畢設(shè)諧波齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的建模與柔輪的有限元分析

1、e題 目 諧 波 齒 輪 傳 動(dòng) 建 模 和 柔 輪 的 有 限元 分 析 學(xué)生姓名 e 學(xué)號(hào) e 所在學(xué)院 e專業(yè)班級(jí) e指導(dǎo)教師 e _ _ 完成地點(diǎn) e2009 年 06 月 12日e諧波齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)建模與柔輪的有限元分析齊世雄（陜理工機(jī)械工程學(xué)院.機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè).機(jī)自1007班.陜西 漢中 723003）指導(dǎo)老師 ：何亞銀【摘要】諧波傳動(dòng)是一種比較新型的傳動(dòng)。從諧波傳動(dòng)的發(fā)明到現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)歷了幾十年。新的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換原理、新的嚙合特性，具有撓性構(gòu)件乃是開發(fā)這種傳動(dòng)需要專門理論的原因。它與一般齒輪傳動(dòng)相比，具有傳動(dòng)比大、體積小、重量輕、精度高、噪音小等優(yōu)點(diǎn)。由于諧波齒輪傳動(dòng)中存在著

2、能產(chǎn)生可控波動(dòng)變形的柔輪，因而使之在嚙合理論、幾何算術(shù)、強(qiáng)度計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，與傳統(tǒng)的剛性構(gòu)件齒輪傳動(dòng)在本質(zhì)上有很大的區(qū)別。諧波齒輪傳動(dòng)是20世紀(jì)50年代中期開始以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在航空航天等對(duì)機(jī)械傳動(dòng)精度要求較高的場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用，但在其使用過程中也逐漸暴露出其不足之處。諧波齒輪的主要構(gòu)件之一柔輪是一個(gè)薄壁殼體，在工作中承受交變應(yīng)力的作用，易發(fā)生疲勞破壞，這對(duì)諧波齒輪的傳動(dòng)精度和使用壽命都有很大的影響。針對(duì)諧波齒輪的上述問題，為了盡可能的提高諧波齒輪的傳動(dòng)精度和延長(zhǎng)其使用壽命，本課題利用有限元方法對(duì)柔輪的強(qiáng)度和柔輪殼體上的交變應(yīng)力進(jìn)行分析?！娟P(guān)鍵詞】：諧波齒輪傳動(dòng)、柔輪、有限元分析、ANS

3、YS軟件、Pro/E軟件eHarmonic gear drive system modeling and finiteelement analysis of the soft wheele(e)Tutor：eAbstract: 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 fea

4、ture, 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 w

5、ave 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. Harmonic gear transmission is the mid - 1950 - s, with its unique advantages such as aerosp

6、ace requiring higher precision of mechanical transmission has been widely used, but in the use process also gradually exposed its shortcomings. advantages such as aerospace requiring higher precision of mechanical transmission has been widely used, but in the use process also gradually exposed its s

7、hortcomings. Harmonic gear is one of the main components of the soft round a thin-walled shell, in the work under the effect of alternating stress, prone to fatigue damage, the harmonic gear transmission accuracy and service life has great influence. Aiming at the problem of harmonic gear, as much a

8、s possible in order to improve the harmonic gear transmission accuracy and prolong its service life, this topic by using finite element method (fem) on the strength of the soft round and soft round the alternating stress on the shell is analyzed.Keyword: the harmonic gear drive、flexible gear、finite

9、element analysis、ANSYS、Pro/E.e目 錄引言 . 11、諧波齒輪傳動(dòng) . 31.1諧波齒輪機(jī)構(gòu)組成 . 31.2諧波齒輪傳動(dòng)原理 . 41.3諧波齒輪傳動(dòng)特點(diǎn) . 61.4諧波齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)分類 . 71.5諧波齒輪傳動(dòng)各部分結(jié)構(gòu)形式 . 81.6諧波齒輪傳動(dòng)尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算 . 82、用Pro/E對(duì)諧波齒輪傳動(dòng)進(jìn)行建模 . 92.1 PRO/ENGINEER 軟件簡(jiǎn)介 . 錯(cuò)誤！未定義書簽。2.2用PRO/ENGINEER建立的模型 . 錯(cuò)誤！未定義書簽。3、用ANSYS對(duì)柔輪進(jìn)行分析 . 錯(cuò)誤！未定義書簽。3.1 ANSYS軟件簡(jiǎn)介 . 錯(cuò)誤！未定義書簽。3.2將PR

