微小型正弦活齒減速器(qì)的研究

博士研究生(shēng)：孫瑜

導師：李瑰賢  教授

申請學位：工學博士

學科、專業“機械設計及理(lǐ)論

所在單位：機械工程學院

答(dá)辯日期：2004年8月(yuè)(yuè)

授予學位單位：哈爾濱工業大學

摘要

随着科技高速發展，減速器(qì)技術逐步向小型化(huà)、高速化(huà)、低(dī)噪聲、高可靠度的方向發展，微小型減速器(qì)在國防及工業生(shēng)産中越來(lái)越得到廣泛的應用。本文為(wèi)适應這(zhè)一(yī)發展趨勢開發出可應用在航空航天等領域的微小型圓柱正弦活齒減速器(qì)。該減速器(qì)具有重量輕、體(tǐ)積小、結構簡單緊湊、傳動效率高、潤滑性能(néng)好(hǎo)(hǎo)、能(néng)自鎖等優點，在國防、冶金(jīn)礦山、石油化(huà)工、汽車等生(shēng)産部門有着廣闊的應用前景。而目前在我國，圓柱正弦活齒傳動作(zuò)為(wèi)一(yī)種新(xīn)型傳動形式，在理(lǐ)論研究及實際應用方面均未見報(bào)道，本文從空間(jiān)齧合理(lǐ)論、運動學、可靠性理(lǐ)論、動力學及加工制造方面對其進行一(yī)系列系統、深入的理(lǐ)論研究。
本文首先在圓柱正弦活齒傳動結構及傳動特點研究的基礎上(shàng)，根據空間(jiān)齧合理(lǐ)論建立主動軸及殼體(tǐ)空間(jiān)正弦滾道的齒廓方程，并進行了(le)齒廓仿真；對單個(gè)活齒進行受力分(fēn)析，基于變形協調條件，建立圓柱正弦活齒傳動的空間(jiān)力學模型；計算(suàn)出正弦滾道與活齒接觸點處主曲率，并分(fēn)析其分(fēn)布規律；研究活齒空間(jiān)運動狀态，給出共扼齒廓間(jiān)滑動率的計算(suàn)公式，且定性分(fēn)析了(le)活齒傳動各結構參數變化(huà)對滑動率的影響。
對圓柱正弦活齒減速器(qì)進行模糊可靠性研究。将應力和強度分(fēn)别視(shì)為(wèi)随機變量和模糊變量，對該傳動進行接觸強度的模糊可靠性研究；建立減速器(qì)的故障樹并進行定性和定量分(fēn)析；将模糊數學引入圓柱正弦活齒減速器(qì)的故障樹分(fēn)析中，根據模糊數的運算(suàn)法則及模糊算(suàn)子(zǐ)AND和OR得到了(le)頂事(shì)件模糊概率的計算(suàn)公式；采用Monte-Carlo方法對減速器(qì)進行可靠性數字仿真，從而得到減速器(qì)的壽命分(fēn)布、各基本部件模式重要度及其它可靠性指标。
對圓柱正弦活齒傳動進行動力學研究。利用拉格朗日方程建立圓柱正弦活齒減速器(qì)系統扭振的數學模型，得到了(le)該減速器(qì)的固有頻率、主振型、模态柔度和勢能(néng)分(fēn)布率等動态特性參數。找出結構中影響系統動态特性的薄弱環節，為(wèi)進一(yī)步改進結構，使之具有良好(hǎo)(hǎo)的動态特性提供理(lǐ)論依據；利用三維實體(tǐ)建模軟件Pro/E建立樣機的三維實體(tǐ)模型；應用有限元方法和大型有限元分(fēn)析軟件ANSYS對減速器(qì)的關(guān)鍵傳動件進行模态分(fēn)析。
對該減速器(qì)進行了(le)多目标優化(huà)設計。綜合考慮圓柱正弦活齒減速器(qì)的外型尺寸、共扼齒廓間(jiān)的滑動率、接觸強度的可靠性及動态特性等結構及性能(néng)要求，對其進行多目标優化(huà)設計。利用神經網絡模型強大的非線性映射功能(néng)，建立了(le)動态目标函數；同時(shí)考慮強度、剛度及幾何等約束條件，應用灰色聚類分(fēn)析方法對圓柱正弦活齒減速器(qì)進行多目标動态優化(huà)設計，得到了(le)該減速器(qì)動态優化(huà)設計的最滿意解，較傳統優化(huà)的滿意解相比，使問題得到進一(yī)步優化(huà)。

根據優化(huà)得到的最滿意解，确定樣機的結構參數并繪制全套設計圖；提出在小半徑内圓柱面上(shàng)加工空間(jiān)正弦滾道的方法，設計并加工出非标CBN球頭磨具，并與哈爾濱建成集團合作(zuò)，加工制造一(yī)台樣機。通過對樣樣試驗研究，證明其傳動比穩定、傳動效率局。

關(guān)鍵詞圓柱正弦活齒減速器(qì)；空間(jiān)齧合特性；模糊可靠性；扭振動力學；多目标優化(huà)設計

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