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，改變柔輪與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）獲得連續變化，可以實現徑向內波諧波傳動、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。根據此方法設計了一種無級變速諧波傳動裝置。計算表明，無級變速諧波傳動能實現很大的變速比，要求實現的最大傳動比越大，對剛輪、柔輪尺寸加工精度的要求越高。 關鍵詞： 無級變速諧波傳動 柔輪 剛輪 引言 世界主要機械無級變速器的生產國家有日本、美國、意大利和俄國等。產品有摩擦式、鏈式、帶式及脈動式等3O多種結構形式。機械無級變速器具有以下主要特點：轉速穩定、滑動率小、工作可靠，具有恒功率機械特性，傳動效率較高，結構簡單，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60年代前后起步，目前能夠初步滿足社會生產的要求[sup][1] [/sup]。 諧波傳動技術是2O世紀中期隨著空間科學、宇航技術的發展，在彈性薄殼理論的基礎上出現的一種新型的傳動技術。它具有運動精度高、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輻射的工況下正常工作等優點，已經成功應用于空間技術、儀器儀表、機器人、印刷機械及醫療器械等領域中。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。其運動學可簡述如下[sup][2] [/sup]。 如圖1所示的具有內置波發生器的諧波傳動，在波發生器的作用下，橫截面為圓形的彈性薄壁構件柔輪發生彈性變形。在波發生器長軸方向，柔輪的外壁被緊壓在橫截面為圓形的剛輪的內壁上。當波發生器旋轉時，柔輪沿著剛輪的內壁滾動。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過由其周長差決定的角度。假設柔輪外壁未變形前的半徑為r，剛輪內壁的半徑為R，其周長差為，w[sub]o[/sub]為剛輪與柔輪的半徑差。波發生器每轉一轉，兩輪相對轉過的轉角當剛輪固定時，柔輪沿波發生器旋轉的反方向轉過 的角度；當柔輪固定時，剛輪沿波發生器的旋轉方向轉過的角度。 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，則上述比值應代以齒數與齒數差之比，合理選擇嚙合參數與結構參數E3]，諧波摩擦傳動即演變為諧波齒輪傳動。 人們一直在研究如何將諧波傳動的優良性能充分發揮出來，實現諧波傳動的無級變速。例如，文獻[4]介紹了通過附加裝置改變柔輪周長、使用截錐形柔輪以及利用變形柔輪圓周方向各點速度不同的方式實現無級變速的結構。其中，在使用截錐形柔輪的結構中，環形剛輪可以軸向移動，波發生器的位置固定，剛輪在移動過程中，由于其與波發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。越靠近波發生器作用的位置，壓力越大，越遠離波發生器作用的位置，壓力越小，這導致無級傳動裝置的承載能力也按此規律變化。柔輪的結構特點是兩端封閉，由于輸入軸的限制，柔輪的長度不能夠變化，因此，柔輪不可能實現所要求的徑向變形。也有通過在波發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現波發生器輸入轉速的無級調速[sup][5] [/sup]，或者使用離合器或其它變速機構控制變速[sup][6,7] [/sup]，后幾種方法的特點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，在連續改變柔輪與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）獲得連續變化，在浮動式波發生器的作用下，柔輪與剛輪始終緊密接觸。按照前述運動學的分析，諧波摩擦傳動實現無級變速。 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，剛輪具有錐形內孔，在浮動式波發生器的作用下，柔輪發生彈性變形。在波發生器長軸方向，發生了彈性變形的柔輪外壁被緊壓在剛輪的內壁上。在位置A— A，柔輪沒有發生彈性變形，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。當波發生器旋轉時，柔輪與剛輪相互轉過的周長差為。此時，無級變速諧波傳動的傳動比為。當柔輪沿軸向相對剛輪移動到位置B—B時，波發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表示剛輪內壁的 2 幾種機構簡圖 周長差的增長極限是柔輪材料強度所允許的最大值[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、輸出轉速范圍寬等優點。對鋼制柔輪的諧波摩擦傳動，可以實現的變速范圍約為2O到1000，變速比達到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100以上。拓寬了諧波傳動的應用領域。在該無級變速諧波傳動中，如果采用密閉諧波傳動柔輪結構，還具有可以向密閉空間和介質輻射等特殊環境中輸出無級變速傳動的特點。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現無級變速的機構簡圖。 圖3a是無級變速諧波傳動用于徑向內波諧波傳動的機構簡圖。其中，柔輪與輸出軸相連，波發生器輸入。具有錐形內孔、相對殼體只能產生軸向滑移的剛輪在調速器的調節下，可以相對柔輪和波發生器軸向移動，達到無級變速的目的。圖3b是無級變速諧波傳動用于徑向外波諧波傳動的機構簡圖。其中，柔輪與輸出軸相連，波發生器輸入。具有錐形外壁、相對殼體只能產生軸向滑移的剛輪在調速器的調節下，可以相對柔輪和波發生器軸向移動，達到無級變速的目的：圖3c是無級變速諧波傳動用于端面諧波傳動的機構簡圖。