文献综述
摘要 简要介绍了谐波齿轮传动的传动原理、特点及应用，着重介绍分析了国内外谐波传动技术的 发展现状及重点研究内容， 提出了未来需进一步开展的研究工作。 关键词 谐波齿轮传动 传动原理 发展现状
- 背景
谐波齿轮传动技术是 20 世纪 50 年代后期随航天 技术的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 动力等许多独特的优点，谐波齿轮传动引起了各国学 者的关注，并进行了大量的相关研究，取得了一系列的 研究成果。目前，谐波齿轮传动技术已被广泛的应用 于空间技术、能源、机器人、雷达通讯、机床、仪表、造 船、汽车、武器、起重运输、医疗器械等各个工业领域， 并已开始系列化生产谐波齿轮传动产品。但是，在谐 波齿轮传动技术中还存在一些尚未解决的问题，而且 随着谐波齿轮传动技术的推广和应用，不断对其提出 了新的要求。因此，有必要对前人的研究成果进行总 结，以指导更深入的研究工作。
2.传动原理、特点及应用
谐波齿轮传动装置的传动原理与普通齿轮传动的 传动原理有着本质的区别，它是利用机械波控制柔性 齿轮的弹性变形来实现传递运动和力的一种新型传动 装置。谐波齿轮传动的主要构件有 3 个： 刚轮 l、柔轮 2 和波发生器 H。固定其中一件，其余两件，一 为 主 动，另 一 为 从 动。在未装配前，柔轮的 原始剖面呈圆形，柔轮和 刚轮的周节相同，但柔轮 的齿数比刚轮齿数略少， 而波发生器的最大直径比 柔轮内圆直径略大。当把 波发生器装入柔轮内时， 迫使柔轮产生变形，在其 长轴两端的齿恰好与刚轮齿完全啮合，短轴处的齿则完全脱开；而处于波发生器长轴与短轴之间沿周长不 同区段内的齿，则处于啮入或啮出的不同过渡状态。 当波发生器回转时，将迫使柔轮齿依次同刚轮齿啮合， 由于齿数不同，故波发生器转 l 周，使柔轮在相反方向 转过两者的齿数差，从而获得变速传动。谐波齿轮传 动机构在传递运动或动力时，其弹性元件将产生一个 可移动的变形波，即柔轮各点的径向位移随转角的变 化情况为一个基本对称的简谐波，因此把这种传动称 为谐波传动。 与普通齿轮传动相比较而言，谐波齿轮传动具有 结构简单、零件少；体积小、重量轻；传动比大、范围广， 且在传动比很大的情况下，仍具有较高的效率；由于同 时啮合的齿数多（可达 30 ~ 50%），齿面相对滑动速度 低，使其承载能力高、传动平稳、运动精度高，可实现零 侧隙传动；在采用如电磁波发生器或圆盘波发生器等 结构型式时，可获得较小转动惯量；谐波传动的噪声级 低于一般的齿轮传动；并且具有运动学方面适应性广、 结构形式多种多样、适用的载荷和转速范围宽的特点。 此外，谐波齿轮传动还有可以向密封空间传递运动和 动力的优点。但同时，谐波齿轮传动也存在一些问题， 如：柔轮周期性变形，工作情况恶劣，从而易于疲劳损 坏；起动力矩大；齿数不能太少，当波发生器为主动时， 传动比不能小于 35 等。 由于谐波传动具有许多独特的优点，近几十年来， 已被迅速推广到能源、通讯、机床、仪器仪表、机器人、 汽车、造船、纺织、冶金、常规武器、精密光学设备、印刷 机构以及医疗器械等领域，获得了广泛的应用。国内 外的应用实践证明，无论是作为高灵敏度随动系统的 精密谐波传动，还是作为传递大转矩的动力谐波传动， 都表现出了良好的性能；作为空间传动装置和用于操 纵高温、高压管路以及在有原子辐射或其它有害介质 条件下工作的机构，更是显示出一些其他传动装置难 以比拟的优越性。[1-4]
3国外相关研究进展
