滚珠型弧面凸轮分度系统动力学建模与分析

论文摘要

弧面分度凸轮副是各种自动机械的关键功能部件,随着生产率的提高,机械的运转速度越来越高,本文提出了一种新型的基于钢球滚子的点啮合弧面分度凸轮副的结构,同其他形式滚子的弧面分度凸轮机构相比具有适应性强、传动效率好、高速性能优越、精度高、发热少、磨损小等优点,其“旋转—旋转”滚动传动副在目前数控机床等大型设备上还未见普及应用。对该新机构的研究,对于我国凸轮理论研究水平的提升和装备制造业的发展有着重要的实际意义。本课题在对钢球滚子弧面分度凸轮机构进行了建模与动力学方面的分析,主要工作集中在以下几个方面：1.分析了钢球滚子弧面分度凸轮机构的约束类型和运动规律的特征值,对其常用的运动规律进行了比较分析,给出了分度凸轮运动规律选取的一般原则。2.对钢球滚子弧面分度凸轮进行了啮合理论方面的分析,以空间回转变换张量和空间微分几何理论作为数学工具,采用回转运动群和圆矢量函数等数学表达方法,建立了工作滚道截形为双圆弧的弧面分度凸轮的数学模型,该模型通过控制滚道与钢球滚子的接触角,真正实现了分度盘从动件滚子与凸轮之间的点啮合传动。随后在Pro／e环境下建立了系统的三维几何模型,并对其压力角进行了分析,为后续的动力学分析奠定了基础。3.在几何建模的基础上,分析给出了钢球滚子弧面分度凸轮机构的弹性动力学模型,应用拉格朗日方程研究了各个部位的动力学特性,建立了系统的整体动力学方程,并应用振型叠加法对其进行了解耦与求解分析,将结果与线啮合圆柱弧面分度凸轮进行了对比分析,阐述其优越性所在。4.对弧面凸轮工作曲面进行了曲率分析,对比分析了修正正弦加速度、修正等速、修正梯形加速度三种运动规律的工作曲面曲率变化情况,应用Hertz接触模型对钢球滚子弧面凸轮机构进行了接触应力与接触变形分析,分析了影响接触应力与接触应变的因素。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题的背景
• 1.2 分度凸轮类型与特点
• 1.3 课题研究现状
• 1.3.1 弧面分度凸轮机构的研究及发展
• 1.3.2 凸轮机构动力学研究现状
• 1.4 课题的提出
• 1.5 课题研究的主要内容
• 第2章 弧面分度凸轮运动规律的研究
• 2.1 两种不同的运动约束
• 2.2 运动参数的无因次化
• 2.3 运动规律的特性值
• 2.4 高速凸轮机构常用的运动规律
• 2.4.1 修正等速运动规律
• 2.4.2 修正梯形加速度运动规律
• 2.4.3 修正正弦加速度运动规律
• 2.5 运动规律的选取原则
• 2.6 本章小结
• 第3章 滚珠型弧面分度凸轮机构点啮合理论研究
• 3.1 弧面分度凸轮机构的啮合原理
• 3.2 点啮合滚珠型弧面分度凸轮机构结构形式
• 3.2.1 点啮合理论简介
• 3.2.2 滚珠型弧面分度凸轮机构的结构
• 3.3 弧面分度凸轮啮合方程的推导
• 3.3.1 坐标系的设定
• 3.3.2 回转变量张量法求廓面方程
• 3.4 滚珠型弧面分度凸轮机构建模与分析
• 3.4.1 凸轮Pro/e建模过程简介
• 3.4.2 弧面凸轮分度机构的运动学仿真分析
• 3.5 滚珠型弧面分度凸轮压力角计算与分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 滚珠型弧面分度凸轮动力学研究
• 4.1 滚珠型弧面分度凸轮机构动力学特征
• 4.2 动力学模型与动力学方程的建立
• 4.2.1 输入轴动力学分析
• 4.2.2 输出轴动力学分析
• 4.2.3 系统动力学方程整合与各参数的确定
• 4.3 动态响应的求解与结果分析
• 4.3.1 方程变系数的化简
• 4.3.2 方程的解耦
• 4.3.3 计算实例结论分析与讨论
• 4.4 本章小结
• 第5章 滚珠型弧面分度凸轮曲率与接触应力分析
• 5.1 弧面分度凸轮工作曲面的曲率分析
• 5.1.1 从动曲面曲率分析及啮合状态分析
• 5.1.2 凸轮曲面的主方向和主曲率
• 5.2 滚珠型弧面分度凸轮接触应力分析
• 5.2.1 Hertz接触理论
• 5.2.2 工作滚道中的接触特性
• 5.3 接触载荷的确定
• 5.4 球滚子交替啮合状态分析
• 5.5 接触压力和变形分析
• 5.6 接触压力与接触变形的影响因素
• 5.6.1 转速对接触压力与接触变形的影响
• 5.6.2 不同运动规律对接触压力与接触变形的影响
• 5.6.3 分度盘半径对接触应力和接触变形的影响
• 5.7 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的学术论文和科研成果
• 学位论文评阅及答辩情况表