其中，柔輪與輸出軸相連，波發生器輸入=具有錐形外壁、相對殼體只能產生軸向滑移的剛輪在調速器的調節下，可以相對柔輪和波發生器軸向移動，達到無級變速的目的。圖3d是無級變速諧波傳動用于密閉諧波傳動的機構簡圖。其中，加工成錐形的柔輪與密封墻壁2 相聯，二者相連的外緣墻壁使用波紋板等彈性構件聯結，以使柔輪相對墻壁可以產生軸向相對運動。波發生器輸入，具有內孔的剛輪與輸出軸相聯。在調速器的調節下，柔輪與連結在一起的密封墻壁2 可以相對剛輪和波發生器軸向移動，達到無級變速的目的。 3設計實例 設計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等構成波發生器。調速輪6與調速螺中10等構成調速機構：壓力彈簧13、錐盤15以及螺母12等構成加壓裝置：：調常調速輪6，帶動調速螺桿旋轉。剛輪9在調速螺桿10的帶動下．可以沿軸向移動．這將連續改變柔輪16與剛輪9工作接觸處的周長燕，從而達到無級淵速的目的。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．保證傳動的正常進行。 圖5是柔輪與剛輪工作接觸部分的兩種結構。這兩種結構置于乘輪內側，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構，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構，分離零件lF裝配在柔輪16上： 圖6足設計中可以使用的幾種浮動式內波發生器結構：其中．圖6a足發生器滾輪支架兩側具有壓力錐盤的渡發生器結構l圖．圖6b是發生器滾輪支架不隨輸入軸旋轉的行星波發生器結構圖，圖6c足具有兩個加壓裝置和滾輪裝在滾輪支架上的波發生器結構圖，圖6d是具有4個加壓裝置和滾輪裝在滾輪支架上的波發生器結構圖。 圖6b足發生器滾輪支架20小隨輸入軸22旋轉的行星波發生器的結構i參考圖4，在這種結構中，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20兩側的錐盤15與輸入軸22用鍵14聯接．兩個錐盤15與輸入軸22一起旋轉． 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的內表嘶滾動，山此形成無級變速諧波傳動的行星波發生器結構：在這種結構中，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]．剛輪錐形內孔的長度為H．柔輪BA邊延長線與剛輪刪邊延長線的交點為C[sub]o[/sub] C點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點成為與剛輪內壁MN相接觸的E[sup]，[/sup]點，E點到垂足F點的距離為 [align=center] [/align] 如圖7b所示，所設計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，因為錐形孑L內壁MN延長線與柔輪AB的交點c位于A點的左側，所以計算時a以負值代入。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算，當n從42到73連續變化時，如圖8所示，傳動比在l9．4至545．0間連續變化，變速比為28。當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，相當于該尺寸8級制造公差。當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現的最大傳動比越大，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，改變柔輪與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變化，實現無級變速諧波傳動。調速機構在連續改變柔輪與剛輪沿錐形軸線方向的相對位移過程中，在浮動式波發生器的作用下，柔輪與剛輪始終緊密接觸：應用這種無級變速諧波傳動方法，可以實現徑向內波諧波傳動、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，波發生器結構除了可以是轉速與輸入軸相同的常規浮動結構外，還可以構成浮動式行星波發生器，在這種結構中，由于行星傳動部分的工作接觸面會隨著剛輪在調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）調速機構可以是螺母螺桿機構、滾珠絲杠傳動機構、蝸輪蝸桿傳動機構、齒輪齒條傳動機構、齒輪傳動機構等以及它們與電機組合以實現自動調速。 4）柔輪與剛輪相接觸的工作部分結構設計，其整機結構如圖5所示。包括箱體以及設置在箱體內的輸入軸，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動，并通過帶柄滾動軸承、水平從動盤及水平擺臂驅動輸出臂作水平方向的往復直線運動。提升弧面凸輪通過帶柄滾動軸承驅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直線運動。 輸出臂的水平方向和豎直方向行程在一定范圍內可調，采用PLC對其進行控制，可控制其停留位置及時間。 該機構在裝配時可通過微調中心距來實現預緊，使機構實現無間隙嚙合。 該設計填補了國內空白，并對國外同類產品有所改進，已獲國家專利，專利號為ZL 2004200415567。 3 結語 弧面凸輪機械手以多點嚙合、滾動摩擦，故是一種高效、節能的自動化裝置，有著廣闊的發展前景。其設計和制造在國內尚屬研究階段，有待進一步擴展、深入，以達到能制造出系列化、標準化的產品。 參 考 文 獻 1 葛正浩．凸輪連桿機構系統模塊化設計及應用研究[博士學位論文]．西安：西安理工大學，2001 2 彭國勛，肖正揚．自動機械的凸輪機構設計．北京：機械工業出版社，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算：PDF