锥形摆线行星传动基础理论及实验研究

论文摘要

精密传动是以高精度传递运动为主要目的的一类机械传动形式,在航空航天、武器装备、数控机床、机器人、精密机械、印刷包装机械、交通运输机械、医疗器械等领域应用十分广泛,是制造装备业和国防工业极其重要的基础件。锥形摆线行星传动是依据普通摆线针轮行星传动的针齿半径改变时对应的系列变幅摆线互为等距线而提出的新型传动。该传动可以通过调整锥形摆线啮合副的轴向位置调整啮合的间隙,利用多齿啮合的误差均化效应获得高的传动精度。系统深入地开展关于锥形摆线行星传动的理论和设计方法、制造关键技术和实验研究,奠定其工程应用的基础,具有重要的理论意义和工程实用价值。本文的主要内容如下:①根据齿轮啮合原理的运动学法,讨论了平行轴内啮合行星传动的啮合方程,给出了行星轮共轭齿廓方程的一般表达式,建立了锥形摆线行星传动的啮合理论;论证了变截面摆线行星传动针齿齿廓半径沿轴向变化时所对应的系列短幅摆线互为等距线;针对变截面摆线传动,给出了针齿半径沿轴向线性变化的锥形摆线轮和非线性变化的鼓形行星轮的设计实例,从而验证了理论推导的正确性;给出了横截面为抛物线的行星轮的齿廓曲面方程,讨论了行星轮齿廓曲面的多样性;分别讨论了变截面摆线传动和抛物线柱面行星传动的齿廓曲率特性。②提出了以锥形摆线轮大端面为设计基准的设计方法,完成了锥形摆线啮合副齿廓曲面的设计;提出了基于锥形摆线的N型传动、NN型传动和双圆盘摆线行星传动三种结构形式,并针对不同的结构形式,给出了计算实例。③分析了锥形啮合副的受力情况,提出了锥形啮合副的接触应力计算方法;采用有限元方法完成了分别使用独立销套和整体销套的悬臂梁式输出机构和简支梁式输出机构的应力应变分析。④应用Microsoft Visual C++6.0编制了锥形摆线行星传动的可视化设计分析软件系统,实现N型、N-N型传动和双圆盘摆线传动各参数、齿廓的自动计算,以及力学特性等的计算机辅助设计。⑤提出了用指锥刀具/磨具直接形成零件轴向锥形,而零件截面摆线或圆弧齿通过展成方式形成的“指锥包络”切削加工方法和圆弧面砂轮磨削法,并分别进行了加工仿真。在此基础上,研制出三台套实验样机。⑥提出了变截面行星啮合副齿廓曲面的坐标测量和误差评定方法。编制了基于三坐标测量机变截面摆线轮齿廓曲面的通用自动测量程序,完成了样机齿廓曲面的精度检测;提出了采用最小二乘法的数据处理方法,对锥形啮合副的齿距偏差、齿廓偏差和锥度误差等保证锥形摆线行星传动运动精度和平稳性的重要指标进行了评定。⑦完成了实验台的研制和和改装,分别开展了普通摆线行星传动减速机、双圆盘摆线行星传动、双圆盘锥形摆线行星传动样机的实验研究,包括传动效率、传动精度、回差等。实验结果表明,三台减速器均具有高的传动效率,双圆盘摆线行星传动样机可以承受较大的轴向载荷,双圆盘锥形摆线行星传动通过调整啮合零件轴向位置可以调整啮合的间隙。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题来源以及研究的意义
• 1.2 精密传动研究现状
• 1.3 典型摆线类精密传动装置
• 1.4 摆线行星传动基础理论的研究现状
• 1.5 摆线啮合副加工检测现状
• 1.6 论文的主要研究工作
• 2 平行轴内啮合行星传动理论研究
• 2.1 引言
• 2.2 平行轴内啮合行星传动
• 2.2.1 坐标系的建立
• 2.2.2 啮合方程
• 2.2.3 行星轮的齿廓方程
• 2.3 变截面摆线行星传动
• 2.4 摆线齿廓的形成方法
• 2.4.1 两圆外啮合形成法
• 2.4.2 两圆内啮合形成法
• 2.4.3 包络法
• 2.5 典型变截面摆线行星传动
• 2.5.1 锥形摆线行星传动
• 2.5.2 鼓形摆线行星传动
• 2.6 变截面摆线轮的齿廓曲率
• 2.7 典型变截面摆线轮的齿廓曲率
• 2.7.1 锥形行星轮的齿廓曲率
• 2.7.2 旋转圆弧面鼓形行星轮的齿廓曲率
• 2.7.3 旋转抛物面鼓形行星轮的齿廓曲率
• 2.8 抛物线柱面行星传动
• 2.9 抛物线柱面行星轮的齿廓曲率
• 2.10 小结
• 3 新型锥形摆线行星传动设计
• 3.1 引言
• 3.2 锥形摆线行星传动啮合副设计
• 3.2.1 锥形啮合副设计方法的提出
