CN112412971A - 一种柔性轴承及谐波减速器 - Google Patents

一种柔性轴承及谐波减速器 Download PDF

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CN112412971A CN202011307541.0A CN202011307541A CN112412971A CN 112412971 A CN112412971 A CN 112412971A CN 202011307541 A CN202011307541 A CN 202011307541A CN 112412971 A CN112412971 A CN 112412971A
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Abstract

本申请实施例属于轴承技术领域，涉及一种柔性轴承及谐波减速器。本申请提供的技术方案包括轴承内圈、轴承外圈和滚动体，所述轴承外圈的沟道为非圆曲线。所述的非圆曲线的方程式为：y＝a*x^5+b*x^4+c*x^3+d*x^2+e*x+f，其中，所述a、b、c、d、e、f为变量，x为所述沟道的半径，y为沟道的轨迹。本申请提供的柔性轴承及谐波减速器，轴承外圈采用非圆曲线沟道，能使变形后的轴承外圈沟道与滚动体接触面更大，应力幅值更小，受力更加平稳和均匀，提高了谐波减速器的寿命，同时利用有限元仿真与多目标优化，提高非圆曲线拟合效率，缩短实际研发时间，提高效率。

Description

一种柔性轴承及谐波减速器
技术领域
本申请涉及轴承技术领域，更具体的说，特别涉及一种柔性轴承及谐波减速器。
背景技术
谐波减速器主要由波发生器、柔性齿轮、柔性轴承、刚性齿轮四个基本构件组成，谐波传动减速器，是一种靠波发生器装配上柔性轴承使柔性齿轮产生可控弹性变形，并与刚性齿轮相啮合来传递运动和动力的齿轮传动。柔性轴承不同于普通轴承，柔性轴承外圈薄，容易产径向变形，谐波减速器利用柔性元件控弹性变形传递运力其特点传比并且适用范围广、精度高、空、承载能力、效率高、体积、重量轻、传平稳、噪声、向密封空间传递运。
在谐波减速器生产过程中，柔性轴承的受力方式直接影响到谐波减速器的平稳性，而柔性轴承受力平稳直接影响到谐波减速器的受力、精度、传动误差与使用寿命。现有的柔性轴承变形后的轴承外圆沟道与钢球接触面较小，接触较不平稳，应力幅值较大，受力较不均匀，降低了谐波减速器的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种柔性轴承及谐波减速器，可以解决现有的柔性轴承变形后的轴承外圆沟道与钢球接触面较小，接触较不平稳，应力幅值较大，受力较不均匀的问题。
为了解决以上提出的问题，本发明实施例提供了如下所述的技术方案：
一种柔性轴承，包括轴承内圈、轴承外圈和滚动体，所述轴承外圈的沟道为非圆曲线。
进一步地，所述的非圆曲线的方程式为：
y＝a*x^5+b*x^4+c*x^3+d*x^2+e*x+f，其中，所述a、b、c、d、e、f为变量，x为所述沟道的半径，y为沟道的轨迹。
进一步地，所述柔性轴承通过有限元仿真，得到滚动体与沟道对应的应力仿真数据和接触面积仿真数据。
进一步地，所所述柔性轴承进行有限元仿真时，所述a、b、c、d、e、f作为变量，滚动体与沟道对应的应力和接触面积为优化目标，优化得到接触面积最大和应力最小的优化目标，确定出所述a、b、c、d、e、f变量的参数值，以确定所述沟道的方程式。
进一步地，所述a为-0.0001066～0.0001004，所述b为-0.01107～-0.01066，所述c为-0.00203～0.002128，所述d为-0.04606～-0.03939，所述e为-0.009643～0.009355，所述f为3.864～3.884。
进一步地，所述a为-0.0001060～0，所述b为-0.01100～-0.01070，所述c为0～0.002128，所述d为-0.04506～-0.04020，所述e为-0.009766～0，所述f为3.868～3.880。
