通过观察显微组织、测定力学性能以及观察断口形貌,对比分析国产失效谐波减速器和日本谐波减速器关重件柔轮和柔性轴承的显微组织和力学性能,并分析了国产谐波减速器过早失效的原因。结果表明,失效谐波减速器柔轮显微组织与日本相同,均为回火屈氏体,失效柔轮平均晶粒尺寸为8.2μm,比日本柔轮平均晶粒尺寸高了1.5μm;失效柔性轴承和日本柔性轴承显微组织均为回火马氏体,失效柔性轴承平均晶粒尺寸为13.1μm,比日本柔性轴承平均晶粒尺寸高出6.9μm。失效谐波减速器柔轮断口呈脆性断裂,无明显裂纹源,但失效的柔性轴承断口存在明显断裂走向,在裂纹源中有大尺寸、聚集性分布的夹杂物。失效轴承钢质洁净度差,存在大尺寸夹杂物,且显微组织晶粒粗大,阻碍裂纹扩展的能力差,导致国产谐波减速器过早失效。

通过合理地选择柔轮结构参数,可以改善柔轮的应力集中现象,提升柔轮的疲劳寿命。基于参数敏感性分析,筛选出影响柔轮应力的关键参数;以柔轮空载和负载过程中齿圈部位的最大等效应力最小以及谐波减速器整机的体积最小为优化目标,完成了柔轮参数响应面优化。通过疲劳计算发现,优化后的柔轮疲劳寿命有一定的提升。

柔轮作为谐波减速器中最薄弱的环节之一,一直是谐波减速器可靠性研究中备受关注的对象。以CSG-32-80型谐波减速器为对象,利用AnsysWorkbench对其柔轮进行了瞬态分析,得出了柔轮应力、应变的分布情况;将有限元分析结果导入NcodeDesignlife疲劳分析模块,结合柔轮材料的S-N应力—寿命曲线,得出了柔轮的疲劳寿命。并通过正交实验的方式探究了柔轮最大应力与柔轮长度、柔轮壁厚、柔轮齿宽3种参数之间的关系,为柔轮结构的最优化设计提供了一定理论参考。

柔轮的疲劳开裂是引起谐波减速器精度下降和设备可靠性降低的重要原因。以某型号谐波减速器为研究对象,基于壳体力矩理论建立柔轮等效模型,确定柔轮应力集中的参数;通过有限元仿真,获取柔轮应力最大结点位置,并引入微小角裂纹;通过分析裂尖应力场参量,描述了柔轮裂纹扩展的能力和趋势;基于最大主应力损伤演化准则,通过扩展有限元方法(XFEM)模拟裂纹扩展差异性行为,并搭建加速寿命实验台,验证了扩展有限元模型的正确性。结果表明,裂纹扩展路径与有限元结果吻合;柔轮齿根部及筒体与凸缘交界处应力集中,最易出现疲劳裂纹;裂纹扩展路径受增量步与应力分布影响;应力分布随裂纹扩展程度变化,易引起扩展路径出现偏折现象。

通过Hypermesh划分网格并使用Abaqus完成对谐波减速器的瞬态分析。基于瞬态分析结果,确定了柔轮危险点的位置,提出了一种提取并合成柔轮危险点应力谱的方法。通过对应力谱进行雨流计数,组合修正P-S-N曲线与Miner疲劳损伤累计理论,预测了谐波减速器柔轮的寿命。预测结果与国内谐波减速器的产品的寿命相近。该研究工作为谐波减速器柔轮疲劳性能定量评估提供了参考依据。

鼓形齿可改善齿面间的啮合状态,提高谐波齿轮的负载能力。为揭示鼓形径向修形形成的变厚度齿圈柔轮的变形规律,提出了变中面半径齿圈的空间变形理论计算方法。推导出轴向中面半径变化的齿圈中线的径向、周向及转角位移公式。建立了包含真实齿廓的参数化实体单元杯形柔轮有限元模型,通过接触分析计算了齿圈轴向前、中、后横截面内的中线变形;齿圈各截面的有限元结果与理论值吻合良好。通过与等厚度齿圈模型对比,研究了变厚度齿圈的空间变形特征。结果表明,变厚度齿圈加剧了母线的非线性特征;从中截面到后截面的长轴区母线和从前截面到中截面的短轴区的母线非线性特征更显著。

针对杯形谐波减速器复杂的装配变形和应力分布,基于ANSYS软件建立有限元分析模型,分析谐波减速器在装配和加载过程中的应力和变形规律。研究结果表明:波发生器与柔轮装配时,柔轮和轴承外圈产生了不同程度的倾斜;刚轮与柔轮装配后,柔轮和轴承外圈在长轴位置的最大径向变形量分别相比前者减少14.1%和9.1%;随着负载的增大,柔轮应力增长趋势为变斜率上升,153 N·m后柔轮应力加速上升,斜率约为0.354;通过三维应变测量系统对柔轮装配变形进行测量,实验与仿真结果基本一致。研究结果表明柔轮、轴承和刚轮对谐波减速器应力和变形分布都有较大影响,其为谐波减速器的设计、使用和性能试验提供数据支撑。

柔轮是谐波减速器的核心部件,也是最容易失效的部分,其工作寿命决定了谐波减速器的寿命。针对柔轮结构设计中高寿命、高承载能力的要求,以柔轮中筒长、壁厚等关键结构参数为研究对象,建立柔轮受力数学模型,分析单因素对柔轮应力应变的影响规律。基于Design Exploration响应面子模块探究不同因素的搭配对柔轮应力应变的影响及补偿规律,利用CFTOOL函数拟合得到柔轮应力的回归曲线。分析结果表明:单因素筒长对柔轮应力影响最大,通过减小径向变形量补偿增大齿圈宽度对柔轮应力的影响,增大齿圈宽度可补偿增大筒长对柔轮应力的影响。柔轮结构设计最佳参数组合为壁厚0.45 mm、筒长50~60 mm、齿圈宽度12~13 mm,该柔轮等效应力比最大应力降低18.5%,满足设计要求。

以柔轮常用15-5ph不锈钢为对象，研究不同表面处理工艺对柔轮材料力学性能的影响规律。利用纳米压痕仪开展15-5ph不锈钢试件压入实验，将得到的载荷-深度曲线与有限元模拟结果进行对比，验证有限元压入模型的有效性。在此基础上，开展常见表面处理工艺影响柔轮材料力学性能的有限元建模与分析。研究结果表明：涂层弹性模量的增加将提高涂层?基体系统的等效硬度及刚度；渗碳层厚度的适当增大可减小柔轮基体应力而不影响柔轮的啮合精度；由喷丸产生的残余压应力越大，基体材料等效硬度越大，并可带来材料等效刚度的一定提高。

针对谐波减速器柔轮精加工过程后不易拆卸的现象,设计了一种加工工装,其结构简单、加工方便,拆卸过程中并不会引起柔轮底部变形;可以实现一次装夹芯轴重复加工一批柔轮。