滾珠型弧面分度凸輪機構的嚙合特性研究.pdf

1、滾珠型弧面分度凸輪機構作為一種新型間隙傳動機構，采用滾珠作為傳動媒介，實現(xiàn)了“旋轉——旋轉”變換的滾動傳動，因滾珠旋轉軸線不受約束，具有適應性強、傳動效率高、高速性能好、傳動精度高、殘余振動小等優(yōu)點，能夠在數(shù)控機床等大型設備及自動化生產線上實現(xiàn)高速、高精的分度運動，對于提高我國裝備制造業(yè)發(fā)展水平有重要的現(xiàn)實意義。本文從工程實際出發(fā)，以提高機構的分度精度、運動平穩(wěn)性和嚙合效率為目的，研究了機構的嚙合特性，分析其結構、受力、預緊、潤滑、運動

2、學、嚙合效率和疲勞壽命等，研究完善了機構的嚙合理論，為機構的實用化和進一步應用奠定了理論基礎，也為機構的優(yōu)化設計和制造提供理論指導，主要開展了如下研究工作：
　　 對新型機構的具體結構型式進行了研究分析，機構的具體結構型式決定了其傳動性能，是性能分析和優(yōu)化的基礎，結構的合理性決定著加工的難易程度和制造成本，結構設計主要包括凸輪工作滾道曲面形狀及截形、分度盤和滾珠防脫結構。借鑒滾動軸承和滾珠絲杠的設計使用經驗，采用雙圓弧截形滾道可

3、以抑制滾動螺旋傳動中滾珠的側向滑移，減少摩擦；應用表明滾道半徑和滾珠直徑比取值范圍為0.51～0.56，此時機構的承載能力強，彈流潤滑油膜較厚，摩擦較??；分度盤采用整體式結構，在徑向圓柱面加工出球窩，為實現(xiàn)可控點接觸，抑制滾珠的側向滑移，球窩也采用雙圓弧截形；滾珠防脫裝置采用滾珠保持架，工作可靠。最后應用空間嚙合理論和旋轉變換張量法推導出雙圓弧截形滾道的滾珠型弧面分度凸輪廓面方程和嚙合方程，分析了機構的壓力角和影響因素，得出了同時參與嚙

4、合的幾個滾珠與相應凸輪滾道的壓力角不同，且壓力角隨凸輪轉角變化，采用不同的運動規(guī)律機構壓力角不同。
　　 滾珠與凸輪滾道為點接觸，接觸應力大，為防止凸輪滾道和滾珠的劇烈磨損與疲勞破壞，在設計時進行接觸強度校核，因此對機構的受力展開了分析。安裝時機構需要預緊，預緊力施加在滾珠上，傳動時工作臺和分度盤載荷也施加在滾珠上，滾珠承受兩個力的合力。根據(jù)力的獨立作用原則，首先研究了機構的載荷力分配，即計算每個滾珠承受的載荷力，然后分析了機構

5、的預緊方法、預緊量和預緊力的關系，最后根據(jù)力的合成原則合成滾珠總的受力，進行了強度校核。
　　 為保證傳動的連續(xù)性和平穩(wěn)性，機構有一定的重合度，在傳動過程中，有多個滾珠同時參與嚙合，參與嚙合的滾珠數(shù)目和受力周期性變化，為精確計算每個滾珠的受力，研究了機構的載荷分配。根據(jù)機構的載荷特點，應用赫茲接觸理論、機構變形協(xié)調條件和力矩平衡原理，推導出載荷在每個參與嚙合的滾珠中的分配關系。分析結果表明慣性載荷是機構的主要載荷，受凸輪運動規(guī)律

6、中加速度影響變化較大；由于凸輪滾道在不同接觸點的法線、切線和主曲率不同，每個參與嚙合的滾珠承受的載荷力不同；載荷的分配隨凸輪轉角變化，并受結構參數(shù)和運動規(guī)律的影響。
　　 分析了機構的預緊，滾珠型弧面分度凸輪機構工作在預緊狀態(tài)下，以提高機構的剛度和承載能力，消除制造和安裝誤差的影響，實現(xiàn)無間隙嚙合傳動。分析了機構的預緊方法，表明預緊改變了滾珠和凸輪滾道的接觸點，影響機構的嚙合特性和嚙合效率，甚至讓機構產生嚙合干涉。應用赫茲接觸理

7、論、軸的彎曲變形理論和軸承彈性變形理論，分析了預緊調整量與機構的彈性變形和接觸預緊力的關系。計算表明預緊力不僅和預緊量有關，還與機構的幾何剛度有關，預緊力和預緊調整量成非線性關系，預緊時凸輪軸和分度盤軸產生的彎曲變形量很小，可以忽略，同時參與嚙合的滾珠產生的接觸預緊力不同，并隨凸輪轉角的變化而變化。比較了采用雙圓弧截形滾道與單圓弧截形滾道的凸輪機構預緊時的預緊力和預緊后機構的壓力角，表明采用雙圓弧截形滾道的凸輪機構預緊力更連續(xù)，壓力角變