为了解决以上提出的技术问题，本发明实施例还提供了一种谐波减速器，采用了如下所述的技术方案：
包括柔性轴承、卡环、凸轮和波发生器轮毂，所述柔性轴承包括轴承内圈、轴承外圈和滚动体，所述轴承外圈的沟道为非圆曲线。
进一步地，所述的非圆曲线的方程式为：
y＝a*x^5+b*x^4+c*x^3+d*x^2+e*x+f，其中，所述a、b、c、d、e、f为变量，x为所述沟道的半径，y为沟道的轨迹。
进一步地，所述柔性轴承通过有限元仿真，得到对应的应力仿真数据和接触面积仿真数据。
进一步地，所述柔性轴承进行有限元仿真时，所述a、b、c、d、e、f作为变量，仿真对应的应力和接触面积为优化目标，优化得到接触面积最大和应力最小的优化目标，确定出所述a、b、c、d、e、f变量的参数值，以确定所述沟道的方程式。
与现有技术相比，本发明实施例主要有以下有益效果：
一种柔性轴承及谐波减速器，轴承外圈采用非圆曲线沟道，提高设计灵活性及机械性能，能使变形后的轴承外圈沟道与滚动体接触面更大，应力幅值更小，受力更加平稳和均匀，提高了谐波减速器的寿命，同时利用有限元仿真与多目标优化，提高非圆曲线拟合效率，缩短实际研发时间，提高效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中谐波减速器的结构示意图；
图2为本发明实施例中柔性轴承的非线性沟道方程式示意图。
附图标记说明：
1、滚动体；2、卡环2；3、凸轮3；4、镶块4；5、轴承外圈5；6、沟道6；7、轴承内圈7；8、波发生器轮毂；9、调整垫片。
具体实施方式
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，下面将参照相关附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例
一种柔性轴承，如图1和图2所示，包括轴承内圈7、轴承外圈5和滚动体1，所述轴承外圈5的沟道6为非圆曲线。采用非圆曲线沟道6，提高设计灵活性及机械性能，能使变形后的轴承外圈5沟道6与滚动体1接触面更大，应力幅值更小，受力更加平稳和均匀，提高了谐波减速器的寿命，同时利用有限元仿真与多目标优化，提高非圆曲线拟合效率，缩短实际研发时间，提高效率。
所述的非圆曲线的方程式为一项五次多项方程式：
y＝a*x^5+b*x^4+c*x^3+d*x^2+e*x+f，其中，所述a、b、c、d、e、f为变量，x为所述沟道6的半径，y为沟道6的轨迹。在沟道6设计前确定沟道6所用的非圆曲线，本发明实施例采用一项五次多项方程式
Y＝a*X^5+b*X^4+c*X^3+d*X^2+e*X+f对沟道6进行设计。
本发明实施例中，所述柔性轴承通过有限元仿真，得到滚动体1与沟道6对应的应力仿真数据和接触面积仿真数据。
利用有限元分析软件建立柔性轴承模型，具体的，利用三维制图软件(如Proe)根据柔性轴承的结构尺寸绘制三维实体模型，并将三维实体模型导入有限元分析软件中，如ANSYS－DesignModeler内，然后运用其Enclosure功能，确定三维实体模型外围流体区域，从而导出柔性轴承模型。然后对柔性轴承模型进行有限元网格划分，将轴承内圈7、轴承外圈5和滚动体1划分为六面体网格，具体的，运用有限元前处理软件的拓扑几何映射功能(所谓拓扑几何映射是指建立几何包围整个模型的模块，对模块进行规则地劈分与网格划分，将劈分得到小模块一一与实体模型几何映射，从而实现对模型的网格划分)对流固耦合模型进行六面体网格划分。通过拓扑几何映射功能可提高网格划分速度与迭代计算的收敛性。然后在轴承外圈5和滚动体1之间设置接触关系，在柔性轴承模型中施加载荷和约束，然后利用有限元软件对设置好的波发生器进行有限元仿真数值模拟求解，获得滚动体1与沟道6对应的应力仿真数据和接触面积仿真数据。
本发明实施例中，所述a、b、c、d、e、f为变量，滚动体1与沟道6对应的应力和接触面积为优化目标，优化得到接触面积最大和应力最小的优化目标，确定所述a、b、c、d、e、f变量的参数值，以确定所述沟道6的方程式。
