【摘要】： 隨著現(xiàn)代齒輪傳動技術(shù)的發(fā)展,在一些新興的需要多自由度傳動的領(lǐng)域,比如機器人領(lǐng)域、仿生技術(shù)領(lǐng)域、矢量推進技術(shù)領(lǐng)域等,采用傳統(tǒng)的單自由度齒輪傳動機構(gòu)給研究工作帶來了一定難度,因而,當Trallfa球齒輪——世界上第一種雙自由度齒輪傳動機構(gòu)問世時,立即引起了工程界的廣泛關(guān)注。但是由于Trallfa球齒輪的離散錐形輪齒存在加工難度大、齒廓承載能力低等缺陷,因此,并沒有得到推廣應(yīng)用。此后一些學者對Trallfa球齒輪的齒形設(shè)計作了一些改進,出現(xiàn)了離散圓弧齒、離散漸開線環(huán)形齒、離散錐形齒等雙自由度球齒輪傳動機構(gòu),但由于都沒能突破離散齒的齒形設(shè)計局限,因此在降低加工難度和提高承載能力方面的效果不佳。本文研究的漸開線環(huán)形齒球齒輪輪齒在球面上連續(xù)分布,克服了離散齒的局限,具有易于加工和承載能力較高的特點。目前,在傳動的基本原理和運動學分析等方面進行了初步研究,但是作為雙自由度齒輪傳動機構(gòu),其傳動特性比傳統(tǒng)齒輪復(fù)雜,必須經(jīng)過更加深入的傳動理論研究才能為其傳動技術(shù)的進一步發(fā)展奠定良好的理論基礎(chǔ)。本論文研究工作的主要任務(wù)就是深入研究漸開線環(huán)形齒球齒輪傳動的若干理論問題,建立一個相對完整的球齒輪傳動理論體系,也期望能對雙自由度齒輪傳動技術(shù)的發(fā)展起到一定的推動作用。論文的研究工作包括以下幾個部分: 1.研究了球齒輪副的雙自由度共軛齒面嚙合問題。建立了球齒輪副的雙參數(shù)運動學模型,對球齒輪副的兩種基本機構(gòu)——理想機構(gòu)與萬向節(jié)式機構(gòu)進行了運動學原理分析。在此基礎(chǔ)上,分析了球齒輪相嚙合齒面在接觸點處的相對運動情況,建立了球齒輪副的雙參數(shù)嚙合方程,據(jù)此得到了相應(yīng)的嚙合面方程及共軛齒面方程。采用計算機仿真方法對兩種球齒輪機構(gòu)的雙自由度共軛齒面嚙合原理進行了分析與驗證,結(jié)果表明,理想機構(gòu)與萬向節(jié)式機構(gòu)的相嚙合齒面都是共軛齒面。 2.采用滑動系數(shù)作為衡量球齒輪齒面滑動磨損程度的重要指標。結(jié)合球齒輪副的雙自由度嚙合原理及滑動系數(shù)的基本定義,對球齒輪齒面的滑動系數(shù)計算方法進行了研究,并給出了具體的計算公式,其齒面的滑動系數(shù)是關(guān)于運動參數(shù)——偏擺角φ_y1和方位角φ_z1的二元函數(shù),并與球齒輪沿空間兩個分方向運動的角速度比ε有關(guān)。據(jù)此,對球齒輪理想機構(gòu)與萬向節(jié)式機構(gòu)的齒面滑動系數(shù)進行了分析計算,由兩種球齒輪機構(gòu)滑動系數(shù)分布規(guī)律分析可知:球齒輪齒廓中部的滑動磨損最輕,齒頂次之,齒根磨損最為嚴重。而且,在萬向節(jié)式機構(gòu)中,安裝軸對齒面滑動磨損的影響是良性的。 3.進行了球齒輪齒面接觸特性分析與應(yīng)力分析。通過理論證明,球齒輪是馬鞍面與凸面之間的接觸:除極軸重合位置為線接觸外,其余位置都為點接觸。建立了用于計算機仿真計算的球齒輪齒面嚙合模型,通過求解5個方程組成的非線性方程組,可以得到齒面上瞬時接觸點的位置,據(jù)此對球齒輪副接觸點軌跡進行了研究。采用曲率分析法與齒面分離拓撲法相結(jié)合對球齒輪的接觸橢圓進行了理論與仿真計算,得到了接觸橢圓在球齒輪齒面上的分布規(guī)律。采用有限元法,對球齒輪齒廓強度最弱的中凸齒進行了接觸應(yīng)力與彎曲應(yīng)力的有限元計算。結(jié)果表明:接觸應(yīng)力在齒面上呈橢圓狀分布;在不計重合度時,接觸應(yīng)力在齒中部較小,在齒根部與齒頂部較大;在考慮重合度時,齒根部與齒頂部的接觸應(yīng)力明顯減小;彎曲應(yīng)力較小,最大值出現(xiàn)在輪齒中部。 4.分析研究了安裝誤差對球齒輪機構(gòu)傳動誤差的影響。分別建立了球齒輪副的兩種最常用機構(gòu)——萬向節(jié)式機構(gòu)與指向機構(gòu)的傳動誤差模型與指向誤差模型。分別建立了兩種機構(gòu)在存在安裝誤差——定軸與動軸的軸向偏差(包括豎直與水平軸向偏差)及中心距誤差時的運動學模型。在此基礎(chǔ)上,對萬向節(jié)式機構(gòu)的傳動誤差進行了計算與分析;分別采用兩種指向誤差的評價方法,對指向機構(gòu)的指向誤差進行了計算與分析。結(jié)果對球齒輪機構(gòu)的裝配及其傳動誤差的測量具有重要的參考價值。 5.采用磨削加工方法解決球齒輪精加工問題。根據(jù)球齒輪的齒形特點,分別采用成形法與范成法兩種方法對球齒輪磨削加工方法進行了研究。針對成形法磨削,根據(jù)磨削加工所需的自由度要求,設(shè)計了磨削機床及指狀砂輪,分析了機床運動鏈之間的運動關(guān)系及指狀砂輪的磨削原理。針對范成法磨削加工,同樣設(shè)計了磨削機床及盤形砂輪,建立了球齒輪與盤形砂輪之間的共軛嚙合運動方程式,詳細分析了由盤形砂輪加工球齒輪漸開線齒面及齒根過渡曲面的生成原理。最后,在建立盤形砂輪數(shù)學模型的基礎(chǔ)上,得到了采用盤形砂輪加工球齒輪齒廓曲面的數(shù)學模型,據(jù)此可進行機床加工參數(shù)的設(shè)置與調(diào)整。
【圖文】：

