摘要：通過使諧波摩擦傳動中的剛輪或柔輪具有錐形孔或錐形外表面，改變?nèi)彷喤c剛輪沿軸線方向的相對位移，使柔輪與剛輪的周長差2R"（R—r）獲得連續(xù)變化，可以實(shí)現(xiàn)徑向內(nèi)波諧波傳動、徑向外波諧波傳動、端面諧波傳動、密閉諧波傳動以及多級諧波傳動等的無級變速。根據(jù)此方法設(shè)計(jì)了一種無級變速諧波傳動裝置。計(jì)算表明，無級變速諧波傳動能實(shí)現(xiàn)很大的變速比，要求實(shí)現(xiàn)的最大傳動比越大，對剛輪、柔輪尺寸加工精度的要求越高。 關(guān)鍵詞： 無級變速諧波傳動 柔輪 剛輪 引言 世界主要機(jī)械無級變速器的生產(chǎn)國家有日本、美國、意大利和俄國等。產(chǎn)品有摩擦式、鏈?zhǔn)?、帶式及脈動式等3O多種結(jié)構(gòu)形式。機(jī)械無級變速器具有以下主要特點(diǎn)：轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、滑動率小、工作可靠，具有恒功率機(jī)械特性，傳動效率較高，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，價格相對便宜，但零部件加工及潤滑要求較高，承載能力較低，抗過載及沖擊性能較差，一般適用于中、小功率傳動 中國在2O世紀(jì)60年代前后起步，目前能夠初步滿足社會生產(chǎn)的要求[sup][1] [/sup]。 諧波傳動技術(shù)是2O世紀(jì)中期隨著空間科學(xué)、宇航技術(shù)的發(fā)展，在彈性薄殼理論的基礎(chǔ)上出現(xiàn)的一種新型的傳動技術(shù)。它具有運(yùn)動精度高、傳動比大、重量輕、體積小、承載能力大、并能在密閉空間和介質(zhì)輻射的工況下正常工作等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成功應(yīng)用于空間技術(shù)、儀器儀表、機(jī)器人、印刷機(jī)械及醫(yī)療器械等領(lǐng)域中。件組成，俗稱“三大件”。目前對于鋼制柔輪的諧波摩擦傳動，其單級傳動比范圍約為20—1000，對于鋼制柔輪的諧齒輪傳動，其單級傳動比約為30—320。通常單級諧波傳動裝置只能提供定傳動比傳動。其運(yùn)動學(xué)可簡述如下[sup][2] [/sup]。 如圖1所示的具有內(nèi)置波發(fā)生器的諧波傳動，在波發(fā)生器的作用下，橫截面為圓形的彈性薄壁構(gòu)件柔輪發(fā)生彈性變形。在波發(fā)生器長軸方向，柔輪的外壁被緊壓在橫截面為圓形的剛輪的內(nèi)壁上。當(dāng)波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)時，柔輪沿著剛輪的內(nèi)壁滾動。如果為無滑動的滾動，忽略柔輪壁厚的影響，則柔輪與剛輪相互轉(zhuǎn)過由其周長差決定的角度。假設(shè)柔輪外壁未變形前的半徑為r，剛輪內(nèi)壁的半徑為R，其周長差為，w[sub]o[/sub]為剛輪與柔輪的半徑差。波發(fā)生器每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，兩輪相對轉(zhuǎn)過的轉(zhuǎn)角當(dāng)剛輪固定時，柔輪沿波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)的反方向轉(zhuǎn)過 的角度；當(dāng)柔輪固定時，剛輪沿波發(fā)生器的旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)過的角度。 在普通的摩擦傳動中，傳動比等于兩個摩擦輪直徑之比，而在諧波摩擦傳動中，傳動比為從動輪半徑對兩輪半徑的差值之比。