考虑多源误差影响的谐波减速器传动误差建模与分析

为解决现有谐波减速器传动误差建模方法的不足,提出一种考虑装配误差、齿面误差的综合误差建模方法。该方法首先建立装配误差和齿面误差数学模型,并进行误差影响参数分析。其次,测量实验样机装配偏心量和歪斜角度,基于模型得到对应偏心误差、歪斜误差模型理论值,齿面加工误差幅值按一般加工工况大小代入模型,得到对应加工误差模型理论值;然后,分别进行500 h、1500 h、3000 h时长的磨损实验,磨损后进行齿面形貌扫描和数据分析,得到对应的齿面形貌参数,基于模型得到对应的磨损误差模型理论值。最后,综合考虑多源误差影响,设置3组同型号样机,进行传动误差实验。实验结果表明:考虑装配偏心、歪斜和齿面加工等影响因素,传动误差的实验测量值与模型理论值误差在1.7~3.3%之间;综合考虑装配偏心、歪斜、齿面加工、齿面磨损等影响因素,在磨损500 h、1500 h、3000 h后传动误差的实验测量值与模型理论值误差分别在-3.45~2.07%、-5.88~-2.94%、1.33~5.33%之间。

超短筒谐波齿轮柔轮筒底负载应力研究

为了揭示负载状态下超短筒柔轮筒底应力的分布规律,提出了柔轮筒底负载等效应力的理论计算方法。将柔轮筒底简化为中心固支圆板,建立了波发生器作用下柔轮筒底的弯曲对称变形模型,求解由装配变形引起的弯曲正应力和剪应力及负载转矩作用下的剪应力;基于Mises屈服准则,获得柔轮筒底负载等效应力的理论表达式;建立有限元模型,对柔轮筒底装配和负载应力的理论解进行数值验证。研究表明,弯曲径向正应力为柔轮筒底装配应力的主要应力;额定转矩作用下的柔轮筒底剪应力在45°处最大;随着负载转矩的增大,最大剪应力逐渐过渡到固定端,等效应力在固定端均匀分布;在瞬时容许最大转矩时,剪应力为筒底负载等效应力的主要应力。研究可为柔轮筒底强度设计提供指导。

谐波减速器精度退化失效及相关竞争失效可靠度评估研究

为了准确评估谐波减速器可靠度,实现失效预测和主动维护,提出了一种谐波减速器相关竞争失效可靠度评估方法。首先,根据谐波减速器精度性能退化测试数据,将指数模型应用至精度状态转移方程,采用粒子滤波算法进行了谐波减速器精度退化建模、参数更新和退化趋势分析,实现了谐波减速器精度退化失效寿命分布预测和精度动态可靠度评估;然后,结合谐波减速器强度失效和刚度退化失效的样本及失效寿命分布,基于Copula相关函数,建立了谐波减速器精度失效、刚度失效和强度失效的相关竞争失效动态可靠度评估方法;最后,通过谐波减速器精度、刚度和强度的相关竞争失效分析,得到了谐波减速器加速工况和额定工况下精度退化失效、刚度退化失效和强度失效的失效次序,并通过谐波减速器试验失效样本对所提出方法的有效性进行了验证。

空载下礼帽形柔轮的变形分析与试验验证

柔轮作为谐波减速器的核心部件,其装配过程中的接触应力和变形分布,影响着可靠性寿命。采用礼帽形柔轮进行有限元的装配模拟过程分析,分别提取柔轮长短轴以及齿圈前后端并进行变形与应力分析。结果表明,长轴和短轴处变形与实际相符,呈现线性降低趋势;齿圈前后端变形呈周期性变化。等效应力在长轴和短轴的轴向齿宽部分呈下降趋势。齿圈前后端较大等效应力产生在长轴和短轴处,而最大等效应力出现在筒底的过渡区,为327.91 MPa,低于材料许用强度。运用高精度三坐标测量机对柔轮装配过程变形测量,以长轴和短轴的轴向齿宽方向间隔1 mm作为检测点,将测量结果与仿真结果对比验证,误差结果在5%以内,验证了该仿真分析的适用性。为后续的谐波减速器设计提供数据支持。

