筒壁厚度渐变式杯型柔轮及谐波齿轮传动装置的制作方法

本实用新型涉及传动装置技术领域，尤其涉及一种筒壁厚度渐变式杯型柔轮及谐波齿轮传动装置。

背景技术：

谐波齿轮传动技术是20世纪50年代后期随航天技术发展而产生的一种新型传动技术。由于具有结构简单、体积小、重量轻、噪声低、承载能力高、传动精度和传动效率高、特别是可以向密封空间传递运动和动力等诸多特点，被广泛应用于空间技术、能源、机器人、机床、仪表、医疗器械等各个工业领域。

谐波齿轮传动装置与普通齿轮传动存在本质的区别，其主要由3个构件组成，分别是波发生器、刚轮和柔轮，在刚轮固定，波发生器主动，柔轮从动时即可实现减速运动。杯型柔轮是一种可变形薄壁零件，运转传动过程中一直承受交变应力的作用，在其圆角过渡区域极易存在疲劳断裂，因此，其寿命决定了整个谐波传动装置的寿命。

由于谐波齿轮传动装置在运行时，柔轮承受波发生器交变应力与刚性齿轮的啮合力矩，长期运行时，筒体与筒底易发生损坏，降低了谐波齿轮传动装置使用寿命。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种筒壁厚度渐变式杯型柔轮及谐波齿轮传动装置，能够提升柔轮的使用寿命，进而延长谐波齿轮传动装置的使用寿命。

为了实现上述目的，本实用新型的第一方面提供一种筒壁厚度渐变式杯型柔轮，包括齿圈、筒体、筒底和法兰；其中，

所述筒体包括依次连接的直线筒体段、薄壁筒体段和圆弧过渡段，所述薄壁筒体段和圆弧过渡段的外壁侧形状由互为相切的第一变厚曲线段和第二变厚曲线段构成，所述齿圈、所述直线筒体段、所述薄壁筒体段、所述圆弧过渡段和所述筒底依次连接，所述法兰设在所述筒底远离所述圆弧过渡段的面上；

所述第一变厚曲线段的外壁侧形状由互为相切的第一曲线圆弧和第二曲线圆弧构成，所述直线筒体段的外壁侧与第一曲线圆弧相切连接，所述第二曲线圆弧与第二变厚曲线段的外壁侧相切连接。

优选地，所述直线筒体段、所述薄壁筒体段和所述圆弧过渡段的内壁无缝且呈水平直线连接。

较佳地，所述第二变厚曲线段的外壁侧形状呈第三曲线圆弧，所述第二变厚曲线段的内壁侧形状呈第四曲线圆弧，且所述第三曲线圆弧的圆弧半径为所述第四曲线圆弧的圆弧半径的0.6至1.1倍。

进一步地，所述第三曲线圆弧的一端与所述第二曲线圆弧相切连接，所述第三曲线圆弧的另一端与所述筒底底面相切连接。

优选地，所述第二曲线圆弧与所述第一变厚曲线段内壁形成壁厚的最薄处为直线筒体段壁厚的0.8至0.9倍。

优选地，以齿圈远离直线筒体段的端面中心点为原点构建极坐标系，所述直线筒体段的外壁侧与第一曲线圆弧相切线的中心点定义为点a，所述第一曲线圆弧和所述第二曲线圆弧相切线的中心点定义为点b，所述第一变厚曲线段和所述二变厚曲线段的曲线满足以下条件：

