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谐波齿轮传动柔轮应力及轮齿磨损分析

作　者: 薄书信
导　师: 翟文杰
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 谐波齿轮传动柔轮有限元方法轮齿磨损离散化
分类号: TH132.43
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 208次
引　用: 4次
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内容摘要

谐波齿轮传动系统具有传动比大、体积小、重量轻、传动精度高、回差小等独特的优点,国外己将其成功地应用于航空航天、原子反应堆、高能加速器、雷达系统、机器人、军事、光学仪器以及通用机械等领域。虽然国内外学者对该领域诸多问题都进行过不同程度的研究,但许多问题至今还没有定论,有些规律没有被揭示。如谐波齿轮传动中柔轮的强度计算和谐波齿轮轮齿磨损分析等问题,仍有大量的基础性工作有待开展。因此,进一步深入研究谐波齿轮柔轮强度和轮齿磨损具有重要的意义。本文首先阐述了谐波齿轮传动的基本原理及特点,通过经验公式分析了谐波齿轮传动中柔轮在空载和负载时的变形及受力状况。研究中认为柔轮的变形与厚度之比大于0.2,是几何大变形非线性问题。根据目前国内外谐波齿轮传动已取得的研究成果和存在的问题,运用弹性理论和非线性有限元分析方法,建立柔轮的三维实体有限元分析模型,对柔轮模型和波发生器模型在接触方式下进行有限元分析,研究柔轮应力场。计算了负载传动中柔轮齿上的受载分布,对负载传动中柔轮的应力进行了分析。应用柔轮有限元分析模型,研究了柔轮的若干结构要素对柔轮应力大小的影响,根据分析结果给出了各参数的推荐值,这对实际柔轮的设计有重要参考价值。本文利用边界元的思想对轮齿的齿廓面进行磨损分析。论文在研究谐波齿轮啮合特点的基础上,建立了轮齿磨损的分析模型,并结合Archard公式推导了理论磨损量的公式,该公式考虑了接触过程中齿面上的压强、滑程和磨损系数。计算时,将齿廓线离散成一系列点,通过计算各离散点的磨损量而得到齿廓线磨损后的形状。初次啮合时,压强、摩程由渐开线几何特征确定,利用磨损公式计算出各点的法向磨损量,结合各点原来的坐标值,就可以求出磨损后各点的坐标值。再利用磨损后的坐标值和三次样条插值函数得到磨损后的齿廓方程,此时,再根据磨后齿面的几何特征重新确定压强和摩程,进行下一工作时间的磨损计算。整个工作时间内齿廓线修正次数的多少依据计算精度而定。这个公式可以计算任意工作时间后的磨损量;反过来,也可以根据轮齿的许用最大磨损量来确定谐波传动失效前的工作寿命。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-17
  1.1 课题来源与背景  9-10
  1.2 谐波齿轮传动简介  10-12
    1.2.1 谐波齿轮传动原理和特点  10-11
    1.2.2 谐波齿轮传动应用与研究简介  11-12
  1.3 柔轮应力的研究状况  12-14
  1.4 谐波齿轮轮齿磨损的研究状况  14-16
  1.5 本课题主要工作  16-17
第2章柔轮应力和轮齿磨损分析的理论基础  17-28
  2.1 柔轮应力分析的公式法  17-22
    2.1.1 柔轮在凸轮波发生器作用下产生的变形  17-18
    2.1.2 承载时柔轮的受力分析  18-20
    2.1.3 由传动载荷引起的柔轮形变  20-21
    2.1.4 柔轮中的应力  21-22
  2.2 柔轮应力计算的有限元理论基础  22-24
    2.2.1 有限元法概述  22-23
    2.2.2 接触问题有限元法的基本概念  23-24
  2.3 磨损过程分析  24-25
  2.4 磨损计算方法  25-27
    2.4.1 IBM磨损计算方法  25-26
    2.4.2 Archard磨损计算方法  26
    2.4.3 E. N. Ivsshov磨损计算方法  26-27
  2.5 本章小结  27-28
第3章柔轮应力有限元分析  28-44
  3.1 课题研究对象  28-29
  3.2 有限元模型的建立  29-33
    3.2.1 单元类型的选择  30
    3.2.2 基本模型的建立  30-31
    3.2.3 实体模型网格划分  31-32
    3.2.4 柔轮和凸轮波发生器接触对的生成  32-33
  3.3 空载时柔轮的应力分析  33-34
  3.4 负载时柔轮的应力分析  34-39
    3.4.1 渐开线方程的建立  35
    3.4.2 柔轮完整模型的建立  35-36
    3.4.3 齿上加载  36-37
    3.4.4 仿真结果  37-39
  3.5 结构参数对柔轮应力的影响  39-43
    3.5.1 三种连轴结构比较  39-41
    3.5.2 杯底连接处直径对齿圈应力的影响  41-42
    3.5.3 杯底处圆角对柔轮应力的影响  42-43
  3.6 本章小结  43-44
第4章柔轮轮齿磨损分析  44-56
  4.1 磨损模型  44-48
    4.1.1 齿上各点啮入啮出过程分析  44-46
    4.1.2 磨损公式中的参数  46-48
    4.1.3 轮齿磨损计算公式  48
  4.2 磨损后齿廓线方程的建立  48-51
    4.2.1 直角坐标系中的渐开线方程  49-50
    4.2.2 磨损后齿廓线方程的建立  50-51
  4.3 磨损计算  51-55
  4.4 本章小结  55-56
结论  56-57
参考文献  57-60
附录1  60-65
致谢  65

谐波齿轮传动柔轮应力及轮齿磨损分析

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