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1.本发明涉及谐波减速器技术领域,具体公开了一种谐波减速器柔轮的三维齿形设计方法,尤其涉及一种改变柔轮齿圈轮缘厚度的谐波减速器柔轮的三维齿形设计方法。
2.谐波减速器主要由柔轮、刚轮和波发生器组成,是一种依靠柔轮在波发生器的作用下产生周期性可控弹性变形来实现轮齿啮合运动,完成运动与动力传递的减速装置,具有传动比大、传动比范围广、精度高等一系列优点。无论是作为高灵敏度随动系统的精密传动,还是作为传递大负载的动力传动,都能表现出了良好的传动性能。
3.由于谐波减速器结构特点,刚轮的齿形沿齿向具有相同的形状,为一正齿轮,柔轮与波发生器装配后,齿圈部位在波发生器的作用下成近似椭圆形状,柔轮杯底部位与输出轴固连不发生变形,保持圆形,形成了柔轮从杯口到杯底的锥度变形现象。针对上述现象,为了避免刚轮齿廓与柔轮齿廓的装配干涉与啮合干涉,需要对柔轮齿圈不同截面的齿廓施加变位量h,即改变柔轮齿圈轮缘的厚度。
4.有鉴于此,本发明为了解决现有谐波减速器装配状态下柔轮齿廓与刚轮齿廓的无侧隙接触设计方法,存在柔轮与刚轮承载啮合时极易发生啮入啮出干涉现象,影响谐波减速器运行可靠性以及使用寿命的问题,提供一种谐波减速器柔轮的三维齿形设计方法,充分考虑载荷工况下柔轮齿圈的周向拉伸位移量,对柔轮齿圈不同截面的齿廓施加变位量h,即改变柔轮齿圈轮缘的厚度,达到避免谐波减速器啮合干涉的问题。
9.s3:依照谐波减速器传动轮齿运动规律,计算出装配状态下不同极角下柔轮齿廓与刚轮齿廓的最小啮合侧隙cx;
10.s4:计算由于波发生器部件间配合间隙(主要是滚子与内外圈的游隙)和波发生器与柔轮内壁配合间隙产生的柔轮周向位移量v
11.s5:计算由于柔性轴承滚子与内外圈沟道的弹性接触变形所产生的柔轮周向位移
12.s6:计算柔轮受到齿面啮合力后,中性层曲线由于拉伸作用引起周向位移v
13.s7:计算由于柔轮杯体扭转影响,柔轮齿圈各截面相对主截面的周向位移改变量v
14.s8:计算考虑以上因素后的,柔轮齿圈不同截面在不同共轭角度处所需预留的最小啮合侧隙量v
15.s9:采用数值迭代计算方法,判断计算截面最小啮合侧隙cx的大小,求解出柔轮齿
16.s10:对步骤s9计算得到的不同截面的变位量h采用最小二乘法圆弧拟合,获得适用于柔轮滚削加工的变位曲线中柔轮齿廓在柔轮中性层曲线处建立坐标系s
进一步,步骤s3中啮合侧隙是指谐波齿轮装配后可能接触的啮合齿面之间的最短距离,通常以空载情况下,柔轮工作齿面与刚轮工作齿面之间的周向侧隙ab来表示,考虑到谐波齿轮啮合过程的周期性与对称性,以柔轮转角β∈[0,π/2]时的周向侧隙来反映整个传动过程中的啮合侧隙。其计算原理为:在刚轮坐标系s
进一步,步骤s4中波发生器部件间配合间隙δ主要包含柔性轴承的游隙δ1和柔轮和轴承外圈接触面之间的配合间隙δ2[0028]
进一步,步骤s5中柔轮轴承滚子与内外圈沟道的弹性接触变形所产生的柔轮周向位移为
为负载下柔轮轴承的最大接触变形量,波发生器的柔性主要是柔轮轴承滚子与内外圈沟道的弹性接触变形造成的径向位移w
,该位移取决于柔性轴承滚子的接触力以及沿波发生器圆周方向力的分布,符合
进一步,步骤s6中柔轮受到齿面啮合力后,中性层曲线会由于拉伸作用引起周向位移v
进一步,步骤s7中柔轮杯体由于载荷作用发生扭转后,对轮齿的相对位置分析起作用的并不是扭转引起的点位移,而是引起的柔轮母线的转角λ
式中:l0为主截面距柔轮杯底的轴向距离,l为待计算的截面距柔轮杯底的轴向距离。
进一步,步骤s8中在三维齿形设计中,不同截面在不同的共轭角度处所需预留的啮合侧隙量v
进一步,步骤s9中判断计算截面最小啮合侧隙cx大小的方法为:若cxv
+δ1(δ1取为比柔轮齿的加工精度小的值),则h=h+δ2(δ2为迭代的增量步大小);若cxv
+δ1,则迭代结束。如此迭代,求出该截面的柔轮齿变位量大小,为提高计算效率,后一截面的柔轮齿初始变位量h应为前一截面计算得到的变位量h。