点a在极坐标系中的坐标表示为(xa，ya)，点b在极坐标系中的坐标表示为(xb，yb)；

l1为齿圈轴向长度在x轴上的坐标表示；

l表示所述筒壁厚度渐变式杯型柔轮的内孔深度；

k为常数，取值为0.7～0.85；

θ表示点a与极坐标系原点连线同x轴的夹角；

r0表示直线筒体段的截面的内半径。

具体实施时，θ为自变量参数，改变参数θ及上述各系数，即可改变第一曲线圆弧和第二曲线圆弧的曲率半径。

优选地，所述第一曲线圆弧和所述第二曲线圆弧的弧心分布于第一变厚曲线段壁体的内外两侧。

较佳地，所述第一曲线圆弧的弧心分布于第一变厚曲线段壁体的外侧，所述第二曲线圆弧的弧心分布于第一变厚曲线段壁体的内侧。

较佳地，所述齿圈、所述直线筒体段、所述薄壁筒体段和所述圆弧过渡段沿轴向依次连接，且采用一体成型式结构。

与现有技术相比，本实用新型提供的筒壁厚度渐变式杯型柔轮具有以下有益效果：

本实用新型提供的筒壁厚度渐变式杯型柔轮，由齿圈、筒体、筒底和法兰组成，其中，筒体包括依次连接的直线筒体段、薄壁筒体段和圆弧过渡段，薄壁筒体段和圆弧过渡段的外壁侧形状由互为相切的第一变厚曲线段和第二变厚曲线段构成，齿圈、直线筒体段、薄壁筒体段、圆弧过渡段和筒底依次连接，法兰设在筒底远离圆弧过渡段的面上；第一变厚曲线段的外壁侧形状由互为相切的第一曲线圆弧和第二曲线圆弧构成，直线筒体段的外壁侧与第一曲线圆弧相切连接，第二曲线圆弧与第二变厚曲线段的外壁侧相切连接。

考虑到现有结构中谐波减速器中柔轮承受波发生器交变应力和刚轮的啮合力矩，容易导致圆弧过渡段发生损坏，从而缩短谐波减速器的使用寿命。本实用新型通过变厚曲线段筒体的设计方案，能够增加柔轮强度降低杯型柔轮在运转时的疲劳应力，降低柔轮圆弧过渡段的失效风险，利于提高柔轮的使用寿命，提高减速器的可靠性。

本实用新型的第二方面提供一种谐波齿轮传动装置，应用有上述技术方案所提的筒壁厚度渐变式杯型柔轮。

与现有技术相比，本实用新型提供的谐波齿轮传动装置的有益效果与上述技术方案提供的筒壁厚度渐变式杯型柔轮的有益效果相同，在此不做赘述。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型实施例中筒壁厚度渐变式杯型柔轮的三维示意图；

图2为本实用新型实施例中筒壁厚度渐变式杯型柔轮沿中轴线的剖面示意图；

图3为图2中a部分的局部放大图；

图4为图2中b部分的局部放大图。

附图标记：

1-齿圈，2-筒体；

3-圆弧过渡段，4-筒底；

5-法兰，20-直线筒体段；

21-第一变厚曲线段，211-第一曲线圆弧；

212-第二曲线圆弧，24-直线；

31-第二变厚曲线段，311-第三曲线圆弧，

312-第四曲线圆弧。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本实用新型保护的范围。

实施例一

请参阅图1-图4，本实施例提供一种筒壁厚度渐变式杯型柔轮，包括齿圈1、筒体2、筒底4和法兰5；其中，筒体2包括依次连接的直线筒体段20、薄壁筒体段和圆弧过渡段3，薄壁筒体段和圆弧过渡段3的外壁侧形状由互为相切的第一变厚曲线段21和第二变厚曲线段31构成，齿圈1、直线筒体段20、薄壁筒体段、圆弧过渡段3和筒底4依次连接，法兰5设在筒底4远离圆弧过渡段3的面上；第一变厚曲线段21的外壁侧形状由互为相切的第一曲线圆弧211和第二曲线圆弧212构成，直线筒体段20的外壁侧与第一曲线圆弧211相切连接，第二曲线圆弧212与第二变厚曲线段3122的外壁侧相切连接。如图3所示，第一曲线圆弧211为ab段，第二曲线圆弧212为bc段。

本实施例提供的筒壁厚度渐变式杯型柔轮，由齿圈1、筒体2、筒底4和法兰5组成，其中，筒体2包括依次连接的直线筒体段20、薄壁筒体段和圆弧过渡段3，薄壁筒体段和圆弧过渡段3的外壁侧形状由互为相切的第一变厚曲线段21和第二变厚曲线段31构成，齿圈1、直线筒体段20、薄壁筒体段、圆弧过渡段3和筒底4依次连接，法兰5设在筒底4远离圆弧过渡段3的面上；第一变厚曲线段21的外壁侧形状由互为相切的第一曲线圆弧211和第二曲线圆弧212构成，直线筒体段20的外壁侧与第一曲线圆弧211相切连接，第二曲线圆弧212与第二变厚曲线段31的外壁侧相切连接。

考虑到现有结构中谐波减速器中柔轮承受波发生器交变应力和刚轮的啮合力矩，容易导致圆弧过渡段3发生损坏，从而缩短谐波减速器的使用寿命。本实施例通过变厚曲线段筒体的设计方案，能够增加柔轮强度降低杯型柔轮在运转时的疲劳应力，降低柔轮圆弧过渡段3的失效风险，利于提高柔轮的使用寿命，提高减速器的可靠性。

