FA型摆线针轮行星传动齿形优化方法与相关理论的研究

论文题目: FA型摆线针轮行星传动齿形优化方法与相关理论的研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 机械制造及其自动化

作者: 关天民

导师: 兆文忠

关键词: 型摆线针轮行星传动,针齿与摆线轮齿面受力分析,输出机构受力分析,反弓齿廓,弓背齿廓,机型软件

文献来源: 大连交通大学

发表年度: 2005

论文摘要: 摆线针轮行星传动具有传动比范围大、结构紧凑、可靠性高和寿命长等显著特点,因而获得了广泛的应用,研究也不断深入。该传动不仅广泛应用于通用传动领域,而且在微机械、机械人传动装置、精密机械传动、超小型传动、宇航设备,测量仪器、住宅智能化和高技术设备等方面有诱人的应用潜力。在摆线针轮行星传动家族中,FA型摆线针轮行星传动变速器是一种新的传动装置。与一般的摆线针轮行星传动相比,它具有体积小、重量轻、传动比范围大、传动比的多样性、寿命长、刚度大、回转精度高、精度保持稳定、效率高、传动平稳等一系列的优点。该传动设计采用了许多先进的理念和技术,应用一种创新的结构形式,因此该种FA型针摆传动有效地克服了传统的结构不足,提高了传递的功率和容量,提高了传递的精度。论文对此进行了系统的综述和分析,并提出了论文的主要研究内容。针对该传动的结构特点,论文从理论上和实际应用两方面研究并解决了以下几个问题: 1.在摆线针轮行星传动摆线轮和针齿齿面受力分析理论方面,提出了一种更加适用于工程实际的齿面有隙啮合受力分析的方法。该方法可以比较精确地计算在整个传递过程中针齿和摆线轮齿面接触力的大小和变化范围。该方法既有效地克服了按标准齿形进行理论受力分析计算误差大的缺点,又证明文献[1]中提出的理论只计算了整个传递过程中针齿和摆线轮齿面接触力的其中一个位置,是本文方法的一种特例。 2.通过对摆线轮和针齿齿面受力分析有限元计算,证明了本文提出的受力分析方法的正确性。两种受力分析计算结果在针齿的受力、同时接触针齿、接触应力的数值分布上均呈现了一致性,且两者最大接触应力的误差在5%左右。 3.在销孔式输出机构受力分析方面,首次提出了一种采用有隙啮合原理进行柱销与摆线轮上的柱销孔之间接触力的计算理论与方法,并推导出一套完整的计算公式,利用该理论比较准确地获得了柱销在整个转动过程中受力的变化区间,以及各个针齿的参与传递扭矩区间。计算结果表明了本文的计算方法更加接近于工程实际。 4.齿面修形理论与方法是国外保密的核心技术,本文在调研各种修形方法的基础上,基于齿面接触状态最佳的原则,首次提出了“反弓齿廓”概念,并给出了利用“负移距+正等距”简单组合修形方法获得反弓齿廓的条件,反弓齿廓初始间隙的计算方法,并采用优化理论获得了最佳的反弓齿廓所需要的“负移距+正等距”组合修形量。受力分析计算结果表明,最佳的反弓齿廓的接触状态可以达到最佳的受力状态。 5.在对FA型针摆传动几何回差和动态回差深入分析的基础上,针对高精传动的特点,本文提出了采用“负等距+正移距”的修形方法可以获得“弓背齿廓”的方法,而“弓背齿廓”的回差可以通过选择不同的修形量来满足。本文还提出了通过搜索计算获得满足许用回差的“弓背齿廓”修形量的计算方法。 6.在FA型摆线针轮行星传动变速器的研究方面,利用本文所提出的理论和研究成果,采用优化设计理论,对FA型针摆传动中的结构主要参数进行优化设计,编制了相关参数优化软件,并以FA45-59型号为例进行了产品设计,并由合作厂生产出样机。整机性能实际试验的结果表明了本文研究方法的正确性。

论文目录:

