毕业设计--谐波齿轮减速器设计及性能仿真

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XXX

毕业设计(论文)

谐波齿轮减速器设计及性能仿真

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I

XXX学位论文原创性声明

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论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日

II

摘 要

谐波传动是一个相对较新类型的传输。新的运动转换原理，新的啮合特性，但柔性部件的发展有这样的传输原因需要专门的理论。与一般的齿轮传动比，体积小，重量轻，精度高，低噪音等相比。由于谐波传动柔轮的存在可以产生变形控制波动，从而使啮合原理，算术几何，强度计算，结构设计，与传统的刚性构件面向实质上是一个很大的区别。

关键词: 谐波、有限元、三维、减速机

III

Abstract

Harmonic drive is a relatively new type of transmission.Since the invention of the harmonic drive has experienced several decades.New sports transformation principle, a new meshing feature, a flexural member is the development of the cause of the transmission need special theory.It compared with the general gear transmission, large transmission ratio, small volume, light weight, high precision, low noise, etc.Because there exist in harmonic gear drive can cause a controllable wave deformation of soft round, so that the meshing theory of arithmetic, geometry, strength calculation, structure design, with the traditional rigid gear transmission components in nature are very different

Keywords: Harmonic, finite element, 3 d, reducer

全套图纸 外文翻译

扣扣: 1411494633

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目录

摘 要 ........................................................................................................................................ 3

Abstract....................................................................................................................................... 3

第1章 绪论 .............................................................................................................................. 7

1.1论文概述 ...................................................................................................................... 7

1.2 谐波减速机国内外发展现状 ..................................................................................... 7

1.3本文研究内容 .............................................................................................................. 9

1.4本文研究意义 .............................................................................................................. 9

第2章 谐波减速机方案设计 .................................................................................................. 9

2.1谐波减速机组成 .......................................................................................................... 9

2.2谐波减速机分类 .......................................................................................................... 9

2.3谐波减速机传动方案 ................................................................................................ 11

2.4本章小结 .................................................................................................................... 12

第3章 谐波减速机设计 ........................................................................................................ 13

3.1 传动装置总体设计 .................................................................................................. 13

3.1.1传动方案的确定 ............................................................................................. 13

3.1.2刚轮柔轮齿数模数确定 ................................................................................. 13

3.2 谐波齿轮传动的主要参数确定 .............................................................................. 13

3.2.1主要啮合参数的选择 ..................................................................................... 13

3.2.2柔轮刚轮的几何尺寸计算 ............................................................................. 14

3.2.3 保证传动正常工作的条件 ............................................................................ 16

3.3 主要零件的材料和结构 .......................................................................................... 16

3.3.1柔轮材料 ......................................................................................................... 16

3.3.2刚轮材料 ......................................................................................................... 17

3.3.3波发生器材料 ................................................................................................. 17

3.3.4柔轮结构设计 ................................................................................................. 17

3.3.5刚轮结构设计 ................................................................................................. 19

3.4 承载能力计算 .................................................................................................. 20

5

3.5 传动效率的计算 ...................................................................................................... 23

3.6本章小结 ................................................................................................................... 23

第4章 谐波减速机三维建模 ................................................................................................ 24

4.1 Solidworks三维建模技术 ......................................................................................... 24

4.2谐波减速机三维建模 ................................................................................................ 24

4.3谐波减速机装配 ........................................................................................................ 31

4.4 本章小结 ................................................................................................................... 34

第5章 谐波齿轮减速器ADAMS仿真 ................................................................................ 35

5.1虚拟样机技术 ............................................................................................................ 35

5.2 ADAMS软件概述 ..................................................................................................... 35

5.3 谐波齿轮减速器前处理 ........................................................................................... 36

5.4 谐波齿轮减速器运动仿真 ....................................................................................... 40

5.5 本章小结 ................................................................................................................... 42 总结 43

致谢 .......................................................................................................................................... 44

参考文献 .................................................................................................................................. 45

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第1章 绪论

1.1论文概述

传动原理与普通谐波传动齿轮是相异的，它是利用柔性齿轮的受控弹性变形。因为波发生器由齿轮的变形所产生的弹性力的作用是大致对称的谐波，使机械传动装置是一个谐波驱动。

1.2 谐波减速机国内外发展现状

谐波传动国内形势的发展趋势：自1961年以来的开发工作，中国的谐波传动，而且在研究，试验和使用取得了巨大成就。到目前为止，中国有几十家从事科研工作在这一领域的单位，并已开发多种类型的谐波齿轮手段。精度谐波传动装置，例如一个传输误差小于9“，回报是小于4”，属于45分贝小谐波齿轮传动用于水下探测器极光谐波齿轮，以及用于发射导弹和雷达的高灵敏度噪声发送功率谐波谐波传动齿轮我们的研究和开发工作奠定了坚实的基础。

北京是一个重要的生产基地，为中国的谐波传动由北京科美谐波传动技术有限公司所有，该公司主要生产谐波传动北京理工大学和科技实业公司北京天阶，由谐波传动产品的单位表示。国内谐波传动公司已经在国防工业及各种机械产品在民用领域的产品，部分产品已出口国外，固体润滑谐波传动和短杯谐波传动产品已研制成功。

