谐波减速器柔轮力学特性分析

　　谐波减速器是一种利用可控变形的柔性构件产生的变形波进行运动或动力传 递的新型传动装置，由于其具有其他传动装置所难以达到的特殊性能，因此在航 天装备和机器人领域得到越来越广泛的应用。但是，工程实践表明，谐波减速器 平均无故障工作的时间较短， 其最突出的问题是柔轮的可靠性、 使用寿命不理想， 输出端扭转刚度不足。作为谐波减速器主要构件的柔轮是一个薄壁壳体，受波发 生器和外部负载的双重作用，在循环弹性变形的状态下工作，既承受弯曲应力， 又承受扭转应力，很容易发生疲劳失效。因此，对谐波减速器的柔轮进行力学特 性方面的分析有着重要的意义。 本文以谐波减速器的柔轮为主要研究对象，完成了下列工作： ①介绍了谐波减速器的工作原理、传动特点及应用领域，对柔轮在波发生器 作用下的变形、应力和疲劳强度进行了理论计算。 ②根据课题要求，设计了一种传动比为 100 的谐波减速器，利用有限元分析 软件 ANSYS Workbench 建立了柔轮——波发生器有限元非线性接触模型，分析了 柔轮在波发生器作用下的变形规律和应力分布，结果表明柔轮齿圈与光滑筒体连 接处和光滑筒体与筒体底部过渡处为柔轮的应力危险区域。 ③分析了柔轮在不同长径比和不同壁厚参数下的变形规律和应力分布。然后 对柔轮应力危险区域进行结构参数调整和优化设计，建立了有限元非线性接触模 型，重点分析了柔轮的应力分布情况，结果表明经过对结构参数的优化设计，柔 轮应力危险区域的应力分布得到明显改善。 ④首先对两种不同结构参数的谐波减速器柔轮进行了扭转刚度有限元分析， 得到了柔轮的扭转刚度，然后设计并搭建了一套谐波减速器扭转刚度测试系统， 通过对测试数据的分析得到了它们的扭转刚度。测试结果表明经过结构参数优化 的机型一的扭转刚度比未经结构参数优化的机型二扭转刚度要高得多，同时通过 对照有限元分析的结果，两者得到的谐波减速器的扭转刚度呈现出一致性，表明 了结构参数的优化有利于提高谐波减速器的扭转刚度。 关键词：谐波减速器，柔轮，力学特性，有限元分析，扭转刚度

　　torsionalrigidity11背景12柔轮力学特性分析研究现状121柔轮变形和应力的研究现状122谐波减速器扭转刚度研究现状13本文研究对象和研究目的14本文主要研究内容21谐波减速器的工作原理22谐波减速器的特点221谐波减速器的优点222谐波减速器的缺点23谐波减速器的主要失效形式1024柔轮的变形分析1125柔轮的应力分析和疲劳强度计算1326本章小结1931非线柔轮和波发生器的结构设计20321柔轮的结构设计20322波发生器的结构设计2233柔轮波发生器有限元接触模型的建立22331坐标系的建立22332柔轮波发生器3d模型的简化及建立22333材料属性定义24334模型体分割和网格划分24重庆大学硕士学位论文vi335柔轮波发生器边界条件的设定2634柔轮的变形和应力分析26341柔轮的变形分析26342柔轮的应力分析2835本章小结3341不同长径比柔轮的变形规律和应力分布33411柔轮最大变形量和最大等效应力与长径比的关系33412不同长径比柔轮的变形规律35413不同长径比柔轮的应力分布4042不同壁厚柔轮的变形规律和应力分布43421柔轮最大变形与壁厚的关系43422柔轮最大等效应力与壁厚的关系44423不同壁厚柔轮的应力分布4443齿圈圆角半径r1对柔轮等效应力的影响46431柔轮齿圈与光滑筒体过渡处结构调整46432不同齿圈圆角半径柔轮的最大等效应力47433不同齿圈圆角半径柔轮的应力分布4744柔轮光滑筒体与筒体底部过渡处结构优化设计50441结构参数的优化50442经结构参数优化后的柔轮等效应力分析5145本章小结5551柔轮扭转刚度有限元分析55511扭转刚度定义55512柔轮扭转变形有限元模型的建立55513柔轮扭转变形有限元分析5552测试系统及测试方法5653扭转刚度测试过程5754测试数据分析5755本章小结6361结论6362展望65参考文献71重庆大学硕士学位论文viii11背景本课题来源于国家高技术研究发展计划863计划项目机器人高可靠精密谐波减速器系列产品开发及产业化项目编号2015aa043xxx