如果柔輪與剛輪的接觸面分別制有輪齒，則上述比值應(yīng)代以齒數(shù)與齒數(shù)差之比，合理選擇嚙合參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)E3]，諧波摩擦傳動即演變?yōu)橹C波齒輪傳動。 人們一直在研究如何將諧波傳動的優(yōu)良性能充分發(fā)揮出來，實(shí)現(xiàn)諧波傳動的無級變速。例如，文獻(xiàn)[4]介紹了通過附加裝置改變?nèi)彷喼荛L、使用截錐形柔輪以及利用變形柔輪圓周方向各點(diǎn)速度不同的方式實(shí)現(xiàn)無級變速的結(jié)構(gòu)。其中，在使用截錐形柔輪的結(jié)構(gòu)中，環(huán)形剛輪可以軸向移動，波發(fā)生器的位置固定，剛輪在移動過程中，由于其與波發(fā)生器作用位置的距離在變化，柔輪變形部分的剛性在變化，所以剛輪與柔輪接觸處的壓力也在變化。越靠近波發(fā)生器作用的位置，壓力越大，越遠(yuǎn)離波發(fā)生器作用的位置，壓力越小，這導(dǎo)致無級傳動裝置的承載能力也按此規(guī)律變化。柔輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是兩端封閉，由于輸入軸的限制，柔輪的長度不能夠變化，因此，柔輪不可能實(shí)現(xiàn)所要求的徑向變形。也有通過在波發(fā)生器和輸入軸之間附加一個行星錐輪裝置，依靠行星錐輪的軸向位移實(shí)現(xiàn)波發(fā)生器輸入轉(zhuǎn)速的無級調(diào)速[sup][5] [/sup]，或者使用離合器或其它變速機(jī)構(gòu)控制變速[sup][6,7] [/sup]，后幾種方法的特點(diǎn)是諧波傳動部分為定傳動比傳動。 本文主要研究通過改變諧波摩擦傳動中柔輪與剛輪的周長差來獲得無級變速的情況。通過使諧波摩擦傳動中的剛輪或柔輪具有錐形孔或錐形外表面，在連續(xù)改變?nèi)彷喤c剛輪沿軸線方向的相對位移過程中，柔輪與剛輪的周長差2a-（R—r）獲得連續(xù)變化，在浮動式波發(fā)生器的作用下，柔輪與剛輪始終緊密接觸。按照前述運(yùn)動學(xué)的分析，諧波摩擦傳動實(shí)現(xiàn)無級變速。 1 無級變速諧波傳動原理 無級變速諧波傳動原理可用圖2說明。如圖2所示，剛輪具有錐形內(nèi)孔，在浮動式波發(fā)生器的作用下，柔輪發(fā)生彈性變形。在波發(fā)生器長軸方向，發(fā)生了彈性變形的柔輪外壁被緊壓在剛輪的內(nèi)壁上。在位置A— A，柔輪沒有發(fā)生彈性變形，其半徑為r[sub]o[/sub]它與剛輪在此位置的半徑R[sub]o[/sub]相等。當(dāng)波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)時，柔輪與剛輪相互轉(zhuǎn)過的周長差為。此時，無級變速諧波傳動的傳動比為。當(dāng)柔輪沿軸向相對剛輪移動到位置B—B時，波發(fā)生器在壓緊力的作用下，始終將柔輪與剛輪緊密壓在一起。在此位置上，剛輪內(nèi)壁的半徑為 ，而柔輪周長并未改變。用W[sub]o[/sub]R表示剛輪內(nèi)壁的 2 幾種機(jī)構(gòu)簡圖 周長差的增長極限是柔輪材料強(qiáng)度所允許的最大值[sub]min[/sub]，此時無級變速諧波傳動的傳動比最小。對于金屬材料，目前最小傳動比約為2O。如果使用如塑料、尼龍等的非金屬材料制造柔輪，最小傳動比可以小于10。 無級變速諧波傳動具有體積小、重量輕、輸出轉(zhuǎn)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。對鋼制柔輪的諧波摩擦傳動，可以實(shí)現(xiàn)的變速范圍約為2O到1000，變速比達(dá)到5O以上，如果采用如塑料、尼龍等非金屬材料柔輪，則變速比可達(dá)100以上。拓寬了諧波傳動的應(yīng)用領(lǐng)域。在該無級變速諧波傳動中，如果采用密閉諧波傳動柔輪結(jié)構(gòu)，還具有可以向密閉空間和介質(zhì)輻射等特殊環(huán)境中輸出無級變速傳動的特點(diǎn)。