内置式环面珠轮传动的设计与疲劳分析文献综述

文献综述

摆线钢球传动机构可改善机构的弹性变形，传动件的摩擦磨损。利用钢球传递运动和动力代替轮齿啮合，钢球的滚动摩擦小，传动效率高，无噪声、无回差特性，使其在机构特别是在精密测量仪器、机器人、机器手及航天器等伺服传动系统中有良好的应用前景。而内置式环面珠轮传动是将球面活齿传动应用到交错轴传动的新型传动技术。^[2]

国外对摆线钢球有较早和较深的研究。日本学者分析了由三个部件组成的两级摆线球减速器的运动特性。^[21]美国的F.L. Litvin教授考虑了直齿圆柱齿轮正交偏置面齿轮传动，并利用计算机生成、轴承接触局部化和啮合与接触仿真。^[22]

国内安子军教授较早开始研究摆线钢球，首次较深入系统地研究开发了具有良好性能和应用前景的新型机械传动—摆线钢球行星传动。综合考虑时变啮合刚度及轴承支承刚度等影响因素,建立了摆线钢球行星传动系统的平移-扭转耦合动力学模型,并推导出系统的动力学方程。然后将动力学方程转换为正则模态方程,并利用多尺度法对系统进行动力稳定性分析,推导出系统的组合共振频率及稳定性条件。最后利用摄动法计算出系统的稳态响应。基于模糊理论和可靠性设计方,建立了摆线钢球行星传动模糊可靠性数学模型,推导出其计算公式 ,并对该传动机构样机进行了接触疲劳强度的模糊可靠度计算。根据端面啮合摆线钢球行星传动的组成结构及传动原理,建立了摆线槽多钢球啮合副(每球多点接触)的复杂空间力学分析模型。利用力学中的超静定变形协调条件,推导出摆线槽啮合副的最大作用力公式。利用赫兹应力理论推导出摆线槽的接触疲劳应力并绘出其应力变化曲线。其研究结果对该传动的理论研究和应用设计具有重要意义。^[3-11]陈厚军教授研究了行星轮齿廓的几何学解析,确定出齿廓无干涉、摆线(准线)无自交的前提下变幅系数的选取准则。分析表明,在不改变机构体积和复杂程度的情况下,这种行星传动在传动比范围和承载能力等方面具有竞争性。

以上论文主要研究了摆线钢球在端面及平面上的应用。该机构在端面及平面上有如此多的优点和发展前景，本文将该机构进行了拓展，延伸到了交错轴上。环面齿轮珠轮传动有以下特点：由于环面齿轮处在珠轮的侧面，其径向位置不受限制，可以选择较大的外径，有利于提高环面齿轮强度；环面齿轮的最小齿数甚至可以为1，使得结构紧凑；此外，与环面蜗杆珠轮传动一样，这种传动在加工装配及接触域控制等方面具有优势。

同时许多学者用不同的研究方法和工具对摆线钢球进行分析。山东大学的张紫平教授通过建立凸轮机构在运动过程中的力学方程及柔性轴五自由度动力学模型,研究机构的啮合特性和动力学性能,能够为滚珠型弧面凸轮连续传动机构的设计、制造及其实验研究提供理论依据。在研究过程中ANSYS软件提供了很大的帮助。^[12]吴宏基教授利用ANSYS软件的APDL语言生成齿轮轮廓的主要关键点,结合实体造型功能建立生成齿轮模型的宏文件,完成参数化程序建立。最后,给出了一对齿轮的实体模型以及基于实体模型建立的有限元模型。^[13]王立星教授对端面啮合摆线钢球行星传动减速器机械结构及传动原理作了详细的分析,以体积最小和效率最高为目标函数对其结构和性能进行优化,并绘制了优化后的减速器的三维实体装配图,最后对主要结构部件进行力学分析。^[17]李鸿教授研究了摆线钢球行星传动原理,利用转化机构法推导了其传动比计算公式,分析了摆线钢球减速器设计时各关键参数的协同关系及其变化对传动性能的影响。^[18],高东强教授根据摆线钢球行星传动的结构组成和传动原理,进行了二级摆线钢球减速器的结构设计,选定了减速器的基本结构设计参数,结构类型为Ⅰ型和Ⅲ型的并联组合.运用Pro/E对其主要零件进行了参数化建模。^[19]刘卫红教授针对双级摆线钢球减速器,在分析其结构特性与传动原理基础上,推导了其传动比计算公式,分析了不平衡质量对其振动的影响,并构建了双级摆线钢球减速器动力学分析模型,对其弯曲与扭转受迫振动进行了研究。^[20]

以上研究对于本次研究有很好的参考价值。所以对于内置式环面珠轮传动，将利用Pro/E进行建模，然后再将模型导入到ANSYS中进行疲劳分析。

参考文献