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三圆弧谐波齿轮空间齿廓设计与扭转刚度的有限元仿真
Spatial Tooth Profile Design of Triple-circular-arc Harmonic Gears and Finite Element Simulation of Torsional Stiffness
- 机械传动 2023年47卷第9期 页码：37-43
- 作者机构：
1.天津工业大学 机械工程学院， 天津 300387
2.天津工业大学 天津市现代机电装备技术重点实验室， 天津 300387
- 作者简介：
邢静忠（1966— ），男，甘肃平凉人，博士，教授；主要研究方向为谐波齿轮减速器的结构分析和啮合性能仿真等；hsingjzh@tiangong.edu.cn。
陈亮（1996— ），男，河南淮阳人，硕士研究生；主要研究方向为谐波齿轮传动性能仿真；2512688938@qq.com。
- 基金信息：国家自然科学基金项目(51575390┫天津市自然科学基金项目┣19JCZDJC38700)
DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2023.09.006
中图分类号：纸质出版日期：2023-09-15，
收稿日期：2022-06-23，
修回日期：2022-07-31，
扫 描 看 全 文
邢静忠,陈亮,陈晓霞等.三圆弧谐波齿轮空间齿廓设计与扭转刚度的有限元仿真[J].机械传动,2023,47(09):37-43.
Xing Jingzhong,Chen Liang,Chen Xiaoxia,et al.Spatial Tooth Profile Design of Triple-circular-arc Harmonic Gears and Finite Element Simulation of Torsional Stiffness[J].Journal of Mechanical Transmission,2023,47(09):37-43.
邢静忠,陈亮,陈晓霞等.三圆弧谐波齿轮空间齿廓设计与扭转刚度的有限元仿真[J].机械传动,2023,47(09):37-43. DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.09.006.
Xing Jingzhong,Chen Liang,Chen Xiaoxia,et al.Spatial Tooth Profile Design of Triple-circular-arc Harmonic Gears and Finite Element Simulation of Torsional Stiffness[J].Journal of Mechanical Transmission,2023,47(09):37-43. DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2023.09.006.
摘要
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量的啮合特性。
Abstract
In order to improve the transmission capability by exploring the relationship between torsional stiffness on output shaft and load meshing characteristics
a simulation model of finite element analysis (FEA) is built to evaluate the performance of tooth profile under transmission loading. A triple-circular-arc tooth profile of flexspline is constructed
and the radial modification of the tooth profile is adjusted to minimize the outer envelope overlap of meshing motion of the tooth profiles. Then
a triple-circular-arc planar tooth profile of circular splines is designed with the envelop method according to the outer envelope. A triple-circular-arc tooth profile of flexspline with tradial modification is constructed in several cross sections
and the spatial tooth profiles of flexsplines are generated by axial lofting in finite element environment. A finite element simulation model including circular spline with planar tooth profile
cup-shaped flexspline with spatial tooth profile and outer ring of wave generators is established. Transmission torques of different amplitudes in two rotational directions are applied on the flange plate at the bottom of the flexspline engaged with a fixed circular spline
and the meshing force distribution and torsional stiffness hysteresis curves are simulated. The number of meshing teeth in different meshing states can be estimated with the relationship between torsional stiffness and meshing characteristics of tooth profiles. The simulation results show that the number of meshing teeth is positively correlated with the torsional stiffness. Using the measureable hysteresis curve of torsional stiffness
the immeasurable meshing characteristics such as the number of meshing teeth can be estimated.
关键词
三圆弧齿廓空间齿廓啮合特性有限元仿真扭转刚度
Keywords
Triple-circular-arc tooth profileSpatial tooth profileMeshing characteristicsFinite element simulationTorsional stiffness
references
沈允文，叶庆泰.谐波齿轮传动的理论和设计［M］.北京：机械工业出版社，1985：1-33.
SHEN Yunwen，YE Qingtai.Theory and design of harmonic drive［M］.Beijing：China Machine Press，1985：1-33.
ROUTH B.Design aspects of harmonic drive gear and performance improvement of its by problems identification：a review［J］.Advances in Mechanical Design，Materials and Manufacture，2018，4：020016.1-020016.10.
YU Z J，LING S Y，WANG X D，et al.Study on tooth profile design of harmonic drive with deformation model of flexspline［J］.Meccanica，2021，56（7）：1883-1904.
程中甫，邢静忠，石立腾，等.基于谐波齿轮空间侧隙均匀化的三圆弧齿廓柔轮的径向修形设计［J］.机械传动，2021，45（12）：48-55.
