机电集成形状记忆合金谐波传动系统研究

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本文提出一种集形状记忆合金(SMA)驱动和活齿传动于一体的机电集成形状记忆合金谐波传动系统,通过SMA丝驱动活齿传动系统实现转矩的输出。该系统将SMA丝集成到活齿传动系统中,利用SMA丝固有的驱动和传感特性、活齿传动系统的减速增矩功能,可实现低速、大转矩输出,同时具有体积小和自传感等优点,在航空航天、生物医学和微型机器人等领域具有广阔的应用前景。  本文进行了机电集成SMA谐波传动系统的结构设计,介绍了系统的工作原理;根据活齿传动理论,进行了活齿传动系统的参数设计,确定了活齿架的尺寸;根据SMA丝驱动模型,进行了SMA驱动部分的性能设计,求出了偏置弹簧的刚度。  根据活齿传动的几何模型,建立了系统输出转矩的计算公式;结合SMA丝的本构方程和导热微分方程,进行了系统的静力学分析,求解了波发生器和活齿的受力并代入转矩计算公式,得到了系统输出转矩随时间的变化规律,分析了加热电流幅值、相位差及SMA丝降温方式对系统输出转矩的影响规律。  根据赫兹理论,建立了活齿弹性接触振动的动力学微分方程;根据牛顿第二定律,建立了波发生器的运动微分方程;求解了活齿弹性接触变形引起的接触谐振频率,分析了活齿和波发生器的振动特性。研究发现:在啮合过程中,活齿发生高频衰减振动,振动噪声很小;由于SMA丝自身阻尼和粘滞阻尼的存在,波发生器的相轨迹为一朝着原点趋近的螺线。  计算了活齿与中心轮间的摩擦热流密度,得到了摩擦热流密度的分布规律;给出了中心轮的导热微分方程及导热边界条件,在ABAQUS中建立了中心轮热分析的有限元模型,得到了中心轮齿面热流密度的分布云图。研究表明:中心轮齿面的热流主要分布在齿廓曲线的拐点附近。  完成了机电集成SMA谐波传动系统样机的加工和装配,测量了加热回路的电阻值并进行了样机的原理性试验。根据实验测得的加热回路电阻值和所需加热电流值,可以调整信号发生器的输出电压值。
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