谐波减速器弹性薄壁构件的疲劳寿命分析

论文摘要

谐波齿轮传动相对于传统传动方式而言具有众多优点,因此,在工业领域的应用越来越广泛,尤其在航空、汽车制造、医疗器材等精密机械传动领域。但谐波齿轮传动的关键部件柔轮是一弹性薄壁构件,其动态特性和寿命一直是制约谐波齿轮传动性能的主要因素。因此,对柔轮的动态特性和疲劳寿命研究具有重大的理论意义和实用价值。本文在国家自然科学基金项目资助下（资助号:50975295）,对谐波减速器弹性薄壁构件柔轮进行了研究,掌握了柔轮的动态特性和各工况下的动态应变,在此基础上对柔轮进行了疲劳损伤分析,并预测了柔轮的疲劳寿命。以XB-50-80型谐波减速器为研究对象,对其关键部件——杯型柔轮进行有限元建模,并进行有限元模态分析和实验测试,得到柔轮前四阶自由模态振型和固有频率。分析其振型的变形规律和频率对谐波减速器工作的影响,结果表明柔轮的振形主要表现为柔轮杯口的径向拉伸和杯底轴向拉伸和弯曲。在谐波减速器工作各工况中,不会激起柔轮的固有振型。在柔轮内壁的中部和底部布置应变片,设定工况分别为300r/min空载、300r/min满载、1000r/min空载和1000r/min满载,测试柔轮的动态应变。实验测试采用美国SRI-PMD无线测试设备,采样频率设为2378Hz。测试结果表明:柔轮的动态应变呈周期性变化,其变化频率为减速器输入轴和输出轴旋转频率的叠加,应变较大值出现在柔轮底部沿杯底的径向,最大应变幅值接近10000με。转速和载荷对柔轮中部的应变影响不大,但柔轮底部的应变受载荷影响较大,载荷增加应变增加。建立谐波减速器的冲击-动力接触模型,利用LS-DYNA分析软件对谐波减速器进行了瞬态分析,利用VPG有限元分析软件对柔轮的进行疲劳损伤分析,并对其寿命进行了预测。在设定减速器输入转速为1000r/min,载荷为额定载荷时,得到柔轮的最初疲劳位置为轮齿齿根和齿顶部位,损伤情况由轮齿内侧沿轴线向底部延伸。另外,杯底部位由于受到输出轴的扭转而产生较大的扭伤。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 谐波齿轮传动技术概述
• 1.1.1 谐波齿轮传动的形成和发展
• 1.1.2 谐波齿轮传动的工作原理及特点
• 1.1.3 谐波齿轮传动的分类
• 1.1.4 谐波齿轮传动的应用
• 1.2 谐波齿轮传动技术的研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 2 柔轮动态特性分析研究
• 2.1 引言
• 2.2 Lamczos法
• 2.3 柔轮的固有特性研究
• 2.4 柔轮的模态实验
• 2.4.1 实验方案
• 2.4.2 模态实验与参数识别
• 2.4.3 实验模态与理论模态对比
• 2.5 结论
• 2.6 本章小结
• 3 柔轮的工作应变测试
• 3.1 引言
• 3.2 应变测试理论与方法
• 3.2.1 应变的定义
• 3.2.2 应变的测试原理与方法
• 3.3 柔轮动态应变的测试
• 3.3.1 柔轮应变测试方式和实验工况的确定
• 3.3.2 柔轮应变测试及结果分析
• 3.4 本章小结
• 4 柔轮的疲劳损伤分析及寿命预测
• 4.1 引言
• 4.2 疲劳寿命分析理论
• 4.2.1 疲劳的基本概念和特点
• 4.2.2 应变疲劳理论
• 4.2.3 疲劳累积损伤理论
• 4.3 谐波减速器柔轮的疲劳寿命分析
• 4.3.1 冲击—动力接触理论
• 4.3.2 冲击－动力问题的显式算法
• 4.3.3 谐波减速器冲击-动力接触模型建立
• 4.3.4 柔轮的疲劳损伤分析和寿命预测
• 4.4 本章小结
• 5 总结
• 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 作者攻读硕士学位期间申请的专利目录
• C 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目