基于有限元的齿条近似法谐波齿轮动态性能分析

温霞; 何雪明; 王润; 牟彦铭

doi:null

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

基于有限元的齿条近似法谐波齿轮动态性能分析

更新时间：2025-12-31

- 基于有限元的齿条近似法谐波齿轮动态性能分析
- Dynamic performance analysis of harmonic gears based on finite element and rack approximation method
- 机械传动 2025年页码：1-8
- 作者机构：
  
  1.内江职业技术学院智能制造与汽车学院，内江 641199
  2.江南大学机械工程学院，无锡 214122
- 作者简介：
  
  温霞，女，1989年生，四川内江人，硕士，工程师；主要研究方向为智能制造与汽车管理、培训等；wenxia8912@163.com。
  何雪明，男，1966年生，江苏苏州人，博士，教授；主要研究方向为谐波齿轮传动、机械复杂关键零部件CAD/CAM/PLM、间歇分度凸轮机构、双螺杆压缩机、罗茨泵、逆向工程；hxueming313@163.com。
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金项目(51975251)
- DOI：
  中图分类号： TH132
- 收稿：2025-12-03，
  
  网络出版：2025-12-31，
- 稿件说明：
移动端阅览
温霞，何雪明，王润，等.基于有限元的齿条近似法谐波齿轮动态性能分析［J］.机械传动，XXXX，XX（XX）：1-8.

WEN Xia，HE Xueming，WANG Run，et al.Dynamic performance analysis of harmonic gears based on finite element and rack approximation method［J］.Journal of Mechanical Transmission，XXXX，XX（XX）：1-8.
温霞，何雪明，王润，等.基于有限元的齿条近似法谐波齿轮动态性能分析［J］.机械传动，XXXX，XX（XX）：1-8. DOI：

WEN Xia，HE Xueming，WANG Run，et al.Dynamic performance analysis of harmonic gears based on finite element and rack approximation method［J］.Journal of Mechanical Transmission，XXXX，XX（XX）：1-8. DOI：

摘要

目的

谐波齿轮是机器人传动系统的核心部件，其动态性能直接决定系统的使用寿命与运行稳定性。为探究柔轮与刚轮完整啮合状态下的动态力学特性，采用齿条近似法结合有限元仿真开展分析。

方法

采用齿条近似法推导柔轮与刚轮的齿廓数学模型；基于UG NX12.0与Visual Studio平台实现谐波齿轮的参数化自动建模；借助Ansys Workbench有限元软件，对柔轮与刚轮162个齿依次啮合的过程进行动态仿真，系统研究负载变化下柔轮最大应力的分布规律。

结果

仿真结果表明，随着负载增大，柔轮最大应力由齿根区域向周围齿面均匀分散；随着负载降低，柔轮最大应力同步递减；高负载工况下，柔轮齿根处应力集中效应显著，且该效应随负载减轻逐渐缓和。揭示了谐波齿轮啮合过程中应力分布与负载的关联规律，为谐波齿轮的结构优化设计与性能提升提供了依据。

Abstract

Objective

Harmonic gears are key components of robotic transmission systems

and their dynamic performance directly determines the service life and operational stability of the entire system. To investigate the dynamic mechanical characteristics of harmonic gears under the full meshing state of the flexible and circular spline

the analysis was carried out by adopting the rack approximation method combined with finite element simulation.

Methods

The mathematical models of the tooth profiles of the flexible and circular spline were derived using the rack approximation method. Parametric automatic modeling of the harmonic gear was realized based on UG NX12.0 and Visual Studio platforms. Dynamic simulations of the sequential meshing process of 162 teeth between the flexible and circular spline were carried out by means of Ansys Workbench finite element software

and the distribution law of the maximum stress of the flexible gear under varying loads was systematically studied.

Results

The simulation results show that with the increase of load

the maximum stress of the flexible gear is uniformly dispersed from the tooth root area to the surrounding tooth surfaces; with the decrease of load

the maximum stress value of the flexible gear decreases synchronously. Under high-load conditions

the stress concentration effect at the tooth root of the flexible gear is significant

and this effect is gradually alleviated with the reduction of load. This study reveals the correlation law between stress distribution and load during the meshing process of harmonic gears

and provides a basis for the structural optimization design and performance improvement of harmonic gears.

关键词

Keywords

references

胡时林，姚廷强，秦昊，等 . 双圆弧柔轮内部应力分布研究［J］. 机械传动， 2020 ， 44 （ 5 ）： 23 - 28 .

HU Shilin ， YAO Tingqiang ， QIN Hao ， et al . Research of internal stress distribution of double arc flexspline ［J］. Journal of Mechanical Transmission ， 2020 ， 44 （ 5 ）： 23 - 28 .

刘士攀，陈晓霞，邢静忠 . 谐波齿轮柔轮齿圈结构参数对最高负载应力影响研究［J］. 机械传动， 2025 ， 49 （ 5 ）： 24 - 31 .

LIU Shipan ， CHEN Xiaoxia ， XING Jingzhong . Study on the influence of structural parameters of flexspline tooth rings on the maximum load stress in harmonic drives ［J］. Journal of Mechanical Transmission ， 2025 ， 49 （ 5 ）： 24 - 31 .

邢静忠，杨子钰，陈晓霞，等 . 谐波齿轮间隙装配下柔轮齿圈的力学特性及轮齿定位研究［J］. 机械传动， 2022 ， 46 （ 12 ）： 7 - 15 .

