Investigation of temperature effect on stress of flexspline

The effect of temperature loading on the stress of a flexspline is investigated. Based on the geometric and mechanical characteristics of the harmonic gear flexspline, a circular thin shell model is presented in this paper. The theoretical solution for the flexspline under different displacement loads and different temperature fields is derived. Meanwhile, an impact factor formula, which reflects the effect of the temperatures of the inner and outer surfaces of the flexspline on the stress of the flexspline, is presented. Finally, numerical calculations by the finite element method （FEM） are adopted to verify the corresponding conclusions.

HEAT-SPINNING TECHNOLOGY OF HARMONIC GEAR-CLOSED FLEXSPLINE

Based on the experiments,heatspinning forming technology of the closed flexspline is studied and forming area and the laws of variations under the different technological parameters are gained.The semifinished flexspline products which can meet the quality demands have been successfully applied by matching the optimum technological parameters in the forming area.The research results create the conditions for spreading and applying the harmonic drive.

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。

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。

谐波减速器服役过程中柔轮断裂失效原因分析与工艺改进

通过显微组织的观察分析、断口形貌的观察和硬度测定,分析造成柔轮疲劳断裂失效的原因。结果表明,失效柔轮的显微组织为回火屈氏体,柔轮上存在较严重的3级带状组织。虽然存在MnS和Al2O3夹杂物引起的4.42μm微孔,但由于其尺寸和数量较小,不是导致其断裂的主要原因。样品的晶粒整体上较粗大,断口裂纹处晶粒更粗大且更不均匀,断口裂纹处的晶粒尺寸是远离断口晶粒的1.4倍。晶粒粗大使晶界面积减小,导致塑性变形不均匀,易产生应力集中,从而产生初生裂纹,同时也不利于阻碍裂纹的扩展,导致样品发生断裂失效。因此,原奥氏体晶粒粗大是导致柔轮疲劳断裂主要原因。可通过循环热处理或增加正火预处理,达到细化晶粒的作用。

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。

基于正交试验的杯形柔轮结构优化设计

文中针对柔轮结构设计中寿命与承载能力差、易失效等问题,首先对柔轮进行参数化建模,然后基于有限元分析软件对在波发生器装配下的柔轮进行静力学分析,以柔轮长度、壁厚、齿宽以及筒体圆角半径作为变量,柔轮最大等效应力作为优化目标设计正交试验,并通过极差分析对所选取的结构参数进行重新组合以达到结构优化目标。结果表明,通过正交试验得出各参数对空载状态下柔轮最大等效应力的影响程度为柔轮长度>齿宽>壁厚>筒底圆角半径,极差分析后对结构参数进行组合并进行建模仿真,使柔轮最大等效应力减小了32.43%,为柔轮的结构优化提供参考。

谐波齿轮传动中柔轮应力的有限元分析

建立了谐波齿轮传动中杯形柔轮与波发生器接触分析的有限元模型,对常用的滚轮、凸轮及圆盘式波发生器作用下柔轮空载时的应力进行了计算分析,得到了柔轮壳体的应力分布状况。研究表明:柔轮壳体上的最大应力出现在齿圈与波发生器的接触部位,齿圈上沿圆周方向的应力呈对称分布,在长轴和短轴处较大,在两者中部较小;沿齿圈宽度上柔轮的应力分布状况在双滚轮和四滚轮下相近,最大应力位于齿圈后端;双圆盘和凸轮下应力分布相近,最大值位于齿圈前端;在同样大的变形下,采用圆盘波发生器时柔轮上具有较小的应力。

基于挠性构件变形的谐波齿轮装配模型

依据柔轮装配前后的变形关系和中性层曲线不伸长条件,提出采用等分弧长分布算法来确定装配状态柔轮中性层曲线上轮齿位置及其轮齿对称线的转角,给出了装配状态柔轮的三维模型参数化生成方法。通过与传统等效圆环变形理论的近似算法和精确算法的比较表明,等分弧长分布算法与精确算法的结果非常贴近。在此基础上建立了基于挠性构件装配变形的谐波齿轮装配模型,可直观显示轮齿间的啮合情况和侧隙分布。模型应用实例验证了所提方法的有效性。

谐波齿轮传动中基于柔轮装配变形的共轭精确算法

提出一种基于柔轮弹性变形的包络精确算法,精确计算切向位移引起的转角和齿廓对称线相对于径矢的转角。利用迭代法计算变形后啮合端齿廓共轭位置;根据柔轮中性层曲线不伸长条件确定输出端转角。通过算例对常见的五种波发生器作用下的轮齿的共轭区间和共轭齿廓进行比较计算,验证了算法的有效性和正确性,并给出了近似算法引起的偏差。总体来看,近似算法对共轭区间影响较大,对形成的共轭齿廓影响较小。

