第1章緒論
1.1本課題研究的目的和意義
隨著科技的高速發(fā)展，現(xiàn)代機(jī)械逐步向高速、精密、等方向發(fā)展，而減速器作為現(xiàn)代機(jī)械中的關(guān)鍵傳動(dòng)部件，也隨之對(duì)其提出了更高的要求。當(dāng)今世界各國減速器技術(shù)發(fā)展總趨勢(shì)是小、型化、輕量化、高速化、低噪聲和高可靠度。減速器的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的發(fā)展，在一定程度上標(biāo)志著一個(gè)國家的工業(yè)水平。因此，開拓和發(fā)展減速器技術(shù)在我國有著廣闊的前景。
活齒傳動(dòng)是為適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械的高速發(fā)展而成功開發(fā)的新型齒輪傳動(dòng)，因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使之具有傳統(tǒng)齒輪傳動(dòng)不可比擬的優(yōu)越性能，在一定的工作條件下，是傳統(tǒng)齒輪傳動(dòng)理想的替代產(chǎn)品。本課題研究的圓柱正弦活齒減速器是一種新型的活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有重量輕、體積小（外徑≤ф80mm）、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)誤差小、潤滑性能好、性能價(jià)格比高、防止逆?zhèn)鲃?dòng)等優(yōu)點(diǎn)，它可廣泛應(yīng)用于國防、冶金礦山、石油化工、汽車、電子儀表、建筑工程、機(jī)床、鍋爐等生產(chǎn)部門。將產(chǎn)品國產(chǎn)化后，加工成本低于同類進(jìn)口減速器產(chǎn)品價(jià)格的一半，具有很高的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。
正弦活齒傳動(dòng)是一種新型的活齒傳動(dòng)，雖然原蘇聯(lián)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道正弦活齒傳動(dòng)應(yīng)用在很多領(lǐng)域,但是理論方面研究未見任何報(bào)道。目前，在我國對(duì)該傳動(dòng)的研究還是空白。通過本課題的研究，開創(chuàng)圓柱正弦活齒傳動(dòng)空間嚙合理論、強(qiáng)度、可靠性、動(dòng)力學(xué)以及設(shè)計(jì)制造等多方面基礎(chǔ)理論，拓展國內(nèi)的研究領(lǐng)域，形成系統(tǒng)理論及技術(shù)成果，使正弦活齒傳動(dòng)技術(shù)國產(chǎn)化，并力求達(dá)到國際先進(jìn)水平。由于我國在正弦活齒傳動(dòng)理論研究上空白，所以在設(shè)計(jì)和制造等方面的應(yīng)用研究至今無人問津。圓柱正弦活齒傳動(dòng)中的內(nèi)空間正弦滾道，加工工藝復(fù)雜，難度大。在國內(nèi)現(xiàn)有制造水平及條件下，本文首次提出在小半徑內(nèi)圓柱面上加工高精度內(nèi)空間正弦滾道的方法，彌補(bǔ)了加工條件的不足，降低了生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的精度和生產(chǎn)效率。
空間探測(cè)具有巨大的潛在經(jīng)濟(jì)效益，是一個(gè)國家空間高科技高度發(fā)達(dá)的重要標(biāo)志，是綜合國力的具體體現(xiàn)，也是大國地位的象征。開展空間探測(cè)將推動(dòng)我國空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和國際合作，并具有開發(fā)、分享太空資源和提高國家國際政治地位的重要戰(zhàn)略意義。本課題中研究的減速器可適應(yīng)特殊空間環(huán)境（高溫差、真空、失重、強(qiáng)輻射等）及對(duì)摩擦、潤滑條件的特殊要求。若將其成功的應(yīng)用，必將促進(jìn)我國空間探測(cè)事業(yè)的發(fā)展，從而帶動(dòng)航天技術(shù)及其它領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。
1.2活齒傳動(dòng)概述
