渐开线谐波齿轮传动齿廓参数优化及动态仿真

论文摘要

本文基于谐波齿轮传动的弹性共轭理论对刚柔轮齿的渐开线齿廓参数进行了优化,并在分析柔轮理论空间共轭齿廓的基础上,修正了柔轮的渐开线齿廓。进一步利用有限元方法,仿真了谐波齿轮传动的动态工作过程,并研究了优化齿廓的啮合性能。文中首先通过对谐波齿轮的传动原理的研究,建立了基于柔轮变形函数的刚柔轮齿空间弹性共轭运动模型,并结合平面刚性运动瞬心线理论,导出了共轭齿廓的求解方程。基于上述方程,建立了以柔轮渐开线齿廓尽可能逼近理论共轭齿廓为优化目标的齿廓参数优化模型,并求解出刚柔轮渐开线齿廓的最优变位系数。进而反求柔轮轴向所有横截面内的共轭齿廓,研究各共轭齿廓的空间关系,并对柔轮齿廓进一步修正。针对重复有限元建模的繁琐性及动态仿真求解对有限元模型质量的要求,本文手动编程实现了参数化有限元模型的建立,并提出了一种能方便程序实现的节点编号方法和网格生成算法。建立了方便参数修改及网格控制的程序界面,并能直接生成适合ABAQUS有限元求解器计算的求解文件。对波发生器装入柔轮的过程进行了模拟,分析了柔轮初始装配状态下的变形函数及应力分布。以初始装配下柔轮的应力及变形为预载荷,仿真了谐波齿轮负载下的动态工作过程,研究柔轮杯体各处应力在额定载荷下的时变特性和载荷对柔轮的变形函数的影响,分析了谐波齿轮动态啮合接触力的齿向分布及周向分布特征,并比较了优化齿廓与未优化齿廓的啮合性能。本文的研究结果对改善了谐波齿轮传动的啮合特性具有实际意义,对进一步设计适合动态载荷传动的齿形具有参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及课题来源
• 1.2 谐波齿轮研究状况综述
• 1.2.1 齿廓啮合运动的研究
• 1.2.2 谐波齿轮齿形的研究
• 1.2.3 柔轮应力及变形的研究
• 1.3 选题意义
• 1.4 本文研究内容
• 2 谐波齿轮传动弹性共轭运动几何模型
• 2.1 谐波齿轮传动的基本原理及参数
• 2.2 刚柔轮齿的弹性共轭运动几何模型
• 2.2.1 运动学建模假设及约定
• 2.2.2 谐波齿轮刚性运动几何模型
• 2.2.3 柔轮齿弹性变形运动几何模型
• 2.2.4 合成的齿廓弹性共轭运动模型
• 2.3 轮齿共轭运动的瞬心线及齿廓反求
• 2.3.1 刚柔轮齿共轭运动的瞬心线
• 2.3.2 柔轮共轭齿廓的计算模型
• 3 基于弹性共轭理论的齿廓参数优化及空间齿形
• 3.1 谐波齿轮齿廓参数优化模型及结果
• 3.1.1 基于弹性共轭齿廓的优化建模
• 3.1.2 优化结果及误差评价
• 3.2 柔轮齿的空间齿廓
• 3.2.1 柔轮理论共轭空间齿廓的求解
• 3.2.2 共轭空间齿廓的特性
• 3.2.3 柔轮空间齿廓的设计
• 4 谐波齿轮参数化有限元模型的建立
• 4.1 材料本构及建模简化
• 4.1.1 各构件的材料本构
• 4.1.2 有限元模型的简化处理
• 4.2 网格规划及编程实现
• 4.2.1 求解器及单元类型的选择
• 4.2.2 网格规划及网格生成算法
• 4.2.3 程序的编制及使用说明
• 4.3 有限元分析过程及求解
• 4.3.1 有限元分析步骤及边界条件
• 4.3.2 有限元动力学模型及其求解
• 5 谐波齿轮动态仿真结果分析
• 5.1 波发生器安装仿真结果
• 5.1.1 柔轮初始变形函数
• 5.1.2 柔轮初始装配应力
• 5.2 动态载荷下柔轮的应力及变形
• 5.2.1 柔轮薄壳应力时变特性
• 5.2.2 柔轮动态载荷下的变形函数
• 5.3 谐波齿轮传动啮合接触力分析
• 5.3.1 柔轮齿齿向接触力分析及比较
• 5.3.2 柔轮齿周向接触力分析及比较
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