谐波减速器的有限元分析与啮合特性分析

发布时间：2020-09-07 09:35

　　谐波减速器是一种利用柔轮的变形运动来进行动力或运动传递的减速机构。具有高精度、高刚度、小体积、大传动比等优点。谐波减速器在航空航天领域应用广泛,也是机器人关节部位的重要减速机构,其成本占机器人总成本的36%左右。谐波减速器的好坏对机器人的工作性能起着重要作用。与发达国家相比,我国在高精度谐波减速器领域差距较大,这极大限制了我国机器人行业的蓬勃发展和“智能制造2025”的的顺利实施。我国以前生产的谐波减速器大多为渐开线齿廓,传动精度不高且易发生疲劳失效,因此对新型齿廓的谐波减速器展开研究就显得尤为重要。圆弧齿廓谐波减速器在运动过程中重合度更高、接触应力更均匀、啮合侧隙更小。从理论上分析谐波减速器的啮合原理,研究要部件的形变、接触应力和啮合特性具有重要意义,研究结果可为齿形的优化和新型谐波减速器结构设计提供理论依据。本文的研究内容如下:首先,阐述了谐波减速器的传动原理,确定了各构件之间的几何关系,确定了谐波减速器的柔轮、刚轮、波发生器和柔性轴承的结构和尺寸参数;再根据柔轮尺寸和传动比要求确定了双圆弧齿廓的形状;根据齿廓啮合关系,采用包络原理,运用Matlab软件计算出了与柔轮直接啮合的刚轮齿廓参数,完成了谐波减速器的结构和齿形设计。为了体现双圆弧齿廓的优异性能,与渐开线齿廓进行了啮合特性分析,结果发现双圆弧齿廓啮合侧隙远小于渐开线齿廓,啮合时间也更长,且无尖顶啮合存在。其次,运用Abaqus软件对柔性轴承的应力与变形进行了分析,并且分析了柔轮的应力;运用Ansys软件对柔轮齿廓不同截面的弹性变形与角位移进行了分析。对柔性轴承分析后发现应力与变形在空载与负载状态关于长轴和短轴分别对称。加载后变形与加载前相同但应力变化明显,最大应力增加近一倍,在长轴出现了应力集中,内圈是其薄弱环节。对柔轮分析后发现柔轮筒体应力比齿廓端小,齿廓外壁应力比内壁大,位于柔轮长轴齿廓后端截面齿槽处。本文还分析了柔性轴承对柔轮变形的影响,为齿形设计与修形提供了重要依据。然后,运用双三次样条曲线拟合了径向、周向变形曲线和角位移曲线,量化了柔轮齿廓的变形状态。分析了齿廓段沿周向变形曲线的变化灵敏性,对额定载荷不同截面和不同载荷条件下前端截面的微分特性进行了分析。然后在第三章分析柔性轴承对柔轮变形的基础上,耦合得到了柔性轴承与柔轮齿廓均存在时柔轮的径向变形,并进行了干涉检验,随后对齿廓修形,设计了全新的三维齿廓,使柔轮齿与刚轮齿不再发生干涉。最后,运用有限元软件计算所得变形结果对柔轮的啮合运动轨迹进行了仿真,并对不同结构、不同工况和不同截面的啮合侧隙进行了分析。无柔性轴承存在时,当载荷不大于额定载荷时,柔轮齿廓三个截面均不与刚轮发生干涉;当承受1.4倍额定载荷时,前端截面与中间截面在啮合初始阶段与刚轮部分干涉。当柔性轴承存在时,柔轮齿廓三个截面将发生干涉;设计三维齿廓修形后,分析侧隙后齿廓不再干涉。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH132.46
【部分图文】：

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图 1.1 筒形柔轮结构图ig. 1.1 The structure figure of cup shaped flexspli现阶段国内的谐波减速器缺点明显：承载两倍。由此可见，要进一步减少谐谐波承载能力和使用寿命，就必须更加深入国内外研究现状工程师孙伟于 1961 年将谐波齿轮传动齿轮传动进行研究与制造。1983 年建立速器标准系列产品通过研究鉴定；1993论研究、试制和应用等方面获得了较大的国家之一。迄今为止，已有北京中技

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度比柔轮内径略长，短轴长度比柔数相同，但齿数更多，属于少齿差与柔轮由于存在一定的过盈量，迫使轮齿完美啮合，而短轴齿完全脱开。依次与刚轮发生啮合，而由长轴到波发生器旋转一周，柔轮与刚轮发生动[72]。周，柔轮轮齿上的固定一点就会循环速器传动的波数。图 2.1 中谐波减速器言波数不超过 3。柔轮的弹性变形是器转动时，柔轮齿上某点将会产生径方向的切向变形。径向变形与切向动，从而使柔轮沿着波发生器运动波发生器转动一圈拔过刚轮轮齿的齿

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定点在柔轮上的径向位移

【参考文献】