【文章內(nèi)容簡介】 系數(shù) 1zk 刀具切削點 Z 向廓面誤差影響系數(shù) 2xk 刀具半徑誤差 X 向廓面誤差影響系數(shù) 2yk 刀具半徑誤差 Y 向廓面誤差影響系數(shù) 2zk 刀具半徑誤差 Z 向廓面誤差影響系數(shù) 3xk 中心距誤差 X 向廓面誤差影響系數(shù) 3yk 中心距誤差 Y 向廓面誤差影響系數(shù) 3zk 中心距誤差 Z 向廓面誤差影響系數(shù) 4xk 刀具回旋軸線誤差 X 向廓面誤差影響系數(shù) 4yk 刀具回旋軸線誤差 Y 向廓面誤差影響系數(shù) 4zk 刀具回旋軸線誤差 Z 向廓面誤差影響系數(shù) 5xk 軸交角誤差 X 向廓面誤差影響系數(shù) 5yk 軸交角誤差 Y 向廓面誤差影響系數(shù) 5zk 軸交角誤差 Z 向精度影響系數(shù) 6xk 工件軸向竄動誤差 X 向精度影響系數(shù) 6yk 工件軸向竄動誤差 Y 向精度影響系數(shù) 6zk 工件軸向竄動誤差 Z 向精度影響系數(shù) 湘潭大學碩士學位論文 1 第 1 章 緒 論 引言 機械傳動裝置是機器的 重要組成 部分，主要用來 傳遞原動機 的 運動和動力 變換其 運動形式 以滿足 工作裝置的 需要。隨著現(xiàn)代 工業(yè)技術(shù) 的發(fā)展，機器設(shè)備在高速、 高效 、 重載 、 智能 、輕質(zhì)和精密等方面的 要求越來越高 ，為了滿足 機器設(shè)備 發(fā)展的要 求 ，機械傳動裝置就必須向著高效率、 大功率 、 大傳動比 、 大扭矩 、小體積和低成本的方向發(fā)展 。為 此，國內(nèi)外研究人員研發(fā)出了各種新型傳動機構(gòu)，比如說超環(huán)面行星蝸桿傳動、弧面凸輪機構(gòu)、環(huán)面蝸桿傳動等 [1]。其中超環(huán)面行星蝸 桿 傳 動由于結(jié)合了 行星傳動 和 蝸桿傳動 的結(jié)構(gòu)，因此具備了高傳動效率， 大承載能力 ， 大傳動比 ，小空間體積和傳動平穩(wěn)等優(yōu)點，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。 雖然目前超環(huán)面行星蝸桿傳動 機構(gòu)還沒有實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但是國內(nèi)外學者都曾制造樣機進行試驗，遺憾的是由于沒有考慮誤差對 傳動 性能的影響以及加工精度等問題，導致樣機試驗時，在高速運轉(zhuǎn)的情況下時間一長就會出現(xiàn)噪聲和振動較大 、嚙合齒面磨損、傳動效率達不到預期值等問題。因此急需要建立 基于誤差 的超環(huán)面行星蝸桿傳動 嚙合理論 ，用以研究各 誤差因素 對超環(huán)面行星蝸桿傳動嚙合性能的 影響規(guī)律 ，從而在超環(huán)面行星蝸桿傳動機構(gòu)零件實際加工時選擇合適的加工工藝路線和工藝設(shè)備提高加工精度。同時，為了使超環(huán)面行星蝸桿傳動滿足高速和高精度應(yīng)用場合的要求，其關(guān)鍵零件中心蝸桿和超環(huán)面 內(nèi)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。 超環(huán)面行星蝸桿傳動研究現(xiàn)狀 由于超環(huán)面行星蝸桿傳動（ Toroidal Drive）具備承載能力高、空間體積小、傳動比大、傳動平穩(wěn)、傳動效率高等優(yōu)良的傳動特性 [3]； 自 20 世紀中期一經(jīng)問世后，便吸引了國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注。國外方面，德國最先開始這方面的研究，緊隨其后，美國、日本的研究人員也開始了這方面的研究。自 20 世紀 80 年代中期伊始，我國的研究人員也陸續(xù)開始了對超環(huán)面行星蝸桿傳動的研究。目前對于其嚙合 理論方面的研究已經(jīng)趨向成熟，但在承載能力、關(guān)鍵零件的加工方法和加工工藝以及傳動效率方面的研究還處于探索階段，還很不成熟， 在其 誤差分析和檢測方面的研究更是基本處于空白階段。 