（机械制造及其自动化专业论文）无侧隙双滚柱包络环面蜗杆传动的性能试验研究.pdf

r 西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：荤淌指导教师签名：c 盈呷扎 日期： dj j 、 坫日期2oii 、r ，计 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：高潮指导教师签名：e 刁吨屯 日期： ) 口l1 j 塔 日期 秒j i j 、玎 西华大学硕士学位论文 摘要 为解决当前机械传动领域中普通蜗杆传动因存在齿侧间隙带来的反向死区等难题， 王进戈教授对各种蜗杆传动形式分析研究后，创新地提出了一种新型的无侧隙蜗杆传动 形式双滚子包络环面蜗杆传动。双滚子包络环面蜗杆传动的性能试验是检验其理论 正确性和样机实用性的有效方法。本文以该新型传动的一种特例无侧隙双滚柱包络 环面蜗杆传动为研究对象，对其工作原理、三维实体建模、有限元模态分析、性能试验 展开研究。主要研究内容如下： 根据包络环面蜗杆副的几何参数，通过m a t l a b 工程计算软件，得出了蜗杆的几 何特性，并在p r o e 中建立了蜗杆的三维实体模型。根据双滚柱蜗轮副的结构设计，应 用p r o e 三维设计软件，完成了蜗轮及减速器箱体的三维实体建模，并依据蜗杆减速器 的装配图进行了虚拟装配。 应用a n s y s 与p r o e 之间的接口，将在p r o e 中生成的三维实体模型导入a n s y s 中，建立了无侧隙双滚柱包络环面蜗杆传动副及减速器箱体的有限元模型，并对其进行 模态分析，得出了蜗杆、蜗轮及减速器箱体的固有频率和前1 0 阶振型。 阐述了无侧隙戏滚柱包络环面蜗杆减速器性能测试系统设计方案以及各性能参数 的测试原理，并完成相关仪器设备的选型。 最后，对无侧隙双滚柱包络环面蜗杆减速器进行传动试验，测试其各项性能参数， 并对实验结果进行处理和分析，对减速器的性能进行了评估，一提出了改进和优化措施。 关键词：无侧隙；包络环面蜗杆；有限元；模态分析；传动试验 无侧隙双滚柱包络环面蜗杆传动的性能试验研究 a b s t r a c t b a s e do nt h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fv a r i o u sw o r md r i v e , an c wk i n do fn o n - b a c k l a s h w o r mg e a rs e t s ，n a m e dd o u b l e - r o l l e re n v e l o p i n gh o u r g l a s sw o r md r i v e , i sp r o p o s e db y p r o f e s s o rw a n g j i n g e i ti sa p p l i e dt ot h er e s o l u t i o no f p r o b l e mw h i c he x i s t si nw o r md r i v ew i t h r e v e r s a ld e a d - z o n ei nn o wm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o nf i e l d t h ep e r f o r m a n c et e s to f d o u b l e - r o l l e r e n v e l o p i n gh o u r g l a s sw o r md r i v ei sa ne f f e c t i v em e t h o df o rt e s t i n gt h e o r y 纵眦a c l ya n d p r o t o t y p ep r a c t i c a b i l i t yo ft h i sn e ww o r md r i v e n o n - b a c k l a s hd o u b l e - r o l l e re n v e l o p i n g h o u r g l a s sw o r md r i v ei sak i n do fs p e c i a lf o r mo ft h en e ww o r m d r i v e ，i t sw o r k i n gp r i n c i p l e ， t h r e e - d i m e n s i o n a le n t i t ym o d e l i n g , f i n i t ed e m e n tm o d a la n a l y s i sa n dp e r f o r m