10、O/E所建好的模塊導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行分析 . 錯(cuò)誤！未定義書簽。3.3結(jié)果分析 . 錯(cuò)誤！未定義書簽。 結(jié)論 . 錯(cuò)誤！未定義書簽。 致謝 . 錯(cuò)誤！未定義書簽。 參考文獻(xiàn) . 錯(cuò)誤！未定義書簽。 附錄A. 附錄B.引言1、應(yīng)用背景在雷達(dá)系統(tǒng)領(lǐng)域。雷達(dá)系統(tǒng)工作時(shí),天線跟蹤系統(tǒng)的位置控制依賴于從各種傳感器傳來的信號(hào)計(jì)算其位置和速度偏差,并通過伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行必要修正。由于制造誤差和裝配誤差,普通傳動(dòng)裝置中存在的回差,將造成控制系統(tǒng)對(duì)位置的過度修正甚至可能產(chǎn)生振蕩,因此對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置的要求:體積小、重量輕、減速比大、零回差等,因此具有這些特點(diǎn)以及較高位置精度和重復(fù)精度的諧波齒輪傳動(dòng)裝置被大量地應(yīng)

11、用于雷達(dá)系統(tǒng)中,其傳動(dòng)精度比漸開線齒輪驅(qū)動(dòng)裝置提高了4倍之多。在宇航方面,諧波齒輪傳動(dòng)用于代替火箭中液體原動(dòng)機(jī)的諧波齒輪傳動(dòng)馬達(dá)(其體重和體積降為原來的十分之一)、衛(wèi)星外表面的太陽(yáng)光線接收機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。實(shí)踐表明,工作在火箭和衛(wèi)星中的諧波齒輪傳動(dòng)的運(yùn)轉(zhuǎn)性能是十分滿意的,這種情況就促進(jìn)了這類傳動(dòng)在航天技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用范圍的擴(kuò)展。如航天飛行器中用太陽(yáng)能天線陣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的諧波齒輪裝置。又如國(guó)外在衛(wèi)星探測(cè)隕石的發(fā)送器控制板傳動(dòng)中采用了諧波齒輪傳動(dòng)。因?yàn)樾l(wèi)星在軌道出口處需將控制板的巨大翼展開,翼的展開借助于彈簧,而諧波齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)就象倍加器一樣作為調(diào)節(jié)器,以保證展開過程的均勻性。機(jī)器人領(lǐng)域,諧波齒輪傳動(dòng)的應(yīng)

12、用更廣。如90年代美國(guó)研制了一種臂長(zhǎng)達(dá)15.24m的機(jī)械手。其終端驅(qū)動(dòng)裝置采用了直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的諧波齒輪傳動(dòng)裝置。又如美國(guó)國(guó)家航天管理局空間飛行中心實(shí)驗(yàn)室研究開發(fā)的DTF一1系列遙控機(jī)械手,其中各關(guān)節(jié)執(zhí)行器都采用了無(wú)刷電機(jī)直流驅(qū)動(dòng),傳動(dòng)比為100的諧波傳動(dòng)裝置機(jī)構(gòu)。在通用機(jī)械領(lǐng)域,國(guó)內(nèi)外諧波齒輪傳動(dòng)在通用機(jī)械領(lǐng)域中的應(yīng)用己經(jīng)越來越廣泛。例如,國(guó)外在自動(dòng)生產(chǎn)線的精密設(shè)備中,利用傳動(dòng)比為12的諧波齒輪傳動(dòng)裝置來自動(dòng)改變精密鍵磨機(jī)的鎖磨頭直徑。諧波齒輪傳動(dòng)還成功地應(yīng)用于電視機(jī)、錄音機(jī)、軍用便攜式收發(fā)報(bào)機(jī)的調(diào)頻裝置、電子元器件專用制造設(shè)備、醫(yī)療器械、電動(dòng)假肢減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、太陽(yáng)能熱水器跟蹤隨動(dòng)系統(tǒng)等。

13、諧波齒輪傳動(dòng)在光學(xué)儀器領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用,德國(guó)將塑料制成的諧波齒輪傳動(dòng)裝置用于光學(xué)顯微鏡的影像清晰度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中。諧波齒輪傳動(dòng)還可用于低速重載的起重機(jī)上的大絞盤;化工紡織使用的立式諧波攪拌機(jī);礦山隧道運(yùn)輸用的井下轉(zhuǎn)轍機(jī)和醫(yī)療器械高速靈巧的修牙機(jī)。此外,在航海技術(shù)和船舶制造工業(yè)方面也有大量的應(yīng)用。諧波齒輪傳動(dòng)具有傳動(dòng)比大、體積小、重量輕、傳動(dòng)精度高、回差小等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),國(guó)外已將諧波齒輪傳動(dòng)成功地應(yīng)用在航空航天、原子反應(yīng)堆和高能加速器、雷達(dá)系統(tǒng)、機(jī)器人領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域、光學(xué)儀器以及通用機(jī)械等如下領(lǐng)域中:在原子反應(yīng)堆和高能加速器領(lǐng)域,由于諧波齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以在密閉的空間傳遞運(yùn)動(dòng),且承載能力高,并能在高溫

