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(jī)械設(shè)計(jì)及理論
所在單位：機(jī)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(dòng)效率高、潤滑性能好、能自鎖等優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)作為一種新型傳動(dòng)形式，在理論研究及實(shí)際應(yīng)用方面均未見報(bào)道，本文從空間嚙合理論、運(yùn)動(dòng)學(xué)、可靠性理論、動(dòng)力學(xué)及加工制造方面對其進(jìn)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(dòng)結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)特點(diǎn)研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)空間嚙合理論建立主動(dòng)軸及殼體空間正弦滾道的齒廓方程，并進(jìn)行了齒廓仿真；對單個(gè)活齒進(jìn)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(dòng)的空間力學(xué)模型；計(jì)算出正弦滾道與活齒接觸點(diǎn)處主曲率，并分析其分布規(guī)律；研究活齒空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，給出共扼齒廓間滑動(dòng)率的計(jì)算公式，且定性分析了活齒傳動(dòng)各結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對滑動(dòng)率的影響。
對圓柱正弦活齒減速器進(jìn)行模糊可靠性研究。將應(yīng)力和強(qiáng)度分別視為隨機(jī)變量和模糊變量，對該傳動(dòng)進(jìn)行接觸強(qiáng)度的模糊可靠性研究；建立減速器的故障樹并進(jìn)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(yùn)算法則及模糊算子AND和OR得到了頂事件模糊概率的計(jì)算公式；采用Monte-Carlo方法對減速器進(jìn)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(dòng)進(jìn)行動(dòng)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(dòng)態(tài)特性參數(shù)。找出結(jié)構(gòu)中影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的薄弱環(huán)節(jié)，為進(jìn)一步改進(jìn)結(jié)構(gòu)，使之具有良好的動(dòng)態(tài)特性提供理論依據(jù)；利用三維實(shí)體建模軟件Pro/E建立樣機(jī)的三維實(shí)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(dòng)件進(jìn)行模態(tài)分析。
對該減速器進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(dòng)率、接觸強(qiáng)度的可靠性及動(dòng)態(tài)特性等結(jié)構(gòu)及性能要求，對其進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型強(qiáng)大的非線性映射功能，建立了動(dòng)態(tài)目標(biāo)函數(shù)；同時(shí)考慮強(qiáng)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(jìn)行多目標(biāo)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了該減速器動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)的最滿意解，較傳統(tǒng)優(yōu)化的滿意解相比，使問題得到進(jìn)一步優(yōu)化。
根據(jù)優(yōu)化得到的最滿意解，確定樣機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)并繪制全套設(shè)計(jì)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(jì)并加工出非標(biāo)CBN球頭磨具，并與哈爾濱建成集團(tuán)合作，加工制造一臺(tái)樣機(jī)。通過對樣樣試驗(yàn)研究，證明其傳動(dòng)比穩(wěn)定、傳動(dòng)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(dòng)力學(xué)；多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)
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