液力式谐波减速器柔轮液动力仿真研究

李国康，公 涛，吕小乔

(沈阳理工大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110159)

液力式谐波减速器柔轮液动力仿真研究

李国康，公 涛，吕小乔

(沈阳理工大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110159)

在阐述液力式谐波减速器结构及工作原理的基础上，利用Solidworks、ANSYS软件建立柔轮在液动力作用下的仿真模型并进行仿真研究，得到液动力与柔轮径向变形之间的关系曲线和最佳液动力数值。研究结果表明，液力式波发生器可有效应用于谐波减速器中。

谐波减速器；柔轮；液动力

谐波减速器关键的三大部件是柔轮、刚轮和波发生器。波发生器作为主动件带动柔轮并使其发生弹性变形与刚轮轮齿啮合实现大速比减速运动，由于其具有普通齿轮减速器所难以达到的特殊性能，因而在空间技术、机器人、机床、仪表等方面获得了广泛的应用。

目前国内外对谐波减速器的研究主要为柔轮受力分析和薄壁轴承承载能力方面，对结构改进及薄壁轴承寿命研究比较少[1-2]，所应用的波发生器多是薄壁轴承式，该薄壁轴承为椭圆式结构，其外圆动圈长轴与柔轮内圈机械接触，承受着交变载荷的周期性作用，承载能力、极限转速和使用寿命受到限制，加之其复杂的机械结构和较高的制造成本，使其成为制约谐波减速器性能提升的薄弱环节。本文研究一种液力式谐波减速器，其关键是将薄壁轴承式波发生器改为液力式，即依靠液体动力作用于柔轮，使柔轮与波发生器实现非机械接触，从而排除薄壁轴承波发生器的弊端，实现整机使用寿命和使用功率的提高。

1 液力式谐波减速器工作原理

工作原理如图1所示，刚轮2固定，液力式波发生器3由输入轴带动旋转，高压液体进入其两组呈180°分布的多个喷嘴形成高压射流，产生的动能作用于柔轮1内圈，迫使其产生形变形成长轴，使柔轮1与刚轮2啮合。由于输入轴不断旋转，带动波发生器3也不断旋转，喷嘴的角度连续变化，柔轮长轴的位置和角度也连续变化，从而实现柔轮1的旋转运动，完成动力和运动的输出。

图1 液力式谐波减速器示意图

2 液力式谐波减速器柔轮建模

2.1 液力式谐波减速器计算参数

液力式谐波减速器能否正常工作，关键在于液动力数值大小的确定。本文以BX1-120型谐波减速器为研究对象，其柔轮尺寸如图2所示。

图2中，柔轮齿数Z1=240，刚轮齿数Z2=244，齿轮模数m=0.5，压力角α=20°，减速比i=60。

2.2 柔轮三维模型[3-4]

应用Solidworks三维软件，根据柔轮零件图及齿数、模数绘制柔轮三维仿真模型，如图3所示。

图2 柔轮零件示意图

图3 柔轮三维模型

2.3 柔轮液动力与柔轮变形关系研究

基于ANSYS仿真软件，仿真步骤如下：

(1)打开ANSYS仿真软件，选择静力结构分析模块；

(2)设置零件材料：打开材料设置界面，添加新材料30CrMnSiA，其杨氏模量为2040MPa、密度为7.92856，泊松比为0.3;

(3)导入柔轮仿真模型，选择单位为mm；

(4)选择模型树种的Mesh选项，对模型进行网格划分，如图4所示；

(5)因为柔轮只有旋转运动，其底面(法兰段)为相对固定端，故可添加为固定约束，柔轮齿轮宽度中心位置施加两大小相等方向相反的液动作用力；

图4 柔轮网格划分

(6)选择模型树种的Solution→Deformation→Total→Solve，得到分析结果，如图5所示。

图5 柔轮仿真结果示意图

3 柔轮液动作用力仿真结果分析

施加6组液动力对柔轮轮齿变形进行仿真研究，研究结果如表1所示。

表1 不同液动力作用下的仿真结果

由理论计算得知，柔轮分度圆直径为mZ1=120mm，刚轮分度圆直径为mZ2=122mm，二者顺利啮合时柔轮半径方向变形量应为1mm，也即柔轮长轴齿轮分度圆直径达到122mm时柔轮和刚轮恰好进入正常啮合状态。由表1仿真结果知，当液动力为180N时，柔轮齿轮分度圆径向变形量(半径)为1.07mm，即液力式波发生器喷嘴液动力达到并保持180N为液压系统压力必须控制的理论最佳值。

液动力为180N时，液动作用力与柔轮的变形关系仿真结果如图6所示。图6中，纵坐标为液动力，单位为N；横坐标为柔轮径向变形量，单位为mm。液动力与柔轮径向变形的关系是线性的，说明柔轮变形处于弹性变形阶段，柔轮法兰处变形量为0，柔轮轮齿处变形量为1mm，其所对应的液动力为180N。

图6 液动力与轮缘径向变形的关系

4 仿真结果实验验证

为验证上述仿真结果的正确性，做以下实验。

(1)将柔轮法兰端固定；

(2)将力传感器安装在柔轮齿轮外侧，调整其与柔轮外齿的距离然后固定；

(3)将薄壁轴承波发生器装入柔轮内部相应位置；

(4)转动波发生器，柔轮半径发生长短轴变形，在长轴经过传感器时，读出相应的力值；

(5)将力传感更换位置，每隔60°重新固定，重复上述步骤，得到实验结果如表2所示。

表2 实验结果

实验结果表明，仿真结果与实验结果比较接近，说明液动力的仿真结果可信。

5 结论

通过Solidworks、ANSYS软件建立了BX1-120型谐波减速器柔轮仿真模型并进行了仿真研究，得到了液动力与柔轮径向变形之间的关系曲线。研究结果表明，液力式波发生器可以取代薄壁轴承式波发生器，其液压系统性能参数的确定在正常的可控范围之中。

[1]阳培,张立勇,王长路，等.谐波齿轮传动技术发展概述[J].机械传动，2005，29(3)：69-72.

[2]马长安 ,胡满红. 谐波齿轮的工作原理及在减速器中的应用[J].山西冶金，2005，98(2)：42-44.

[3]刘正宁.谐波齿轮传动柔性轴承受力分析 [J].大连大学学报，1995,5(4)：512-517.

[4]仲梁维，曾晓菁，邹绪平.谐波齿轮传动CAD系统研究[J].上海理工大学学报，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

辽宁省教育厅科学研究一般项目资助(L2010480)

李国康(1960—)，男，教授，研究方向：液压传动及控制.

1003-1251(2014)05-0066-04

TH132.43

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赵丽琴)