谐波减速器结构原理及技术趋势有哪些？

体积小精度高，满足人形机器人小关节要求。

1. 利用少齿差减速原理，谐波减速器可实现高精度运动控制

谐波减速器由波发生器、柔轮和刚轮三大部分构成。相比于传统的减速器，谐波减速器以独特的三元件结构，在紧凑轻便的结构中实现高减速比，并具备零背隙、高扭矩和高定位精度的优点。谐波减速器三个基本部件分别为波发生器（Wave Generator）、柔轮（FlexSpline）和刚轮（Circular Spline）： 波发生器：由一个专门设计的薄滚珠轴承组成，该轴承安装在椭圆轮毂上，通常用作输入并连接到伺服电机。 柔轮：由合金钢制成，呈薄圆柱形杯状，开口端有外齿，径向具备较大的弹性，工作过程中柔轮呈椭圆形。 刚轮：带有内齿的刚性环，工作过程中与柔轮外齿相啮合。

谐波减速器利用新型传动理论，利用少齿差原理实现精密减速控制。柔轮直径略小，且齿数比刚轮少两个。波发生器的椭圆形状使柔性齿轮的齿在椭圆长轴上的两个相对区域与刚轮啮合。波发生器每旋转 180 度，柔轮由于齿数的差异，会相对刚轮反方向前进一个齿。因此波形发生器每带动柔轮工作一周，柔轮将相对刚轮从其原始位置旋转两个齿的角度，从而实现减速，减速比为刚轮齿数与刚轮和柔轮齿数差的比值。

谐波减速器具备高精度、结构简单等优势，应用范围广泛。谐波减速器的各项优势，使其在医疗器械、光伏设备、半导体设备等领域均有应用前景。（1）传动精度高：谐波减速器工作过程中齿轮传动装置多齿在180 度对称位置同时啮合，啮合齿数占比可达 30%，因此齿轮齿距误差和累计齿距误差对旋转精度的影响较为平均，可得到极高的位置精度和旋转精度。 （2）减速比大，传动效率高：谐波减速器齿轮传动的基本减速比为30~320，额定负载输出时的传动效率可达 65%~96%，显著优于普通齿轮传动装置。（3）结构简单，寿命长：谐波减速器的体积和重量约为普通齿轮传动装置的1/3，且在工作过程中啮合齿数多，轮齿单位面积应力载荷小，运动冲击小，轮齿磨损小，使用寿命更长。 （4）轮齿间隙小，传动平稳，安装方便：谐波减速器通过特殊的齿形设计使得柔轮和刚轮的啮合过程实现连续性的渐进和渐出，消除齿面滑移速度突变，保证传动的平稳性和低噪声。同时谐波减速器可根据使用需求，选择波发生器、柔轮和刚轮中作为输入和输出的环节，获得不同的减速和加速比。

2.材料、齿形、轴承等决定减速器性能，国内厂商加速技术进步

谐波减速器作为技术密集型行业，技术壁垒高。从谐波减速器相关技术的专利申请看，可以分为总体结构、柔轮、刚轮、柔性轴承、齿形等 10 个分支，其中近年来国内外厂商在减速器结构、波发生器、柔轮和加工工艺这几个方面加大研发力度。我们认为，材料、齿形和轴承工艺是决定谐波减速器性能的核心环节，随着国内厂商近年来不断加大自主研发力度，产品性能显著提升，国产化替代正在加速进行中。

2.1 特殊运动模式决定谐波减速器材料特殊，柔轮材料要求高于刚轮

作为谐波减速器传动减速的核心部件，柔轮和刚轮的材料要求特殊。其中柔轮由于其特殊的运动模式，对材料提出更加严苛的要求，国内厂商从材料选用、提纯工艺等入手，不断提升谐波减速器性能，缩小与国外头部厂商的差距。

刚轮材料实现国产替代，国内 ADI 材料性能超越球墨铸铁。刚轮是谐波输出圆周运动的载体，在与柔轮啮合的过程中具备减磨抗磨特性。刚轮材料的选用上，以日本哈默纳科为代表的国外厂商普遍采用球墨铸铁，球墨铸铁具备切削性能好、自润滑、导热好、比重小等优势，长期以来都是保证减速器寿命的最佳选择。 国外对原材料技术严密控制，我国自主研发突破壁垒。国内通过产学研联合研发，对超细密 ADI（等温淬火球墨铸铁）材料进行改良，取得谐波减速机专用的自润滑ADI 材料。ADI 材料在高硬度切削性能、石墨球直径及分布密度、服役温度区间等方面均优于传统球墨铸铁，为国内谐波减速器原材料选择开拓了一条新的道路。