• 3.2.2 锥形摆线轮齿廓曲面方程
• 3.2.3 圆弧内齿轮齿廓曲面设计
• 3.3 锥形摆线啮合副基本几何参数
• 3.3.1 基本几何尺寸
• 3.3.2 摆线轮不产生“根切”的条件
• 2 的选择'>3.3.3 针径系数K₂的选择
• 3.4 锥形摆线行星传动结构创新设计
• 3.4.1 N 型锥形摆线行星传动装置的结构设计
• 3.4.2 NN 型锥形摆线行星传动装置的结构设计
• 3.4.3 双圆盘锥形摆线行星传动装置的结构设计
• 3.5 锥形摆线行星传动的设计实例
• 3.5.1 锥形啮合副的设计实例
• 3.5.2 传动装置的结构设计实例
• 3.6 小结
• 4 锥形摆线行星传动的受力分析方法和强度理论研究
• 4.1 引言
• 4.2 锥形啮合副的受力分析
• 4.3 锥形啮合副的强度理论研究
• 4.3.1 啮合齿面的接触应力分析
• 4.3.2 锥形啮合副啮合齿面接触强度校核实例
• 4.4 销轴输出机构的受力分析和结构强度理论研究
• 4.4.1 销轴式输出机构的运动原理及其两种主要类型
• 4.4.2 销轴输出机构的受力分析
• 4.4.3 销轴输出机构的结构强度理论研究
• 4.5 销轴输出机构结构强度的有限元分析
• 4.5.1 有限元分析模型的建立
• 4.5.2 悬臂梁式销轴输出机构的结构强度分析
• 4.5.3 简支梁式销轴输出机构的结构强度分析
• 4.6 小结
• 5 辅助设计软件开发
• 5.1 引言
• 5.2 软件的功能
• 5.3 主界面窗口的设计
• 5.4 传动装置设计模块
• 5.4.1 N 型摆线行星传动的装置设计
• 5.4.2 NN 型摆线行星传动的装置设计
• 5.4.3 双圆盘摆线行星传动的装置设计
• 5.5 齿廓曲面设计及强度校核模块
• 5.5.1 普通摆线行星传动的齿廓曲面设计及强度校核子模块
• 5.5.2 锥形摆线行星传动的齿廓曲面设计及强度校核子模块
• 5.5.3 旋转圆弧面行星传动的齿廓曲面设计及强度校核子模块
• 5.5.4 旋转抛物线面行星传动的齿廓曲面设计及强度校核子模块
• 5.5.5 抛物线柱面行星传动的齿廓曲面设计及强度校核子模块
• 5.6 系统的特点和应用
• 5.7 小结
• 6 锥形摆线啮合副的制造关键技术研究
• 6.1 引言
• 6.2 锥形摆线啮合副的加工方法
• 6.2.1 切削加工理论研究
• 6.2.2 磨削加工理论研究
• 6.2.3 切削/磨削加工仿真
• 6.2.4 锥形摆线行星传动的样机试制
• 6.3 传统摆线轮的测量方法
• 6.3.1 顶根距法
• 6.3.2 圆棒贴切跨齿测量法
• 6.3.3 公法线法
• 6.4 锥形摆线啮合副齿廓曲面的误差项目
• 6.4.1 锥形摆线轮齿廓曲面的误差项目
• 6.4.2 锥形圆弧内齿轮齿廓曲面的误差项目
• 6.5 锥形啮合副的测量方法
• 6.5.1 锥形啮合副的测量坐标系
• 6.5.2 锥形啮合副齿廓曲面各点的触测矢量
• 6.5.3 坐标自动测量程序的编制
• 6.6 锥形摆线啮合副的数据处理方法
• 6.7 锥形摆线啮合副的测量评定实例
• 6.7.1 软齿面锥形摆线轮齿廓曲面的测量评定
• 6.7.2 软齿面锥形圆弧内齿轮齿廓曲面的测量评定
• 6.7.3 硬齿面锥形摆线轮齿廓曲面的测量评定
• 6.8 小结
• 7 新型锥形摆线行星传动的实验研究
• 7.1 引言
• 7.2 传动精度测试实验研究
• 7.2.1 实验目的
• 7.2.2 实验装置研制
• 7.2.3 测试原理
• 7.2.4 精度测试
• 7.3 回差测试实验研究
• 7.3.1 实验目的
• 7.3.2 实验装置研制
• 7.3.3 实验原理
• 7.3.4 测试
• 7.4 台架实验研究
• 7.4.1 实验目的
• 7.4.2 实验条件
• 7.4.3 测试
• 7.5 小结
• 8 结论与展望
• 8.1 主要结论
• 8.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A.作者在攻读博士学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目及得奖情况