驱动桥壳设计,基于ANSYS的杯形柔轮结构参数对柔轮应力的敏感度分析

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由于谐波齿轮柔性轴承中滚珠的离散布置,柔性轴承的外环支撑在许多离散的滚珠上,类似一个多支点梁。这时由于柔性轴承外环有载荷N的作用,势必引起附加的弯曲应力。这对于大直径柔性轴承来说,由于其跨距大,由此引起的附加弯曲应力也较大。

驱动桥壳的主要功用是支撑汽车质量,并承受由车轮传来的路面的反力和反力矩,并经悬架传给车架;它又是主减速器、差速器、半轴的装配基体驱动桥壳应满足如下设计要求:1)应具有足够的强度和刚度,以保证主减速器齿轮啮合正常并不使半轴产生附加弯曲应力.2)在保证强度和刚度的前提下,尽量减小质量以提高汽车行驶平顺性.3)保证足够的离地间隙.4)结构工艺性好,成本低.5)保护装于其上的传动部件和防止泥水浸入.6)拆装,调整,维修方便.一.驱动桥壳结构方案分析驱动桥壳大致可分为可分式、整体式和组合式三种形式。1.可分式桥壳可分式桥壳(图1)由一个垂直接合面分为左右两部分,两部分通过螺栓联接成一体。每一部分均由一铸造壳体和一个压入其外端的半轴套管组成,轴管与壳体用铆钉连接。

前言杯形谐波减速器依靠薄壁柔轮的弹性变形来进行传动,具有传动比大、体积小等优点,在各种机器人及精密机械传动等方面具有广泛的应用,而且在宇航空间机构中也得到越来越多的应用。如果能够进一步减小谐波减速器的体积,那么宇航空间机构中传动机构的体积也将减小,从而降低整个宇航空间机构的体积和质量。为了满足空间环境、机器人、伺服控制系统等对谐波减速器中柔轮轴向尺寸小的要求,日本、美国和俄罗斯等国展开了研究,并取得了相应的成果。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,短杯柔轮的谐波减速器目前处于研发阶段,未见有产品应用的实例。决定杯形谐波减速器寿命的核心部件是薄壁柔轮,JOHN减小杯形谐波减速器的体积也主要是通过缩短柔轮的长度来实现,因此,研究柔轮的关键结构参数对柔轮的应力影响规律是对柔轮结构进行优化设计和改进的重要前提条件,同时也是综合分析柔轮应力的基础;在不同的温度下分析柔轮的热和结构耦合应力,确定谐波传动能够承受的环境温度,可为杯形谐波传动应用于宇航空间机构提供依据。预期通过基于ANSYS的杯形柔轮结构参数对柔轮应力的敏感度分析,确定短杯柔轮各主要的参数的取值范围,然后利用优化设计得到短杯柔轮的结构参数,按照该参数加工出一套短杯谐波减速器,对其性能进行试验测试,并将试验结果与正常杯形的谐波减速器进行比较,期望得到町用于实际工况的短杯谐波减速器。因此,分析柔轮关键结构参数对柔轮应力的影响以及热与结构耦合情况下柔轮的接触应力分析具有重要意义。1 柔轮与波发生器参数化等效接触模型1.1参数化等效接触模型的开发如果对不同型号的柔轮与波发生器进行有限元接触分析,以及改变柔轮关键结构参数对柔轮最大等效应力的影响分析,总共需要计算分析几十次。如果每分析一次就建立一个新模型进行单元类型定义、网格划分、施加约束和载荷,最后进行分析,那么分析的工作量是不可想象的。因此,有必要对柔轮和波发生器的接触模型进行参数化建模,并自动完成网格划分和分析。如果建立的接触模型是带有轮齿的,那么网格划分、计算的工作量也是很大的,因此,需要对柔轮的轮齿部分的壁厚进行等效处理。对于柔轮轮齿部分壁厚的等效处理方法是,采用将轮齿部分简化为具有一定厚度的光滑圆环来代替轮齿部分的壁厚。齿圈壁厚处的抗弯刚度约为齿根处光滑环处的1.67倍。因为齿圈壁厚处的抗弯刚度与壁厚的三次方成正比,所以,可以对齿圈壁厚进行等效,等效后的齿圈壁厚应为齿根处光滑环壁厚的倍。柔轮在静载时属于空间对称和载荷对称情况,所以可以针对柔轮的四分之一模型进行分析,节约了计算时间。等效处理后,柔轮所受的最大应力称为柔轮最大等效应力,柔轮光滑圆筒所受最大应力称为柔轮光滑圆筒部分最大等效应力。进行有限元建模时,采用自底向顶的建模方式,这种方法是指创建模型时首先通过最低级图元关键点来创建高级图元线,再由线创建面,由面创建体的一种建模方法,这种方法的最大好处就是模型比较容易实现参数化。通过这种建模方法实现了四分之一柔轮和波发生器等效接触模型的参数化,并使用ANSYS的APDL语言编写了柔轮与波发生器参数化等效接触模型的程序。为提高计算速度,在建立ANSYS的柔轮与椭圆凸轮的接触分析模型时,通用的做法是忽略柔性薄壁轴承的影响,将波发生器看作刚体,用一个与波发生器轮廓线和轴向长度相同的刚性柱面来代替。波发生器采用椭圆波发生器形式,属双波传动,柔轮与波发生器的接触结构图如图1所示。

