考虑零件偏斜的行星滚柱丝杠副啮合特性研究

丝杠、滚柱和螺母在实际工作状态下不可避免偏斜,会对行星滚柱丝杠副的承载、效率和寿命等传动性能产生重要影响。基于此问题,提出一种当零件出现偏斜时,丝杠、滚柱和螺母每对相啮合螺纹牙啮合位置以及间隙的计算方法。借鉴齿轮啮合原理,给出考虑零件偏斜的螺旋曲面相切接触条件,建立丝杠、滚柱和螺母的螺旋曲面方程,并应用坐标变换对零件的偏斜进行描述。在此基础上,推导出丝杠和滚柱以及螺母和滚柱存在相对偏斜时,不同螺纹牙啮合位置及间隙的求解方程。通过与已有模型在不考虑零件偏斜时的啮合位置计算结果对比,验证了其正确性。研究当滚柱相对丝杠发生偏斜时,两零件之间的啮合特性。结果表明,出现偏斜时,不仅丝杠或滚柱不同螺纹牙的啮合半径不同,而且各螺纹牙的啮合偏角也不再相同,同时丝杠和滚柱的多对螺纹牙不能够同时啮合。     

行星滚柱丝杠副主曲率计算与接触特性分析

根据丝杠、滚柱和螺母螺旋滚道曲面特点,建立了通用化的法截面内零件的轮廓方程和滚道螺旋曲面方程。通过将滚道截面的原点定义在对应零件的中心轴上,避免了现有模型中将滚道截面原点定义在螺纹牙轮廓中心而带来的繁琐坐标变换问题。其次,利用微分几何原理推导了丝杠-滚柱接触侧和螺母-滚柱接触侧在相应接触位置的主曲率,与传统的基于等效球法计算行星滚柱丝杠副主曲率进行了对比。利用赫兹接触理论求解了滚柱与滚道间的主曲率差、接触椭圆面积及最大接触应力,并讨论了行星滚柱丝杠副结构参数对接触特性的影响规律。结果表明:丝杠和螺母滚道在某一主平面内的主曲率不是零,使用等效球模型计算主曲率会带来较大误差;增大螺纹螺距使得滚柱两接触侧的主曲率差变大,但几乎不影响接触椭圆的面积和滚柱螺纹曲面两接触侧的最大接触应力;增大法向牙侧角会使两接触侧的主曲率差和接触面积同时减小,但过大的法向牙侧角会导致接触应力和摩擦力增大。     

考虑误差的行星滚柱丝杠副啮合模型研究

行星滚柱丝杠在工作运行中,由于存在安装精度以及螺纹精度误差,各螺纹参数、结构参数与滚柱定位并不能保证完全精确.当产生误差时,行星滚柱丝杠副的接触点位置与接触特性会发生改变.从行星滚柱丝杠副的啮合原理切入,分析各种误差的形式以及量化表现,运用刚体欧拉定理,结合行星滚柱丝杠副的坐标变换求解各螺纹的螺旋曲面方程;综合考虑误差存在的啮合条件,提出一种考虑误差的行星滚柱丝杠副啮合模型;使用Matlab软件对方程求解并与其他啮合模型比对验证,同时在Creo中建立三维模型以验证此模型的正确性.结果表明:此研究方法合理,计算可行,可用于行星滚柱丝杠副偏斜模型研究,并为进一步分析其运动学与动力学特性打下基础.     

