为评价齿廓方案的负载传动性能,提升负载传动能力,建立有限元分析(Finite Element Analysis,FEA)仿真模型,揭示了输出端扭转刚度与负载啮合特性的关系。构造三圆弧柔轮齿廓,调整柔轮齿廓的径向变位系数,使柔轮齿廓啮合运动的外包络重叠量最小化,并基于外包络用包络法设计了三圆弧平面齿廓刚轮;在多个横截面内构造径向变位的三圆弧柔轮齿廓,在有限元环境下轴向放样生成柔轮空间齿廓,建立了包含平面齿廓刚轮、空间齿廓柔轮和波发生器外圈的有限元仿真模型;固定刚轮,对柔轮杯底法兰施加不同幅值和转向的负载转矩,仿真计算了啮合力分布与扭转刚度滞回曲线;通过建立啮合齿数与刚度特性的关系,揭示了扭转刚度特性与齿面啮合特性之间的关系。仿真结果表明,啮合齿数与扭转刚度成正相关;使用可测量的扭转刚度迟滞曲线,可以估算啮合齿数等不可测...

现有理论认为变形后柔轮齿圈中性线为整圈贴合凸轮轮廓的等距线,未考虑配合间隙和中面伸长的影响。为揭示配合间隙装配状态下柔轮的力学特性和齿圈变形后的轮齿定位,以椭圆凸轮波发生器为例,考虑柔轮内壁与波发生器外圈间隙和柔性轴承游隙引起的配合间隙及齿圈中面伸长,建立了柔轮齿圈变形的接触力学模型;引入变形后包角为未知参数,依据包角内用椭圆等距线表示的齿圈中线的曲率及力平衡条件确定齿圈内力;根据短轴处的位移条件和包角处的曲率条件及弧长关系,运用能量法迭代计算了包角、非接触区的大小及齿圈的内力和变形。以有限元模型结果为参照,对比验证了理论结果和轮齿定位偏差。理论分析和数值模拟均表明,受中面伸长的影响,零间隙配合的实际包角远小于90°,整圈贴合凸轮并不符合实际;降低配合间隙可有效增大轴承承载区,...

鼓形齿可改善齿面间的啮合状态,提高谐波齿轮的负载能力。为揭示鼓形径向修形形成的变厚度齿圈柔轮的变形规律,提出了变中面半径齿圈的空间变形理论计算方法。推导出轴向中面半径变化的齿圈中线的径向、周向及转角位移公式。建立了包含真实齿廓的参数化实体单元杯形柔轮有限元模型,通过接触分析计算了齿圈轴向前、中、后横截面内的中线变形;齿圈各截面的有限元结果与理论值吻合良好。通过与等厚度齿圈模型对比,研究了变厚度齿圈的空间变形特征。结果表明,变厚度齿圈加剧了母线的非线性特征;从中截面到后截面的长轴区母线和从前截面到中截面的短轴区的母线非线性特征更显著。

为实现齿轮齿圈的径向平面变形和齿廓间的平面啮合,依据圆柱壳理论的几何方程,提出钟形筒体与齿圈连接处的变形条件;建立参数化钟形柔轮壳体接触模型,迭代求解实现齿圈平面变形的钟形曲线的几何条件,即齿圈中面半径和钟形曲线半径比值与钟形曲线中心角的关系,并用五次样条曲线拟合表达。求解满足齿圈平面变形时筒体和杯底连接处的变形条件,并依据圆形薄板理论提出杯底变形及应力的计算方法。研究发现,从动轴半径大于0. 65倍杯底半径时,钟形柔轮杯底应力随从动轴半径的增加呈指数级增大;但实现齿圈平面变形的钟形曲线几何条件与从动轴半径无关。

为更真实地反映负载工况下谐波齿轮的啮合特性,提出了一种基于空载侧隙和周向线性啮合刚度的理论迭代算法,用于计算随负载变化的负载侧隙和啮合力分布。利用精确算法计算了装配状态下的空载侧隙;建立了三维实体单元的柔轮有限元模型,在柔轮齿上逐一施加啮合力,利用接触分析求解了双圆盘波发生器作用下反映柔轮齿廓啮合点周向刚度特性的啮合刚度矩阵;根据装配状态下的空载侧隙,迭代计算了在逐步增大的刚轮转动位移下的负载侧隙、啮合力及负载扭矩。由于理论算法无法考虑啮合刚度的非线性影响,为验证本文算法,利用有限元非线性接触分析方法,通过定义齿廓间的接触关系,数值求解了负载侧隙和啮合力。对比研究表明：在额定工况下,理论算法给出的啮合力分布与有限元分析结果基本吻合,但当负载较大时,理论算法的啮合刚度偏大,造成啮...

为更真实地反映谐波齿轮的侧隙分布,改进侧隙算法中柔轮齿根的定位方式,建立坐标变换下的齿廓方程以代替原有侧隙算法中的齿厚方程,提出基于周向位移定位和弧长定位的侧隙计算方法,建立含渐开线齿廓的平面齿圈实体有限元模型,获得空载啮合状态下侧隙分布。将理论计算的侧隙值与有限元模型计算的侧隙值比较发现,两者所得结果一致性较高。同时为了揭示侧隙偏差的来源,获取了有限元模型柔轮中性层的径向位移、周向位移和法线转角,并求解了周向位置极角。与理论算法结果比较发现,柔轮齿根周向位移偏差是引起侧隙偏差的主要因素。

随着谐波齿轮长径比的减小,柔轮筒底的应力会急剧上升。为降低超短筒柔轮筒底应力,建立参数化杯形和礼帽形柔轮实体有限元模型,分别计算了装配状态和负载工况下柔轮最高应力及其分布规律。对比计算长径比、膜板宽度和倒圆半径等几何参数对柔轮筒底最高装配应力和负载应力的影响规律。研究发现,超短筒杯形柔轮适用于小负载传动,超短筒礼帽形柔轮更适用于大负载传动;礼帽形柔轮更易于通过增大膜板宽度减小筒底应力。