谐波减速机简介(谐波减速机用法)

导语：谐波减速器迎来对手-可用于直升机减速的锥齿轮行星排减速器

现在的机器人其实主要是工业机器臂，一般有六个关节，每个关节需要一个减速器。六个减速器，部分采用谐波减速器，部分采用RV减速器。

谐波减速器从内到外是波发生器、柔轮和钢轮。波发生器是使柔轮发生径向变形的装置，常用的双波波发生器是近似椭圆形。柔轮是高弹性钢材制造的薄壁杯体，杯底为圆形，杯口可以适度径向弹性变形，杯口被波发生器撑成椭圆形，杯口外设置齿。钢轮是坚固的圆环，内侧设置齿与柔轮长轴两端的齿啮合。柔轮齿数比钢轮齿数少二齿，当波发生器转动时，柔轮椭圆长轴两端齿与钢轮齿的啮合部位向前转动。波发生器每转动一周，柔轮椭圆长轴转动一周，柔轮与钢轮啮合相等的齿数。钢轮多出来两齿未参与啮合，钢轮反向转动两齿。这种减速传动把一周的转速变化为两齿的转速，所以这是少二齿减速器。

设钢轮齿数为b，波发生器转动（b/2）圈，钢轮反向转动一圈，传动比为（b/2）。钢轮齿数越多，传动比越大。谐波减速器传动比在35-320之间。谐波减速器传动效率不高，约为75%-90%。由于柔轮弹性变形，负载大小变化时，减速器会有不同的变形幅度，传动的刚度不高，控制定位精度不高。还容易因柔轮疲劳而逐渐散失传动精度或产生疲劳破坏。谐波减速器的总体性能比不上RV减速器，但由于体积小成本低，在机器人行业具有一定运用优势。

谐波减速器，核心技术是柔轮的材质、齿形设计加工等。其生产已经全面国产化。谐波减速器传动功率不超过几十千瓦。在需要大传动比、大功率的减速传动环境中需要新的先进减速器。下面我们介绍谐波减速器的一个竞争对手，一种行星排减速器。

说到行星排，最常见的单层行星轮行星排外观是这样的：

这种行星排作为减速器，传动比为(1+a)，a=内齿圈齿数/太阳轮齿数。要获得大传动比，太阳轮越小越好、内齿圈越大越好，这样a值才大，传动比才大。受其结构限制，最大传动比一般是8。

另一种行星排常常会被忽略，它的外观是这样：

这种行星排有双层行星轮，它的传动比为(1-a)。传动比绝对值比上面那种单层行星轮的行星排小，所以没有人拿它作为减速器。我们提一个问题：如果它的a取值接近于1，传动比绝对值是不是非常小，它的逆传动的传动比1/(1-a)是不是就非常大？

直观上，上图中的内齿圈与太阳轮中间隔着行星轮，内齿圈齿数不可能接近太阳轮齿数，a值是不可能接近于1的。但是，有没有另一种行星排，它的传动比为(1-a)、逆传动的传动比为1/(1-a)、且内齿圈齿数非常接近太阳轮齿数呢？

我们找到了这种新行星排，它的半幅结构简图是这样：

这是一种双层行星轮的锥齿轮行星排减速器，1是太阳轮，2是，3是行星架，其齿数接近于太阳轮齿数。其外观像这样：

其中大锥齿轮1算太阳轮，大锥齿轮2算，3为行星架，行星轮是两组共四个小锥齿轮。图中只画出了一组两个小锥齿轮行星轮，另一组行星轮在对面位置被遮住了。经验算可知，这种锥齿轮行星排减速器的传动比就是1/(1-a)，a=齿数/太阳轮齿数。当太阳轮齿数为300、齿数为298时，a=298/300，锁止2，从行星架3传动到太阳轮1的传动比1/(1-a)=150。行星架转动一周，太阳轮转动两齿，这是一种少二齿减速器。

这是一种结构简单的行星排减速器，输入与输出同轴转动，传动比绝对值在30-150 之间。传动效率95.6%，传动效率高。单位体积传动的能力与谐波减速器类似，体积及重量较小，成本低。由于采用行星齿轮传动，传动的刚度高，定位精度较高，比较抗疲劳。

锥齿轮行星排减速器，部分性能优于谐波减速器，部分性能略弱于谐波减速器。在机器人行业内，一定程度上可以取代谐波减速器，算是谐波减速器的一个竞争对手。

行星齿轮传动有一个特性是谐波减速器所远远不及的，就是传动功率极大，可达几千乃至上万千瓦，可用于直升机传动系统减速传动。直升机的减速传动，一般采用四级至五级齿轮传动或行星齿轮传动，不同机型直升机传动系统所需要的减速传动总传动比在60-140之间。例如阿帕奇直升机的传动系统采用四级减速，各级传动比分别为2.124、2.241、3.917和3.879，减速传动总传动比为72.32。直升机减速器的传动功率一般都是几百、几千乃至上万千瓦。

锥齿轮行星排减速器，如果行星架设置三组共六个小锥齿轮行星轮（采用三组行星轮会减小传动比，但有利于获得更大的功率体积比或功率重量比）。当太阳轮齿数为201、齿数为198时，a=198/201，锁止，从行星架传动到太阳轮的传动比1/(1-a)=67。这是一种少三齿减速器。用于直升机传动系统，不再需要多级减速，只要一级减速，其传动比就基本满足直升机传动系统的减速传动需要，直升机传动系统可以优化减轻不少。而且，在减速器之前的传动系统都工作于高速低扭状态，体积重量还可减轻不少。

现有减速器中，普通齿轮减速器和普通行星排减速器的传动比都比较小，一般不超过8；谐波减速器和RV减速器的传动功率都只有几十千瓦；其他二十多种减速器，或者传动功率不高，或者传动效率比较低。锥齿轮行星排减速器传动比很大，传动效率很高，传动功率大，特性突出。除了用于直升机减速传动，还可用于采用高速发动机的船舶螺旋桨的减速传动。

从上述锥齿轮行星排减速器的推导过程可以看出。要把行星排作为减速器，传统的采用(1+a)之类加法传动比是浅显而低效的办法，而采用1/(1-a)之类减法传动比才是深刻而高效的方法。用语言表述，这种新方法就是：寻找传动比中分母是减法的行星排结构，使分母极小化，传动比就极大化！

在下一篇文章中我们会讲述：利用深刻而高效的新方法，找到具有更大传动比的、可以与RV减速器竞争的并联行星减速器。

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