2006年以来，北京工商大学的谐波传动齿轮的基本知识产权，谐波齿轮刀具和双圆弧谐波传动开发的双圆弧齿廓的椭圆形波发生器凸轮的基础上。通过有限元分析结果表明，双圆弧轮廓有效地降低应力软齿根。比较试验表明，双圆弧谐波变频器刚度和运动精度显著优于渐开线谐波驱动，特别是在低负荷段，传动刚度增加了40％。

现状与发展谐波传动海外动向： 1964年，日本的长谷川齿轮公司的实际谐波传动减速器; 1970年，长谷河USM公司的合资公司在日本东京的谐波Oy公司公司（谐波驱动系统公司）。根据协议，该公司收到的谐波谐波传动机构的商业利益，从长谷川公司。

7

1976年9月，该公司的资金下降至100万日元，USM的谐波传动公司成为全资子公司。 1984年12月，为了扩大市场，公司成立于台湾和韩国谐波Oy公司代理销售。 1987年，美国以扩大其市场，创造高清晰度系统的子公司，而三井物产有限公司签订在韩国经销协议。 1988年，他开始生产谐波传动减速器有一个新开发的IH牙齿。在1989年，它创造了一个全资子公司，“新”和谐Oy公司公司的商业利益的转移。上一页谐波Oy公司公司被接管康登电子。 1990年，该公司转向从日本长野松本穗高工厂设于1996年，这家德国公司谐波传动ANTRIEBSTECHNIK（现谐波传动公司）生产基地签订了欧洲，中东，非洲，印度的独家分销协议，并在产品销售拉丁美洲，同年十二月签署的许可和技术支持协议。

1998年，该公司进入谐波Oy公司证券场外交易市场交易商，日本社会;在1999年，创立了HD流和谐波的精度，和其他子公司。 2002年，该公司的流通股收购的谐波传动的25％; 2004年12月，进入JASDAQ股票市场; 2005年，在美国创造了谐波传动有限责任公司，这是一个谐波传动HD系统纳博特斯克技术合资公司。

谐波传动公司--Micromotion设立子公司专门从事直接LIG工艺开发微谐波传动与制造（图3），并在微谐波传动领域的传输方案，向市场推出2005年“P “式齿轮，显影MHD8和MHD10两个系列的产品，为8毫米，行星波发生器，160,500和1000的最小直径，最低质量2.2克的变速比，可重复性高达10弧秒。

传统工艺可以加工齿轮最小模时60〜100m时，以及使用该LIGA工艺因此微谐波齿轮传动组件。 LIGA工艺可以是高纵横比的微结构，它起源于20世纪80年代在德国卡尔斯鲁厄核研究中心，这是微机电系统（MEMS）处理的一个重要过程。谐波传动聚合物，专门从事热塑性开发和制造的规模化生产高精度谐波传动减速比的子公司，该公司负责Ovalo大批量，定制开发或谐波传动，工业产品的子公司的生产和应用。谐波传动也英国，法国，意大利，澳大利亚和西班牙，以创建一个额外的五家子公司，以加强国际销售和本地化服务。

自2000年以来，日本屑屑Oy公司投资研究相关的商标，根据公司（谐波驱动系统公司），2007年财报，减缓以及15个十亿日元，占公司产品的75.7％，机销售;该公司已经开发55研发人员，占14.9％，工作人员的比例;研发费用1.185 one十亿日元，占净销售额的6.2％。

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日本谐波Oy公司，通过深化规模的研究和开发，运营和资本运作，促进新产品和升级发展。而国外，主要集中在日本，相比于国内同行业，小规模谐波传动和产品品种，缺乏研发人才，并投资在加强知识产权保护，加快新产品开发，产品升级和管理，在日本开发，谐波Oy公司公司可以作为一个有用的参考。

1.3本文研究内容

（1）调研国内外谐波减速机工作原理以及发展现状，。

（2）根据调研结果，针对当前比较流行的谐波减速机进行分析比较，综合各个结构的特点，设计谐波减速机的构型方案。

（3）根据设计方案，对轴承、电动机、减速机、轴承座、连接轴、进行选型计算，并进行应力校核。

（4）根据设计方案，采用三维软件solidworks软件对谐波减速机进行三维建模。

1.4本文研究意义

虽然有一些基本的和规模，创造中国机械工业，以满足经济需求和人民生活的，因为最初，是一个重要的发展，五十年。然而，科学技术在发达国家的世界里，在技术水平和中国机械工业产能的迅速发展显著的差距。因此，为了改造传统产业我们的新技术，新的高科技产品的开发，以及机械行业的重点关注和改革，它已成为所有传统产业。机电一体化是机械，电子，计算机，机械和电子技术相结合的自动化控制技术。这就是，为了获得视图最佳整体来看，是技术从系统或该系统的产物。近年来，世界上的制造技术，生产系统，柔性的发展，发达国家为了提高智能水平，将竞争的机电一体化技术的发展。机电一体化，传统的机械行业，生产和管理体制发生了重大变化，使产业结构，它带来了惊人的，革命性的变化所带来的好处。