14、高壓下正常工作,因此諧波齒輪傳動(dòng)在原子反應(yīng)堆和高能加速器中獲得了應(yīng)用。它們可以將反應(yīng)堆或加速器外部的高速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)部的慢速直線運(yùn)動(dòng),無(wú)需采用隔膜、波紋管和其它類型的密封結(jié)構(gòu),就能簡(jiǎn)便可靠地保證有毒、有放射性和其它有害物質(zhì)或高溫高壓下的液體、氣體與外界隔離。在飛機(jī)工業(yè)方面用于驅(qū)動(dòng)某垂直起落飛機(jī)的螺旋槳由于上升位置轉(zhuǎn)至水平位置的強(qiáng)力諧波機(jī)構(gòu),自動(dòng)駕駛儀中的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。如國(guó)外在Bell一224型垂直起落飛機(jī)中,采用了傳動(dòng)比為300的諧波齒輪傳動(dòng)裝置作為將螺旋槳由上升位置轉(zhuǎn)至水平位置的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。在美國(guó)的QH一50型無(wú)人駕駛直升機(jī)伺服傳動(dòng)的阻尼機(jī)構(gòu)中就采用了諧波齒輪增速器。這種飛機(jī)要求高效率和高

15、可靠性,采用了諧波齒輪增速器后,可使旋轉(zhuǎn)速度增到80倍,同時(shí)重量減少很多倍。甚至這種機(jī)構(gòu)被一些國(guó)家作為直升機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。諧波齒輪件速器是一種通用性很強(qiáng)的產(chǎn)品,而且效益可觀。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,主要零件僅三大件,采用合理的加工工藝,可使原材料消耗及加工工時(shí)大大減少,可做到低成本、高產(chǎn)出。因此諧波齒輪傳動(dòng)的研究有很廣闊的市場(chǎng)前景。2、選題的目的及研究意義諧波齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)具有傳動(dòng)比大、體積小、重量輕、傳動(dòng)精度高、回差小等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，諧波齒輪的主要構(gòu)件之一柔輪是一個(gè)薄壁殼體，在工作中承受交變應(yīng)力的作用，易發(fā)生疲勞破壞，這對(duì)諧波齒輪的傳動(dòng)精度和使用壽命都有很大的影響。針對(duì)諧波齒輪的上述問題，為了盡可能的提高諧

16、波齒輪的傳動(dòng)精度和延長(zhǎng)其使用壽命，能使諧波齒輪得到更加廣泛地應(yīng)用，本課題利用有限元方法對(duì)柔輪的強(qiáng)度和柔輪殼體上的交變應(yīng)力進(jìn)行分析。諧波齒輪有三個(gè)基本運(yùn)動(dòng)構(gòu)件剛輪、柔輪和波發(fā)第 1 頁(yè) 共 22頁(yè)e生器，作為中間撓性構(gòu)件傳動(dòng)和動(dòng)力的柔輪是其中最關(guān)鍵的元件。有限元法是近年來不斷發(fā)展的一種新型的結(jié)構(gòu)分析方法。它的主要特點(diǎn)是將要分析的連續(xù)體變換成離散結(jié)構(gòu)。在對(duì)柔輪進(jìn)行分析時(shí)，將柔輪實(shí)體簡(jiǎn)化為一定的模型，根據(jù)實(shí)際情況確定邊界條件進(jìn)行分析計(jì)算。這種方法的缺點(diǎn)同公式法類似，邊界條件不確定，建立模型時(shí)要經(jīng)過較多的簡(jiǎn)化。但利用已有的方法類似，邊界條件不易確定，建立模型時(shí)要經(jīng)過較多的簡(jiǎn)化。但利用已有的有限元軟件（