為適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)對(duì)通用機(jī)械傳動(dòng)裝置更新?lián)Q代的需要，應(yīng)用新技術(shù)，開發(fā)新型高性能傳動(dòng)元件，成為傳動(dòng)機(jī)械學(xué)領(lǐng)域中一項(xiàng)重要研究課題�；铨X傳動(dòng)，從一定意義來說，就是這樣一種新型高性能傳動(dòng)。隨著我國航天、航空、機(jī)械、電子、能源及核工業(yè)等方面的快速發(fā)展和工業(yè)機(jī)器人等在各工業(yè)部門的應(yīng)用，我國在活齒傳動(dòng)技術(shù)應(yīng)用方面已取得顯著成績。同時(shí)，隨著國家高新技術(shù)及信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)活齒傳動(dòng)技術(shù)產(chǎn)品的需求將會(huì)更加突出。
1.2.1活齒傳動(dòng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其優(yōu)點(diǎn)
活齒少齒差行星傳動(dòng)簡稱為活齒傳動(dòng)，是由K-H-V型少齒差行星齒輪傳動(dòng)演化而成的一種新型齒輪傳動(dòng)，并利用一組中間活動(dòng)件——活齒來傳遞兩同軸間的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。常見的活齒傳動(dòng)分為推桿活齒傳動(dòng)（圖1-la）、滾柱（鋼球）活齒傳動(dòng)（圖1-1b）、套筒活齒傳動(dòng)（圖1-1c）、擺動(dòng)活齒傳動(dòng)（圖1-ld)等。因?yàn)榛铨X傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比范圍廣、承載能力大、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，所以它一出現(xiàn)就引起科技工作者的廣泛注意。
活齒傳動(dòng)突破長期以來齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)特征，將行星齒輪的輪齒與輪體的剛性聯(lián)接改為運(yùn)動(dòng)副活動(dòng)聯(lián)接，使行星齒輪的全部輪齒成為一組作循環(huán)運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)體，習(xí)慣上稱之為活齒�；铨X與活齒架組成活齒輪，行星齒輪的行星運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為活齒輪繞固定軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并使各活齒在活齒架的導(dǎo)向槽中按一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)行星齒輪做行星運(yùn)動(dòng)的功能。由此可見，活齒傳動(dòng)具有的共同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：
（1）在傳遞回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)輸入構(gòu)件與輸出構(gòu)件總是同軸布置的。
（2）在不考慮局部自由度時(shí)，除了輸入、輸出構(gòu)件和機(jī)架外還存在至少一個(gè)或一組中間活動(dòng)構(gòu)件。
（3）在有中間活動(dòng)件時(shí)，為了保證傳動(dòng)的連續(xù)，所有中間活動(dòng)件與輸入、輸出及機(jī)架構(gòu)成該傳動(dòng)裝置的完全相同的最小單元，稱之為基機(jī)構(gòu)。它們分別在不同的時(shí)間區(qū)間起作用以保證傳動(dòng)的持續(xù)，稱這種關(guān)系為異步并聯(lián)。活齒傳動(dòng)的連續(xù)傳動(dòng)是靠各對(duì)并聯(lián)的嚙合副交替工作來完成的。因?yàn)楦鱾�(gè)并聯(lián)的嚙合副從嚙合開始到結(jié)束的工作過程完全相同，相鄰兩個(gè)嚙合副僅差一個(gè)相位，所以研究與相位無關(guān)的嚙合副的結(jié)構(gòu)理論，可以任選一個(gè)嚙合副為研究對(duì)象。
活齒傳動(dòng)具有的結(jié)構(gòu)特征使其在小偏距平行軸間的轉(zhuǎn)速變換過程中，省去了少齒差行星齒輪必須采用的W運(yùn)動(dòng)輸出機(jī)構(gòu)，不但有效的克服了采用W運(yùn)動(dòng)輸出機(jī)構(gòu)給少齒差行星齒輪傳動(dòng)帶來的激波器軸承壽命短的問題，而且傳動(dòng)鏈顯著縮短，這給活齒少齒差行星齒輪傳動(dòng)帶來一系列優(yōu)點(diǎn):
