比较谐波和摆线传动：扭矩、精度和耐用性
在本文中，我们将找出 3D 打印谐波传动和 3D 打印摆线传动哪个更好。这里有我制作的两个变速箱，它们具有相同的尺寸和减速比 25:1。我将在几个类别中比较它们，测量它们的效率或扭矩输出，测量它们的精度或间隙，并看看它们的耐用性。
您可以观看以下视频或阅读下面的书面教程。
我将解释我如何设计和组装它们，并且为您提供一些有用的 3D 打印提示和技巧，向您展示可能会出现什么问题以及我们可以改进哪些内容以使它们变得更好，这些都是我在制作其中几个的过程中学到的东西。
实际上，这是我谈论这些变速箱的第四个视频，为什么会这样？嗯，这些变速箱是机器人应用的不错选择，在未来的视频中，我计划制作一些采用这种类型变速箱的机器人。
工作原理概述
我的频道上已经有专门的视频，详细解释了谐波传动和摆线传动是什么以及如何工作，以及如何设计它们，因此我建议查看这些教程以了解更多详细信息。
真正快的是，谐波和摆线传动都是独特类型的齿轮箱或减速器，可通过紧凑而坚固的设计提供非常高的减速比。它们的工作原理有点相似，输入轴驱动一个不规则形状的零件，谐波传动时驱动波发生器，摆线传动时驱动偏心轴承。
然后，借助每个变速箱具有的一些更独特的部件，它们能够在非常小的空间内以明显较低的速度产生输出。
谐波传动的减速比始终是柔轮齿数的一半。如果我们想要 25:1 的减速比，则柔轮需要 50 个齿，刚轮需要 52 个齿。
另一方面，摆线传动的减速比总是比环形齿轮上的销钉数量少一个，或者对于25:1的减速比，我们需要环形齿轮上的26个销钉。
再次，正如我提到的，您可以查看我的专用视频，详细了解这些驱动器的工作原理。
设计
好吧，现在让我向您展示我是如何为该视频设计两个变速箱的。
所以，我的目标是使它们具有相同的尺寸和相同的缩小比，以便我可以轻松地对它们进行面对面的比较。我想要 25:1 的减速比，并使变速箱尽可能小。
摆线传动设计
设计这些齿轮箱时的基本参数和第一个输入参数是用于摆线驱动齿圈的滚子的销的尺寸。我有 6 毫米的销钉，我计划将它们放入 8 毫米的衬套中，以获得更平稳的操作。所以，我画了一个草图，有26个滚子和直径8mm的衬套。
现在根据这两个输入参数，我可以定义齿圈节圆直径的最小尺寸，这最终定义了齿轮箱的尺寸。外壳直径必须为 95 毫米，才能安装所有 26 个衬套，并且具有足够的壁厚，可以安装一些 M4 螺栓来组装整个变速箱。
为了生成摆线盘形状，我们还需要一个输入参数，那就是偏心率值，该值应小于销轴直径的一半。
为了绘制磁盘的独特形状，我们可以使用以下参数方程，这些方程可以在 Omar Younis 为 SOLIDWORKS 教育博客编写的文档中找到。
现在我将向您展示如何使用这些参数方程通过 SOLIDWORKS 及其方程驱动曲线工具制作摆线盘。
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—回到主题—
回到主题，我们可以通过将两个参数方程插入到位来轻松生成摆线盘形状。当然，我们应该适当地使用方程中的参数。
方程如下：
<前>05至于“t”参数，我们应该使用0到2*Pi之间的值。不过，我们应该注意，我们需要使用比 2*Pi 稍小的值，才能生成曲线。这将生成带有一点间隙的曲线，可以轻松地用样条线连接。
然后我们可以简单地挤压型材，并为偏心轴承和输出销打孔。这些输出孔的直径等于滚针直径+两倍偏心率。在本例中，直径为 8 +0.75*2 =9.5 毫米。
因此，摆线盘、偏心轴承和齿圈滚子是齿轮箱最重要的部件，其余部件都是围绕它们设计的。
变速箱的设计取决于许多因素，例如电机类型、我们希望如何驱动输入轴、我们可以使用哪种轴承、变速箱本身的应用等等。
谐波驱动设计
不过，现在让我们来看看谐波传动。正如我所提到的，我们的想法是两个变速箱具有相同的尺寸，我能够根据变速箱直径得到它，但长度必须长一点，以便容纳柔性花键。
