基于复合材料层结构的高性能传动装置设计机理及实验研究

针对谐波减速器存在着柔轮易疲劳失效、扭转刚度低等缺点，本项目提出了一种玻璃纤维环氧树脂增强铁基型复合材料的高性能传动装置。拟开展运行工况下多体啮合冲击对基体开裂、复合结构分层的影响因素、横向啮合冲击载荷对传动装置刚度的影响因素等方面的研究，探索复合材料的铺层角、叠层次序和晶面堆积规律，解决各向同性材料不能同时满足即增大传动机构啮合区域，又增大扭转刚度的难题，揭示该传动装置的传动机理。将非线性模态参数识别理论、数学建模、数学仿真的方法、研制样机进行试验验证三者结合的方法，系统深入地研究该装置的动态性能，有助于提高新型传动装置的运动精度、承载能力，提高使用寿命，在航天、船舶等相关领域将具有广阔的应用前景，具有十分重要的理论意义和实用价值。

解决谐波齿轮弹性薄壁构件-柔轮的齿圈开裂问题，降低运行过程中柔轮齿圈的应力大小，是提高谐波齿轮传动装置性能的关键。常规柔轮材料因其各向同性特性所以无法解决实际工况中柔轮的大应变带来的齿圈开裂、易发生疲劳等问题。为解决这一难题，本项目针对实际工况下谐波齿轮弹性薄壁构件-柔轮存在着非均匀力学性能的问题，提出了一种高性能谐波传动装置的设计方法，利用显著各向异性特征的复合材料，提高柔轮的扭转刚度，进而有效地提高谐波传动装置的性能指标。研究了运行工况下多体啮合冲击对基体开裂、复合结构层的影响因素、横向啮合冲击载荷对传动装置刚度的影响因素，探索了复合材料的铺层角、叠层次序和堆积规律对传动性能的影响规律，在此基础上采用增强型玻璃纤维环氧树脂在柔轮上的齿廓上构建复合层结构，解决了各向同性材料不能同时满足既增大传动机构啮合区域，又增大扭转刚度的难题。通过将复合材料力学、优化设计、数学仿真与研制样机进行试验验证相结合的方法，系统深入地研究高性能谐波齿轮传动装置的设计机理，有助于提高其运动精度、承载能力，延长使用寿命，在航天、船舶、工业机器人等领域将具有广阔的应用前景，具有十分重要的理论意义和实用价值。 .（1）在中文核心期刊上发表论文5篇，其中EI收录2篇；（2）公开及授权发明专利4项，其中3项已授权；（3）培养研究生5人，其中2人已答辩毕业并获学位。