谐波齿轮柔轮啮合点周向刚度的理论分析及仿真

为揭示柔轮结构对其啮合点周向刚度的影响规律,提升谐波齿轮的传动刚度,提出柔轮啮合点周向刚度的理论计算方法。该算法首先将周向力引起的柔轮啮合点变形拆分为筒体变形和齿体变形,分别推导周向力作用下柔轮杯底、光筒、齿圈和圆弧过渡部分的扭转变形及渐开线轮齿的弯曲和齿根转动的理论公式,并基于周向位移等效折算柔轮啮合点周向刚度;然后建立包含工艺结构及渐开线齿廓等真实结构的杯型柔轮实体单元有限元模型,对未装配变形柔轮模型和波发生器作用下产生装配变形的柔轮模型分别施加周向力,获得柔轮筒体和齿体的负载变形。有限元仿真结果表明:杯底对柔轮筒体的扭转刚度的影响最大,齿体弯曲在齿体变形中的占比最大;装配变形增加了柔轮筒体的刚度,使其负载周向变形减小了约10%;减小齿廓压力角、增大变位系数和齿宽,可提高齿体刚度;柔轮筒体和齿体变形的理论解与有限元解的偏差分别为1.3%和2.2%;啮合点周向刚度的理论解与有限元解的相对偏差为-5%,验证了该算法的有效性。     

考虑齿轮形变的谐波减速器齿廓优化方法

为解决谐波减速器传动过程中刚轮以及柔轮出现的过啮合和欠啮合的问题,对谐波减速器装配过程中柔轮形变进行分析,发现柔轮在装配后的实际齿廓线空间位置与理论位置存在差异。为避免由于该形变不足所导致的啮合干涉和啮合不充分问题,提出了一种轮齿齿廓线的修正方法来对柔轮齿廓进行设计优化。在此基础上,以某型号谐波减速器为例,建立谐波减速器装配有限元模型,对谐波减速器装配过程进行有限元量化分析;采用所提方法对齿廓线进行优化修正并进行有限元分析;通过对优化前后的啮合初始侧隙、啮合区间以及预计寿命进行仿真分析以及数值对比,证明优化后的谐波减速器预计寿命提升超过20%,验证了该方法的正确性,从而可为谐波减速器柔轮以及齿形设计优化制造提供一种有效的设计思路与方法。     

柔轮凸齿廓半径对双圆弧谐波齿轮传动摩擦学性能的影响

基于改进的运动学法,利用啮合不变矩阵建立公切线双圆弧柔轮齿廓弧长参数方程和理论啮合方程,可求得理论共轭啮合区以及刚轮齿廓参数。综合考虑真实表面粗糙度、载荷、轮齿几何接触、卷吸速度等,建立双圆弧齿廓谐波减速器柔轮与刚轮在共轭啮合区域的混合润滑数学模型。分析啮合区域不同齿廓参数对于谐波传动装置润滑性能的影响。研究结果表明:在设计柔轮齿廓的时候,合理增加凸圆弧齿廓的半径有利于改善接触区域润滑状态。在工况不变的情况下特别是在中高速的工况下,加大柔轮凸圆弧齿廓半径可以增加接触区油膜厚度,增大膜厚比,且改善的效果随着转速的增加而增大,但当凸齿廓半径增大到很接近凹齿廓半径时,继续增加几乎不改善润滑条件。     

考虑温度效应的斜齿轮时变啮合刚度解析算法

以斜齿轮副为研究对象,基于切片法和积分思想,计入齿面接触温度变化引起的齿廓形变,结合轮齿接触、弯曲、剪切、轴向压缩及基体弹性变形,提出了考虑温度效应的斜齿轮啮合刚度解析算法,并通过有限元法验证了算法的准确性.分析了不同摩擦因数、输入转矩、输入转速等工况参数对斜齿轮啮合刚度的影响规律.结果表明,考虑齿轮温升影响后,轮齿从啮入到啮出整个过程的啮合刚度均有所增大;随着摩擦因数、输入转矩和输入转速的增大,斜齿轮本体温度及啮合齿面瞬时闪温升高,单齿啮合刚度和综合啮合刚度均值呈增大趋势.研究结果可为高速重载齿轮系统准确高效的动力学分析提供理论依据.     