上述实施例中，直线筒体段20、薄壁筒体段和圆弧过渡段3的内壁无缝且呈水平直线24连接。

具体实施时，齿圈1、直线筒体段20、薄壁筒体段和圆弧过渡段3这几部分沿轴向依次连接，且采用一体成型式结构。直线筒体段20、薄壁筒体段和圆弧过渡段3多段内壁口径大小一致，且内壁光滑呈直线型。

上述实施例中的，第二变厚曲线段31的外壁侧形状呈第三曲线圆弧311，第二变厚曲线段31的内壁侧形状呈第四曲线圆弧312，且第三曲线圆弧311的圆弧半径为第四曲线圆弧312的圆弧半径的0.6至1.1倍。

具体实施时，如图2-4所示，第二变厚曲线段31的外壁侧形状呈第三曲线圆弧311状，第二变厚曲线段31的内壁侧形状呈第四曲线圆弧312状，第二变厚曲线段31外壁侧和内壁侧共同构成了圆弧过渡段3(也即附图中的cd段)，该圆弧过渡段3的中心厚度大于两侧边的厚度，且中心厚度至侧边厚度呈逐渐变薄形态。

上述实施例中，第三曲线圆弧311的一端与第二曲线圆弧212相切连接，第三曲线圆弧311的另一端与筒底4底面相切连接。如图3所示，第三曲线圆弧311的一端与第二曲线圆弧212相切点为c点，第三曲线圆弧311的另一端与筒底4底面相切点为d点，需要说明的是，第三曲线圆弧311与第二曲线圆弧212实际的接触面实际为一条线，第三曲线圆弧311与筒底4底面实际的接触面也为一条线，c点和d点仅表示杯型柔轮轴线剖面上与上述两条线的交点。

上述实施例中，第二曲线圆弧212与第一变厚曲线段21内壁形成壁厚的最薄处为直线筒体2段壁厚的0.8至0.9倍。

上述实施例中，以齿圈1远离直线筒体2段的端面中心点为原点构建极坐标系，直线筒体2段的外壁侧与第一曲线圆弧211相切线的中心点定义为点a，第一曲线圆弧211和第二曲线圆弧212相切线的中心点定义为点b，第一变厚曲线段21和二变厚曲线段的曲线满足以下条件：

点a在极坐标系中的坐标表示为(xa，ya)，点b在极坐标系中的坐标表示为(xb，yb)；

l1为齿圈1轴向长度在x轴上的坐标表示；

l表示所述筒壁厚度渐变式杯型柔轮的内孔深度；

k为常数，取值为0.7～0.85；

θ表示点a与极坐标系原点连线同x轴的夹角；

r0表示直线筒体段20的截面的内半径。

上述实施例中，第一曲线圆弧211和第二曲线圆弧212的弧心分布于第一变厚曲线段21壁体的内外两侧。例如，第一曲线圆弧211的弧心分布于第一变厚曲线段21壁体的外侧，第二曲线圆弧212的弧心分布于第一变厚曲线段21壁体的内侧。以此来增加杯型柔轮的刚强度，延长筒壁厚度渐变式杯型柔轮的使用寿命。

现阶段的圆弧过渡段存在明显的应力集中现象，此处也是导致失效的常见断裂处。本实施例在对圆弧过渡段的结构做出改动之后，在同样的分析条件下，圆弧过渡段的应力集中部位几乎消失，整个圆弧过渡段及筒底的应力分布更加均匀，且其应力值明显减小。在对圆弧过渡段的结构参数尺寸进行控制优化后，筒壁的应力集中现象也有明显改善。应力集中现象的消失，能够降低筒壁厚度渐变式杯型柔轮在圆角过渡段断裂的可能性，延长整体的使用寿命。

实施例二

本实施例提供一种谐波齿轮传动装置，包括上述实施例中的筒壁厚度渐变式杯型柔轮。

与现有技术相比，本实用新型实施例提供的谐波齿轮传动装置的有益效果与上述实施例一提供的筒壁厚度渐变式杯型柔轮的有益效果相同，在此不做赘述。

本领域普通技术人员可以理解，实现上述实用新型方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，上述程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，包括上述实施例方法的各步骤，而的存储介质可以是：rom/ram、磁碟、光盘、存储卡等。

以上，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。