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超環(huán)面行星蝸桿傳動精度理論及精度檢測研究畢業(yè)論文(存儲版)

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【正文】 Specialization Digital design and manufacture Degree Master of Engineering University Xiangtan University Date June 13, 2013 湘潭大學學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明:所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。但是由于其關鍵零件—中心蝸桿和超環(huán)面內齒圈的廓面形狀復雜,對其精度理論與精度檢測的研究不足,這顯然不利于產品的應用推廣。 profile error。同時,為了使超環(huán)面行星蝸桿傳動滿足高速和高精度應用場合的要求,其關鍵零件中心蝸桿和超環(huán)面內齒圈的幾何精度必須得到有效控制,因此,提出有效的幾何精度評定和檢測方法就成了一個亟需解決的問題。由于預見到了超環(huán)面行星蝸桿傳動這一新型傳動機構開發(fā)應用的潛力與前景,國內學者根據國外十分有限的研究資料陸續(xù)對該傳動的嚙合理論、承載能力、加工方法和加工工藝、載荷分布、傳動效率以及樣機試驗等方面進行了大量深入系統(tǒng)的研究并取得一系列極具理論價值的重要成果。楊傳民[25]提出了螺環(huán)傳動效率的簡易分析方法,并得出螺環(huán)傳動副的效率是變效率,適當選擇結構參數及采用滾動行星輪輪齒(特別是選用圓柱體輪齒),可以使螺環(huán)傳動副的效率大大提高的結論。對于中心蝸桿的加工方法,張春麗等在分析中心蝸桿齒面形成的幾何原理并進行有關數據的簡化計算的基礎上,最終在數控銑床上加工出了中心蝸桿[35];姚立綱等參考齒輪范成法利用改裝了的Y3280滾齒機完成了中心蝸桿的加工[36];蔡英杰等基于行星蝸輪與中心蝸桿嚙合的原理,使用鏡面球頭銑刀模擬行星輪輪齒與中心蝸桿的嚙合過程,提出了中心蝸桿的數控加工方法,并完成了中心蝸桿的實際加工[37]。 機械傳動精度研究現狀對于機械傳動部件精度的研究一般都致力于解決兩個問題:第一個是對于機構的精度評價問題;第二個是對于精度的控制問題。第二個方面的要求是運動的準確性,運動的準確性是指實際加工出來的傳動機構在工作時其被動件實際的位置與理論位置的差別。其采用的測量方法主要是對齒輪各幾何參數采用專用儀器進行測量,在這個階段主要把齒輪當作一個幾何構件而不考慮其傳動功能,所以這個階段對于齒輪精度的研究是粗淺的。各種計算機模擬技術以及實驗技術為傳動部件的研究提供了基礎,傳動部件動態(tài)運動精度的研究被提上了議程。第2章 基于加工誤差的超環(huán)面行星蝸桿傳動嚙合理論雖然前人建立了超環(huán)面行星蝸桿傳動的理想嚙合理論體系,但由于該傳動機構在加工和裝配過程中不可避免地存在一些誤差,因此實際的嚙合過程總是存在一定的偏差,這些偏差的存在勢必會對傳動的嚙合性能、齒間載荷分配以及接觸線上載荷分配產生影響。(4) 工作平穩(wěn)、噪聲??;超環(huán)面行星蝸桿傳動從本質上講屬于一種滾動副環(huán)面蝸桿傳動[3],中心蝸桿齒面為連續(xù)的螺旋齒面,同一時間參與嚙合的齒數比較多,當行星蝸輪和中心蝸桿嚙合時,行星蝸輪輪齒是逐漸進入嚙合并逐漸退出嚙合的,因而該傳動機構工作時運行平穩(wěn)且噪聲比較小。中心蝸桿和超環(huán)面內齒圈廓面都屬于空間不可展變距螺旋面,加工比較困難,以前主要使用燒結、電塑、精鑄和旋風銑削等方法,但是這些方法加工精度低,成本比較高,制成的樣機試驗時也無法正常運行。誤差是絕對的不可避免的,而精度是相對的可以選擇的,因此在工程實踐當中規(guī)定了公差,也就是允許出現的誤差。對于超環(huán)面內齒圈來講,由于制造難度大,因此加工誤差不容忽視。下面的章節(jié)將在建立基于誤差的圓柱齒超環(huán)面行星蝸桿傳動嚙合理論基礎上,根據含誤差的中心蝸桿和超環(huán)面內齒圈齒面方程,通過具體計算實例來分析中心蝸桿和超環(huán)面內齒圈加工時,各誤差因素對廓面誤差影響大小和變化規(guī)律,為超環(huán)面行星蝸桿傳動機構的設計和制造提供理論依據。