17、如ANSYS）進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可以簡(jiǎn)化建模、劃分網(wǎng)格、后處理工作，提高設(shè)計(jì)、分析效率。我以后從事齒輪的生產(chǎn)制造行業(yè)，對(duì)該課題的研究對(duì)我以后的工作有很好的幫助。3、 對(duì)本課題將要解決的主要問題及解決問題的思路與方法、擬采用的研究方法針對(duì)柔輪強(qiáng)度及變形問題用有限元方法來進(jìn)行研究。闡述了諧波齒輪傳動(dòng)的基本原理及特點(diǎn)，通過經(jīng)驗(yàn)公式分析了諧波齒輪傳動(dòng)中柔輪在空載時(shí)的變形及受力狀況，給出了柔輪強(qiáng)度的校核公式，為柔輪的研究提供理論基礎(chǔ)。在三維建模軟件Pro/ENGINEER中建立柔輪的幾何模型并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行簡(jiǎn)化，然后導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS中，生成有限元模型。本文針對(duì)諧波齒輪主要構(gòu)件柔輪自身的特點(diǎn)，研

18、究利用有限元分析法對(duì)柔輪進(jìn)行化改進(jìn)。在諧波齒輪傳動(dòng)理論、諧波傳動(dòng)減速器的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以及彈性力學(xué)的殼體理論等相關(guān)設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)上，選擇合理的參數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)出兩種形態(tài)的柔輪：圓柱杯形柔輪和鐘形柔輪，并選用 B3-160 型通用諧波齒輪減速器的圓柱柔輪為例，運(yùn)用三維建模軟件 Pro/ENGINEER 建立兩種形態(tài)柔輪的三維幾何模型根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行簡(jiǎn)化，通過相關(guān)接口將兩種形態(tài)柔輪簡(jiǎn)化的三維實(shí)體模型導(dǎo)入到有限元分析軟件 ANSYS 中，通過選取單元類型、材料特性、劃分網(wǎng)格，施加約束和載荷生成有限元模型，然后在 ANSYS 的后處理器中計(jì)算出柔輪工作過程中的應(yīng)力、應(yīng)變、位移量、振動(dòng)固有頻率、模態(tài)振型，并

19、分析比較兩種形態(tài)柔輪各自的特點(diǎn)和優(yōu)劣性。選擇更適合諧波齒輪傳動(dòng)的柔輪形態(tài)，可以有效的提高諧波齒輪傳動(dòng)的精度，延長(zhǎng)諧波齒輪使用壽命，并為以后進(jìn)行的諧波齒輪傳動(dòng)的科研工作和生產(chǎn)實(shí)踐提供理論依據(jù)。本次相關(guān)任務(wù)。1）了解本課題目前有關(guān)情況，完成開題報(bào)告和英文資料翻譯。從中國(guó)知網(wǎng)中查找外文并對(duì)其進(jìn)行翻譯。2）根據(jù)要求，對(duì)所設(shè)計(jì)的柔輪用pre軟件進(jìn)行三維軟件建模。畫機(jī)械設(shè)計(jì)圖，在根據(jù)要求查找資料，翻閱pre有關(guān)書籍，進(jìn)行三維建模，對(duì)柔輪進(jìn)行分析。3）應(yīng)用有限元方法分析柔輪強(qiáng)度和柔輪殼體上的交變應(yīng)力。4）應(yīng)用有限元方法分析柔輪的模態(tài)。第 2 頁(yè) 共23 頁(yè)1、諧波齒輪傳動(dòng)1.1諧波齒輪機(jī)構(gòu)組成諧波齒輪機(jī)構(gòu)通

20、常由波發(fā)生器H、柔輪g和剛輪b（采用具有剛性齒輪的行星機(jī)構(gòu)相類似的符號(hào)來表示）三個(gè)基本構(gòu)件所組成。如下圖所示：圖1.1 諧波齒輪結(jié)構(gòu)圖 1-波發(fā)生器 2-柔輪 3-剛輪在諧波傳動(dòng)中，波發(fā)生器H旋轉(zhuǎn)一圈，柔輪上某一點(diǎn)變形的循環(huán)次數(shù)，叫做柔輪的變形波數(shù)，用符號(hào)u表示；即變形波數(shù)u應(yīng)按柔輪g與剛輪b同時(shí)嚙合的區(qū)域數(shù)目來確定。在一般情況下，可以采用單波（u=1）、雙波（u=2）、三波（u=3）、四波（u=4）傳動(dòng)。但由于受到柔輪g材料許用應(yīng)力的限制，通常大都采用的是雙波（u=2）和三波（u=3）傳動(dòng)；目前，應(yīng)用較廣泛的仍然是雙波（u=2）傳動(dòng)。而剛輪b和柔輪g的齒數(shù)差，一般應(yīng)取為柔輪g的變形波數(shù)u，即