这里我们有柔性花键，这是非常独特的部件，因为它在开放端必须是柔性的，但在底部或输出端必须是刚性的。
如果我们为了匹配摆线齿轮箱的长度尺寸而试图将杯子做得更短，那么它就无法正常工作，因为我们使用的是PLA材料，没有足够的柔韧性，而且锡壁很容易破裂。
为了设计柔轮，我使用 SOLIDWORKS Toolbox 生成了 50 个齿的正齿轮。我选择了 1.5 的模数，这给了我一个适合与摆线齿轮箱匹配的尺寸。我将其保存为单独的零件文件，然后开始修改它。我将杯壁设为1.25mm，杯体总长度设为30mm。
至于圆形花键，我用了同样的方法。这次我使用 SOLIDWORKS Toolbox 生成了一个 52 齿的内正齿轮，然后根据齿轮箱设计的其余部分对其进行了修改。我在齿轮内部留出了 0.1 毫米的微小间隙，只是为了确保齿轮能够啮合，因为获得非常精确的 3D 打印零件有点困难。
然后对于谐波传动的第三个关键部件——波发生器，我画了一个椭圆，长轴比柔轮内壁直径大3.2mm，短轴比柔轮内壁直径小3.2mm。
现在根据这个椭圆，我在主轴的每一侧布置了3个轴承，以实现柔轮的更平滑的变形。在市售的谐波传动中，它们使用特殊的柔性滚珠轴承，但价格昂贵且很难找到。
谐波传动的其余部分是根据这三个关键部件设计的。
3D模型和STL文件下载
您可以下载这些谐波和摆线传动的 3D 模型，以及制造所需的 STL 文件：
SOLIDWORKS 文件：
STL文件：
3D打印
在3D打印时，为了获得零件的精确尺寸，我们需要在切片软件中进行适当的设置。要获得尺寸精确的打印件，最重要的设置是“水平扩展”和“孔水平扩展”设置。
如果我们默认保留这些设置，打印件的外部尺寸以及孔通常会小于原始模型。我将水平扩展设置为 0.02 毫米，将孔水平扩展设置为 0.04 毫米。当然，您应该进行一些测试打印，看看哪些值可以在 3D 打印机上提供最佳结果。
不过，对于某些部分，我对这些设置使用了不同的值。例如，对于柔轮和摆线盘，我在水平扩展设置中使用了 –0.01 和 –0.02mm 的值。这样我们就可以确保打印件肯定比原始件小，因为这些部件必须具有间隙配合才能移动。
组装
好的，我已经准备好了所有零件，然后继续组装变速箱。
为了不让这个视频超载，我将引导您比平时更快地完成组装过程。我只是指出其中的重要方面。
摆线传动组件
以下是组装摆线传动所需的所有组件的列表：
- 6毫米钢圆柱杆………………..... 亚马逊 / 速卖通
L=30mm x26个； L=22mm x 1 个驱动器 6 个 - 8毫米衬套……………………………………。 亚马逊 / 速卖通
L=20mm x26个； L=15mm x 6 个驱动器 - 滚珠轴承 35x47x7mm 6807 – x2 …… 亚马逊 / 速卖通
- 滚珠轴承 17x26x5mm 6803 x2 ……… 亚马逊 / 速卖通
- 滚珠轴承 15x24x5mm 6802 – x2 ......亚马逊 / 速卖通
- 螺纹嵌件 M4x5mm ………….……。 亚马逊 / 速卖通
- M3 和 M4 螺栓和螺母……………….. 亚马逊 / 速卖通
螺栓清单：M3x8mm – 8 个，M3x25mm – 3 个； M4x10mm – 4 件； M4x35mm – 6 件
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组装摆线传动时，最关键的是确保两个摆线盘异相180度放置。
我在磁盘上打了一个小孔，这可以帮助我们解决这个问题。我们应该将孔分开 180 度定位，或者如果我们翻转磁盘，我们可以对齐两个孔，这将使我们获得 180 度异相定位。
这是两个摆线盘与输出轴组合后的样子。
在偏心轴上，我们可以使用 M3 螺栓连接和固定任何输入轴耦合器。在本例中，我为 NEMA 17 步进电机放置了一个。
不过，我们在这里可以注意到，紧固这些螺栓可能有点混乱，因为偏心轴承上的孔很小，因此螺栓可以在其中形成螺纹并紧密配合，以避免此处出现任何间隙。这可能不是最好的解决方案，但它会起作用。