本发明所公开的一种谐波齿轮柔轮三维齿形设计方法,相较于现有的研究成果,考虑了谐波齿轮装配时不同部件的配合间隙和负载引起的接触变形以及柔轮杯体的扭转和周向拉伸等因素影响,计算了柔轮齿圈在保证谐波传动不发生啮合干涉的情况下不同截面所必须预留的最小啮合侧隙,得到了不同柔轮齿圈的不同截面的齿廓变位量。本发明得到了柔轮三维齿形设计的变位曲线,基于该变位曲线,保证了谐波齿轮传动在额定负载下不会出现啮合干涉,同时降低了谐波齿轮的齿面磨损,提高了谐波齿轮的承载能力。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述,并且在某种程度上,基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的,或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
本发明所要解决的技术问题是提供一种谐波减速器柔轮三维齿廓设计方法;该方法是建立在已经有谐波减速器二维齿形参数的前提下,为了避免谐波减速器传动啮合干涉现象,考虑载荷工况下柔轮齿圈的周向拉伸量,计算出柔轮齿圈不同截面变位量h,得到柔轮的三维变位曲线]
步骤1、图1是谐波齿轮柔轮二维齿廓示意图,在柔轮中性层曲线处建立的坐标系s
步骤2、图2是谐波齿轮刚轮二维齿廓示意图,在刚轮回转中心为原点建立的坐标系s
步骤3、啮合侧隙是指谐波齿轮装配后可能接触的啮合齿面之间的最短距离,通常以空载情况下,柔轮工作齿面与刚轮工作齿面之间的周向侧隙ab来表示,如图3所示,考虑到谐波齿轮啮合过程的周期性与对称性,以柔轮转角β∈[0,π/2]时的周向侧隙来反映整个传动过程中的啮合侧隙。其计算原理为:在刚轮坐标系s
柔轮的间隙δ主要包含柔性轴承的游隙δ1和柔轮和轴承外圈接触面之间的配合间隙δ2[0074]
步骤5、波发生器的柔性主要是柔轮轴承滚子与内外圈沟道的弹性接触变形造成的径向位移w
,这种位移取决于柔性轴承滚子的接触力以及沿波发生器圆周方向的力的分布,一般认为w
根据文献“load analysis of flexible ball bearing in a harmonic reducer”,xiong y,zhu y,yan k.journal of mechanical design,2020,142(2):022302计算得到。因此,由于柔性轴承接触变形引起的周向位移为
步骤6、柔轮受到齿面啮合力后,中性层曲线会由于拉伸作用引起周向位移量v
根据文献“m.h.伊万诺夫.谐波齿轮传动[m].北京:国防工业出版社,1987.”计算得到
步骤7、柔轮杯体由于载荷作用发生扭转后,对轮齿的相对位置分析起作用的并不是扭转引起的点的位移,因为它们在同一截面内沿圆周方向是相同的,而是引起的柔轮母线的转角λ
式中:l0为主截面距柔轮杯底的轴向距离,l为待计算的截面距柔轮杯底的轴向距离。
步骤8、在三维齿形设计中,不同截面在不同的共轭角度处所需预留的啮合侧隙量v
步骤9、图5为柔轮齿圈各截面齿廓变位量h的计算流程图。判断计算截面最小啮合
+δ1(δ1取为比柔轮齿的加工精度小的值),则h=h+δ2(δ2为迭代的增量步大小);若cxv
+δ1,则迭代结束。如此迭代,求出该截面的柔轮齿变位量大小,为了提高计算效率,后一截面的柔轮齿初始变位量h应为前一截面的计算得到的变位量h;图4为本发明谐波减速器中前截面、主截面、后截面定义图;图6~8为变位后的前截面、主截面、后截面的运动仿线计算得到的不同截面的变位量h采用最小二乘法圆弧拟合,获得可适用于柔轮滚削加工的变位曲线为柔轮变位曲线]
以上所述的仅是本发明的实施例,方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出,对于本领域的技术人员来说,在不脱离本发明结构的前提下,还可以作出若干变形和改进,这些也应该视为本发明的保护范围,这些都不会影响本发明实施的效果和本发明的实用性。
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