基于谐波传动的动态转向原理

卢剑青 程师苏

（合肥职业技术学院，安徽 合肥 238000）

基于谐波传动的动态转向原理

卢剑青 程师苏

（合肥职业技术学院，安徽 合肥 238000）

谐波传动是利用一个构建的可控制的弹性变形来实现机械运动的传递。文章根据高职教育教学特点，结合《汽车机械基础》教学实践，从机械原理的角度，扼要梳理、剖析谐波传动的机构组成、工作原理、运动特性及破坏形式，对于了解其具体应用和帮助理解汽车检测与维修专业课程体系后续课程中的相关内容具有指导意义。

谐波传动；动态转向；原理；应用

谐波传动是利用一个构建的可控制的弹性变形来实现机械运动的传递。它是美国人 C.W.马瑟于 1955年提出的专利，其发展是由军事和尖端技术开始的，以后逐渐扩展到民用和一般机械上[1]。例如为确保手术系统高精度定位与配合作业，在外科手术系统中应用的各种型号的谐波传动；Audi Dynamic Steering动态转向系统等。

1 机构组成

谐波传动机构通常由刚轮1、柔轮2、波发生器H和机架等构件组成（图1）。刚轮是一个刚性内齿圈，柔轮为一可控的、弹性变形的薄壁外齿圈，两者齿距相同，齿数不同。波发生器由一个转臂和几个滚子组成。机械式波发生器一般制成椭圆形的凸轮。

图1　谐波传动机构示意图

2 工作原理

当波发生器H装入柔轮2后，由于转臂长度大于柔轮2内孔直径，将柔轮撑为椭圆形。椭圆长轴两端柔轮外齿与刚轮 1内齿相啮合，短轴两端两者完全脱开。当波发生器转动时，柔轮的齿逐一被推入刚轮的齿槽中进行啮合。

波发生器在柔轮内转动时，迫使柔轮产生连续的弹性变形，此时波发生器的连续转动，就使柔轮齿的啮入—啮合—啮出—脱开这四种状态循环往复不断地改变各自原来的啮合状态（图3），这种现象称之错齿运动。正是这一错齿运动，作为减速器就可将输入的高速转动变为输出的低速转动。对于双波发生器的谐波齿轮传动，当波发生器顺时针转动 1/8周时，柔轮齿与刚轮齿就由原来的啮入状态而成啮合状态，而原来脱开状态就成为啮入状态。同样道理，啮出变为脱开，啮合变为啮出，这样柔轮相对刚轮转动（角位移）了1/4齿；同理，波发生器再转动1/8周时，重复上述过程，这时柔轮位移一个齿距。依此类推，波发生器相对刚轮转动一周时，柔轮相对刚轮的位移为两个齿距[2]。

柔轮齿和刚轮齿在节圆处啮合过程就如同两个纯滚动（无滑动）的圆环一样，两者在任何瞬间，在节圆上转过的弧长必须相等。由于柔轮比刚轮在节圆周长上少了两个齿距，所以柔轮在啮合过程中，就必须相对刚轮转过两个齿距的角位移，这个角位移正是减速器输出轴的转动，从而实现了减速的目的。波发生器的连续转动，迫使柔轮上的一点不断的改变位置，这时在柔轮的节圆的任一点，随着波发生器角位移的过程，呈近似于余弦波形的变化，所以这种传动称为谐波传动。

3 运动特性

3.1自由度

鉴于各构件的回转轴互相平行，因而谐波传动机构可视为平面机构。其运动副有：柔轮与波发生器，以及波发生器、刚轮、柔轮的轴与机架分别构成低副（回转副），其中柔轮的轴与机架组成的回转副是虚约束；柔轮与刚轮组成高副。

根据平面机构自由度公式F=3n-2PL-PH

式中：F ——平面机构的自由度；

n ——可动构件数，n=N-1，N为机构总构件数，

其中一个构件是机架；

PL ——低副数（虚约束不计）；

PH——高副数。

由于N=4，PL=3，PH=1，则F=3×（4-1）-2×3-1=2。

F≥1，机构具可动性；F=原动件数，机构有确定运动。显然，这是一个平面差动机构。为了使F=1（原动件数），机构有确定的相对运动，必须将其中一个构件与机架固定。

若固定波发生器，得到含有柔轮的简单摩擦机构；若固定刚轮，则得到行星波摩擦机构，此时柔轮作复合运动，回转传递在波发生器和柔轮间进行；若固定与柔轮一体的轴，仍然得到行星波摩擦机构，此时柔轮相对于波发生器运动，而回转传递在波发生器和刚轮之间进行。

3.2传动比

谐波齿轮传动的运动学分析模型可分为两大类。（1）摩擦模型，按照无滑动纯滚动原理来分析定义传动比，并将平均角速度积分原理引入研究。（2）行星传动模型，将谐波传动机构抽象为行星传动机构，把其看作行星齿轮传动的变形，按照行星传动机构的运动特性来研究其运动学规律。另外有的学者还提出了一种新的基于运动传递的几何运动学模型。

由于在谐波齿轮传动过程中，柔轮与刚轮的啮合过程与行星齿轮传动类似（图3），其传动比可按周转轮系的计算方法求得。当刚轮1固定，波发生器H主动，柔轮2从动时，传动比为：i21H= n2- nH/ n1- nH=1- n2/ nH=Z1/ Z2即iHV=iH2= nH/n2= - Z2/（Z1– Z2），主、从动件转向相反；当柔轮2固定，波发生器H主动，刚轮1从动时，传动比为：iH1= nH/ n1= Z1/（Z1– Z2），主、从动件转向相同。

