谐波齿轮传动超短筒柔轮的有限元分析和结构优化设计

发布时间：2020-10-21 09:35

　　 随着机器人技术的快速发展,特别是工业机器人的大量应用,作为关键核心零部件的谐波减速器,其性能越来越重要。超短筒谐波齿轮,因其能更好地适应机器人关节需要,被大量应用于工业机器人的小关节上。随着柔轮的轴向尺寸缩短,柔轮筒底的应力急剧升高。因此,超短筒柔轮的筒底应力分析及其结构优化设计,成为超短筒谐波齿轮的核心关键问题。目前尚无理论方法准确计算柔轮装配应力和负载应力,有限元方法成为分析装配状态和负载传动状态的柔轮变形和应力的主要手段。通过对杯形柔轮和礼帽形柔轮的特征分析及其参数逻辑关系研究,建立杯形柔轮和礼帽形柔轮实体单元参数化模型。依据标准椭圆波发生器的径向变形,在柔轮齿圈中面施加径向位移约束,求解装配状态的柔轮应力。按照现有公式给出的啮合力分布,在柔轮中面施加周向啮合力和相应的位移约束,求解负载传动状态下的负载应力。其次,利用杯形柔轮和礼帽形柔轮参数化模型,分别讨论柔轮的长径比、筒底倒圆半径、筒底凸台倒圆半径和筒底膜板等几何参数,以及壁厚对装配状态和负载工况下筒底最高应力的敏感性,找到降低最高装配应力和最高负载应力的关键几何参数。构造三种不同结构形式的筒底变厚度方案,建立参数化模型并对比研究这些方案的合理性。最后,通过优化柔轮变厚度筒底截面以降低装配应力和负载应力。基于APDL语言引入三次样条曲线表达筒底变厚度方案,编写复合形法优化程序对最大装配应力和最高负载传动应力分别进行筒底厚度优化,并应用零阶和一阶优化程序对本文的装配应力优化结果进行验证。研究发现:超短筒柔轮的筒底最高应力远超规范规定的齿圈应力;减小超短筒柔轮的筒底倒圆半径可降低最高装配应力和最高负载应力。随膜板倒圆半径增大,礼帽形柔轮的最高装配应力和最高负载应力均会升高,但杯形柔轮的负载应力下降。增大膜板宽度可降低杯形柔轮和礼帽形柔轮的装配应力和负载应力。更宽膜板的礼帽形柔轮具有更低的筒底装配应力和负载应力。增大壁厚会增加礼帽形柔轮的筒底最高装配应力和负载应力,以及杯形柔轮的装配应力,但可降低杯形柔轮的负载应力。沿凸台方向单调递增的筒底厚度结构不能降低筒底最高应力。相对于礼帽形柔轮,传动负载引起的杯形柔轮筒底的应力增幅更大。
【学位单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH132.43
【部分图文】：

图１－２谐波齿轮传动原理示意图??谐波齿轮传动是借助波发生器使挠性件柔轮产生可控弹性变形，以实现运动??和载荷传递的一种新型传动方式，称之为波动变形原理。图１－２为传动原理简图，??动力元件为波发生器，由凸轮外包轴承圈构成。柔轮为从动件，刚轮被固定。??波发生器的装配位置在柔轮齿圈部分，柔轮在被波发生器撑起前是一圆筒状??结构。柔轮和刚轮在分度圆上齿距相等，而柔轮半径小于刚轮半径，故柔轮齿数??略小于刚轮齿数。柔轮内壁直径比波发生器长轴稍小，而比之短轴稍大。要保证??波发生器被装入柔轮中后，柔轮齿圈部分在被迫最大位移处和刚轮的齿完全啮合，??而在柔轮收缩处完全脱开；处于波发生器长、短轴间的刚轮齿和柔轮齿则或彼此??啮入或啮出。??当工作过程中波发生器如图１－２所示给一个顺时针角速度《？时，柔轮运动??方向与之相反。柔轮上半圈齿先处于短轴和刚轮齿完全脱开，到哨入，到长轴完??全啮合

１．２．１传动原理??譬??图１－２谐波齿轮传动原理示意图??谐波齿轮传动是借助波发生器使挠性件柔轮产生可控弹性变形，以实现运动??和载荷传递的一种新型传动方式，称之为波动变形原理。图１－２为传动原理简图，??动力元件为波发生器，由凸轮外包轴承圈构成。柔轮为从动件，刚轮被固定。??波发生器的装配位置在柔轮齿圈部分，柔轮在被波发生器撑起前是一圆筒状??结构。柔轮和刚轮在分度圆上齿距相等，而柔轮半径小于刚轮半径，故柔轮齿数??略小于刚轮齿数。柔轮内壁直径比波发生器长轴稍小，而比之短轴稍大。要保证??波发生器被装入柔轮中后，柔轮齿圈部分在被迫最大位移处和刚轮的齿完全啮合，??而在柔轮收缩处完全脱开；处于波发生器长、短轴间的刚轮齿和柔轮齿则或彼此??啮入或啮出。??当工作过程中波发生器如图１－２所示给一个顺时针角速度《？时

我国以中技克美公司生产的ＸＢＸ型号谐波齿轮为国内谐波减齿轮传??动技术发展水平的代表，性能上和Ｈａｒｍｏｎｉｃ?Ｄｒｉｖｅ公司生产的相比还有一定差距。??图１－５所示为两个公司生产的三种谐波齿轮。??Ｉ?Ｔｎ??ｔ?ｒＪ＝Ｒ＇?？?？?ｎ?ｉ?ｒ?￥?ｈ??＾?Ｌ?ａ?Ｉ?＾??：■?长度?■?Ｉ?■?长度?■?■长度?ｗ??（ａ）杯型柔轮?（ｂ）礼帽形柔轮?（ｃ）超短筒柔轮??图１－５柔轮轴向截Ｉｔｆ图??表丨－１基于中技克美公司ＸＢＳ型杯型柔轮在速比为１００，以及Ｈａｒｍｏｎｉｃ?Ｄｒｉｖｅ??公司ＣＳＧ型杯型柔轮速比为１００前提下所得数据（图卜５ａ）。除此外，中技克美??公司生产的ＸＢＨＳ礼帽形柔轮和Ｈａｒｍｏｎｉｃ?Ｄｒｉｖｅ公司生产的ＳＨＧ礼帽形柔轮分??１１??
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本文编号：2849952