谐波减速器柔轮失效模式分析.pdf

技术应用I and Techniqueapplication ◆李谦左昱昱 (苏州绿的谐波传动科技有限公司，江苏苏州，215101) 摘要：影响谐波减速器使用寿命最主要的因素是柔轮的失效。柔轮虽然是由强韧的合金钢制成，但其断裂结果均呈现脆性的特征。 由于其断裂带存在三向拉伸应力，受力状态非常复杂，不便于进行失效模式分析。本文希望通过建立数学模型，推导出柔轮可以保持 变形与寿命平衡最佳状态的温升极值公式，并用实验加以证明，从而为优化柔轮的设计提供一种新的思路。 关键词：机器人，谐波减速器，柔轮 谐波传动是上世纪50年代中期，随着空间科学技术 如图1所示，假设柔轮中有任一点A，在初始状态下， 的发展，在薄壳弹性变形理论基础上发展起来的一种新 由于柔轮内部应力是平衡的，我们可认为A点处于理想 晶格当中。当柔轮受外力作用，使A点偏离理想位置时， 型传动。谐波传动通常由柔轮(Flexspline)、刚轮(Rigid 我们根据第四强度理论进行简化：设有一个和材料有关的 spline)和波发生器Wavegenerator)组成，通常为谐波传动 三大件，由于柔轮与刚轮齿数相差很少，因此可获得很大 常数G，若A点所受的应力FG，则可认为其发生损害 的传动比。 性疲劳。 经过使用证实，谐波传动与一般的齿轮传动相比较， F为A点位置及时间的函数(由于金属内含变量与时 具有运动精度高、传动比大、重量轻、体积小、承载能力 间历史有关)， 大、效率高、容易实现零回差、并能在密闭空间和介质辐 有F(x、Y、z、t)，设向量百为A点至原点的向量， 射的工况下正常工作等优点。因此，谐波传动一出现即引 则可简化为F(奋，t)，通过F(声，t)=G可以算出该点疲劳 起了各国的重视，目前在中国、日本、德国、美国、俄罗 寿命t。 斯和印度等国都有研究机构在进行此领域的研究工作。 进一步假设A点受畸变应力的作功为F·l△五I，晶 谐波齿轮传动的主要失效形式是柔轮疲劳断裂、柔性 格位移产生的势能变化为K·I△蚕I，K为综合“势能” 轴承损坏、齿面磨损或传动滑移等。根据我们所做的调查， 模量。 在谐波减速器的所有失效形式中，柔轮断裂所占的比例达 根据能量守恒定理： 到总失效形式的60％以上，是影响谐波减速器使用寿命 F·J△西I．K·IA百I+T口为发热) T=V·△0+m△0 的最主要的原因。 (V为热容率，m为热辐射及热 1．建立数学模型 传导系数，A0为温升) 虽然柔轮是由强韧的合金钢制成，但其断裂结果均呈 F·l A西I=K·lA西I+(V+m)△0 现脆性的特征，这是由于断裂口处于三向拉伸应力状态引 0 令F=G，有：(G—K)IA百j=fv+m)A 起的。为了更好地分析柔轮的失效模式，下面通过建立简 由此，可算出A点极限变化量 单的数字模型加以分析，并通过实验予以论证。 A石I-—(v+m—)AO — G—K