谐波齿轮传动短杯柔轮的有限元分析及结构优化设计研究

论文摘要

谐波齿轮传动众多的优点使其应用越来越广泛。而谐波传动中杯型柔轮轴向尺寸大和柔轮在高低温环境下容易失效的缺点却限制了其在紧凑空间和苛刻环境特别是在宇航空间机构中的应用。因此,本文主要针对杯型谐波减速器的柔轮进行了有限元接触分析和结构参数优化,优化设计了一种短杯柔轮,加工了试验样机,并设计加工了谐波性能测试试验台,对加工的谐波试验样机进行了效率、启动力矩和超载等性能测试。本文使用ANSYS的APDL语言设计了杯型谐波柔轮的参数化接触分析模型,分析了不同型号柔轮在凸轮波发生器的作用下所受到的应力情况,得出了柔轮的最大等效应力随柔轮型号的变化趋势;分析了柔轮关键结构参数的变化对柔轮最大等效应力的敏感度,为柔轮的结构参数优化提供了依据;在热和结构耦合的情况下对柔轮与刚轮的简化接触模型进行了接触分析。在有限元分析的基础之上,根据杯型谐波柔轮的结构特点,以柔轮的体积和传动效率为目标函数,以柔轮模数、柔轮筒长、齿圈壁厚、光滑圆筒壁厚、齿宽为设计变量,建立各种约束条件,对柔轮进行了多目标结构参数优化。优化结果表明,在与同型号常规谐波减速器同样的效率、额定力矩、寿命的前提下,柔轮的轴向尺寸减少了30%左右。加工了短杯谐波减速器的试验样机。研制了谐波减速器性能测试试验台,设计了谐波减速器性能测试试验台数据采集系统,完成了对数据的采集、保存、显示和对电机的控制。对加工的谐波减速器试验样机和常规同型号的谐波减速器进行了试验对比分析,测试了效率、启动力矩、超载能力等性能,通过试验对比验证了所优化的短杯谐波减速器在所测试的性能上与常规谐波减速器相近。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 研究的目的和意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 谐波传动的国外研究现状
• 1.3.2 谐波传动的国内研究现状
• 1.4 课题的来源及主要研究内容
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 主要研究内容
• 第2章 谐波齿轮传动基本理论
• 2.1 谐波齿轮传动的基本原理、特点及应用
• 2.1.1 谐波齿轮传动的基本原理
• 2.1.2 谐波齿轮传动的特点及应用
• 2.2 杯型柔轮的变形分析
• 2.3 柔轮的应力分析和强度计算
• 2.3.1 柔轮应力分析
• 2.3.2 柔轮的疲劳强度计算
• 2.4 本章小结
• 第3章 杯型谐波柔轮的有限元接触分析
• 3.1 ANSYS基本分析方法简介
• 3.1.1 非线性接触分析
• 3.1.2 耦合场的有限元分析
• 3.2 空载情况下柔轮参数化模型的建立及分析
• 3.2.1 柔轮与椭圆凸轮参数化接触模型的开发
• 3.2.2 32 机型柔轮轮齿简化前后的有限元分析对比
• 3.3 不同型号柔轮与波发生器作用的有限元接触分析
• 3.4 柔轮关键结构参数对柔轮应力敏感度分析
• 3.5 杯型柔轮热与结构耦合有限元分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 短杯谐波柔轮结构优化设计
• 4.1 柔轮多目标优化模型的建立
• 4.1.1 设计变量的确定
• 4.1.2 目标函数的建立
• 4.1.3 约束条件的确定
• 4.1.4 多目标优化方法
• 4.2 优化设计实例及结果分析
• 4.2.1 优化设计实例
• 4.2.2 输入转速、输入力矩对谐波传动效率影响分析
• 4.3 三种杯底结构的柔轮有限元分析
• 4.4 短杯谐波减速器三大件试验样机加工
• 4.5 本章小结
• 第5章 谐波减速器性能测试试验台设计及试验分析
• 5.1 谐波减速器性能测试试验台方案及结构设计
• 5.1.1 谐波减速器性能测试试验台方案确定
• 5.1.2 主要元器件的选择
• 5.1.3 机械本体部分结构设计
• 5.2 谐波性能测试试验台台数据采集系统设计
• 5.2.1 数据采集系统硬件设计
• 5.2.2 数据采集系统软件设计
• 5.2.3 人机界面
• 5.3 试验测试
• 5.3.1 试验台装配调节
• 5.3.2 谐波减速器空载负载跑合试验及温升测试
• 5.3.3 谐波效率试验测试
• 5.3.4 超载性能试验测试
• 5.3.5 启动力矩试验测试
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历