液力式諧波減速器柔輪液動(dòng)力仿真研究

李國(guó)康，公 濤，呂小喬

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

液力式諧波減速器柔輪液動(dòng)力仿真研究

李國(guó)康，公 濤，呂小喬

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

在闡述液力式諧波減速器結(jié)構(gòu)及工作原理的基礎(chǔ)上，利用Solidworks、ANSYS軟件建立柔輪在液動(dòng)力作用下的仿真模型并進(jìn)行仿真研究，得到液動(dòng)力與柔輪徑向變形之間的關(guān)系曲線和最佳液動(dòng)力數(shù)值。研究結(jié)果表明，液力式波發(fā)生器可有效應(yīng)用于諧波減速器中。

諧波減速器；柔輪；液動(dòng)力

諧波減速器關(guān)鍵的三大部件是柔輪、剛輪和波發(fā)生器。波發(fā)生器作為主動(dòng)件帶動(dòng)柔輪并使其發(fā)生彈性變形與剛輪輪齒嚙合實(shí)現(xiàn)大速比減速運(yùn)動(dòng)，由于其具有普通齒輪減速器所難以達(dá)到的特殊性能，因而在空間技術(shù)、機(jī)器人、機(jī)床、儀表等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)諧波減速器的研究主要為柔輪受力分析和薄壁軸承承載能力方面，對(duì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)及薄壁軸承壽命研究比較少[1-2]，所應(yīng)用的波發(fā)生器多是薄壁軸承式，該薄壁軸承為橢圓式結(jié)構(gòu)，其外圓動(dòng)圈長(zhǎng)軸與柔輪內(nèi)圈機(jī)械接觸，承受著交變載荷的周期性作用，承載能力、極限轉(zhuǎn)速和使用壽命受到限制，加之其復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)和較高的制造成本，使其成為制約諧波減速器性能提升的薄弱環(huán)節(jié)。本文研究一種液力式諧波減速器，其關(guān)鍵是將薄壁軸承式波發(fā)生器改為液力式，即依靠液體動(dòng)力作用于柔輪，使柔輪與波發(fā)生器實(shí)現(xiàn)非機(jī)械接觸，從而排除薄壁軸承波發(fā)生器的弊端，實(shí)現(xiàn)整機(jī)使用壽命和使用功率的提高。

1 液力式諧波減速器工作原理

工作原理如圖1所示，剛輪2固定，液力式波發(fā)生器3由輸入軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，高壓液體進(jìn)入其兩組呈180°分布的多個(gè)噴嘴形成高壓射流，產(chǎn)生的動(dòng)能作用于柔輪1內(nèi)圈，迫使其產(chǎn)生形變形成長(zhǎng)軸，使柔輪1與剛輪2嚙合。由于輸入軸不斷旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)波發(fā)生器3也不斷旋轉(zhuǎn)，噴嘴的角度連續(xù)變化，柔輪長(zhǎng)軸的位置和角度也連續(xù)變化，從而實(shí)現(xiàn)柔輪1的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，完成動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的輸出。

圖1 液力式諧波減速器示意圖

2 液力式諧波減速器柔輪建模

2.1 液力式諧波減速器計(jì)算參數(shù)

液力式諧波減速器能否正常工作，關(guān)鍵在于液動(dòng)力數(shù)值大小的確定。本文以BX1-120型諧波減速器為研究對(duì)象，其柔輪尺寸如圖2所示。

圖2中，柔輪齒數(shù)Z1=240，剛輪齒數(shù)Z2=244，齒輪模數(shù)m=0.5，壓力角α=20°，減速比i=60。

2.2 柔輪三維模型[3-4]

應(yīng)用Solidworks三維軟件，根據(jù)柔輪零件圖及齒數(shù)、模數(shù)繪制柔輪三維仿真模型，如圖3所示。

圖2 柔輪零件示意圖

圖3 柔輪三維模型

2.3 柔輪液動(dòng)力與柔輪變形關(guān)系研究

基于ANSYS仿真軟件，仿真步驟如下：

(1)打開(kāi)ANSYS仿真軟件，選擇靜力結(jié)構(gòu)分析模塊；

(2)設(shè)置零件材料：打開(kāi)材料設(shè)置界面，添加新材料30CrMnSiA，其楊氏模量為2040MPa、密度為7.92856，泊松比為0.3;

(3)導(dǎo)入柔輪仿真模型，選擇單位為mm；

(4)選擇模型樹(shù)種的Mesh選項(xiàng)，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4所示；

(5)因?yàn)槿彷喼挥行D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其底面(法蘭段)為相對(duì)固定端，故可添加為固定約束，柔輪齒輪寬度中心位置施加兩大小相等方向相反的液動(dòng)作用力；

