26设计与研究机械2011年第01收稿日期：2010－08－19作者简介：蒋素清（1976－），男，江苏灌南人，硕士研究生，讲师，主要研究方向为结构拓扑优化。Y56低速电机两种谐波发生器对柔轮的作用比较（江苏财经职业技术学院机电系，江苏淮安223002）摘要：由于波发生器的结构对柔轮的受载状态有很大的影响，针对谐波齿轮传动中柔轮的主要破坏疲劳破坏，就Y56型低速电机提出了从波发生器的结构入手，分析柔轮的疲劳破坏的方法。并对谐波齿轮传动中的圆盘式波发生器和凸轮波发生器分别作用在柔轮时，对柔轮作有限元接触分析，找出了两种波发生器作用下谐波齿轮传动所适用的范围：凸轮波发生器作用下应力分布变化平滑，但是值较大，而双圆盘波发生器下柔轮应力分布跳变大，但是值较小的结论。关键词：波发生器；柔轮；结构；范围中图分类号：TH132.41文献标识码：A文章编号：1006－0316(2011)01－0026－06ComparingY56slow-speedmotoramphi-harmonicgeneratoractionflexiblegearJIANGSu-qing（JiangsuFinanceEconomicsCollegeVocationalTechnology，Huaian223002，China）Abstract：Becausewavegeneratorstructureflexiblegearstandunderloadexistgreatinfluenceon，directedtowardsharmonicgearinggeardrivefatiguefailure。ThistextmovetowardsY56slow-speedmotorproposefromwavegenerator‘sstructure，toanalyzeflexiblegearfatiguedestroymethod。Andharmonicgeartransmissiondisctypewavegeneratorcamwavegeneratorseparateactionflexiblegear，todirectflexiblegearfiniteelementcontactanalysis，findoutamphiharmonicgeneratoractionflexiblegearharmonicwavegeardriverange：disctypewavegeneratorstresschangesmoothness，ButvaluecamwavegeneratorstresschangewidevalueissmallKeywords：harmonicgenerator；flexiblegear；structure；range谐波齿轮传动是基于柔轮的弹性变形来传递运动或者动力的。在周期运动中，柔轮极易出现疲劳破坏，谐波齿轮传动中，波发生器通常与电机连接，作为动力或者运动输入机构，为输入端，是使柔轮产生连续变形的重要构件。波发生器的结构形式和几何参数不仅决定了柔轮的原始曲线，影响传动啮合性能，而且是决定柔轮强度的重要因素，也是本文研究柔轮强度的切入点。波发生器根据作用原理的不同可以分为：机械波发生器、液压波发生器、气动波发生器和电磁波发生器等。由于机械波发生机械2011年第01设计与研究27器的结构简单，性能优良，成本低廉，所以得到了广泛的应用。其中机械波发生器根据结构形式的不同又有以下几类：触头型波发生器、行星式波发生器、多滚轮波发生器、圆盘式波发生器和凸轮波发生器等。本文主要以比较了两种波发生器作用下柔轮的应力分布，掌握了两种波发生器作用下柔轮应力分布的不同特点，得出凸轮波发生器作用下应力分布变化平滑，但是值较大，而双圆盘波发生器下柔轮应力分布跳变大，但是值较小的结论。提出了采用圆盘波发生器来改善柔轮应力分布，提高谐波齿轮传动的承载能力和使用寿命的设计策略谐波发生器传动作用原理谐波齿轮传动由三部分组成如图1所示。作为柔性构件的柔轮1和刚轮2，在未装配时，柔轮原始形状为圆形，柔轮齿数z比刚轮齿数最大直径比柔轮内圆直径稍大。在波发生器装入柔轮时，迫使柔轮变形，在长轴方向上柔轮和刚轮刚好啮合；在短轴方向上，柔轮和刚轮完全脱开；在长轴和短轴之间，根据波发生器的转动方向的不同，部分轮齿啮入，部分轮齿啮出。当波发生器转动时，柔轮变形部位也跟着改变，由此来产生柔轮的转动。这种运动原理不同于一般传动，一般传动都是利用杠杆原理或者斜面原理来实现运动的转换，而谐波齿轮传动是利用变形原理来实现运动的转换的。在波发生器转动过程中，波发生器转一周，柔轮上某点变形循环的次数为波数。如果波发生器转一周时，柔轮上某一点的变形循环两次，则波数为2，类推可得3的谐波传动。但是考虑到柔轮的寿命和结构尺寸，一般波数不大于3。另外，一般情况下为了有确定的输出，都会有一个固定件，一个主动和一个从动。具体哪个固定，哪个主动，哪个从动，需要根据具体的要求来定。