一种新型结构的谐波减速器研究.pdf

图书分类号： 学校代码： 10213 密级：公开 工学硕士学位论文 一种新型结构的谐波减速器研究 硕士研究生： 王 迪 导师：高海波 副教授 申请学位： 工学硕士(应用研究型) 学科、专业： 机械设计及理论 所在单位： 机电工程学院 答辩日期： 2009 年 6 月 授予学位单位： 哈尔滨工业大学 : N F i 2009 尔滨工业大学工学硕士学位论文 - I - 摘 要 谐波齿轮传动和行星齿轮传动各自的 优点使其在不同领域的应用越来越广泛。但是谐波齿轮传动中传统杯形柔轮的轴向 尺寸大的缺点却限制了其在宇航空间机构中的应用。行星齿轮传动的体积和重 量与传动比成正比的特点使得其在高速比、小空间的情况下失去了优势。因此 ，本文主要设计一种采用不同于现有杯形柔轮结构和将一级行星齿轮减速机构 内置于凸轮波发生器中的复合式谐波减速器。对复合式谐波减速器的结构 参数、连接方式、传动比、传动效率、承载能力进行了分析，研制 80 机型的复合式谐波减速器样机 。对现有谐波减速器性能测试试验台改造后，对复 合式谐波减速器进行了性能测试。 针对传统的杯形结构柔轮，提出三种新型杯形结构，利用 分别对机型、轴向尺寸相同的传统杯形柔轮和三种新型结构柔轮进行对比分 析，得到四种结构柔轮的性能排序。然后结合较优形状的柔轮结构，分析结构 参数对柔轮所受最大等效应力和最大变形量的影响，为样机的研制提供参数选 取依据，在热和结构耦合的情况下对柔轮和刚轮的简化接触模型进行接触分析。 根据参数影响分析后各结构参数的影 响曲线，分别选取满足材料性能参数的结构尺寸，设计一种具有新型柔轮的谐波减 速器，以凸轮式波发生器的凸轮尺寸为限制条件，利用 件，电算内置于凸轮波发生器中的满足尺寸的 2行星减速机构。然后分析了复合式谐波 减速器的传动比、承载能力和效率，最后加工 80 机型复合式谐波减速器的样机。 结合样机的结构和尺寸对现有的试验 台和数据采集系统进行改造，通过对样机效率试验、启动力矩试验、跑合温升试验 的测试结果与其它相同机型谐波减速器的对比，验证复合式谐波减速器在相同 机型产品中的轴向尺寸小、冲动比大、效率高、承载能力相当的结论。 关键词 ：谐波齿轮传动；行星齿轮传动； 有限元分析；性能分析；性能测试 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - he of of in of of of in in to on in in of of is to of it in in of a of of of 0 of of of of In of of of to of of a on of of of of of 尔滨工业大学工学硕士学位论文 - in 尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 目 录 摘 要 . 录 . 1 章 绪论 . 1 题背景 . 1 究的目的和意义 . 1 内外研究现状 . 2 波传动的国外研究现状 . 2 波传动的国内研究现状 . 4 题的来源及主要研究内容 . 6 题来源 . 6 要研究内容 . 6 第 2 章 新型结构柔轮及其结构参数对性能的影响分析 . 8 种结构柔轮的方案研究 . 8 统杯形结构柔轮与新型结构柔轮的性能比较 . 10 轮有限元分析模型的简化 . 10 同结构柔轮的比较分析 . 11 型柔轮结构参数对其性能的影响分析 . 14 角直线回形柔轮结构参数对其性能的影响分析 . 14 之”字柔轮结构参数对其性能的影响分析 . 18 型柔轮的热与结构耦合有限元分析 . 23 章小结 . 24 第 3 章 复合式谐波减速器的设计 . 26 波减速机构的设计 . 26 本参数的确定 . 26 结构有关的尺寸参数的确定 . 27 波减速机构的强度分析 . 