9

第2章 谐波减速机方案设计

2.1谐波减速机组成

谐波齿轮机构通常由波发生器H，柔轮g和刚性轮b（使用具有刚性类似的符号表示行星齿轮机构）的三个基本部分组成。如下图所示：

图2.1 谐波减速机组成

在谐波驱动，所述波发生器的转动H，在某些点上柔轮的变形循环的数目，称为柔轮的扭曲波数，用符号Ù表示;该变形波数微克应该是灵活的车轮和刚性轮B在同一时间，以确定各区域接合的数目。然而，由于柔轮克材料允许的极限应力，通常大多采用双波（U = 2）和三波（U = 3）驱动器;目前，广泛使用的仍是双波（U = 2）传输。和刚轮B和G的圆形软齿差通常应视为波数柔轮摹U型的变形，即Z-Z = U;或者，在写入的情况下考虑ü的倍数。

变形波数u柔轮和齿数Z = ZZ刚性轮b和g柔轮数糟糕的选择应判断病情的强度和柔软的轮子大小的传动比。用于传输比i> 80刚刚制成柔轮克，使用失真波数u = 2和齿数Z的数量=︱ZZ︱= 2是比较合理的区别。用于传输比i> 120，当齿数Z的数量之间的差=︱ZZ︱= 3，然后使用灵活轮变形波数u = 3。

当变形波数u = 2，且齿数Z = ZZ = 0（零齿差）的数目之间的差，啮合该零差速齿轮的齿轮啮合是完全可以实现的。这成为柔轮3G连接和输出刚轮b啮合方式。

2.2谐波减速机分类

a. 单波传动 其齿差为1。由于在谐波传动的不平衡，其中柔轮变形不对称和啮

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合力，因此远不如谐波传动国内外单一的应用程序。

b. 双波传动 其齿差为2时，表面应力的弹性变形量小，容易获得大的传动比，结构相对简单，传动效率高的谐波驱动柔轮特征被产生。因此，双波传输应该更广泛。

c. 三波传动 其齿差为3的谐波驱动的特征在于，径向力小，具有良好的性能内力的平衡比较;偏心误差越小。但应力柔轮是大的，在相同的速度下，柔轮的传输进行的许多次的反复弯曲，从而影响疲劳寿命。此外，它的结构是更复杂的。所以平时一般不用三谐波传动。

关于波发生器的配置，您可以灵活拆分样条

A.内部波发生器谐波传动空间来安装生产，径向尺寸小，结构紧凑，可以很容易地充分利用。因此，最典型的是用谐波传动波发生器。

B.你有驱动惯性外齿轮谐波发生器乙时刻结构的大外形大。因此，它并不适用于高速传输。因此，仅使用了谐波传动齿轮比波发生器等，是个别的情况下，或仅应用到谐波驱动螺杆。

按轮齿的啮合类型可分为

a. 径向啮合式谐波齿轮传动 其特点是：啮合齿轮副的轮齿是沿着圆柱形柔轮和刚轮的母线方向分布，即其轮齿方向与传动的回转轴线相平行，因此，该谐波传动属于平面啮合的齿轮机构。

b. 端面啮合式谐波齿轮传动 其特点是：所述齿的柔轮周端面与柔性薄盘，刚轮与齿盘的端面，并与波状波发生器通常滚动元件盘，所述波发生器，柔轮的作用，迫使齿刚轮啮合。因此，谐波传动齿轮机构空间属于。

根据传动级数来分类

a. 单级谐波齿轮传动 谐波齿轮传动仅通过柔性轮和刚性轮由一啮合传动齿轮对的，称为单级谐波齿轮传动。其结构简单，传输距离。

b. 双级谐波齿轮传动 谐波齿轮传动，将合并的谐波齿轮机构包括两个简谐驱动串联，称为双级谐波齿轮传动。通常情况下，串联的两级径向和轴向谐波机构串联两种形式的双级谐波体。

c.封闭谐波传动（合成波传输）谐波齿轮，使用一个差动谐波齿轮机构（W =2）时，任何连接到这个简单的谐波齿轮机构，其基本机制，作为一个阻挡机构2成员的一个之间的差，另外，其将消除谐波自由差动机构。因此，它被称为一个封闭式谐波齿轮

11

机构，它是谐波齿轮机构W = 1的自由组合。其特点如下。简单的结构紧凑，传动精度高，速度比。

2.3谐波减速机传动方案

本文采用的是偏心盘式减速机，设计方案如图2.2所示

图2.2偏心盘减速机

工作原理如图2.3所示。

图2.3工作原理

当波发生器旋转的原动机的柔性轮内驱动时，迫使车轮不断变形柔软，所以软齿轮在逐渐进入或离开刚轮的齿的变形过程。在波发生器，柔轮和刚性轮成为完全接合状态的纵向方向（称为卡合）;和在波发生器的短轴方向是在完全脱开状态（称为脱离）。在