柔轮工作模式特殊，材料需求特殊，对杂质成分要求严苛。谐波减速器工作过程中，柔轮不断变形，并且要同时承受弯曲和扭转两种应力，长时间运转容易导致柔轮疲劳断裂，从而造成谐波减速器失效，影响使用寿命。 谐波减速器柔轮疲劳断裂主要经过生核、扩展与断裂三个阶段。裂纹一般都在表面形成，然后向内部扩展，选择的材料最好使其既不易生核又要使裂纹扩展速率最低，使裂纹扩展到更大范围时才进行最后断裂。在实际应用过程中，柔轮筒体的疲劳断裂和齿面磨损较为普遍，因此柔轮材料需要满足扭转刚度高、耐磨性好等特点。

柔轮材料以 40Cr 合金钢为主，国外提纯技术高杂质少，国内通过技术革新缩小差距。目前，国内外的谐波减速器柔轮材料基本为 40Cr 合金钢，其中40CrMoNiA与40CrA最常用，但由于原材料中含有的杂质会导致微小裂纹进而影响使用寿命，因此对原始胚料的纯度要求极高。目前国外提纯技术较高，因而材料相比国内的杂质少，我国经过多年研发，通过对原材料进行高精密的电渣重熔提纯，反复旋压等技术手段，提高了柔轮材料各项性能指标的稳定性，保证了柔轮疲劳强度的苛刻要求。

2.2 齿形设计决定啮合效果和载荷能力，国内具备自主专利打破壁垒

齿形设计决定谐波减速器啮合效果、传动平稳性和工作寿命。一方面，谐波减速器工作过程中，柔轮轮齿在啮合过程中受到扭转应力，增大同时啮合的齿数比例可以降低齿面应力，提升柔轮扭转刚度从而延长使用寿命。另一方面，特殊的齿形设计可延长轮齿啮合区域，优化减速器工作过程中的啮合效果，减小轮齿背隙，进而实现平稳的传动效果。日本哈默纳科自主开发 S 型齿轮齿形，优化齿轮啮合效果。它具有S 齿形独有的特殊曲面，可与齿形连续接触。通过根据齿轮齿厚加宽齿槽宽度和扩大底部半径来缓解应力集中，减少刚轮与柔轮切齿的摩擦系数；工作过程中有 30%齿数同时啮合，有效均化传动误差，提高传动精度。此外，齿根半径的增大提升了轮齿强度，降低启动力矩的同时减少温升效能，可实现谐波减速器高扭矩、高扭转刚度、长寿命和平稳旋转。

国内绿的谐波深耕谐波减速器行业，自研“P”形齿，打破齿形设计国外垄断。绿的谐波基于对谐波传动理论的深入理解，跳脱出传统的渐开线齿轮设计理论，率先打破日本哈默纳科垄断，开发出具有自主知识产权的 P 型齿，通过降低齿高、增大齿宽降低轮齿的断裂风险；P 型齿设计使得谐波减速器在工作过程中柔轮变形量较小且更多的轮齿同时参与啮合，降低齿面比压，延长工作寿命。 来福谐波自研δ齿形，可显著提升谐波减速器性能。来福谐波在双圆弧齿形基础上自主研发设计齿形，具有接触应力小、寿命长、啮合性能好、噪音低、工作平稳的特点。公司官网产品性能数据显示，LSG 系列产品工作寿命较标准产品的寿命可提升30%以上，转矩容量提升超过 30%。

2.3 交叉滚子轴承成为主流选择，多方向载荷能力优势显著

谐波减速器波发生器轴承要求承受径向和轴向应力，交叉滚子轴承相比传统滚珠轴承优势明显。谐波减速器利用柔性轴承可控的弹性形变传递运动和动力，工作中轴承随柔轮的弹性变形不断的发生变化，不仅承受循环应力载荷，而且承受交变应力载荷。传统滚珠轴承仅能承受一个方向上的应力，且难以满足谐波减速器结构紧凑和高精度的要求，因此交叉滚子轴承成为更优的替代方案。

交叉滚子轴承可起到有效支撑及减少摩擦的作用，同时承受径向负荷、轴向负荷及力矩负荷等多方向的负荷。交叉滚子轴承的滚动体一般采用圆柱或者圆锥滚子在单一滚道槽里边呈十字交叉相互排列形式，滚子之间通过黄铜保持器或者工程塑料隔离块间隔起来，从而具有较高的旋转精度、较大的承载力、较小的外形尺寸及较高的旋转速度和刚性。

材料与热处理成为柔性轴承核心问题，绿的谐波率先打破国外垄断。谐波减速器工作过程中轴承同时承受随球体的压力和高速运动的变形。材料过软易导致沟道受损，过硬则轴承容易断裂。2020 年绿的谐波获得交叉滚子轴承专利，成为国内第一家具备独立生产能力的减速器企业。