基于BP神经网络的谐波减速器柔轮疲劳寿命预测研究

柔轮是谐波减速器的易损零件,在波发生器的高转速带动下转动,其疲劳寿命一直是备受关注的研究重点。以某型号杯型谐波减速器柔轮为研究对象,建立有限元仿真模型,得到柔轮最大应力与筒长、筒体壁厚和不同过渡圆角半径等参数之间的关系。根据柔轮S-N曲线,计算得到柔轮疲劳寿命,利用反向传播(Back Propagation,BP)神经网络实现了柔轮疲劳寿命的预测。

基于承载与寿命的谐波传动柔轮结构优化

针对当前谐波传动产品承载力不足与易发生疲劳破坏的问题,对核心部件柔轮进行了应力分析、疲劳寿命计算与结构优化。运用光滑圆柱薄壳理论推导柔轮的理论应力表达式,通过ABAQUS软件进行有限元分析结果验证。采用多轴疲劳理论计算柔轮的理论疲劳寿命,利用Fe-Safe软件进行疲劳分析结果对比。以柔轮主要结构参数为输入变量、以承载能力与疲劳寿命为优化目标进行结构优化设计。结果表明,通过柔轮理论应力及疲劳寿命计算方法所得的结果与有限元结果基本吻合,结构优化方法亦能够平衡谐波传动承载能力与疲劳寿命之间的矛盾。

滑片式谐波齿轮传动主动润滑装置设计

针对立式谐波齿轮传动工作过程中存在的波发生器和齿圈啮合部位润滑不良的问题,本文提出滑片式谐波齿轮润滑装置,以实现立式谐波齿轮传动运行过程中的润滑剂的补充功能,在不同转速下谐波齿轮传动润滑剂泄漏量变化和工作过程中滑片受力分析的基础上,完成滑片式谐波齿轮传动主动润滑装置的设计。

基于瞬态动力学的谐波传动新型柔轮齿廓设计

为了提高谐波齿轮传动的传动性能和啮合性能,分析不同齿廓运动轨迹,在不同齿廓啮合侧隙对比的基础上设计了新型柔轮齿廓。结合S型柔轮齿廓、公切线双圆弧柔轮齿廓和双圆弧柔轮齿廓的啮合侧隙对比,拟合啮合侧隙最小的齿廓段,得到新型柔轮齿廓;通过Ansys Workbench建立谐波齿轮传动接触模型,运用瞬态分析方法分析了柔轮变形特征;通过不同齿廓在空载和加载状态下的瞬态分析结果验证,说明新型齿廓的啮合性能更为优越。

三圆弧齿廓谐波齿轮的负载啮合性能仿真

为揭示负载工况下谐波齿轮传动的多齿啮合状态,提升负载传动性能,建立三圆弧空间齿廓实体单元谐波齿轮有限元模型。定义柔轮与波发生器、齿面间的面-面接触关系,对刚轮施加逐步增大的转角位移,模拟空载、额定转矩至瞬间容许最大转矩时齿面的啮合状态,提取轮齿啮合力和齿面接触压力大小及分布;分析不同工况下轮齿啮合力周向分布和齿面接触压力的变化规律,评估柔轮齿向修形的三圆弧空间齿廓谐波齿轮的负载啮合性能。结果表明:三圆弧空间齿廓在波发生器的长轴区设置最小初始侧隙,形成的凸-凹啮合区可以以更低的接触压力承载更大的负载转矩;利用齿向修形设置从中截面向后截面逐渐增大的初始侧隙有利于形成轴向更宽的齿面接触区;随负载增大,最大啮合力向长轴右侧偏移,右侧啮合力增幅快,呈平台分布;最大接触压力沿周向呈3个峰值分布,且最大值发生在有波发生器径向支撑的中截面,可有效增加负载刚度,提升承载能力。

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.

