章动减速器优化设计的研究及样机研制.pdf

摘要

章动减速器主要应用于机器人各主要关节作为传动装置，具有大减速比、重

合度高、结构简单、无侧隙与承载能力大等优点。本文以章动齿轮齿型齿廓曲线

方程和定转子啮合点方程为理论基础，首先研究了渐开线齿型对于章动减速器啮

合效率的影响，推导出了渐开线齿型的齿廓曲线方程和啮合点方程，并分析得出

了渐开线齿型由于过度干涉问题不适合作为章动减速器的齿型。其次采用单参变

量法研究了圆弧形章动减速器主要参数对啮合效率的影响并结合几何干涉条件得

出主要参数最佳取值范围。

以遗传算法为核心思想，研究了章动减速器以转子半径、转子齿轮半径、转

子齿轮齿数、转子齿轮的圆锥角和转子齿轮的章动角为设计变量，以减速器的传

递效率、总体积和齿面接触应力为分目标函数，通过层次分析法和分目标函数建

立了章动齿轮减速器的多目标优化函数，得出了优化计算后的最佳设计变量组，

并以优化计算后的最佳变量组为设计基点对章动减速器进行了总体设计，得出了

章动减速器的三维参数化模型。

通过软件ADAMS对章动减速器的三维模型进行运动学和动力学分析，分别

计算出了在章动运动中压力轮副和转子齿轮底面间的力变化曲线和定子齿轮与转

子齿轮啮合时齿面接触力的变化曲线，并与理论值进行对比分析。通过软件

ANSYSWorkbench对章动减速器的输入机构、输出机构和定子齿轮进行了模态分

析和谐响应分析，对章动减速器的简化机构机构进行了瞬态动力学计算，校核了

齿面接触应力、分析了减速器简化模型的受力变形分布和实时传动比，并与理论

值进行了对比分析。

基于章动齿轮啮合原理、优化后的参数模型和虚拟样机试验的可靠性分析，

研制并加工了章动减速器的样机，并设计了与章动减速器样机配套的试验台，测

试基础参数，并与理论值和虚拟仿真值进行对比分析。

关键词：章动减速器；遗传算法；结构优化设计；CAE分析；样机研制

Abstract

Thenutationreducerismainlyappliedtothemainjointsoftherobotasthe

transmissiondevice,andhastheadvantagesoflargereductionratio,highratioofcontact,

simplestructure,nobacklashandlargebearingcapacity.Inthispaper,basedonthetheory

ofnutationgeartoothprofilecurveequationandfixedrotormeshingpointequation,the

influenceoftheinvolutetoothprofileonthemeshingspeedreducermeshingefficiency

isfirststudied,andtheprofileoftheinvolutetoothprofileisdeduced.Thecurve

equationsandthemeshingpointequationsareanalyzedanditisconcludedthatthe

involutetoothprofileisnotsuitableasapiniontypegearreducerduetoexcessive

interference.Secondly,singleparametermethodisusedtostudytheinfluenceofthemain

parametersofthearc-shapednutationreduceronthemeshingefficiency,andtheoptimal

rangeofthemainparametersisobtainedbasedonthegeometricinterferencecondition.

Takingthegeneticalgorithm