由于各國對其技術(shù)研究的保密性等原因，具有參考價值的研究成果一般很少公開發(fā)表，目前所知的國外學者的研究主要有： 20 世紀 80 年代，前西德亞琛工業(yè)大學的[46]教授領(lǐng)導的 課題組 對超環(huán)面行星蝸桿傳動的 設(shè)計和制造 進行了 相對 全面的湘潭大學碩士學位論文 2 研究，包括其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、 嚙合強度 、 加工工藝 、裝配關(guān)系和承載能力等，并推導出了其 載荷計算公式 ，制造出了超 環(huán)面行星蝸桿傳動減速器的樣機。 [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(shè)計 。 Toote[9]對圓柱 齒 超環(huán)面行星蝸桿傳動的偏載問題進行了 相關(guān)探索 ， 并 提出了相應(yīng)的改進措施。 由于預見到了超環(huán)面行星蝸桿傳動這一新型傳動機構(gòu)開發(fā)應(yīng)用的潛力與前景，國內(nèi)學者根據(jù)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。 在嚙合理論研究方面，主要完成 了嚙合方程、 齒面方程 、 接觸線方程 、螺旋線方程和壓力角方程的推導 ， 并在數(shù)值計算的基礎(chǔ)上從理論方面分析了各嚙合參數(shù)對超環(huán)面行星蝸桿傳動特性的影響。福州大學姚立綱、魏國武等在建立了基于 轉(zhuǎn)化機構(gòu) 的球形齒超環(huán)面行星蝸桿傳動的嚙合坐標系，并在此基礎(chǔ)上建立了球形齒超環(huán)面行星蝸桿傳動的嚙合理論體系 [3]，此外還探討了不同形狀滾子對超環(huán)面行星蝸桿傳動 嚙合特性 的影響 [10]。燕山大學的許立忠等 [11]分別推導出了球齒、圓柱齒和圓錐齒中心蝸桿 和超環(huán)面內(nèi)齒圈 螺旋面的齒廓曲面方程、行星蝸輪與超環(huán)面內(nèi)齒圈及中心蝸桿 嚙合 的接觸線方程，給 出了界限曲線方程、 誘導法曲率計算公式 、接觸線切線與相對速度夾角的計算公式，分析了接觸線形狀和嚙合區(qū) 位置，并引入 傳動參數(shù) ， 得出了傳動參數(shù) 對嚙合特性的影響規(guī)律。湘潭大學的譚援強、王亮等 [12]推導出了圓柱齒超環(huán)面行星蝸桿傳動壓力角的計算公式。 在承載能力方面 ，許立忠 [1316]推導出了超環(huán)面行星蝸桿傳動接觸應(yīng)力的計算公式，給出了三種不同齒形的載荷分布計算公式，分析了傳動參數(shù)對載荷分布的影響規(guī)律，并給出了三種不同齒形超環(huán)面行星蝸桿傳動載荷分布的統(tǒng)一計算公式。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(zhuǎn)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。姚立綱 [1824]等人對超環(huán)面行星蝸桿傳動理論進行了深入的研究。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(jié)構(gòu)參數(shù)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(jié)論。湘潭大學的譚援強、王亮等 [1]建立了圓柱齒超環(huán)面行星蝸桿傳動接觸理論，給出了圓柱齒超環(huán)面行星蝸桿傳動接觸應(yīng)力的 計算公式。 在超環(huán)面行星蝸桿傳動零件的加工制造方面，國內(nèi)外學者參考其他復雜曲面零件的加工方法，試驗了各種加工方法實現(xiàn)關(guān)鍵零件超環(huán)面內(nèi)齒圈和中心蝸桿加工的可能性并初步取得了一定的成果。在國內(nèi)，武漢 理工大學的 陳定方 [2628]教授率先對這種傳動零件的 加 工 制 造 進行了研究，并利用改裝的滾齒機于 1996 年前后制成國內(nèi)首臺滾珠齒超環(huán)面行星蝸桿傳動試驗樣機 ； 但由于加工精度不高，導致樣機試驗 時 摩擦嚴重，無法正常運轉(zhuǎn)，因此最終未能實現(xiàn)樣機試驗。