CHENG Zhongfu，XING Jingzhong，SHI Liteng，et al.Radial modification design of triple arc tooth profile of flexspline on uniformly distributed spatial backlash based on harmonic gear［J］.Journal of Mechanical Transmission，2021，45（12）：48-55.
陈晓霞，杨朋朋，邢静忠，等.谐波齿轮负载侧隙和啮合力分布规律研究［J］.西安交通大学学报，2018，52（7）：9-17.
CHEN Xiaoxia，YANG Pengpeng，XING Jingzhong，et al.Research on distribution of loading backlash and meshing force of harmonic drive［J］.Journal of Xi'an Jiaotong University，2018，52（7）：9-17.
LI X Z，SONG C S，YANG Y，et al.Optimal design of wave generator profile for harmonic gear drive using support function［J］.Mechanism and Machine Theory，2020，152：103941.
YANG C B，MA H L，ZHANG T，et al.Research on meshing characteristics of strain wave gearing with three different types of tooth profiles［J］.International Journal of Precision Engineering and Manufacturing，2021，22（10）：1761-1775.
CHEN X X，LIU Y S，XING J Z，et al.The parametric design of double-circular-arc tooth profile and its influence on the functional backlash of harmonic drive［J］.Mechanism and Machine Theory，2014，73：1-24.
王家序，刘彪，周祥祥，等.双圆弧谐波齿轮传动齿廓设计与参数分析［J］.四川大学学报（工程科学版），2016，48（3）：164-170.
WANG Jiaxu，LIU Biao，ZHOU Xiangxiang，et al.Double-circular-arc tooth profile design and parametric analysis of harmonic drive［J］.Journal of Sichuan University（Engineering Science Edition），2016，48（3）：164-170.
姜歌东，王爽，梅雪松，等.谐波齿轮传动双圆弧齿形双向共轭设计方法［J］.西安交通大学学报，2019，53（8）：8-14.
JIANG Gedong，WANG Shuang，MEI Xuesong，et al.Bidirectional conjugate design method for double-circular-arc tooth profile of harmonic drives［J］.Journal of Xi'an Jiaotong University，2019，53（8）：8-14.
董惠敏，董博，王德伦，等.基于瞬心线的谐波传动双圆弧齿形设计方法［J］.华中科技大学学报（自然科学版），2020，48（4）：55-60.
DONG Huimin，DONG Bo，WANG Delun，et al.A method of a pair of double circular arc tooth profile design of harmonic drives based on centrodes［J］.Journal of Huazhong University of Science and Technology （Natural Science Edition），2020，48（4）：55-60.
SONG C S，LI X Z，YANG Y，et al.Parameter design of double-circular-arc tooth profile and its influence on meshing characteristics of harmonic drive［J］.Mechanism and Machine Theory，2022，167：104567.
王家序，周祥祥，李俊阳，等.杯形柔轮谐波传动三维双圆弧齿廓设计［J］.浙江大学学报（工学版），2016，50（4）：616-624.
WANG Jiaxu，ZHOU Xiangxiang，LI Junyang，et al.Three dimensional profile design of cup harmonic drive with double-circular-arc common-tangent tooth profile［J］.Journal of Zhejiang University （Engineering Science），2016，50（4）：616-624.
LI Y F，ZHANG Y J，ZHANG N，et al.Three-dimensional tooth profile design method of harmonic drive considering the deformation difference of the flexspline［J］.Engineering Computations，2021，38（8）：3351-3367.
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.
张宁，张英杰，李阳帆.考虑齿轮形变的谐波减速器齿廓优化方法［J］.西安交通大学学报，2019，53（12）：31-37.
ZHANG Ning，ZHANG Yingjie，LI Yangfan.Optimization method for double-arc tooth profile of harmonic reducer［J］.Journal of Xi'an Jiaotong University，2019，53（12）：31-37.
王家序，蒋倩倩，李俊阳，等.双圆弧谐波传动柔轮齿形参数多目标优化设计［J］.吉林大学学报（工学版），2019，49（4）：1194-1202.
WANG Jiaxu，JIANG Qianqian，LI Junyang，et al.Multi-objective optimization design of flexspline profile parameters of double-arc harmonic drive［J］.Journal of Jilin University（Engineering and Technology Edition），2019，49（4）：1194-1202.
陈晓霞，邢静忠.连续共轭杯形或礼帽形谐波齿轮的三圆弧齿廓设计：CN107191570A［P］.2017-09-22.
