平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿副參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

依據(jù)環(huán)面蝸桿的曲率修型原理,闡述了平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿修型的機(jī)理,提出了改善其性能的方法,就是使蝸桿的修型規(guī)律與齒面曲率半徑的變化規(guī)律一致。中小傳動(dòng)比典型平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿性能不夠好的關(guān)鍵是修型規(guī)律與曲率半徑變化曲線(xiàn)不完全相符,修型曲線(xiàn)的極小值點(diǎn)靠近蝸桿中部。要使修型曲線(xiàn)的極小值點(diǎn)移向出口,需增加一個(gè)附加修型曲線(xiàn),新修型曲線(xiàn)的變化率必須為負(fù)值,變化率絕對(duì)值的大小與原修型曲線(xiàn)上選定的新極小值點(diǎn)一致。合理的附加修型曲線(xiàn)與典型修型曲線(xiàn)疊加后,即可得到符合曲率修型的結(jié)果,蝸桿副的性能達(dá)到最好。加工時(shí),在普通環(huán)面蝸桿加工機(jī)床上采用中心距變位,即可實(shí)現(xiàn)。

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(dòng)的皇冠,新型傳動(dòng)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(wèn)題;計(jì)算機(jī)技術(shù)在平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿的設(shè)計(jì)、制造中的應(yīng)用取得了突破性的成果,優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)的難題;多年來(lái)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(jì)極大地提升了工作效率;成套加工設(shè)備和工裝的開(kāi)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(kāi)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(duì)環(huán)面蝸桿的推廣應(yīng)用將起到很好的促進(jìn)作用。

通過(guò)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(cè)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(shù)脂齒部的蝸桿模型,整體澆注了環(huán)氧樹(shù)脂蝸輪模型。將光彈性模型副裝配在減速箱中,通過(guò)扭力桿施加載荷,在烘箱內(nèi)完成了應(yīng)力凍結(jié)過(guò)程。應(yīng)用409-ⅰ型光彈儀觀測(cè)了蝸輪模型切片等差線(xiàn)的分布狀態(tài)。對(duì)比分析了光彈性實(shí)驗(yàn)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(xiàn)級(jí)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(xiàn)級(jí)數(shù)較分度圓附近大;光彈結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果的一致性較好,驗(yàn)證了該蝸桿副光彈性實(shí)驗(yàn)的可靠性。

針對(duì)平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿副傳動(dòng)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(diǎn),分析了現(xiàn)有加工方法的優(yōu)點(diǎn)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(duì)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。

平面一次包絡(luò)環(huán)面蝸桿兩側(cè)工作齒面為直紋曲面,利用這一特點(diǎn)提出了建立蝸桿副準(zhǔn)確的三維實(shí)體模型的方法。完成了一對(duì)平面一次包絡(luò)環(huán)面蝸桿副的精確三維實(shí)體模型,然后以中間格式導(dǎo)入abaqus。利用有限元法分析接觸載荷在輪齒之間的分布,發(fā)現(xiàn)接觸載荷從嚙入到嚙出過(guò)程是逐漸減小的。利用有限元法研究了母平面傾角β對(duì)于接觸載荷分布的影響,發(fā)現(xiàn)在蝸桿齒面不出現(xiàn)非嚙合區(qū)的前提下,β較大時(shí)載荷分布更均勻。

基于彈塑性接觸有限元理論,建立了多組適于蝸桿副靜動(dòng)態(tài)接觸應(yīng)力分析的模型,研究了載荷、齒形參數(shù)對(duì)齒間載荷分配系數(shù)和齒面應(yīng)力分布的影響,計(jì)算了各級(jí)扭矩下不同包容齒數(shù)時(shí)的最大齒間載荷分配系數(shù)。研究結(jié)果表明:隨著載荷的增大,齒間載荷分配趨于均勻;接觸應(yīng)力沿接觸線(xiàn)從蝸輪齒根到齒頂呈"l"或"u"形分布;齒形參數(shù)對(duì)應(yīng)力分布的影響不容忽略,以應(yīng)力平均分布為目的的參數(shù)優(yōu)化可通過(guò)對(duì)比有限元分析結(jié)果完成。得到了0.05～1.50倍額定扭矩下,包容齒數(shù)為3、5、7時(shí)的最大齒間載荷分配系數(shù)。

在環(huán)面蝸桿螺旋線(xiàn)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(shí)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(shí)體構(gòu)建,實(shí)現(xiàn)了“平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)的參數(shù)化建?！?該方法簡(jiǎn)潔實(shí)用,三維實(shí)體具有真實(shí)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)的性能優(yōu)化奠定良好的基礎(chǔ).