谐波齿轮中柔轮中性层的伸缩变形规律

在波发生器作用下,柔轮的中性层变形是谐波齿轮啮合分析的基础。柔轮变形分析基于小变形和中性层不伸长假定,但几何分析计算表明:柔轮的中性层出现伸长变形。为了真实揭示柔轮在双圆盘波发生器作用下的变形特征,提出基于强制几何约束条件和力平衡方程及连续性条件的柔轮中性层变形和内力计算方法。将波发生器作用下圆环受力分为接触区和非接触区,接触区由波发生器的强制位移条件确定柔轮中性层内力和变形;非接触区的变形和内力根据弯曲微分方程及其边界条件、连续性条件来确定。利用胡克定律,基于齿圈的周向力获得柔轮中性层周向应变和伸长变形。建立壳单元的柔轮有限元模型,实例表明理论解与有限元模型结果吻合良好,验证了柔轮中性层伸缩变形计算方法的正确性。获得的双圆盘波发生器作用下柔轮中性层变形及其周向应变分布,为后续的啮合分析、共轭齿廓设计及其侧隙计算提供了更准确的理论基础。

谐波齿轮传动柔轮有限元力学分析及结构参数改进

谐波齿轮传动的主要失效形式是柔轮的疲劳断裂,谐波齿轮传动柔轮的强度问题一直是谐波齿轮设计者的一个课题。本文在分析现有的柔轮强度研究方法的基础上,提出了基于接触问题的有限元法,建立数值模型并进行分析,其分析结果与已有的分析结果相符。在此基础上,结合理论分析改变柔轮的结构参数,采用基于接触边界的有限元分析法,得到一组使得柔轮质量轻、强度高的结构参数。

基于响应面的柔轮应力和刚度分析

针对柔轮的小体积、高刚度、高寿命的设计要求,在理论上建立弹性齿圈受力模型,探究设计时结构间的尺寸搭配与补偿方法.基于响应面法和中心复合设计(CCD)采样方法,在ANSYS Workbench中进行参数化建模和有限元分析,得出应力和刚度对结构参数的响应曲面(线),分析各结构参数对应力和刚度的影响规律.分析结果表明,在柔轮的小体积设计中,可以减小径向变形量以抵消半径减小时增加的应力,减小壁厚以抵消筒长减小时内壁产生的应力.柔轮的小体积设计会使承载能力减弱,加剧齿圈后端的应力集中和疲劳破坏.应在保证啮合状态和承载能力的情况下,增大厚径比,减小径向变形量,以减轻齿圈后端的应力集中现象.通过响应面法得出关于柔轮应力和刚度的回归曲线,可以用于设计时获取最优值.

具有啮合齿面接触对的谐波传动有限元模型建立与分析

现有谐波传动有限元分析模型过于简化,与实际情况差别较大,为此,在ANSYS中建立带有整圈轮齿的刚轮和柔轮模型,利用其接触分析要素在啮合齿面间定义面-面接触对,使得各对轮齿在啮合时产生作用力,从而提出了一种与实际较接近的谐波传动有限元模型建模方法;以50机型为例,用该方法得到了负载作用下柔轮的等效应力、变形、各啮合齿面接触应力以及与实际接近的啮合齿对数百分比。最后与现有建模方法进行了对比分析,该方法能更准确地反映柔轮工作时应力分布情况。

谐波减速器柔轮的疲劳寿命分析

以B1-50-80型谐波减速器为研究对象,提出了以瞬态分析结果为基础的柔轮疲劳寿命分析模型,对柔轮进行了疲劳寿命分析。分析结果表明,柔轮轮齿的齿端部和齿根部是最初产生疲劳损伤的部位;疲劳损伤出现的位置是沿柔轮的轴线由轮齿内侧向杯底延伸;柔轮杯口内壁与波发生器接触处是损伤最为严重的部位。研究结果对提高柔轮的使用寿命具有参考价值。

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。

谐波齿轮传动啮合刚度的研究

首先推导出柔轮单齿刚度系数的计算公式并估算了谐波齿轮传动的啮合刚度；其次对啮合刚度在传动系统总刚度中所占比重进行了计算分析；最后提出提高谐波齿轮传动系统总刚度的技术途径。

基于ANSYS的谐波减速器杯型柔轮应力分析与参数优化

谐波齿轮的主要失效形式是柔轮的破坏,所以对柔轮的强度研究是谐波齿轮传动的重要课题。本文通过对柔轮应力的理论分析,得出柔轮厚径比和筒体长度是柔轮强度的主要影响因数。进而结合实例在Pro/E中建立包含轮齿的柔轮的精确三维实体模型,导入到ANSYS中进行应力分析,得到柔轮厚径比和筒体长度对柔轮应力的影响规律,然后在此基础上对柔轮的参数进行了改进。最后利用Matlab按最小二乘原理对得到的试验数据进行曲线拟合,证明了理论计算的正确性。

超短筒杯形和礼帽形谐波齿轮柔轮筒底应力的几何参数敏感性分析

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。