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 论文的研究背景

1.2 国外针摆传动产品的开发

1.2.1 日本系列摆线针轮行星传动减速器

1.2.2 RV机器人用摆线针轮传动装置

1.2.3 FA型机器人用摆线针轮传动装置

1.2.4 超小型针摆传动装置

1.2.5 微型摆线针轮行星传动装置

1.3 国内的摆线针轮行星传动产品的开发

1.4 国内外针摆传动的研究现状

1.4.1 日本在摆线传动理论方面的研究成果

1.4.2 其他国家在摆线传动方面的研究进展

1.4.3 国内学术界摆线方面的进展

1.5 FA型三片摆线轮新型针摆传动

1.5.1 FA型传动的结构组成

1.5.2 FA型针摆传动的特点

1.6 论文主要任务

第二章摆线针轮行星传动齿面受力分析

2.1 摆线轮齿廓的修形方法

2.2 理想标准齿形无隙啮合受力分析方法

2.3 “转角+移距(或等距)”组合修形下针齿和摆线轮齿面受力分析方法

2.3.1 “转角+移距(或等距)”组合修形齿廓工作区的计算

2.3.2 “转角+移距(或等距)”组合修形齿廓受力分析

2.3.3 “转角+移距(或等距)”组合修形齿廓受力分析计算结果分析

2.4 新的修形齿廓有隙啮合受力分析方法

2.4.1 传统的有隙啮合受力分析方法

2.4.2 修形后所产生的摆线轮相对于针轮的几何相对转角计算

2.4.3 修形所产生的初始间隙

2.4.4 最先接触点的分布区间的计算

2.4.5 最先接触点处变形的计算方法

2.4.6 任意位置针齿和摆线轮之间的变形

2.4.7 同时接触齿数的判断方法

2.4.8 最先接触点处针齿和摆线轮之间接触力

2.4.9 最先接触齿啮合力和变形的计算方法

2.4.10 最大接触力和最大接触应力的计算方法

2.5 新的齿廓受力分析方法计算结果与分析

2.5.1 不同受力分析方法的计算结果比较

2.5.2 新的受力分析方法计算结果分析

本章小结

第三章 FA型针摆传动齿面接触状态的有限元计算

3.1 接触算法与MSC.Marc软件介绍

3.1.1 接触问题求解的一般过程

3.1.2.MSC.Marc软件介绍

3.2 摆线轮齿面接触状态有限元分析

3.2.1 相关参数

3.2.2 计算方案确定

3.2.3 平面模型的建立

3.2.4 边界条件和载荷的施加

3.3 结果分析

本章小结

第四章输出机构的受力分析

4.1 传统的输出机构受力分析方法

4.2 有隙啮合输出机构受力分析方法

4.2.1 柱销和柱销孔之间的初始间隙

4.2.2 受力分析的基本原则

4.2.3 最先接触位置处柱销接触力的计算

4.2.4 最先接触位置处柱销总变形的计算

4.2.5 计算过程

4.2.6 两片摆线轮结构受力计算结果分析

4.2.7 三片摆线轮结构FA型传动受力计算与分析

本章小结

第五章针摆传动中的反弓齿廓及其齿廓修形优化

5.1 等距和移距修形方式所产生的几何相对转角比较

5.2 组合修形时φ_0位置是否为最先接触点的讨论

5.3 反弓齿廓的提出

5.4 反弓齿廓最小几何相对转角的计算方法

5.5 反弓齿廓最先接触点分布区间的判断

5.6 反弓齿廓的受力分析与齿形优化方法

5.7 反弓齿廓受力分析结果分析

本章小结

第六章 FA型针摆传动的回差计算与分析

6.1 影响回差的因素

6.1.1 几何回差

6.1.2 动态回差

6.2 修形产生的几何转动误差的计算

6.3 保证高回转精度的齿形优化方法

6.3.1 “正等距+负移距”修形方式

6.3.2 “负等距+正移距”组合修形方式

6.3.3 采用“弓背齿廓”以保证回转精度

6.3.4 给定回转精度时“弓背齿廓”修形量的计算

6.4 柱销和柱销孔几何间隙所产生的几何相对转角

6.5 动态回差的计算

本章小结

第七章 FA型针摆传动装置的设计与样机试验

7.1 FA型针摆传动装置的设计

7.1.1 FA型传动装置偏心方向的反求

7.1.2 修形策略

7.1.3 参数优化

7.1.4 优化方法的选择

7.1.5 转臂轴承的选择与安装

7.1.6 参数优化结果与分析

7.1.7 样机的三维造型及工程图绘制

7.2 样机制造

7.3 样机试验与结果分析

7.3.1 试验目的

7.3.2 试验方案

7.3.3 试验结果

7.3.4 结果分析

7.3.5 下一步任务

本章小结

第八章 FA型三片摆线轮新型针摆传动系列软件系统的开发

8.1 FA型针摆传动系列软件系统开发的必要性

8.2 FA型针摆传动系列软件系统的基本要求

8.2.1 现状

8.2.2 基本要求

8.3 FA型针摆传动系列软件系统的结构设置

8.4 建立FA型针摆传动系列软件系统

8.5 FA型针摆传动系列软件系统的实际应用

本章小结

结论与展望

结论

展望

创新点摘要

参考文献

致谢

攻读博士期间发表的学术论文

攻读博士期间参加的科研项目

符号表

发布时间: 2005-10-26

FA型摆线针轮行星传动齿形优化方法与相关理论的研究

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