28 波减速机构的材料选择 . 28 波减速机构的强度计算 . 29 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - V - 星减速机构的设计 . 31 星传动机构的设计 . 31 星齿轮机构的强度计算 . 33 合式谐波减速器的结构设计 . 34 章小结 . 36 第 4 章 复合式谐波减速器的性能分析 . 37 合式谐波减速器的传动比分析 . 37 合式谐波减速器的承载能力分析 . 40 轮的承载能力 . 40 星减速机构的承载能力 . 42 合式谐波减速器的效率分析 . 44 波齿轮减速机构的效率分析 . 44 星齿轮减速机构的效率分析 . 45 章小结 . 48 第 5 章 复合式谐波减速器的研制及试验研究 . 49 要元件及试验样机的加工 . 49 合式谐波减速器的研制 . 49 要实验元件 . 50 合式谐波减速器性能测试试验台方案的改造 . 50 验测试方案 . 50 验台的改造 . 51 据采集系统的改造 . 53 验测试 . 53 合式谐波减速器的跑合试验 . 54 合式谐波减速器的温升试验 . 54 合式谐波减速器的效率测试试验 . 57 合式谐波减速器的启动力矩试验 . 59 章小结 . 60 结论 . 61 参考文献 . 62 攻读学位期间发表的学术论文 . 65 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 . 66 致 谢 . 67 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 个人简历 . 68 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第 1章 绪论 题背景 月球探测具有重大的经济和军事意义 ，目前中国已经开始实施“嫦娥”月球探测工程1,2。月球探测车是探月工程的重要组成 部分。因为月球车车轮传动部分空间小和大减速比的要求，所以目前月球 车车轮驱动及转向系统的传动装置一般选用行星减速器与谐波减速器串联使用 的方式。目前行星传动的技术相对比较成熟，而谐波传动是出现较晚的一种新 型传动装置，其众多的优点使其得到越来越广泛的应用。但杯形谐波减速器中 柔轮轴向尺寸大，限制了其在紧凑空间和苛刻条件特别是宇航空间中的应用。 另外如何在谐波减速器承载能力相当、体积不变的情况下增大减速比也是一个 值得研究的问题。为此，本课题主要是针对杯形柔轮这两个方面进行研究。 究的目的和意义 谐波传动是 20 世纪 50 年代中期随着空间科学技术的发展，在薄壳弹性变形的理论基础上发展起来的一种新型传动技术 。由于谐波减速器具有回差小、单级减速比范围大、运动平稳、低噪声、传动 效率高、承载力大、体积小、质量轻等多种其他减速器不具备的优点, 因此一经问世就立刻引起了各国的普遍重视。美国、前苏联、日本、德国、英国等国 家以及我国都开展了谐波减速器的理论、制造、加工、润滑等技术研究3美国等先进国家已将该项技术大量应用于空间飞行器的各种实施展开、驱动、精 密指向、扫描、空间机器人活动关节等运动机构上,并已推广应用到地面雷达天线 、通讯、电子、医疗器械、工业机器人、仪器仪表等多种行业中, 获得了巨大的军事收益和社会效益7 虽然国内外学者几乎对该领域所有问 题都进行过不同程度的研究，但仍有大量的基础性工作有待开展。作为决定传动寿 命的柔轮疲劳强度的研究问题一直是研究谐波齿轮传动的重心。谐波传动有三 个基本运动构件刚轮、柔轮和波发生器，如图 1示，作为中间挠性构件传递运动和动力的柔轮是其中最关键的元件。其结构形式决定着谐波传动的承 载能力、传动性能、结构尺寸、使用寿命和加工工艺性等等。