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长轴的波发生器（例如45°方向）之间的短轴齿，沿柔性轴的不同部分的长度，一些牙齿逐渐进入齿间只是圆形，而在半接合状态下，所述是咬;一些齿轮逐渐退出刚轮的牙齿，并在半断开状态，称为啮合。由于柔轮连续转动的内波发生器，它使轮咬咬牙参与，啮齿动物出来，脱离四国不断改变自己原有的工作，所谓的错牙运动。正是由于这种相互错牙运动的存在，才能进入这项运动变得输出运动。例如，角速度ω波发生器输入，缓慢的传输和变得柔轮角速度ω输出，此时，刚轮固定和柔轮去朝向波发生器旋转的相反方向旋转。对于双波传动（u=2）的运动规律是：ħ波发生器旋转（环境2R），仅在圆周方向上柔轮相对于车轮的是在2P弧长两个齿的瞬间，H，当旋转半圈的齿瞬间磷，软轮弧长成了。当H的一次旋转四分之一，然后，电弧长度（在齿P的力矩）是现在的P /2柔轮的。 2.4本章小结

首先对谐波减速机简单的进行说明，然后对本章减速机进行结构方案介绍。

13

第3章 谐波减速机设计

3.1 传动装置总体设计 3.1.1传动方案的确定

本设计方案采用波发生器输入，柔轮输出，刚轮固定形式。

单级谐波减速器通常采用杯形柔轮，故本设计方案的柔轮结构型式也采用杯形。 波发生器的形式采用双偏心盘式，波数为2，一般有双圆盘和三圆盘两种结构，双圆盘型结构受力不平衡，会产生力偶效益，在输入高转速时易产生震动，而且会接触不良。三圆盘结构由于柔轮对圆盘的径向力保持平衡，在高转速时可避免上述现象。

本设计方案的主要性能指标为：传动比80，输入转速1500rmin，输入转矩11Nm。 综上所述，双偏心盘驱动方案波发生器，刚轮固定输入波形发生器，单级谐波齿轮柔轮输出。

3.1.2刚轮柔轮齿数模数确定

传动比计算公式为：

i

由于采用的波发生器波数为2，可得：

Zr

ZgZr

uZgZr2

所以刚轮柔轮的齿数：

Zg122，Zr120

目前已有几种规格的双波滚刀，插刀定型生产，其波高（mm）为0.4、0.6、1.0、1.5、2.0、2.5、2.75等。

本设计选用波高d2.75mm的双波滚刀、插刀生产。 故柔轮刚轮模数为

m

d

1.375mm 2

3.2 谐波齿轮传动的主要参数确定 3.2.1主要啮合参数的选择

14

在谐波齿轮传动啮合中影响传动性能的参数主要为：参考齿形角，可变系数，径向变形率的高度的量和齿工作单元。

① 基准齿形角

更改的压力角和牙齿的位置，把一个小排量。渐开线，它可以是一个合适的方法，以防止位移干涉接合。

本方案采用20的渐开线齿形。 ② 变位系数

当用滚刀加工柔轮，插齿刀加工刚轮时，对于采用非标的柔性轴承的偏心圆盘波发生器，柔轮和刚轮的变位系数可用下式计算：

1*x1(1.350)(0.85z130.04)



*

x2x1(01)

*

式中z1120，0，故 1（下文可知）

x12.65 x22.65

③ 径向变形量系数

*

0

0

m

*

当控制其他条件不变时，增加0，可以使啮入深度增大，变位系数减少。与此同时，

*啮合区变小，柔轮的应力增大。一般取00.7~1.1。

故本方案

*

01

④ 齿廓工作段高度

*

轮廓工作段高度hn一般随0的增大而增大，一般取

hn(1.3~1.6)m

本方案选取

hn1.5m2.06mm

3.2.2柔轮刚轮的几何尺寸计算

波数

15

波高

模数

齿距

顶隙

分度圆齿厚

1) 柔轮 齿数

分度圆直径

齿顶圆直径

齿根圆直径

柔轮齿压力角2) 刚轮 齿数

分度圆直径

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n2

d2.5mm

m1.375mm

pm4.31mm

s0.125d0.3125mm

sd

t0.4375t0.4375

n

1.717mmZr120

d165mm

rmz1dardr

7

8

d167.19mm d9

frdr8

d162.19mm

r29.2

Zg122

dgmz2167.75mm

16

齿顶圆直径

dagdg

7

d165.56mm 8

齿根圆直径

9

dfgdgd170.56mm

8

柔轮齿压力角

g28.6

3.2.3 保证传动正常工作的条件 ①没有发生齿廓重叠干扰

计算有许多齿廓重叠通常干扰使用实践的顶部，只是软齿啮合的齿廓是，它表明，发生验证此只软顶和圆刚媒体齿干扰是否。的软牙顶，圆弧半径，只提供，以使相邻的齿交点，提供坐标。当接合在第一象限，所述条件并不在任何位置干涉

xM2xM10,yM1yM20

① 不发生过渡曲线干涉

hn0.5(dg2dg1)0

② 最大啮入深度要求

0.5(da2da1)0m

③ 齿廓工作时的高度

*

m(0.5z1x1ha)0.5dg1hn

④ 保证有一定的顶隙

0.2m0.5(dr2da1)0

⑤ 齿顶不变尖

sa10.25m，sa20.25m

经计算，满足以上条件，能保证传动的正常工作。 3.3 主要零件的材料和结构 3.3.1柔轮材料

在谐波齿轮传动中，柔轮在工作状态下需要反复弹性变形，既承受扭转应力，又承

17

受交变弯曲应力。

目前我国谐波减速器柔轮的常用材料有30CrMnSiA、35CrMnSiA或40Cr、60Si2等。30CrMnSiA的主要性能参数如下，屈服点s850MPa，抗拉硬度1380MPa，硬度32~36HBS，能满足本设计力学性能要求，且价格合理，故本柔轮设计材料选用30CrMnSiA。调制处理，淬火830℃，油冷，回火540℃，油冷。 3.3.2刚轮材料