近年来,得益于工业机器人市场的快速发展,中国运动控制行业进入到一个快速发展的阶段。而下游需求的进一步释放,也带动上游的高速发展,包括直线导轨、滚珠丝杠、齿轮齿条、液压缸、齿轮、减速器等传动核心零部件也出现订单大幅增长的趋势,整个运控行业市场呈现出蓬勃向上的发展姿态。

弯曲力矩可用三弯矩方尽近似求解。当最大弯曲力矩求出后,则用一般方法可求出该载面上的最大附加弯曲应力。假定柔性轴承外环左边夹紧在滚珠与柔轮之间。为了简化计算,将在每个跨距中的不均匀分布的离散载荷取为均匀分布的平均载荷。跨距的平均载荷等于作用于该跨距上的离散载荷之和除以该跨距的长度,梁的右端认为是自由的,且是等跨距梁。

可分式桥壳

图1 柔轮与波发生器的接触结构图

我们都知道,工业机器人的驱动源通过传动部件来驱动关节的移动或转动,从而实现机身、手臂和手腕的运动。因此,传动部件是构成工业机器人的重要部件。而根据传动类型的不同,传动部件可以分为两大类:直线传动机构和旋转传动机构。今天,小编将和大家一起来深入学习了解。直线传动机构工业机器人常用的直线传动机构可以直接由汽缸或液压缸和活塞产生,也可以采用齿轮齿条、滚珠丝杠螺母等传动元件由旋转运动转换得到。1、移动关节导轨在运动过程中移动关节导轨可以起到保证位置精度和导向的作用。移动关节导轨有五种:普通滑动导轨、液压动压滑动导轨、液压静压滑动导轨、气浮导轨和滚动导轨。目前第五种滚动导轨在工业机器人中应用最为广泛,如图2-15所示为包容式滚动导轨的结构,用支承座支承,可以方便地与任何平面相连,此时套筒必须是开式的,嵌入在滑枕中,既增强刚度也方便了与其他元件的连接。 2、齿轮齿条装置齿轮齿条装置中,如果齿条固定不动,当齿轮转动时,齿轮轴连同拖板沿齿条方向做直线运动。这样,齿轮的旋转运动就转换成拖板的直线运动。拖板是由导杆或导轨支承的,该装置的回差较大。 3、滚珠丝杠与螺母在工业机器人中经常采用滚珠丝杠,这是因为滚珠丝杠的摩擦力很小且运动响应速度快。由于滚珠丝杠螺母的螺旋槽里放置了许多滚珠,丝杠在传动过程中所受的是滚动摩擦力,摩擦力较小,因此传动效率高,同时可消除低速运动时的爬行现象;在装配时施加一定的预紧力,可消除回差。 如图2-17所示滚珠丝杠螺母里的滚珠经过研磨的导槽循环往复传递运动与动力,滚珠丝杠的传动效率可以达到90%。4、液压缸 液压缸是将液压泵输出的压力能转换为机械能、做直线往复运动的执行元件,使用液压缸可以容易地实现直线运动。液 压缸主要由缸筒、缸 盖、活塞、活塞杆和密封装置等部件构成,活塞和缸筒采用精密滑动配合,压力油从液压缸的一端进入,把活塞推向液 压缸的另一端,从而实现直线运动。通过调节进入液 压缸液压油的流动方向和流量可以控制液压缸的运动方向和速度。旋转传动机构一般电动机都能够直接产生旋转运动,但其输出力矩比所要求的力矩小,转速比要求的转速高,因此需要采用齿轮、皮带传送装置或其他运动传动机构,把较高的转速转换成较低的转速,并获得较大的力矩。