a n c et e s to f w o r m r e d u c e ra r ei n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r t h ec o n t e n to ft h i sr e s e a r c hi sa sf o l l o w s ： a c c o r d i n gt og e o m e t r yp a r a m e t e r sd e s i g no ft h ee n v e l o p i n gh o u r g l a s sw o r m , g e o m e t r y f e a t u r e so ft h ew o r mi so b t a i n e di nm a t l a bw h i c hi sap o w e r f u lm a t h e m a t i c a ls o f t w a r ea n d t h es o l i dm o d e lo ft h ew o r mi se s t a b l i s h e di np r o e r e f e r r i n gt ot h es m l c t u r a ld e s i g no ft h e d o u b l e - r o l l e rw o r m g e a lt h es o l i dm o d e lo f t h ew o r m w h e e la n dt h er e d u c e rb o xa r eb u i l ta n d t h em a c h i n ea s s e m b l yi sd o n ea c c o r d i n gt oa s s e m b l yd r a w i n go f t h ew o r mr e d u c e rb ya p p l y i n g t h et h r e e d i m e n s i o n a ld e s i g ns o r w a r ep r o e t h r o u g ht h ei n t e r f a c eb e t w e e na n s y sa n dp r o e ，t h eg e o m e t r i cm o d e l sb u i l ti np r o ea r e i m p o r t e di n t oa n s y s ，a n dt h ef i n i t ed e m e n tm o d e lo f t h ew o r mp a i ra n dt h er e d u c e rb o xi s e s t a b l i s h e d m o d a la n a l y s i si sc a r r i e do u ta n dt h en a t u r a lf r e q u e n c ya n dt h ef i r s t1 0s t 印 v i b r a t i o nm o d eo f t h ew o r m ，t h ew h e e la n dt h er e d u c 掰b o xa l eo b t a i n e d t h et e s ts y s t e md e s i g ns c h e m ef o rn o n - b a c k l a s hd o u b l e - r o l l e re n v e l o p i n gh o u r g l a s sw o r m g e a rr e d u c e ra n dt h et e s tp r i n c i p l eo fe a c hp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa l ee x p o u n d e d , a n dr e l a t e d i n s t n m a e n te q u i p m e n ta r es e l e c t e d f i n a l l y , t r a n s m i s s i o nt e s to f t h en o n - b a c k l a s hd o u b l e - r o l l e re n v e l o p i n gh o u r g l a s sw o r m g e a rr e d u c e ri sc o n d u c t e d , v a r i o u sp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa l em e a s u r e d , e x p e r