圖3分別是徑向諧波傳動、端面諧波傳動和密閉諧波傳動實(shí)現(xiàn)無級變速的機(jī)構(gòu)簡圖。 圖3a是無級變速諧波傳動用于徑向內(nèi)波諧波傳動的機(jī)構(gòu)簡圖。其中，柔輪與輸出軸相連，波發(fā)生器輸入。具有錐形內(nèi)孔、相對殼體只能產(chǎn)生軸向滑移的剛輪在調(diào)速器的調(diào)節(jié)下，可以相對柔輪和波發(fā)生器軸向移動，達(dá)到無級變速的目的。圖3b是無級變速諧波傳動用于徑向外波諧波傳動的機(jī)構(gòu)簡圖。其中，柔輪與輸出軸相連，波發(fā)生器輸入。具有錐形外壁、相對殼體只能產(chǎn)生軸向滑移的剛輪在調(diào)速器的調(diào)節(jié)下，可以相對柔輪和波發(fā)生器軸向移動，達(dá)到無級變速的目的：圖3c是無級變速諧波傳動用于端面諧波傳動的機(jī)構(gòu)簡圖。其中，柔輪與輸出軸相連，波發(fā)生器輸入=具有錐形外壁、相對殼體只能產(chǎn)生軸向滑移的剛輪在調(diào)速器的調(diào)節(jié)下，可以相對柔輪和波發(fā)生器軸向移動，達(dá)到無級變速的目的。圖3d是無級變速諧波傳動用于密閉諧波傳動的機(jī)構(gòu)簡圖。其中，加工成錐形的柔輪與密封墻壁2 相聯(lián)，二者相連的外緣墻壁使用波紋板等彈性構(gòu)件聯(lián)結(jié)，以使柔輪相對墻壁可以產(chǎn)生軸向相對運(yùn)動。波發(fā)生器輸入，具有內(nèi)孔的剛輪與輸出軸相聯(lián)。在調(diào)速器的調(diào)節(jié)下，柔輪與連結(jié)在一起的密封墻壁2 可以相對剛輪和波發(fā)生器軸向移動，達(dá)到無級變速的目的。 3設(shè)計(jì)實(shí)例 設(shè)計(jì)的一種無級變速諧波傳動裝置如圖4所示。其中錐盤15、軸承17、軸承18、支撐軸19和滾輪支架20等構(gòu)成波發(fā)生器。調(diào)速輪6與調(diào)速螺中10等構(gòu)成調(diào)速機(jī)構(gòu)：壓力彈簧13、錐盤15以及螺母12等構(gòu)成加壓裝置：：調(diào)常調(diào)速輪6，帶動調(diào)速螺桿旋轉(zhuǎn)。剛輪9在調(diào)速螺桿10的帶動下．可以沿軸向移動．這將連續(xù)改變?nèi)彷?6與剛輪9工作接觸處的周長燕，從而達(dá)到無級淵速的目的。在整個上作以及凋速過程中．壓力彈簧13通過錐盤15和支撐軸19上的軸承17將柔輪16與剛輪9的工作部分緊壓在一起．保證傳動的正常進(jìn)行。 圖5是柔輪與剛輪工作接觸部分的兩種結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構(gòu)置于乘輪內(nèi)側(cè)，則成為尤級變速外渡諧波傳動一其中，圖5a是柔輪上‘j剛輪相接觸的工作部分的結(jié)構(gòu)，柔輪16上與剛輪9相接觸的弧線形工作部分16’．必須與柔輪相鄰部分光滑過渡，圖5b是柔輪與剛輪相接觸的工作部分做成分離零件的結(jié)構(gòu)，分離零件lF裝配在柔輪16上： 圖6足設(shè)計(jì)中可以使用的幾種浮動式內(nèi)波發(fā)生器結(jié)構(gòu)：其中．圖6a足發(fā)生器滾輪支架兩側(cè)具有壓力錐盤的渡發(fā)生器結(jié)構(gòu)l圖．圖6b是發(fā)生器滾輪支架不隨輸入軸旋轉(zhuǎn)的行星波發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖，圖6c足具有兩個加壓裝置和滾輪裝在滾輪支架上的波發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖，圖6d是具有4個加壓裝置和滾輪裝在滾輪支架上的波發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖。 