获得理论设计的仿真数据编写优化，以a、b、c、d、e、f做为变量，把仿真后滚动体1与沟道6对应的应力和接触面积为优化目标，进行优化，使a、b、c、d、e、f取不同数值下，得到接触面积最大和应力最小的优化目标，从而确定所述a、b、c、d、e、f变量的参数值，最终确定所述沟道6的方程式。
所述a为-0.0001066～0.0001004，本实施方式中，所述a可以为-0.0001066至0.0001004之间的任意值，例如，所述a可以为-0.0001066、-0.0000533、0.0000502、0.0001004，或者为上述任意两个数值所界定的数值范围内的任意值。
所述b为-0.01107～-0.01066，本实施方式中，所述b可以为-0.01107至-0.01066之间的任意值，例如，所述b可以为-0.01107、-0.01090、-0.01080、-0.01066，或者为上述任意两个数值所界定的数值范围内的任意值。
所述c为-0.00203～0.002128，本实施方式中，所述c可以为-0.00203至0.002128之间的任意值，例如，所述c可以为-0.00203、-0.00101、0.001064、0.002128，或者为上述任意两个数值所界定的数值范围内的任意值。
所述d为-0.04606～-0.03939，本实施方式中，所述d可以为-0.04606至-0.03939之间的任意值，例如，所述d可以为-0.04606、-0.02303、0.001064、-0.01070，或者为上述任意两个数值所界定的数值范围内的任意值。
所述e为-0.009643～0.009355，本实施方式中，所述e可以为-0.009643至0.009355之间的任意值，例如，所述e可以为-0.009643、-0.004821、0.004677、0.009355，或者为上述任意两个数值所界定的数值范围内的任意值。
所述f为3.864～3.884，本实施方式中，所述f可以为3.864至3.884之间的任意值，例如，所述f可以为3.864、3.870、3.878、3.884，或者为上述任意两个数值所界定的数值范围内的任意值。
在一个或多个可实现的方案中，所述a、b、c、d、e、f更优的范围为：所述a为-0.0001060～0，所述b为-0.01100～-0.01070，所述c为0～0.002128，所述d为-0.04506～-0.04020，所述e为-0.009766～0，所述f为3.868～3.880。
本发明实施例提供的柔性轴承，采用非圆曲线沟道6，提高设计灵活性及机械性能，能使变形后的轴承外圈5沟道6与滚动体1接触面更大，应力幅值更小，受力更加平稳和均匀，提高了谐波减速器的寿命，同时利用有限元仿真与多目标优化，提高非圆曲线拟合效率，缩短实际研发时间，提高效率。
为了解决以上提出的技术问题，本发明实施例还提供了一种谐波减速器，采用了如下所述的技术方案：
一种谐波减速器，包括柔性轴承、卡环2、凸轮3和波发生器轮毂8，所述卡环2为C型卡环2，所述凸轮3设于波发生器轮毂8上，所述柔性轴承设于凸轮3上，所述柔性轴承包括轴承内圈7、轴承外圈5和滚动体1，所述轴承外圈5的沟道6为非圆曲线。采用非圆曲线沟道6，提高设计灵活性及机械性能，能使变形后的轴承外圈5沟道6与滚动体1接触面更大，应力幅值更小，受力更加平稳和均匀，提高了谐波减速器的寿命，同时利用有限元仿真与多目标优化，提高非圆曲线拟合效率，缩短实际研发时间，提高效率。
所述波发生器轮毂8上设有镶块4，所述凸轮3上设有调整垫片9。
所述的非圆曲线的方程式为：y＝a*x^5+b*x^4+c*x^3+d*x^2+e*x+f，其中，所述a、b、c、d、e、f为变量，x为所述沟道6的半径，y为沟道6的轨迹。在沟道6设计前确定沟道6所用的非圆曲线，本发明实施例采用一项五次多项方程式Y＝a*X^5+b*X^4+c*X^3+d*X^2+e*X+f对沟道6进行设计。
