谐波减速器的结构力学分析

论文摘要

某大功率电动伺服装置采用谐波减速器传动机构(以下简称减速器),在研制过程中,当某些负载具有较大的转动惯量、进行动态响应测试时,出现了不收敛(亦称较大噪声,即输出轴抖动)的现象。本文以此为背景,利用商业软件对减速器进行有限元建模,对减速器结构各部件进行整体刚度分析、模态分析,同时对减速器整体进行动响应分析及工作情况下的响应分析,最后通过验证,确认是由于减速器齿轮间的间隙增加导致出现抖振问题,为减速器的结构设计、工程制造提供参考。首先,本文根据谐波减速器的有限元模型,对其在力矩载荷作用下各部件结构的应力、应变及位移进行了计算,得出最大变形为输出轴的弹性变形。由于柔轮受到的载荷较为复杂,本文对柔轮进行静力分析时将其载荷进行了一定的简化。其次,本文对谐波减速器进行模态分析,判断出减速器的结构有无薄弱环节,进而避开其固有频率以免产生共振。从模态分析结果分析,减速器的最低谐振频率为476Hz,小于2000Hz的振型主要是减速器整体绕X和Z轴的扭转振型。最后,在减速器动力学分析中,主要分析了减速器在简谐和随机激励下结构关键点的动响应、减速器在工作状态下满足角度输出情况下关键点的响应情况。分析结果表明,在无间隙情况下,关键点的动响应会存在较小的振荡,在有间隙情况下,关键点的动响应的振荡较大,且振荡衰减的时间较长,说明在谐波减速器工作中可能会出现抖振等不良情况。最后通过试验证明,说明减速器的抖振现象是减速器齿轮的间隙过大。本论文通过对谐波齿轮传动减速器进行有限元分析,找到了间隙的存在是减速器出现抖振现象的根本原因,文中做的研究对其他类型的减速器设计和分析亦具有参考作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 谐波减速器简介
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第二章 减速器有限元模型
• 2.1 谐波减速器结构概述
• 2.2 谐波减速器各部件有限元模型
• 2.3 整体有限元模型
• 2.4 各部件有限元模型间的连接处理
• 2.5 本章小结
• 第三章 减速器静力分析
• 3.1 柔轮静力分析结果
• 3.2 输出轴静力分析
• 3.3 本体静力结果
• 3.4 锥齿轮静力结果
• 3.5 整体静力结果
• 3.6 本章小结
• 第四章 减速器模态分析
• 4.1 模态分析概念
• 4.2 模态分析方法
• 4.3 柔轮模态分析
• 4.4 输出轴模态分析
• 4.5 锥齿轮模态分析
• 4.6 减速器整体模态分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 减速器动力学响应分析
• 5.1 稳态激励下动响应分析
• 5.1.1 动态响应分析理论
• 5.1.2 边界条件及载荷
• 5.1.3 动响应计算结果
• 5.2 稳态与随机联合激励下动响应分析
• 5.2.1 谐波叠加法简介
• 5.2.2 边界条件及载荷
• 5.2.3 动响应计算结果
• 5.3 本章小结
• 第六章 减速器工作状态下动响应分析
• 6.1 满足输出角度停止后动响应分析
• 6.2 输出角度从0°至3°后停止全过程动响应分析
• 6.3 减速器抖振分析
• 6.4 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果