21、Zb- Zg=u；或者在某寫情況下取成u的倍數(shù)。柔輪的變形波數(shù)u和剛輪b與柔輪g的齒數(shù)差Zp=Zb-Zg的選擇應(yīng)按柔輪的強(qiáng)度條件和傳動(dòng)比的大小確定。對(duì)于傳動(dòng)比i>80的剛制柔輪g，采用變形波數(shù)u=2和齒數(shù)差Zp=Zb-Zg=2較為合理。對(duì)于傳動(dòng)比i>120的情況，當(dāng)齒數(shù)差Zp=Zb-Zg=3時(shí)，則了采用柔輪的變形波數(shù)u=3。當(dāng)變形波數(shù)u=2，而齒數(shù)差Zp=Zb-Zg=0 (零齒差)時(shí),這種零齒差的齒輪副嚙合也是完全可以實(shí)現(xiàn)的.在這種情況下,諧波齒輪減速器便轉(zhuǎn)化為諧波齒輪連軸器;即成為柔輪g與輸出剛輪b的輪齒相互嚙合的連接方式。第 3 頁(yè) 共 22頁(yè)e1.2、諧波齒輪傳動(dòng)原理諧波傳動(dòng)

22、有三個(gè)基本運(yùn)動(dòng)構(gòu)件波發(fā)生器1、柔輪2和剛輪3,如圖所示。諧波齒輪傳動(dòng)對(duì)運(yùn)動(dòng)的傳遞,是在發(fā)生器作用下,迫使柔輪產(chǎn)生變形,并與剛輪相互作用而達(dá)到傳動(dòng)目的。柔輪的變形過程是一個(gè)基本對(duì)稱的和諧波,故稱為諧波齒輪傳動(dòng)。它屬于行星少齒差派生機(jī)構(gòu)。對(duì)于采用凸輪撥發(fā)生器的諧波齒輪機(jī)構(gòu)，在裝配前，柔輪的原始剖面為圓形。柔輪和剛輪的齒矩p（周節(jié)）相等，但剛輪的齒數(shù)比柔輪的齒數(shù)要多。波發(fā)生器的橢圓長(zhǎng)軸比未變形柔輪的內(nèi)圓直徑略大/當(dāng)撥發(fā)生器裝入柔輪的內(nèi)圓時(shí)，迫使柔輪產(chǎn)生彈性變形，而使其變?yōu)闄E圓形。當(dāng)剛輪固定，波發(fā)生器為輸入件，柔輪為輸出件時(shí)，其傳動(dòng)原理為：如下圖所示：圖1.2 諧波齒輪傳動(dòng)原理當(dāng)波發(fā)生器在原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)

23、下于柔輪內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，就迫使柔輪不斷地產(chǎn)生變形，于是，柔輪的輪齒就在變形的過程中逐漸進(jìn)入或退出剛輪的齒間。在波發(fā)生器的橢圓長(zhǎng)軸方向，柔輪與剛輪成為完全嚙合狀態(tài)（簡(jiǎn)稱嚙合）；而在波發(fā)生器的橢圓短軸方向，則處于完全脫開狀態(tài)（簡(jiǎn)稱脫開）。而處于波發(fā)生器長(zhǎng)軸與短軸之間（如45方向）的輪齒，沿柔輪軸長(zhǎng)的不同區(qū)段內(nèi)，有的輪齒逐漸進(jìn)入剛輪的齒間，而處于半嚙合狀態(tài)，稱為嚙入；有的齒輪則逐漸退出剛輪的齒間，而處于半脫開狀態(tài)，稱為嚙出。由于波發(fā)生器在柔輪內(nèi)進(jìn)行連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，便使得兩輪輪齒的嚙入、嚙合、嚙出、脫開這四種狀態(tài)不斷地改變各自原來的工作情況，而產(chǎn)生所謂的錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)。正是由于存在著這種相互的錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)，才能把輸入運(yùn)動(dòng)變成為輸出運(yùn)動(dòng)。例如，將波發(fā)生器輸入的角速度Ho,經(jīng)減速傳動(dòng)而變成柔輪輸出的角速度g，此時(shí)，剛輪固定不動(dòng)，柔輪便向著與波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于雙波傳動(dòng)（u=2）的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是：波發(fā)生器H旋轉(zhuǎn)一周（周長(zhǎng)2prH），柔輪相對(duì)于剛輪在圓周方向