谐波传动自美国学者 C.W.Musser 于 1955 年提出之后, 已成功地用于火 箭、卫星等多种传动系统中。这一传动技术的优越性使得美、俄、日等技术 先进国家, 对这方面的研制工作一直都很重视。 美国设有国家航空航天管理局路易斯研究中心、空间技术试验室、U SM 公司、贝尔航空空间公司、卡曼飞机公司、本迪克斯航空公司、波音航 空公司、肯尼迪空间中心(KSC)、麻省理工学院(MIT)、通用电气(GE) 公司 等几十个大型公司和研究中心来从事过这方面的研究工作；苏联自 60 年代 初期开始, 也大力开展这方面的研制工作, 如苏联机械研究所、莫斯科鲍曼 工业大学、列宁格勒光学精密机械研究所、全苏减速器研究所、基也夫减速 器厂和莫斯科建筑工程学院等单位都大力开展了谐波传动的研究工作。他们 在谐波传动的类型、结构、应用等方面有较大发展[6,7]。 日本长谷川齿轮株式会社等有关企业, 除从事谐波齿轮传动的研制外, 自 1970 年开始, 从美国引进 USM 公司的全套技术, 目前除能大批生产各 种类型的谐波传动装置外, 还完成了通用谐波传动装置的标准化、系列化工 作[8]。 西欧一些国家, 如德国、法国、英国、瑞士、瑞典等国, 近年来除在卫 星、机器人、数控机床等领域采用谐波传动外, 对谐波传动的基础理论部分 也开始进行系统的研究。 就目前国外所发表的论文和相关资料可以得出国外对谐波齿轮传动的研 究主要集中在以下几方面： (1)柔轮新材料的研究 传统的柔轮材料一般为合金钢，这种材料在传 动过程中，必然会带来一定的振动和噪声，当速度较高时，振动和噪声就更 为明显。韩国的Oh, Hee Seok; Jeong, Kwang Seop等人提出了一种碳纤维复 合材料来制作柔轮的杯型，而柔轮的齿仍然使用合金钢材料，加工完之后进 行联接[9]。通过试验与传统的合金钢柔轮相比较，验证了所设计的柔轮具有 更小的振动和噪声，并且具有更好的动力学特性。后期，又通过试验验证，这种复合材料柔轮具有更好的柔性和更高的阻尼性质[10]。 (2)齿形相关研究 谐波齿轮产生时，其创始人Musser提出了压力角为 的直线齿形，随后出现的渐开线齿廓获得了广泛使用，后来又有学者 陆续提出了圆弧齿形、摆线齿形。其中前苏联最早出现了关于谐波齿轮传动 采用圆弧齿形的研究，并在日、美等国获得实际应用。早在 1989 年，为了 提高谐波柔轮轮齿的耐用性和刚度，谐波传动系统公司的 28.6D Kiyosawa, Y.等人提 出了一种与共轭齿形特征非常接近的类共轭齿形[11]。许多单位都对这种新 的齿形的谐波传动进行了制作和测试，这种齿形与传统的齿形相比表现出了 一定的优越性。 Kayabasi，Erzincanli等学者使用有限元方法尽可能准确地分析了柔轮 轮齿的破坏并对柔轮轮齿形进行了优化，为设计者提供了一定的依据[12]。 (3)传动精度的研究 关于谐波齿轮传动精度问题的研究，前苏联研究者 进行了较多的工作。目前比较实用的谐波齿轮传动误差估计公式是苏联的学 者S. A. Shuwalov等在 20 世纪 70 年代提出的。谐波传动运动转换机理以及 啮合齿轮工作情况不同于一般齿轮传动，都成为谐波齿轮传动误差建模困难 的主要原因。目前的方法主要是在啮合区采用当量圆柱齿轮传动的简化方 法，所获得的传动误差估计值和对误差的频谱分析结果与实际情况基本符 合。近几年，Gao, Wei; Furukawa, Masaru等人提出一种使用激光束对柔轮的 误差进行分析方法[13]，能够更加精确地检测柔轮由于切屑加工轮齿时造成 的误差，这种方法的提出对于保证柔轮的精度具有重要的意义。 (4)柔轮动力学特性研究 部分学者使用系统化的方式引入谐波传动动 力学模型[14,15]，主要是针对谐波传动的柔性，滞后性建立了一种简单但是非 常精确的模型，模型参数通过最小二乘法获得，建立的动力学模型能够更好 地描述谐波传动低速和高速的滞后情况，并且通过仿真和试验验证了模型的 正确性。 (5)不同环境下润滑研究 日本学者Maniwa,Kazuaki等人以固体润滑脂 为例对谐波三大件的波发生器本身的润滑、波发生器外表面与柔轮内表面之 间的润滑、柔轮与刚轮之间的润滑在真空环境和常规环境下进行了对比测定 [16]。