根据使用实践和 试验研究，谐波齿轮传动最主要的失效形式是柔轮的疲劳断裂，因此，对 于谐波齿轮中柔轮的进一步研究已经 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 图 1大件结构示意 非常必要。由于谐波减速器有众多的优越性 ，因此谐波传动得到了广泛的应用。但是目前谐波齿轮传动技术中还存在一些 尚未解决的问题，特别是国内谐波齿轮的问题更为突出。例如：谐波传动不适 用于小速比的传动，由于速比过小，柔轮的径向变形量增大，容易疲劳破坏； 柔轮和波发生器的加工困难；对柔性轴承的材料及制造精度要求较高；杯形柔 轮虽然应用广泛但是轴向尺寸大；柔轮在苛刻条件下 (如高低温环境 )容易失效11对于谐波齿轮传动在空间环境中的应用来说，柔轮的轴向尺寸大和柔轮 在高低温环境下容易发生强度破坏是两个比较明显的问题。 目前针对柔轮轴向尺寸大的问题，国 外谐波齿轮传动多采用短杯柔轮，其体积小，重量轻、承载能力高；而国内的短杯 谐波齿轮存在着轴向尺寸大，承载能力不高的缺点。国内的短杯谐波技术还处 于研发阶段，没有成熟的产品。国外虽然有短杯柔轮，但是由于各国所采用的 标准不一致和技术上的封锁，并考虑到进口产品价格昂贵等因素，所以研究开 发出可以满足我国在紧凑空间环境中尺寸小，承载能力相对较大的特殊形状的 谐波减速器对推动我国谐波减速器在宇航空间中的应用具有重要的意义。 内外研究现状 波传动的国外研究现状 1955 年,美国的 C. W. 成了世界上第一台谐波减速器, 这标志着谐波齿轮传动技术的产生。 在随后的几十年里,世界各 工业比较发达的国家都有学者致力于这种新型传动技术的研究,特别是在美国、 前苏联和日本等一些工业发达国家,谐波传动技术发展迅速,处于世界 领先水平。近年来,德国、法国、英国、瑞士、瑞典及意大利等西欧国家也开始对 谐波传动的基础理论进行系统的哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - 研究。 美国是第一个将谐波减速器应用 于空间飞行器的国家。 1962 年,美国 讯卫星上,从此拉开了谐波减速器应用于空间飞行器的序幕。目前,美国谐波驱动科技公司 是该国制造、生产谐波减速器的主要公司。该公司成立于 1955 年,是谐波减速器发明者 C. 授所在的公司。 目前该公司主要生产两大类别 7 个系列的谐波减速器产品,已为 000 台以上的谐波减速器用于空间飞行器,包括 国有专门研制空间飞行器用谐波驱动机构 (包括驱动电机、谐波减速器和角度传感器合成的一体化产品 )的公司,如美国波宇航公司、马克公司和斯塔尼公司等。它们主要研制应用于空间环境的太阳翼驱 动机构、天线指向机构、各种有效载荷驱动、扫描机构、行星着陆器行进 轮驱动机构、空间机器人关节等。 日本谐波齿轮传动技术主要在谐波齿轮传动 株式会社内研制,这是一家专门生产谐波齿轮传动装置的专业公司, 生产技术主要从美国引进。该厂生产的杯形柔轮的结构特点是壁厚很薄长度与直径之比只达 宽很宽,约占柔轮总长度的 30%，如图 1示，组合件中的波发生器全部采用椭圆盘薄壁轴承结构。据介绍,薄壁轴承的保持 架目前仍由美国进口,采用尼龙夹玻璃纤维材料制造 (美国专制 )。两种型式组合件中的波发生器和输入轴的联结方式是不同的。在平型组合件中,波发生器 椭圆盘通过凸键与输入轴联结起来。在杯形组合件中,波发生椭圆盘 通过一个中间轴套与输入轴联结。 椭圆盘的里侧端面上做有凸键,中间轴套法兰外缘制有键槽,从而, 椭圆盘可以相对于输入轴在其长轴方向上作径向浮动动作,有利于 提高谐波传动工作的平稳性。 图 1本的谐波减速器 苏联从上世纪 60 年代初期开始,也大力开展这方面的研制工作,如苏联机械研究所,莫斯科鲍曼高等工业学校、 列宁格勒光学精密机械研究所、全苏减速哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 器研究所、基辅减速厂、莫斯科建筑 工程学院,都在从事这方而的研究工作。