运动的传递和转换必须高效率地完成,并且不能有损于机器人系统所需要的特性,包括定位精度、重复定位精度和可靠性等。通过下列传动机构可以实现运动的传递和转换。1、齿轮副齿轮副不但可以传递运动角位移和角速度,而且可以传递力和力矩,一个齿轮装在输入轴上,另一个齿轮装在输出轴上,可以得到齿轮的齿数与其转速成反比 [式 (2-1)],输出力矩与输入力矩之比等于输出齿数与输入齿数之比 [式 (2-2)]。 2、同步带传动装置在工业机器人中同步带传动主要用来传递平行轴间的运动,同步传送带和带轮的接触面都制成相应的齿形,靠啮合传递功率。齿的节距用包络带 轮时的圆节距t表示。式中:n1为主动轮转速 (r/min);n2 为被动轮转速 (r/min);z1为主动轮齿数;z2 为被动轮齿数。同步带传动的优点:传动时无滑动,传动比准确,传动平稳;速比范围大;初始拉力小;轴与轴承不易过载。但是,这种传动机构的制造及安装要求严格,对带的材料要求也较高,因而成本较高,同步带传动适合于电动机和高减速比减速器之间的传动。3、 谐波齿轮目前工业机器人的旋转关节有60%——70%都使用谐波齿轮传动。谐波齿轮传动由刚性齿轮、谐波发生器和柔性齿轮三个主要零件组成。 工作时,刚性齿轮6固定安装,各齿均布于圆周上,具有外齿圈2的柔性齿轮5沿刚性齿轮的内齿圈3转动。柔性齿轮比刚性齿轮少两个齿,所以柔性齿轮沿刚性齿轮每转一圈就反向转过两个齿的相应转角。谐波发生器4具有椭圆形轮廓,装在其上的滚珠用于支承柔性齿轮,谐波发生器驱动柔性齿轮旋转并使之发生塑性变形。转动时,柔性齿轮的椭圆形端部只有少数齿与刚性齿轮啮合,只有这样,柔性齿轮才能相对于刚性齿轮自由地转过一定的角度。通常刚性齿轮固定,谐波发生器作为输入端,柔性齿轮与输出 轴相连。 式中:z1 为柔性齿轮的齿数;z2 为刚性齿轮的齿数。假设刚性齿轮有100个齿,柔性齿轮比它少两个齿,则当谐波发生器转50圈时,柔性齿轮转1圈,这样只占用很小的空间就可以得到1∶50的减速比。通常将谐波发生器装在输入轴,把柔性齿轮装在输出轴,以获得较大的齿轮减速比。4、 摆线针轮传动减速器摆线针轮传动是在针摆传动基础上发展起来的一种新型传动方式,20世纪80年代日本研制出了用于机器人关节的摆线针轮传动减速器,图2-21所示为摆线针轮传动简图。 它由渐开线圆柱齿轮行星减速机构和摆线针轮行星减速机构两部分组成。渐开线行星轮6与曲柄轴 5连成一体,作为摆线针轮传动部分的输入。如果渐开线中心轮7顺时针旋转,那么,渐开线行星齿轮在公转 的同时还逆时针自转,并通过曲柄轴带动摆线轮做平面运动。此时,摆线轮因受与之啮合的针轮的约束,在其轴线绕针轮轴线公转的同时,还将反方向自转,即顺时针转动。同时,它通过曲柄轴推动行星架输出机构顺时针转动。