循环式行星滚柱丝杠副的设计与虚拟装配方法

针对循环式行星滚柱丝杠副螺母存在无螺纹区的特殊结构特点,提出了螺母无螺纹区的设计方法,推导了螺母无螺纹区的结构参数相关公式。在此基础上,根据滚柱与丝杠和螺母啮合的实际情况,构建了滚柱、丝杠和螺母截面设计方法,通过调整两斜边与圆弧和斜边的间隙以提高丝杠与滚柱、滚柱与螺母螺纹的啮合精度。为确保滚柱与丝杠和螺母啮合,给出了不同滚柱中心面到凸轮环端面距离的关系式,并结合循环式行星滚柱丝杠副的工作原理与结构组成,根据其相关结构参数建立零件模型,完成了虚拟装配。提出的螺母无螺纹区设计和虚拟装配方法可为循环式行星滚柱丝杠副的设计分析提供参考。     

螺纹牙型角对行星滚柱丝杠副接触特性影响研究

以行星滚柱丝杠副为研究对象,建立了单对滚柱与丝杠啮合副的接触模型。采用有限元软件ABAQUS计算分析了滚柱与丝杠的接触应力。为了研究螺纹牙型角对行星滚柱丝杠副接触特性的影响,分别设计了牙型角为60°,80°,85°,90°,95°的螺纹啮合副,对比研究了不同牙型角时滚柱螺纹牙最大接触应力及其最大相对误差,丝杠螺纹牙最大接触应力及其最大相对误差。结果表明:滚柱与丝杠的最大接触应力均发生在第1节螺纹牙上,且随螺纹牙型角的增大,最大接触应力整体呈增大趋势;螺纹牙型角为90°时,滚柱螺纹牙最大接触应力的最大相对误差最小,滚柱受载更均匀,传动更平稳,从而有利于提高行星滚柱丝杠副的使用寿命。通过研究螺纹牙型角对行星滚柱丝杠副接触特性的影响,为行星滚柱丝杠副设计提供指导。     

考虑滚柱节圆偏移的反向式行星滚柱丝杠副运动学分析

以反向式行星滚柱丝杠副为研究对象,对因滚柱螺纹节圆与滚柱齿节圆产生偏移而导致的滚柱和丝杠发生相对滑动和相对轴向位移的问题进行了研究。首先建立了滑动角、滚柱相对丝杠轴向位移和各部件相对滑动速度运动学分析的模型,着重分析了滚柱位移对整个机构导程和滑动速度的影响;再以某一反向式行星滚柱丝杠副为例,计算了由接触变形引起的节圆偏移量,并采用该模型分别计算了滚柱相对丝杠的轴向位移和滑动速度。研究结果表明：滚柱轴向位移不会影响系统导程;螺母-滚柱侧必然存在轴向滑动;减小节圆偏移量能有效降低丝杠-滚柱侧滑动速度。     

行星滚柱丝杠副预紧力研究

对行星滚柱丝杠滚柱、螺母及丝杠相对位置与结构进行分析,利用赫兹接触理论对行星滚柱丝杠副中滚柱与丝杠、滚柱与螺母接触点的弹性变形进行计算,进而对行星滚柱丝杠副的预紧力进行分析,得出预紧力、预紧量、接触角之间的关系。     

反向式行星滚柱丝杠副的螺纹牙修形设计

基于反向式行星滚柱丝杠副（Inverted Planetary Roller Screw Mechanism, IPRSM）的螺纹牙载荷分布情况,分析了滚柱修形和丝杠修形对其载荷分布的影响。结果表明,丝杠-滚柱接触侧的载荷不均程度比长螺母-滚柱接触侧严重,对滚柱修形后,最大接触应力以及最大载荷得到了有效降低,螺纹牙上的载荷分布更加均匀;而长螺母-滚柱接触侧对修形量变化较丝杠-滚柱接触侧更加敏感。同样,丝杠修形可有效降低最大载荷。研究对优化IPRSM的载荷分布具有一定的参考意义。     

行星滚柱丝杠副承载特性研究进展

行星滚柱丝杠副具有承载能力大、环境适应性好、寿命长等优点。行星滚柱丝杠副的承载特性主要包括各啮合传力零件的受力分析、轴向变形、螺纹牙载荷分布、滚柱间载荷分配及摩擦磨损特性等。它既是揭示其服役过程中载荷传递、结构变形以及摩擦磨损等机理的重要途径,也是进一步提高行星滚柱丝杠副传动性能和使用寿命的理论基础。首先介绍了行星滚柱丝杠副承载原理,在此基础上说明承载特性各项研究的主要内容及意义,并对目前研究成果进行了总结与分析。最后,对行星滚柱丝杠副承载特性的未来研究方向进行了展望。     