8、化更小，機構運動更平穩(wěn)。
　　 考慮到滾珠承受載荷力與預緊力的聯(lián)合作用，進行了接觸強度校核，分析了采用修正等速、修正梯形加速度和修正正弦加速度三種運動規(guī)律時滾珠和凸輪滾道之間的接觸應力在分度期內的變化，結果表明珠與分度盤球窩之間的接觸應力小于滾珠與凸輪滾道之間的接觸應力，并且接觸應力隨凸輪轉角的變化而變化，因此提出只校核滾珠與凸輪滾道之間的接觸應力，并作為失效分析的依據(jù)。受慣性載荷的影響，采用不同的運動規(guī)律產生的接觸應力不同；分

9、度期滾珠和凸輪滾道間的接觸應力較大，停歇期接觸應力較小。最后采用ANSYS有限元軟件分別分析了停歇期和分度期在載荷力、預緊及其聯(lián)合作用下機構應力云分布，分析了接觸應力和接觸力隨載荷和預緊量的變化規(guī)律，證實了載荷分配和預緊分析理論的正確性。
　　 機構通過滾珠傳遞運動和動力，滾珠同時與凸輪滾道及分度盤嚙合，其運動影響機構的潤滑和嚙合效率，因此研究了滾珠的運動規(guī)律。滾珠中心、滾珠與凸輪滾道的接觸點及滾珠與分度盤球窩的接觸點相對于凸輪

10、軸線的運動軌跡為空間螺旋線，三螺旋線的螺旋升角和相互間的夾角不同，且隨凸輪轉角變化，利用滾動螺旋傳動理論計算了滾珠的側向滑移速度。分析結果表明在停歇期側向滑移速度為0，滾珠不存在側向滑移，在分度期側向滑移速度隨凸輪轉角變化，滾珠球心兩側接觸點的側向滑移速度不同，推理出滾珠存在沿滾道截面的旋轉運動。滾珠受凸輪滾道的拖動發(fā)生自轉和鍥緊，自轉速度受滾珠與凸輪滾道間的摩擦力和滾珠與分度盤球窩之間的摩擦力相互關系的影響，具有較大的不確定性，假設滾

11、珠發(fā)生純滾動時，計算了滾珠的自轉速度。
　　 為研究機構的高速性能、分度精度和滾珠的運動規(guī)律，應用RecurDyn虛擬樣機技術進行了機構的運動學仿真?；赑ro/E的滾珠型弧面分度凸輪的3D實體模型和RecurDyn虛擬樣機工具，建立了虛擬樣機模型，進行了運動學仿真。仿真結果表明受慣性載荷和滾珠與凸輪滾道及分度盤球窩接觸碰撞關系的影響在停歇期分度盤的角加速度出現(xiàn)微小波動，即存在殘余振動，影響停歇期的定位精度；在分度期分度盤輸出的

12、角加速度不連續(xù)，存在沖擊。通過仿真還求得同時參與嚙合的滾珠與凸輪滾道間的接觸力，證實機構載荷分配計算理論的正確性，從仿真結果中得出的滾珠運動證實了滾珠側向滑移和鍥緊運動的存在。
　　 滾珠與凸輪滾道間的潤滑屬于彈性流體潤滑，利用Hamrock-Dowson點接觸最小油膜厚度公式和鄭緒云點接觸中心區(qū)油膜厚度公式，推導出滾珠和凸輪滾道之間接觸油膜厚度的計算式，采用數(shù)值計算方法，分析了機構潤滑油膜厚度，分析比較了采用修正等速、修正梯形

13、加速度和修正正弦加速度運動規(guī)律時滾珠和凸輪滾道間的油膜厚度。分析結果表明潤滑油膜厚度在整個分度期內是變化的，受慣性載荷的影響，前半程油膜較薄，后半程油膜較厚，文中還討論了凸輪轉速、分度盤負載力矩、滾珠直徑、分度盤直徑等結構參數(shù)對油膜厚度的影響，并采用膜厚比參數(shù)判斷處于邊界潤滑狀態(tài)，為分析機構的潤滑狀態(tài)和進行潤滑設計提供了理論依據(jù)。
　　 滾珠型弧面分度凸輪機構不僅要高速、精確地完成分度運動，同時還應具有較高的嚙合效率，因此分析了

14、機構的嚙合效率及其影響因素。因滾珠的運動既有滾動又有滑動，滾動摩擦引起的功率損失占比例很小，在計算中被忽略。從滾珠運動分析出發(fā)，計算嚙合過程中機構能量損失及分度盤的輸出功率，推導出機構的嚙合效率計算式。數(shù)值計算結果表明嚙合效率隨嚙合點變化，摩擦系數(shù)和相對滑動速度是影響傳動效率的主要因素，預緊力、滑滾比和不同的凸輪運動規(guī)律是次要影響因素。
　　 采用Lundberg和Palmgren疲勞壽命理論，借鑒滾動軸承和滾珠絲杠副疲勞壽命研