一旦我们将这个子组件放入变速箱中，我们就可以看到摆线传动的魔力及其工作原理。
到此为止，似乎工作还算顺利。
将盖子插入到位时，我们应确保将衬套与销以及用于将其固定到位的六个孔对齐。
最后，我们可以借助该安装支架安装 NEMA17 步进器。当然，我们可以更换输入轴联轴器和安装支架以适应任何其他电机。
就是这样。您可以在视频中看看它的运行情况如何。输出轴反方向旋转比输入轴慢25倍。
谐波传动组件
好的，接下来是谐波传动。与摆线传动相比，谐波传动组件的零件数量较少，因此速度稍快一些。
以下是组装摆线传动所需的所有组件的列表：
- 滚珠轴承 35x47x7mm 6807 – x1 …… 亚马逊 / 速卖通
- 滚珠轴承 15x24x5mm 6802 – x1 ......亚马逊 / 速卖通
- 滚珠轴承 12x21x5mm 6802 – x1 ......亚马逊 / 速卖通
- 螺纹嵌件 M4x5mm ………….……。 亚马逊 / 速卖通
- M3 和 M4 螺栓和螺母……………….. 亚马逊 / 速卖通
螺栓列表：即将更新。
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输出轴固定到柔轮上，然后插入刚轮中。
波发生器由两部分组成，应使用四个 M3 螺栓固定在一起。我这样设计的，以便它在齿轮箱的两侧都有轴承支撑。
向内滚动并使柔轮变形的波发生器轴承的内径为 6mm，外径为 13mm。我使用一些 M3 沉头螺栓和 M4 垫圈将它们固定到位。这样做的原因是为了尽可能节省空间。
然后我将波发生器插入柔轮中并稍微挤压。
实际上，先将波发生器放入柔轮中，然后将这两个放入刚轮中要容易得多。此时，我们可以通过手动移动波发生器来了解它是如何工作的，尽管我们可以注意到移动有点不稳定，稍后我们会看到原因。
我在齿轮啮合处涂抹了一些润滑油，这稍微改善了运动。
将盖子插入背面并用六个 M4 螺栓固定即可完成变速箱外壳。然后我们只需连接我们想要的输入轴联轴器，在本例中，这同样适用于 NEMA 17 步进电机。
最后，我用安装支架连接并固定了NEMA 17步进电机，这样谐波传动就完成了。
所以，在这里，输出轴的反方向旋转比输入轴慢25倍，但与摆线盘相比，运动似乎没有那么平滑。
疑难解答
与摆线盘相比，谐波传动的运动似乎没有那么平稳。实际上有几个原因，现在我将向您展示。第一个原因是柔轮已损坏。
杯壁刚好可以承受这样的变形量。这里的问题不仅在于壁太锡，而且在于杯子太小而无法接受这种变形。如果杯子再大一点，就像我其他谐波传动视频中的设计一样，它就能更好地弹性变形。
为了获得更好的结果，柔轮的长度更为重要。然而，在这里我试图让两个变速箱具有相同的尺寸，所以我一直试图让它像这样工作。
这次我尝试用另一根线材进行 3D 打印，并增加了 3 条线的壁厚，但很快又失败了。
第二个问题是波发生器与柔轮没有正确接触。我们可以在这里注意到顶部轴承根本没有接触柔轮，只有另外两个接触。
因此，我将波发生器修改为只有一个轴承，从而改善了运动。
造成问题的另一个原因是与轴承接触的柔轮内表面不是那么光滑。这是因为有锡壁，而且在 3D 打印时，只有 1 条壁线从柔轮齿后面经过，因此表面不光滑。
通过在 3D 打印时增加壁厚以容纳多一条壁线，表面变得更加光滑。所以这里我使用 4 条线或 1.6 毫米厚度的壁厚，并且运动得到了改善。
然而，还有一个问题。在我的切片软件中，对于 Z 接缝对齐，我使用“用户指定”，这意味着每条路径的起点位于同一位置，这导致零件表面上有一个更明显的凹凸。
为了避免这种情况，我将 Z 接缝对齐设置为“随机”，我再次获得了更平滑的表面和更好的运动。
谐波与摆线 – 比较
好吧，现在让我们比较一下这两个变速箱在精度、效率和耐用性方面的情况。
间隙
左侧是谐波传动，右侧是摆线传动。摆线传动的重复性很好，但是一旦施加负载，我们就可以看到它的齿隙。