如圖26所示為不考慮加工誤差時行星蝸輪輪齒的靜坐標系,為考慮加工誤差時行星蝸輪輪齒的動坐標系,與行星蝸輪輪齒固定連接,與圖24一致同如上所述。1. 一界函數及一界曲線求解a.行星蝸輪與中心蝸桿嚙合時的一界函數及一界曲線根切界限曲線又稱一界曲線,是齒面上的奇點的集合,為在設計齒面時排除一類界限點,設計前需求得一界曲線的解[3]。根據[85],誘導法曲率的絕對值越小,傳動的潤滑條件越好,接觸強度越高,承載能力越大。 超環(huán)面內齒圈加工誤差對其廓面誤差的影響分析第2章 已經建立了含原始加工誤差的超環(huán)面內齒圈齒面方程(233),該齒面方程主要含有超環(huán)面行星蝸桿傳動機構的運動參數和幾何參數。根據齒面方程(233)和式(32)有: (315)由式(32)及(33)有: (316)將式(315)代入式(316)得:(317) 軸交角誤差對廓面誤差的影響在超環(huán)面內齒圈實際加工過程中由于工件毛坯安裝位置誤差以及編程誤差等將會引起軸交角誤差,該誤差將會影響超環(huán)面內齒圈的加工精度。 各廓面誤差影響系數因素研究上一節(jié)中已經求出了各加工誤差因素對超環(huán)面內齒圈廓面誤差影響系數的表達式,由于表達式過于繁復不便于研究各影響系數與超環(huán)面行星蝸桿傳動機構的各結構參數之間的關系。 (a)切削點半徑對kxkykz1的影響 (b) 刀具半徑對kxkykz1的影響 (c) 中心距對kxkykz1的影響 (d)圓柱滾子高度對kxkykz1的影響圖31 各因素與kxkykz1最大值之間的關系由上圖可知,對kx1的最大值而言各因素對其影響都不明顯;對ky1的最大值而言切削點半徑以及中心距對其影響最大,圓柱滾子高度次之,刀具半徑對其影響微乎其微;對kz1的最大值而言圓柱滾子高度對其影響最大,刀具半徑次之,切削點半徑和中心距對其影響很小。 軸交角誤差對廓面誤差的影響系數分析與前節(jié)類似,分別把表32 、334中各因素在同水平下的軸交角誤差對超環(huán)面內齒圈廓面誤差分量影響系數kxkykz5的最大值求和作誤差影響圖如下所示。 超環(huán)面行星蝸桿傳動三維建模及裝配超環(huán)面行星蝸桿傳動關鍵零件中心蝸桿和超環(huán)面內齒圈曲面都屬于空間不可展曲面,ADAMS軟件所提供的實體造型功能并不適合于復雜曲面的構建,因此,需要在建立的UG三維實體模型然后再導入ADAMS軟件里進行仿真分析。通過正交實驗法,分析各誤差因素對行星架角位移偏差的影響規(guī)律。(a)切削點半徑對kxkykz4的影響 (b) 刀具半徑對kxkykz4的影響(c) 中心距對kxkykz4的影響 (d) 圓柱滾子高度對kxkykz4的影響圖34 各因素與kxkykz4最大值之間的關系由上表分析可知,對于kx4的最大值而言圓柱滾子高度對其影響最大,且其隨著圓柱滾子高度的增大而增大,切削點半徑和刀具半徑次之,中心距對其基本沒有什么影響;對于ky4的最大值而言切削點半徑對其影響最大,且其隨著切削點半徑的增大而增大,中心距和圓柱滾子高度次之,刀具半徑對其影響比較小。表34 向各廓面誤差影響系數最大值方案因素A因素B因素C因素Dkz1kz2kz3kz4kz5111112122231333續(xù)表34 向各廓面誤差影響系數最大值414445212362214723418243293134103243113312123421134142144231154324164413根據上表分析可知,向廓面誤差系數屬kz2受超環(huán)面行星蝸桿傳動各結構因素的水平變化較大,kz1和kz3的最大值主要某結構因素的水平決定,kz4和kz5的最大值隨超環(huán)面行星蝸桿傳動各結構因素的水平變化而相對緩慢變化,說明其受超環(huán)面行星蝸桿傳動各結構參數的變化較小。正因為正交試驗是用部分試驗來代表了全面試驗,所以它不可能像全面試驗那樣對各因素效應、交互作用一一分析,當交互作用存在時,有可能出現交互作用的耦合[45]。根據式(233)和(23)有(未列出項為零): (39)由式(32)及(33)有: (310)將式(39)代入式(310)得: (311) 中心距誤差對廓面誤差的影響在實際加工過程中,由于刀具的安裝誤差和數控機床本身的精度限制及對刀誤差等原因造成刀具回旋中心與超環(huán)面內齒圈軸線之間的距離誤差即中心距誤差。第3章 超環(huán)面行星蝸桿傳動機構關鍵零件的廓面誤差分析第2章完成了超環(huán)面行星蝸桿傳動機構關鍵零件在等徑加工過程中由于工件安裝誤差和刀具誤差等因素影響下的齒面方程,本章主要研究各種加工誤差對超環(huán)面行星蝸桿傳動機構關鍵零件廓面坐標誤差的影響,這對分析廓面誤差的來源有重要作用,同時也為超環(huán)面關鍵零件的廓面誤差測量結果分析提供了理論依據。