论文总字数：12405字

摘 要

谐波减速器由波发生器、柔轮、刚轮构成，是机器人肢关节常用结构。通常情况下波发生器连接输入轴，柔轮连接输出轴，刚轮与壳体以螺栓连接固定。刚轮螺栓连接，构成了减速器的传动支点，刚轮螺栓数目和尺寸的设计尤为重要。因此，应对刚轮建立三维模型并对刚轮与壳体以螺栓连接作应力应变分析。针对以上所述内容，本文决定从以下几个方面来进行研究：（1）通过文献资料的翻阅和查找，结合相关力学知识，论述谐波齿轮减速器传动原理和传动方式，并选择恰当齿数，模数，轮齿半径，壳体半径等相关参数，设计出刚轮；（2）在软件Pro/E中绘制刚轮，壳体以及螺栓的三维模型，保存为IGES.格式，使模型能顺利导入ANSYS软件中，进行有限元应力应变分析；（3）在ANSYS 有限元软件中，导入刚轮及其组件模型，定义单元属性及材料，划分有限元网格，研究螺栓预紧的边界条件，添加螺栓预紧力，完成有限元计算。

关键词：刚轮；螺栓；三维建模；有限元分析

Mechanics Analysis of the Connection of the Beam Bending Vibration in Harmonic Drive

Abstract

The harmonic reducer is composed of the wave generator, the flexible wheel and the rigid wheel. It is a common structure of the robot joint. The wave generator is usually connected with the input shaft, and the flexible wheel is connected with the output shaft. Rigid wheel bolt connection is the transmission fulcrum of the gear reducer. The number and size of the design is particularly important. Therefore, the 3D model of the rigid wheel is established and the stress and strain of the rigid wheel and the shell are connected to the shell. According to the above content, this paper focuses on the following aspects. (1) By the literature review, combined with the knowledge of mechanics, this thesis discusses the harmonic gear reducer transmission principle and transmission mode, selects the appropriate number of teeth, modulus, tooth radius, shell radius and other related parameters, and designs a rigid wheel firstly. (2) Then the 3D models of rigid wheel, shell and bolt are created and saved as IGES format that can be imported into ANSYS software. (3) In ANSYS, and finally the finite element analysis yields stress and strain by the following steps: import the rigid wheel and its components model, define element properties and materials division, create the finite element mesh, define the bolt pretension boundary conditions, and add the preload.

Keywords: rigid wheel; bolt; three dimensional modeling; finite element analysis

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 引言 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 发展现状 1

1.3 研究内容 1

1.3.1 主要研究内容 1

1.3.2 重点与难点 1

第二章 谐波减速器的基本构造原理 2

2.1 谐波齿轮传动简介 2

2.1.1 谐波齿轮传动原理 2

2.1.2 谐波齿轮传动特点 2

2.2 刚轮的参数设计 3

2.3 小结 4

第三章 谐波齿轮减速器刚轮壳体连接建模 5

3.1 齿轮模型建立 5

3.2 刚轮壳体模型建立 8

3.3 螺栓模型建立 9

3.4 装配 10

3.5 小结 10

第四章刚轮的有限元模型建立与螺栓有限元分析 11

4.1 建立局部刚轮、壳体、螺栓连接的有限元模型 11

4.2 定义单元属性及材料属性 11

4.3 划分有限元网格 11

4.4 完成螺栓的预紧力分析 12

4.4.1 定义螺栓的边界条件 12

4.4.2 添加预紧力 13

4.5 查看结果 13

4.5 结果讨论 15

4.6 小结 15

第五章总结与展望 16

5.1 主要研究结论 16

5.2 论文展望 16

致谢 17

参考文献 18

第一章 引言

1.1 研究背景及意义

谐波机械传动原理于1947年苏联工程师首先提出，于1961年开始引进到我国。在谐波减速器刚被设计出来便受到很多人的关注，首先被用到航天航空领域。在谐波齿轮传动系统中，由于谐波齿轮结构的特殊性，使得模型建立具有复杂性。模型的正确建立，应力的分布、应力大小的正确对于分析谐波传动具有重大意义，所以正确建立模型是分析刚轮、或谐波齿轮减速器中其他构件的关键步骤。

1.2 发展现状

在现代化科技发展下，美国对谐波齿轮传动进行扩展开发，将其运用在高精度的仪器加工和高科技的纳米技术上，获得了多项的专利，使其技术领先于其他各国。在60年代初，前苏联已经系统、深入地调研了谐波减速器的性能，并在减速器的结构、类型方面有调查试验研究。日本在20世纪70年代的时候就开始引进美国关于谐波齿轮传动的技术，就目前来说，这项科技创新既可以生产谐波齿轮传动装置，又可以实现通用传动装置的工作。因为它具有传动效率高，传动比大，体积小，重量轻，传动平稳，无冲击，无噪音的特点，被广泛应用于电子，航空航天，原子反应堆，高能加速器，雷达，光学等高端领域中。

谐波减速器是通过柔轮的变形与刚轮相啮合来实现谐波传动。由于谐波传动过程中啮合的齿数较多，所以这种传动机构的承载能力相对来说也较大，并具有较高的传动精度，因此国内外高端科技利用谐波传动来解决工程机械与起重机械的动力传输和动力驱动，比如：推土机的驱动机构；桥式起重机的卷扬机构；悬臂自行式起重机的旋转机构等。谐波减速器传动是通过柔轮的弹性变形来实现机械的运动以及动力的传播，并且输出轴力矩比较大。当谐波减速器输入轴受到某种激扰作用时，会导致减速器传动系统的振动响应，给谐波减速器的驱动系运动精度要求较高的执行机构带来问题，引起传动性能改变。

1.3 研究内容

1.3.1 主要研究内容

本文在撰写过程中，系统的查阅和整理相关文献资料，学习相关的理论知识，在理论知识和实证研究的基础上对谐波齿轮传动的特性进行深入的了解，在计算机辅助设计软件中建立三维模型。在有限元软件中对刚轮进行有限元建模，对螺栓施加预紧力，进行有限元计算，完成静力学分析。具体内容如下。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：12405字