基于柔轮变形函数的谐波齿轮传动运动几何学及其啮合性能研究

发布时间：2020-03-30 18:43

【摘要】： 本论文在国家自然科学基金项目(No.59375178,50775016)和国家高技术研究发展计划项目(863项目)(No.2006AA04Z101)的资助下,结合谐波传动的设计和应用实际,对杯形柔轮的谐波齿轮传动运动几何学及其齿廓啮合性能进行了研究。首先依据谐波齿轮传动输入、输出相对运动原理,提出了基于柔轮变形函数的谐波齿轮传动新模型,是传统的谐波齿轮传动摩擦模型、行星传动模型(等速曲线、节曲线)之外的更直接的数学模型。从而得到谐波齿轮传动的瞬时理论传动比、实际综合传动比的解析模型;并通过定义波发生器、刚轮、柔轮输出端和柔轮齿的坐标系,定义柔轮输出端与啮合端的弹性变形函数,推导了三构件的相对运动和轮齿的啮合运动的运动变换关系。其次,确定了谐波齿轮传动中柔轮弹性变形函数求解方法,构造了基于ANSYS参数化设计语言APDL的有限元接触分析参数化模型;对柔轮在不同参数、不同载荷作用的弹性变形函数进行求解,并用双三次样条拟合得到柔轮壳体变形函数方程,实现了柔轮壳体弹性变形函数表述柔轮刚性输出端和啮合端的对应关系;以D120机型的谐波齿轮传动为例分析了柔轮变形函数特性;实验结果与柔轮弹性变形函数模型计算具有很高的一致性。对于谐波传动中一系列啮合平面的齿廓运动进行了运动几何学研究:建立了谐波传动各截面的瞬心线解析方程,得到了柔轮齿相对刚轮齿运动的定、动瞬心线和柔轮齿的回转中心的解析表达式;讨论了瞬心线的特性,如瞬心线的形状与柔轮壳体变形函数相关性、瞬心线的周期性、不封闭性、渐近线存在性等;基于柔轮齿相对刚轮齿的运动几何学性质(定、动瞬心线的纯滚动),把传统的刚性齿轮齿廓共轭啮合定理推广到谐波齿轮传动的弹性共轭理论中,得到了实现谐波齿轮传动定传动比输入输出要求的轮齿弹性共轭求解方法。建立了谐波传动弹性共轭齿廓综合方程;基于瞬心线的性状和共轭条件证明了谐波传动二次啮合(二次共轭点)的存在性:以D120机型的谐波齿轮传动中刚轮齿廓(渐开线)为已知齿廓,求解与其共轭的柔轮空间齿廓,这一空间齿廓的前后截面齿厚相差12.9%倍的模数;以此刚轮渐开线齿形为基准,分别研究了直线齿、单圆弧齿和双圆弧齿的共轭齿廓,提出以平均齿厚变化最小、重合度最大、共轭点连续为原则,综合与其共轭的柔轮齿廓,得到了新的齿廓特征: (1)单圆弧作为刚轮齿廓曲线选择合适的齿形参数时,二次共轭啮合曲线能在柔轮齿形中应用,重合度增加了3.8倍以上; (2)双圆弧齿在谐波传动中不仅重合度大,而且在一段区域、一个瞬时,齿廓上有两个点同时共轭,同时共轭段占全齿高的82.07%。在谐波传动运动几何学基础上,提出基于瞬心线的谐波齿轮传动的理论重合度和实际重合度定义;给出了理论和实际重合度的计算方法;依据曲线的曲率的特征对刚轮齿廓曲线的性状分类;深入分析了刚轮齿廓曲线的性状、齿形参数与重合度的关系,得出在相同齿全高的条件下重合度大小按曲线的曲率排列为ε_(n|k_(th)＞0)＜ε_(n|k_(th)=0)＜ε_(n|k_(th)＜0);讨论了常用刚轮齿廓:渐开线、单圆弧和双圆弧曲线的重合度和二次啮合存在条件,给出了谐波传动齿形二次啮合条件。同时,分析了负载作用下柔轮壳体畸变对瞬心线和共轭齿廓的影响,得到瞬心线在负载作用下沿轴向的非线性变化和随负载大小的变化特征;共轭齿廓在负载作用下出现偏转,偏转角沿轴线呈线性变化;随着负载的加大单圆弧和双圆弧齿形的共轭啮合重合度增大,由此说明在负载条件下单圆弧和双圆弧齿形仍然具有良好的啮合特性。最后,对本文提出的谐波齿轮传动空间弹性共轭理论综合齿形进行了运动仿真,验证了本运动几何学模型的正确性与综合方法的有效可行性。由此完成的数学模型和求解方法,为谐波传动结构设计和齿廓综合提供了新途径。
【图文】：

功能图,谐波齿轮传动,功能图,柔轮

2.1谐波传动基本原理和假设谐波齿轮传动的传动原理与普通齿轮传动的传动原理有着本质的区别，它是利用机械波控制柔性齿轮的弹性变形来实现传递运动和力的一种新型传动装置。如图2.1所示，柔轮是一个杯形的薄壁壳体，杯底与输出轴联接，凸轮式波发生器内置于柔轮开口端，由波发生器的运动迫使柔轮周期变形，在凸轮长轴附近处柔轮外齿与刚轮内齿啮合传递运动。图2.1谐波齿轮传动功能图 Fig.2.lThedi叫犷别的 matiesketehofthefunctionPrineiPleofahannoniegeardrive由于谐波传动中柔轮的弹性变形属于空间弹性变形问题，在波发生器的作用和负载力矩的作用下谐波齿轮传动运动学相当复杂。为了使问题简化，并且又基本符合实际，在不影响研究问题结果的本质情况下，根据柔轮齿的纵剖面的惯性矩约为齿槽中部纵剖面的十倍[6l，柔轮变形时，齿槽中部犹如弹性铰链把刚性轮齿联接起来，因此可以认为只有齿槽中部变形、轮齿不变形

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并建立柔轮弹性变形函数模型。柔轮为一杯状壳体，所受到的力为:波发生器的作用力、刚轮的啮合作用力，输出轴的反作用力矩，，受力简图如图2.4所示。图2.4柔轮受力简图 Fig.2.4Thedi娜梦田附 oftheforceonaflexsPline柔轮壳体的变形以一系列垂直于轴线截面的的中性线(简称中性线)的变形为代表，并在输出端坐标系中考察，由于柔轮齿坐标系原点在中性线上，故以柔轮齿坐标系原点及坐标轴线相对输出端坐标系的弹性变形代表柔轮的变形，如图2.5所示，主要有:
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TH132.41

【引证文献】