为了提升谐波减速器的啮合性能、改善机器人的工作性能,提出了基于改进运动学法和瞬态动力学的谐波齿轮新型齿廓设计方法。首先,针对公切线双圆弧齿廓和S型齿廓的特点,提出了由S型齿廓和公切线双圆弧齿廓相结合的新型柔轮齿廓;其次,基于改进运动学法计算了共轭刚轮的齿廓,并运用瞬态动力学方法对比分析了在不考虑塑形变形情况下齿廓谐波齿轮的啮合侧隙和柔轮应力。对比分析发现,在不考虑塑形变形情况下,新型齿廓谐波齿轮具有更小的啮合侧隙和等效应力,最小啮合侧隙仅为0.0036 mm,给定负载工况下最大等效应力仅为1211.6 MPa,与双圆弧齿廓柔轮、S型齿廓柔轮、公切线双圆弧齿廓相比都明显降低;新型齿廓设计方法可有效改善谐波齿轮的传动性能,为高性能谐波齿轮设计奠定了理论基础。

基于滚齿仿真计算研究大变位柔轮成形机制,分析其齿面理论加工误差值及产生原因,重新设计滚刀以提高大变位柔轮滚齿精度。建立滚刀系列切削刃参数方程,根据滚刀与工件的几何参数及加工参数确定滚刀与工件相互位置和空间运动关系,进行滚齿切削仿真;根据滚刀多刃切削的成形特点,建立齿面理论加工误差评价模型,对滚齿误差进行仿真计算;基于滚齿加工时滚刀与齿轮法向基节相等原理,重新设计滚刀以减小滚齿齿面偏差。研究发现,标准滚刀加工齿数较多的大变位柔轮时,会因滚刀切削刃数不足而在齿顶处出现欠切削,致使加工误差大;模数、压力角不同于标准滚刀的新滚刀仅需较少切削刃即可实现大变位柔轮的完全切削,且齿面加工误差比标准滚刀完全切削齿面时产生的加工误差略小。研究结果可为大变位柔轮滚齿精度控制研究及滚刀参数选择等提...

为了提高渐开线齿廓谐波齿轮的啮合性能,利用柔轮装配变形的包络精确算法获得了设计截面内共轭齿廓离散点,基于渐开线特征对共轭齿廓离散点拟合,得出刚轮渐开线齿廓。考虑柔轮锥度变形的影响,建立了侧隙优化控制模型,对不同径向位移下柔轮截面的变位系数进行了优化。部分柔轮截面在减小齿廓工作段高的基础上再选择合理变位系数,设计出满足空间啮合要求的渐开线齿廓谐波齿轮,并通过运动仿真分析对设计结果进行了验证。结果表明,相对于设计截面,最大径向位移增大的截面通过减小变位系数可避免干涉,最大径向位移减小的截面通过增大变位系数可获得良好啮合性能;变位系数调整量与该截面至设计截面间的距离成近似线性关系。对最大径向位移减小幅度较大而引起干涉的柔轮后端截面,需减小柔轮齿高并合理改变变位系数,才可获得良好的...

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。

为了解决基于平面设计的轮齿在柔轮空间变形影响下的齿廓干涉问题,提出了一种考虑柔轮空间变形的双向共轭法。该方法分别在柔轮轮齿前后端截面对预设柔轮凸圆弧进行共轭计算,得到刚轮的双圆弧齿廓,用刚轮凸圆弧在前端截面反向共轭计算柔轮凹圆弧齿廓,并与预设凸圆弧结合得到柔轮齿廓。基于三维有限元分析进行谐波齿轮传动啮合仿真,证明了将柔轮空间变形引入齿形设计可以有效避免齿廓干涉。

为了完善谐波齿轮刚柔轮系统装配与啮合过程中的力学响应及柔轮疲劳寿命研究,提出了一种基于刚柔耦合与瞬态动力学分析理论的刚柔轮系统装配与啮合分析方法,得到了更加准确与合理的谐波柔轮装配及啮合过程中柔轮的应力分布和疲劳失效位置;柔轮结构和材料参数变化对其疲劳寿命的灵敏度研究,指出了柔轮疲劳设计的关键参数,并进一步指出了柔轮的疲劳寿命尺寸效应具有敏感区间,据此建立了柔轮的疲劳寿命模型.结果表明,谐波齿轮刚柔轮系统的力学与疲劳寿命分析不能忽略装配与啮合过程的影响;柔轮的设计应该规避疲劳寿命尺寸效应的敏感区间,以提高谐波齿轮的使用寿命.

为更真实地反映谐波齿轮的侧隙分布,改进侧隙算法中柔轮齿根的定位方式,建立坐标变换下的齿廓方程以代替原有侧隙算法中的齿厚方程,提出基于周向位移定位和弧长定位的侧隙计算方法,建立含渐开线齿廓的平面齿圈实体有限元模型,获得空载啮合状态下侧隙分布。将理论计算的侧隙值与有限元模型计算的侧隙值比较发现,两者所得结果一致性较高。同时为了揭示侧隙偏差的来源,获取了有限元模型柔轮中性层的径向位移、周向位移和法线转角,并求解了周向位置极角。与理论算法结果比较发现,柔轮齿根周向位移偏差是引起侧隙偏差的主要因素。

随着谐波齿轮长径比的减小,柔轮筒底的应力会急剧上升。为降低超短筒柔轮筒底应力,建立参数化杯形和礼帽形柔轮实体有限元模型,分别计算了装配状态和负载工况下柔轮最高应力及其分布规律。对比计算长径比、膜板宽度和倒圆半径等几何参数对柔轮筒底最高装配应力和负载应力的影响规律。研究发现,超短筒杯形柔轮适用于小负载传动,超短筒礼帽形柔轮更适用于大负载传动;礼帽形柔轮更易于通过增大膜板宽度减小筒底应力。

谐波齿轮啮合刚度计算是其动力学分析的基础。基于有限元加载接触分析原理,结合谐波齿轮的静态及动态接触特点,以单个轮齿啮入-啮出过程中的不同位置为研究对象,选取接触位置离散点,对各离散点的啮合数据进行提取分析,得到了单个轮齿不同啮合位置的单齿刚度曲线及综合啮合刚度曲线。并与已有研究成果进行了对比,验证了该方法的正确性,为研究谐波齿轮传动的动力学特性提供了依据。

谐波齿轮减速器的间隙空程来源复杂,是影响机构运动精度的主要因素。根据谐波减速器的工作原理分析,引起间隙空程的主要因素是零件扭转变形(柔轮和输出轴)、柔轮刚轮齿侧间隙和柔性轴承的径向游隙;运用渐开线、材料力学和刚度等理论,建立了间隙空程与上述因素的数学模型;开展了某种谐波减速器的间隙空程测试,实测结果与理论计算值吻合。