1.結(jié)構(gòu)新穎緊湊活齒傳動(dòng)省去了少齒差行星齒輪傳動(dòng)、擺線針輪傳動(dòng)所必須有的W等速運(yùn)動(dòng)輸出機(jī)構(gòu)，減速運(yùn)動(dòng)通過活齒直接由活齒架輸出；組成活齒傳動(dòng)的三個(gè)基本構(gòu)件——激波器、活齒輪和中心輪同軸布置，活齒輪放在中心輪里面，簡化了結(jié)構(gòu)，使傳動(dòng)裝置的軸向和徑向尺寸都很小，縮小了體積，減輕了重量。
2.多齒嚙合承載能力高活齒輪由活齒和活齒架用移動(dòng)副或轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接組成的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，避免了內(nèi)嚙合齒輪副輪齒間的相互干涉，能使所有的活齒同時(shí)和中心輪齒廓接觸，可以有一半甚至更多的活齒參與嚙合，承載能力高；多齒嚙合使活齒傳動(dòng)對(duì)沖擊負(fù)荷有較強(qiáng)的承載能力，一般短期超載能力為名義扭矩的250%�；铨X傳動(dòng)共扼齒形的連續(xù)接觸形式，避免了嚙入嚙出的沖擊，傳動(dòng)平隱無噪聲。
3.傳動(dòng)比范圍廣活齒傳動(dòng)屬于K-H-V型少齒差行星齒輪傳動(dòng)范疇，傳動(dòng)比大，單級(jí)傳動(dòng)比為8～60，雙級(jí)傳動(dòng)比為64～3600；二齒差活齒傳動(dòng)和封閉型二級(jí)活齒傳動(dòng)等新型活齒傳動(dòng)的相繼提出，不但使活齒傳動(dòng)傳動(dòng)比向大小兩個(gè)方向發(fā)展，擴(kuò)大了傳動(dòng)比范圍，而且還有多路傳動(dòng)的功能。
4.傳動(dòng)效率高活齒傳動(dòng)采用活齒后，使輸出機(jī)構(gòu)和活齒輪的分齒部分合成一體，使輸入軸到輸出軸之間的運(yùn)動(dòng)鏈縮短，減少了動(dòng)力傳遞損失；活齒和中心輪、激波器、活齒架之間組成的一個(gè)低副和兩個(gè)高副，由于采用了針齒、套筒活齒、擺動(dòng)活齒、組合活齒和轉(zhuǎn)臂軸承等結(jié)構(gòu)，使組成運(yùn)動(dòng)副的各運(yùn)動(dòng)副元素間有較多的相對(duì)滾動(dòng)，嚙合效率提高；激波器采用雙排結(jié)構(gòu)，并180度布置，使慣性力和作用力平衡，使傳動(dòng)軸及軸承的受力減輕，提高了活齒傳動(dòng)的傳動(dòng)效率。活齒傳動(dòng)的傳動(dòng)效率隨傳動(dòng)比的增加而降低，傳動(dòng)效率在95%～70%范圍內(nèi)。
5.基本構(gòu)件的工藝性好活齒傳動(dòng)的激波器通常采用偏心圓結(jié)構(gòu)，工藝性好，但需要采用雙排結(jié)構(gòu)。若采用橢圓等自平衡結(jié)構(gòu)，單排激波器即可使慣性力、作用力平衡，加工工藝簡單，但須采用柔性軸承技術(shù)。一般來說，活齒傳動(dòng)中心輪的精確齒形需在數(shù)控機(jī)床上加工，也可利用通用機(jī)床裝置加工，但加工硬齒面存在一定困難。采用密切圓、直線等近似齒形，避免了加工特殊齒形的不便，簡化了工藝，不需增加專用設(shè)備即可批量生產(chǎn)。對(duì)于擺動(dòng)活齒和套筒活齒，活齒架上的等分柱銷孔是關(guān)鍵工藝；對(duì)于推桿活齒和滾柱（鋼球）活齒，活齒架上的徑向等分槽是關(guān)鍵工藝，顯然前者的工藝性好。
1.2.2正弦活齒傳動(dòng)結(jié)構(gòu)型式及其特點(diǎn)
正弦活齒傳動(dòng)屬于活齒少齒差行星齒輪傳動(dòng)，是一種利用鋼球和正弦滾道組成的滾動(dòng)嚙合變速裝置。按照正弦曲線軌跡所在回轉(zhuǎn)面的類型，正弦活齒傳動(dòng)可分為平面正弦活齒、圓柱正弦活齒及圓錐正弦活齒傳動(dòng)等，圖1-2所示為共扼正弦曲線軌跡的示意圖。當(dāng)φ從0到2π變化，正弦曲線Γ在回轉(zhuǎn)面上被描述出來。如果Θ代表主動(dòng)軸坐標(biāo)系，則曲線Γ表示主動(dòng)軸回轉(zhuǎn)面上的正弦曲線，若Θ代表殼體坐標(biāo)系，則曲線Γ表示殼體回轉(zhuǎn)面上正弦曲線�；剞D(zhuǎn)面可以是錐面（圖1-2b）、圓柱面（圖1-2c）、平面（圖1-2d)，還可以為拋物面、雙曲面、超環(huán)面等。若按與活齒嚙合的正弦滾道數(shù)目劃分，正弦活齒傳動(dòng)可分為雙正弦活齒傳動(dòng)（圖1-3）和三正弦活齒傳動(dòng)（圖1-4)。
正弦活齒傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好、易拆裝、潤滑密封方式簡單方便。且傳動(dòng)平穩(wěn)，不存在傳統(tǒng)齒輪的嚙入嚙出沖擊，具有較高的承載能力。其中圓柱正弦活齒傳動(dòng)在理論上全部活齒均參與嚙合，活齒受力狀態(tài)好，嚙合剛性高。具有重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、傳動(dòng)比范圍大、傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)誤差小、承載能力強(qiáng)、潤滑性能好等特點(diǎn)。因此，正弦活齒傳動(dòng)在機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