刚轮一般应有较高的刚度，避免因弹性变形而影响正常啮合。故本设计刚轮材料采用45钢。 3.3.3波发生器材料

偏心圆盘无特殊要求，故采用45钢。 3.3.4柔轮结构设计

本设计采用杯形柔轮，其结构简图如图

3.1

3.1 柔轮结构简图

其具体尺寸如下： 柔轮长度

L(0.7~1.2)dr，取L180mm

柔轮壁厚

h1(0.01~0.0145)dr，取h11.6mm

光滑筒体比分壁厚

h2(

11

~)h1，取h21.6mm 1.11.3

18

齿圈宽度

bdd1

d——为齿宽系数，一般取0.1~0.2。

b0.15d124.75mm

取25 柔轮内径

drddrf2h1159.65mm

其他尺寸

c(0.2~0.3)b，取c6mm

h3h11.6mm h4h21.6mm

d2(0.5~0.6)drd

d30.5d2

R1R2(6~10)m，取R1R28mm

R3R4(4~10)h2，取R3R410mm

3.3.5刚轮结构设计

常用刚轮的结构主要有环状和带凸缘两种，带凸缘的刚轮可利用凸缘径向定位，因而安装定位比环状刚轮灵活方便。故本设计采用带凸缘的刚轮。

带凸缘的刚轮结构简图如图3.2所示。

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图3.2 刚轮结构简图

表3.1 刚轮型号

根据所需结构尺寸，本方案选取型号200的刚轮。 3.3.6波发生器结构设计

本设计方案采用偏心圆盘式波发生器，为消除不平衡力矩，采用三圆盘结构。其结构简图如图3.4所示。

图3.3三偏心盘式波发生器结构简图

其具体参数如下： 包角

260~70，取30

偏心距

e(2.3~3.6)m，取e3mm

20

图3-2 偏心距简图

偏心圆盘直径

Dd2(0e)——为偏心圆盘轴承的径向间隙，取0.03mm

D156mm

偏心盘曲线极坐标

2

cRe22Recos

c0.5s

3.4 承载能力计算

谐波传动由于其成分引起的无能整个驱动器中的任何一个发生故障，所以故障分析谐波传动，工作能力，确定一个合理的标准，是一个重要的方法。 3.4.1失效形式

① 柔轮的疲劳断裂

疲劳断裂柔轮谐波齿轮减速器是最常见的失效模式。因为齿根应力集中系数，在齿根附近的疲劳裂纹，并沿母线方向柔轮最终柔轮断裂延伸。

② 齿面磨损

21

齿轮磨损主要受下比压力大小有效的冲击载荷。谐波减速器齿面滑动速度是非常小的，在正常情况下，齿轮磨损不严重;但有很多过载的，它可能会导致齿轮表面的严重磨损。

一般可通过合理选择材料和热处理方法，控制柔轮和刚轮的偏心误差等方法防止齿面磨损。

③ 轮齿的波发生器发生滑坡

当作用在驱动器上的制造变化传递部件过大或扭矩过大，可能会产生滑坡现象。一旦驱动器发生空转时，就会使工作谐波传动的破坏。

可通过提高传动的径向刚度，合理选择啮合参数，防止出现啮合干涉，消除传动中的多余约束等方法防止滑移现象的产生。

④ 齿面塑形流动

在一个大的任务过重，动力传动齿面似乎塑造皮质材料流动的现象。 ⑤ 波发生器轴承的损坏

在变形力和外圈轨道面疲劳点蚀，挠性轴承座圈疲劳断裂，或胶合元件或灼伤的啮合力由于庞大的温度所引起的。 3.4.2轮齿工作表面耐磨计算

当采用的渐开线齿形的基准齿形角0200时，当该渐开线的基准轮廓角，而在啮合齿的最啮合状态，因此，主要是由柔轮齿的弹性变形，以协调的接触点的位置，以达到一个近似共轭。如果正确的交战参数，可以在网格化过程中的情况做出的齿面接触恶化，导致牙齿表面的磨损剧烈，甚至传输失败。

由于谐波齿轮传动的柔轮和刚轮齿数很多，故齿轮工作时很接近面接触，所以轮齿工作表面的磨损可由齿面耐磨计算，满足pp

轮齿工作表面的比压p可按下式计算

p

2000TK

MPa

d1hnbz

把bdd1，zz14带入上式得

p

8000TK

p

dd12hnz1

T——作用在柔轮上的扭矩

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d1——柔轮分度圆直径

hn——最大啮合深度，可近似hnchm，ch1.4~1.6

K——载荷系数，工作中有冲击和震动时，K1.3~1.75。

p——许用压比。p20~40MPa。

将各数据带入后计算

p10.26MPap

满足该条件。 3.4.3柔轮的疲劳强度计算

两个应力状态柔轮疲劳的安全系数

S

SSr

1.5 2

(SZS2)0.5S

1

K

S

1

K0.2m

a，m——分别表示正应力的应力幅及平均应力幅 a，m——分别表示切应力的应力幅及平均应力幅

S——正应力安全系数 S——切应力安全系数

1，110.551

Z——计算轴向应力Z影响的系数，一般Z0.7

K——正应力应力集中系数

K——切应力应力集中系数，K(0.7~0.9)K

将各数值带入计算

S

1

1.65 K

S

1

K0.2m

4.132

23

S

故满足疲劳强度。 3.5 传动效率的计算

SSr

1.91.5 220.5

(SZS)