i m e n t a lr e s u l t s a l ea n a l y s e d , t h ep e r f o r m a n c eo fr e d u c e ri se v a l u a t e d , a n dt h ei m p r o v e m e n ta n do p t i m i z a t i o n m e a s u r e si sp u tf o r w a r d k e yw o r d s ：n o n - b a c k l a s h ；e n v e l o p i n gh o u r g l a s sw o r m ；f i n i t ee l e m e n t ；m o d a l a n a l y s i s ；t r a n s m i s s i o n t e s t i i 两华人学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1绪论1 1 1课题研究背景及意义1 1 2 蜗杆传动的研究历史及发展趋势1 1 3 论文主要工作内容3 2 无侧隙双滚柱包络环面蜗杆减速器三维实体模型的建立5 2 1蜗杆副的工作原理及蜗轮的组成结构5 2 2 包络环面蜗杆三维实体模型的建立6 2 3 双滚柱蜗轮三维实体模型的建立8 2 4 无侧隙双滚柱包络环面蜗杆减速器整机三维实体模型的建立9 2 5 小结1 0 3 无侧隙双滚柱包络环面蜗杆传动副的有限元模态分析1 1 3 1双滚柱包络环面蜗杆传动副三维实体模型的简化1 1 3 2 包络环面蜗杆有限元模态分析1 2 3 2 1 包络环面蜗杆有限元分析模型的建立1 2 3 2 2 进行模态设置、定义边界条件并求解1 5 3 2 3 包络环面蜗杆模态分析结果1 6 3 3 双滚柱蜗轮有限元模态分析一1 9 3 3 1双滚柱蜗轮有限元分析模型的建立1 9 3 3 2 进行模态设置、定义边界条件并求解2 0 3 3 3双滚柱蜗轮模态分析结果“2 2 3 4 减速器箱体有限元模态分析2 4 3 4 1蜗杆减速器箱体有限元分析模型的建立2 4 3 4 2 进行模态设置、定义边界条件并求解2 6 3 4 3减速器箱体模态分析结果。2 7 3 5 小结2 9 4 无侧隙双滚柱包络环面蜗杆减速器性能测试系统方案设计3 0 4 1 减速器性能测试系统的组成3 0 4 2 主要测试内容及测试原理3 1 4 2 1 传动效率测试3 1 i i i 无侧隙双滚柱包络环面蜗杆传动的性能试验研究 4 2 2 温度测试3 2 4 2 3 振动测试3 2 4 2 4 噪声测试3 4 4 3 各种实验仪器设备及其技术参数3 5 4 3 1 试验台转速控制设备3 5 4 3 2 传动效率测试设备3 5 4 3 3 温度测试设备3 8 4 3 4 振动测试设备3 9 4 3 5 噪声测试设备4 0 4 4 j 、结4 l 5无侧隙双滚柱包络环面蜗杆减速器的传动试验4 2 5 1 传动试验台的建立4 2 5 1 1 设备仪器的检验4 2 5 1 2 蜗杆减速器性能测试试验台的搭建4 2 5 1 3 数据采集软件的调试4 3 5 2 实验数据的采集4 3 5 2 1减速器传动试验内容及要求4 4 5 2 2 减速器性能测试项目及结果“ 5 3小结6 2 6 结论和展望6 4 6 1结论6 4 6 2 展望6 4 参考文献6 6 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果6 9 致谢7 0 i v 1 1 1 5 0 7 7 5 1 9 0 ) 的一部分。 蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动形式【l 】，属于齿轮传动 的范畴，它具有传动比大，冲击载荷小，传动平稳，结构紧凑等特点，广泛应用于冶金、 化工、矿山、建筑、运输等行业的机械设备中。随着生产力和工业技术的不断发展，各 种机械设备对蜗杆传动的精度和稳定性提出了越来越高的要求，这将促使人们对蜗杆传 动做更深入的研究。 在普通蜗杆传动中，适当的侧隙是蜗杆传动正常工作的必要条件之一【2 】该侧隙可 以避免因齿面摩擦生热而膨胀和受力变形所导致的挤压或卡死现象；可以在一定程度上 补偿制造和装配过程中产生的误差；可以提供储藏润滑油的空间、，减少齿面磨损等。然 而，由于侧隙的存在，给一些机电系统带来一定的冲击、振动和噪声，降低了系统的控 制精度和稳定性。因此，一方面为了提高蜗杆传动的精度，齿侧间隙越小越好，最好为 零；另一方面为了提高蜗杆传动的承载能力，齿侧间隙又宜大。那么，在既要求传动精 度高，又要求承载能力大的场合，这对矛盾更加突出。因此，研究开发一种能同时满足 高精度、重载荷要求的无侧隙蜗杆传动机构具有重要的工程意义。 