平面內(nèi)齒輪包絡(luò)凸環(huán)面蝸桿傳動嚙合性能分析

文中首先介紹了機械設(shè)計的優(yōu)化方法，其次分析了平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動的優(yōu)化流程，最后以實例的方式對方位角、高度角蝸桿副的設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，其結(jié)果是令人滿意的。

在環(huán)面蝸桿螺旋線參數(shù)方程的建?；A(chǔ)上,論證并分析構(gòu)建了平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿產(chǎn)形齒的特征模型,按此模型在mdt6.0環(huán)境中實現(xiàn)了平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿的三維建模.進(jìn)而又分析討論了平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸輪的特征模型與實體構(gòu)建,實現(xiàn)了“平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動的參數(shù)化建模”.該方法簡潔實用,三維實體具有真實的運動型面,能為數(shù)控加工提供精確的坐標(biāo)參數(shù),也能為平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動的性能優(yōu)化奠定良好的基礎(chǔ).

分析了砂輪磨損對準(zhǔn)平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動的蝸桿幾何尺寸以及接觸和運動精度的影響。分析結(jié)果表明:準(zhǔn)平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動由于在蝸桿和蝸輪滾刀磨削過程中不可避免出現(xiàn)砂輪磨損,這種蝸桿傳動實際上是瞬時呈雙點接觸的點接觸環(huán)面蝸桿傳動,因而該傳動能在一定程度上降低蝸輪副對制造及安裝誤差的敏感性。

分析了砂輪磨損對準(zhǔn)平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動的蝸桿幾何尺寸以及接觸和運動精度的影響。分析結(jié)果表明：準(zhǔn)確平面包括環(huán)面蝸桿傳動由于在蝸桿和蝸輪滾刀磨削過程中不可避免出現(xiàn)砂輪磨損，這種蝸桿傳動實際上是瞬時呈雙點接觸的點接觸環(huán)面蝸桿傳動，因而該傳動能在一定程度上降低蝸輪副對制造及安裝誤差的敏感性。

準(zhǔn)平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動按照形成蝸桿和蝸輪齒面的2次包絡(luò)的相對運動規(guī)律相同與否,分為標(biāo)準(zhǔn)傳動和變位傳動2種傳動形式。分析計算了在變位情況下各變位參數(shù)對齒面嚙合性能的影響,計算結(jié)果表明,該傳動在采取變位形式加工時其齒面接觸線分布形態(tài)及接觸性能主要取決于變位參數(shù)的選取,通過變位參數(shù)的合理選取能使蝸桿傳動齒面接觸線得到良好的分布形態(tài)

應(yīng)用媒介共軛曲面的點嚙合理論提出了滾動式回轉(zhuǎn)面包絡(luò)點嚙合環(huán)面蝸桿副的廓面構(gòu)形和點嚙合原理;建立了滾動式回轉(zhuǎn)面包絡(luò)點嚙合環(huán)面蝸桿傳動媒介共軛點嚙合的基本方程;為原型機的設(shè)計和制造奠定了理論基礎(chǔ)。

提出了一種新型滾動式球面包絡(luò)點嚙合環(huán)面蝸桿傳動；運用活動標(biāo)架和回轉(zhuǎn)運動群對其嚙合方程和嚙合效率進(jìn)行了分析研究；推導(dǎo)了嚙合效率的計算公式，證明了這種滾動式球面包絡(luò)點嚙合環(huán)面蝸桿傳動的可實現(xiàn)性．

為了研究誤差對無側(cè)隙雙滾子包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動嚙合性能的影響規(guī)律,利用齒輪嚙合原理首次建立了該蝸桿傳動在誤差狀態(tài)下的嚙合方程、潤滑角方程和誘導(dǎo)法曲率方程,分析了蝸桿蝸輪軸交角誤差、中心距誤差、蝸桿軸向竄動誤差、蝸輪滾子齒距角誤差、蝸輪滾子偏距安裝誤差等對蝸桿潤滑角、誘導(dǎo)法曲率的影響及變化規(guī)律。研究結(jié)果表明:蝸輪滾子偏距誤差對蝸桿的潤滑性能影響最大,軸交角誤差對蝸桿接觸性能影響最大,蝸桿中心距誤差、蝸桿軸向竄動誤差和蝸輪滾子齒距角誤差對該蝸桿傳動的接觸性能影響較小,在制定加工工藝時應(yīng)盡量減小齒距角誤差和蝸桿蝸輪軸交角誤差。本文的研究結(jié)果為制定合適的蝸桿加工工藝及進(jìn)一步的相關(guān)研究奠定了理論基礎(chǔ)。

