内啮输出环形重载精密谐波传动承载与失效的研究

论文摘要

在航天特殊工况下,要求伺服传动系统具有小型化、轻量化、承载能力极大化的特点,普通商业化的产品难以满足指标要求,传统的谐波传动设计都是基于假设性力学模型和经验公式,尤其对于重载精密谐波传动的设计尚缺乏理论支撑和试验验证。本文以内啮输出重载环形谐波齿轮为研究对象,充分考虑航天工况的特殊性,重点对其力学性能、承载能力及失效进行了理论研究,旨在为设计满足航天需求的新产品提供必要的理论依据。文中首先在以往研究和航天工况下谐波传动承载特性基础上,分析得出谐波传动中薄弱环节柔轮的应力与变形直接影响系统的承载能力。应用一般设计理论对柔轮进行设计,借助Abaqus有限元工具对其进行装配体应力与变形仿真分析,分析结果表明,柔轮主要截面的应力与变形和理论值存在差异,通过对差异的研究发现有限元计算更能揭示柔轮真实的应力和变形规律。进而通过改变柔轮长径比、壁厚、输入齿宽、输出齿宽等结构参数,得到了结构参数对环形谐波传动空载下应力与变形的影响规律。根据航天工况载荷的特殊性,在装配体仿真的基础上对环形谐波传动进行1倍到5倍额定载荷下的柔轮应力与变形分析,通过提取柔轮典型截面在不同载荷下的应力与位移值作对比研究,找出了柔轮承载下的危险截面及其主要影响应力,得到了柔轮应力与变形随载荷的变化规律。同时研究了柔轮长径比、壁厚、输入齿宽、输出齿宽等主要结构参数对柔轮承载能力的影响,通过对不同结构参数下环形谐波传动1倍、3倍和5倍载荷下的应力分析,获得了承载能力随柔轮结构参数变化的规律,研究表明柔轮长径比、柔轮壁厚以及输入齿宽是影响柔轮承载能力主要因素。根据谐波传动工况的特殊性分析了在强过载下柔轮的主要失效形式,并且根据柔轮负载下变形规律推导出适用于内啮输出环形柔轮的齿面磨损理论计算公式,由优化后的柔轮不同载荷下应力分析得出在强过载下尖顶接触是造成失效的主要原因。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题来源、研究背景及意义
• 1.2 谐波齿轮传动国内外研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 2 环形谐波齿轮传动理论分析
• 2.1 环形谐波齿轮传动原理
• 2.1.1 环形谐波齿轮传动的组成
• 2.1.2 谐波齿轮传动的特点
• 2.1.3 谐波齿轮传动的应用领域
• 2.2 环形谐波齿轮传动变形和应力理论分析
• 2.2.1 壳体理论
• 2.2.2 柔轮理论原始曲线
• 2.2.3 柔轮近似原始曲线
• 2.2.4 承载传动中受力分析
• 2.2.5 承载传动中的理论应力计算
• 2.3 本章小结
• 3 环形谐波齿轮传动柔轮空载下变形和应力有限元分析
• 3.1 课题研究对象
• 3.2 环形谐波齿轮传动理论设计计算
• 3.2.1 波发生器的设计
• 3.2.2 环形柔轮的理论设计
• 3.2.3 刚轮的设计
• 3.3 环形谐波齿轮传动空载下有限元模型的建立
• 3.3.1 各构件的材料属性
• 3.3.2 环形谐波齿轮几何模型前处理
• 3.3.3 环形谐波齿轮有限元模型前处理
• 3.3.4 环形谐波齿轮理论设计有限元结果分析
• 3.4 谐波齿轮传动装配仿真环形柔轮的变形和应力分析
• 3.4.1 环形柔轮初始变形分析
• 3.4.2 环形柔轮初始应力分析
• 3.5 结构参数对环形柔轮变形和应力分布的影响分析
• 3.5.1 柔轮长径比对柔轮初始变形和应力的影响
• 3.5.2 柔轮壁厚对柔轮初始变形和应力的影响
• 3.5.3 柔轮输入端齿圈宽度对柔轮初始变形和应力的影响
• 3.5.4 柔轮输出端齿圈宽度对柔轮初始变形和应力的影响
• 3.5.5 柔轮输入端前沿宽度对柔轮初始变形和应力的影响
• 3.6 本章小结
• 4 环形谐波齿轮传动柔轮负载-下变形和应力有限元分析
• 4.1 负载下环形柔轮的变形规律
• 4.1.1 额定负载下柔轮变形分析
• 4.1.2 不同负载下柔轮变形分析
• 4.2 负载下环形柔轮的应力分布规律
• 4.2.1 额定负载下柔轮输入端应力分析
• 4.2.2 不同负载下柔轮输入端应力分析
• 4.2.3 不同负载下柔轮筒体应力分析
• 4.2.4 不同负载下柔轮输出端应力分析
• 4.3 环形柔轮结构参数对承载能力的影响
• 4.3.1 柔轮长径比对承载能力的影响
• 4.3.2 柔轮壁厚对承载能力的影响
• 4.3.3 柔轮输入端齿圈宽度对承载能力的影响
• 4.3.4 柔轮输出端齿圈宽度对承载能力的影响
• 4.4 本章小结
• 5 环形柔轮失效探讨
• 5.1 环形柔轮齿面磨损
• 5.1.1 齿上各点啮合过程分析
• 5.1.2 环形柔轮齿面磨损计算
• 5.2 柔轮的疲劳断裂
• 5.3 柔轮轮齿的滑移
• 5.4 环形柔轮在强过载下的失效分析
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 致谢
• 参考文献