基于平面约束不确定性的行星传动自调结构设计研究

摘要

行星齿轮传动具有传动比大，结构紧凑、传递功率大、承载能力高等优点，广泛应用于各种传动机构中。绝大多数是以“平面约束结构”为基础，以保证其能够实现预期平面运动。这种人为的强制平面约束，使平面行星传动系统成为超静定的过约束机构，并造成机构工作性能对误差的敏感。行星齿轮传动中，广泛采用多行星轮，以及各种基本行星传动组合成复杂多样的传动系统，使得其约束相比一般平面机构更为复杂。由于机构的工作受到各种内部和外部约束（包括几何约束、运动约束以及工作环境约束等）的综合作用，实际上要保证这些约束精确的平面性是不可能的；制造误差（特别是形位误差）、安装误差、构件的变形，外部环境（如温度、重力物等）及工作条件的变化等，都会造成平面约束的干扰，使其具有不确定性。平面约束的不确定性，导致理论上不影响行星传动机构顺畅运动的过约束成为障碍，并对机械系统的工作性能产生严重影响。如行星轮间载荷分布不均，齿轮啮合副齿长方向载荷分布不均，以及各种误差引起的周期性的附加应力造成机械振动、冲击、噪声增大和齿轮寿命降低等。 为了消除平面约束不确定性对机构工作性能的影响，其中一个重要的途径就是通过结构设计使机构具有一定的自调功能和能自动适应外部环境的变化。因此，本文以平面约束不确定性理论为基础，以消除平面约束不确定性对机构工作性能影响为目的，深入分析、探讨行星轮过约束及其自调结构设计。其主要研究内容如下： ①综合分析基于平面约束不确定性的自调结构设计机理。 ②深入分析了行星齿轮传动机构中两大类约束（理论平面过约束与空间平面过约束）来源以及分析这两类约束对机构工作性能的影响。并提出对此两大类约束采用不同机理进行消除，以实现机构全面自调。同时，通过对基础定轴轮系的过约束与自调结构分析，得到消除行星轮中空间平面过约束影响的自调结构设计方法。 ③通过分析行星传动中几何尺寸误差对行星轮系基本构件位移状态的影响，明确了均载装置等自适应结构设计的理论根据，同时也得到消除理论平面过约束方法。 ④提出行星结构集的划分原则，并在对其约束，自由度分析基础上，进行单级、多级、多排行星齿轮传动自调机构设计。