谐波齿轮传动双圆弧齿形双向共轭设计方法

针对目前广泛采用的双圆弧齿形单向共轭设计方法存在的刚轮凸圆弧段共轭齿廓不确定问题,提出了一种基于柔轮和刚轮齿形联合共轭计算的双圆弧齿形双向共轭设计方法。该方法通过预设柔轮凸圆弧参数来进行共轭计算和拟合得到刚轮的双圆弧齿廓;增加了刚轮凸圆弧齿廓反向共轭计算得到柔轮凹圆弧齿廓的计算过程;将柔轮的拟合凹圆弧和预设凸圆弧相结合得到柔轮整体齿形;保证了刚轮凸圆弧段与柔轮两段圆弧均能共轭啮合。双圆弧齿形的啮合侧隙分析与有限元接触分析结果表明:与单向共轭法的设计结果相比,双向共轭法所设计的双圆弧齿形在整个齿廓段都能参与啮合,存在多点啮合现象,具有更大的齿廓接触面积和更小的齿面接触应力,提升了谐波齿轮传动的啮合性能。     

弧齿锥齿轮传动内部动态激励数值仿真

建立了弧齿锥齿轮传动的三维几何模型及有限元静力和动力接触分析模型.采用ANSYS软件对静力分析模型进行接触分析,得出弧齿锥齿轮传动的啮合刚度激励;采用LS-DYNA软件计算轮齿的啮入位置及主、从动轮的相对转速,对其啮入冲击特性进行数值仿真;用半正弦函数模拟误差激励曲线.综合考虑齿轮刚度激励、误差激励及啮入冲击激励得到弧齿锥齿轮传动的内部激励曲线.仿真分析得出负载对冲击有较大影响;冲击时间与冲击速度无关,冲击力与冲击速度成正比;齿轮侧隙及轴交角误差将导致冲击时间滞后,同时引起冲击力增大;侧隙对冲击时间滞后影响较大,轴交角误差对冲击力大小影响较大.     

双圆弧谐波齿廓设计方法

针对双圆弧齿廓参数表征量多、圆弧尺度与设计参数关联度低的不足，提出一种根据柔轮齿与刚轮齿的相对运动特征设计双圆弧谐波齿廓的方法．首先，根据工况参数与柔轮中线变形曲线函数特征，分别在固定刚轮与固定柔轮两种形式下分析柔轮齿廓公切点的运动轨迹，提取其最大切向位移量作为齿顶圆弧的参数特征，并建立齿顶齿廓连续共轭条件及设计公切点倾角；在此基础上，根据给定的齿厚比与分度圆，分析切向位移量系数与公切线倾角对共轭啮合区间的影响，并结合连续共轭条件遴选合理的齿廓重要参数．其次，结合算例分析了传动比分别为80和100时柔轮齿与刚轮齿的啮合状态及性能，结果显示共轭齿廓能够实现连续啮合且不存在干涉．最后，结合有限元仿真校验齿廓啮合特性，结果表明：共轭存在角度为68.31°、单侧共轭齿对数为37对、啮合侧隙最大值小于10μm，有限元仿真与数值算例分析结果基本吻合，验证了本文设计方法的有效性．     

渐开线谐波齿轮柔轮最高装配应力分析研究

为探究轮齿对柔轮齿圈装配应力的影响,建立包含实际齿廓的实体单元柔轮齿圈有限元模型(FEM).分析最大周向应力随齿根倒圆半径的变化规律,获得最佳齿根倒圆半径,以降低最大周向应力,并研究齿圈壁厚和齿槽宽度对最大周向应力的影响.引入轮齿应力影响系数以揭示齿圈最大周向应力与光圈应力的关系;考虑轮齿对齿圈弯曲刚度的影响,提出基于内力等效的弯曲刚度增大系数计算方法,并数值计算应力集中系数.得到了弯曲刚度增大系数和应力集中系数随齿圈壁厚及齿槽宽度的变化规律.研究表明:设计规范低估了轮齿对应力集中的影响;随着齿圈厚度的增大,应力偏差由11.2%增大至16.9%,设计规范低估了应力随壁厚的增长率.     

公切线式双圆弧齿廓谐波齿轮传动设计

谐波传动轮齿齿廓对装置啮合性能具有显著影响.为提高谐波传动的啮合性能,采用公切线式双圆弧齿廓作为柔轮齿廓,基于改进运动学理论计算双圆弧齿廓谐波传动共轭区域、共轭齿廓,并采用最小二乘拟合方法对理论共轭齿廓进行圆弧拟合;利用MATLAB对谐波传动侧隙、重合度、装配变形、运动轨迹等进行仿真分析.研究结果表明:所设计的双圆弧谐波传动轮齿啮合连续、啮合点不断改变,且存在"双共轭"现象,理论啮合弧长为109.3mm,重合度达到69.03,啮合性能显著优于传统渐开线齿廓谐波传动,并且优选径向变形量系数是消除谐波传动啮合干涉的重要方式之一.     

