中文名称

谐波齿轮传动机构

英文名称

harmonic gear drive mechanism

定　　义

由柔性齿轮、刚性齿轮、波发生器构成的齿轮传动机构。

应用学科

机械工程（一级学科），传动（二级学科），齿轮传动（三级学科）

谐波齿轮传动系统有三个基本构件组成，如图1所示：刚轮(Circular Spline)，柔轮(Flexspline)和波发生器(Wave Generator)。谐波齿轮传动的原理就是在柔性齿轮构件中，通过波发生器的作用，产生一个移动变形波，并与刚轮齿相啮合，从而达到传动目的。

其中，波发生器是按一定变形规律产生周期性弹性变形波的部件，常见的有机械式波发生器、电磁式波发生器、液压式波发生器和气动式波发生器。

图1中所示为采用滚动轴承的机械式波发生器，其是在凸轮的外缘安装薄壁滚珠轴承，该薄壁滚珠轴承的内圈固定在凸轮上，通过滚珠和凸轮的相互作用实现外圈衬环的弹性变形，凸轮通常作为输入端，通过内孔与输入轴相连。柔轮为薄壁杯型金属挠性部件，开口部外缘有齿，未装配时截面呈圆形，柔轮的杯型底部被称为膜片部，膜片部通常作为输出端，起到法兰的作用。刚轮一般为环状部件，内缘有齿，节圆与柔轮相同，齿数通常比柔轮多1~3齿（齿差通常为波数的整数倍，为获得最大齿高，一般取等于波数，即齿差为1~3），经常作为固定端与机架连接。将波发生器装入柔轮内时，柔轮将产生弹性变形，在工作过程中，波发生器旋转一周，柔轮上某点发生弹性变形的循环次数称为谐波齿轮的波数，一般为1~3，其中最常用的是波发生器呈椭圆状的双波谐波齿轮，顾名思义其波数为2。

以双波谐波齿轮为例，即柔轮和刚轮间的齿差为2，其传递力和运动的过程如图2所示。当波发生器旋转角度为0°时，其长轴两端柔轮的齿恰好与刚轮的齿完全啮入，短轴处柔轮的齿则完全啮出，而长短轴之间其他区域柔轮的轮齿则处于啮入和啮出的过渡状态。当刚轮固定，波发生器输入，柔轮输出时，波发生器沿顺时针方向旋转，柔轮在波发生器做用下发生弹性变形，则柔轮与刚轮啮合齿的位置也沿顺时针方向旋转。当波发生器沿顺时针方向旋转180°后，柔轮仅沿逆时针方向转过1个齿。当波发生器旋转360°后，由于刚轮比柔轮多2齿，因此柔轮沿逆时针方向移动2个齿。以此类推，通过柔轮的不断弹性变形使得轮齿啮入啮出，谐波齿轮即产生输出力矩和旋转运动。

谐波齿轮传动技术是上世纪50年代随航天技术的发展而产生的一种新的传动技术。五十年代，随着空间科学、航天技术的发展，航天飞行器控制系统的机构和仪表设备对机械传动提出了新的要求，如：传动比大、体积小、重量轻、传动精度高、回差小等。对于上述要求，新出现的谐波传动满足了这种要求，它是在薄壳弹性变形的基础上发展起来的一种传动技术。

在谐波传动出现后短短的几十年中，世界各工业比较发达的国家都集中了一批研究力量致力于这类新型传动技术的研究。如美国就有国家航空航天管理局路易斯研究中心、空间技术实验室、USM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从事这方面的研究工作。前苏联从上世纪60年代初期开始，也大力开展了这方面的研究工作，如前苏联机械研究所、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。他们在该领域进行了较系统、深入的基础理论和试验研究，在谐波传动的类型、结构、应用等方面有较大发展。日本长谷川齿轮株式会社等有关企业，自1970年开始，从美国引进USM公司的全套技术资料，成立了谐波传动株式会社，现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。值得注意的是西欧一些国家，如德国、法国、英国、瑞士、瑞典及意大利等国，都开展了谐波传动的研究工作并推广应用研究成果，他们不但对谐波传动的基础理论进行系统的研究，而且把谐波传动应用在卫星、机器人、数控机床等领域。

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引入我国。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。到今为止，我国已有北京谐波传动技术研究所、北京中技克美有限责任公司、燕山大学、郑州机械研究所、北方精密机械研究所等几十家单位从事这方面的研究和产品生产，为我国谐波传动技术的研究和推广应用打下了较坚实的基础。