本课题来自国家高技术研究发展计划(863计划),机器人高可靠精密谐波减速器系列产品开发及产业化(2015AA043001)。谐波传动因其精度高、体积小、传动比大等独特的优点,被广泛应用于机器人、飞行器、雷达、医疗器械等高精密传动领域。为了改善谐波传动装置啮合特性与疲劳强度,本文围绕多参数多目标优化、空间齿廓修形、柔轮应力等关键问题,开展了以无公切线式的双圆弧齿廓为研究对象,以精确转角关系的谐波传动弹性共轭理论为设计基础,以参数优化和齿廓修形为研究重点,以共轭区间与“双共轭”程度及柔轮应力为评价指标,以MATLAB参数化仿真与有限元法为手段的一系列研究工作。(1)阐述了谐波传动平面齿廓的设计理论。谐波平面齿廓设计的基本流程有四个步骤。首先,掌握谐波传动的组成、工作原理及传动比计算;然后,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与精确转角关系,建立谐波传动几何关系模型;其次,根据包络法与运动学法,推导谐波传动啮合理论;最后,提出无公切线双圆弧齿廓,带入啮合理论求解共轭齿廓,并进行圆弧拟合。(2)在谐波传动啮合理论的基础上,分析共轭区间与共轭齿廓,证明了采用无公切线双圆弧齿廓的合理性。以啮合参数为设计变量,以齿廓空载连续啮合与“双共轭”程度为目标函数,建立多参数多目标的谐波传动优化模型,进行单参数分析与多目标优化,得到函数最优解,结果表明:该优化方法能有效提高谐波齿轮啮合特性,使得齿间侧隙小而均匀。(3)提出了双圆弧柔轮齿廓修形原理,对比不同修形方案,确定了无需二次加工的中间高、两端低的柔轮空间齿形;结合有限元法计算的柔轮径向位移,揭示了凸轮径向变形量与柔轮齿廓修形量的关系,研究发现:在修形后柔轮与刚轮在任意截面均无齿廓干涉,并保证了最大啮合深度,显著提高了柔轮承载能力。(4)为探究齿廓参数对柔轮应力的影响规律,将谐波齿轮的装配、加载状态分解为三个分析步,建立了基于多齿非线性弹性接触有限元法的齿廓参数与柔轮应力的响应面模型,结果表明:刚轮对只装配波发生器的柔轮变形产生约束作用,从而导致柔轮应力急剧升高;由于谐波齿轮传动是属于多齿啮合传动,啮合区间较大,当载荷分布到多个接触齿对时,每个齿对承受的载荷较小,因此载荷对柔轮变形和应力影响较小;根据模型分析单因素对柔轮应力的影响,能有效的指导柔轮齿廓参数的合理性选择。