為消除環(huán)面蝸桿傳動齒側(cè)間隙,提出傾斜式雙滾子包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動,采取雙排滾子錯位布置,且滾子軸線與蝸輪徑向傾斜一定角度.闡述了傾斜式雙滾子包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動的工作原理,依據(jù)空間齒輪嚙合理論和微分幾何理論,采用運動學(xué)法建立了蝸桿副的靜態(tài)坐標(biāo)系及活動坐標(biāo)系,推導(dǎo)了該新型環(huán)面蝸桿齒面方程,并導(dǎo)出了該傳動的蝸桿軸向截面齒廓方程、法向截面齒廓方程、一界函數(shù)、螺旋升角等幾何特性相關(guān)的方程及計算公式,分析了滾柱半徑r、滾柱偏距c2、傾斜角γ等嚙合參數(shù)對蝸桿幾何特性的影響.結(jié)果表明:該新型傳動蝸桿喉部齒廓非常接近直線,蝸桿不會發(fā)生根切和齒頂變尖現(xiàn)象.要使該傳動保持良好的幾何特性,r不宜超過12mm,c2在5～9mm之間,γ在18°～25°之間.

重點研究了平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動蝸輪滾刀的數(shù)字化建模方法,基于坐標(biāo)變換、嚙合原理推導(dǎo)了蝸輪滾刀基本蝸桿的齒面方程、滾刀刃口方程和后刀面方程。找到了一種在matlab中基于獲得軸向截廓數(shù)據(jù)的建模方法,最后在solidworks中建立了蝸輪滾刀的三維實體模型。

采用彈塑性接觸有限元法求解了不同包容齒數(shù)下的齒間載荷分配系數(shù),基于嚙合原理計算了接觸點的誘導(dǎo)法曲率半徑并進(jìn)行了回歸分析,建立了單齒接觸線長度和總接觸線長度的簡化計算模型?；趆ertz模型,推導(dǎo)出適用于平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動的承載最大齒對的接觸應(yīng)力計算公式和平均接觸應(yīng)力計算公式。建立了蝸桿副的有限元模型,分析了不同載荷作用下的齒間載荷分配及齒向應(yīng)力分布規(guī)律。最后,通過實例對比了用于平面二包蝸輪副齒面接觸應(yīng)力分析的解析法及數(shù)值法。結(jié)果表明:解析法與數(shù)值法計算結(jié)果接近,前者計算值高于后者約10%~25%。

采用精確磨削ti蝸桿的砂輪,用類似直廓環(huán)面蝸桿或平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿的磨削方法加工環(huán)面蝸桿,使該蝸桿和齒面形狀與砂輪曲面相同的蝸輪相配合,形成一種新型蝸桿傳動,給出了這種傳動蝸桿副齒面的數(shù)學(xué)模型,并通過計算機仿真得出了這種傳動蝸輪齒面上接觸線的形狀及分布特征,初步分析了其嚙合特點。

本文回顧了蝸桿傳動的友展歷程，分析了其存在的問題；在此基礎(chǔ)上提出了新型滾動式回轉(zhuǎn)面包絡(luò)點嚙合弧面蝸桿傳動的基本構(gòu)思，闡迷了其結(jié)構(gòu)原理及特點，并指出這種傳動的理論價值和產(chǎn)業(yè)開發(fā)前景。

提出了新型滾動式圓柱面包絡(luò)點嚙合環(huán)面蝸桿副的高副機構(gòu)傳動原理,建立了此類機構(gòu)誤差與變異關(guān)系的數(shù)學(xué)模型,據(jù)此分析了機構(gòu)對各類誤差的敏度及其適應(yīng)性問題;并通過應(yīng)用實例的分析計算,證明了滾動式圓柱廓面包絡(luò)點嚙合環(huán)面蝸桿傳動副對各類位置誤差的敏度處在較低的量級,具有良好的適應(yīng)性。本文的研究方法適用于各類點嚙合高副機構(gòu)的運動幾何特性分析與計算。

介紹了用matlab和pro/e生成斜平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿的過程,給出了仿真的具體思路和方法。