当波发生器凸轮装入柔性轴承后,虽然谐波齿轮的输出力矩为零,但由于波发生器凸轮的作用,使柔性轴承的外环发生了变形,由此变形而引起的弯曲力矩不妨称为变形弯曲力矩。

这种桥壳结构简单,制造工艺性好,主减速器支承刚度好。但拆装、调整、维修很不方便,桥壳的强度和刚度受结构的限制,曾用于轻型汽车上,现已较少使用。 2.整体式桥壳 整体式桥壳(图2)的特点是整个桥壳是一根空心梁,桥壳和主减速器壳为两体。它具有强度和刚度较大,主减速器拆装、调整方便等优点。

对四分之一柔轮与波发生器的等效接触模型施加约束和载荷;对波发生器的内孔和柔轮的后端圆孔施加固定约束,波发生器与柔轮的四分之一两截面施加对称约束。安装波发生器与柔轮时,保证准确的过盈量,波发生器的长轴为,短轴为。其中以dn为柔轮内径,为径向变形系数,取值为l,m为柔轮模数,柔轮与波发生器的等效接触模型如图2所示。

本程序主要由三大部分组成,第一部分主要用于确定柔性轴承外环上的离散载荷,第二部分则用来计算滚珠对柔性轴承外环的作用力,而第三部分是用来计算外环的最大弯矩和最大弯曲应力。除可用于分析柔轮及柔性轴承外环的载荷的分布情况及各种参数对这些分布状况的影响之外,还可用于校核柔性轴承外环的弯曲疲劳强度。

整体式桥壳

图2 柔轮与波发生器的等效接触模型图

按制造工艺不同,整体式桥壳可分为铸造式(图a)、钢板冲压焊接式(图b)和扩张成形式三种。铸造式桥壳的强度和刚度较大,但质量大,加:上面多,制造工艺复杂,主要用于中、重型货车上。钢板冲压焊接式和扩张成形式桥壳质量小,材料利用率高,制造成本低,适于大量生产,广泛应用于轿车和中、小型货车及部分重型货车上。3)组合式桥壳组合式桥壳(图3)是将主减速器壳与部分桥壳铸为一体,而后用无缝钢管分别压入壳体两端,两者间用塞焊或销钉固定。它的优点是从动齿轮轴承的支承刚度较好,主减速器的装配、调整比可分式桥壳方便,然而要求有较高的加工精度,常用于轿车、轻型货车中。

考虑到柔轮和波发生器作用的复杂性,很难确认作用时力的分布,也很难确认柔轮内壁位移分布,因此考虑使用接触分析。柔轮和波发生器接触时,将柔轮和波发生器的装配模型视作一个“刚体一柔体”的“面一面”接触模型。波发生器作为目标面,单元类型选用Targel70,柔轮内壁作为柔性接触面,单元选用Contactl74。柔轮的最大径向变形与柔轮壁厚比大于0.2,是一个大变形非线性问题,因此求解选项设置为大变形结构分析。为了提高分析精度,防止出现不收敛,打开自动载荷步选项,并设置载荷步为4,最大载荷步为20,最小为1。图3为通过参数化界面输入参数之后生成的32机型的柔轮与波发生器等效接触模型的模型图、网格图、等效应力云图和变形云图。