圖 1.1 Trallfa 球齒輪動特點及應(yīng)用領(lǐng)域輪[6]（以下全文中簡稱“球齒輪”），是一種新型的雙自由度齒輪傳繞自身軸線旋轉(zhuǎn)而成，如圖 1.2 )中的漸開線直齒輪分別繞過齒和齒輪；圖 1.2(b)為中凹齒球齒輪的成過程可知，它的齒廓在球面上連開線直齒輪都相同，在任何垂直于)為安裝好的球齒輪機構(gòu)，由一對其中一個球齒輪為主動輪時，它可力傳遞給另一個球齒輪，它的極軸

圖 1.1 Trallfa 球齒輪1.1.2.2 球齒輪的傳動特點及應(yīng)用領(lǐng)域漸開線環(huán)形齒球齒輪[6]（以下全文中簡稱“球齒輪”）由國防科技大學潘存上世紀 90 年代發(fā)明，是一種新型的雙自由度齒輪傳動機構(gòu)，可傳遞空間。它由漸開線直齒輪繞自身軸線旋轉(zhuǎn)而成，如圖 1.2 為球齒輪機構(gòu)的形成圖，其中，圖 1.2(a)中的漸開線直齒輪分別繞過齒和齒槽的中軸線旋轉(zhuǎn)形球齒輪和中凹齒球齒輪；圖 1.2(b)為中凹齒球齒輪的半剖示意圖，其中軸軸。由球齒輪的形成過程可知，它的齒廓在球面上連續(xù)分布，在任何過面內(nèi)，其齒形與漸開線直齒輪都相同，在任何垂直于極軸的截面內(nèi)，其系列圓環(huán)。圖 1.2(c)為安裝好的球齒輪機構(gòu)，由一對相嚙合的中凸齒球齒齒球齒輪組成，當其中一個球齒輪為主動輪時，它可以繞兩個相互正交，從而將運動和動力傳遞給另一個球齒輪，，它的極軸即機構(gòu)的輸出軸可運動。
【學位授予單位】：國防科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2009
【分類號】：TH132.41

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本文編號：2646512