斜齿行星轮系非线性因素对机械臂与天线机构动力学影响分析

发布时间：2020-08-20 17:16

【摘要】：围绕我国航天技术的国家重大需求,空间站大型机械臂、卫星天线等航天机构的应用日益广泛,且执行空间任务的复杂度越来越高,对这类机构的精度、稳定性、可靠性等要求也越来越高。传动关节作为其核心部件,主要完成机械连接、动力传递等工作,对空间机械臂的位置精度、卫星天线的指向精度等具有直接影响。本文针对行星轮系传动系统中存在的多间隙现象,刚柔耦合现象,建立多种动力学模型并进行数值仿真,主要研究工作如下:聚焦于课题研究的意义及相关背景,分析了相关研究的发展状况和优缺点,提出了本文的研究方向及重点。此外,航天机构的动力学研究有助于提高航天机构的设计及分析水平,延缓航天机构的磨损,延长其使用寿命,同时对其他大型机构的研制具有指导借鉴意义。针对行星轮系传动系统中多使用斜齿轮作为传动元件的应用现状,建立斜齿轮传动的弯-扭-轴耦合6自由度动力学模型。考虑斜齿轮传动中的齿侧间隙,时变啮合刚度和啮合阻尼等因素,推导齿轮啮合刚度及间隙函数方程。为分析轮齿修缘对齿轮啮合传动的影响,建立轮齿修缘模型,并用不同曲线分析修缘曲线方程,代入原斜齿轮传动动力学模型,得到系统综合考虑轮齿修缘的5自由度动力学方程。数值仿真结果表明外部激励,齿侧间隙等因素对齿轮传动的振动影响较大,合理的轮齿修缘曲线能够有效减小系统振幅。在此基础上,分析含有多组斜齿轮副传动的行星轮系关节,建立考虑多间隙因素的行星齿轮传动系统动力学模型及柔性臂杆动力学模型,利用拉格朗日乘子法建立含行星轮系关节及柔性臂杆的系统动力学方程。数值仿真中,通过对多间隙模型及刚柔耦合模型的对比,发现柔性臂杆与关节内部多间隙的耦合作用致使传动系统振动剧烈,但也加快了碰撞的衰减,因此,刚柔耦合动力学模型更符合实际工作情况。在刚柔耦合动力学的基础上,改变转速、间隙等参数大小,分析不同因素对系统动力学特性影响。结果表明较高转速时运动偏差波动次数衰减较快但启动时刻的冲击与碰撞程度较大,同时得到了维持系统最佳工作状态时各间隙大小的合理取值。此外,以2K-H行星齿轮传动系统为研究对象,建立平移-扭转耦合模型,将星载天线视为包含卫星本体、行星轮系关节,机械臂杆,天线反射面的多体系统,建立星载天线多体模型。重点分析双行星轮系关节情况下齿轮侧隙、啮合误差、摩擦力、耦合误差、空间温度等非线性因素对天线指向精度的影响。数值仿真结果表明,合适的齿侧间隙能够避免齿轮啮合过程中的卡齿现象,也能保持较高的传动精度,选用泊松比较大的齿轮材料能够减弱齿轮啮合误差造成的影响,在低速、匀速、低摩擦的情况下更易于保持天线的平稳。但由于双行星轮系关节的耦合作用,更容易引起天线指向精度偏差的波动。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V443.4
【图文】：

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图 1-1 Kahraman 的行星齿轮传动系统多间隙模型 The planetary gear transmission system multi-gap model of K隙模型碰撞力研究现状机构动力学中，接触碰撞力主要包括法向接触力和切

轨迹图,星轮,中行,启动过程

导致行星轮中心点相对于行星架产生径向跳动，跳动幅度逐次减小，并最终稳定于与行星架的连续接触状态。而图 b)中，行星轮的径向跳动次数比图 a)中多，且跳动幅度相对较大。这说明柔性臂杆的变形与多间隙间的耦合作用导致行星轮在启动后更难进入稳定状态，增大了启动初期关节的振动，对于关节的运行稳定性影响很大。

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行星轮与行星架首次碰撞的径向碰撞力要大于图 a)中的碰撞力，且进行了多次碰撞才进入稳定接触状态，说明由于多间隙和臂杆柔性变形合作用，导致启动初期，行星轮的径向碰撞次数增加，径向碰撞力增大击程度增加。而进入连续接触状态后，径向接触力仍有一定程度的波动主要是由于运动过程中臂杆的柔性变形导致的。

【参考文献】