当刚轮固定时谐波减速器效率的计算公式为



1X1i(Xd)

T

X

d(tanmf)2fHR



dcosm(1ftanm)d(1ftanm)

3

F——弹性变形力，FJ0E0.75rm

i——速比

——当量摩擦因素，一般取0.0015~0.003

d——轮齿高

T——低速轴的转矩

f——滑动摩擦取0.05~0.1

m——刚轮齿高一半处的压力角

上式中许多参数事先很难确定，故应用时有一定的难度，而在许多情况下使用如下的经验公式是方便的，且有足够的准确度。

当i380时

10.017i0.93d00.43

将各数值带入计算

0.43

10.017i0.93d093.45%

故方案谐波减速器传动效率为93.45%。 3.6本章小结

本章标识谐波传动减速器的主要参数，并确定了材料和部件的主要结构。对于经过多次故障模式谐波减速器，校核计算进行齿面磨损和柔轮疲劳断裂。确定波传动减速器效率。

24

第4章 谐波减速机三维建模

4.1 Solidworks三维建模技术

Solidworks软件是一款功能非常全面而且相对容易操作的三维软件，不仅能进行三维建模，还可以绘制二维平面图，还可以进行运动仿真和有限元分析。 4.2谐波减速机三维建模

谐波齿轮减速器的三维模型如图4.1所示。

图4.1 Solidworks建模

先绘制箱体模型，点击前基准面进入草绘，操作过程如下： 1

、运用鼠标点击

草绘按钮，进入前视基本面草绘如下图所示

25

图4.2 绘制草图

2、完成此草图特征之后，点击拉伸按钮拉伸效果示意图如下：

进行特征生成，并设置拉伸高度为45，

图4.3 拉伸效果示意图

3、建立台阶。

首先设置该特征底面为参考平面进入草绘界面，绘制完草图后点击拉伸切除按

钮，并选择拉伸方式为完全贯穿，即可求得。

26

图4.4台阶

建立箱体建模如图4.5所示。

图4.5箱体三维模型

。

27

图4.6箱体安装面

同理，其他一些主要的运动构件支架、偏心套、轴承、轴、底座、壳体等三维模型的绘制方法大同小异，输出轴如下图所示。

图4.7输出轴

28

输入轴的模型如图所示，通过拉伸凸台、拉伸切除命令可得。

图4.8 输入轴

外端盖三维模型如图4.9所示，通过拉伸切除、环形阵列命令可得。

图4.9 外端盖

钢轮的模型如图4.10所示，孔通过阵列扫描命令，即可得到此模型。。

29

图4.10 钢轮

圆盘模型如图4.11所示，首先建立上方安装架，其次建立滚轮架，通过同心、距离进行配合。通过拉伸、切除、钻孔、阵列即可创建。

图4.11 圆盘

偏心套的模型如图4.12所示。通过拉伸、切除即可创建。

30

图4.12 偏心套

油封端盖建模如图4.13所示。

图4.13 油封端盖

轴承的三维建模如图4.14所示。

31

图4.14 轴承

4.3谐波减速机装配

在Solidworks的软件内，进入装配模块后，运用重叠，平行，垂直，相切，同心，锁，以及距离和角度等命令，对不同的机器部件进行组装，使它成为一个装配体。

32

图4.15配合界面示意图

按机器的装配特征，该组件主要设计成旋转的副，表面和表面相吻合，因此只需用到同轴心配合及重合两种装配方式。

下面将以装配配合进行介绍。

首先在Solidworks软件首页选择装配体按钮。具体操作如下所示：

点击新建，选取零件文件夹，点击打开，将零件拖入装配界面。。

33

图4.16 装配示意图

各个部件之间的组装用到的命令有同心、重合、距离命令。

使用Solidworks 渲染功能，渲染效果图如下图4.17所示。

图4.17 三维渲染效果图

34

4.4 本章小结

利用三维软件SOLIDWORKS对谐波齿轮减速器建模，先绘制出减速器的各个关键零部件，还有一些附属零件，同时对各个部分进行建模，最后将它们组装起来，这样就完成了对减速器的三维建模。