所述柔性轴承通过有限元仿真，得到滚动体1与沟道6对应的应力仿真数据和接触面积仿真数据。
利用有限元分析软件建立柔性轴承模型，具体的，利用三维制图软件(如Proe)根据柔性轴承的结构尺寸绘制三维实体模型，并将三维实体模型导入有限元分析软件中，如ANSYS－DesignModeler内，然后运用其Enclosure功能，确定三维实体模型外围流体区域，从而导出柔性轴承模型。然后对柔性轴承模型进行有限元网格划分，将轴承内圈7、轴承外圈5和滚动体1划分为六面体网格，具体的，运用有限元前处理软件的拓扑几何映射功能(所谓拓扑几何映射是指建立几何包围整个模型的模块，对模块进行规则地劈分与网格划分，将劈分得到小模块一一与实体模型几何映射，从而实现对模型的网格划分)对流固耦合模型进行六面体网格划分。通过拓扑几何映射功能可提高网格划分速度与迭代计算的收敛性。然后在轴承外圈5和滚动体1之间设置接触关系，在柔性轴承模型中施加载荷和约束，然后利用有限元软件对设置好的波发生器进行有限元仿真数值模拟求解，获得滚动体1与沟道6对应的应力仿真数据和接触面积仿真数据。
所述a、b、c、d、e、f为变量，滚动体1与沟道6对应的应力和接触面积为优化目标，优化得到接触面积最大和应力最小的优化目标，确定所述a、b、c、d、e、f变量的参数值，以确定所述沟道6的方程式。
获得理论设计的仿真数据编写优化，以a、b、c、d、e、f做为变量，把仿真后滚动体1与沟道6对应的应力和接触面积为优化目标，进行优化，使a、b、c、d、e、f取不同数值下，得到接触面积最大和应力最小的优化目标，从而确定所述a、b、c、d、e、f变量的参数值，最终确定所述沟道6的方程式。
所述a为-0.0001066～0.0001004，本实施方式中，所述a可以为-0.0001066至0.0001004之间的任意值，例如，所述a可以为-0.0001066、-0.0000533、0.0000502、0.0001004，或者为上述任意两个数值所界定的数值范围内的任意值。
所述b为-0.01107～-0.01066，本实施方式中，所述b可以为-0.01107至-0.01066之间的任意值，例如，所述b可以为-0.01107、-0.01090、-0.01080、-0.01066，或者为上述任意两个数值所界定的数值范围内的任意值。
所述c为-0.00203～0.002128，本实施方式中，所述c可以为-0.00203至0.002128之间的任意值，例如，所述c可以为-0.00203、-0.00101、0.001064、0.002128，或者为上述任意两个数值所界定的数值范围内的任意值。
所述d为-0.04606～-0.03939，本实施方式中，所述d可以为-0.04606至-0.03939之间的任意值，例如，所述d可以为-0.04606、-0.02303、0.001064、-0.01070，或者为上述任意两个数值所界定的数值范围内的任意值。
所述e为-0.009643～0.009355，本实施方式中，所述e可以为-0.009643至0.009355之间的任意值，例如，所述e可以为-0.009643、-0.004821、0.004677、0.009355，或者为上述任意两个数值所界定的数值范围内的任意值。
所述f为3.864～3.884，本实施方式中，所述f可以为3.864至3.884之间的任意值，例如，所述f可以为3.864、3.870、3.878、3.884，或者为上述任意两个数值所界定的数值范围内的任意值。
在一个或多个可实现的方案中，所述a、b、c、d、e、f更优的范围为：所述a为-0.0001060～0，所述b为-0.01100～-0.01070，所述c为0～0.002128，所述d为-0.04506～-0.04020，所述e为-0.009766～0，所述f为3.868～3.880。
本发明实施例提供的谐波减速器，柔性轴承中的轴承外圈5采用非圆曲线沟道6，提高设计灵活性及机械性能，能使变形后的轴承外圈5沟道6与滚动体1接触面更大，应力幅值更小，受力更加平稳和均匀，提高了谐波减速器的寿命，同时利用有限元仿真与多目标优化，提高非圆曲线拟合效率，缩短实际研发时间，提高效率。
