采用活齿直槽，其中，第三活齿啮合副的槽数为15，第四活齿啮合副的槽数为20，可知，第一活齿
个数为15，第二活齿个数为20。

[0049] 本实施例中，第一活齿采用直径为10mm的标准球体，第二活齿采用直径为7mm的标准球体，与第一活齿和第二活齿啮合的所有啮合副，截面都为圆弧形。

[0050] 如图9和图11所示，第一外激波凸轮和第二外激波凸轮形状均为偏心圆环，厚度分别为5mm和3mm，外侧分别开有均布的直径为4mm的第一滚柱槽和第二滚柱槽，数量均为24
个，第一滚柱和第二滚柱各有17个，用于平衡整个机构的偏心质量；第一外激波滚道的滚道
曲线就是第一激波弦线；第二外激波滚道的滚道曲线就是第二激波弦线。

[0051] 在本实施例中的本发明工作原理：由前述，本发明的结构按照啮合副排列组合的布置形式，共有“SHSH”、“SHHS”、“HSSH”和“HSHS”四种传动形式，SHSH反过来就是HSHS，HSHS
反过来就是SHSH，而SHHS与HSSH反过来还是自身，故统一按照第一中心轮被固定的情况来
说明其传动原理及减速比计算公式，即可涵盖所有情况。

[0052] 以第一中心轮固定、输入轴输入、第二中心轮输出的情况为例，输入轴转动时，同时带动偏心轴段上的第一激波内凸轮和第二激波内凸轮绕着输入轴轴线公转，第一激波内
凸轮驱动第一活齿沿着第一中心轮上的中心弦线滚道运动，处于第一激波内凸轮升程运动
的第一活齿会推动第一激波外凸轮与输入轴同步转动，此时，第一激波外凸轮会带动处于
第一激波内凸轮回程运动的第一活齿，所有第一活齿沿着第一中心轮上的中心弦线滚道运
动时，会通过与之啮合的第三中心轮上的活齿直槽驱动第三中心轮绕着输入轴轴线旋转，
此时，一级传动机构传动完毕；对于二级传动机构，输入轴带动第二激波内凸轮的转动、第
三中心轮的转动，同时驱动二级传动机构中的第二活齿，第二活齿会带动第二激波外凸轮
与输入轴同步运动，使各个第二活齿同时参与传力，接着，所有第二活齿通过第二中心轮上
的中心弦线滚道，驱动第二中心轮旋转输出。所有第一滚柱和第二滚柱，会平衡整机的偏心
质量，极大地降低机构振动。

[0053] 本减速器有多种安装使用方式，在输入轴、第一中心轮与第二中心轮三者之中，任选一个作为固定件，在剩下的两个中任选一个做输入件，则剩下的那个就是输出件。由于多
种安装方式减速比小或者变为增速比，故而只列出比较有使用意义的输入轴输入、第一中
心轮或第二中心轮输出的情况，且只适用于第一和第二内激波凸轮波数为1的情况，其减速
比计算公式如下：

[0054] 对于SHHS型，其减速比计算公式为：

[0055]

[0056] 对于HSSH型，其减速比计算公式为：

[0057]

[0058] 以上各式中，ZG1‑第一活齿数；ZG2‑第二活齿数；ZK1‑第一中心轮滚道波数；ZK2‑第二中心轮滚道波数。

[0059] 对于前述优选实施例，输入轴输入时，将各参数带入上述HSSH型减速比计算公式可得，固定第一中心轮时，其减速比为57；固定第二中心轮时，其减速比为‑56。