他们除在谐波传动的类型、结构、应用方面有较 大发展外,更主要的是在基础理论如啮合原理、强度、电磁、液压、气动、润滑、摩擦磨损,计算技术、真空技术等基础学科在该领域中的应用方面也较系 统地、深入地进行了试验研究。 值得注意的是对谐波传动一向不太重视的西欧一些 国家,如西德、法国、英国、瑞士、瑞典等国。近年来除在卫星、 机械人、数控及等采用谐波传动外,对谐波传动的基础理论也在迸行系统的研究。 如瑞典最近研制的能取代进步电机的一种新型气动谐波传动就是 一个明显的例子。 总之,近年来由于各国对 谐波传动广泛深入的研究和空间技术、 能源、 仿生、海洋开发等新兴科学技术发展的迫切需要, 更促进了它的发展,并扩大了它的应用范围。据报导, 目前除上述新兴科技领 域内得到广泛应用外,在飞机、通讯、雷达、汽车、坦克、造船、机床、仪表、起重 运输、轧钢、印刷机械等部门中的应用也在日益扩大。使用证实, 无论作为高灵敏度随动系统的精密谐波传动装置,还是作为传递大扭矩的动力传动装置 ,都为传动技术开辟了新的途径。 国外比较特殊的短杯柔轮结构有 种，如图 1示。 图 1外常用杯形柔轮结构 波传动的国内研究现状 我国的谐波齿轮传动技术由上海纺织科学研究院的孙伟工程师于 1961 年介绍入我国。自此，我国也积极 引进并研究发展该项技术， 1983 年成立了谐波传动研究室， 1984 年“谐波减速器标准系列产品”在北京通过鉴定， 1993 年制定了 14118波传动减速器标准，并且在理 论研究、试制和应用方面取得了较大的成绩，成为掌握该项技术的国家之一14。到目前为止，我国已有北京谐波传动技术研究所、北京中技克美谐波 传动有限责任公司、北方精密机械研究所、燕山大学、北京工商大学等几十家 单位从事这方面的研究和生产，哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 为我国谐波传动技术的研究和推广应用打 下了较为坚实的基础。如图 1-4 a)和1-4 b)所示 a) 杯 形筒状柔轮结构 b) 环状柔 轮结构 图 1京中技克美公司杯形和环形谐波减速器 为北京中技克美公司所生产的杯 形和环形谐波减速器三大件 。 我国对谐波传动技术的研究虽然起步 较晚，但经过几十年的发展，也取得了一定的成果。其中早期西北工业大学的沈允 文教授和北京中技克美谐波传动公司的李克美工程师研究较早，成果也较为显 著。他们翻译了国外多种谐波传动书籍15,16， 并发表了过于关于柔轮应力强度计算17,18、 谐波传动载荷分布19、谐波传动轮齿侧隙20等多篇论文。近期，北京工商大 学的辛洪兵教授对谐波传动的各个方面进行了较为深入的研究， 其研究范围涉及谐波传动的齿形21、传动比极限22、柔轮材料23、柔轮齿圈的应力24等各个方面。国内的其他学者也对谐波齿轮传动中柔轮的变形、柔轮成型技术 和谐波传动间的润滑等问题进行了研究25得出了一定的结论。 但是我国的谐波传动技术与国外相比 还有一定的差距，特别在短杯谐波的研制和在空间机构环境中的应用方面差距更大 。近年来我国也开始研制短杯柔轮的谐波减速器29，但是目前还处于研发阶段， 还未见有产品应用的实例。国内外柔轮结构比较如图 1-5 a)和 1-5 b)所示。 其主要参数的比较如表 1示16。 a) 国产杯形柔轮 b) 图 1内外柔轮结构比较 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - 表 1内外谐波减速器主要参数比较 (转速 1500r/比 100) 外径 (国外 70 85 110 135 170 外径 (国内 70 85 110 135 170 长度 (国外 14 17 22 27 33 长度 (国内 50 55 70 95 110 转距 (国外 57 110 233 398 686 转距 (国内 33 55 132 265 495 从表 1以清楚地看出：我国杯形柔轮 的轴向尺寸比国外短筒柔轮的轴向尺寸要大的多，而承载能力反而比较小。