摆线针轮减速器针齿两端鼓形的优化设计方法

技术领域

本发明属于机械工程领域，具体涉及到摆线针轮减速器针齿结构两端鼓形优化设计方法。

背景技术

摆线针轮减速器在工业机器人领域有着广泛的应用，其对减速器提出了传动精度高、回差小、刚度大、抗冲击能力强、结构紧凑、传动效率高等要求，因此减速机的各个组成零件的结构形式及零件的尺寸大小设计等都是决定整机性能及减速机可靠性的关键因素，其中处于针齿壳与齿轮之间的针齿部件在实际应用领域中很大程度上决定减速器的耐用程度，是重点优化对象。同时随着工业机器人的迅速发展，摆线针轮减速器需保证性能就要进一步提升各项组成部件的力学性能，本发明涉及的减速器针齿优化设计可以在几乎不增加成本的基础上提升针齿的抗疲劳强度。

现有的针齿由于针齿两端面在实际使用中的应力集中现象导致的疲劳破坏现象较为严重，那么对于此类问题依然需要寻求有效的结构来提升针齿本身力学性能。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，将针齿经过本发明的优化设计方法优化后使得端面成合适的鼓形，有效地降低了针齿两端面以及侧面的应力应变大小，改善了端面发生疲劳破坏的现象，提升了针齿以及摆线针轮减速器的整体使用寿命，解决现有针齿端面由于应力集中导致的疲劳破坏引起的针齿使用寿命大减问题。

本发明是这样实现的：

一种摆线针轮减速器针齿两端鼓形的优化设计方法，其特征在于，所述的优化方法具体为：

步骤一、测量得到需要优化的针齿初始各项尺寸，包括总长、中间段外径，针齿与上下摆线盘有效啮合宽度；

针齿两端的端面易受到应力集中影响，为了改善针齿端面的应力集中现象，根据应力状态理论，可以将端面进行应力均匀化处理，即将针齿的两个端头处通过优化设计方法设计成合适的鼓形来解决相应问题。

步骤二、保持针齿整体的形状尺寸不变，在abaqus仿真软件中将模型的端面3与侧面2交界边沿处的棱角改为倒角的斜面1，所作的改进优化斜面的具体尺寸为a、b值，a为圆柱侧面上的修形长度，b为园柱底面上的修形高度；

步骤三、将无鼓形优化下的针齿模型导入abaqus中，在abaqus添加合适的边界条件和受力大小模拟仿真出在无鼓形优化下的针齿应力应变情况，并输出应力应变云图；

步骤四、进行端面鼓形的优化，首先选取初始针齿修形长度的a取值范围的最大值(此处设定选取最大值是为后续仿真减少不必要的工作量)：端面鼓形优化尺寸选取有借鉴倒角设计，倒角尺寸为倒角处尺寸的十几或者几十分之一；由于本文要进行鼓形优化，故初始a值较一般倒角尺寸选取比例更大应取圆柱体针齿总长的1/20的整数，修形长度a在针齿侧面上与正压力方向垂直，a值上限不宜过大，否则会大大减少施加外力物体与针齿侧面的接触面积只会导致针齿的力学性能变得比无优化时更差，(例如总长20mm，则取初始a值为1mm)，选取的初始b值从0mm开始，梯度大小设置为a值的十分之一，b值范围上限根据前述初始a值的选取方法确定为底部圆面直径的五分之一(b值上限不能取的过大，因为b值一旦取的过大会导致针齿端面过小变薄，导致整体力学性能更差)，之后形成不同角度和尺寸的斜面，同时注意分析每次改变b值后的应力应变的变化，若在选取两个相邻连续的b值的针齿分别进行模拟仿真后得到的应力应变大小相近且均小于无鼓形优化时应力应变，则应使用枚举法在该区间内多取几组均匀分布在区间内的b值模拟仿真分析，(例如在b取0.1mm，0.2mm，0.3mm时，若针齿在此三个值时应力应变均小于无鼓形优化情况，则应该在这几个区间上以更小的梯度选取多组b值进行仿真得出数据进行比较)，以此得到一个较优的b 值大小。