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(guò)程,給出了仿真的具體思路和方法。

針對(duì)平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀,對(duì)其在理論和生產(chǎn)實(shí)踐方面的研究進(jìn)行了綜述,分析了平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)研究目前存在的問(wèn)題,提出了未來(lái)的研究方向。

提出一種新型蝸桿傳動(dòng)形式——平面內(nèi)齒輪包絡(luò)凸環(huán)面蝸桿傳動(dòng)。以微分幾何和空間嚙合理論為基礎(chǔ)建立該傳動(dòng)的嚙合函數(shù)、齒面方程的數(shù)學(xué)模型。分析該傳動(dòng)的各種傳動(dòng)形式,研究其母平面傾角對(duì)嚙合性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:母平面傾角決定傳動(dòng)副的接觸線(xiàn)分布;平面內(nèi)齒輪一次包絡(luò)凸環(huán)面蝸桿傳動(dòng)具有良好的潤(rùn)滑性能;平面內(nèi)齒輪二次包絡(luò)凸環(huán)面蝸桿傳動(dòng)具有較高的承載能力。為研制承載能力高、潤(rùn)滑性能好、體積小的新型動(dòng)力蝸桿傳動(dòng)形式提供理論基礎(chǔ)。

為了簡(jiǎn)化平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)承載能力的計(jì)算方法,基于hertz理論,應(yīng)用線(xiàn)性回歸法和插值法,推導(dǎo)了平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)接觸強(qiáng)度計(jì)算公式;考慮齒間載荷分配系數(shù)的影響,修正了普通圓柱蝸桿傳動(dòng)彎曲強(qiáng)度計(jì)算公式;根據(jù)蝸桿副有限元網(wǎng)格模型,分析了輪齒應(yīng)力分布.結(jié)果表明:解析式計(jì)算的平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)接觸強(qiáng)度(彎曲強(qiáng)度)比有限元分析結(jié)果大6%~16%,滿(mǎn)足工程使用的要求;蝸輪齒面接觸應(yīng)力沿接觸線(xiàn)呈傾斜l型分布;蝸桿載荷從1n.m增大至額定值時(shí),5對(duì)齒嚙合的最大齒間載荷分配從32.4%降至27.5%.

目前,對(duì)平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿通常采用傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量方法,該方法的測(cè)量精度不高,容易造成測(cè)量元件和被測(cè)齒面的磨損或劃傷。為了提高平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿的精度,根據(jù)其成形原理提出了基于ccd的平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿精度的非接觸光電測(cè)量的檢測(cè)方法,通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)螺旋齒面方程和理論螺旋齒面方程的比較得到平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿的制造誤差。

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(jì)算了接觸點(diǎn)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(xiàn)長(zhǎng)度和總接觸線(xiàn)長(zhǎng)度的簡(jiǎn)化計(jì)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(dòng)的承載最大齒對(duì)的接觸應(yīng)力計(jì)算公式和平均接觸應(yīng)力計(jì)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(guò)實(shí)例對(duì)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(jì)算結(jié)果接近,前者計(jì)算值高于后者約10%~25%。

采用精確磨削ti蝸桿的砂輪,用類(lèi)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(dòng),給出了這種傳動(dòng)蝸桿副齒面的數(shù)學(xué)模型,并通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真得出了這種傳動(dòng)蝸輪齒面上接觸線(xiàn)的形狀及分布特征,初步分析了其嚙合特點(diǎn)。

文中通過(guò)對(duì)滾柱包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的原理、結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)特性的分析及思考,為這類(lèi)新興機(jī)構(gòu)在機(jī)床行業(yè)的進(jìn)一步推廣、應(yīng)用提供可能。