圖6b足發(fā)生器滾輪支架20小隨輸入軸22旋轉(zhuǎn)的行星波發(fā)生器的結(jié)構(gòu)i參考圖4，在這種結(jié)構(gòu)中，滾輪支架21）的作用是保持支撐軸19以及上作滾子而礦化于長軸上。滾輪支架20兩側(cè)的錐盤15與輸入軸22用鍵14聯(lián)接．兩個錐盤15與輸入軸22一起旋轉(zhuǎn)． 兩個錐盤15通過錐形lAi 25帶動支撐軸19和工作滾子面19沿著柔輪16的內(nèi)表嘶滾動，山此形成無級變速諧波傳動的行星波發(fā)生器結(jié)構(gòu)：在這種結(jié)構(gòu)中，由于行星傳動部分的工作接觸向25會隨著剛輪9在凋逑過程葉l的左右移動而上下移動，因此，行暈傳動部分的傳動比也在一定范圍內(nèi)無級變化整個尤級變速諧波傳動的傳動比足諧波傳動尢級變速的傳動比與行星傳動部分尤級變速傳動比的乘積。 4傳動比汁算 如圖7a所示，無級變速諧波傳動的剛輪周向固定，波發(fā)生器輸人．柔輪輸出。末變形柔輪巾性層半徑為r[sub]o[/sub]．柔輪長度為L[sub]o[/sub]具有錐形內(nèi)孔剛輪的人端和小端半徑分別為b[sub]2[/sub]，b[sub]1[/sub]．剛輪錐形內(nèi)孔的長度為H．柔輪BA邊延長線與剛輪刪邊延長線的交點(diǎn)為C[sub]o[/sub] C點(diǎn)距剛輪小端的距離為a[sub]o[/sub] ．柔輪底部距剛輪小端為a[sub]o[/sub] 柔輪與剛輪接觸部分為圓弧形，圓弧半徑為r[sub]s[/sub]圓心伉距柔輪中性層距離為c[sub]s[/sub]。柔輪變形后，E點(diǎn)成為與剛輪內(nèi)壁MN相接觸的E[sup]，[/sup]點(diǎn)，E點(diǎn)到垂足F點(diǎn)的距離為 [align=center] [/align] 如圖7b所示，所設(shè)計(jì)的無級變速諧波傳動主要尺寸如下：未變形柔輪中性層半徑為r[sub]o[/sub]=50mm，柔輪長度為L=100mm。剛輪錐形內(nèi)孔的大端和小端半徑分別為b[sub]2[/sub]=57mm，b[sub]1[/sub]=53mm，剛輪錐形內(nèi)孔L的長度為H= 50。柔輪底部距剛輪小端的距離分別為a[sub]min[/sub]=42mm，a[sub]max[/sub]=74mm，因?yàn)殄F形孑L內(nèi)壁MN延長線與柔輪AB的交點(diǎn)c位于A點(diǎn)的左側(cè)，所以計(jì)算時a以負(fù)值代入。由式（4），a[sub]o[/sub]為37．5mm，a=4．5739[sup]。[/sup] 。柔輪與剛輪接觸部分的圓弧半徑 r[sub]s[/sub]為15mm，圓心o[sub] s[/sub]距柔輪中性層距離C[sub]s[/sub] 為11．18mm。 利用上述公式編程計(jì)算，當(dāng)n從42到73連續(xù)變化時，如圖8所示，傳動比在l9．4至545．0間連續(xù)變化，變速比為28。當(dāng)n=73．5時，傳動比為963．6，變速比為49．6，柔輪此時接觸處的圓周半徑為53．773mm，柔輪與剛輪接觸圓弧半徑相差0．0519mm，相當(dāng)于該尺寸8級制造公差。當(dāng)a=74時，傳動比為4155．1，變速比為214.2。柔輪此時接觸處的圓周半徑為53．772mm，接觸圓弧半徑相差0.0120mm，相當(dāng)于該尺寸5級制造公差。因此，要求無級變速諧波傳動所能實(shí)現(xiàn)的最大傳動比越大，對剛輪、柔輪尺寸加工精度的要求越高。 5 結(jié)論 1）通過使諧波傳動中的剛輪或柔輪具有錐形孔或錐形外表面，改變?nèi)彷喤c剛輪沿錐形軸線方向的相對位移，使柔輪與剛輪的周長差獲得連續(xù)變化，實(shí)現(xiàn)無級變速諧波傳動。調(diào)速機(jī)構(gòu)在連續(xù)改變?nèi)彷喤c剛輪沿錐形軸線方向的相對位移過程中，在浮動式波發(fā)生器的作用下，柔輪與剛輪始終緊密接觸：應(yīng)用這種無級變速諧波傳動方法，可以實(shí)現(xiàn)徑向內(nèi)波諧波傳動、徑向外波諧波傳動、端面諧波傳動、密閉諧波傳動以及多級諧波傳動等的無級變速。 