组合式桥壳

图3 柔轮与波发生器的等效接触模型图、网格划分图

二.驱动桥壳强度计算对于具有全浮式半轴的驱动桥,强度计算的载荷工况与半轴强度计算的:三种载荷工况相同。图4为驱动桥壳受力图,桥壳危险断面通常在钢板弹簧座内侧附近,桥儿端郎的轮毂轴承座根部也应列为危险断面进行强度验算。 1)牵引力或制动力最大时,桥壳钢板弹簧座处危险断面的弯曲应力δ和扭转切应力τ分别为式中,Mv为地面对车轮垂直反力在危险断面引起的垂直平面内的弯矩,Mv=m’2G2b/2b为轮胎中心平面到板簧座之间的横向距离,如图4所示; 为一侧车轮上的牵引力或制动力芦Fx2在水平面内引起的弯矩, =Fx2b;TT为牵引或制动时,上述危险断面所受转矩,TT=Fx2rr;Wv、Wh、 、分别为危险断面垂直平面和水平面弯曲的抗弯截面系数及抗扭截面系数。

1.2参数化等效接触模型的验证按照上述的基本参数计算完成之后,在PRO/E中建立了与图4所示32机型谐波减速器具有相同参数、但是带有轮齿的模型,然后导入ANSYS软件中,按照前述方法进行了单元类型和材料属性定义、网格的划分、约束载荷和接触对的创建,最后进行设置求解。分析完成的等效应力云图和变形云图如图4所示。

驱动桥壳受力图

图4 柔轮与波发生器接触模型的应力云图

2)当侧向力最大时,桥壳内、外板簧座处断面的弯曲应力δi,δo分别为3)当汽车通过不平路面时,动载系数为是,危险断面的弯曲应力口为桥壳的许用弯曲应力为300~500MPa,许用扭转切应力为150~400MPa。可锻铸铁桥壳取较小值,钢板冲压焊接桥壳取较大值。(end)