35

第5章 谐波齿轮减速器ADAMS仿真

5.1虚拟样机技术

目前国内虚拟样机技术还没有统一的定义，现存在一些比较有代表性的总结如下所列：

（1）在此之前，设计工程师，在实际运行条件下的机械系统，以及建立的数字仿真模型和系统的各种功能的图示，利用计算机技术找零和技术优化它有。

（2）虚拟样机，特点，以及运动学和动力学和空间关系的出现是计算机模型，能够反映实际产品的特性。用这种技术，设计，三维可视化，随着模拟是基于计算机仿真和优化系统建模机械系统，你就可以简化系统配置和真实环境的运动的动态特性。

adams是一种新的仿真技术，用软件来构建机械系统，分析和评估系统，一个新的模拟技术，高性能3D模型和机械模型实体。

5.2 ADAMS软件概述

ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Sysrem）最初由美国MDI公司开发，已被收购美国公司成为MSC MSC \ ADAMS，这是最有名的虚拟样机分析软件。这是第一拉格朗日方程最大的组成部分，采用了系统动力学的建设的坐标，完全打造一个参数机械系统动力学模型，结合库库，使用交互式图形环境和库你在做 - 解决算法的稳定性，代数方程，是非常有效的问题的刚性，即可以在虚拟计算机系统中的静力学，运动学和动力学分析，后处理程序输出位移，速度，加速度，这将是能够响应曲线和动画。 ADAMS仿真软件，机械系统，碰撞检测的运动的范围内，可以用于预测峰值负荷和FEM输入负荷等性能。目前，ADAMS很宽，我活在这个世界上是大多数制造商，汽车，飞机，铁路，工程机械，通用机械的各行各业，并在航空航天等机械领域已使用。 ADAMS软件核心模块，扩展模块，特殊模块，工具箱和接口模块5类模块。在另一方面，虽然它是一个应用软件ADAMS虚拟样机分析，它是一个程序结构虚拟样机分析工具开各种接口，它可以根据虚拟样机分析平台上的二次开发工具，专用的特殊这样的行业。

ADAMS仿真分析过程一般如下：ADAMS，提供库，结合的文库，库等力建模模块，根据系统的物理参数，以进行分析，并使用其它3D建模建立多体模型，或软件（如

36

Pro / E，Solidworks的，I-DEAS等），在界面导入建立三维模型，ADAMS ADAMS。当ADAMS软件计算，先读取原始输入数据，检查无误，确定系统的自由度。如果系统的自由是零，运动学数据;如果不是零 - 自由软件ADAMS通过分析初始条件，确定动力学分析或静态分析。在确定分析，ADAMS，类型，通过其强大的集成解决矩阵方程。

Adams是世界上使用最广泛的机械系统仿真软件，用户可以用它来构建和计算机模拟测试虚拟原型斯意识到再现，复杂机械系统的设计理解运动性能的事实。MD亚当斯（MD代表的多学科）在企业层面MSC的SimEnterprise仿真环境相得益彰和MD Nastran软件，提供完整的仿真环境复杂和先进的工程分析。

MD亚当斯发布全面支持议案 - 结构耦合仿真，双向与MD Nastran的集成，可以方便地发布了Nastran的斯模型输出更详细的NVH分析或应力恢复，再进行生命/伤害计算。

MD亚当斯/汽车

MD亚当斯/汽车中的应用，技术团队可以快速建立和测试功能虚拟样机的车辆和车辆子系统。

这可以帮助节省时间，在车辆开发过程，降低成本和风险，提高了新车的设计质量。由

MD亚当斯/汽车仿真环境，对不同路面汽车工程师在虚拟环境中，不同的

实际情况反复测试他们的设计，以获得满意的效果。

MD亚当斯/汽车包括许多功能模块进行多学科仿真。

多学科的跨学科的价值的价值

数字分析能力的多学科显著价值成长，MD技术，包括综合多学科的MSC/跨学科和优化，我们解决了很多问题大，现有的高性能计算你可以把Ingu技术的优势〜。多学科仿真技术来提高产品的质量，以确保设计的有效性，最初设计以加速产品推向市场，着眼于提高效率。

5.3 谐波齿轮减速器前处理

1）谐波齿轮减速器机构三维模型的导入

首先将已经创建好的Solidworks三维模型Prt格式转换成x-t格式；

然后将ADAMS软件打开，出现ADAM里面的View界面，如下图5-1所示。

37

图5-1 ADAMS软件的界面

选择输入一个文件。点取文件存放的文件夹，点击OK按钮。出现对话框如下图所示。

图5-2 设置文件格式

1

）选择文件类型。

读取该文件存放的文件夹，并选择建立以ADAMS默认文件夹，点击OK完成。操作如下图所示。

38

图5-3 设置导入模型对话框

完成上面所有步骤，点击OK按钮，Solidworks三维模型导入ADAMS软件，如下图5-4所示。

图5-4 导入模型示意图

到目前为止，Solidworks的3D模型软件ADAMS，制造ADAMS文件格式完成。然后会有模型ADAMS软件编辑。

添加质量，设置材料属性；如下图5-4所示。

39

图5-4 设置材料属性

1）如下图所示。

图5-5 添加运动副及设置驱动参数

40

三维模型导入ADAMS软件完成，并设置好各个运动参数，接下来将对该模型进行运动学仿真。

5.4 谐波齿轮减速器运动仿真

建立了良好的参数模型，采取了不同的设计变量，或当改变设计变量，尺寸的值，在模拟过程中的原型的性能将发生变化之后。而如何改变原型，其目的是研究的内容主要考虑的性能。在研究中的设计过程中，根据一定的范围内的设计变量的值的范围内的某些规则。根据设计变量，一系列模拟值。完整的设计分析和设计研究，分析模拟输出后的结果。通过研究，每步的结果，用户能够获得以下：

