中文摘要：

基于国防重大装备中动力传动机构运行工况和使用环境的非常态性，重点针对非常态工况下精密谐波齿轮传动的承载特性这一基础理论问题展开研究，结合理论分析和有限元仿真研究柔轮在不同负载工况与输入条件下的变形和应力，在此基础上对谐波齿轮传动进行非常态工况下的承载与破坏试验，研究谐波齿轮传动的失效形式及破坏机理。另一方面，对影响非常态工况下谐波齿轮传动承载能力的关键结构参数进行深入研究，同时开展新齿形的应用研究以优化啮合参数提高承载能力。最终，建立非常态工况下谐波齿轮传动可靠性优化设计的理论和规范，实现非常态工况下精密谐波齿轮传动轻小型化和性能最优化的设计，并通过试验验证设计准则的可行性和传动系统轻小型化设计理论的正确性。

结论摘要：

谐波齿轮传动在航空航天领域、机器人领域和军事领域等均有重要的应用。项目首先明确精密动力传动机构的运行工况和使用环境是非常态的，即具备短时变速、变载工作，有限次数的满载或过载力矩，具有高可靠性等特点，并在体积、重量、动力特性等方面的有严格限制。基于此工况，项目针对精密谐波齿轮传动的承载特性这一基础理论问题展开研究，以60型和72型谐波齿轮传动为研究对象，完成柔轮在不同负载工况（负载大小、负载频率以及负载波形）和输入条件（输入频率、输入波形以及输入转速）下，在不同受载区域变形和应力的分布规律的研究。研究得到柔轮齿圈与筒体过渡区处应力最大，最大应力区幅值严重制约承载特性；应用于空间飞行器等非常态工况下的谐波传动，在大过载下会发生低周疲劳断裂, 该失效需要绝对杜绝。当谐波传动加载到某一限值时，柔轮发生畸变，引起齿圈与筒体过渡区齿向方向啮合齿廓干涉，机械效率急剧降低，柔轮应力随之陡增，若再加大载荷，将发生啮合失效。项目对承载能力关键影响因素进行研究，研究得到齿圈宽度的增大，降低了柔轮的承载能力与综合刚度，同时还缩短了疲劳寿命。随着柔轮长径比的减小应力随之增大,因此过载工况下的谐波传动柔轮长径比不宜太小，0.6至0.75最为合适，若需要减小轴向尺寸，一般长径比不得小于0.5，否则应加大柔轮直径。最小长径比可达0.25，但此时啮合参数和结构参数必须相应改变。项目开展了谐波齿轮新啮合齿形的创新研究。首次在国内外提出一种基于柔轮滚刀基准齿形为圆弧-直线-圆弧(CTC)齿形而发明的新型谐波传动，对CTC齿形谐波传动进行了啮合分析、齿廓包络理论、啮合参数等研究。以实现轻小型化设计为目标，设计并试制出渐开线齿形的短杯XBD80－135、超短杯XBC80－135和XBD72－60型谐波齿轮传动机构；试验结果反映了理论研究和设计的正确性，其承载能力满足非常态工况下机电伺服系统短时过载的需求，为伺服动力传动的小型化提供了新技术支撑，对于相关重大装备的研制具有重大的意义。项目完成CTC齿形柔轮滚齿、刚轮插齿刀具的设计和试制，在此研究基础上，设计和试制成功了承载力矩400Nm以上，精度≤3′的XBC80-135 CTC齿形的短杯谐波传动机构样机。充分应用这一创新结构，可做成系列化谐波传动，形成自主知识产权，推广应用于不同型号的空间飞行器、火箭、导弹、各口径制导炮弹的伺服系统，其应用前景非常广阔。