CHEN Xiaoxia，Xing Jingzhong.Tooth profile design of cup shaped or hat shaped harmonic drive with continuous conjugate motion：CN107191570A［P］.2017-09-22.
肖季常，贺小飞，杨勇，等.三圆弧谐波齿轮传动齿廓设计［J］.机械传动，2019，43（10）：51-55.
XIAO Jichang，HE Xiaofei，YANG Yong，et al.Tooth profile design of tri-arc harmonic gear drive［J］.Journal of Mechanical Transmission，2019，43（10）：51-55.
时志奇，杨勇，贺小飞，等.三圆弧谐波齿轮传动齿廓设计及参数优化［J］.中南大学学报（自然科学版），2020，51（5）：1234-1244.
SHI Zhiqi，YANG Yong，HE Xiaofei，et al.Tooth profile design and parameter optimization of triple-circular-arc harmonic drives［J］.Journal of Central South University（Science and Technology），2020，51（5）：1234-1244.
DHAOUADI R，GHORBEL F H.Modelling and analysis of nonlinear stiffness，hysteresis and friction in harmonic drive gears［J］.International Journal of Modelling and Simulation，2008，28（3）：329-336.
郦黎伟，范元勋，罗明.谐波传动柔轮扭转刚度的研究［J］.机械制造与自动化，2012，41（3）：6-8.
LI Liwei，FAN Yuanxun，LUO Ming.Research on torsion stiffness of flexspline in harmonic gear［J］.Machine Building & Automation，2012，41（3）：6-8.
勾芳芳，吕勇.精密谐波齿轮输出轴端扭转刚度测试与分析［J］.机械传动，2013，37（4）：91-94.
GOU Fangfang，LÜ Yong.Test and analysis of torsional stiffness on output shaft of precision harmonic gear［J］.Journal of Mechanical Transmission，2013，37（4）：91-94.
谭晶，黄炜灵，黄迪山，等.谐波减速器的扭转刚度试验研究［J］.计量与测试技术，2019，46（4）：3-5.
TAN Jing，HUANG Weiling，HUANG Dishan，et al.Experimental study on torsional stiffness of harmonic reducer［J］.Metrology & Measurement Technique，2019，46（4）：3-5.
唐小欢，王湘江，冯栋彦.谐波减速器输入轴迟滞曲线的特性研究［J］.机械传动，2016，40（8）：29-32.
TANG Xiaohuan，WANG Xiangjiang，FENG Dongyan.Study on hysteresis curve characteristic of input shaft of harmonic reducer［J］.Journal of Mechanical Transmission，2016，40（8）：29-32.
潘锋，董海军，孙敬.谐波齿轮传动中柔轮扭转变形产生的回差分析［J］.机械科学与技术，2009，28（6）：811-813.
PAN Feng，DONG Haijun，SUN Jing.Analysis of backlash from flexspline torsional deformation in harmonic gearing［J］.Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering，2009，28（6）：811-813.
韦乐余，王长路，张立勇，等.谐波齿轮啮合刚度的有限元分析［J］.机械传动，2018，42（6）：144-147.
WEI Leyu，WANG Changlu，ZHANG Liyong，et al.Finite element analysis of meshing stiffness of harmonic gear［J］.Journal of Mechanical Transmission，2018，42（6）：144-147.
崔博文，沈允文.用有限元法研究谐波齿轮传动齿间啮合周向力的分布规律［J］.机械传动，1997（1）：8-10.
CUI Bowen，SHEN Yunwen.Study on load distribution in gear of harmonic drive by finite element method［J］.Journal of Mechanical Transmission，1997（1）：8-10.
陈晓霞，吴鸿雁，牛洪波，等.谐波齿轮柔轮啮合点周向刚度的理论分析及仿真［J］.西安交通大学学报，2021，55（10）：184-192.
CHEN Xiaoxia，WU Hongyan，NIU Hongbo，et al.Theoretical analysis and FEM simulation on circumferential stiffness of meshing point of flexspline in harmonic drive［J］.Journal of Xi'an Jiaotong University，2021，55（10）：184-192.
全国齿轮标准化技术委员会.机器人用精密齿轮传动装置实验方法：GB/T 35089—2018［S］.北京：中国标准出版社，2018：1-2.
National Technical Committee of Gear Standardization.Precision gear transmission for robot-test method：GB/T 35089—2018［S］.Beijing：Standards Press of China，2018：1-2.
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