（1）对样机设计变量的性能的变化。

（2）最佳价值设计变量。

（3）设计变量的的敏感性，原型设计变量值的变化的性能即灵敏度。

美国能源部的数目（实验设计）实验设计（实验设计，DOE），考虑设计变量同时改变，各种设计变量的影响在原型的性能。实验设计和统计分析和试验结果，其中包括建立了从设计矩阵。美国商务部通常有以下五个基本步骤：

（1）确定测试的目的。例如，要确保在系统变量的影响最大。

（2）选择你想研究和设计方法来衡量系统的响应系统设置的因素。

（3）确定每个因子的值，则测试将是审查影响的变化，在试验的因素。

（4）测试，并记录每个操作系统的性能。

（5）分析在改变运行的整体性能，该因素确定系统上的最大影响。

集设计试制过程称为建立测试矩阵（设计矩阵）。用户可以根据自身要求选择不同的设计矩阵，打造最高效的测试系统。目前有六种类型，它们分别是Full Factorial、Plackett-Burman、Fractional Factorial、Box-Behnken Central、 Composite Faced(CCF)、D-Optimal。

（1）全因子设计是对所有类型的全面最高水平，为使用因子水平的所有可能的组合。

（2）运用Plackett缅筛选的设计模型，运行至少需要传统设计类型设计的数目，但不允许用户以估计这些因素的相互影响。

（3）分数阶乘Plakett缅和全因子使用一个专门的子集也被看作是减少阶乘的。它通常被用于筛选因子重要变量，主要是两个层次，能够估计其对系统的影响。

41

（4）用点在平面设计空间箱Behnken试验设计类型。这样的设计是适合于RSM的模型在第二测试的类型。盒Behnken试验需要三个层次的每个因素。

（5）CCF种设计（复平面的中心）被用于角（顶点），和一个或多个中心的设计空间轴的每个数据点（起点）的。相比，CCF框-Behnken测试的执行次数。在模式二RSM试验型应用CCF。

（6），以尽量减少D-确定性模型进行优化设计图案发生器。该规则基于的因素通过从这种类型的设计线路的随机样本的候选的最小数目。 D-最优试验，在新的测试前的测试，指定要在既有线运行的总人数，并指定不同级别的各因素。这些功能，在测试成本的成本特别令人惊奇的情况是特别令人惊讶的，来测试下最好的选择是，在许多情况下，这样做是D-优化。可变设计目标函数，它必须是未知的，它是必要处理的变化导致在目标函数的设计变量的变化。优化的过程中，为了保证最佳的设计一个合理的范围内，你施加一定的限制范围内的值，可以设置设计变量的范围。除了优化，有一个重要的概念进行组合。只有约束和目标函数和约束条件的解决方案，以数量有限，以消除设计，不满意。通过选择自动设计变量，分析程序计算目标函数，以满足设计条件的多样性，以及改变的最大值或者在指定的变量的最小值的范围：通常，问题的优化分析如下可以概括。为了优化在现场的功能，但两者之间的差异也存在，并且相互补充。对实验设计的影响是非常大的，也考虑这些元件之间的关系的主要因素。它是把重点放在优化和分析的最佳目标。实验设计，大没什么效果，也可以是若干因素中的实验分析，以确定其对因子或因子，其可用于优化这些因素，它影响大的优化分析功能，能够提供一种优化的分析算法，以实现可靠且高效的运行速度。

在本文中，研究的波齿轮传动年底，仿真行为的优化分析的结果是建立在第一个结束标志的。

输入轴的速度变化曲线如图5-6所示

42

图5-6输入轴速度

在0-12s的时间内，谐波齿轮减速器输入轴的速度为323deg/S

输出轴的速度变化曲线如图5-7所示。

图5-7 输出轴速度

随着时间的变化，速度保持在6deg/s不变，满足实际工作条件。

5.5 本章小结

首先进行了软件介绍，其次对应力疲劳进行计算，并且进行了运动学仿真分析，最后通过ansys进行拓扑优化分析。

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总结

本章设计的谐波齿轮减速器的传动原理与普通谐波传动齿轮是相异的，它是利用柔性齿轮的受控弹性变形。因为波发生器由齿轮的变形所产生的弹性力的作用是大致对称的谐波，使机械传动装置是一个谐波驱动。

为了改造传统产业我们的新技术，新的高科技产品的开发，以及机械行业的重点关注和改革，它已成为所有传统产业。机电一体化是机械，电子，计算机，机械和电子技术相结合的自动化控制技术。这就是，为了获得视图最佳整体来看，是技术从系统或该系统的产物。近年来，世界上的制造技术，生产系统，柔性的发展，发达国家为了提高智能水平，将竞争的机电一体化技术的发展。机电一体化，传统的机械行业，生产和管理体制发生了重大变化，使产业结构，它带来了惊人的，革命性的变化所带来的好处。 所以本文所研究的项目是具有很大的意义的，相信将来会有很好的发展前景和很大的上升空间。通过进一步的研究可以将此项目运用到科学探索及军事等领域。

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致谢

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