等效椭圆谐波齿轮减速器的研究

论文摘要

目前,我们在承担某民用课题的传动装置设计中,需要研发一种小体积、长寿命、高承载能力谐波齿轮减速器,对传动装置的可靠性、重量、体积、回差、扭转刚度及动态性能等均提出了很高要求。我国现有的杯形柔轮谐波齿轮传动装置,轴向尺寸大,不能满足安装空间的要求;现有的短筒杯形柔轮谐波齿轮传动装置,虽然轴向尺寸较小,但不可避免地带来了应力急剧增加的问题,导致其承载能力不高;因有柔性轴承的存在,导致其成本高和寿命短。为此梁锡昌教授在谐波传动的基础上提出了一种具有自主知识产权的新型谐波齿轮减速器——等效椭圆谐波齿轮减速器(发明专利申请号:200610095286.1)。本文基于此专利的基础上设计出一种满足设计要求的新型谐波齿轮减速器,在谐波齿轮减速器的结构创新及传动理论、基于ADAMS的动力学仿真、基于ANASYS的有限元分析等方面进行了比较系统的分析和研究。本文研究的主要内容可以概括如下:1、在系统介绍和分析了谐波齿轮传动技术发展、研究现状、趋势、优缺点和几种新型谐波传动装置的特点以及比较国内外现有产品性能与差距基础上,针对项目对传动装置在安装空间、寿命、承载能力等方面的苛刻要求,提出了研究、设计、开发新型谐波齿轮传动装置的主要研究内容。2、介绍了谐波齿轮减速器的原理、机构、运动分析方法;利用环壳理论建立了柔轮变形的数学模型,得到了变形后柔轮的特征曲线方程;利用齿形共轭理论建立了啮合干涉理论,得到了避免干涉的啮合几何尺寸应满足条件;总结得到了啮合几何尺寸设计计算步骤,开发出可以直接调用的谐波齿轮减速器设计的Excel计算表格。3、提出了新型谐波齿轮减速器——等效椭圆谐波齿轮减速器的结构方案;并利用所得到的Excel计算表格对等效椭圆谐波齿轮减速器啮合几何尺寸和各部件的结构尺寸进行设计计算。4、从啮合干涉、传动效率、作用力、强度和刚度方面对所设计等效椭圆谐波齿轮减速器进行理论分析,得到了所设计的减速器在理论上不会发生干涉,传动效率可达90.3%,强度和刚度方面满足要求。5、利用三维设计软件Pro/Engineer对等效椭圆谐波齿轮减速器的各零部件进行实体建模,并进行了虚拟装配和干涉分析,得到所设计的减速器全局和动态运动过程中不会发生干涉,从而验证的理论分析的正确性。6、将等效椭圆谐波齿轮减速器的PRO/E装配模型导入ADAMS中建立了虚拟样机模型,并对其进行了动力学仿真分析,得到各个传动部件的转速、角加速度和受力仿真曲线图,并分别对这些仿真曲线进行了分析,利用对所得到的仿真曲线进行相应的处理可计算得到机构的等效转动惯量,然后将这些仿真结果数据与理论计算值进行了比较。最后,对虚拟样机模型进行了几何动态仿真,得到了关于运动过程中柔轮的形状变化和与轮齿间的动态啮合过程的动画。7、对ANSYS软件及其新一代产品ANSYS Workbench进行了介绍,应用ANSYS Workbench对柔轮进行模态分析得到柔轮固有频率和振型,以及分析了柔轮空载时的变形和受力情况,为柔轮的改进设计提供依据;然后对减速器的传动部件进行承载有限元结构静力学分析,得出各零部件负载时的位移变形、等效应力、最大主应力、最小主应力及轮齿最大等效应力的值图。根据圣维南定理对减速器进行简化、系统自动定义接触、添加固定约束建立整机有限元模态分析模型,对模型的前12阶固有频率和振型进行计算。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题来源及意义
• 1.2 国内外谐波齿轮传动的发展和研究现状
• 1.2.1 国内外谐波齿轮传动发展
• 1.2.2 国内外研究现状及展望
• 1.3 谐波齿轮传动概述
• 1.3.1 谐波齿轮传动的组成
• 1.3.2 谐波齿轮传动的特点
• 1.3.3 谐波齿轮传动的应用
• 1.3.4 几种新型谐波传动装置
• 1.4 本文研究的目的和主要内容