国 外短筒柔轮谐波齿轮传动装置的体积仅是我国相同外径产品的 30%左右，而承载能力(转矩)却是我国相同外径产品的 2 倍。 哈尔滨工业大学在杯形短筒柔轮也有 一定的研究，针对谐波传动中杯形柔轮轴向尺寸大和柔轮在苛刻条件下 (如高低温环境 )容易失效的缺点进行了研究，优化出一种能够在较小空间中使用的短筒 杯形谐波柔轮，通过以柔轮的体积和传动效率为目标函数，以柔轮模数 m、柔轮筒长 l、齿圈壁厚 1、光滑圆筒壁厚 、齿宽 b 为设计变量，建立约束条件。借助于 化工具箱，通过编写优化程序和界面，对杯形谐波柔轮进行 了结构参数优化，之后通过一具体型号 (32 机型 )进行优化，并与常规的同型号杯形柔 轮进行了性能比较。得出了在同样满足效率和传动力矩的 前提下使柔轮的轴向尺寸减少了 30%左右，并对常规的谐波减速器和优化后的短杯谐波减速 器进行了试验对比分析，测试对比了效率、启动力矩、超载能力等，通过对比 得出了优化后的短杯谐波减速器的性能满足了要求。这样使得国内在相同的承 载力情况下轴向尺寸大的问题得到了初步的解决。 题的来源及主要研究内容 题来源 本课题来源于国家高技术研究发展计划 (863 计划 )苛刻条件下移动载体驱动轴转向轴非正交传动车轮系统。 要研究内容 本课题在对谐波传动及齿轮传动相关知识熟练掌握的基础上，主要完成以下几个内容：确定非杯形柔轮的结构、对 柔轮的结构参数进行影响分析、复合式谐波减速器的结构设计、复合式谐波减 速器的传动比、承载能力、传动效率哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 7 - 的性能分析、对复合式谐波减速器的传动 效率、启动力矩、跑合温升进行试验研究。 (1)针对目前应用广泛的杯形柔轮轴向尺寸大的特点 ，确定三种非杯形结构的柔轮方案， 并通过 言对不同结构的柔轮进行参数化建模，分析包括传统杯形柔轮结构在内的四种柔 轮在相同机型、相同轴向尺寸条件下的应力情况，然后对性能较好的柔轮结构 的各个尺寸参数做影响分析，并在热与结构耦合情况下进行接触分析。 (2)分别对复合式谐波减速器的两大核心部分： 行星齿轮机构、谐波减速机构进行设计，同时对设计结果作强度分析 ，然后结合两大核心部分的设计，完成对复合式谐波减速器的设计。 (3)针对所设计的复合式谐波减速器的具体结构参数， 对传动比、 承载能力、传动效率等参数做性能分析。分别分析两 大核心部分各自的性能参数的影响，并给出复合式谐波减速器的性能分析表。 (4)使用对现有试验台改造后的设备，对所 加工的样机作传动效率、启动力矩、跑合温升测试实验，通过与常用柔轮 结构的谐波减速器的比较，验证复合式谐波减速器的优越性能。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 8 - 第 2章 新型结构柔轮及其结构参数对性能的影响分析 通过对传统杯形结构的柔轮与新型结 构柔轮的不同结构方案的分析比较，确定出一种较优结构的柔轮。针对 这种较优结构形状的柔轮，按照 40 机型相对应的各个尺寸边界条件，利用 言进行参数化建模，对所建立的数学模型中各个尺寸参数的变化对柔轮应 力和位移的影响进行分析，得出各个尺寸参数对柔轮影响的变化曲线。并对柔 轮进行热与结构耦合的有限元分析，确定温度对柔轮所受最大等效应力以 及最大变形量的影响。 种结构柔轮的方案研究 传统的杯形结构的柔轮在当前的谐波 减速器中应用极其广泛，具有结构简单、联接方便、制造容易、刚性 较大的特点，具体的结构示意图如图 2示。但是就目前的产品来说，传统杯形的柔轮结构 的轴向尺寸大的问题没有得到很好的解决，相比于国外相同机型的产品，还是 存在较突出的体积大的缺点。