有侧隙啮合摆线针轮行星传动接触特性分析及实验研究

摘要

摆线针轮行星传动具有传动比大、结构紧凑、传动效率高和承载能力大等优点，已经在冶金机械、起重运输机械、工程机械、化工机械和纺织机械等动力传动领域得到了广泛的应用。同时由于其多齿啮合及误差均化效应的特点，有利于提高减速器传动精度，通过增加渐开线齿轮行星传动而构成的两级2KV型摆线针轮减速器近年来也越来越广泛地应用于航空航天、武器装备、数控机床、机器人、医疗器械等精密传动领域。对于一齿差摆线针轮啮合副，理论上全部摆线轮齿与后续相应的针齿保持接触，每一瞬时有一半轮齿被认为参与力矩传递。然而，在实际应用中通常采用修正的摆线齿廓来获得啮合侧隙，以避免由加工装配误差、轮齿接触变形和温升影响产生的齿廓干涉，同时能保证产生油膜，提供更好的润滑条件，且实现更方便的拆装。摆线针轮行星传动系统中存在的啮合侧隙、装配误差和零件间隙及接触变形是影响摆线针轮类减速器承载能力、使用寿命、振动噪声等传动性能的关键因素。因此，考虑以上影响因素，系统深入地开展关于摆线针轮行星传动的轮齿接触特性分析及零部件力学特性分析研究，为摆线针轮类减速器的设计优化、传动性能的预测评估提供基础理论依据，具有重要的理论意义和工程实用价值。
　　本文主要针对有啮合侧隙的摆线针轮行星传动，在齿轮副以及减速器系统层面对共轭啮合几何学、轮齿承载接触分析、零部件力学特性分析和新结构样机设计制造及测试等方面进行了研究。主要内容如下：
　　①应用微分几何和齿轮啮合原理，对有侧隙啮合摆线针轮行星传动的几何学进行了详细研究；结合摆线针轮行星传动的实际应用情况，提出了四种可行性的摆线齿轮修正齿廓，分析并讨论了修正量的合理选取范围；根据二次包络理论在少齿差行星传动中的应用，提出了新型的有侧隙啮合椭圆、抛物线型少齿差齿轮啮合副，确定了齿廓的修正方法、设计参数及方法，通过给定示例验证了新型啮合副的正确定与可行性。
　　②基于齿轮齿面接触分析理论，建立了有侧隙啮合摆线针轮啮合副轮齿接触分析（TCA）模型，确定了时变的摆线轮输出角度及齿轮副间的背隙角；根据赫兹弹性接触理论，引入非线性赫兹接触刚度并结合静力平衡方程及变形协调条件，建立了有侧隙啮合摆线针轮啮合副轮齿承载接触分析（LTCA）模型，确定了实际的接触齿轮对个数，计算了接触力及应力大小、传动误差、啮合刚度、传动比波动等齿轮副传动性能指标，实现了对摆线针轮啮合副啮合过程的仿真及接触特性的预测并为进一步摆线针轮行星传动系统静力学及动力学特性分析奠定基础。
　　③考虑摆线齿轮齿廓修正、输出机构间隙、装配误差和接触变形，基于所提出摆线针轮啮合副LTCA模型，增加输出机构接触特性分析，建立了摆线针轮少齿差行星传动系统力学特性分析模型，预测了各零部件之间作用力的大小，接触零件间赫兹接触应力及刚度，整机传动精度、传动比波动等情况。基于能量法，建立了滚子轴承刚度矩阵计算模型，根据曲柄轴承受力分析结果，计算了曲柄轴承不同分量下的时变轴承刚度，为摆线针轮少齿差行星传动系统动力学分析提供理论依据。结合给定示例的参数分析结果表明，摆线针轮齿轮副啮合间隙、输出机构间隙及装配引起的偏心距误差对整机传动性能具有重大影响。
　　④根据2KV型摆线针轮减速器的传动原理及组成结构，对各零件之间的差速关系及力学特性进行了详细分析，其中根据铁木辛柯梁理论，建立了曲柄轴受力及变形的有限元计算模型，得到了曲柄轴支撑轴承受力及曲柄轴弯曲变形；基于Weber能量法，通过计算渐开线轮齿部分、基体和接触变形，建立了第一级渐开线齿轮时变啮合刚度模型；考虑渐开线齿轮副、摆线针轮啮合副、行星架结构、曲柄轴及轴承的弹性变形，建立了2KV型摆线减速器时变扭转刚度计算模型。结果表明，整机时变扭转刚度随曲柄转角变化具有周期性的波动，且曲柄轴承是主要影响因素。
　　⑤提出具有新型双圆弧针齿包容槽结构以及集成一体化的输入、输出轴承支撑结构的2KV型摆线针轮减速器，设计制造了物理样机，并在自主研发的整机测试装备上分别开展了传动效率、传动精度、扭转刚度及回差等传动性能实验研究。实验结果表明，该新型结构减速器各项性能指标良好。所获得的基础数据为其产业化应用奠定了坚实基础。

目录

1 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状及发展

1.3 论文主要研究内容

2 有侧隙啮合摆线针轮行星传动啮合几何学研究

2.1 引言

2.2 标准摆线齿廓

2.3 修正摆线齿廓

2.4 有侧隙啮合二次包络少齿差啮合副

2.5 本章小结

3 有侧隙啮合摆线针轮啮合副轮齿承载接触分析

3.1 引言

3.2 轮齿接触分析(TCA)模型

3.3 轮齿承载接触分析(LTCA)模型

3.4 计算结果分析与讨论

3.5 本章小结

4 有侧隙啮合摆线针轮行星传动系统受力分析研究

4.1 引言

4.2 受力分析模型

4.3 轴承刚度矩阵计算模型

4.4 计算结果分析与讨论

4.5 本章小结

5 2KV型摆线针轮减速器时变扭转刚度研究

5.1 引言

5.2 2KV型摆线针轮减速器差速关系及受力分析

5.3 渐开线齿轮时变啮合刚度计算模型

5.4 减速器时变扭转刚度计算模型

5.5 计算结果分析与讨论

5.6 本章小结

6 2KV型摆线针轮减速器样机试制及实验研究

6.1 引言

6.2 样机制造

6.3 试验

6.4 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要结论及创新点

7.2 后续工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表论文目录

B. 作者在攻读博士学位期间申请的专利

C. 作者在攻读学位期间完成的科研项目目录