高效节能摆线钢球减速器运动仿真与有限元分析

【摘要】：摆线钢球行星传动是近几年研发出的一种新型精密摆线传动装置,是利用活动的钢球作为传动介质代替传统齿轮传动中的轮齿,在一条由内、外摆线槽形成的循环滚道中做啮合运动,从而传递运动和动力。该传动装置可以通过轴向预紧装置使钢球和摆线沟槽之间始终保持接触,从而消除啮合副的间隙,实现无侧隙传动,并且钢球是滚动摩擦,能耗低,钢球和摆线槽的啮合数较多,传动效率高,是一种高效、节能的新型精密传动装置。本文基于摆线钢球行星传动的结构特点与传动原理,对摆线钢球行星传动的结构类型与传动比进行分析,分别用传统设计方法和优化设计方法对摆线钢球减速器的基本结构参数进行设计,选取一组最优的设计参数,利用计算机技术建立二级摆线钢球减速器的三维实体模型,并进行运动仿真及有限元分析,具体的工作有以下几个方面:(1)分析一级和二级摆线钢球行星传动的结构类型,然后分别计算一级和二级摆线钢球行星传动的结构类型的传动比,并选取了三组数据,对二级并联组合型式的传动比进行实例分析,最后简单介绍内、外摆线的理论曲线方程,钢球的位置方程。(2)选取Ⅰ型和Ⅳ型并联组合的二级摆线钢球减速器为研究对象,根据传动比、功率等初始条件,通过相关的计算公式,对摆线钢球减速器的基本设计参数进行传统计算。然后,基于遗传算法的理论,以体积最小和效率最高为多目标函数,建立二级摆线钢球行星传动的优化数学模型,并且在MATLAB中编写遗传算法的程序,优化出减速器最优的结构参数,将传统设计结果与优化设计结果、优化圆整的结果进行比较,得到一组最优的设计参数。(3)以最优的设计结果作为结构参数,对Ⅰ型和Ⅳ型并联组合的二级摆线钢球减速器的整体结构进行设计,利用Pro/E的参数化功能,建立二级减速器各个零件的参数化模型,通过Pro/E的组件装配功能,将减速器的各个零件进行装配,得到二级摆线钢球减速器的装配模型,为后续章节的分析提供实体模型。(4)利用ADAMS对Ⅰ型和Ⅳ型并联组合型式的装配模型进行运动仿真,得到偏心盘和输出盘的角速度和角加速度曲线,并对减速器的传动比进行验证。同时,建立Ⅰ型和Ⅲ型并联组合型式的二级摆线钢球减速器的实体模型,并将装配模型导入ADAMS中进行仿真分析,得到偏心盘和输出盘的角速度和角加速度曲线,对其传动比进行验证,验证二级减速器结构设计的是否合理。(5)利用Workbench对二级摆线钢球减速器进行有限元分析,以输入轴和摆线盘系统为研究对象,分析二级减速机构的变形、应力分布及接触情况。然后,对输入轴和摆线盘系统进行模态分析,提取其前6阶的固有频率及主振型,并对其模态特性进行了分析比较,进一步验证二级减速器结构设计的合理性,并为该减速器优化系统结构、避免共振、降低噪音和改善工作性能等方面提供参考。 【关键词】：摆线钢球行星传动 优化设计 建模仿真 模态分析
【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH132.46
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 1 绪论12-18
• 1.1 选题的背景12-13
• 1.2 摆线类精密传动装置发展概述13-14
• 1.3 摆线钢球行星传动研究现状14-16
• 1.3.1 国外研究现状15
• 1.3.2 国内研究现状15-16
• 1.4 论文研究的主要内容16-18
• 2 摆线钢球行星传动基本理论知识18-28
• 2.1 摆线钢球行星传动结构特点与传动原理18-20
• 2.1.1 一级摆线钢球行星传动机构18-19
• 2.1.2 二级摆线钢球行星传动机构19-20
• 2.2 摆线钢球行星传动结构类型20-22
• 2.2.1 一级摆线钢球行星传动结构类型20-22
• 2.2.2 二级摆线钢球行星传动结构类型22
• 2.3 传动比分析22-25
• 2.3.1 一级摆线钢球传动机构传动比分析23-24
• 2.3.2 二级摆线钢球传动机构传动比分析24-25
• 2.3.3 实例分析25
• 2.4 短幅内、外摆线理论曲线方程25-26
• 2.5 钢球运动位置方程26
• 2.6 本章小结26-28
• 3 摆线钢球减速器基本设计参数分析28-42
• 3.1 遗传算法概述28-30
• 3.1.1 遗传算法的特点28-29
• 3.1.2 遗传算法的运算流程29
• 3.1.3 多目标优化问题的遗传算法29-30
• 3.2 传统设计方法30-34
• 3.3 多目标优化设计方法34-40
• 3.3.1 设计变量34
• 3.3.2 目标函数34-37
• 3.3.3 约束条件37-40
• 3.3.4 基于MATLAB的遗传优化40
• 3.4 结果对比分析40-41
• 3.5 本章小结41-42
• 4 二级摆线钢球减速器参数化设计42-52
• 4.1 参数化设计概述42-43
• 4.1.1 参数化设计方式42-43
• 4.1.2 Pro/E中零件参数化设计的实现43
• 4.2 摆线钢球减速器关键零件的参数化设计43-48
• 4.2.1 短幅内、外摆线参数化43-44
• 4.2.2 摆线槽参数化44-45
• 4.2.3 环形槽参数化45-47
• 4.2.4 偏心输入轴参数化47-48
• 4.3 主要零件的实体模型48-49
• 4.4 各零部件的装配49-51
• 4.5 本章小结51-52
• 5 二级摆线钢球减速器运动仿真分析52-60
• 5.1 ADAMS简介52
• 5.2 ADAMS运动仿真分析步骤52-54
• 5.3 摆线钢球减速器仿真分析54-58
• 5.3.1 Ⅰ型和Ⅳ型并联组合的摆线钢球减速器仿真分析54-56
• 5.3.2 Ⅰ型和Ⅲ型并联组合的摆线钢球减速器仿真分析56-58
• 5.4 本章小结58-60
• 6 摆线钢球减速器有限元分析60-74
• 6.1 ANSYS Workbench简介60-62
• 6.1.1 Workbench概述60
• 6.1.2 Workbench分析步骤60-62
• 6.2 二级摆线钢球减速器静力学分析62-67
• 6.3 二级摆线钢球减速器模态分析67-72
• 6.3.1 模态分析基础理论68
• 6.3.2 Workbench环境下模态分析68-71
• 6.3.3 分析结果讨论71-72
• 6.4 本章小结72-74
• 7 总结与展望74-76
• 7.1 全文总结74-75
• 7.2 展望75-76
• 致谢76-78
• 参考文献78-82
• 附录：遗传算法程序82-86
• 攻读学位期间发表的学术论文目录86-88

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