这也大大的限制了谐波减速器在小 空间中的应用。 图 2形柔轮结构图 针对传统杯形柔轮的轴向尺寸较大的 问题，本课题设计了三种不同于传统杯形结构的柔轮：直角圆弧回形 结构的柔轮结构示意图如图 2-2 a)所示、三维模型图如图 2-2 b)所示； “之”字结构的柔轮结构示意图如图 2-3 a)所示、三维模型图如图 2-3 b)所示；直角直线回形结构的柔轮结构示意图如图 2-4 a)所示、三维模型图如图 2-4 b)所示。这三种结构的特殊点在 于改变了传统柔轮的杯筒和杯底结构，呈现回折的趋势。因此，这种提 高了谐波减速器可用于结构紧凑的宇航机构。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 9 - 柔轮结构图 b) 柔轮三维模型图 图 2角圆弧回形柔轮 柔轮结构图 b) 柔轮三维模型图 图 2之”字结构柔轮 柔轮结构图 b) 柔轮三维模型图 图 2角直线回形柔轮 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 10 - 统杯形结构柔轮与新型结构柔轮的性能比较 轮有限元分析模型的简化 整个柔轮壁厚是由两种厚度组成，齿圈壁 厚和光滑圆筒壁厚。齿圈壁厚的抗弯刚度约为齿根处光滑环抗弯刚度的 ， 又因为齿圈壁厚抗弯刚度与壁厚的三次方成正比，所以可以对轮齿进行 等效，= 倍。 以 32 机型的结构参数为例，在 进行建模，然后导入 件中，分析完成的简化前接触模型 的等效应力云图和变形云图如图 2示， a) 简化前接触模型的等效应力云图 b) 简化前接触模型变形云图 图 2化前接触模型的等效应力、应变云图 简化后的等效应力云图和变形云图如图 2示， a) 简化后接触模型的等效应力云图 b) 简化后接触模型变形云图图 图 2化后接触模型的等效应力、应变云图 根据以上的柔轮的变形云图和应力云图的分析结果，进行数据比较，在没有等效齿之前柔轮的最大变形和最大等效应力分别是： = 对齿进行简化之后的柔轮的变形和应力哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 11 - 云图分别是： 对误差较小，而且变形云图和应力云图的分布也极其类似，这也验证了等 效公式的可用性，本文后续的有限元分析也将沿用这一简化结论30。 同结构柔轮的比较分析 对于 中所提出的三种不同于传统杯形 柔轮的结构，本节利用 1在基本结构尺寸参数相同的情 况下，对不同结构柔轮所受的最大等效应力和最大变形量进行比较，来 分析包含传统杯形结构柔轮的四种柔轮结构的优劣性，最终得到 四种结构柔轮的性能排序。 (1) 32 机型的比较 现阶段投入生产的杯形结构柔轮的 32 机型的轴向尺寸为 L=31将其它三种结构柔轮的轴向尺寸 L 也设为 31余结构参数如齿圈壁厚、圆筒壁厚等均相同的情况下，得到的有 限元应力、变形云图如图 2“之”字柔轮为例 )所示，分析结果如表 2示。 由表 2以看出， 相同轴向尺寸的四种结构中， 直角直线回形结构和 “之”字结构的最大等效应力和最大变形量都要小于 直角圆弧回形结构和传统杯形结构，从四种结构的柔轮应力、应变分析结果来 看，直角直线回形结构为四种结构中较好的，其次分别为： “之”字结构、直角圆弧回形结构 、传统杯形结构。 a) 32 机型“之”字柔轮应力云图 b) 32机型“之”字柔轮变形云图 图 22 机型“之”字柔轮有限元应力、变形云图 表 22 机型四种结构分析结果 内容 最大等效应力 (最大变形量 (传统杯形结构 角圆弧回形结构 之”字结构 角直线回形结构 尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 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