3.3柔轮

柔轮是谐波传动中的关键元件，它决定着承载能力、传动性能、结构尺寸、使用寿命及工艺性。柔轮结构型式主要有杯形、环形和钟形三种，经常用的是杯形，杯形柔轮是将具有轮齿的柔性壳体与柔性圆筒组合而成，其结构简单、联接方便、刚性好、传动精度高，但工艺性差，应用最为广泛。

目前制造柔轮的材料通常有两类：一类是高性能合金钢；一类是工程材料。

由于柔轮体承受反复弯曲，处于变应力的工作状态，其疲劳寿命在很大程度上决定了传递运动和动力的工作能力。

3.4波发生器

波发生器的结构型式主要有双滚轮式、四滚轮式、偏心盘式和柔性轴承凸轮式，经常采用的是柔性轴承凸轮式或双滚轮式波发生器。柔性轴承凸轮式波发生器除了能按给定的原始曲线来确定凸轮轮廓线外，还可以从工艺或预定的啮合性能出发直接选取合理的凸轮轮廓曲线全面控制柔轮变形，承载能力大、刚性好，适于标准化批量生产。常用的有双偏心圆弧凸轮和椭圆凸轮。

3.5失效形式

柔轮杯体疲劳破坏、齿面磨损破坏、跳齿、轮齿塑性变形、波发生器轴承破坏等，其中，柔轮杯体疲劳破坏是谐波齿轮传动最为重要失效形式。

4 谐波传动在汽车上的应用

4.1概述

汽车转向系统是用来保持或改变汽车行驶方向的装置，其功能就是按照驾驶员的意愿控制汽车的行驶方向。它决定着汽车的主动安全性和操控性。传统汽车转向系统转向盘的转角与转向车轮之间是一个相对固定的关系，这会导致汽车在泊车和低速行驶时转向操纵沉重（对传统机械转向系统而言）或者无法兼顾车辆低速的转向轻便性和高速时的转向稳定性（对液压助力转向系统而言）。

Audi Dynamic Steering动态转向系统可根据车速改变这种关系（转向传动比）[4]，同时调节转向力矩与该传动比匹配，确保更精确的转向响应和更直接的路面反馈，即：车辆在高速行驶时，该系统采用间接转向传动，使汽车操控更沉稳，并保持更好的直线行驶稳定性；车辆在多弯路段以中低速行驶时，系统使用更为直接的转向比以提高车辆的转向精确度和灵敏性；在泊车时，转向系统采用直接的转向比，使泊车更为轻松自如（图3）。

4.2动态转向系统关键实体结构（如图2所示）

图2　动态转向系统执行元件分解图

4.3动态转向原理

奥迪A6L提供的颇具特色的Audi Dynamic Steering动态转向系统，具备可变转向比的能力，基于谐波传动的特殊结构实现了转向比在一定范围内的连续变化，能够在一定范围内放大或缩小驾驶者的转向动作[5]。改变转向比的原理是谐波传动的错齿运动。连着转向盘的输入轴与柔轮（薄型环齿圈）通过花键实现无间隙联接，其内有柔性滚珠轴承，中心为电机驱动的椭圆转子（波发生器），与输出轴（驱动转向器主动齿轮轴）相连的是外环面构成的刚轮，在转子被机械锁止时（电机未通电或发生故障），转向系统转向比保持恒定。而电机驱动中央转子旋转时，会带动柔轮旋转，当转子与柔轮同向旋转时，由于柔轮的齿数（Z2=100）比外环刚轮的齿数（Z1=102）少，所以刚轮的转动角度便会大于柔轮，使转向角度被放大（图3）；当转子反转时，就能够起到缩小转向角度的作用。

图3　Audi Dynamic Steering动态转向原理

4.4应用特点

相比行星齿轮系统，Audi Dynamic Steering动态转向系统使用的谐波齿轮传动结构有以下优点：

（1）结构相对简单，没有过多复杂的齿轮结构，零件数少便于维修；

（2）承载能力高、传动比大，运转平顺、噪声较低；

（3）传动效率高，响应速度快，运转精度高；

（4）与ESP电子稳定程序相配合，对ESP提供支持，起双重主动安全保护的作用。

5 结语

认识理解谐波传动的机构组成、工作原理及运动特性，掌握其破坏形式，对于了解Audi Dynamic Steering动态转向系统及其工作原理，做好现代汽车维修工作具有指导意义。

[1] 辛洪兵.谐波传动的国内外发展现状与趋势[DB/OL] http://www.gkong.com/item/news/2009/09/39763.html.

[2] 北京谐波传动技术研究所-传动原理[EB/OL].http://www. bjxiebo.com/qdyl02.htm.

[3] 波动减速机运转技能和探讨态势[EB/OL].http://www. jiansuji.org/news/html/Tech/4578.html.

[4] ssp402奥迪 B8动态转向系统-CN[EB/OL].http://wenku. baidu.com/view/d497b82458fb770bf78a55dc.html.

[5] 奥迪换代产品亮点解读[EB/OL]http://www.autohome. com.cn/tech/201203/302232-5.html.

[6] 详解奥迪驾驶模式选项[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

卢剑青（1965-），男，安徽黟县人，合肥职业技术学院汽车应用技术系副高，研究方向为汽车运用技术教育教学。