（机械设计及理论专业论文）滤波驱动机构齿轮副摩擦学性能优化设计.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 该论文研究来源于2 0 0 7 年国家自然科学基金重点项目：新型高性能传动件及 系统的可靠性设计理论与方法( 5 0 7 3 5 0 0 8 e 0 5 1 2 ) 。为了克服国内外谐波减速器、 i w 减速器等传动件及系统所存在的缺陷，满足特殊与极端环境下对减速器高精 度、高可靠、大转矩、高效率、长寿命、小体积、轻量化的要求，重庆大学梁锡 昌教授、王家序教授发明了滤波减速器( 专利公开号：c n l 6 9 9 7 9 3 ) ，王家序教授等 集成滤波减速器、直流无刷电机、角度编码器等于一体，发明了高性能机电驱动 机构( 专利公开号：c n l 0 1 0 3 9 0 5 3 ) 。该论文主要以进一步提高该机电驱动机构的可 靠性、降低摩擦损耗、延长使用寿命为目的，对其关键传动部件一滤波减速器 的摩擦学行为展开研究。具体研究内容概括如下： 通过分析高性能滤波驱动机构的结构和其关键传动件滤波减速器的传 动原理，揭示了滤波驱动机构中存在的主要摩擦学行为齿轮副间的滚动和滑 动摩擦以及啮合冲击；滚珠与双联齿轮内圈及偏心轴在运动过程中产生滚动和滑 动摩擦；润滑油( 脂) 从齿面间挤出时产生的“挤出功率损耗”。 建立滤波减速器主要传动件的三维实体模型，应用有限元软件对齿轮副进 行动态接触有限元分析，确定了接触应力和m i s e s 应力的动态分布；研究齿面滑动 情况，确定滑动最严重的部分发生在双联齿轮的齿顶。 研究行星齿轮内啮合传动齿轮副的滑动摩擦功率损失的计算方法，推导计 算公式，并依据此方法计算了滤波减速器的滑动摩擦功率损失。 分析齿轮啮合冲击产生的原因，研究滤波减速器中存在的啮合冲击和齿面 刮行，确定双联齿轮齿顶滑动严重的原因是其在输出内齿轮的齿根发生了刮行现 象。 以避免啮合冲击，减轻齿顶的滑动，提高摩擦学性能为目的，对滤波减速 器进行齿廓修形设计，确定了修形参数。通过有限元仿真对比修形前后减速器的 性能变化。 关键词：摩擦学，滤波传动，动态接触，有限元，齿廓修形 重壅奎堂堡堂垡论文 英文摘要 。一- - ： a b s t r a c t t l l i sr e s e a r c hi s 缸l d e db yt h es t a t en a n l r a is c i e n c 邑sf o u n d a t i o nm o n u m e n t a l p 叫e c t so f2 q 0 7 ：r e l i a b i l i 哆如s i 盟m e m o da l l d 也e o 巧o fn e wt y p el l i 曲p e 墒珊锄c e 仃乏1 1 1 s i i l i s s i o np a r t sa n ds y s t e m ”( 5 0 7 3 5 0 0 8 e 0 5 1 2 ) f i l t i 喇n gg e a rr e d u c e r ( p a t e n t n u i n b e r ：c n l 6 9 9 7 9 3 ) i sd e v e l o p e d b yp r o f e s s o rw 觚gj 蛆- x ua n dl i a l l gx i c l l a i l g t o c o n q u e rm 目v 锄t a g e so fl l a n n o l l i cg e a rr e d u c e ra n dr vr e d u c e ra i l ds a t i s 句t h e r c q u 曲巴e n t so fr e d u c e ri i ls p a c ee n v 衲n m e n t ，s u c h2 u st l i 曲a c 9 u r a c y ，h i 曲r e l i a b i l i 锣， b i g t o r q u e ，l o wp o w e rl o s s ，s m a l lv o l 眦e ，l i g h tw e i g h t 锄ds oo n t 1 l i sp 印e ra i n l sa t p r o m o t i n g 蛳r e l i a b i l i 够，r e d u c i n gt l l e 衔c t i o nl b s s 缸mp r o l o n g i n gt h es e r v i 晶l i f eo ft h e m 曲p e r f 0 m a n c e e l e c 协d m e c h a m c a l d d v i n g m e c i l a l l i s m ( p a t e n t n u m b e r ： c n l 0 1 0 3 9 0 5 3 ) ，w “c hi si n v e n t e db yp r o f e s s o rw a n gj i a x ua n do 吐l e r s 舶mm es t a t e k e y l a bo fm e c h a l l i c a l 仃a n s i i l i s s i o no f c h