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.

定子槽结构的永磁同步电机振动噪声优化

为改善永磁同步电机一阶齿谐波引起的振动噪声,基于ANSYS Workbench多物理场耦合平台,对电机电磁噪声进行联合仿真,优化电机振动噪声.分析一阶齿谐波引起的振动噪声所在的空间与时间阶次,通过对定子结构优化的方式降低电机的振动噪声.分析定子槽的各种参数对电机气隙磁通密度的影响,并通过回归分析的方式得到其对电机气隙磁密的回归模型,利用优化算法找到最适合定子槽参数.经仿真分析表明优化后的电机气隙磁密得到明显改善,0空间阶次由12倍电磁频率引起的48时间阶次的电磁噪声得到显著降低,证明优化方案的可靠性.

异步电机本体电磁噪声分析与降噪措施研究

为了降低异步电机本体电磁噪声,文章分析了电机电磁噪声的产生机理,基于电机本体电磁噪声主要影响因素,提出了具体的理论降噪措施。试验结果表明,远槽配合增加电磁力波阶次及降低气隙磁通密度,在一定程度上可有效降低电机本体电磁噪声。

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.

双参变量下单级齿轮系统动态特性界域结构分析

为了研究含间隙齿轮系统幅值跳跃与齿面冲击的关联关系,用谐波平衡法建立了单级齿轮系统动力学方程组,用Broyden秩2拟牛顿法和拟弧长延续算法求解获得了系统幅频特性的参数界域结构。分析齿侧间隙、静态综合误差、时变啮合刚度、阻尼和频率等参数界域结构中的多值解/齿面冲击特性,探索了参数对系统幅值跳跃、多值解和啮合冲击特性的影响。结果表明,系统的幅值跳跃响应出现在共振频率附近,受齿侧间隙的影响在无间隙的轴承支承处也出现了非线性跳跃;当间隙b>1.55时,间隙对系统多值解/齿面冲击特性不敏感;系统的多值解/齿面冲击特性随时变啮合刚度和静态综合误差的增加而加剧;阻尼能有效抑制系统幅值跳跃和齿面冲击特性,当阻尼ξ>0.3时系统表现出线性特征。

谐波分析在轴齿盘环零件质量控制中的应用

为了分析乘用车手动变速器挂挡困难的原因,对两款售后退返的手动变速器主从动齿轮同步器摩擦锥面进行谐波分析,发现其同步器摩擦锥面高阶次谐波幅值异常,与用户手感吻合。在制造过程中必须控制主从动齿轮零件同步器摩擦锥面谐波幅值。通过多次台架试验总结出手动变速器主从动齿轮零件同步器摩擦锥面各阶次谐波幅值符合范围,加入监控计划用于控制制造过程质量,之后再无类似用户质量问题发生。

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。

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误差分析及滚刀设计

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供重要参考。

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。

装配误差对双圆弧谐波齿轮应力的影响

由于谐波传动中刚轮、柔轮与波发生器装配时存在装配误差,可能会引起刚轮与柔轮齿廓干涉,从而影响柔轮齿面与齿根应力,以无公切线双圆弧谐波齿轮为研究对象,基于改进运动学法设计齿形,针对各种装配误差设计实验,并通过ABAQUS建立有限元装配模型进行计算,研究装配误差对柔轮应力的影响规律。结果表明,长轴方向刚柔轮中心距误差与凸轮径向安装误差对柔轮齿上应力影响最大,短轴方向刚柔轮中心距误差与凸轮径向安装误差次之,凸轮轴向安装误差影响最小;短轴方向刚柔轮中心距误差与长轴方向凸轮径向误差对柔轮杯底应力有较小影响;其余因素对杯底应力的影响极小。为谐波减速器的误差控制与补偿提供一定参考。

基于能量函数的风力发电机空载电压动态控制方法

针对风力发电机空载电压动态控制过程中,控制律未能达到最优,导致空载电压不稳定、控制精度较差的问题,提出基于能量函数的风力发电机空载电压动态控制方法 .在发电机拓扑结构下,采用开关函数结合基尔霍夫电压定律,建立基于三相静止坐标系的风力发电机数学模型,获取风力发电机的运行状态;凭借傅里叶频谱分析发电机空载运行时的电压,得到高次谐波中齿谐波的正弦性畸变率与电话谐波因数;通过构建空载电压动态控制模型,获取初始控制律,在控制律的约束条件下,建立能量函数,以此优化初始控制律,设计出更适用于风力发电机空载电压的动态控制律.实验结果表明:所提方法能够平稳且有效地持续动态控制风力发电机的空载电压,使电压波形无限接近正弦波形,令发电机始终位于理想的运行状态,并且风力发电机空载电压动态控制精度较高,具备投入应用的可行性条件.

