盧劍青 程師蘇

（合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 238000）

基于諧波傳動的動態(tài)轉(zhuǎn)向原理

盧劍青 程師蘇

（合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 238000）

諧波傳動是利用一個構(gòu)建的可控制的彈性變形來實現(xiàn)機械運動的傳遞。文章根據(jù)高職教育教學(xué)特點，結(jié)合《汽車機械基礎(chǔ)》教學(xué)實踐，從機械原理的角度，扼要梳理、剖析諧波傳動的機構(gòu)組成、工作原理、運動特性及破壞形式，對于了解其具體應(yīng)用和幫助理解汽車檢測與維修專業(yè)課程體系后續(xù)課程中的相關(guān)內(nèi)容具有指導(dǎo)意義。

諧波傳動；動態(tài)轉(zhuǎn)向；原理；應(yīng)用

諧波傳動是利用一個構(gòu)建的可控制的彈性變形來實現(xiàn)機械運動的傳遞。它是美國人 C.W.馬瑟于 1955年提出的專利，其發(fā)展是由軍事和尖端技術(shù)開始的，以后逐漸擴展到民用和一般機械上[1]。例如為確保手術(shù)系統(tǒng)高精度定位與配合作業(yè)，在外科手術(shù)系統(tǒng)中應(yīng)用的各種型號的諧波傳動；Audi Dynamic Steering動態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等。

1 機構(gòu)組成

諧波傳動機構(gòu)通常由剛輪1、柔輪2、波發(fā)生器H和機架等構(gòu)件組成（圖1）。剛輪是一個剛性內(nèi)齒圈，柔輪為一可控的、彈性變形的薄壁外齒圈，兩者齒距相同，齒數(shù)不同。波發(fā)生器由一個轉(zhuǎn)臂和幾個滾子組成。機械式波發(fā)生器一般制成橢圓形的凸輪。

圖1　諧波傳動機構(gòu)示意圖

2 工作原理

當(dāng)波發(fā)生器H裝入柔輪2后，由于轉(zhuǎn)臂長度大于柔輪2內(nèi)孔直徑，將柔輪撐為橢圓形。橢圓長軸兩端柔輪外齒與剛輪 1內(nèi)齒相嚙合，短軸兩端兩者完全脫開。當(dāng)波發(fā)生器轉(zhuǎn)動時，柔輪的齒逐一被推入剛輪的齒槽中進行嚙合。

波發(fā)生器在柔輪內(nèi)轉(zhuǎn)動時，迫使柔輪產(chǎn)生連續(xù)的彈性變形，此時波發(fā)生器的連續(xù)轉(zhuǎn)動，就使柔輪齒的嚙入—嚙合—嚙出—脫開這四種狀態(tài)循環(huán)往復(fù)不斷地改變各自原來的嚙合狀態(tài)（圖3），這種現(xiàn)象稱之錯齒運動。正是這一錯齒運動，作為減速器就可將輸入的高速轉(zhuǎn)動變?yōu)檩敵龅牡退俎D(zhuǎn)動。對于雙波發(fā)生器的諧波齒輪傳動，當(dāng)波發(fā)生器順時針轉(zhuǎn)動 1/8周時，柔輪齒與剛輪齒就由原來的嚙入狀態(tài)而成嚙合狀態(tài)，而原來脫開狀態(tài)就成為嚙入狀態(tài)。同樣道理，嚙出變?yōu)槊撻_，嚙合變?yōu)閲С?，這樣柔輪相對剛輪轉(zhuǎn)動（角位移）了1/4齒；同理，波發(fā)生器再轉(zhuǎn)動1/8周時，重復(fù)上述過程，這時柔輪位移一個齒距。依此類推，波發(fā)生器相對剛輪轉(zhuǎn)動一周時，柔輪相對剛輪的位移為兩個齒距[2]。

柔輪齒和剛輪齒在節(jié)圓處嚙合過程就如同兩個純滾動（無滑動）的圓環(huán)一樣，兩者在任何瞬間，在節(jié)圓上轉(zhuǎn)過的弧長必須相等。由于柔輪比剛輪在節(jié)圓周長上少了兩個齒距，所以柔輪在嚙合過程中，就必須相對剛輪轉(zhuǎn)過兩個齒距的角位移，這個角位移正是減速器輸出軸的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)了減速的目的。波發(fā)生器的連續(xù)轉(zhuǎn)動，迫使柔輪上的一點不斷的改變位置，這時在柔輪的節(jié)圓的任一點，隨著波發(fā)生器角位移的過程，呈近似于余弦波形的變化，所以這種傳動稱為諧波傳動。

3 運動特性

3.1自由度

鑒于各構(gòu)件的回轉(zhuǎn)軸互相平行，因而諧波傳動機構(gòu)可視為平面機構(gòu)。其運動副有：柔輪與波發(fā)生器，以及波發(fā)生器、剛輪、柔輪的軸與機架分別構(gòu)成低副（回轉(zhuǎn)副），其中柔輪的軸與機架組成的回轉(zhuǎn)副是虛約束；柔輪與剛輪組成高副。