o n g q i n gu n i v e r s i 锣， b ys 砌y 吨此 仃i b o l o g i c a lb e h a v i o r so fi t s k e y 饥i n s i l l i s s i o nu i l i t 1 ki n a i o rw o r k si n “sp a p e ra r e 一 - l i s t e d 嬲f o l l o w s ： b y 趾a l y z i n gt l l e s 咖c t u = r eo f1 1 i 曲p e r f o r n l a 疵ee l e c 臼o m e c h a i l i c a l d r i v i n g m e c h 矗t l i s ma 1 1 dm e 缸锄s m i s s i o n p r i n c i p l eo fi t sk e y 仃a m s m i s s i o nu n 矗，t h em a i l l t r i b o l o g i c a l b e h a v i o r so c c u r r e di l l f i l t e r i n gg e a rr e d u c e ra r ed e f i n e d t r i b 0 1 0 9 i c a l b e l l a v i o r so ff i l t e r i n gg e a rr e d l l c e rm a i m yi n c l u d er o l l i n ga i l ds l i d i n g 衔c t i o no fg e a r p 如，m e s m n gi n l p a c tb 帆e ng e a r s ，r o l l i n ga n ds l i d i n g 酗c t i o n 锄册gr o l l i n g 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rr c d u c e rw a sc a l c u l a t e d t h ec a u s eo fc o n t a c ti m p a c tb e 骶e n g e a r si s 锄a l y z e da i l dt l l em e s k n g 曲p a c t a n ds c r i l p es 1 i d l n g o c c u r r e di nf i l t e r i i 唱g e a rr e d u c e ri ss t u d i e di i lt 址sp a p e r b a s e do n 缸l e 锄1 y s i s ，i tc 趾b ef o m l d 廿l a tt h es e d o u ss l i d i n gp h e l l o m e n o no fd u a lg e 盯t o o m t i pi s 重庆大学硕+ 学位论文 英文摘要 c a u s e db y 也es c r a p es l i d i i 玛w t l i c hh a p p e n e da t 恤t 0 0 1 hr o o to fo u 印u tg e a r t oa v o i dm e s l l i n gi i n p 吼l i 曲t s l i d i n go fg e a rt i pa n di m p r o v et r i b o l o g ) r c 印a b i l i 够，p r o f i l em o d i f i c a t i o nw 鹤c 删e do u t 锄dm o d i f i c a t i o np a r 锄e t e r s 、v e r ei s c o i r m e d p e r f l o m 锄c ev 撕e 锣 w 弱 c o m p a r e d b 吐v 旧e nm o d i f i c a t i o na r l d 孙m m o d i f i c a t i o ng e 盯sb yf i l l i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n k e yw o r d ：t r i b o l o g y ，f i l t e 血gt m s m i s s i o n ，d y n 锄i cc o n t a c t ，f i n i t ee l e m e n t ，g e a r p r o f i l em o d i f i c a t i o n m 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的翌士学位论文逮，邀丝遂出出喇必堡垒鲥 是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 学位论文作者 导师签名： 签字日期：2 矽d fp 7 签字日期： 用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中国博 士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程羧= 以下简称“章 程) ，愿意将本人的叠士学位论文馐，逝瑾燃缝目受幽强瓣国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社( c n i ( i ) 在中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕 士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数据库中全文发表。