為了研究誤差對(duì)無(wú)側(cè)隙雙滾子包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)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(dòng)在誤差狀態(tài)下的嚙合方程、潤(rùn)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(dòng)誤差、蝸輪滾子齒距角誤差、蝸輪滾子偏距安裝誤差等對(duì)蝸桿潤(rùn)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(duì)蝸桿的潤(rùn)滑性能影響最大,軸交角誤差對(duì)蝸桿接觸性能影響最大,蝸桿中心距誤差、蝸桿軸向竄動(dòng)誤差和蝸輪滾子齒距角誤差對(duì)該蝸桿傳動(dòng)的接觸性能影響較小,在制定加工工藝時(shí)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)。

變傳動(dòng)比蝸桿曲柄銷(xiāo)式傳動(dòng)機(jī)構(gòu),其環(huán)面蝸桿的齒距是依變傳動(dòng)比的函數(shù)關(guān)系變化的,當(dāng)環(huán)面蝸桿勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),通過(guò)嚙合使?jié)L銷(xiāo)式曲柄產(chǎn)生預(yù)期的變速轉(zhuǎn)動(dòng),可應(yīng)用于鑄造生產(chǎn)的鐵水澆包的傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。這里依嚙合原理給出了車(chē)削變齒距環(huán)面蝸桿的齒面方程和磨削的環(huán)面蝸桿齒面方程、一類(lèi)及二類(lèi)界限曲線(xiàn)。

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

根據(jù)平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿副的特點(diǎn)提出參數(shù)計(jì)算應(yīng)該遵循的設(shè)計(jì)原則,根據(jù)參數(shù)之間的關(guān)系確定主要優(yōu)化參數(shù);在對(duì)主要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化時(shí),尋找最好的接觸線(xiàn)分布和盡可能大的潤(rùn)滑角來(lái)作為優(yōu)化目標(biāo);將不產(chǎn)生非工作區(qū)、根切、接觸線(xiàn)合理分布和蝸桿不變尖等約束條件確定優(yōu)化范圍;根據(jù)這類(lèi)型優(yōu)化的特點(diǎn),采用復(fù)合形法來(lái)解決優(yōu)化的求解問(wèn)題。最后,采用vb開(kāi)發(fā)優(yōu)化界面。研究表明:復(fù)合形法在平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿副的優(yōu)化設(shè)計(jì)中具有可行性和優(yōu)越性。

平面二包環(huán)面蝸桿具有許多優(yōu)點(diǎn),實(shí)體建模有助于其設(shè)計(jì)與分析.通過(guò)分析齒輪嚙合原理,推導(dǎo)出平面二包環(huán)面蝸桿齒面方程及平面方程.利用微增量原理,求出蝸桿的交線(xiàn)方程.利用vb,matlab和solidworks軟件結(jié)合所推導(dǎo)公式進(jìn)行聯(lián)合編程開(kāi)發(fā),建立了平面二包環(huán)面蝸桿的實(shí)體參數(shù)化建模系統(tǒng).同時(shí)推導(dǎo)誤差解析法計(jì)算公式,對(duì)軟件建模實(shí)例進(jìn)行誤差分析,結(jié)果證明該建模方法是有效、可行的.該方法使得平面二包環(huán)面蝸桿復(fù)雜的建模過(guò)程簡(jiǎn)單化,提高了設(shè)計(jì)效率,有利于平面二包環(huán)面蝸桿的推廣使用.

準(zhǔn)平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)按照形成蝸桿和蝸輪齒面的2次包絡(luò)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同與否,分為標(biāo)準(zhǔn)傳動(dòng)和變位傳動(dòng)2種傳動(dòng)形式。分析計(jì)算了在變位情況下各變位參數(shù)對(duì)齒面嚙合性能的影響,計(jì)算結(jié)果表明,該傳動(dòng)在采取變位形式加工時(shí)其齒面接觸線(xiàn)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(guò)變位參數(shù)的合理選取能使蝸桿傳動(dòng)齒面接觸線(xiàn)得到良好的分布形態(tài)

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(jī)床各軸運(yùn)動(dòng)誤差、刀具誤差、工裝誤差等多項(xiàng)原始誤差對(duì)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(jì)算并對(duì)誤差計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,從理論上闡述各誤差對(duì)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。