不同参数对谐波减速器柔轮动态特性的影响

摘要

谐波齿轮传动具有小体积、轻量化、高精度、高刚度、大传动比等优点，国外发达国家已成功将谐波齿轮传动应用于航空航天、雷达系统、机器人等领域，虽然国内外学者针对谐波齿轮传动进行了不同程度的研究，然而随着我国中国航空航天、先进制造、机器人等领域的迅速发展以及“中国智造”、“中国制造2025规划”等工程的提出，对先进的谐波齿轮传动提出了更高的要求。因此，从啮合原理上分析研究谐波减速器的运动规律，分析谐波减速器核心部件柔轮的变形规律、接触应力等问题显得尤为重要，该研究可以为后续谐波减速器优化、制造高性能谐波传动系统提供理论支撑。本文以课题所研制谐波减速器为研究对象，首先从理论上分析概述了谐波减速器的结构特点、基本原理，其次设计课题所要求的谐波减速器，运用 SolidWorks建立谐波减速器三维模型，基于Ansys Workbench分析谐波减速器柔轮的变形规律，固有特性等，然后从理论出发，运用MATLAB分析计算柔轮变形规律及弯曲应力，最后根据所设计谐波减速器加工实物进行实验分析。
　　本研究主要内容包括：①根据课题对传动比及尺寸的要求设计谐波减速器，校核主要零部件材料、寿命、耐磨性达到使用要求；②运用理论计算谐波减速器柔轮变形、弯曲应力的计算公式，并分析不同参数下的影响规律。分析结果表明，啮合齿对的增加可以降低柔轮的弯曲应力，而最大径向变形量的增加导致柔轮弯曲应力增加；啮合齿对、柔轮壁厚对柔轮变形量影响较小，最大径向变形量直接决定着柔轮的变形大小；③通过对比 Ansys Workbench分析柔轮变形及接触应力分析结果与理论计算结果发现，由于只考虑中性层变形导致理论计算结果较小，但是柔轮变形规律及应力分布结果几乎吻合，表明有限元分析的准确性；同时进行了不同参数下柔轮的扭转刚度与疲劳寿命分析，结果表明最大径向变形量的减小、壁厚的增加长径比的减小可以增加扭转刚度；而最大径向变形量、壁厚的增加，长径比的降低使得柔轮在运行过程中的接触应力增加，最终导致柔轮疲劳寿命降低；柔轮轮齿修形后柔轮应力分布更为均匀使得柔轮疲劳寿命增加；④正交试验结果表明，柔轮径向变形对柔轮扭转刚度及疲劳寿命影响最大，壁厚及长径比次之；⑤对比实验模态与有限元分析结果可知，两者分析结果吻合度较高，所设计谐波减速器在正常工作范围内不会发生共振现象；同时谐波减速器传动性能试验发现所设计谐波减速器具有较好的传动精度及较高的传动效率。

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目录

1 绪 论

1.1 谐波齿轮传动的应用背景

1.2 国内外研究现状

1.3 选题意义

1.4 课题来源及主要研究内容

2 谐波减速器基本原理及设计计算

2.1 引言

2.2 谐波减速器组成

2.3 谐波减速器基本原理

2.4 谐波减速器设计计算

2.5 谐波减速器主要零部件校核

2.6 本章小结

3 关键参数对柔轮变形及应力的影响

3.1 引言

3.2 柔轮变形分析

3.3 柔轮弯曲应力计算

3.4 不同参数对柔轮变形及弯曲应力的影响

3.5 本章小结

4 不同参数对柔轮特性的影响及减速器固有特性分析

4.1 引言

4.2 不同参数对柔轮特性的影响

4.3 正交试验设计分析

4.4 谐波减速器固有模态分析

4.5 本章小结

5 谐波减速器实验研究

5.1 引言

5.2 模态实验

5.3 谐波减速器传动特性实验分析

5.4 谐波减速器柔轮扭转刚度实验

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1总结

6.2展望

致谢

参考文献

附录

A 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B 作者在攻读硕士学位期间获奖