为解决上述难题，王进戈教授经过长期对各种蜗杆传动形式研究和探索后，创新地 提出了无侧隙双滚子包络环面蜗杆传动，旨在消除传动的齿侧间隙，以用于高精密传动 和分度装置。无侧隙双滚子包络环面蜗杆传动不改变滚子包络环面蜗杆传动所具有的承 载能力大、传动效率高、制造容易等优点，而且还具有无侧隙传动的特点，能够实现精 密分度、精密传动和精密动力传动，具有十分广阔的应用前景。无侧隙双滚子包络环面 蜗杆传动的性能试验是检验其理论正确性和样机实用性的有效方法，本文将无侧隙双滚 柱包络环面蜗杆减速器置于机械传动试验台中进行传动试验，测试其各项性能参数，这 对今后针对该新型传动做更深入的研究有着重要的指导意义。 1 2 蜗杆传动的研究历史及发展趋势 人们对蜗杆传动的研究有着很长的历史，早在两千多年前，阿基米德( a r c h i m e d e s ) 就提出了利用螺旋线推动齿轮旋转的方法。后来意大利的达芬奇( d av i n i c i ) 又提出 了环面蜗杆传动的概念。1 7 6 5 年，英国人h i n d l e y 首次提出并成功制造出第一对环面蜗 杆传动副。然而，蜗杆传动得以快速发展是开始于上世纪的二十年代。1 9 2 2 年，美国人 与轴上的键相联接的，为确保其中半个蜗轮相对另半个蜗轮错位转动，只能通过将蜗轮 的键槽随错位加宽来实现，这不便于齿侧间隙的调整。因此，该传动一直没有得到广泛 应用。 ( 2 ) 双导程蜗杆传动【6 1 ，又称“复合模数蜗杆传动。双导程蜗杆的成形原理与 普通圆柱蜗杆相同，但蜗杆两侧齿面的模数不相等，相应两侧螺旋面的导程也不相等， 从而产生导程差，这使蜗杆的齿厚沿其轴线方向发生变化；然而，同一侧面的齿距是相 等的，仍然满足啮合条件。蜗轮是由相对应的复合模数蜗轮滚刀加工而成的。通过调整 蜗杆的轴向位置来调整齿侧间隙。该传动已被应用于滚齿机等的精密分度机构中。 双导程蜗杆可以比较精确的调整齿侧间隙，根据以往试验，侧隙可调整至0 0 1 o 0 1 5 m m ，再小则容易发生卡死现象。由于能满足正确的啮合条件，双导程蜗杆传动精 度保持性好，传动比较稳定。这种传动的缺点是：变齿厚蜗杆的加工比较困难，而且， 2 西华大学硕士学位论文 由于蜗轮是由复合模数蜗轮滚刀加工而成的，无法使用标准刀具，需要根据双导程蜗杆 的参数来设计制造专用刀具，通用性差，成本高。蜗杆蜗轮啮合同时接触的齿数少， 且同时接触的各对齿的齿侧间隙不相等，只能保证一对齿的侧隙符合精度要求。0 承载 能力低，当载荷大、转速高时容易磨损。 精度低、寿命短，难以满足高速精密传动和 重载精密传动的要求。 ( 3 ) 侧隙可调式变齿厚平面包络环面蜗杆传动【7 1 ，亦称：变齿厚平面蜗轮传动。 该传动是由重庆大学张光辉教授提出的，属于斜平面一次包络环面蜗杆传动。在该传动 中，蜗轮的啮合区域随齿平面的倾角改变而变化，当其它参数为已知，齿平面倾角小于 一定值时，其瞬时接触线和相应的啮合区域假如落在轮齿齿面的左半部分的话，此时， 当齿平面倾角大于一定值时，其瞬时的接触线及啮合区就落在轮齿齿面的右半部分。现 把一个轮齿两侧的平面倾角分别取为肛和伤，两侧的接触区都同时位于蜗轮齿的半边。 由于两个齿平面倾角不相等，使得轮齿成为一倾斜的楔形，即蜗轮齿在同一半径上的各 端面齿厚都不相等，可将蜗轮副设计成首先接触于齿厚薄的半边：就可以通过调整蜗轮 的轴向位置来获得合适的齿侧间隙。 侧隙可调式变齿厚平面包络环面蜗杆传动的优点是：通过调整变齿厚蜗轮的轴向 位置，来获得蜗杆与蜗轮正常啮合时所需要的齿侧间隙，减少振动冲击，提高了传动的 精度和平稳性。o 变齿厚平面蜗杆传动副的成形原理与平面二次包络环面蜗杆传动完全 相同，蜗杆齿面可以淬火并通过平面砂轮精确磨削而成，蜗轮可用精密分度盘单齿分度 加工，不需要通过蜗轮滚刀和滚齿机，消除了滚刀和滚齿机系统误差对蜗轮齿形的影响， 易于精密制造。o 它作为斜平面一次包络蜗杆传动的一种，同时啮合的齿对数较多，重 合度高，承载能力大。因此，它是一种综合了精密传动和动力传动的新型蜗杆传动。但 是，该传动仍具有齿面摩擦大、磨损严重、效率偏低的缺点。它实现的仅是传动副磨损 后的侧隙调整，无法实现齿侧间隙的完全消除而又能正常传动。 除此之外，一些科技工作者还提出了许多采用辅助机构或装置来实现无侧隙传动的 方法【8 】，并申请了一些无侧隙和齿侧间隙可调的齿轮传动机构的专利1 9 ，例如“双蜗杆 传动 、“双斜齿轮结构 和“直齿轮轮系结构 等，但这些传动装置都有传动元件多、 体积大、结构复杂的缺点，很难适用于传动精度高、承载能力大、结构紧凑的伺服驱动 系统的传动装置。 1 3 论文主要工作内容 本文以无侧隙双滚柱包络环面蜗杆传动的性能试验为研究对象，从理论和实践两个 方面开展一系列研究工作，主要研究内容如下： 无侧隙双滚柱包络环面蜗杆传动的性能试验研究 ( 1 ) 无侧隙双滚柱包络环面蜗杆减速器的三维实体建模：根据包络环面蜗杆副的 何参数，通过m a t l a b 工程计算软件，得出蜗杆的几何特性，并建立包络环面蜗杆 三维实体模型。