圖4 柔輪網(wǎng)格劃分

(6)選擇模型樹(shù)種的Solution→Deformation→Total→Solve，得到分析結(jié)果，如圖5所示。

圖5 柔輪仿真結(jié)果示意圖

3 柔輪液動(dòng)作用力仿真結(jié)果分析

施加6組液動(dòng)力對(duì)柔輪輪齒變形進(jìn)行仿真研究，研究結(jié)果如表1所示。

表1 不同液動(dòng)力作用下的仿真結(jié)果

由理論計(jì)算得知，柔輪分度圓直徑為mZ1=120mm，剛輪分度圓直徑為mZ2=122mm，二者順利嚙合時(shí)柔輪半徑方向變形量應(yīng)為1mm，也即柔輪長(zhǎng)軸齒輪分度圓直徑達(dá)到122mm時(shí)柔輪和剛輪恰好進(jìn)入正常嚙合狀態(tài)。由表1仿真結(jié)果知，當(dāng)液動(dòng)力為180N時(shí)，柔輪齒輪分度圓徑向變形量(半徑)為1.07mm，即液力式波發(fā)生器噴嘴液動(dòng)力達(dá)到并保持180N為液壓系統(tǒng)壓力必須控制的理論最佳值。

液動(dòng)力為180N時(shí)，液動(dòng)作用力與柔輪的變形關(guān)系仿真結(jié)果如圖6所示。圖6中，縱坐標(biāo)為液動(dòng)力，單位為N；橫坐標(biāo)為柔輪徑向變形量，單位為mm。液動(dòng)力與柔輪徑向變形的關(guān)系是線性的，說(shuō)明柔輪變形處于彈性變形階段，柔輪法蘭處變形量為0，柔輪輪齒處變形量為1mm，其所對(duì)應(yīng)的液動(dòng)力為180N。

圖6 液動(dòng)力與輪緣徑向變形的關(guān)系

4 仿真結(jié)果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述仿真結(jié)果的正確性，做以下實(shí)驗(yàn)。

(1)將柔輪法蘭端固定；

(2)將力傳感器安裝在柔輪齒輪外側(cè)，調(diào)整其與柔輪外齒的距離然后固定；

(3)將薄壁軸承波發(fā)生器裝入柔輪內(nèi)部相應(yīng)位置；

(4)轉(zhuǎn)動(dòng)波發(fā)生器，柔輪半徑發(fā)生長(zhǎng)短軸變形，在長(zhǎng)軸經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)，讀出相應(yīng)的力值；

(5)將力傳感更換位置，每隔60°重新固定，重復(fù)上述步驟，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較接近，說(shuō)明液動(dòng)力的仿真結(jié)果可信。

5 結(jié)論

通過(guò)Solidworks、ANSYS軟件建立了BX1-120型諧波減速器柔輪仿真模型并進(jìn)行了仿真研究，得到了液動(dòng)力與柔輪徑向變形之間的關(guān)系曲線。研究結(jié)果表明，液力式波發(fā)生器可以取代薄壁軸承式波發(fā)生器，其液壓系統(tǒng)性能參數(shù)的確定在正常的可控范圍之中。

[1]陽(yáng)培,張立勇,王長(zhǎng)路，等.諧波齒輪傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展概述[J].機(jī)械傳動(dòng)，2005，29(3)：69-72.

[2]馬長(zhǎng)安 ,胡滿(mǎn)紅. 諧波齒輪的工作原理及在減速器中的應(yīng)用[J].山西冶金，2005，98(2)：42-44.

[3]劉正寧.諧波齒輪傳動(dòng)柔性軸承受力分析 [J].大連大學(xué)學(xué)報(bào)，1995,5(4)：512-517.

[4]仲梁維，曾曉菁，鄒緒平.諧波齒輪傳動(dòng)CAD系統(tǒng)研究[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，24(2)：149-152.

StudyonSimulationofHydrodynamicForceofFlexsplineonHydraulicTypeHarmonicReducer

LI Guokang,GONG Tao,LV Xiaoqiao

(Shenyang Ligong University，Shenyang 110159, China)

The structure and working principle of hydraulic type harmonic reducer are introduced in this paper, and simulation model of flexspline is built,using Solidworks, ANSYS software.The relation curve between the hydrodynamic force and flexspline deformation is obtained.The results show that the hydraulic type wave generator can be effectively applied to the harmonic reducer

harmonic reducer；flexspline；hydrodynamic force

2013-12-19

遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目資助(L2010480)

李國(guó)康(1960—)，男，教授，研究方向：液壓傳動(dòng)及控制.

1003-1251(2014)05-0066-04

TH132.43

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趙麗琴)