由此可得二界曲線的方程為: (261)上式中即為行星蝸輪與中心蝸桿的嚙合函數對求偏導數,令即為行星蝸輪與中心蝸桿嚙合時的二界函數,如下式所示: (262)故根據式(258)便可得行星蝸輪與中心蝸桿嚙合的二界曲線為:(263)b.行星蝸輪與內超環(huán)面齒輪嚙合時的二界函數及二界曲線根據齒輪嚙合原理,類似于行星蝸輪與超環(huán)面內齒圈嚙合時的二界函數與二界曲線的求解過程,同樣的可以求出行星蝸輪與內超環(huán)面齒輪嚙合時的二界函數為: (264)行星蝸輪與超環(huán)面內齒圈嚙合時的二界曲線為:(265) 誘導法曲率求解兩共軛曲面在某一嚙合點處沿任意切線方向兩曲面的法曲率之差稱為該方向的誘導法曲率[66]。1. 中心蝸桿的軸截面方程設坐標系與軸截平面固定連接,建立坐標系如圖27所示。如圖25所示,為不考慮加工誤差時中心蝸桿的靜坐標系(即參考坐標系),為考慮加工誤差時中心蝸桿的動坐標系;為不考慮加工誤差時行星蝸輪的靜坐標系,為考慮加工誤差時行星蝸輪的動坐標系;為不考慮加工誤差時超環(huán)面內齒圈的靜坐標系,為考慮加工誤差時超環(huán)面內齒圈的動坐標系。超環(huán)面內齒圈加工示意圖如圖24所示,其加工原理與中心蝸桿相同,在此就不再贅述。在超環(huán)面行星蝸桿傳動機構裝配時,為便于裝配,中心蝸桿的溝槽寬度一定要比滾子直徑稍大些,也就是說必定有間隙存在,有了間隙也就有了沖擊的可能,在高速、高精度的超環(huán)面行星蝸桿傳動機構中,間隙應該是越小越好。 中心蝸桿和超環(huán)面內齒圈廓面誤差分析和其它任何零件一樣,超環(huán)面?zhèn)鲃雨P鍵零件超環(huán)面內齒圈和中心蝸桿在加工過程中,由于機床夾具刀具系統(tǒng)存在幾何誤差,以及加工過程中出現受力變形、熱變形、振動和磨損等的影響,不可避免地存在加工誤差。對于中心蝸桿廓面及內齒圈廓面加工的切削成形法主要有數控中心加工法、普通機床改裝加工法和專用機床加工法等。(2) 傳動比范圍廣且能實現較大傳動比,傳動效率高;該種傳動為滾動蝸桿副嚙合而蝸輪采用行星輪結構,因此類似于蝸桿傳動,當中心蝸桿旋轉一周時,行星蝸輪只旋轉一個齒,因而能夠實現大傳動比。3. 以行星架角位移偏差作為衡量超環(huán)面行星蝸桿傳動精度的指標,通過正交試驗法,利用含誤差的超環(huán)面行星蝸桿傳動模型進行ADAMS運動仿真從而實現正交試驗方案,得出不同誤差因素水平下的行星架角位移,分析了各誤差因素對行星架角位移偏差的影響規(guī)律。第四個階段由于社會的發(fā)展在許多方面對機械的要求越來越高,如工作在復雜應力狀態(tài)或者復雜的環(huán)境狀態(tài),工作載荷復雜等各種復雜的工作環(huán)境,特別是對于高速重載條件下對傳動部件的要求越來越高,為了適應這些狀況下對傳動部件的要求,對于嚙合傳動部件進行動態(tài)嚙合精度研究很有必要 。第一個階段是幾何學精度研究階段,主要將齒輪當作幾何構件,對其中的參與嚙合的各幾何要素定義其幾何精度,采用生產實際中總結出的參數來合理的限制齒輪各個單獨的幾何參數的范圍,從而確立最早的齒輪精度評價體系。對于傳動部件的精度檢測一方面是為了檢測傳動構件的精度是否滿足傳動需要,另一方面的目的是為了尋找產生誤差的原因。超環(huán)面行星蝸桿傳動被認為是已知機械傳動的最佳形式之一,特別適于航空和航天等尖端技術領域以及坦克和潛艇等重要軍事領域。超環(huán)面內齒圈的加工方法主要分為非切削加工成形方法和切削加工成形方法,其中非切削加工成形方法主要有精密鑄造法、粉末冶金法、精密模鍛法和電化學成型法[31];這四種成型方法只有當超環(huán)面內齒圈尺寸比較小的時候且行星蝸輪輪輪齒為滾珠才適用。在超環(huán)面行星蝸桿傳動摩擦理論的研究方面,許立忠[17]分別從摩擦、磨損與潤滑三個方面系統(tǒng)全面地給出了超環(huán)面行星蝸桿傳動效率隨行星輪轉角的變化規(guī)律和計算公式、齒面磨損量分布規(guī)律以及彈性油膜厚度分布規(guī)律和計算公式。[78]對超環(huán)面行星蝸桿傳動的行星蝸輪輪齒的運動阻力問題進行了研究并進行了優(yōu)化設計。 雖然目前超環(huán)面行星蝸桿傳動機構還沒有實現產業(yè)化,但是國內外學者都曾制造樣機進行試驗,遺憾的是由于
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