机电集成电磁谐波活齿传动系统动力学研究

The electromechanical integrated electromagnetic harmonic movable teeth transmission mechanism is a new type of composite transmission system with integrated machine, electricity, magnetism and control，this transmission system is provided with high torque density, compact structure and quick response, and can be widely used in the fields of aviation, energy, vehicles and robots. In order to optimize the design parameters of the system and evaluate the dynamic.performance of the system reasonably, it is necessary to study the electromechanical coupling dynamics theory.. This project combines the analytical method, the finite element method and the experiment to carry on the torque characteristic analysis, the electromechanical coupling dynamic model of mechanical and electromagnetic two subsystems is established, the inherent characteristics and sensitivity of subsystems and integrated systems are analyzed; The vibration model of the system parameters is established to determine the dynamic stability and forced response; The steady-state response and bifurcation behavior of nonlinear system with or without internal resonance are analyzed , the influence of design parameters on system steady-state response is analyzed; Finally, the dynamic parameters are optimized with the main dynamic performance index of the system. The research results can provide a theoretical basis for improving the performance of the electromagnetic harmonic transmission system.

机电集成电磁谐波活齿传动机构是集机、电、磁和控制于一体的新型广义复合传动系统，转矩密度高、结构紧凑、反应快，可广泛应用于航空、能源、车辆和机器人等领域。为优化系统设计参数，合理地进行系统动力学性能评估，必须探索其机电耦合动力学理论。. 本项申请以解析法、有限元及实验相结合进行转矩特性分析，建立机械、电磁两个子系统的机电耦合动力学模型，分析子系统及集成系统的固有特性及灵敏度；建立系统参数振动模型，确定其动力稳定性及强迫响应；分析非线性系统包含与不包含内共振时的稳态响应及分叉行为，确定设计参数对系统稳态响应的影响规律；最后以系统主要动态性能指标为目标进行动态参数优化，为提高电磁谐波活齿传动系统的工作性能提供理论依据。

机电集成电磁谐波活齿传动系统是一种集传动、驱动和控制于一体的机电集成方案，可以实现谐波传动技术、电磁驱动技术、活齿传动技术和控制技术的有机结合。由于该传动系统不需要减速器即可实现低速输出，直接满足工业设备的运行要求，具有广泛的应用前景。本项目采用解析法，分析并得到了该传动系统静态转矩随结构参数的变化规律。编制了系统参数化设计软件。建立了该传动系统的机电耦合动力学模型及其对应的动力学微分方程组，得到了系统自由振动的频率方程和模态函数，对径向激励和切向激励作用下系统的固有特性进行了求解，分析了机电参数对系统自由振动和受迫振动的影响规律。考虑该传动系统中柔轮偏心及磁场调制作用，得到了偏心状态下电磁力表达式，给出偏心状态下柔轮的模态函数公式，分析了系统机电参数变化对偏心柔轮的自由振动及受迫振动的影响规律。建立了机电集成耦合系统参数振动动力学微分方程组，得到了系统的频率方程和模态函数，分析了各阶固有频率随系统参数的变化规律及各阶动态响应和共振响应，指出柔轮厚度及半径对固有频率的影响最明显，极对数的影响较小。根据柔轮的非线性性质，建立了柔轮的非线性振动微分方程，采用Galerkin原理对振动微分方程中进行拆分，利用多尺度法求解柔轮圆柱壳径向振动模态的非线性响应，研究其1:1内共振现象、能量转换过程以及各参数改变下系统的振型。对柔轮振动的稳定性与分岔行为进行研究，利用Melnikov函数求得柔轮混沌振动时的Duffing方程，绘制了柔轮振动系统的分岔图、相平面图、位移时程曲线图和 映射图，分析系统初值改变时柔轮振动的混沌行为以及进入混沌运动的条件。以模糊性优化和确定性优化为约束函数进行动态参数优化。本项目的研究成果，为机电集成电磁谐波活齿传动系统传动性能的提高提供了理论依据，为机电集成机构及电磁传动机构动力学研究提供了借鉴。