步骤五、在取得优化的b值之后，保持修形高度b不变，先取值a＝b模型导入abaqus分析得到此状态下应力应变云图及数据，此后以该a值为基准增加或者减少各取多组a值，考虑到a为侧面上的圆柱侧面上的修形长度，而针齿侧面与压力方向垂直受正压力影响较大，故在区间0mm到步骤四中a值上限的区间范围内(若有仿真必要，此处上限可以视情况上调)，以上述步骤四中的梯度大小为区间长度分成若干个小区间且a选取的可能值范围更广，故a在本方法中取值各区间端点，各区间中点值以及与最优b值呈整数倍数的点数值(a取值为最优b值的整数倍，可能会出现较好的优化设计，故要进行考虑并进行仿真比较) 进行模拟仿真，比较各组仿真之后的应力应变情况，以此确定所需要较好的优化 a值。

进一步，所述的针齿结构为两端鼓形的摆线针轮减速器圆柱形针齿，所述的鼓形为圆柱形针齿端面边沿处修形而成的小斜面。

进一步，所述的针齿所用材料皆设置为弹性体，泊松比为0.3，杨氏模量为211000mpa。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：摆线针轮减速器中针齿和针齿壳之间表现为滑动摩擦，受力易磨损，所以现有技术旨在不断提高针齿的加工精度，在材料和价格工艺上不断做出改进，也有专利将摆线轮与针齿套、摆线轮与柱销套之间的摩擦由滑动摩擦变为滚动摩擦或者通过缩短针齿长度来减少摆线针轮中针齿的磨损，本发明则通过针齿本体结构的改变(端面鼓形设计)来提高针齿的力学性能，可以配合现有其他技术进一步提高针齿的使用寿命，也可以在需要的范围内通过这种方法进行更低成本的针齿寿命提高，而不必使用高成本的加工精度，材料以及润滑材料改进升级来提高针齿寿命。

附图说明

图1是本发明方法中在Abaqus里面模拟20E针齿与摆线盘接触及约束图；

图2是本发明实施例中a＝0，b＝0无鼓形优化设计的20E针齿应力云图；

图3是本发明实施例中a＝0，b＝0鼓形优化设计的20E针齿应变云图

图4是本发明实施例中a＝0.37，b＝0.37鼓形优化设计的20E针齿应力云图；

图5是本发明实施例中a＝0.37，b＝0.37鼓形优化设计的20E针齿应变云图；

图6是本发明实施例中针齿优化后的外形结构以及刨面图；

其中，1-斜面，2-侧面，3-模型的端面。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现预设减速器100％额定转矩(此预设是对应后续在仿真中施力的大小，即在该100％转矩下针齿受力的大小)，选用20E鼓形针齿，针齿总长20.0mm，中间段外径6mm，上下摆线盘有效啮合宽度9.6mm。