1.3活齒傳動(dòng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.3.1活齒傳動(dòng)國內(nèi)外研究及應(yīng)用現(xiàn)狀
活齒傳動(dòng)最初的結(jié)構(gòu)形式是在20世紀(jì)30年代由德國人提出來的，到了40年代，他們就把活齒傳動(dòng)技術(shù)應(yīng)用到汽車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中了。第二次世界大戰(zhàn)曾使活齒傳動(dòng)研究停滯下來。50年代，蘇聯(lián)學(xué)者對(duì)活齒傳動(dòng)的一種形式“柱塞傳動(dòng)”進(jìn)行了理論研究，提出了它的運(yùn)動(dòng)學(xué)合理的計(jì)算方法。美國學(xué)者提出了推桿活齒減速裝置及少齒差減速機(jī)，分析了傳動(dòng)原理，對(duì)傳動(dòng)比和作用力進(jìn)行了計(jì)算，分析了其傳動(dòng)性能。70年代，蘇美兩國積極開發(fā)活齒傳動(dòng)新形式，蘇聯(lián)推出了“正弦滾珠傳動(dòng)”，美國推出了“滑齒減速器”形成了系列產(chǎn)品，并投入國際市場(chǎng)。到了80年代，國際上研究活齒傳動(dòng)更加積極，日本、英國、聯(lián)邦德國、保加利亞、捷克斯洛伐克等國家先后公布了一些有關(guān)活齒傳動(dòng)的專利和發(fā)明，這些都表明活齒傳動(dòng)的研究和應(yīng)用，在國外已經(jīng)成為行星齒輪研究中相當(dāng)活躍的領(lǐng)域。
我國對(duì)活齒傳動(dòng)的研究起步較晚，從20世紀(jì)70年代起，我國的科技工作者才開始注意國外活齒傳動(dòng)的發(fā)展，先后推出推桿活齒傳動(dòng)、擺動(dòng)活齒傳動(dòng)、滾珠活齒傳動(dòng)等多種形式活齒傳動(dòng)裝置。80年代后，出現(xiàn)了以陳仕賢教授為主要研究代表的推桿活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以朱紹仁高級(jí)工程師為主要研究代表的變速傳動(dòng)軸承，以周有強(qiáng)教授為主要研究代表的套筒活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu),以曲繼方教授為研究代表的擺動(dòng)活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以高靖中高級(jí)工程師為主要研究代表的滾柱活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以徐永賢高級(jí)工程師為主要研究代表的密切圓活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和滾柱活齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。由于活齒傳動(dòng)具有很多突出特點(diǎn)，已引起國內(nèi)外工程界的重視�；铨X傳動(dòng)已應(yīng)用到能源、通信、機(jī)床、汽車拖拉機(jī)、冶金、造船、礦山、起重運(yùn)輸、化工、建筑工程、農(nóng)機(jī)、醫(yī)療器械、儀器儀表、紡織、輕工及食品機(jī)械等工業(yè)部門中。如用于機(jī)床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)、鍋爐的除渣機(jī)構(gòu)、選礦廠的球磨機(jī)、礦山牽引車、鋼管輸送機(jī)、鹽廠濃縮設(shè)備、啤酒廠發(fā)酵槽、汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、餅干輸送帶上等。近年來各科研院校和企業(yè)爭相對(duì)活齒傳動(dòng)進(jìn)行研制，并申請(qǐng)了如擺動(dòng)活齒減速機(jī)（專利號(hào)：CN20757729V）、AOT全滾動(dòng)活齒減速機(jī)（專利號(hào)為ZL911010602）、星齒傳動(dòng)（專利號(hào)：ZL93213523）、滾道減速機(jī)（CN86200768U）、密切圓活齒傳動(dòng)、變速傳動(dòng)軸承（CN85200923U）等多項(xiàng)專利技術(shù)。
