【摘 要】
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谐波齿轮传动是一种新型传动形式,相比于传统刚性齿轮传动,该传动形式具有体积小,质量轻,传动比大,传动精度高以及传动平稳等优点,在航空航天、医疗器械、机器人等高精密传动领域应用广泛。由于在谐波传动中存在单个零件的制造误差与零部件间的装配误差,其对系统的力学性能与啮合性能影响较复杂,因此,研究谐波传动的制造误差、装配误差对谐波传动啮合特性与柔轮应力的影响规律具有重要的意义。本文以无公切线双圆弧齿廓谐波
【基金项目】
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国家高技术研究发展计划(2015AA043001); 重庆市重点产业共性关键技术创新专项重大研发项目(cstc2017zdcy-zdzxX0001);
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谐波齿轮传动是一种新型传动形式,相比于传统刚性齿轮传动,该传动形式具有体积小,质量轻,传动比大,传动精度高以及传动平稳等优点,在航空航天、医疗器械、机器人等高精密传动领域应用广泛。由于在谐波传动中存在单个零件的制造误差与零部件间的装配误差,其对系统的力学性能与啮合性能影响较复杂,因此,研究谐波传动的制造误差、装配误差对谐波传动啮合特性与柔轮应力的影响规律具有重要的意义。本文以无公切线双圆弧齿廓谐波减速器为研究对象,综合考虑谐波传动的各误差因素,以谐波平面齿廓设计方法为理论基础,以柔轮应力、变形与齿间侧隙大小为评价指标,建立基于制造与装配误差的谐波减速器模型,采用MATLAB参数化与ABAQUS有限元法为主要手段开展研究。(1)阐述了谐波传动平面齿廓设计方法。介绍了谐波传动的组成、工作原理及传动比计算;在假设条件的基础上定义谐波传动坐标系,结合柔轮中性层曲线变形方程与精确转角关系,建立谐波传动几何关系模型;根据改进运动学法推导谐波传动啮合理论公式并求解共轭齿廓,进行圆弧拟合。(2)建立谐波减速器多齿有限元模型并分析了应力与变形特性。基于平面齿廓的设计方法,设计了无公切线双圆弧齿廓,并进行修型与干涉校验。然后根据给定型号谐波减速器,进行结构参数选择与设计,同时综合分析了柔轮各个方向上的应力分布和变形情况,验证了带齿谐波齿轮模型结构参数设计与选择的正确性与合理性。(3)为探究各制造误差对谐波传动的啮合特性与柔轮应力的影响规律,建立了基于多齿非线性弹性接触有限元法的柔轮应力响应面模型。结果表明:1)在刚轮与凸轮的共同作用下,柔轮上最大应力出现在柔轮齿面啮入区位置处;2)凸轮长半轴偏差对柔轮齿上应力敏感度最大,柔轮M值偏差、刚轮M值偏差次之,凸轮短半轴偏差敏感度最小;3)柔轮M值偏差与凸轮长半轴偏差对齿间侧隙影响较大;刚轮M值偏差与凸轮短半轴偏差影响较小;4)针对在制造加工时可能出现的刚轮与柔轮齿廓不同偏差情况提出4种误差补偿方案以改善啮合情况并提高精度保持性。(4)分别建立各装配误差下的有限元柔轮应力模型以探究各种装配误差对谐波传动啮合特性与柔轮应力的影响规律。结果显示,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几乎没有影响。刚柔轮中心距误差与凸轮径向安装误差对齿间啮合侧隙与齿廓干涉有较大的影响,凸轮轴向安装误差影响很小。同时得出满足良好应力要求与侧隙要求的合理装配误差范围,该结果为后续谐波减速器误差补偿、应力与侧隙的控制优化建立基础。
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