在预设的边界条件下，使用Abaqus CAE对优化后的针齿进行力学仿真，得到不同的应力应变云图，以此得出不同的鼓形优化下的针齿的力学性能。

保持针齿整体的形状尺寸不变，在abaqus仿真软件中将模型的端面3与侧面 2交界边沿处的棱角改为倒角的斜面1，所作的改进优化斜面的具体尺寸为a、b 值，a为圆柱侧面上的修形长度，b为园柱底面上的修形高度，如图6所示。具体的，首先在abaqus中仿真得出无鼓形优化设计下20E的应力应变情况(具体数据见下表一与图2、图3所示)。然后进行鼓形优化设计的b值选取，该20E 针齿总长20.0mm，则初始a值依上述方法选取总长的1/20为1mm，b值从0mm 开始以初始a值的1/10也就是0.1mm梯度增加，b值上限选取依上述方法为针齿底部直径的1/5也就是0.6mm，同时通过仿真选取区间内的b值并进行仿真分析，在b＝0.1mm，0.2mm，0.3mm时仿真后得到的应力应变数据可以看出在 b＝0.2mm时应力应变情况较b＝0.1mm以及b＝0.2mm时有较大改变且比无鼓形优化时要大的多，故此区间内不需要在另取b值进行仿真模拟。而在b＝0.3mm， 0.4mm，0.5mm，0.6mm时，针齿的应力应变较为接近且都小于无鼓形优化时，故在0.3mm到0.4mm区间内随机取均匀分布的b＝0.32mm，0.34mm，0.35mm， 0.36mm，0.37mm，0.39mm进行模拟仿真，在0.4mm到0.5mm区间内随机取均匀分布的b＝0.41mm，0.42mm，0.43mm，0.44mm，0.45mm，0.46mm，0.47mm， 0.48mm，0.49mm进行模拟仿真，在0.5mm到0.6mm区间内随机取均匀分布的 b＝0.52mm，0.54mm，0.55mm，0.57mm进行模拟仿真。不同的b值与固定值a 形成不同角度和尺寸的斜面，得到25组仿真数据，筛选之后得到应力应变状况较优的b＝0.37mm(仿真数据见下表一)。

在取得较优的b值之后，保持修形高度b不变，先取值a＝b模型导入abaqus 分析得到此状态下应力应变云图及数据，此后以该a值为基准增加或者减少各取多组a值，选择a值选取区间0mm到1.11mm(此处的1.11mm为已确定b值的三倍又恰好略大于前述选择的a值上限1mm，故选择此处选择1.11mm为区间上限)，梯度依然是0.1mm，a取值0.1mm，0.2mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm，0.6mm， 0.7mm，0.8mm，0.9mm，1.0mm，1.1mm，以这些点为端点的小区间的区间中点 0.15mm，0.25mm，0.35mm，0.45mm，0.55mm，0.65mm，0.75mm，0.85mm， 0.95mm，1.05mm以及最优b值的三个整数倍点0.37mm，0.74mm，1.11mm进行模拟仿真，得到24组仿真数据，筛选之后得出应力应变状况较优的a＝0.37mm (仿真数据见下表一)。其中选出的a＝0.37mm，b＝0.37mm修形方案的应力应变云图见图4，图5所示。

在该具体优化设计中Abaqus CAE的边界条件及其受力的基本操作设置如下 (针齿与摆线盘约束设置见图1)：

1.优化的20E针齿进行有限元网格划分，网格尺寸全部为0.3mm，网格均采用10节点Tet体网格，为了真实模拟针齿的受力状态，在20E模型有限元分析时，对针齿与针齿壳接触部分采用固定约束的方式。用刚体圆柱模拟摆线盘，摆线盘与针齿采用接触分析。摆线盘放松与针齿接触法线方向的约束，其他方向固定。摆线盘与针齿接触法线方向加载接触载荷，载荷大小由前期运动仿真结果确定。针齿与摆线盘接触时，只计算单个摆线盘与针齿接触，实际产品中有两个摆线盘，在针齿受力较大时，通常只有一个摆线盘接触，而另一个摆线盘处于非接触状态，仿真计算时，只计算单个摆线盘对针齿的接触变形。

2.针齿底部轴向一长条形区域节点与齿壳tie约束固定，针齿其余部分与齿壳面之间设置接触约束，摆线盘与针齿之间设置接触约束，运行得到不同a与b值下的针齿的应力应变云图。接触属性设置为法向与切向力，摆线盘设置刚体约束并约束前后和左右方向的位移，上下方向加载1057N静态载荷。为避免收敛问题，上述接触均设置接触容差0.001，采用非线性求解器进行分析计算。

鼓形优化设计最大应力应变及较大局部平均应力表(注：averge是指区域较大平均应力)

综合上述的图2～图5以及表1数据最后得出此预设条件下，修形长度a＝0.37，修形高度b＝0.37时针齿可以获得较好的力学性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。