三维双圆弧齿廓谐波传动的齿形设计与分析

摘要

谐波减速器是航空航天、医疗器械、军事装备及机器人等所需的重要核心关键零部件，其轮齿齿廓对装置传动性能影响显著，然而目前我国高性能谐波减速器产品主要依赖进口。因此，为推动我国精密谐波齿轮传动技术的进步，打破西方工业发达国家对高端装备核心零部件的技术封锁和垄断。本文以谐波齿轮传动的齿廓设计与分析为研究内容，以公切线式双圆弧齿廓为研究对象，研究谐波传动啮合理论，并分析啮合参数和结构参数对谐波齿轮传动共轭区域、共轭齿廓的影响规律，揭示柔轮齿廓与刚轮齿廓在谐波齿轮传动工作过程中的共轭运动规律，并考虑柔轮变形倾角影响设计了满足空间啮合要求的三维公切线式双圆弧齿廓，分析比较齿廓啮合特性，提出高刚度、高传动精度谐波齿轮传动的三维公切线式双圆弧齿廓的设计与分析方法。　　本文首先对谐波齿轮传动的构成、分类以及传动比等基本工作原理进行了详细的描述分析，并对谐波齿轮传动的波发生器轮廓方程、柔轮变形方程以及柔轮转角的计算方程进行了几何关系的推导，得出了柔轮转角的精确计算方法及近似计算方法。分别基于改进运动学的共轭理论和基于包络运动的共轭理论推导出了谐波齿轮传动的轮齿共轭方程，并得到谐波齿轮传动的精确共轭理论与近似共轭理论。其次综合考虑柔轮的结构、齿廓的结构及方程、柔轮变形及共轭理论等因素影响，对谐波齿轮传动的齿形共轭问题，参数优化设计问题及不同共轭原理的影响规律问题进行了分析计算。最后基于改进运动学的精确共轭理论，对谐波齿轮传动的轮齿进行了二维平面的双圆弧齿廓设计，并对设计的二维齿廓进行了最小二乘圆弧拟合及齿廓干涉检验。并且，在不采用轮齿磨削、切削或修形等二次加工方法的前提下，分析柔轮变形特征，考虑柔轮变形倾角的影响，按设计主截面位置的不同详细的设计了一种在主截面完全啮合，同时沿轴向其余各截面部分啮合的三维公切线式双圆弧齿廓，并分析其装配状态、运动轨迹、啮合侧隙、重合度等齿廓啮合特性。为比较不同齿廓的啮合特性，分析并比较了公切线式双圆弧齿廓与传统渐开线齿廓的啮合特性，由此验证了所设计的公切线式双圆弧齿廓具有较好的啮合性能，并说明了本文研究与分析的有效性及合理性。

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1 绪 论

1.1 课题来源及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

2 谐波齿轮传动共轭基础理论

2.1 谐波齿轮传动的工作原理

2.2 谐波齿轮传动的几何关系模型

2.3谐波传动共轭理论

2.4 本章小结

3 双圆弧齿廓共轭特性分析与参数优化

3.1柔轮结构参数与齿廓参数确定

3.2 共轭特性及参数影响分析

3.3不同共轭原理谐波齿轮传动分析

3.4 本章小结

4 基于改进运动学精确共轭理论的三维双圆弧齿廓设计

4.1 谐波齿轮二维齿廓设计

4.2谐波齿轮三维齿廓设计

4.3 本章小结

5 齿廓啮合特性分析

5.1 双圆弧齿廓啮合特性分析

5.2 渐开线齿廓啮合特性对比分析

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 后续工作展望

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

B．作者在攻读硕士学位期间获得的发明专利

C．作者在攻读硕士学位期间获奖