根据双滚柱蜗轮副的结构设计，完成蜗轮、减速器箱体及相关零件的 维实体建模，并依据蜗杆减速器的装配图进行虚拟装配。 ( 2 ) 无侧隙双滚柱包络环面蜗杆传动的有限元模态分析：将无侧隙双滚柱包络环 蜗杆传动的三维实体模型导入有限元分析软件中，建立有限元模型，并对其进行模态 析。 ( 3 ) 无侧隙双滚柱包络环面蜗杆减速器性能测试系统设计：设计无侧隙双滚柱包 环面蜗杆减速器性能测试系统，阐述各性能参数的测试原理，并完成相关仪器设备的 型。 ( 4 ) 无侧隙双滚柱包络环面蜗杆减速器传动试验：建立多功能数控机械传动试验 台，将蜗杆减速器置于试验台中进行传动试验，测试蜗杆减速器的各项性能参数，并对 测试数据进行处理和分析。 4 西华大学硕士学位论文 2无侧隙双滚柱包络环面蜗杆减速器三维实体模型的建立 双滚柱包络环面蜗杆传动是一种新型的无侧隙蜗杆传动形式，该传动副中蜗轮轮齿 为两个能绕自身轴线转动的滚柱，并且沿蜗轮体轴线方向错开一定角度，使得滚柱与蜗 杆齿面啮合时可以相对滚动。而蜗杆则是以这两个滚柱面为原始母面包络形成的环面蜗 杆，通过合理设置错开角度的大小，使滚柱与蜗杆齿面始终保持接触，从而实现无侧隙 传动。因此，无侧隙双滚柱包络环面蜗杆传动具有齿面磨损少，振动冲击小，传动效率 高等优剧1 0 】【l l 】。 2 1 蜗杆副的工作原理及蜗轮的组成结构 无侧隙双滚柱包络环面蜗杆副的工作原理如图2 1 所示。其中，蜗杆右侧齿面是由 位于中间平面下方，偏距为c 的滚柱侧面为工具母面包络而成，蜗杆左侧齿面是由位于 中间平面上方，偏距为岛的滚柱侧面为工具母面包络而成【1 2 】【1 3 】。双滚柱蜗轮的组成结 构如图2 2 所示。该结构由两半个蜗轮组成，蜗轮轮齿为两个能绕自身轴线转动的滚柱， 并且滚柱均匀分布在每半个蜗轮的圆周方向。蜗轮轮齿采用双排滚柱错位布置，通过调 节两半个蜗轮轮体的相对错位角度夕，使得两排滚柱分别与蜗杆左右齿面同时并且始终 保持接触，从而实现无侧隙传动。就单排滚柱齿而言，工作过程中存在侧隙，保证了啮 合运动的正常进行和良好润滑；但对蜗轮整体而言，双排滚柱均与蜗杆齿面接触，消除 了正反转运动的回程误差，使传动更加平稳，提高了传动精度【l 4 1 。 图2 1 工作原理 f i g u r e2 1w o r k i n gp r i n c i p l e 5 平面 参数名滚柱半滚子偏 蜗杆齿根圆蜗杆齿顶圆 称径 中心距蜗杆头数蜗轮齿数 距弧半径弧半径 参数符 号 r a c 2 母毛z 2兄l 参数类 型 实数实数 实数实数实数实数实数 参数初 值 6 5 唧1 2 5 姗 7 聊1 0 6 8 咖l3 29 4 2 咖 6 两华大学硕士学f 菠论文 ( 1 ) 齿面的形成 要生成齿面特征，需要先将齿面上的变径螺旋线( 基准曲线) 绘制出来，然后通过 边界混合命令，将线连成面。在p r o e 中生成基准曲线有四种方法：通过点、自文件、 使用x 截面和从方程【1 9 1 。本文采用“自文件”生成基准曲线的方法来构建蜗杆齿面上 的变径螺旋线。 根据包络环面蜗杆的齿面方程【j ，应用m a t l a b 软件编写程序，来得到蜗杆齿面上 变径螺旋线的数据点坐标值，并将所得数据写成宰i b l 文件 2 0 1 。通过自文件命令将生成的 数据文件导入p r o e 中，便可得到蜗杆齿面的螺旋线如图2 3 所示【2 1 】【2 2 1 。 f ( i 图2 3 蜗杆齿面螺旋线 f i g 2 3 h e l i c a l l i n eo l lt o o t hs l 矾a c eo ft h ew o r n l 然后，通过边界混合命令即可得到蜗杆齿面，如图2 4 所示。采用同样的方法，生 成蜗杆的另一齿面，再利用两齿面根部的两条螺旋线生成蜗杆齿根圆环，最后使用“合 并”命令即可得到蜗杆齿槽特征【2 3 1 ，如图2 5 所示。 图2 4 蜗杆齿面 f i g2 4 t o o t hs u r f a c eo ft h ew o r m 7 专乒， ：；歹， 急tlilf， 屯 +一llll|i|g 无侧隙双滚柱包络环面蜗杆传动的性能试验研究 图2 5 蜗杆齿槽特征 f i g2 5 g u l l e tf e a t u r eo ft h ew o r l i l ( 2 ) 蜗杆三维实体模型的建立 按以上步骤建立了蜗杆的齿槽特征后，就可以根据蜗杆的零件图建立蜗杆的齿坯模 型，再通过实体化命令切出齿槽，最后建立好的蜗杆三维实体模型如图2 6 所示。 