微小型正弦活齒減速器的研究
博士研究生:孫瑜
導(dǎo)師:李瑰賢 教授
申請學(xué)位:工學(xué)博士
學(xué)科、專業(yè)“機械設(shè)計及理論
所在單位:機械工程學(xué)院
答辯日期:2004年8月
授予學(xué)位單位:哈爾濱工業(yè)大學(xué)
摘要
隨著科技高速發(fā)展,減速器技術(shù)逐步向小型化、高速化、低噪聲、高可靠度的方向發(fā)展,微小型減速器在國防及工業(yè)生產(chǎn)中越來越得到廣泛的應(yīng)用。本文為適應(yīng)這一發(fā)展趨勢開發(fā)出可應(yīng)用在航空航天等領(lǐng)域的微小型圓柱正弦活齒減速器。該減速器具有重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、傳動效率高、潤滑性能好、能自鎖等優(yōu)點,在國防、冶金礦山、石油化工、汽車等生產(chǎn)部門有著廣闊的應(yīng)用前景。而目前在我國,圓柱正弦活齒傳動作為一種新型傳動形式,在理論研究及實際應(yīng)用方面均未見報道,本文從空間嚙合理論、運動學(xué)、可靠性理論、動力學(xué)及加工制造方面對其進行一系列系統(tǒng)、深入的理論研究。
本文首先在圓柱正弦活齒傳動結(jié)構(gòu)及傳動特點研究的基礎(chǔ)上,根據(jù)空間嚙合理論建立主動軸及殼體空間正弦滾道的齒廓方程,并進行了齒廓仿真;對單個活齒進行受力分析,基于變形協(xié)調(diào)條件,建立圓柱正弦活齒傳動的空間力學(xué)模型;計算出正弦滾道與活齒接觸點處主曲率,并分析其分布規(guī)律;研究活齒空間運動狀態(tài),給出共扼齒廓間滑動率的計算公式,且定性分析了活齒傳動各結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對滑動率的影響。
對圓柱正弦活齒減速器進行模糊可靠性研究。將應(yīng)力和強度分別視為隨機變量和模糊變量,對該傳動進行接觸強度的模糊可靠性研究;建立減速器的故障樹并進行定性和定量分析;將模糊數(shù)學(xué)引入圓柱正弦活齒減速器的故障樹分析中,根據(jù)模糊數(shù)的運算法則及模糊算子AND和OR得到了頂事件模糊概率的計算公式;采用Monte-Carlo方法對減速器進行可靠性數(shù)字仿真,從而得到減速器的壽命分布、各基本部件模式重要度及其它可靠性指標(biāo)。
對圓柱正弦活齒傳動進行動力學(xué)研究。利用拉格朗日方程建立圓柱正弦活齒減速器系統(tǒng)扭振的數(shù)學(xué)模型,得到了該減速器的固有頻率、主振型、模態(tài)柔度和勢能分布率等動態(tài)特性參數(shù)。找出結(jié)構(gòu)中影響系統(tǒng)動態(tài)特性的薄弱環(huán)節(jié),為進一步改進結(jié)構(gòu),使之具有良好的動態(tài)特性提供理論依據(jù);利用三維實體建模軟件Pro/E建立樣機的三維實體模型;應(yīng)用有限元方法和大型有限元分析軟件ANSYS對減速器的關(guān)鍵傳動件進行模態(tài)分析。
對該減速器進行了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計。綜合考慮圓柱正弦活齒減速器的外型尺寸、共扼齒廓間的滑動率、接觸強度的可靠性及動態(tài)特性等結(jié)構(gòu)及性能要求,對其進行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型強大的非線性映射功能,建立了動態(tài)目標(biāo)函數(shù);同時考慮強度、剛度及幾何等約束條件,應(yīng)用灰色聚類分析方法對圓柱正弦活齒減速器進行多目標(biāo)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計,得到了該減速器動態(tài)優(yōu)化設(shè)計的最滿意解,較傳統(tǒng)優(yōu)化的滿意解相比,使問題得到進一步優(yōu)化。
根據(jù)優(yōu)化得到的最滿意解,確定樣機的結(jié)構(gòu)參數(shù)并繪制全套設(shè)計圖;提出在小半徑內(nèi)圓柱面上加工空間正弦滾道的方法,設(shè)計并加工出非標(biāo)CBN球頭磨具,并與哈爾濱建成集團合作,加工制造一臺樣機。通過對樣樣試驗研究,證明其傳動比穩(wěn)定、傳動效率局。
關(guān)鍵詞圓柱正弦活齒減速器;空間嚙合特性;模糊可靠性;扭振動力學(xué);多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計
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