关键词：
谐波齿轮传动机构
综合啮合刚度
系统刚度
刚度失效评价方法
一次性机械
摘要：
应用在特殊场合且仅使用一次后便弃之不用的机械设备称为“一次性机械”。与需要长期稳定运行并反复使用的“常规机械”不同,一次性机械使用寿命极短,以承受近满载荷为运行常态,在航天和武器装备领域应用广泛。目前一次性机械的设计,通常以材料的疲劳弹性失效作为理论依据。但是,该研究不足以支撑对刚度敏感的一次性机械传动机构的失效评价。因此,为了进一步丰富一次性机械理论体系,本文以一次性谐波齿轮传动机构为典型对象开展研究。本文的主要研究内容分为以下几部分:
研究了一次性谐波齿轮传动机构的极限承载能力和失效形式。首先,在忽略高周疲劳、磨损且不考虑刚度失效的前提下,仅依据近满载荷进行一次性谐波齿轮传动机构设计。针对杯形和环形两种柔轮结构,基于变形协调条件和平衡方程分析了两种柔轮结构带来的齿间载荷分布与齿面接触强度的差异,进而选择具有更高极限承载能力的环形柔轮,作为以满足极限承载能力为目标的一次性谐波齿轮传动机构的核心结构形式。然后,搭建一次性谐波齿轮传动机构性能测试平台,试验结果表明,一次性谐波齿轮传动机构的失效形式为系统刚度失效。在此基础上,提出了对刚度敏感的一次性机械传动机构应优先考虑刚度作为设计与失效评价依据,而不能仅考虑近满载荷,为开展一次性谐波齿轮传动机构的刚度研究提供了必要性基础。
建立了一次性谐波齿轮传动机构的轮齿综合啮合刚度模型和系统刚度模型。首先,分别建立了一次性谐波齿轮传动中柔轮和刚轮的单齿刚度模型,在考虑齿面接触刚度和多齿啮合影响的基础上,分析了一次性谐波齿轮传动在啮合区内的轮齿综合啮合刚度。然后,结合波发生器和输出端的刚度模型,建立了一次性谐波齿轮传动机构的系统刚度模型,对比研究了常规谐波齿轮传动机构和一次性谐波齿轮传动机构在系统刚度组成上存在的差异,分析了啮合轮齿、波发生器和输出端等构件刚度对系统刚度的贡献,揭示了一次性谐波齿轮传动机构系统刚度失效的主要来源是轮齿综合啮合刚度失效,为一次性谐波齿轮传动机构的刚度失效评价提供了理论基础。
提出了一次性谐波齿轮传动机构的刚度失效评价方法。首先,分析了影响轮齿综合啮合刚度的主要因素,建立了一次性谐波齿轮传动机构含裂纹时的轮齿刚度模型,研究了裂纹参数对柔轮单齿刚度和综合啮合刚度的影响。然后,在此基础上采用非线性动力学分析方法,建立了一次性谐波齿轮传动系统的非线性动力学模型,研究了一次性谐波齿轮传动机构的系统刚度失效对输出轴角速度的影响,将输出轴角速度变化作为一次性谐波齿轮传动机构是否发生刚度失效的判据。定义了系统刚度比和输出轴角速度比参数,阐明了输出轴角速度比与系统刚度比间的关系,提出了一次性谐波齿轮传动机构的刚度失效评价方法。
设计了一次性谐波齿轮传动机构并进行了试验研究。分析了柔轮模数、齿高和轮缘厚度对一次性谐波齿轮传动中柔轮刚度和轮齿综合啮合刚度的影响,进行了一次性谐波齿轮传动机构样机设计。搭建了一次性谐波齿轮传动机构性能测试系统,针对测试系统内非线性因素引起的输出轴角速度误差问题,采用了针对迟滞刚度和摩擦的补偿控制方案,提高了一次性谐波齿轮传动机构的输出轴角速度测量精度。通过系统刚度失效测试试验,验证了本文提出的一次性谐波齿轮传动机构刚度失效评价方法的正确性与有效性。
欢迎来到三峡大学图书馆！