谐波减速器柔轮齿形修形啮合性能分析

为探究柔轮齿形修形对谐波减速器啮合性能的作用,建立了中空型谐波减速器的装配模型,采用有限元法分析了柔轮与刚轮啮合情况。以双圆弧齿形的在空载、负载过程中等效变形与等效应力作为对比条件。综合考虑柔轮齿形齿顶修形量,同时调整柔轮齿形轴向的齿高倾角,计算同等边界条件下齿形修形后的等效变形应力情况。对比结果表明,空载与负载条件下,提取柔轮轮齿前缘与后缘的中性层曲线,柔轮的等效变形基本不变,但最大等效应力分别降低至80%与76.6%,啮合性能得到提升。相关研究为谐波减速器的设计、评估及传动性能优化提供有益尝试和参考依据。

谐波齿轮大变位柔轮滚齿成形机理及误差分析

文中基于滚齿仿真计算研究大变位齿轮成形机理,分析柔轮齿面理论加工误差值及产生原因,为滚齿工艺参数选择提供指导,以改善大变位柔轮滚齿精度。建立滚刀系列切削刃参数化方程,并结合滚齿参数及滚齿时滚刀和工件相互运动关系建立变位齿轮滚切成形数学模型,基于滚齿多刃切削成形特征建立齿面理论加工误差评价模型进行滚齿加工误差仿真计算,还进行了滚齿加工试验验证仿真计算的正确性。对大变位柔轮滚齿成形过程及产生的齿面拓扑误差、齿形和齿向误差进行仿真计算发现:增大滚刀长度可有效减小因齿顶处切削不足而产生的加工误差,计算得到完全切削的滚刀最小长度;减小滚刀轴向进给量可显著减小齿面误差,计算得出齿向误差最大值与滚刀轴向进给量的关系曲线。

双圆弧谐波减速器刚轮插刀有效长度分析与优化

为预估和延长双圆弧谐波减速器刚轮插齿刀有效长度,论文建立了双圆弧刚轮齿廓数学模型,根据运动学法,建立了插刀加工数学仿真模型;根据齿廓法线法,建立了砂轮磨削加工数学模型,推导了刃磨后插刀的等效齿形与加工误差,确定了插刀的有效长度。在此基础上,论文通过优化砂轮齿形与插刀齿数,延长了插刀有效长度。结果表明:优化前55齿插刀有效长度为2.1 mm, 0截面插刀加工出刚轮齿形误差为2μm;优化后0截面插刀加工出刚轮齿形误差的最大值为0.14μm。优化后插刀齿数越多,插刀有效长度越长;优化后42齿、55齿、68插刀有效长度分别增加了4.8%、52%、81%。

谐波减速器啮合特性与应力变形分析

柔轮与柔性轴承是谐波减速器的核心零件,往往因为承受交变载荷而发生疲劳失效。为了更加准确地分析谐波减速器柔轮与轴承变形规律与应力分布,本文建立了一种含完整柔性轴承的礼帽形谐波减速器模型,采用有限元方法分析了柔轮和柔性轴承在不同载荷下的应力分布和变形规律。研究表明,负载变化不会显著影响柔轮与刚轮啮合齿对的接触压力变化;载荷主要是导致柔轮筒体的切应力变化,剪切失效是柔轮杯底断裂的主要原因;轴承滚子及滚道压力分布在加载后出现了明显的位置偏载,与目前理论计算时假设的轴承压力分布显著不同。本文分析结果可为凸轮和柔轮的修形及柔轮的疲劳寿命研究提供参考依据。

双圆弧谐波传动齿廓修形及啮合特性分析

针对谐波传动过程中柔轮实际径向变形量与线性假设变形量不符,引起柔轮与刚轮齿廓发生啮合干涉的问题,以无公切线双圆弧齿廓为研究对象,在Ansys Workbench中建立谐波齿轮传动有限元模型,提取柔轮长短轴径向位移,基于双圆弧齿廓修形原理结合Matlab参数化编程对柔轮齿廓进行三维修形,对仿真实体模型进行有限元分析。结果表明:有限元法设计修形后柔轮各截面均可实现无干涉啮合,有限元法设计修形后柔轮的最大等效应力值比未修形时减小41.79%,比线性法设计修形减小14.65%,且有限元法设计修形后柔轮应力分布更加均匀。

Three-Dimensional Conjugate Tooth Surface Design and Contact Analysis of Harmonic Drive with Double-Circular-Arc Tooth Profle