需要说明的是，在本发明的描述中，诸如“第一”、“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序，或者不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而能够理解的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本发明公开并帮助理解各个实施例方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释呈反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，实施例方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。需要说明的是，在不冲突或矛盾的情况下，本申请中的实施例及实施例中描述的具体特征、结构、材料或者特点可以相互组合。本发明并不局限于任何单一的方面，也不局限于任何单一的实施例，也不局限于这些方面和/或实施例的任意组合和/或置换。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以单独使用本发明的每个方面和/或实施例或者与一个或更多其他方面和/或其实施例结合使用。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种柔性轴承，其特征在于，
包括轴承内圈、轴承外圈和滚动体，所述轴承外圈的沟道为非圆曲线。
2.根据权利要求1所述的柔性轴承，其特征在于，
所述的非圆曲线的方程式为：y＝a*x^5+b*x^4+c*x^3+d*x^2+e*x+f，其中，所述a、b、c、d、e、f为变量，x为所述沟道的半径，y为沟道的轨迹。
3.根据权利要求2所述的柔性轴承，其特征在于，
所述柔性轴承通过有限元仿真，得到滚动体与沟道对应的应力仿真数据和接触面积仿真数据。
4.根据权利要求3所述的柔性轴承，其特征在于，
所述a、b、c、d、e、f为变量，滚动体与沟道对应的应力和接触面积为优化目标，优化得到接触面积最大和应力最小的优化目标，确定所述a、b、c、d、e、f变量的参数值，以确定所述沟道的方程式。
5.根据权利要求4所述的柔性轴承，其特征在于，
所述a为-0.0001066～0.0001004，所述b为-0.01107～-0.01066，所述c为-0.00203～0.002128，所述d为-0.04606～-0.03939，所述e为-0.009643～0.009355，所述f为3.864～3.884。
6.根据权利要求4所述的柔性轴承，其特征在于，
所述a为-0.0001060～0，所述b为-0.01100～-0.01070，所述c为0～0.002128，所述d为-0.04506～-0.04020，所述e为-0.009766～0，所述f为3.868～3.880。
7.一种谐波减速器，其特征在于，
包括柔性轴承、卡环、凸轮和波发生器轮毂，所述柔性轴承包括轴承内圈、轴承外圈和滚动体，所述轴承外圈的沟道为非圆曲线。
8.根据权利要求7所述的谐波减速器，其特征在于，
所述的非圆曲线的方程式为：y＝a*x^5+b*x^4+c*x^3+d*x^2+e*x+f，其中，所述a、b、c、d、e、f为变量，x为所述沟道的半径，y为沟道的轨迹。
9.根据权利要求8所述的谐波减速器，其特征在于，
所述柔性轴承通过有限元仿真，得到对应的应力仿真数据和接触面积仿真数据。
10.根据权利要求8所述的谐波减速器，其特征在于，
所述a、b、c、d、e、f为变量，滚动体与沟道对应的应力和接触面积为优化目标，优化得到接触面积最大和应力最小的优化目标，确定所述a、b、c、d、e、f变量的参数值，以确定所述沟道的方程式。
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