根據(jù)平面機構(gòu)自由度公式F=3n-2PL-PH

式中：F ——平面機構(gòu)的自由度；

n ——可動構(gòu)件數(shù)，n=N-1，N為機構(gòu)總構(gòu)件數(shù)，

其中一個構(gòu)件是機架；

PL ——低副數(shù)（虛約束不計）；

PH——高副數(shù)。

由于N=4，PL=3，PH=1，則F=3×（4-1）-2×3-1=2。

F≥1，機構(gòu)具可動性；F=原動件數(shù)，機構(gòu)有確定運動。顯然，這是一個平面差動機構(gòu)。為了使F=1（原動件數(shù)），機構(gòu)有確定的相對運動，必須將其中一個構(gòu)件與機架固定。

若固定波發(fā)生器，得到含有柔輪的簡單摩擦機構(gòu)；若固定剛輪，則得到行星波摩擦機構(gòu)，此時柔輪作復(fù)合運動，回轉(zhuǎn)傳遞在波發(fā)生器和柔輪間進行；若固定與柔輪一體的軸，仍然得到行星波摩擦機構(gòu)，此時柔輪相對于波發(fā)生器運動，而回轉(zhuǎn)傳遞在波發(fā)生器和剛輪之間進行。

3.2傳動比

諧波齒輪傳動的運動學(xué)分析模型可分為兩大類。（1）摩擦模型，按照無滑動純滾動原理來分析定義傳動比，并將平均角速度積分原理引入研究。（2）行星傳動模型，將諧波傳動機構(gòu)抽象為行星傳動機構(gòu)，把其看作行星齒輪傳動的變形，按照行星傳動機構(gòu)的運動特性來研究其運動學(xué)規(guī)律。另外有的學(xué)者還提出了一種新的基于運動傳遞的幾何運動學(xué)模型。

由于在諧波齒輪傳動過程中，柔輪與剛輪的嚙合過程與行星齒輪傳動類似（圖3），其傳動比可按周轉(zhuǎn)輪系的計算方法求得。當(dāng)剛輪1固定，波發(fā)生器H主動，柔輪2從動時，傳動比為：i21H= n2- nH/ n1- nH=1- n2/ nH=Z1/ Z2即iHV=iH2= nH/n2= - Z2/（Z1– Z2），主、從動件轉(zhuǎn)向相反；當(dāng)柔輪2固定，波發(fā)生器H主動，剛輪1從動時，傳動比為：iH1= nH/ n1= Z1/（Z1– Z2），主、從動件轉(zhuǎn)向相同。

3.3柔輪

柔輪是諧波傳動中的關(guān)鍵元件，它決定著承載能力、傳動性能、結(jié)構(gòu)尺寸、使用壽命及工藝性。柔輪結(jié)構(gòu)型式主要有杯形、環(huán)形和鐘形三種，經(jīng)常用的是杯形，杯形柔輪是將具有輪齒的柔性殼體與柔性圓筒組合而成，其結(jié)構(gòu)簡單、聯(lián)接方便、剛性好、傳動精度高，但工藝性差，應(yīng)用最為廣泛。

目前制造柔輪的材料通常有兩類：一類是高性能合金鋼；一類是工程材料。

由于柔輪體承受反復(fù)彎曲，處于變應(yīng)力的工作狀態(tài)，其疲勞壽命在很大程度上決定了傳遞運動和動力的工作能力。

3.4波發(fā)生器

波發(fā)生器的結(jié)構(gòu)型式主要有雙滾輪式、四滾輪式、偏心盤式和柔性軸承凸輪式，經(jīng)常采用的是柔性軸承凸輪式或雙滾輪式波發(fā)生器。柔性軸承凸輪式波發(fā)生器除了能按給定的原始曲線來確定凸輪輪廓線外，還可以從工藝或預(yù)定的嚙合性能出發(fā)直接選取合理的凸輪輪廓曲線全面控制柔輪變形，承載能力大、剛性好，適于標(biāo)準(zhǔn)化批量生產(chǎn)。常用的有雙偏心圓弧凸輪和橢圓凸輪。

3.5失效形式

柔輪杯體疲勞破壞、齒面磨損破壞、跳齒、輪齒塑性變形、波發(fā)生器軸承破壞等，其中，柔輪杯體疲勞破壞是諧波齒輪傳動最為重要失效形式。

4 諧波傳動在汽車上的應(yīng)用

4.1概述

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用來保持或改變汽車行駛方向的裝置，其功能就是按照駕駛員的意愿控制汽車的行駛方向。它決定著汽車的主動安全性和操控性。傳統(tǒng)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向車輪之間是一個相對固定的關(guān)系，這會導(dǎo)致汽車在泊車和低速行駛時轉(zhuǎn)向操縱沉重（對傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言）或者無法兼顧車輛低速的轉(zhuǎn)向輕便性和高速時的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性（對液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言）。