燕山大學(xué)、四川大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等各高等院校也積極進(jìn)行新型活齒傳動(dòng)的研究工作，在學(xué)術(shù)刊物和學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表了一些有關(guān)活齒傳動(dòng)的學(xué)術(shù)論文，使活齒傳動(dòng)不僅在應(yīng)用上取得了很大的成績，在理論研究上也有較大的成果。其中燕山大學(xué)曲繼方教授總結(jié)了自己發(fā)表的系列文章，編寫了活齒傳動(dòng)領(lǐng)域唯一一部專著《活齒傳動(dòng)理論》，利用機(jī)構(gòu)學(xué)中轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)法、等效機(jī)構(gòu)法及滑滾替代法等機(jī)構(gòu)演化方法研究各種活齒傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)、齒形綜合、運(yùn)動(dòng)學(xué)及加工制造等一系列理論和應(yīng)用內(nèi)容，是一部較全面系統(tǒng)研究活齒傳動(dòng)的著作，具有突出的研究特色。四川大學(xué)梁尚明研究了擺動(dòng)活齒傳動(dòng)的強(qiáng)度、效率、運(yùn)動(dòng)學(xué)嚙合剛度、動(dòng)力學(xué)特性及模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面的內(nèi)容；西安交大劉生林研究了擺動(dòng)活齒減速器的結(jié)構(gòu)和工作原理，進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，推導(dǎo)出了內(nèi)齒圈齒廓方程式，還對(duì)工作齒數(shù)和工作區(qū)域等問題進(jìn)行了研究；張以都、周有強(qiáng)等研究了套筒活齒的應(yīng)力數(shù)學(xué)模型、計(jì)算方法和多齒受力分析；燕山大學(xué)安子軍等運(yùn)用齒輪嚙合原理研究了擺動(dòng)活齒傳動(dòng)的內(nèi)齒圈齒形綜合問題，給出了實(shí)際齒形方程式和嚙合線方程，根據(jù)誤差理論，研究了擺動(dòng)活齒傳動(dòng)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及其誤差對(duì)齒形的影響；沈陽工業(yè)學(xué)院的丁茹研究了擺動(dòng)活齒傳動(dòng)中活齒嚙合副的滑滾情況，并用機(jī)械原理方法和嚙合原理方法分別推導(dǎo)出擺動(dòng)活齒、內(nèi)齒圈嚙合副滑動(dòng)率方程式；中南大學(xué)的周建軍對(duì)擺線鋼球活齒傳動(dòng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)理論、疲勞強(qiáng)度等方面的研究；江漢石油學(xué)院黃清世等推導(dǎo)了推桿活齒傳動(dòng)內(nèi)齒輪理論廓線齒頂曲率半徑的計(jì)算公式，指出內(nèi)齒輪的齒數(shù)和偏心輪的偏心距越小，內(nèi)齒輪的齒頂曲率半徑就越大；沈陽工業(yè)大學(xué)范高潮等從活齒傳動(dòng)的原理上對(duì)各種不同的運(yùn)動(dòng)副組合方案進(jìn)行了探討和對(duì)比；燕山大學(xué)孫國慶等利用彈流潤滑理論，推導(dǎo)了常溫下外波式活齒減速器活齒與波形輪接觸處油膜厚度公式，為進(jìn)一步研究該類減速器的潤滑機(jī)理和工作性能提供了理論根據(jù)；廣東工業(yè)大學(xué)陽林等提出了可滿足最大重合度、最小壓力角和最佳受力條件三個(gè)目標(biāo)的參數(shù)優(yōu)化方法；大連機(jī)床廠張才富等研究了外波式活齒傳動(dòng)，推導(dǎo)出作用在活齒上諸力之間的關(guān)系式和接觸強(qiáng)度計(jì)算公式，得出嚙合力的作用曲線。
綜上所述，經(jīng)過幾十年的開拓，我國科技工作者在活齒傳動(dòng)領(lǐng)域的理論研究和產(chǎn)品開發(fā)方面都取得了大量的成績，但是對(duì)于正弦活齒傳動(dòng)這種極具應(yīng)用前景的新型活齒傳動(dòng)的理論研究和應(yīng)用均是空白，因此有必要對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)理論的研究，盡快實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)品化，以更好的服務(wù)于我國的工業(yè)生產(chǎn)。