通过带有轮齿的模型和等效接触模型的分析结果可见,在没有对轮齿进行等效处理时柔轮的最大变形和最大等效应力分别是0.233 666 113/11和319.241 MPa;等效接触模型的柔轮的变形和应力分别是0.252 757 mm和325.200 MPa。相对误差较小,而且变形云图和应力云图的分布也极其类似,从而验证了柔轮与椭圆波发生器参数化等效接触模型的准确性。通过上述分析可以看出,柔轮的最大应力出现在长轴附近齿宽中间的偏后侧,并且柔轮所受的应力趋势呈现近似45°斜向扩展。这与早期的柔轮疲劳断裂的试验结论是基本一致的。1.3不同型号柔轮与波发生器作用的接触分析柔轮的受力模型基于弹性薄壳理论,处在一种交变应力状态下,所受的应力为周向正应力,轴向正应力,切应力。轴向正应力相对周向正应力较小,可以忽略不计,则柔轮处在由弯矩引起的周向正应力和切应力的共同作用下,所以可以使用第三强度理论进行计算。利用第三强度理论和前面建立的柔轮与波发生器的等效接触模型,对常规25~60机形的杯形柔轮(25~60型号的杯形谐波减速器,其结构形式是一样的,只是其结构尺寸不同,其型号的定义主要是根据柔性轴承的外径,即柔轮的内径确定的,如柔性轴承的外径为40 mm,那么就叫做40型号杯形谐波减速器)进行理论经验公式计算和有限元分析。通过对理论经验公式和有限元分析计算的比较,可以看出以下几点。(1)有限元的分析结果高于理论经验公式计算结果,这是因为理论经验公式做了各种假设和简化,并且使用修正系数进行修正。数据分析结果表明,有限元分析结果的曲线变化规律与理论计算结果的变化规律基本一致,即有限元的分析结论可信。(2)随着杯形谐波柔轮型号的增加,柔轮所受的最大应力逐渐降低,寿命逐渐加长,即小型号的谐波减速器的寿命相对较低。所以在选用谐波型号的时候,如果结构尺寸允许,选择型号相对较大的谐波减速器能保证较长的寿命。2 柔轮关键结构参数对柔轮应力的敏感度分析为进行柔轮几何参数的优化设计,应首先了解柔轮各个几何参数对柔轮工作性能的影响,根据柔轮结构特点和参数取值范围,选择了对柔轮工作性能最有影响的几个参数进行分析,这些参数主要包括图1所示的柔轮筒长l、齿圈壁厚、光滑圆筒壁厚、齿宽b、柔轮圆角半径R1、R2、R3。本文以32机型为例使用自行编制的柔轮与波发生器等效接触模型的参数化程序分析各个参数对柔轮应力的敏感度。最主要的是柔轮各个关键结构参数对发生在柔轮齿圈处的最大等效应力的影响,光滑圆筒部分虽不是最大等效应力产生之处,但它也是柔轮容易发生破坏之处,另外,为了进一步与齿圈处最大等效应力形成对比,本文也给出了光滑圆筒部分最大等效应力随柔轮关键结构参数的变化曲线图。2.1筒长l对柔轮应力的影响筒长,是柔轮最为关键的结构参数,对柔轮应力影响也较为明显。本文确定32机型柔轮筒长的分析范围是11~35 mm,单独改变柔轮简长,分析结果的拟和曲线可见,随着柔轮筒长的增大,柔轮的最大等效应力呈显著下降趋势,柔轮筒长在11~20 mm区间内,也就是长径比在0.35~0.60区间,最大等效应力急剧下降;在轮筒长为20~25 mm区间时,也就是长径比为0.6~0.8区间,最大等效应力下降趋势渐缓;在大于25 mm之后,也就是长径比大于0.8以后,最大等效应力下降趋势更缓,并逐渐趋近一个恒定值。还可以看出,光滑圆筒部分的最大等效应力与齿圈部分最大等效应力具有相似的趋势。2.2齿圈壁厚对柔轮应力的影响确定32机型柔轮的齿圈壁厚的分析范围是0.25~0.70 mm,单独改变齿圈壁厚,分析结果的拟和曲线可见,柔轮齿圈壁厚增大时,柔轮最大等效应力先减少后增大,从0.25~0.40 mm是减小趋势,之后开始增加,但趋势并不是很急剧。而光滑圆筒部分的最大等效应力则几乎成直线增加的趋势。2.3光滑圆筒壁厚6对柔轮应力影响确定32机型柔轮的光滑圆筒壁厚的分析范围是0.1~0.4 mm,单独改变光滑圆筒壁厚,分析结果的拟和曲线,随着光滑圆筒壁厚的增加,柔轮的最大等效应力呈先减少后又增大的趋势,但曲线并不是很平滑。而光滑圆筒部分的等效应力则呈逐渐下降的趋势,曲线比较平滑。2.4齿圈宽度b对柔轮应力的影响32机型柔轮的齿宽的分析范围确定为5~11 mm,单独改变齿宽,分析结果的拟和曲线可见,齿宽对柔轮最大等效应力的影响是先下降后又逐渐增加趋势,但是影响程度并不是很剧烈,而光滑圆筒部分的等效应力则随着齿宽的增加呈急剧下降的趋势,到10 mm之后又有所回升,并且曲线较为平滑。