图2 6 蜗杆三维实体模型 f i g2 6 t h r e e - d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e lo ft h ew o r m 2 3 双滚柱蜗轮三维实体模型的建立 双滚柱蜗轮的整体结构比较复杂，组成零件多，但其基本组件的造型比较简单，我 们可以先建立各个零件的模型，然后利用p r o e 的实体特征编辑功能，对其进行复制、 阵列和组装【2 4 1 ，从而得到我们需要的蜗轮三维实体模型如图2 7 所示。 8 漂罐孽；。；。 馐鬈鋈墓攀参 黟， 。；。，。；：爹一。；、 0罐。_爹 i 蚕 每 两华大学硕士学位论文 图2 7 蜗轮三维实体模型 f i g2 7 t h r e e d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e lo f t h ew o r mw h e e l 2 4 无侧隙双滚柱包络环面蜗杆减速器整机三维实体模型的建立 在p r o e 中建立好蜗杆减速器箱体、轴承端盖等相关零件的三维实体模型，根据蜗 杆减速器的装配图选择合适的标准件，然后将所有零部件进行装配，装配过程中以蜗杆、 蜗轮轴承端盖端面作为装配基准【2 4 1 。所用到的标准件规格如表2 2 所示，装配后的蜗杆 减速器三维实体模型如图2 8 所示。 表2 2 减速器整机装配所用标准件 t a b 2 2t h es t a n d a r dc o m p o n e n to fw o r mr e d u c e ra s s e m b l i n g 名称规格数量名称规格数 寰 蜗杆轴承 7 5 1 2 e2螺栓m 1 8 9 0 g b 5 7 8 6 4 蜗轮轴承 7 3 1 0 e3 螺母 m 1 8 g b 6 1 7 4 4 螺钉 m 1 8x6 0 g b 5 7 8 64 螺栓 m 1 2 5 0 g b 5 7 8 34 垫圈 d 1 8 g b 9 5 54 螺母 m 1 2 g b 6 1 7 44 垫圈 d 1 8 g b 8 5 9 8挚圈 d 1 2 g b 8 5 94 螺钉m 4 1 6 g b 2 9 24螺钉m 1 0 3 0 g b 5 7 8 6 1 6 垫圈d l o g b 8 5 91 6螺钉m 1 4 5 0 g b 5 7 8 62 垫圈 d1 4 g b 9 5 52 垫圈 d1 4 g b 8 5 92 9 1 0 3无侧隙双滚柱包络环面蜗杆传动副的有限元模态分析 机械结构( 多自由度系统) 的固有振动特性称为模态，每一个模态具有特定的固有 频率、阻尼比和模态振型【2 5 1 ，它对系统的动态响应、动载荷的产生与传递以及系统振动 的形式等具有重要的影响。作为高速旋转机械的无侧隙双滚柱包络环面蜗杆减速器，当 激励的频率在其固有频率附近时将会产生共振现象，从而会损坏设备，产生噪音，严重 者会导致重大事故的发生【2 6 1 。因此，研究无侧隙双滚柱包络环面蜗杆传动副的固有振动 特性，合理控制激励源的频率，具有非常重要的意义。 模态分析是振动系统动力特性分析的重要内容，它用于确定部件和组装件的固有频 率。这使设计工程师们可以避开这些频率或最大限度地减少对这些频率上的激励，从而 消除过度振动和噪音【2 。2 引。采用有限元分析方法对振动系统进行模态分析是一种非常 有效的方法。目前，常用的有限元分析软件主要有：a n s y s ，n a s t r a n ，a b a q u s ， a s k a ，a d a m s ，i - d a s 掣2 9 】。本文应用a n s y s 软件对无侧隙双滚柱包络环面蜗杆传 动副进行有限元模态分析，求解蜗杆传动副及减速器箱体的固有频率和振型。 3 1双滚柱包络环面蜗杆传动副三维实体模型的简化 有限元分析方法是力学与近代计算机技术相结合的产物，属于数值分析方法的范 畴。它是将某个工程结构离散为由各种连接单元组成的计算模型，划分单元数目越多( 即 单元尺寸越小) ，所获得结果就越接近实际情况。然而，随着单元数目的增加，计算量 也加大，当划分单元数达到一定值时，计算精度提高的效果并不明显【3 0 】【3 1 1 。此外，网格 划分结果理想与否在很大程度上取决于实体模型的外部结构特征。如果实体中存在十分 陡峭的拐角或比例差别很大的特征，网格划分结果就不太理想，这时应对模型进行简化。 模型简化【3 2 】【3 3 】是指对实际物理模型进行适当简化，通过抑制或删除那些对实际问题 研究没有影响的特征，从而减少模型的特征数，达到降低网格单元总数，缩短计算时间 的目的 3 4 1 。本文将无侧隙双滚柱包络环面蜗杆传动副三维实体模型中不影响结构性能的 特征删除，以减少有限元分析的计算量。在包络环面蜗杆三维实体模型中，蜗杆轴端的 键槽和另一端的退刀槽对蜗杆的结构性能影响很小，可以将其删除，简化后的蜗杆几何 模型如图3 1 所示。