1.3.2正弦活齒傳動(dòng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展
在空間探測(cè)領(lǐng)域，美國、俄羅斯、歐洲已居世界領(lǐng)先地位，其中美國在日地空探測(cè)、月球探測(cè)、行星探測(cè)領(lǐng)域保持強(qiáng)勁發(fā)展勢(shì)頭，歐洲在空間科學(xué)領(lǐng)域頗有建樹。70年代中期以前，美國、前蘇聯(lián)的月球探測(cè)活動(dòng)頻繁，形成了月球探測(cè)的第一次高潮，特別是阿波羅號(hào)飛船的成功登月，成為人類航天史上的一次輝煌。進(jìn)入90年代，日本也加入月球探測(cè)的行列，于1990年成功發(fā)射月球探測(cè)器。隨著21世紀(jì)的到來，美國、法國、日本、俄羅斯、印度等國進(jìn)一步加緊了深空探測(cè)計(jì)劃的實(shí)施。
隨著國際深空探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，我國也開始了對(duì)空間探測(cè)進(jìn)行起步階段的研究。由于空間的特殊環(huán)境，對(duì)減速裝置提出了更高的要求。它必須具有體積小、重量輕、優(yōu)良的潤滑性能和傳動(dòng)性能以適應(yīng)高溫差、失重、真空及強(qiáng)輻射的特殊環(huán)境。傳統(tǒng)的齒輪減速裝置的重量性能比不高，并且摩擦損耗較大，影響整個(gè)方案的執(zhí)行。在月球真空環(huán)境下，傳統(tǒng)減速器中使用的潤滑油會(huì)蒸發(fā)掉，導(dǎo)致潤滑不良，并且若密封狀況不良，被蒸發(fā)的潤滑油會(huì)在周圍機(jī)器上再次凝結(jié)，引起工作特性惡化。通常的潤滑油和潤滑脂在-60℃以下便會(huì)固化，要想得到良好的潤滑特性，應(yīng)采用固體潤滑劑。固體潤滑劑在很大的溫度范圍內(nèi)能夠保證穩(wěn)定的潤滑性能，且極不易蒸發(fā)或發(fā)生潤滑劑枯竭和污染周圍機(jī)器等問題。本課題研究的圓柱正弦活齒傳動(dòng)采用固體潤滑，可以防止?jié)櫥瑒┰诳臻g環(huán)境下的變質(zhì)、惡化、壽命過短和密封失效等，并且正弦活齒傳動(dòng)具有比普通行星齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡單、傳動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，所以更適合在空間特殊環(huán)境下應(yīng)用。
到目前為止，國際上只有原蘇聯(lián)對(duì)正弦活齒傳動(dòng)進(jìn)行了研究，但研究成果在國內(nèi)極少可以檢索到。原蘇聯(lián)將正弦活齒減速器應(yīng)用于井下采油裝置中，成功解決了渦輪鉆具轉(zhuǎn)速過高的難題。還將其廣泛應(yīng)用于機(jī)械手、渦輪鉆機(jī)、離心機(jī)的傳動(dòng)裝置、深井鉆探（石油井和天然氣井）等很多領(lǐng)域。在國內(nèi)尚無圓柱正弦活齒傳動(dòng)的報(bào)導(dǎo)。燕山大學(xué)的曲繼方教授研究的擺線鋼球行星傳動(dòng)與平面正弦活齒傳動(dòng)的嚙合原理類似。但在傳動(dòng)比相同的情況下，圓柱正弦活齒傳動(dòng)具有比擺線鋼球行星傳動(dòng)更小的徑向尺寸，更適于月球探測(cè)車輪系結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)及其它精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。大慶石油管理局曾經(jīng)對(duì)研制正弦活齒減速器立過項(xiàng)，但由于種種原因而沒有進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的研究階段。因此，對(duì)于圓柱正弦活齒傳動(dòng)的研究在國內(nèi)仍屬空白。
1.4灰色系統(tǒng)理論在機(jī)械工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀
灰色系統(tǒng)理論是我國著名學(xué)者鄧聚龍教授于1982年創(chuàng)立的一門新興的橫斷學(xué)科，主要包括：系統(tǒng)分析、系統(tǒng)建模、灰色預(yù)測(cè)、灰色決策、灰色控制等�；疑到y(tǒng)理論以部分信息己知、部分信息未知的小樣本、貧信息、不確定性系統(tǒng)為研究對(duì)象，主要通過對(duì)部分已知信息的生成和開發(fā)，提取有價(jià)值的信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行行為的正確認(rèn)識(shí)和有效控制。貧信息、不確定性系統(tǒng)的普遍存在，決定了這一新理論具有十分廣闊的發(fā)展前景。在機(jī)械工程技術(shù)方面，灰色系統(tǒng)理論與方法為創(chuàng)建新型控制系統(tǒng)提出了新的設(shè)計(jì)思想，為研制新型技術(shù)手段開拓了可行性，并提供了基礎(chǔ)。機(jī)械工程科學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)巨大的灰色系統(tǒng)，從系統(tǒng)和信息的角度來講，研究機(jī)械工程科學(xué)的灰色問題就是研究信息的白化過程。因此，灰色系統(tǒng)理論的方方面面在機(jī)械工程的各個(gè)領(lǐng)域?qū)⒂兄鴱V泛的應(yīng)用。
由于機(jī)械工程系統(tǒng)中的灰色問題，所涉及到的不僅僅有機(jī)械工程及其相關(guān)的自然科學(xué)范疇的內(nèi)容，還有人類行為科學(xué)和心理學(xué)特征等方面的內(nèi)容，對(duì)于這些問題的研究方法有很多，目前還沒有也不可能有一個(gè)或一些統(tǒng)一的模型，只是將灰色系統(tǒng)理論貫穿與機(jī)械工程領(lǐng)域中而形成一套科學(xué)的理論與方法。由于國內(nèi)外廣大學(xué)者不懈的探索，近20年間，灰色系統(tǒng)理論不僅在理論上迅速發(fā)展，日臻完善，而且在眾多科學(xué)領(lǐng)域中得到廣泛而深入的應(yīng)用，取得了一系列重大成果，其中華中理工大學(xué)馬咸堯、李健萍等對(duì)某些鋼材的性能作了分析，發(fā)現(xiàn)了不同品種的材料有可能呈現(xiàn)相同的性能，這為材料科學(xué)的研究開辟了新的途徑；華中理工大學(xué)金相教研室用灰色模型進(jìn)行金相分析，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果突出，采用灰色研究分析，避免了破壞性試驗(yàn)造成的經(jīng)濟(jì)損失；西北工業(yè)大學(xué)的支希哲等應(yīng)用灰色預(yù)測(cè)理論對(duì)金屬材料隨溫度變化進(jìn)行性能分析；澳大利亞MingfeiLuo博士將灰色系統(tǒng)理論成功的應(yīng)用于機(jī)床故障檢測(cè)、診斷與預(yù)測(cè)；重慶大學(xué)馮賢桂應(yīng)用灰色預(yù)測(cè)方法研究了金屬材料腐蝕系數(shù)隨材料強(qiáng)度極限變化的規(guī)律和金屬屈服強(qiáng)度隨溫度變化的規(guī)律；臺(tái)灣王國雄、柏恒仁、吳漢雄等人成功的將灰色關(guān)聯(lián)分析應(yīng)用于評(píng)估彈性制造系統(tǒng)、機(jī)械元件的易制性，為機(jī)械設(shè)計(jì)者提供了設(shè)計(jì)的參考依據(jù)；臺(tái)灣張士行、吳漢雄成功的運(yùn)用灰關(guān)聯(lián)分析對(duì)ACURAD壓鑄法的制造過程進(jìn)行了最佳工藝研究，取得了可喜的成果；黃石市程庵工程師等研制的黃石電廠鍋爐給水系統(tǒng)灰色控制器對(duì)鍋爐水質(zhì)進(jìn)行控制，實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性得到了提高，可在一定程度上防患于未然；湖南常德師范學(xué)院的羅佑新等人將灰色局勢(shì)決策成功的應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)中，在機(jī)械參數(shù)優(yōu)選、產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)、材料選擇、設(shè)計(jì)方案綜合評(píng)價(jià)與選擇等方面取得可喜的成果；將灰色聚類分析、等斜率灰色聚類分析成功的應(yīng)用于工程機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)、機(jī)械材料性能分析以及機(jī)械強(qiáng)度指標(biāo)測(cè)算等方面；將等間距GM(1,1）、非等距GM(1,l）成功應(yīng)用于試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與試驗(yàn)在線監(jiān)測(cè)，為科學(xué)試驗(yàn)提供新的科學(xué)方法；將GM(1,1）與灰色關(guān)聯(lián)分析應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備故障診斷及數(shù)控機(jī)床的故障預(yù)測(cè)。