三圆弧谐波齿轮传动齿廓设计及参数优化

以三圆弧谐波齿轮为研究对象,结合改进运动学法和数值离散思想方法,求解出谐波齿轮柔轮齿廓方程和谐波齿轮传动的啮合不变矩阵,进而求解柔轮共轭齿廓;在共轭齿廓基础上,采用圆弧拟合和几何计算相结合的方法,设计求解出刚轮齿廓,并分析柔轮齿廓参数对柔轮共轭齿廓的影响。为进一步提高谐波齿轮的传动精度、传动平稳性、啮合刚度和承载能力,以增大谐波齿轮传动双共轭区间为目标,建立优化函数,对柔轮齿廓参数进行单变量和多变量优化分析。研究结果表明:采用合理的齿廓参数,可增加刚轮齿廓所包含的柔轮的理论共轭啮合点,最大化谐波齿轮传动双共轭区间,提高谐波齿轮啮合传动特性。     

双曲型法向圆弧齿轮传动的动力学分析

为探究啮合刚度、传动误差及侧隙对双曲型法向圆弧齿轮传动动态响应的影响,建立齿轮副的动力学方程,并在数值计算的基础上进行仿真分析。运用有限元方法,计算接触位置处的载荷及变形,并对时变啮合刚度、静态传动误差和侧隙进行量化分析。仿真结果表明：对振动位移响应影响最大的是侧隙,其次是时变啮合刚度;对动态啮合力影响最大的则是时变啮合刚度和侧隙。     

基于不同啮合原理的谐波传动齿廓研究

为了研究双圆弧齿廓和S形齿廓在空载状态下的啮合性能差异,对采用包络啮合理论设计的双圆弧齿廓进行共轭齿廓拟合分析,并根据齿条近似原理给出S形齿廓的完整表达式,对基于不同啮合原理设计的谐波传动齿廓的运动轨迹、啮合侧隙进行对比分析.结果表明:双圆弧齿廓和S形齿廓都存在啮合侧隙,但是由于S形齿廓在凸齿廓共轭区啮合侧隙更小,侧隙分布更均匀,因此其啮合性能比双圆弧齿廓更好.此外,双圆弧齿廓的齿顶高系数对其啮合侧隙和啮合范围均有很大影响,而S形齿廓的齿顶高系数对其啮合侧隙没有影响.     

机器人关节短筒谐波减速器接触计算与分析

为了研究机器人关节常用短筒谐波减速器在不同负载下的接触应力和变形分布,采用AN-SYS有限元分析软件,建立了柔轮和波发生器面面接触的空载有限元模型,并根据实验得到的啮合力公式,对柔轮与刚轮的啮合边界条件进行了计算。在此基础上,利用前置条件共轭梯度法求解了柔轮在不同载荷下的应力与变形,分析了柔轮应力和变形与所受载荷之间的关系及其变化规律,发现负载的增大可使柔轮齿圈截面的变形和应力增量呈等比增大,且不会引起变形和应力增量分布位置的变化。通过柔轮空载的变形实验、柔轮破坏实例以及柔轮轴向应力分布实验的比较发现,所计算的结果与实验结果较为吻合,为谐波减速器短筒柔轮承载能力的计算、结构及制造工艺的优化提供了一种准确、有效的方法。     

齿啮输出谐波传动柔轮变形的研究

该文根据板壳理论推导了齿啮式谐波传动柔轮中面的变形方程，得到了波发生器作用下柔轮的波发生器端与齿啮输出端之间的变形关系曲线，据此设计的谐波齿轮齿啮参数既不会产生齿廓干涉又不会使传动侧隙过大。并用实例验证了所建立的数学模型的正确性。研究的结果对齿啮式输出谐波传动的啮合参数设计提供了理论依据。     

行星齿轮传动的齿面动态磨损特性

针对动态载荷下行星齿轮传动系统齿面磨损问题,考虑了时变啮合刚度和齿廓磨损误差激励的影响,应用势能法求解齿廓磨损情况下的齿轮副啮合刚度,采用集中参数法建立了平移-扭转多自由度齿轮动力学模型,通过Newmar k-β时域积分法求解动态啮合力,基于变形协调原理确定齿间载荷分配系数,依据赫兹接触理论确定齿面接触压力分布,采用有限元方法等转角度离散齿面,基于Archard磨损公式建立了行星齿轮传动系统动态磨损数值仿真模型。通过算例,分析了不同磨损程度的啮合齿面接触压力分布,探讨了负载转矩和磨损次数对磨损的影响以及磨损深度与齿轮系统啮合刚度间的关系。仿真结果表明:磨损后双齿啮合区齿面压力呈"∧"形分布;磨损速率与负载转矩呈正比映射关系,与磨损次数呈指数映射关系;啮合刚度与最大磨损深度呈一次函数关系。该研究结果对行星齿轮传动系统的齿廓修形设计及减磨延寿具有一定的参考意义。     