A three-dimensional conjugate tooth surface design method for Harmonic Drive with a double-circular-arc tooth profle is proposed. The radial deformation function of the fexspline (FS), obtained through Finite Element (FE) analysis, is incorporated into the kinematics model. By analyzing the FS tooth enveloping process, the optimization of the overlapping conjugate tooth profle is achieved. By utilizing the hobbing process, the three-dimensional machinable tooth surface of FS can be acquired. Utilizing the coning deformation of the FS, simulations are conducted to analyze the multi-section assembly and meshing motion of the machinable tooth surface. The FE method is utilized to analyze and compare the loaded contact characteristics. Results demonstrate that the proposed design method can achieve an internal gear pair consisting of a circular spline with a spur gear tooth surface and the FS with a machinable tooth surface. With the rated torque, approximately 24% of the FS teeth are engaged in meshing, and more than 4/5 of the tooth surface in the axial direction carries the load. The contact patterns, maximum contact pressure, and transmission error of the machinable tooth surface are 227.2%, 40.67%, and 71.24% of those on the spur gear tooth surface, respectively. It clearly demonstrates exceptional transmission performance.

随机不确定性下Kriging辅助的谐波减速器柔轮疲劳寿命预测

柔轮作为谐波减速器核心传动件,在循环交变载荷作用下容易发生疲劳失效,其疲劳寿命直接影响谐波减速器的工作寿命。为揭示随机不确定性因素对谐波减速器柔轮疲劳寿命的影响规律,本文考虑材料属性和载荷等不确定因素对谐波减速器柔轮开展疲劳寿命预测研究,以期实现更客观地评估柔轮疲劳寿命。首先,建立柔轮的三维模型和有限元模型,通过有限元分析及寿命计算获得确定性条件下的柔轮寿命。然后,将材料属性及载荷考虑为随机变量,采用拉丁超立方抽样方法对柔轮进行试验设计。最后,基于主动学习Kriging模型和柔轮材料P-S-N曲线,通过逐一加点的方式对柔轮进行疲劳寿命分析,获得疲劳寿命统计结果,并与确定性条件下的柔轮疲劳寿命结果进行对比。结果表明,随机不确定因素影响下柔轮疲劳寿命预测结果与确定性条件下相比有所降低,对柔轮抗疲劳设计具有一定指导意义。

基于正交试验的谐波减速器柔轮优化研究

柔轮是谐波减速器最重要的部件之一,为了优化设计其结构,以某型号谐波减速器作为研究对象,通过对柔轮结构进行参数化建模,然后基于Ansys Workbench对柔轮进行有限元分析,经过设计正交试验方案,探究了柔轮最大径向位移、筒底圆角半径、齿宽、壁厚这4个参数对柔轮最大应力的影响规律,为柔轮的结构优化提供了一定的参考。

双圆弧谐波齿轮传动柔轮齿廓参数的优化设计

"双共轭"啮合区间对提高双圆弧谐波齿轮传动扭转刚度和传动精度有重要作用,提出一种增大"双共轭"啮合区间的方法。综合利用分段函数和啮合不变矩阵建立柔轮齿廓弧长参数方程和理论啮合方程,可有效简化谐波传动理论共轭齿廓的求解过程。基于此,以缩小共轭齿廓间差异为目标建立优化目标函数,对柔轮齿廓分别以公切线倾角、公切线纵向长度和凹圆弧齿廓半径为自变量进行单参数及多参数优化设计。研究结果表明,该优化设计方法可实现柔轮齿廓参数的合理选择,保证谐波传动"双共轭"运动的精度。

谐波齿轮传动中杯形柔轮的有限元计算与分析

基于简化的柱形壳体理论的柔轮应力计算是一定程度上的近似,实际工况中柔轮的齿圈开裂问题难以克服。以谐波齿轮传动中的杯形柔轮为例,建立柔轮啮合的仿真实体模型,在啮合齿对接触边界的节点之间建立面一面接触单元,用三维弹性接触问题有限元法较全面地计算和分析了承载柔轮齿圈和筒体的应力大小及分布规律、轮齿变形及影响机理。找出了柔轮开裂在设计阶段的主要原因,预测了危险断面的位置。根据柔轮理论、利用有限元计算结果重新计算并修正了轮齿影响系数,重新校核了柔轮强度。与理论计算结果和破坏实例对比得到了更接近实际的结果,为研究柔轮问题提供了一种更精细、高效的方法。