值得一提的是，將灰色模糊聚類分析、灰色聚類分析、灰色關(guān)聯(lián)分析等成功應(yīng)用于多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，開創(chuàng)了多目標(biāo)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的新方法。應(yīng)用灰色聚類分析求解多目標(biāo)優(yōu)化問題的最滿意解，較一般其它方法求解最滿意解更具有理論依據(jù)和合理性，且方法實(shí)用，可排列出滿意解的優(yōu)劣次序，滿意程度由欲望水平確定，為決策提供了更趨于實(shí)際的方法和依據(jù)。
1.5本文的主要研究內(nèi)容
為適應(yīng)航空航天及深井采油等特種工作環(huán)境的需要，本課題設(shè)計(jì)并加工制造出傳動(dòng)比i=5，最大徑向尺寸φ80mm的微小型圓柱正弦活齒減速器，并對(duì)其進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。因此，本學(xué)位論文的研究主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：
1.圓柱正弦活齒傳動(dòng)空間嚙合理論的研究對(duì)圓柱正弦活齒傳動(dòng)組成結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行分析；建立主動(dòng)軸及殼體空間正弦滾道的齒廓方程；根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件，建立圓柱正弦活齒傳動(dòng)的力學(xué)模型并進(jìn)行求解；計(jì)算出正弦滾道與活齒接觸點(diǎn)處的主曲率，并分析其分布規(guī)律；分析活齒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)行共扼齒廓間的滑動(dòng)率計(jì)算，并定性分析活齒傳動(dòng)各結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)滑動(dòng)率的影響。
2.圓柱正弦活齒減速器的模糊可靠性研究圓柱正弦活齒減速器應(yīng)用在航天機(jī)械、采油裝置及機(jī)器人傳動(dòng)等復(fù)雜的工作環(huán)境中，其可靠性的好壞直接影響生產(chǎn)的效率和安全，為此，本文擬對(duì)該減速器的可靠性進(jìn)行研究。對(duì)圓柱正弦活齒傳動(dòng)的關(guān)鍵傳動(dòng)件進(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)引入故障樹分析中，研究圓柱正弦活齒傳動(dòng)系統(tǒng)的模糊可靠性；基于故障樹分析，進(jìn)行系統(tǒng)可靠性數(shù)字仿真研究。
3.圓柱正弦活齒減速器系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性分析建立圓柱正弦活齒減速器系統(tǒng)扭振動(dòng)力學(xué)分析數(shù)學(xué)模型，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析，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(duì)減速器的關(guān)鍵傳動(dòng)件進(jìn)行模態(tài)分析。
4.圓柱正弦活齒減速器的多目標(biāo)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用灰色聚類分析方法對(duì)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)。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型強(qiáng)大的非線性映射功能，建立動(dòng)態(tài)分目標(biāo)函數(shù)；同時(shí)考慮強(qiáng)度、剛度及幾何等約束條件，優(yōu)化設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)緊湊、徑向尺寸小、傳動(dòng)效率高、可靠性高、動(dòng)態(tài)性能好的新型圓柱正弦活齒減速器。
5.圓柱正弦活齒減速器樣機(jī)的加工及試驗(yàn)研究根據(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)并加工非標(biāo)CBN球頭磨具，加工制造出一臺(tái)樣機(jī)，并擬對(duì)樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)及效率試驗(yàn)研究。
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