工业机器人谐波减速器柔轮应力分析与疲劳强度评估.pdf
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1、工业机器人谐波减速器柔轮应力分析与疲劳强度评估*余娴梁学修巩潇肖科韩彦峰(中国软件评测中心(工业和信息化部软件与集成电路促进中心),北京 100048;重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆 400044)摘要:针对工业机器人谐波减速器柔轮杯体的疲劳断裂失效,基于圆柱壳体理论的模型评估了柔轮杯体应力周向分布,并分析了负载、柔轮壁厚和直径对应力的影响。结果表明相比于柔轮直径,应力对柔轮壁厚更敏感,而负载扭矩对柔轮轴向和周向应力几乎没有影响;柔轮应力主要来源于波发生器迫使柔轮杯体发生的周向弯曲变形,轴向弯曲形变产生的应力次之,扭转形变产生的剪切应力最小。最后,根据文章研究结果,提出了柔轮疲劳失效强度
2、的评估方法。关键词:工业机器人;谐波减速器;柔轮;疲劳失效强度中图分类号:TH117.1文献标识码:ADOI:10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.08.011Stress analysis and fatigue strength evaluation of flexsplines ofindustrial robot harmonic reducerYU Xian,LIANG Xuexiu,GONG Xiao,XIAO Ke,HAN Yanfeng(China Software Testing Center(MIIT Software and Integrated
3、Circuit Promotion Center),Beijing 100048,CHN;State Key Laboratory of Mechanical Transmissions,Chongqing University,Chongqing 400044,CHN)Abstract:In order to study the fatigue fracture failure in the flexsplines of the industrial robot harmonic reducers,the model based on cylindrical shell theory was
4、 used to evaluate the circumferential distribution ofstress in the flexsplines and the effects of load,wall thickness and diameter on the stress was alsoanalyzed.The result shows that the stress is more sensitive to the wall thickness than the diameter offlexsplines,while the load torque has little
5、effect on the axial and circumferential stress in theflexsplines.Stress of the flexsplines mainly comes from the circumferential bending deformation forcedby the wave generator,it also comes from the axial bending deformation and the torsional deformation.Finally,the evaluation method of fatigue fai
6、lure strength in the flexsplines was proposed based on thestudy.Keywords:industrial robot;harmonic reducer;flexsplines;fatigue failure 谐波减速器是一种兼具高速比、小体积、小齿隙和重量轻等优点的精密传动机构,被广泛应用于工业机器人等重点应用领域。这得益于其独特的传动原理,与传统齿轮传动不同的是谐波减速器是在薄壳弹性变形理论基础上发展起来的一种传动技术。然而,这种周期性弹性变形产生的交变载荷容易引起柔轮的疲劳破坏,是制约谐波减速器寿命的关键因素14。当前对柔轮疲劳
7、损伤的研究大多都停留在有限元分析的结果上,利用软件的后处理功能进行最基础的疲劳分析。吴灿5等以 CSG-32-80 型谐波减速器为对象,利用 Ansys Workbench 分析了柔轮应力、应变的分布情况,随后将有限元分析结果导入 NcodeDesignlife 疲劳分析模块,结合柔轮材料的 S-N 应力-寿命曲线,得出了柔轮的疲劳寿命。夏田6等同样利用 Ansys Ncode Designlife 15.0 软件对柔轮进 *国家重点研发计划“智能机器人重点专项”(2022YFB4702205)2023年第8期_Transmission Technology 传动技术 79 行了疲劳分析。赵建
8、虎7在采用 ANSYS 软件对柔轮应力分析的基础上,也利用 S-N 曲线法估算了不同应力下柔轮的疲劳寿命。但在工程中,有限元法需要计算机和商业软件的支持,建模和有限元前处理需要较长的时间才能得到结果。还可通过在柔轮杯体上粘贴应变片来测量应力8,但这种实验方法周期长、费用高,并且操作困难。此外,研究人员提出了谐波减速器的力学分析方法,是建立在材料力学和弹性力学模型基础上的,主要用于理论研究和工程计算。Wang S9等在壳体力学分析方法和等效附加弯矩模型的基础上,提出了柔轮应力的快速计算方法,得到了柔轮周向应力与柔轮长度的解析关系。本文针对柔轮壳体疲劳损伤,采用基于圆柱壳体理论的力学分析方法,研究
9、了负载扭矩、柔轮壁厚和直径对应力的影响。根据本文的研究结果,同时提出了柔轮疲劳失效的弯扭多轴疲劳强度评估准则。1柔轮变形谐波减速器的传动依赖于波发生器迫使柔轮发生的周期性弹性变形(图 1),这种周期性弹性变形产生的交变载荷容易引起柔轮的疲劳破坏。由于疲劳裂纹的形成、扩展到最后断裂均与柔轮应力直接有关,因此建立反应柔轮应力与结构参数关系的数学模型是非常有必要的。但由于很难计算得到柔轮与刚轮之间实际参与的啮合齿对数,以及齿间载荷分布规律,加之柔轮齿圈上的轮齿对柔轮应力分布的影响也很难确定,使得柔轮计算模型的建立变得异常复杂。为了简化问题且便于分析,基于圆柱壳体理论的模型来计算柔轮应力,对柔轮变形做
10、出如下假设:刚轮柔轮壳体柔性轴承波发生器输入轴输出轴图图1谐波减速器传动原理图谐波减速器传动原理图 柔轮法线不变形,柔轮中性曲面的法线不因柔轮的变形而扭曲且始终垂直于柔轮中性曲面;柔轮中性曲面的应变为零;柔轮各层之间没有相互挤压作用,即中性曲面的应力状态可以看作平面应力状态;由负载扭矩引起作用在柔轮径向的分布载荷,与波发生器作用在柔轮上的力相平衡;负载扭矩引起的切向分布载荷与柔轮杯体均匀分布的切应力相平衡。2柔轮应力分析方法图 2 所示为采用变厚度圆柱壳体简化的柔轮杯体,h1为杯壁的厚度,h2为柔轮齿圈部分厚度。中性平面变形前各点的位置由坐标 x 和 确定,其中,角度的正方向为逆时针方向。cl
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