XING Jingzhong ， YANG Ziyu ， CHEN Xiaoxia ， et al . Research on tooth positioning and mechanical properties of flexspline tooth rings with harmonic gear clearance assembly ［J］. Journal of Mechanical Transmission ， 2022 ， 46 （ 12 ）： 7 - 15 .

穆塔里夫·阿赫迈德，张伟国，孙光耀，等 . 谐波齿轮传动系统柔轮应力的数值建模与分析［J］. 机床与液压， 2022 ， 50 （ 1 ）： 141 - 143 .

MUTELLIP Ahmat ， ZHANG Weiguo ， SUN Guangyao ， et al . Numerical modeling and analysis of flexspline stress in harmonic gear drive system ［J］. Machine Tool & Hydraulics ， 2022 ， 50 （ 1 ）： 141 - 143 .

蒋倩倩，王家序，李俊阳，等 . 双圆弧谐波传动齿廓参数对柔轮应力影响［J］. 上海交通大学学报， 2020 ， 54 （ 2 ）： 167 - 175 .

JIANG Qianqian ， WANG Jiaxu ， LI Junyang ， et al . Influence of double circular arc harmonic transmission profile parameters on flexspline stress ［J］. Journal of Shanghai Jiao Tong University ， 2020 ， 54 （ 2 ）： 167 - 175 .

邹创，陶涛，姜歌东，等 . 考虑力学特性的谐波齿轮啮合参数优化方法［J］. 西安交通大学学报， 2019 ， 53 （ 2 ）： 16 - 23 .

ZOU Chuang ， TAO Tao ， JIANG Gedong ， et al . An optimization method for meshing parameters of harmonic drives considering mechanical characteristics ［J］. Journal of Xi’an Jiaotong University ， 2019 ， 53 （ 2 ）： 16 - 23 .

叶南海，邓鑫，何韵，等 . 谐波柔轮力学分析与疲劳寿命研究［J］. 湖南大学学报（自然科学版）， 2018 ， 45 （ 2 ）： 18 - 25 .

YE Nanhai ， DENG Xin ， HE Yun ， et al . Study on mechanical analysis and fatigue life of harmonic flexspline ［J］. Journal of Hunan University （Natural Sciences）， 2018 ， 45 （ 2 ）： 18 - 25 .

TJAHJOWIDODO T ， AL-BENDER F ， VAN BRUSSEL H . Theoretical modelling and experimental identification of nonlinear torsional behaviour in harmonic drives ［J］. Mechatronics ， 2013 ， 23 ： 497 - 504 .

ИВАНОВ M H . Волновые передачи ［M］. Москва ： Машиностроение ， 1987 ： 103 - 120 .

OSTAPSKI W ， MUKHA I . Stress state analysis of harmonic drive elements by FEM ［J］. Bulletin of the Polish Academy of Sciences Technical Sciences ， 2007 ， 55 （ 1 ）： 115 - 123 .

LI S T . Diaphragm stress analysis and fatigue strength evaluation of the flex-spline，a very thin-walled spur gear used in the strain wave gearing ［J］. Mechanism and Machine Theory ， 2016 ， 104 ： 1 - 16 .

ROUTH B ， MAITI R ， RAY A K ， et al . An investigation on secondary force contacts of tooth pairs in conventional harmonic drives with involute toothed gear set ［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part C：Journal of Mechanical Engineering Science ， 2016 ， 230 （ 4 ）： 622 - 638 .

朱文博，阳鼎，甘屹，等 . 圆弧齿廓谐波齿轮齿廓设计和啮合侧隙优化［J］. 机械设计， 2019 ， 36 （ 2 ）： 32 - 39 .

ZHU Wenbo ， YANG Ding ， GAN Yi ， et al . Tooth profile design and meshing backlash optimization of circular-arc harmonic gear ［J］. Journal of Machine Design ， 2019 ， 36 （ 2 ）： 32 - 39 .

陈晓霞，刘玉生，邢静忠，等 . 谐波齿轮中柔轮中性层的伸缩变形规律［J］. 机械工程学报， 2014 ， 50 （ 21 ）： 189 - 196 .

CHEN Xiaoxia ， LIU Yusheng ， XING Jingzhong ， et al . Neutral line stretch of flexspline in harmonic driver ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2014 ， 50 （ 21 ）： 189 - 196 .

韩金林 . 谐波齿轮传动系统非线性动力学特性研究［D］. 武汉：武汉理工大学， 2022 ： 23 - 27 .

HAN Jinlin . Ansys of nonlinear dynamic characteristics of harmonic gear drive system ［D］. Wuhan ： Wuhan University of Technology ， 2022 ： 23 - 27 .

郑钧剑 . 基于动态啮合的谐波齿轮传动齿形设计研究［D］. 无锡：江南大学， 2023 ： 20 - 27 .

ZHENG Junjia . Research on tooth profile design of harmonic gear transmission based on dynamic meshing ［D］. Wuxi ： Jiangnan University ， 2023 ： 20 - 27 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

空化效应对离合器摩擦副间油膜特性的影响研究

用于全断面硬岩掘进机的大型液驱并联机器人结构设计与分析

圆方管双适配自适应管道机器人设计与研究

谐波齿轮柔轮齿圈结构参数对最高负载应力影响研究

线接触弧齿锥齿轮传动的温度场与热变形研究