王冬梅 / 上海電機學院

基于UG的諧波齒輪的有限元分析

王冬梅 / 上海電機學院

諧波齒輪傳動是建立在彈性變形理論基礎上的一種新型傳動技術，本文運用UG軟件對諧波齒輪系統進行了三維建模，運用有限元分析功能對其柔輪及輸入軸進行了有限元分析，并給出了分析結果。

諧波齒輪；有限元分析；柔輪

引言

諧波齒輪傳動是建立在彈性變形理論基礎上的一種新型傳動技術。因其傳動比較大﹑結構簡單緊湊﹑效率較高﹑承載力較高﹑通用性良好，因此應用廣泛。諧波齒輪傳動設計涉及到鋼輪、柔輪、波發(fā)生器等關鍵零件的設計，其中輸出軸、輸入軸及柔輪的設計質量至關重要，對這些零件進行有限元分析，則能保障重要零件的設計質量。

1.UG建模

UG軟件因具有統一的數據庫，采用復合建模技術，形象直觀，并能用參數驅動，出圖功能強，能按ISO標準和國標標注尺寸、形位公差和漢字說明等，并能直接對實體做旋轉剖、階梯剖和軸測圖挖切生成各種剖視圖，及具有良好的用戶介面，有著廣泛的應用。本文對諧波齒輪減速器各零件進行建模并進行子裝配，包括波發(fā)生器上有柔性球軸承，它的外圈，還有內圈，裝配以后得到波發(fā)生器。

完成子裝配工作后，進行總裝配，先將柔輪，波發(fā)生器，剛輪三者裝配，最后形成圖1的諧波齒輪的三維模型。

圖1　諧波齒輪三維建模

2.有限元分析過程

有限元 分析是根據結構實際形狀和實際工況條件建立有限元分析的計算模型—有限元模型，從而為有限元數值計算提供必要的輸入數據。有限元建模的中心任務是結構離散，即劃分網格。但是還是要處理許多與之相關的工作：如結構形式處理、集合模型建立、單元特性定義、單元質量檢查、編號順序以及模型邊界條件的定義等。涉及到的關鍵技術如下：

（1）分析問題定義在進行有限元分析之前，首先應對結果的形狀、尺寸、工況條件等進行仔細分析，只有正確掌握了分析結構的具體特征才能建立合理的幾何模型。

（2）幾何模型：建立幾何模型是從結構實際形狀中抽象出來的，是需要根據結構的具體特征對結構進行必要的簡化、變化和處理，以適應有限元分析的特點。

（3）單元類型：單元類型選擇應根據結構的類型、形狀特征、應力和變形特點、精度要求和硬件條件等因素綜合進行考慮。

（4）單元特性定義：有限元單元中的每一個單元除了表現出一定的外部形狀外，還應具備一組計算所需的內部特征參。

（5）網格劃分網格劃分是建立有限元模型的中心工作，模型的合理性很大程度上可以通過所劃分的網格形式反映出來。

3.結論

（1）由本次有限元分析我們可以看出，柔輪殼體上的最大應力出現在齒圈與波發(fā)生器的接觸部位，齒圈圓周上應力呈對稱分布，在長軸和短軸處較大，在兩者中間較小。杯底固定處沿圓周截面上應力分布規(guī)律和齒圈處相近，而殼體與杯底連接的圓角處圓周截面上應力分布則相反。由齒圈向殼體過渡應力逐漸減小，到杯底處由于邊界的影響應力會出現增大趨勢，因此柔輪上危險截面出現在齒圈和杯底部分，如圖2。

圖2　柔輪有限元分析

（2）從圖2的形變云圖可以看出來，輸入軸軸最大位移值為3.581E-003，安全性可行。

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王冬梅:（1968-），女，博士，副教授，機械設計及其自動化專業(yè),主要研究方向：現代機械設計方法學。