弧齿锥齿轮啮入冲击理论分析

为了改善弧齿锥齿轮的振动与噪音,基于弧齿锥齿轮啮合传动特点,应用机械动力学理论,建立考虑轮齿受载变形的弧齿锥齿轮啮入冲击数学模型,结合齿面接触分析(TCA)和承载接触分析(LTCA)分析计算初始啮合点的位置,并根据齿轮受载变形和载荷分配系数拟合出啮入点的啮合刚度;进而推导出啮入冲击,并分析了齿轮副的负载和输入转速对啮入冲击的影响.研究结果表明:齿轮副的负载和输入转速都会对啮入冲击产生较大的影响;在不发生边缘接触的情况下,随着负载的增大,初始啮入点逐渐向主动轮齿根移动,冲击速度逐渐增大,啮入冲击也逐渐增大;输入转速的增大会直接增大冲击速度,进而使得啮入冲击增大;与负载相比,转速对啮入冲击的影响更大.     

行星齿轮传动系统碰撞振动特性研究

针对行星齿轮传动系统轻载高速下存在碰撞振动的问题进行了研究,为此提出了研究方法和分析模型,即在大载荷下采用线性弹簧来模拟轮齿啮合弹性,在轻载下采用Hertz接触理论来计算齿轮副碰撞力,最终采用集中质量方法建立了行星齿轮传动系统碰撞振动分析模型。研究分析发现:在大载荷、连续增速下,行星齿轮传动系统在太阳轮与行星架扭转振动模式以及内齿圈横向振动模式所对应的固有频率位置出现了共振,并引起了较大的啮合力波动;在轻载下,齿轮副啮合状态发生了变化,出现了碰撞振动,随着负载的增加,接触力的变化呈现出强非线性特征,齿轮副脱啮时间逐渐缩短;当负载达到门槛值时,齿轮副不再脱啮;随着转速的提高,脱啮时间逐渐缩短,碰撞力波动幅值呈线性增大的趋势。该结果可为行星齿轮传动系统减振、降噪研究提供理论依据。     

基于参数非线性的二级行星减速器扭转振动分析

为掌握多元非线性参数对二级行星减速器动态特性的影响,在综合考虑齿轮副之间的时变啮合刚度、综合传递误差、啮合阻尼以及齿侧间隙的情况下,基于集中参数法建立了减速器纯扭转振动模型,采用变步长的Runge-Kutta法求解系统动态响应,获得了各级内、外齿轮副之间的振动特性时域数据,以及动态啮合力.理论求解与实验结果最大误差值0.98,平均误差0.05,一级振动及动态啮合力大于二级;同级中太阳轮振动大于行星轮,内、外啮合齿轮副动态啮合力基本相当.频域分析显示:主要振频为齿频和啮频相互耦合所致;一级行星轮齿频为12.93Hz,接近第一阶主振频12Hz;二级啮频62.37Hz,接近第二阶主振频62Hz,成为系统前两阶激振源.     

基于精确有限元模型的弧齿锥齿轮承载振动特性分析

根据弧齿锥齿轮齿面加工参数,计算齿面节点坐标,建立精确的轮齿有限元模型.通过轮齿接触分析,计算齿轮副精确的啮合位置,从而建立高精度的弧齿锥齿轮装配有限元模型.通过承载分析,计算齿轮的接触应力和齿面载荷分布瀑布图,求得不同工况下的承载传动误差曲线.研究结果表明:随着负载从10 N·m增加到30 N·m和50 N·m,承载...     

渐开线齿轮动态啮合力计算机仿真

为了获得渐开线齿轮啮合传动过程中的动态啮合力,提出了一种在MSC-ADAMS平台上的计算机仿真方 法．考虑了齿轮高速、大转矩啮合传动以及渐开线齿轮工作过程中齿廓啮合点位置不断变化的实际情况,基于 Hertz弹性接触理论,建立了仿真用齿轮刚度系数的计算公式及渐开线齿轮啮合传动的仿真模型,并以某车用变速 器的一对渐开线齿轮为研究对象,应用机构动力学仿真分析软件,计算得到了在3种不同工况下的齿轮动态啮合 力．研究结果表明:渐开线齿轮在啮合传动过程中含有明显的动载荷,动载荷的波动并非对称循环,其均值大于静 载荷;随着传动速度的增大,动载荷及其作用时间所占比例均增大．