許立忠 教授對該種傳動零件的加工方法與加工工藝進行了深入的研究，而且在 1999 年制成了國內(nèi)首臺滾錐齒超環(huán)面行星蝸桿傳動樣機，并進行了樣機試驗 [29]。湘潭大學的譚援強，姜勝強等 [30]參考范成法在五軸聯(lián)動數(shù)控加工湘潭大學碩士學位論文 3 中心加工出了超環(huán)面行星蝸桿傳動的關(guān)鍵零件，并制成了樣機。超環(huán)面內(nèi)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(nèi)齒圈尺寸比較小 的 時候且行星蝸輪輪輪齒為滾珠才適用。切削成形法主要有數(shù)控 中心加工法、專用機床加工法和普通機床改裝加工法等 [3234]。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(guān)數(shù)據(jù)的簡化計算的基礎(chǔ)上，最終在數(shù)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(shù)控加工方法，并完成了中心蝸桿的實際加工 [37]。 機電集成超環(huán)面?zhèn)鲃拥难芯俊?針對傳統(tǒng)超環(huán)面?zhèn)鲃酉到y(tǒng)的摩擦損耗過大問題 [38]，許立忠教授提出了一種新型超環(huán)面?zhèn)鲃?— 機電集成超環(huán)面?zhèn)鲃?，機電集成超環(huán)面?zhèn)鲃邮且猿h(huán)面行星蝸桿傳動為基礎(chǔ) , 集機械傳動、電氣控制、電磁傳動于一體的新型傳動機構(gòu) ,該機構(gòu)克服了傳統(tǒng)機械機構(gòu)只是簡單的傳遞力或力矩的缺點 ,將動力機構(gòu)和機械變速機構(gòu)融為一體 ,能夠更方便有效地控制機構(gòu)的輸入和輸出 [39]。機電 集成超環(huán)面 的提出為 傳統(tǒng) 超環(huán)面?zhèn)鲃拥陌l(fā)展提供了一種新的契機和可能，必將成為超環(huán)面?zhèn)鲃友芯啃碌臒狳c。 在嚙合誤差理論和幾何精度檢測方面，魏國武 [3]等建立了基于誤差的球形齒超環(huán)面行星蝸桿傳動嚙合理論體系，并分析 了誤差對中心蝸輪和超環(huán)面內(nèi)齒圈在行星蝸輪齒面上的接觸線、行星蝸輪與中心蝸輪和超環(huán)面內(nèi)齒圈嚙合時齒面誘導法曲率以及中心蝸桿和超環(huán)面內(nèi)齒圈計算圓上的螺旋升角的影響。但是該嚙合誤差理論還很不全面，首先沒有分析產(chǎn)生各誤差的具體原因，其次也沒有對加工誤差與超環(huán)面關(guān)鍵零件幾何誤差之間的關(guān)系進行探討，此外也沒有提出超環(huán)面關(guān)鍵零件的幾何精度評定與檢測方法。 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(shù)領(lǐng)域以及坦克和潛艇等重要軍事領(lǐng)域。這些場合都對傳動精度要求非?？量?，而我國對超環(huán)面行星 蝸桿傳動精度這方面的研究相當匱乏，故有必要大力開展對誤差控制和精度評定方面的研究。 機械傳動精度研究現(xiàn)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(gòu)的精度評價問題；第二個是對于精度的控制問題。對于精度的評價問題一般是從設(shè)計要求出發(fā)建立幾何形狀與設(shè)計要求之間的關(guān)系，根據(jù)其關(guān)系建立合理的精度指標并設(shè)計測量精度指標的儀器 確定精度測量的方法 。對于精度的控制問題主要是研究制造過程 各工藝因素 與機構(gòu) 零部件 幾何精度的之間的關(guān)系，根據(jù)幾何偏差尋找產(chǎn)生誤差的原因，并通過調(diào)整工藝參數(shù)或者機床補償 等方法提高加工精度從而達到精度控制的作用。 對于機械傳動部件的精度研究是一個永恒的課題，自從應(yīng)用最普遍的傳動部件齒輪湘潭大學碩士學位論文 4 出現(xiàn)后，人們就開始了對其精度的研究。