高可靠精密濾波減速器多因素耦合非線性動態(tài)特性研究.pdf

1、課題來源于國家民用航天預研項目、國家自然科學基金重點項目“新型高性能傳動件及系統(tǒng)的可靠性設(shè)計理論與方法”和國家自然科學基金青年基金項目“新型高性能傳動機構(gòu)變形協(xié)調(diào)設(shè)計方法研究”。
　　隨著我國機器人、航空航天、新能源、國防武器裝備等工程領(lǐng)域事業(yè)的迅速發(fā)展,對直接影響著重要裝備功能和壽命的高性能傳動件提出了非?？量痰木取⒖煽啃?、長壽命等要求。在特殊與極端條件下高性能機電傳動系統(tǒng)存在的高可靠與高精度等相互復雜矛盾性和強非線性問題導致

2、了研究難度大,已經(jīng)成為了國內(nèi)外高端裝備在特殊與極端環(huán)境下正常運行面臨的研究重要熱點和難題之一。在探索高精度和高可靠等高性能傳動機構(gòu)及其與裝備集成創(chuàng)新設(shè)計理論和方法方面,以我校機械傳動國家重點實驗室王家序教授為團隊負責人的研究團隊在取得多項自主知識產(chǎn)權(quán)并達到國際先進水平的基于新型工程復合材料傳動件及系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計理論成果的基礎(chǔ)上,提出了高精度、高可靠、長壽命、大轉(zhuǎn)矩、低能耗、小體積和自維護的基于新型工程復合材料高性能傳動機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計理論和方

3、法,發(fā)明了一種基于橡膠合金材料與剛性少齒差行星齒輪副剛?cè)狁詈蟼鲃酉到y(tǒng)的濾波減速器(授權(quán)發(fā)明專利ZL2010101043595)。
　　論文以高可靠精密濾波減速器為研究對象,開展了基于剛性行星傳動結(jié)構(gòu)和橡膠合金柔性材料耦合,彎曲應(yīng)力與扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的多自由度耦合,粘性嚙合力/支撐力和彈性嚙合力/支撐力耦合,時變嚙合剛度、瞬變嚙合間隙和動態(tài)傳遞誤差的變參數(shù)耦合,外部激勵和內(nèi)部激勵耦合等高可靠精密濾波減速器多因素復雜耦合的強非線性動態(tài)特性理論

4、和實驗研究;著重揭示了橡膠合金彈性體對抑制減速器混沌運動和保持傳動平穩(wěn)的規(guī)律,從而為設(shè)計高性能齒輪系統(tǒng)和改善齒輪系統(tǒng)的動態(tài)性能提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。
　　論文主要研究內(nèi)容如下:
　　1)分析了該減速器的結(jié)構(gòu)、傳動原理;測試了橡膠合金襯層材料的扯斷強度、定伸強度、硬度和拉伸應(yīng)力應(yīng)變等力學性能參數(shù),曲線擬合得到了Mooney-Rivlin系數(shù),計算了其楊氏彈性模量和泊松比;采用動態(tài)熱機械分析儀測試了橡膠合金材料的儲存模量和損耗

5、模量,計算阻尼系數(shù);計算了基于橡膠合金材料的各傳動件傳動動態(tài)性能參數(shù),包括理論轉(zhuǎn)速、兩級傳動的理論嚙合頻率、嚙合阻尼及雙聯(lián)齒輪聯(lián)接軸剛度和阻尼、各支撐滾動軸承的變形、剛度、阻尼等動特性參數(shù)。
　　2)推導了基于變形協(xié)調(diào)設(shè)計的高可靠精密濾波減速器輪齒嚙合彈性間隙計算式。為保證齒與齒之間的正常間隙,防止在中心距增大時齒輪嚙合發(fā)生干涉或者卡死,考慮對各誤差因素進行控制、補償?shù)目尚行耘c最低成本控制,得出了齒輪嚙合中心距變化規(guī)律,提出了多誤

6、差因素影響下滿足等效變位齒輪無側(cè)隙嚙合中心距的嚙合間隙動態(tài)變形協(xié)調(diào)補償?shù)母呖煽烤転V波減速器彈性間隙變化控制計算方法。
　　3)推導了基于橡膠合金材料的雙聯(lián)齒輪分別與輸出齒輪和固定齒輪嚙合的兩對內(nèi)嚙合齒輪副多對齒嚙合綜合效應(yīng)剛度,將兩級傳動多對齒嚙合剛度擬合為7階傅里葉級數(shù)的形式,建立兩對內(nèi)嚙合齒輪副多對齒嚙合剛度擬合曲線。計算了兩對齒輪嚙合副沿嚙合線上的綜合誤差。
　　4)采用Abaqus建立了該減速器有限元自由模態(tài)分析模

7、型,其中輪齒嚙合部采用綁定約束,軸承用彈簧單元模擬。采用Lanczos特征值求解器對該減速器進行自由模態(tài)求解,獲得了該減速器前20階固有頻率及模態(tài)振型。
　　5)綜合考慮高可靠精密濾波減速器的固定齒輪和輸出齒輪分別與帶有橡膠合金材料的雙聯(lián)齒輪嚙合的兩對齒輪副嚙合剛度、傳動誤差、齒側(cè)彈性間隙,帶有橡膠合金材料的雙聯(lián)齒輪中間聯(lián)接軸剛度和阻尼,以及支撐軸承剛度和阻尼的情況下,運用集中質(zhì)量法,建立了高可靠精密濾波減速器傳動系統(tǒng)多因素耦合非

8、線性振動模型。系統(tǒng)的分析該減速器各齒輪振動位移、速度響應(yīng)、以及振動位移&速度相圖、龐加萊截面、軸承動載荷、齒輪嚙合力、振動加速度響應(yīng)。分析了轉(zhuǎn)速激勵,嚙合阻尼、嚙合剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、齒側(cè)彈性間隙、齒輪誤差等各參數(shù)對減速器非線性振動特性的影響規(guī)律。
　　6)開展了高可靠精密濾波減速器的模態(tài)和振動性能試驗研究。用LMSTest.Lab對該橡膠合金減速器進行錘擊法的自由模態(tài)實驗;用三向加速度傳感器采集減速器殼體振動信號,進行振動加速度時域