通過改變固化劑的含量,配制了幾種光彈性模型材料。在凍結(jié)溫度下,應(yīng)用ye2538型程控靜態(tài)電阻應(yīng)變儀測試了不同材料的彈性模量。參考鋼-銅副的彈性模量比值,合理配置了蝸桿和蝸輪的光彈性模型材料。制備了鋼質(zhì)軸芯鑲鑄環(huán)氧樹脂齒部的蝸桿模型,整體澆注了環(huán)氧樹脂蝸輪模型。將光彈性模型副裝配在減速箱中,通過扭力桿施加載荷,在烘箱內(nèi)完成了應(yīng)力凍結(jié)過程。應(yīng)用409-ⅰ型光彈儀觀測了蝸輪模型切片等差線的分布狀態(tài)。對比分析了光彈性實驗結(jié)果和有限元分析結(jié)果。結(jié)果表明:同一切片上,各齒最大等差線級數(shù)的差值小,齒間載荷分配比較均勻;沿齒高方向,齒根和齒頂處的等差線級數(shù)較分度圓附近大;光彈結(jié)果與有限元計算結(jié)果的一致性較好,驗證了該蝸桿副光彈性實驗的可靠性。

針對平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿副傳動在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的需要。介紹了平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿副的形成和特點,分析了現(xiàn)有加工方法的優(yōu)點和存在的缺陷,在現(xiàn)有加工工藝和數(shù)控加工技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上,對其數(shù)控加工方法進(jìn)行了探討,并就其中的刀具軌跡利用截平面法生成原理作出詳細(xì)的敘述。

平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿直徑的大小對蝸桿副性能有關(guān)鍵的影響。詳盡地分析了環(huán)面蝸桿直徑與蝸桿副性能的關(guān)系,確定了蝸桿計算圓直徑選取的原則,提出了計算蝸桿直徑的新方法和計算公式。據(jù)此完善了蝸桿直徑的優(yōu)化方法,為蝸桿直徑的優(yōu)化開辟了成功的途徑;并根據(jù)此優(yōu)化方法編制的平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿優(yōu)化設(shè)計軟件成功地實現(xiàn)了環(huán)面蝸桿副參數(shù)的優(yōu)化。最后舉例說明了優(yōu)化的效果。

平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿副由于其優(yōu)異的性能成為當(dāng)代蝸桿傳動的皇冠,新型傳動的代表。曲率修型原理的提出,解決了平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿的核心理論和最優(yōu)齒形的問題;計算機技術(shù)在平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿的設(shè)計、制造中的應(yīng)用取得了突破性的成果,優(yōu)化設(shè)計和數(shù)字仿真解決了平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿副幾何參數(shù)和工藝參數(shù)設(shè)計的難題;多年來一直成為平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿副推廣障礙的參數(shù)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化得到初步解決;滾刀cad和輔助工藝設(shè)計極大地提升了工作效率;成套加工設(shè)備和工裝的開發(fā)為平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿副的制造提供了良好的硬件;數(shù)控加工軟件和技術(shù)的開發(fā)必將成就平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿的智能制造。新的理論和技術(shù)對環(huán)面蝸桿的推廣應(yīng)用將起到很好的促進(jìn)作用。

文中通過對滾柱包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動機構(gòu)的原理、結(jié)構(gòu)以及運動特性的分析及思考,為這類新興機構(gòu)在機床行業(yè)的進(jìn)一步推廣、應(yīng)用提供可能。

以多體系統(tǒng)建模理論和空間嚙合原理為基礎(chǔ),研究數(shù)控機床各軸運動誤差、刀具誤差、工裝誤差等多項原始誤差對平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿數(shù)控加工廓面精度的影響,推導(dǎo)出包含以上各誤差的平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿誤差廓面方程,利用牛頓迭代法計算并對誤差計算結(jié)果進(jìn)行對比分析,從理論上闡述各誤差對加工蝸桿廓面精度的影響規(guī)律,為平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿高精度數(shù)控加工提供參考。

根據(jù)弧廓線圓環(huán)面包絡(luò)圓柱蝸桿各自形成理論,找出了這幾種蝸桿形成原理的共同形式,推導(dǎo)出統(tǒng)一的計算公式,供設(shè)計使用。同時,針對用杯形砂輪磨削圓柱蝸桿,推導(dǎo)出最小砂輪半徑的計算公式,以保證加工工藝要求。