因為對于一個機械構(gòu)件而言其關(guān)鍵部位的精度是其存在和實現(xiàn)功能的生命線。為了使設(shè)計的產(chǎn)品達到預定的功能設(shè)計人員必須合理的規(guī)范其設(shè)計公差來控制零部件的精度，而加工人員則應(yīng)想方設(shè)法采用各種工藝方法使加工出來的零件滿足設(shè)計要求。對于傳動部件的精度檢測一方面是為了檢測傳動構(gòu)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(chǎn)生誤差的原因。作為傳動部件其主要功能是實現(xiàn)運動 和動力的傳遞，對于一般傳動部件一般有 四 個方面的要求，第一是運動平穩(wěn)性，傳遞運動的平穩(wěn)性很大程度上決定了傳動部件產(chǎn)生的振動等級，同時傳遞運動的平穩(wěn)性能使傳動部件在工作使減少沖擊力，延長傳動部件的壽命，同時也使與之配合工作的軸系類零件處于比較優(yōu)越的工作環(huán)境，對減少產(chǎn)品故障具有重要作用。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(gòu)在工作時其被動件實際的位置與理論位置的差別。對于單純傳遞動力的傳動部件而言對運動的精度要求不是很高，但是對于協(xié)調(diào)工作的傳動部件，例如凸輪構(gòu)件，連桿傳動等其運動精 度對其功能的實現(xiàn)尤其重要。第 三 個方面的要求是傳動動力時其承載的均勻性。對于動力傳遞構(gòu)件，特別是大功率傳動其承載的均勻性對于其傳動性能以及壽命有重要的影響 [40]。另一個要求是防止傳動部件之間在傳動過程中產(chǎn)生干涉而影響傳動性能。 為了使設(shè)計出的傳動部件滿足以上 四 個要求從而實現(xiàn)其預期的功能，國內(nèi)外大量專家學者都開展了大量的關(guān)于精度體系的研究，以最常見的傳動構(gòu)件齒輪 為例 ，對于齒輪的精度研究主要經(jīng)歷了三個階段 發(fā)展到了第四個階段。 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(gòu)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(chǎn)實際中總結(jié)出的參數(shù)來合理的限制齒輪各個單獨的幾何參數(shù)的范圍，從而確立最早的齒輪精度評價體系。這種方式有利于對其進行加工工藝分析，提高產(chǎn)品加工質(zhì)量，但是其中忽略了傳動構(gòu)件的其他許多特征，例如 加 載變形等。其采用的測量方法主要是對 齒輪 各幾何參數(shù)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(gòu)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。 第二個階段是運動學精度 研究 階段，把齒輪當作是一種能夠傳遞運動的幾何體，不僅把齒輪的幾何規(guī)范保留下來同時把齒輪當作一種傳遞運動的幾何體， 故而提出了各種綜合運動精度表征量，如切向綜合運動精度等。這一階段人們開始利用嚙合原理等理論手段來研究齒輪的幾何誤差對于傳遞運動精度的影響。這個階段人們制訂了比較完備的齒輪精度體系和各種測量齒輪等傳動部件精度的方法，為傳動工業(yè)以及機械工業(yè)的發(fā)展提供了條件。 第三個階段是動力學精度評價階段，在該階段不僅把嚙合傳動部件當成傳遞運動的構(gòu)件而且將其作為傳遞動力的部件考慮其傳動動力的平穩(wěn)性和載荷的平均性。例如在齒輪精度評價體系里加入了各種關(guān)于嚙合動力傳動方面的因素，嚙合斑點等。 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(yīng)力湘潭大學碩士學位論文 5 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(yīng)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 。 同時 隨著人們對于傳動 機構(gòu) 經(jīng)驗的積累以及各種新的科學技術(shù)的發(fā)展，特