摆线钢球行星传动耦合热弹性接触及动力学性能分析

发布时间：2020-03-31 03:25

【摘要】：摆线钢球行星传动是一种精密传动机构,因其具有零背隙、结构紧凑、体积小及传动精度高等优点,使其在机器人、无人机、医疗器械及航空航天等精密机械领域有着良好的应用前景。本文基于Buckingham滑动摩擦因数半经验公式对传动系统中的相对运动特性进行研究,计算了钢球与摆线齿面之间的相对滑动速率和滑动摩擦因数。在此基础上,建立计入摩擦的摆线钢球啮合副受力分析模型,采用接触刚度系数法推导出啮合副的啮合力公式,分析摩擦对啮合力的影响,研究啮合力随钢球系转角的变化规律。根据接触力学建立摆线钢球啮合副的非Hertz接触模型,推导出接触椭圆半轴、啮合刚度等解析式,分析啮合副接触特征;将钢球和摆线盘等效成半无限大弹性体,采用离散卷积和快速傅里叶变换技术计算接触体表面及次表面非Hertz应力场。在应力分析基础上,基于Mises屈服准则提出一种估测该传动系统承载能力的方法,并对其承载能力进行分析。针对摆线钢球行星传动中的滑动接触问题,建立耦合热弹性点接触半解析瞬态解分析模型。采用热弹性位移势方法对耦合热弹性控制方程进行解耦;采用热源法推导接触体瞬时接触温升的半解析解;基于热弹性位移势—中心差分法提出考虑摩擦热行为的接触体热弹性场的计算方法。分析热力耦合项、滑动速率、滑动摩擦因数和初始环境温度对温度场的影响以及热行为对弹性场的影响。考虑耦合热弹性因素,将建立的耦合热弹性点接触模型应用到摆线钢球行星传动机构中,建立摆线钢球啮合副耦合热弹性接触特征分析模型。采用热源法推导出钢球与摆线齿面之间的局部瞬时接触温升和名义稳态温升的半解析式,在此基础上提出摆线钢球啮合副的热弹性啮合变形量与热弹性啮合刚度的半解析计算方法。探讨转速、扭矩等外部条件对接触温升的影响,研究了摩擦热对啮合刚度的影响。根据摆线钢球行星传动耦合热弹性接触特征分析结果,综合考虑摩擦热行为、时变啮合刚度及轴承支承刚度等因素,采用集中参数法构建摆线钢球行星传动系统11自由度平移扭转耦合空间动力学模型,采用Lagrange力学方法推导系统动力学方程,分析系统固有特性,采用Runge-Kutta数值方法求解系统的时域响应,通过位移时间历程曲线、相图、功率谱图及Poincaré截面图对系统动态特性进行了探讨。设计并加工制造了摆线钢球行星传动系统样机,给出了摆线槽和啮合钢球的设计选取方法及摆线槽的非顶切条件,并通过实际加工验证了非顶切条件的正确性。采用实验模态分析方法对所加工样机的固有频率进行了测试,测试值与理论值吻合较好,误差在合理的范围之内,验证了系统动力学模型的合理可行性。
【图文】：

足这类高端精密机械装备对传动系统的要求。由此，具有高性能、高传动种精密减速器便应运而生，例如目前已经商品化并投入市场的 RV 减速器、器、摆线钢球减速器等精密减速器。以机器人为代表的高端智能装备中，器是这类机械装备的核心组成部分，其性能的优劣、传动精度的高低直接机械装备的整体性能，其中，又以机器人对精密减速器的性能要求最高。近年来，随着我国产业的转型升级，我国对机器人的需求量大幅增长，2007国工业机器人年度出货量如图 1-1 所示（数据来源：国际机器人联合会），看出，我国工业机器人装机量增幅惊人，年度出货量的增速自 2013 年以后大，这一强劲增速使我国名列全球五大机器人市场之首，，但是根据国际机会的统计数据，我国本土机器人供应商的市场份额从 2016 年的 31%下降到 25%，国产市场份额被压缩[1]。来自国际机器人联合会的数据表明，虽然我成为全球第一大机器人市场，但国产机器人研发制造水平处于国际同行业机器人仍然严重依赖进口[2]。

摆线钢球行星传动本质属于 K-H-V 型行星传动机构范畴，该传动机构利线槽中的若干钢球作为中介体传递运动和动力，能够实现高精度、零背多齿啮合的传动特性。同时，该传动机构还具有结构紧凑、体积小、噪比范围广、效率高、传动平稳等诸多优点，在机器人、无人机械、精密航天、医疗器械等领域有着广阔的应用前景。鉴于摆线钢球行星传动具的传动特性及应用前景，国内外许多学者针对该传动机构做了大量的研究摆线钢球行星传动最初是由美国学者 McFarland 基于“无齿齿轮”传动 年提出的一种新型传动技术，该传动技术利用轴承钢球和垫圈之间的滚齿轮轮齿啮合，可实现无回差传动[6]。随后，在 20 世纪 90 年代，日本学线钢球行星传动展开深入的理论研究，在经历数十年的潜心研究后，现 KAMO 公司已经对摆线钢球行星传动开发出标准型、法兰安装型、直角速比标准型、薄型及超薄型等系列化产品，如图 1-2 所示。日本学者 Tera阐述了一级摆线钢球行星传动的结构和工作原理，给出内外摆线槽理论齿
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH132.41

【参考文献】

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本文编号：2608487