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研究

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ANSYS的咬纸牙机构有限元分析

印刷过程中,压印滚筒咬纸牙的变形以及振动都会影响到印品质量。为了探究压印滚筒咬纸牙的变形以及振动对印刷质量的影响,以压印滚筒咬纸牙为研究对象,咬纸牙尺寸与实际相符,运用SolidWorks对咬纸牙进行三维模型绘制,并导入ANSYS Workbench中进行有限元静力学分析,得出咬纸牙片形变量为0.019mm,形变量较小、满足实际需要。并对咬纸牙进行模态分析,可以得出咬纸牙的固有频率、振型,再对其进行谐响应分析,得到振幅与频率的关系,发现固有频率5750Hz对咬纸牙影响较大,容易引起共振现象,为后续咬纸牙机构的优化提供了理论依据。

双圆弧谐波齿轮齿形参数化设计仿真与验证

谐波减速器的应用领域对产品性能的要求日益提高,尤其是机器人行业,要求谐波减速器具备高寿命、高精度、高转矩容量等。传统的渐开线齿形由于同时啮合齿对数较少,传动能力有限,难以达到使用要求。而双圆弧谐波齿形能满足上述要求。但目前国产谐波减速器主要还是以渐开线齿形为主,对双圆弧谐波齿形的设计原理基本没有掌握。首先介绍了谐波减速器的研究概况,然后讲述了双圆弧谐波减速器齿轮传动的基本原理和双圆弧齿形计算机辅助设计软件的开发,提出了几种齿形设计中如何提高啮合精度的方法和基于复杂柔轮有限元变形分析的中性曲线的三次样条模型。通过理论计算模型开发出了双圆弧谐波齿轮计算机辅助设计软件,极大地提升了设计开发效率,降低了开发成本。通过有限元分析模拟了柔轮的真实变形,有限元模拟出的柔轮变形齿廓能与刚轮齿廓精确啮合,与理论计算出的刚柔轮齿廓能精确啮合达成一致,证明理论模型计算出的双圆弧齿廓是准确无误的。

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。

活齿端面谐波齿轮的传动原理与传动比

首次提出了一种活齿端面谐波齿轮传动装置 ,介绍了这种新型谐波齿轮传动装置的传动原理和传动比的计算方法。活齿端面谐波齿轮传动综合利用了现有的谐波齿轮传动和活齿传动的优点 ,能够克服现有的谐波齿轮传动中柔轮的变形与其承载能力之间的矛盾 ,并能增加同时啮合的齿数 ,加大齿轮的模数 ,从而可以在保留现有谐波齿轮传动所有优点的基础上 ,使其所传递的功率增加数十倍 ,因此具有广泛的应用前景。

同步发电机空载电压波形的齿磁通计算

为了快速准确计算谐波励磁同步发电机和普通同步发电机的空载谐波电压,提出一种齿磁通法计算谐波电压。利用有限元法,仅计算转子在一个齿距内移动时不同位置处的定子各个齿的磁通,通过绕组与齿的关联关系得到定子绕组感应电动势。该方法考虑了磁路、凸极效应、饱和、绕组布置、齿槽效应以及斜槽的影响。谐波励磁同步发电机上的实验结果与计算结果的比较说明了方法的正确性。该方法计算准确,计算量小,计算速度快。

谐波齿轮传动共轭齿廓的计算机数值模拟研究

该文根据包络理论 ,建立了谐波齿轮传动共轭齿廓分析的通用数学模型。在已知柔轮齿廓的条件下 ,求得刚轮共轭齿廓的离散点 ,应用最小二乘法拟合刚轮的工作齿廓 ,并设计了啮合区段干涉检验法用于校验齿廓的重叠干涉 ,最后对所求的刚轮、柔轮工作齿廓进行计算机数值模拟与运动学仿真 ,以验证所求工作齿廓的合理性 。