发现在真空环境下的润滑条件很差，极容易造成润滑脂干涸，从而加 剧谐波三大件之间的摩擦。其他学者也做了类似试验[17]，所得到的结论非 常类似。 (6)柔轮疲劳强度的研究 谐波传动出现伊始，作为决定传动寿命的柔 轮强度问题就是研究的重心,因为柔轮的强度直接决定着柔轮的寿命，也是柔轮为什么不能达到很小减速比的原因。目前在谐波齿轮传动领域仍然没有 统一的柔轮强度计算方法。20 世纪 70 年代，一些前苏联的研究人员基于柔 轮弯曲疲劳破坏准则或柔轮齿面的磨损失效准则，提出了众多的强度校核公 式，并被应用于谐波齿轮传动装置的试验和研制过程中，这些理论无一例外 地证明自己的有效性[5]。其后，很多研究者又采用有限元或边界元法对空 载和承载作用下柔轮光滑壳体中的应力进行计算，所获结论与前苏联的一些 科学家的研究结果是相近的[18-20]。 (7)柔轮结构研究 目前，为了满足空间环境、机器人、伺服控制系统 等对谐波减速器中柔轮轴向尺寸小的要求，各国也展开了研究，这方面的研 究成果能够带来显著的经济效益。目前,日本筒形柔轮的长径比为 0.5～0.8 , 美国已开发并产品化了长径比约为 0.5 的 CSF 系列和长径比约为 0.2 的 CSD 系列产品。俄罗斯在试验研究长径比 0.52 左右的筒形柔轮,并已研制成 功传动比在 85～115 范围内的具有超短柔轮 DP 系列谐波齿轮传动装置,其 柔轮在额定载荷作用下能可靠地工作 500h 以上[21]。国外比较特殊的短杯柔轮结构有 CSG（Cup High-torque Type）、 CSD(Cup Super Flat Type)、CSF(Cup Standard Type)三种.[22-23] 4.国内研究进展
谐波齿轮传动技术于 1961 年由上海纺织科学研究院的孙伟工程师介绍 入我国。此后，我国也积极引进并研究发展该项技术，1983 年成立了谐波 传动研究室，1984 年“谐波减速器标准系列产品”在北京通过鉴定，1993 年制定了 GB/T14118-93 谐波传动减速器标准，并且在理论研究、试制和应用方面取得了较大的成绩，成为掌握该项技术的国家之一[24]。 我国对谐波传动技术的研究虽然起步较晚，但经过几十年的发展，也取得了一定的成果。其中早期西北工业大学的沈允文教授和北京中技克美谐波 传动公司的李克美工程师研究较早，成果也较为显著。他们翻译了国外多种 谐波传动书籍，并发表了关于柔轮应力强度计算[25,26]、谐波传动载荷分 布[27]、谐波传动轮齿侧隙[28]等多篇论文。近期，北京工商大学的辛洪兵教 授对谐波传动的各个方面进行了较为深入的研究，其研究范围涉及谐波传动 的齿形[29]、传动比极限[30]、柔轮材料[31]、柔轮齿圈的应力[32]等各个方面。 国内的其他学者也对谐波齿轮传动中柔轮的变形、柔轮成型技术和谐波 传动间的润滑等问题进行了研究[33-36]，得出了一定的结论。 但是我国的谐波传动技术与国外相比还有一定的差距，特别在短杯谐波 的研制和在空间机构环境中的应用方面差距更大。近年来我国也开始研制短 杯柔轮的谐波减速器[37]，但是目前还处于研发阶段，还未见有产品应用的实例。
- 研究前景
谐波齿轮传动技术的诸多独特优点使其有着广泛 的应用前景。目前，谐波传动的研究已经取得了很大 的进展，但仍然存在一些需要进一步研究解决的问题， 如全面合理地考虑非线性因素，建立较为完整的非线性动力学模型来研究谐波齿轮传动系统的动力学特 性；开发出适用于不同批量的具有一定柔性的加工方 法；新的更加合理的齿形的研究等。此外，谐波传动优 化设计方法的研究、谐波传动 CAD 系统的开发、谐波 传动系统传动性能的理论与试验研究、新材料新工艺 的应用、推广以及新产品的标准化、系列化工作等都有 待深入研究和探讨。[38-41]
参考文献