2）在無級變速諧波傳動中，波發(fā)生器結(jié)構(gòu)除了可以是轉(zhuǎn)速與輸入軸相同的常規(guī)浮動結(jié)構(gòu)外，還可以構(gòu)成浮動式行星波發(fā)生器，在這種結(jié)構(gòu)中，由于行星傳動部分的工作接觸面會隨著剛輪在調(diào)速過程中的左右移動而上下移動，因此，行星傳動部分的傳動比也在一定范圍內(nèi)無級變化。整個無級變速諧波傳動的傳動比是諧波傳動無級變速的傳動比與行星傳動部分無級變速傳動比的乘積。 3）調(diào)速機(jī)構(gòu)可以是螺母螺桿機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠傳動機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)、齒輪齒條傳動機(jī)構(gòu)、齒輪傳動機(jī)構(gòu)等以及它們與電機(jī)組合以實(shí)現(xiàn)自動調(diào)速。 4）柔輪與剛輪相接觸的工作部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖5所示。包括箱體以及設(shè)置在箱體內(nèi)的輸入軸，輸入軸上固定有水平弧面凸輪和提升弧面凸輪，水平弧面凸輪和提升弧面凸輪的下端還設(shè)置有水平從動盤和提升從動盤，水平從動盤和提升從動盤分別通過帶柄滾動軸承與水平弧面凸輪及提升弧面凸輪相嚙合，水平從動盤通過水平擺臂與輸出臂滑動聯(lián)接，在輸出臂上還套裝有可滑動的滑塊，滑塊同時還套裝在導(dǎo)桿上，提升從動盤通過提升擺臂和連桿與滑塊鉸接。水平弧面凸輪和提升弧面凸輪隨輸入軸做勻速轉(zhuǎn)動，并通過帶柄滾動軸承、水平從動盤及水平擺臂驅(qū)動輸出臂作水平方向的往復(fù)直線運(yùn)動。提升弧面凸輪通過帶柄滾動軸承驅(qū)動擺臂再通過連桿帶動滑塊，從而帶動輸出臂作豎直方向的往復(fù)直線運(yùn)動。 輸出臂的水平方向和豎直方向行程在一定范圍內(nèi)可調(diào)，采用PLC對其進(jìn)行控制，可控制其停留位置及時間。 該機(jī)構(gòu)在裝配時可通過微調(diào)中心距來實(shí)現(xiàn)預(yù)緊，使機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)無間隙嚙合。 該設(shè)計(jì)填補(bǔ)了國內(nèi)空白，并對國外同類產(chǎn)品有所改進(jìn)，已獲國家專利，專利號為ZL 2004200415567。 3 結(jié)語 弧面凸輪機(jī)械手以多點(diǎn)嚙合、滾動摩擦，故是一種高效、節(jié)能的自動化裝置，有著廣闊的發(fā)展前景。其設(shè)計(jì)和制造在國內(nèi)尚屬研究階段，有待進(jìn)一步擴(kuò)展、深入，以達(dá)到能制造出系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品。 參 考 文 獻(xiàn) 1 葛正浩．凸輪連桿機(jī)構(gòu)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究[博士學(xué)位論文]．西安：西安理工大學(xué)，2001 2 彭國勛，肖正揚(yáng)．自動機(jī)械的凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990 3 D．M ．Tsay，H．M ．W ei．．A general Approach to the Determination of Planar and Spacial Cam Profiles．Trans．ASME，J．of Mech．Des，1996，118：259～265 無級變速諧波傳動原理與傳動比計(jì)算：PDF