这主要是因为在筒长不变的情况下,齿宽增大,相当于减小光滑圆筒部分的长度,即增大了光滑圆筒部分的刚度,所以光滑圆筒部分的最大应力随齿宽的增大而减小。2.5圆角半径对柔轮应力的影响确定32机型柔轮的圆角半径R1的分析范围为0.25~2.50 mm,R2的分析范围为0.15~3.00 mm,R3的分析范围为0.15~2.50 mm。通过比较圆角半径对柔轮最大等效应力和柔轮光滑圆筒部分最大等效应力的影响,可以看出三处圆角的变化对柔轮最大等效应力的影响不大,而三处圆角变化对光滑圆筒部分最大等效应力的影响相对较大,R1对其影响趋势是先增加后减少的趋势;R2对其呈递增趋势影响;R3除了不能小于0.25外,对其整体影响呈较为平滑趋势。但对光滑圆筒部分等效应力的影响相对于柔轮最大等效应力来说要小很多。总结32机型柔轮关键结构参数对柔轮齿圈部分和光滑圆筒部分所受的最大应力的分析结果,可以得出以下结论。(1)柔轮的结构参数中,柔轮的筒长对柔轮的应力影响最为明显,但从长径比为0.6开始应力的变化开始变得特别平缓。(2)柔轮齿圈壁厚和柔轮的光滑圆筒壁厚对柔轮的最大应力的影响趋势都不具有单调性,呈现出先减少后增加的趋势。(3)柔轮的圆角半径R3不能小于0.25,否则会造成圆筒部分的应力集中。柔轮齿宽的变化对柔轮最大应力和光滑圆筒最大应力的影响呈相反趋势。(4)柔轮的筒长、齿圈壁厚、光滑圆筒壁厚、齿圈宽度对柔轮的应力影响较为明显,敏感度较高,而三处的圆角除R3不能小于0.25之外,整体来说这三个参数对柔轮应力影响不大。对25~60型号的杯形谐波减速器也按照上述过程进行了分析,得到类似的结果。3 柔轮热与结构耦合的有限元分析当杯形谐波减速器用于宇航空间机构时,由于环境温度的变化,使得谐波减速器工作在高低温环境中。因此,对柔轮进行不同温度条件下的热与结构耦合分析,可以为柔轮在高低温环境下的失效提供一定的依据。在热与结构耦合的情况下对柔轮进行有限元接触分析涉及到柔轮与刚轮的接触问题。由于柔轮与刚轮的齿数较多,而齿也很小,平均参与啮合的齿数约为总齿数的30%~40%。如果每个接触的齿都建立接触对,那么其计算量是不可想象的。所以需要对柔轮与刚轮的接触模型进行简化。常规齿轮的轮齿进行接触的时候是在节圆处进行啮合的。柔轮受波发生器作用后完全啮合的轮齿应该刚好在节圆处啮合。所以本文把刚轮与柔轮的轮齿简化掉,柔轮与刚轮的间隙刚好是柔轮受到波发生器作用后,柔轮所伸长的最大距离。简化之后建立模型,然后分别定义柔轮、刚轮与波发生器的线膨胀系数与热导率。最后施加不同的温度载荷进行多次接触分析。在温度区间为-60~120℃情况下对32机型杯形谐波减速器的三大件进行有限元接触分析可以看出以下几点。(1)当温度从-60~120℃变化的过程中,在温度区间-60~0℃内,柔轮所受的应力基本上没有变化:从0℃开始,随着温度的增加,应力急剧增加。可以看出高温对柔轮的应力影响特别明显。(2)按照目前柔轮的常用材料,以合金钢35CrMnSiA和40CrNiMoA来说,经过热处理以后材料的屈服强度能够达到960 MPa左右,如果取安全系数为1.5,则材料的需用应力为640 MPa,那么对于32杯形的柔轮来说,工作温度应该不宜超过120℃。4 结论(1)使用有限元软件ANSYS的APDL语言开发了柔轮与波发生器的参数化等效接触模型,将模型的分析值与经验理论公式计算值进行了比较,从而验证了柔轮与椭圆波发生器的参数化等效接触模型的准确性。利用等效模型分析了25~60机型5个不同型号的柔轮在波发生的作用下所受到的应力,描述了柔轮的最大等效应力随柔轮型号的变化规律。(2)以32杯形柔轮为例进行了有限元接触分析,分析了柔轮的关键结构参数对柔轮应力的影响敏感度,为柔轮的结构参数优化设计提供了一定的依据。(3)在热和结构耦合的情况下对柔轮与刚轮的接触模型进行了简化,以32杯形谐波减速器为例进行了接触分析,给出了柔轮最大应力随温度的变化曲线。为研究柔轮在高低温环境下的失效提供了一定的依据。(end)

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