在双滚柱蜗轮三维实体模型中，蜗轮滚柱倒角及蜗轮体卡簧沟槽对 蜗轮的结构性能影响很小，可以将其删除，简化后的蜗轮几何模型如图3 2 所示。在蜗 杆减速器箱体三维实体模型中，减速器箱体的外部结构特征比较复杂，但是，实体表面 上的油槽、加强肋、倒圆角、凸起等特征对箱体的结构性能没有太大影响，这里也将这 些微小特征删除，简化后的减速器箱体模型如图3 3 所示。 无侧隙双滚柱包络环面蜗杆传动的性能试验研究 图3 1 蜗杆几何模型 f i g 3 1g e o m e t r ym o d e lo f t h ew o r l l l 图3 2 蜗轮几何模型 f i g 3 2g e o m e t r ym o d e lo ft h ew o r mw h e e l 图3 3 减速器箱体几何模型 f i g 3 3g e o m e t r ym o d e lo ft h er e d u c e rb o x 在图3 3 中，轴承端盖与减速器箱体是通过螺钉紧固连接在一起的，故可视为整体， 在p r 0 e 中，将轴承端盖与减速器箱体通过刚性约束装配在一起。 3 2 包络环面蜗杆有限元模态分析 3 2 1包络环面蜗杆有限元分析模型的建立 对于不太复杂的形体，可以直接在a n s y s 中采用自上而下或自底向上的方法进行 建模1 3 5 j ；对于复杂形体，一般都采用c a d 软件建模，再通过软件接口导入到a n s y s 中直接使用或经过简单的拓补修形后使用。在c a d 软件中建模比在a n s y s 中直接建 模简单，效率更高【1 5 】。 ( 1 ) 实体模型的导入 1 2 两华大学硕士学位论文 本文利用a n s y s i o 0 对双滚柱包络环面蜗杆传动副进行模态分析，首先将在p r o e 中建立的简化后的包络环面蜗杆三维实体模型导入a n s y s 中，常用的几种方法有： 在p r o e 中建立好模型，然后选择f i l e - s a v eac o p y , 选择其中的i g e s 格式存盘， 这种格式几乎被所有的c a d 软件认可。启动a n s y s ，选择f i l e i m p o r t i g e s ，找到刚才 生成的文件即可完成模型输入，这种方法会造成模型特征的缺失。虽然在a n s y s 中可 以利用修形工具修补模型，但其精度较原模型会有损失，且修形过程也比较复杂【l 5 1 。 利用p r o e 和a n s y s 之间的连接导入模型：计算机上安装好p r o e 和a n s y s 之后，打开程序菜单，依次执行a n s y s l 0 0 - - u t i l i t i c s - - a n sa d m i n 命令，打开 a n sa d m i n l 0 0 对话框，选中c o n f i g u r a t i o no p t i o n s 选项，单击o k 按钮，打开 c o n f i g u r a t i o no p t i o n s 对话框，选中c o n f i g u r ec o n n e c t i o nf o rp r o e 选项，单击o k 按钮， 打开c o n f i g u r ec o n n e c t i o nf o rp r o e 对话框，在a n s y sp r o d u c t 对应项中选择a n s y s m u l t i p h y s i c s 选项，在g r a p h i c sd e v i c en a m e 对应项中选择w i n 3 2 选项，打开p r o e n 舀n e e r i n s t a l l a t i o ni n f o r m a t i o n 对话框，在p r o e n g i n e e ri n s t a l l a t i o np a t h 对应项中输入p r o e 的安 装目录，单击o k 按钮，这样便实现了a n s y s 与p r o e 的无缝连接。启动p r o e 之后， 会发现菜单里有a n s y s l 0 0 选项，选择里面的a n s y s g e o m 并启动，最后在a n s y s 中 执行p l o t v o l u m e 命令，即可将模型导入a n s y s 中【3 6 】。 本文采用第二种方法( 亦即输入法) 导入模型。导入a n s y s 中的蜗杆三维实体模型 如图3 4 所示。 