距离为 15 厘米时，在两个方向上施加力，间隙约为 6.5 毫米。
另一方面，谐波传动具有与摆线传动相同的良好重复性。然而，当双向施力时，它表现出更大的间隙，在 15cm 距离处有 8mm 的游隙。
如果我们在静止位置观察齿隙并且仅施加少量的力，那么谐波传动显示出更好的结果。在这里感觉甚至根本没有反弹，因为即使是最轻微的触摸，输出也会产生一些阻力。另一方面，在摆线驱动器上，在 15 厘米的相同距离下，输出的完全自由游隙约为 2 毫米。
然而，当施加稍大的力时，摆线传动显示出稍好的结果，即 5.5 毫米游隙，而谐波传动则显示出高达 7 毫米的游隙。
扭矩
好的，现在让我们看看扭矩输出。这是摆线驱动和撞击的第一次尝试。 15mm 距离处的 22N 力，东西就碎了。
我把盖子拿出来，发现输出轴坏了。我现在用白色 PLA 打印了一个新的零件，并具有更高的填充密度和更高的温度，以使零件更坚固。
因此，在下一次运行中，没有出现任何损坏，并且在 15 厘米距离处的最大扭矩为 32N，即扭矩为 4.8Nm。
与不带变速箱的 NEMA17 步进电机提供的扭矩相比，15cm 距离处约为 2N，即 0.3Nms 扭矩，增加了约 16 倍。效率约为 65%，因为减速比为 25:1，在理想条件下，我们应该获得 25 倍的扭矩提升，但我们只获得了 16 倍的提升。
谐波传动在 15cm 距离处给出了完全相同的结果：32N，即 4.8Nm 扭矩。同样，效率约为 65%。对我来说，这有点令人惊讶，因为我预计谐波传动的效率甚至低于摆线传动。
因此，由于 NEMA17 的最大扭矩为 4.8Nm，我通过更换输入轴和安装支架将其替换为一个大型 NEMA23 步进器。
仅这个东西就有3Nm的扭矩。我最初尝试用同样的 15 厘米木棍测试它，但它在 80 牛或 12 牛米的扭矩下就断裂了。
我用一根更坚固的胶合板棒代替它，并在距离 50 厘米处测量了 30N 的力。该扭矩为 15Nm，仅比步进器本身产生的 3Nm 高 5 倍。
这里并不是步进电机达到了极限，而是摆线驱动器开始跳动。检查内部发现，摆线盘在与偏心轴承接触的区域破裂。
我打印了带有 4 条墙线的新磁盘并增加了填充密度，并再次进行测试。现在摆线传动在0.5m距离时达到43N的力，或者在半米距离时达到4.4kg左右，即扭矩21.5Nm。
它又开始跳动，并出现了大量的反弹，这意味着它又出现了故障。从内部观察，发现摆线盘的形状发生了变形。
这就是摆线驱动器可以处理的最大扭矩。虽然这只是 7 倍的扭矩增加，但我认为这仍然令人印象深刻，因为考虑到它是 3D 打印的和这样一个购物中心变速箱，这些负载确实很大。
另一方面，使用 NEMA23 步进电机的谐波传动立即失效。谐波传动不可能像摆线传动那样处理如此大的扭矩。柔性花键壁太锡，而 PLA 材料太弱。
就耐用性而言，这是一样的。摆线传动的使用寿命比谐波传动长得多。
当然，我们这里讨论的是3D打印驱动器。
结论
那么，我的最终结论是什么，3D 打印谐波传动和 3D 打印摆线传动哪个更好？
好吧，答案是最不受欢迎的一个，这取决于情况。我的意思是，考虑到这些特定驱动器的结果，我会达到摆线驱动器的峰值。它提供更大的扭矩、更可靠、更耐用。当然，如果摆线盘精度更高的话，齿隙还有改善的空间。
另一方面，谐波传动在间隙方面肯定更好，但问题是柔轮的耐用性。我的意思是，它可以像摆线驱动器一样处理 NEMA17 步进负载，这很好。然而，为了提高耐用性，我们需要一种不同的柔轮设计，更大更长的柔轮，这意味着谐波传动在紧凑性上会损失一些分。
不同的 3D 打印材料也会有所帮助。例如，我制作的最后一个柔性样条线一直很好，直到第二天输出开始变得更加不稳定。我意识到 PLA 柔轮仅在一个位置坐了一夜就发生了塑性变形。
请在评论部分告诉我您对谐波和摆线传动的体验。
我希望您喜欢本教程并学到一些新东西。欢迎在下面的评论部分提出任何问题。
工业技术