柔轮的主要破坏形式谐波齿轮传动的失效，主要有以下形式：（1）柔轮的疲劳断裂；（2）齿面磨损；（3）轮齿或波发生器产生滑移；（4）齿面塑性流动；（5）波发生器轴承的损坏。其中最常见的失效形式是柔轮的疲劳断裂。为改善谐波齿轮传动系统的性能，柔轮的强度成为重点研究对象。对柔轮强度的研究，最早是理论分析。理论分析时柔轮的计算模型的建立是研究难点，原因在于柔轮工作环境的复杂：柔轮刚轮参与啮合的齿对数未知，柔轮联接端边界效应的影响很难估计。齿圈上的齿对柔轮的应力分布的影响也较难确定。随着计算机技术的发展和有限元分析理论与软件的完善，人们开始使用计算机辅助工程来进行柔轮的强度分析。本文结合谐波齿轮柔轮性能研究现状，提出采用非线性接触法建立更能体现柔轮复杂边界条件的有限元模型，将CADFEM技术应用于谐波发生器和柔轮作用的性能分析。为谐波齿轮柔轮的性能分析及结构参数改进提供一些有价值的参考28设计与研究机械2011年第01柔轮有限元建模假设考虑到有限元分析常常都是相当耗费资源的。一个模型建立起来通常都有几十万个节点，求解几十万个方程，而且柔轮结构复杂，受力复杂，是一个高度的非线性问题。因此在做模型时，对结构就需要做简化，把不必要的，不重要的结构简化掉。本文对柔轮的简化分析如下：（1）对称简化。柔轮在波发生器作用下，不管是凸轮波发生器还是圆盘波发生器，在静载荷时整个结构具有对称性，模型可以简化成镜像对称模型。（2）小结构简化。可以认为圆台没有变形，认为它轮圆筒部分的一个固定边界，因此该部分简化的“约束边界”，作为一个固定约束。（3）波发生器简化。（4）考虑到柔轮和波发生器作用的复杂性，很难确认作用时力的分布，也很难确认 柔轮内壁位移分布，因此考虑使用接触分析。 （5）柔轮的最大径向变形与柔轮壁厚比 大于0.2，是一个大变形非线）轮齿对柔轮应力应变影响很大，同 时齿根部位是应力集中的危险面，分析柔轮 应力时必须要考虑轮齿，因此本文对齿形不 作任何简化，这是一个重要结构。 作出以上简化后，建立的柔轮有限元模 型如图2、图3 所示 凸轮谐波发生器作用下柔轮应力和变形分析 4.1 凸轮谐波发生器下柔轮有限元模型的 建立 考虑到柔轮结构复杂和划分网格的需 要，柔轮体需要划分成三个部分分别建模， 同时建模也要分三步来进行：齿圈、圆筒、 光滑圆筒部分。建立有限元模型如图4 所示。 凸轮谐波发生器有限元模型4.2 凸轮谐波发生器下柔轮应力分析 划分单元类型，选用 4node182 8node185，弹性模量取E＝2.110 MPa，泊松比取0.3“凸轮－柔轮”接触模型是一个“刚 体－柔体”的“面－面”接触模型，凸轮作 为目标面，单元类型选用 Targe170，且凸轮 的位置不需要变动，因此不需要在凸轮上加 载任何位移和力载荷；柔轮内壁作为柔性接 触面，单元选用 Conta174。考虑到两者在接 触时会有相对滑动，又是“钢－钢”接触， 因此选取摩擦系数为0.01。 4.3 凸轮谐波发生器下柔轮变形分析 得出数据如表1 所示。 端面 圆环 圆盘 机械2011 年第01 设计与研究29 可知，在截面2上，应力值较大， 是一个分析面，其中截面 13.5。轴向应力在长度方向上是逐渐增加的，当长度达到 14.4 时，取得最大值，随后又逐 渐减小。轴向应力产生这种变化的原因是在 齿圈部分由于柔轮与钢轮的啮合，凸轮的支 撑作用，使得从端面开始，到长度为 14 mm 附近时，除了和截面 同样的变形外，由于边界影响，会在轴向上产生另一个弯曲，从 而产生一个附加弯曲应力，因此在 14.4 mm 附近时轴向应力取得了最大值。 凸轮谐波发生器下柔轮变形分析数据截面 拉应力（周向 13.5）/MPa 压应力(切向90) /MPa 截面1（端面） 156.44 124.57 截面2（距端面14.4） 217.652 111.6 双圆盘波发生器作用下柔轮应力和变形分析 5.1 双圆盘波发生器下柔轮有限元模型的建立 双圆盘波发生器作用下柔轮有限圆模型 也是一个对称模型，考虑到对称性，只取1/2 个模型。因此只要将图4 模型沿X－Z 平面镜 像便得到双圆盘波发生器作用下的柔轮有限 元模型，结果如图5 所示。 双圆盘波发生器下柔轮有限元模型5.2 圆盘谐波发生器下柔轮应力分析 “圆盘－柔轮”接触模型也是一个“刚 体－柔体”的“面－面”接触模型。圆盘作 为刚性目标面，单元类型选用 Targe170；柔 轮内壁作为柔性接触面，单元选用Conta174。 最大周向拉应力是180.095 MPa，产生的位置 在偏离长轴方向大约22.5的方向上；最大周 向压应力产生在短轴方向上，其最大值为－ 189.571 MPa。分析图7 所示的内表面应力分 布，再结合材料力学关于梁受弯时的应力情 况知道，柔轮内表面和外表面的应力分布正 好是反号的，即当外表是拉应力时，内表面 就为压应力。 5.3 圆盘谐波发生器下柔轮变形分析 数据如表2 所示。