行星滚柱丝杠副轴向弹性变形的有限元分析

以行星滚柱丝杠副为研究对象,综合考虑螺纹牙接触角和螺旋升角的影响,利用有限元方法计算轴向弹性变形,将有限元解和解析解进行对比,最大误差为4.85%。在此基础上,分析了不同轴向负载作用下接触角和螺旋升角对轴向弹性变形的影响。结果表明,轴向弹性变形中,赫兹接触变形为主要变形;螺纹牙的弹性变形和von Miese应力变化趋势一致,且呈现明显的载荷分布;轴向变形随着接触角和螺旋升角的增大而减小。可见,合理增大接触角和螺旋升角有利于提高行星滚柱丝杠副的传动精度。     

基于加工误差敏感度与模糊层次分析法的行星滚柱丝杠公差匹配优化方法

行星滚柱丝杠(PRSM)公差主动设计对提高其传动性能与加工可行性有着至关重要的作用。建立了综合考虑丝杠、滚柱、螺母的螺纹同轴度误差、螺距误差与中径误差的PRSM行程误差及轴向间隙模型,计算得到各误差因素敏感性指数;基于三角模糊数的专家评判层次分析法,计算各误差因素加工权重,初步分配PRSM行程精度各误差项公差;基于序列二次规划算法对轴向间隙各误差项公差进行优化;以标准型PRSM为例,验证了该方法的有效性。结果表明：针对行程精度与轴向间隙各误差项进行公差优化的方法,不仅极好地平衡了行程精度与轴向间隙,且增加了关键公差带宽度,提高了零件加工可行性,算例表明,优化后完整周期内轴向间隙最小值由-25μm变为0,避免螺纹干涉发生;优化后V300行程变动量基本不变,公差带宽度平均增加65%,保证PRSM 5级精度指标的同时提高了关键零件加工可行性,降低了加工成本,可为PRSM公差主动设计理论提供参考。     

柱销式双螺母行星滚柱丝杠预紧机理研究

为了实现行星滚柱丝杠正反转双向精密驱动,迫切需要开展含预紧的行星滚柱丝杠传动研究。构建了一种柱销式双螺母行星滚柱丝杠无背隙传动构型。它利用双螺母的相对转角提供预紧力,并使用柱销固定该转角从而维持预紧力。建立了包含有双螺母、双滚柱以及丝杠螺纹双向受载状态的静力学模型。提出了仅受预紧力与考虑外载荷时,柱销式双螺母行星滚柱丝杠的受力和变形计算方法。通过与有限元模型载荷分布和预紧力计算结果的对比,验证了所建模型的正确性。分析了初始预紧力对螺母相对转角和柱销剪切力的影响,以及不同外载荷作用下,螺母预紧力、柱销剪切力和螺纹载荷分布的变化。结果表明,较小的螺母相对转角便会产生较大的初始预紧力,柱销剪切力远小于初始预紧力或外载荷。当外载荷增加时,螺母#1所受预紧力和柱销剪切力均会增加,螺母#2所受预紧力会减小。使得螺母#2预紧力消失时的外载荷远大于初始预紧力。     

一种轴承圆锥滚子表面自动展开的新方法

针对轴承圆锥滚子表面裂纹涡流自动检验仪中圆锥滚子表面展开这一关键问题,应用螺旋共轭轴理论,建立了一种快速、简便的数学模型;推导出圆锥滚子与展开轮之间啮合的数学表达式。得出展开轮螺旋曲面方程的精确解数学表达式。为轴承圆锥滚子表面裂纹自动检验仪展开机构的设计和圆锥滚子超精加工机床展开导轮机构的设计与修磨提供了几何模型和新的计算方法。     