• 1.4.1 本文的研究目的
• 1.4.2 本文的主要研究内容
• 2 谐波齿轮传动的运动学分析和啮合理论
• 2.1 谐波齿轮传动运动学分析
• 2.1.1 原理分析
• 2.1.2 机构分析
• 2.1.3 运动分析
• 2.2 柔轮变形的数学模型
• 2.2.1 柔轮的变形形状类型
• 2.2.2 谐波齿轮传动中柔轮的几个假设
• 2.2.3 柔轮变形的基本理论
• 2.2.4 柔轮特征曲线方程
• 2.3 谐波齿轮传动的啮合理论
• 2.3.1 渐开线工作齿廓
• 2.3.2 谐波齿轮传动的坐标转换
• 2.3.3 轮齿间相对位置的确定
• 2.4 啮合干涉理论
• 2.4.1 避免齿顶干涉条件
• 2.4.2 避免齿廓重迭干涉条件
• 2.4.3 避免过渡曲线干涉条件
• 2.4.4 轮齿间侧隙的计算
• 2.5 啮合参数的选择和几何尺寸计算步骤
• 2.5.1 主要啮合参数的选择
• 2.5.2 几何尺寸满足条件
• 2.5.3 几何尺寸计算步骤
• 2.6 本章小结
• 3 等效椭圆谐波齿轮减速器设计
• 3.1 等效椭圆谐波齿轮减速器提出
• 3.2 啮合几何设计计算
• 3.2.1 啮合齿廓的确定
• 3.2.2 主要参数的选择
• 3.2.3 几何尺寸计算
• 3.3 柔轮的结构设计
• 3.3.1 柔轮的类型选择
• 3.3.2 短环形柔轮结构尺寸计算
• 3.4 波发生器的结构设计
• 3.4.1 波发生器的类型选择
• 3.4.2 等效椭圆波发生器的尺寸计算
• 3.5 固定刚轮的结构设计
• 3.6 输出刚轮的结构设计
• 3.7 材料的选择
• 3.8 本章小结
• 4 等效椭圆谐波齿轮减速器的理论分析
• 4.1 啮合干涉与几何尺寸的验算
• 4.2 效率分析
• 4.3 作用力分析
• 4.3.1 柔轮上的作用力
• 4.3.2 轮齿上的作用力
• 4.4 强度校核
• 4.4.1 柔轮的强度校核
• 4.4.2 齿的强度校核
• 4.5 刚度分析
• 4.6 本章小结
• 5 等效椭圆谐波齿轮减速器的实体建模与虚拟装配
• 5.1 PRO/ENGINEER 软件的简介
• 5.2 零部件的实体建模
• 5.2.1 主要零部件实体模型
• 5.2.2 变形柔轮的实体模型
• 5.3 虚拟装配及干涉分析
• 5.3.1 虚拟装配模型
• 5.3.2 干涉分析
• 5.4 本章小结
• 6 虚拟样机的建立与仿真分析
• 6.1 ADAMS 软件的简介
• 6.2 虚拟样机仿真分析步骤
• 6.3 虚拟样机的建立
• 6.3.1 PROE 装配模型的导入到ADAMS 中
• 6.3.2 系统约束定义
• 6.4 动力学仿真分析
• 6.4.1 虚拟样机相关参数设置
• 6.4.2 动力学仿真
• 6.4.3 仿真结果分析
• 6.5 几何仿真分析
• 6.5.1 虚拟样机相关参数设置
• 6.5.2 仿真结果分析
• 6.6 本章小结
• 7 等效椭圆谐波齿轮减速器的有限元分析
• 7.1 ANSYS 软件简介
• 7.2 柔轮的模态分析
• 7.2.1 有限元模型
• 7.2.2 模态分析结果
• 7.3 柔轮空载静力学分析
• 7.3.1 有限元模型
• 7.3.2 空载时柔轮的结构静力分析结果
• 7.4 传动部件有限元分析
• 7.4.1 传动部件的有限元模型
• 7.4.2 传动部件结构静力分析结果
• 7.5 整机模态分析
• 7.5.1 结构振动分析理论
• 7.5.2 模态分析简介
• 7.5.3 整机有限元模型
• 7.5.4 模态分析结果
• 7.6 本章小结
• 8 结论与展望
• 8.1 主要结论
• 8.3 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者在攻读硕士学位期间的专利、论文与荣誉