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平面二次包络环面蜗杆传动强度分析及试验

张彦钦  
【摘要】:平面二次包络环面蜗杆传动具有承载能力高、磨损小、传动平稳,寿命长等优点,在国防和民用工业领域得到了广泛应用,但至今尚未见有关的强度试验和计算方法公布于众。长期以来,该传动的设计主要参考他国标准进行,或参照标准GB16444完成,但都偏于保守、粗略,限制了这种传动的开发,因此,如何在前人研究的基础上,研究制定更加有效的强度计算方法是急待研究解决的课题。 论文基于空间啮合原理、弹性力学和有限元方法开展理论分析,结合轮齿应力状态仿真试验和蜗杆副承载能力试验研究,从而制定适于平面二次包络环面蜗杆传动的强度分析方法。论文的主要工作可概括如下: 在空间啮合原理的基础上,推导了蜗杆副的啮合方程、界限函数和微观啮合参数方程;研究了诱导法曲率半径、润滑角和相对卷吸速度在齿面上的分布规律,分析了可优化参数对齿面接触状态和微观啮合参数分布规律的影响。 结合工程实际,深入分析蜗杆、蜗轮的形状特征,考虑齿侧间隙的影响,建立了齿面边界的数学模型;以蜗轮齿面二次区为例,深入讨论信息点呈不等距分布的空间曲面构造方法;在Unigraphics-Grip平台上编制平面包络环面蜗杆传动实体建模程序,并通过实例验证实体模型的精度,为蜗杆副的仿真分析奠定了基础。 建立了蜗杆副接触有限元分析模型,研究载荷、齿形参数对齿面应力分布状态和齿间载荷分配系数的影响;研究了各级载荷下,不同包容齿数时的最大齿间载荷分配系数;分析了齿根弯曲应力沿蜗轮齿宽的分布规律,研究载荷、齿形参数等对齿根弯曲应力分布规律的影响。 通过线性回归分析推导了以蜗杆直径系数为变量的诱导法曲率半径系数的计算公式,建立了接触线瞬时平均长度和最小长度的计算公式,在有限元分析的基础上回归出齿间载荷分配系数计算公式;基于Hertz理论,推导了平面二次包络环面蜗杆传动的平均接触应力计算公式和受载最大齿对的接触应力计算公式;基于悬臂梁理论,建立了适于该传动的弯曲应力计算公式;通过考虑齿间载荷分配系数,改进普通圆柱蜗杆、尼曼蜗杆传动的计算公式用于平面二包,亦能得出较理想的结果。通过对几组经过生产实际检验的蜗杆副进行强度计算,从而证明上述计算方法的准确性和可靠性。 根据钢/铜材料副的弹性模量比,配置了光弹性模型材料并测试其冻结弹性模量,选择适合蜗杆副模型的材料;为了保证模型的刚性并且能够准确实现模型副多齿啮合,分析光弹性应力分析模型的制作方法,合理配制蜗杆副光弹性模型;将光弹性模型装配在减速箱中,置于烘箱内完成加载及应力冻结过程,观察蜗轮光弹性模型切片的应力等差图,分析应力分布状态。对比有限元分析结果和光弹性实验结果,从而起到相互印证的作用。 为了深入了解该传动的承载能力和传动特性,在电封闭试验台上对一台平面二次包络环面蜗杆减速器样机的性能进行实验研究。通过观测记录跑合阶段、各级载荷阶段的扭矩、传动效率、温升等,判断该减速机的性能;测试了该样机在不同转速下的极限承载能力,通过实验判定蜗杆副的最大承载能力。


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