图3 4 导入a n s y s 中的蜗杆模璎 f i g 3 4 t h ew o r mm o d e lo fi m p o r t e di n t oa n s y s 对话框；激活“s m a r ts i z e ”，将滑标设置为3 ；选中g l o b a l 选项，单击“g l o b a l 对应 的“s e t ”按钮，弹出g l o b a le l e m e n ts i z e s 对话框，在s i z ee l e m e n te d g el e n g t h 选项中 输入5 ，单击o k 按钮，回到m e s ht o o l ( 网格工具) 对话框，设置s h a p e 为t e t ，模式为 f r e e ，单击m e s h 按钮，弹出m e s hv o l u m e s 拾取框，单击p i c ka l l 按钮，开始划分网格。 划分网格后的模型如图3 5 所示。 1 4 图3 5 蜗杆划分网格图 f i g 3 5 t h em e s hm o d e lo ft h ew o r m 3 2 2 进行模态设置、定义边界条件并求解 ( 1 ) 进行模态分析设置 结构振动往往通过各阶固有阵型的线性组合来表达，其中低阶固有振型对结构的影 响相对较大，它对结构的动态特性起决定作用。在作结构振动特性分析计算时，通常取 前5 1 0 阶固有振形即可【3 8 】。 依次选中m a i nm e i l u s o l u t i o n a n a l y s i st y p e n e wa n a l y s i s 命令，打开n e w a n a l y s i s 设置对话框，选择“m o d a l ”，单击o k 按钮；依次选中m a i n m e n u - - - - s o l u t i o n a n a l y s i st y p e a n a l y s i so p t i o n s 命令，打开m o d a la n a l y s i s 设置对话框，选择“b l o c k l a n c z o s ”，在n o o f n o d e st oe x t r a c t 文本框中输入1 0 ，将e x p a n dm o d et os h a p s 设置为 y e s ，在n o o f n o d et oe x p a n d 文本框中输入1 0 ，其余项均为默认设置，单击o k 按钮， 打开b l o c kl a n c z o sm e t h o d 对话框，在s t a r t f r e q ( i n i t i a ls h i f t ) 文本框中输入o ，在e n d f r e q u e n c y 文本框中输入1 0 0 0 0 0 ，单击o k 按钮。 ( 2 ) 施加边界条件 建立柱面坐标系 依次选中w o r k p l a n e l o c a lc o o r d i n a t es y s t e m s - - c r e a tl o c a lc s a tw po r i g i n 选 项，打开c r e a tl o c a lc sa tw po r i g i n 对话框，在k c st y p eo f c o o r d i n a t es y s t e m 中选择 c y l i n d r i c a l l 选项，单击o k 按钮。 定义载荷 依次选中s e l e c t - - - e n t i t i e s 打开s e l e ce n t i t i e s 对话框并选中a r e a s b yn u m p i c k - - - f r o mf u l l 选项，单击o k 按钮，弹出s e l e c ta r e a s 对话框，在文本框中输入2 9 号面，单 1 5 p r i n tf r e q u e n c y 单选列表中选择e v e r ys u b s t e p ，单击o k 按钮。 ( 5 ) 进行扩展求解 依次选中m a i nm e n u - - s o l u t i o n - s o l v e c u r r e n tl s 命令，打开一个确认对话框和 状态列表，查看列表中的信息确认无误后，单击o k 按钮，开始求解。 3 2 3 包络环面蜗杆模态分析结果 求解完成后，就可以利用a n s y s 软件乍成的结果文件进行后处理。 ( 1 ) 列表显示分析的结果 依次选中m a i nm e n u - - , - g e n e r a lp o s t p r o e - - - r e s u l t ss u m m a r y 命令，打开s e tl i s t c o m m a n d 列表显示结果，得出蜗杆的前十阶固有频率如表3 2 所示。 1 6 _ 西华大学硕士学位论文 表3 2 蜗杆前十阶固有频率 t a b 3 2t h ef i r s t10s t e pn a t u r a lf r e q u e n c yo ft h ew o r l n 提取阶数一阶二阶三阶四阶五阶 同有频率( h z l 1 5 1 8 01 5 1 8 72