基于有限元方法的传动螺纹螺牙轴向载荷分布规律分析

采用有限元方法,通过改变螺旋副的受力方式、螺母结构、螺杆螺母弹性模量比及螺纹设计参数建模不同的螺旋副,求得不同模型下螺牙轴向载荷对螺旋副总轴向载荷的百分比.在大量模型分析及对计算结果后处理工作的基础上,总结了螺母结构及螺纹设计参数对传动螺纹螺牙轴向载荷分布的影响规律,为螺旋副的结构优化和摩擦学优化设计提供依据.     

圆锥滚子定姿态贯穿式超精研凸度形成机理分析

圆锥滚子无心贯穿式超精研中,滚子以某种定姿态沿直线贯穿时,在锥面上可以形成一种大致对称的光滑曲线凸度,其凸度形成机理尚未揭示。针对滚子轴线只在贯穿方向铅垂平面倾斜某一固定角度这种定姿态,基于超精研工艺特性及滚子与油石之间的几何和相对运动关系,建立滚子-油石接触线方程和滚子纵向截形方程,推导出各超精研区宽度计算公式。将这种超精研过程看作滚子与油石的接触磨损过程,将凸度看作滚子不均匀磨损的结果,依据磨损基本原理,揭示出凸度形成机理：滚子-油石接触线呈“几”字形,形成8个不同的超精研区,使滚子两端磨损量大于中部;接触线各点的滚子纵向截形倾斜程度存在差异,使滚子磨损深度从两端向中部逐渐非线性减小,从而形成光滑曲线凸度。得出如下结论：只有滚子上素线小端向上倾斜某一适当角度时,才可以形成比较对称的曲线凸度;滚子锥角是基础,其值不为零才能形成凸度;所能形成的最大凸度受锥角大小制约,锥角越大,所能形成的凸度越大。推导出滚子上素线小端向上适当倾斜角度范围的计算公式。     

Three-dimensional finite element analysis of the mechanical properties of helical thread connection

Conventional analytical and numerical methods for the mechanical properties of helical threads are relied on many assumptions and approximations and thus hardly yield satisfied results. A parameterized 3D finite element model of bolted joints with real helical thread geometry is established and meshed with refined hexahedral elements. The Von Mises plasticity criterion, kinematic hardening rule of materials and interfacial contacts are employed to make it possible for the suggested model be able to approach real assembly conditions. Then, the mechanical properties of bolted joints with different thread pitches, thread numbers and modular ratios are investigated, including the contact pressure distribution at joint interfaces, the axial load distribution and stress concentration in screw threads during the loading and unloading process. Simulation results indicate that the load distribution in screw threads produced by the suggested model agrees well the results from CHEN’s photoelastic tests. In addition, an interesting phenomenon is found that tightening the bolt with a large preload first and then adjusting the clamping force by unloading can make the load distribution more uniform and reduce the maximum residual equivalent stress in thread roots by up to 40%. This research provides a simple and practical approach to constructing the 3D finite element model and predicting the mechanical properties of helical thread connection.     

滚柱丝杠副的啮合计算

滚柱丝杠副是近年来发展起来的新型传动部件，它的工艺性和使用性能均高于滚珠丝，介绍了滚柱丝杠的结构。通过建立丝螺纹曲面和滚柱曲面方程，研究丝杠和滚柱之间的啮合关系，从而为机构参数的选择提供理论上的依据。     

点啮合弧面凸轮分度机构的啮合理论及分析

采用腰鼓形圆锥滚子修形结构，实现了分度凸轮与滚子间在线接触上的点啮合，使机构在原滚子瞬时接触线上的可控点处完成共轭运动。这样，既降低了机构本身对各种误差的敏感度，使之具有良好的适应性，又可保证其使用性能。