Audi Dynamic Steering動態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可根據(jù)車速改變這種關(guān)系（轉(zhuǎn)向傳動比）[4]，同時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向力矩與該傳動比匹配，確保更精確的轉(zhuǎn)向響應(yīng)和更直接的路面反饋，即：車輛在高速行駛時，該系統(tǒng)采用間接轉(zhuǎn)向傳動，使汽車操控更沉穩(wěn)，并保持更好的直線行駛穩(wěn)定性；車輛在多彎路段以中低速行駛時，系統(tǒng)使用更為直接的轉(zhuǎn)向比以提高車輛的轉(zhuǎn)向精確度和靈敏性；在泊車時，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用直接的轉(zhuǎn)向比，使泊車更為輕松自如（圖3）。

4.2動態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)關(guān)鍵實體結(jié)構(gòu)（如圖2所示）

圖2　動態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)執(zhí)行元件分解圖

4.3動態(tài)轉(zhuǎn)向原理

奧迪A6L提供的頗具特色的Audi Dynamic Steering動態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，具備可變轉(zhuǎn)向比的能力，基于諧波傳動的特殊結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了轉(zhuǎn)向比在一定范圍內(nèi)的連續(xù)變化，能夠在一定范圍內(nèi)放大或縮小駕駛者的轉(zhuǎn)向動作[5]。改變轉(zhuǎn)向比的原理是諧波傳動的錯齒運動。連著轉(zhuǎn)向盤的輸入軸與柔輪（薄型環(huán)齒圈）通過花鍵實現(xiàn)無間隙聯(lián)接，其內(nèi)有柔性滾珠軸承，中心為電機驅(qū)動的橢圓轉(zhuǎn)子（波發(fā)生器），與輸出軸（驅(qū)動轉(zhuǎn)向器主動齒輪軸）相連的是外環(huán)面構(gòu)成的剛輪，在轉(zhuǎn)子被機械鎖止時（電機未通電或發(fā)生故障），轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向比保持恒定。而電機驅(qū)動中央轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，會帶動柔輪旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子與柔輪同向旋轉(zhuǎn)時，由于柔輪的齒數(shù)（Z2=100）比外環(huán)剛輪的齒數(shù)（Z1=102）少，所以剛輪的轉(zhuǎn)動角度便會大于柔輪，使轉(zhuǎn)向角度被放大（圖3）；當(dāng)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)時，就能夠起到縮小轉(zhuǎn)向角度的作用。

圖3　Audi Dynamic Steering動態(tài)轉(zhuǎn)向原理

4.4應(yīng)用特點

相比行星齒輪系統(tǒng)，Audi Dynamic Steering動態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用的諧波齒輪傳動結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點：

（1）結(jié)構(gòu)相對簡單，沒有過多復(fù)雜的齒輪結(jié)構(gòu)，零件數(shù)少便于維修；

（2）承載能力高、傳動比大，運轉(zhuǎn)平順、噪聲較低；

（3）傳動效率高，響應(yīng)速度快，運轉(zhuǎn)精度高；

（4）與ESP電子穩(wěn)定程序相配合，對ESP提供支持，起雙重主動安全保護的作用。

5 結(jié)語

認識理解諧波傳動的機構(gòu)組成、工作原理及運動特性，掌握其破壞形式，對于了解Audi Dynamic Steering動態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及其工作原理，做好現(xiàn)代汽車維修工作具有指導(dǎo)意義。

[1] 辛洪兵.諧波傳動的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[DB/OL] http://www.gkong.com/item/news/2009/09/39763.html.

[2] 北京諧波傳動技術(shù)研究所-傳動原理[EB/OL].http://www. bjxiebo.com/qdyl02.htm.

[3] 波動減速機運轉(zhuǎn)技能和探討態(tài)勢[EB/OL].http://www. jiansuji.org/news/html/Tech/4578.html.

[4] ssp402奧迪 B8動態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)-CN[EB/OL].http://wenku. baidu.com/view/d497b82458fb770bf78a55dc.html.

[5] 奧迪換代產(chǎn)品亮點解讀[EB/OL]http://www.autohome. com.cn/tech/201203/302232-5.html.

[6] 詳解奧迪駕駛模式選項[EB/OL]http://www.xincheping. com/News/5516/2.htm.

Dynamic steering Principles Based on Harmonic Drive

Harmonic drive makes use of an established controllable elastic deformation to achieve the transfer of mechanical movement. According to the teaching characteristics of higher vocational education , combined with teaching practice of Basic Course for Auto Mechanics, and from the perspective of mechanical principals, the article briefly analyzes the body composition, working principles, motion characteristics and damage forms of harmonic drive, which is of guiding significance to the understanding of its specific application and related contents in the follow-up courses in the curriculum system for vehicle inspection and maintenance specialty.

harmonic drive; application; dynamic steering; principles

U461.6

A

1008-1151(2015)04-0061-03

2015-03-12

盧劍青（1965-），男，安徽黟縣人，合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車應(yīng)用技術(shù)系副高，研究方向為汽車運用技術(shù)教育教學(xué)。