中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网 络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n l 【i 中国知识资源总库，在中国博 硕士学位论文评价数据库中使用和在互联网上传播，同意按“章程 规定享受相关 权益 文， 作者 备注 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 论 重庆大学硕士学位论文l 绪论 1 绪论 1 1 项目来源及研究意义 本论文研究来源于2 0 0 7 年国家自然基金重点项目：新型高性能传动件及系统 的可靠性设计理论与方法( 5 0 7 3 5 0 0 8 e 0 51 2 ) 。 随着我国航天、航空、机器人、自动化等工程领域的发展，对齿轮减速器的 性能提出了更高的要求。在现有各种大减速比减速器中 蜗杆减速器由于同时传 力的齿数较少，因而模数较大，导致减速器体积较大；摆线针轮减速器、三环减 速器、r v 减速器等，存在结构复杂，体积较大的缺点；谐波减速器是一种小体积、 大传动比的减速器，同时传力的齿数多，因而承载能力较大，但其柔轮不断在作 高频变形，容易疲劳破坏，而且柔轮的轮毅很薄，容易出现不稳定破坏，且制作 困难。为了克服国内外谐波减速器、r v 减速器等传动件及系统所存在的缺陷，满 足空间应用中对减速器高精度、高可靠、大转矩、高效率、长寿命、小体积、轻 量化的要求，重庆大学梁锡昌教授、王家序教授发明了滤波减速器( 专利公开号： c i n l 6 9 9 7 9 3 ) 【l 】，王家序教授等集成滤波减速器、直流无刷电机、角度编码器等于一 体，发明了高性能机电驱动机构( 专利公开号：c n l 0 1 0 3 9 0 5 3 ) 瞄j 。 高性能机电驱动机构( 即滤波驱动机构) 传动部分的主体是滤波减速器。潘继 生等对滤波减速器的结构进行了设计【3 j ，唐锋、李永亮等对新型高性能滤波驱动 机构开展了总体集成、精度分析与试验研究，并组建了用于测试新型滤波驱动机 构传动性能的机电智能测试试验台【4 ，5 】。为了进一步提高滤波驱动机构的可靠性， 减低摩擦功率损失，本文针对其滤波减速器的齿轮副展开摩擦学性能方面的研究。 齿轮系统在传动过程中既存在滚动摩擦，又存在滑动摩擦。齿面摩擦的存在 不仅降低传动效率，而且影响齿根弯曲与齿面接触疲劳强度【6 j ；同时，齿面摩擦力 影响到齿轮系统的动态特性，是重要的振动与噪声激励源【7 1 ；齿轮啮合冲击和齿面 的滑动摩擦使轮齿温度升高，是齿轮胶合失效的主要原因。因此，满足滤波减速 器高可靠、长寿命和低能耗的要求，必须对其齿面的摩擦行为进行研究。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 高性能减速器的研究现状 目i j ，减速器的研制，以德国、日本和美国处于领先地位，特别在材料和制 造工艺上占据优势。改革开放以来，国内的减速器在技术和加工工艺方面也有较 大的技术提高，我国自行研制的谐波减速器，在技术上已基本与国外持平。但是 在空间特殊与极端环境下的高性能减速器技术方面的研究，我国起步比较晚，技 重庆大学硕士学位论文1 绪论 术上还存在一定的差距，特别是大型的减速器问题更突出，使用寿命不长。国内 使用的大型减速器多从国外( 如美国、德国等) 进口。 早在上世纪五十年代美国的c w a l t o nm l l s s e r 教授专门针对空间应用需求发 明了回差小、单级减速比范围大、运动平稳、低噪声、传动效率高、承载力大、 体积小、质量轻的谐波减速器。前苏联从上世纪6 0 年代初开始，也大力开展这方 面的研制工作，如苏联机械研究所、莫斯科鲍曼工业大学、全苏联减速器研究所、 基耶夫减速器厂和莫斯科建筑工程学院等单位都大力开展谐波传动的研究工作。 他们对该领域进行了较系统、深入的基础理论和试验研究，在谐波传动的类型、 结构、应用等方面有较大发展。日本从上世纪7 0 年代开始，从美国引进全套技术 资料，目前不仅能大批生产各种类型的谐波齿轮传动装置，还完成了通用谐波齿 轮传动装置的标准化、系列化工作。谐波齿轮传动技术于1 9 6 1 年由上海纺织科学 研究院的孙伟工程师引入我国。此后，我国也积极引进并研究发展该项技术，1 9 8 3 年成立了谐波传动研究室，1 9 8 4 年“谐波减速器标准系列产品”在北京通过鉴定， 1 9 9 3 年制定g b 厂r 1 4 1 1 8 9 3 谐波传动减速器标准，并且在理论研究、试制和应用方 面取得了较大的成绩，成为掌握该项技术的国家之一。 由于谐波减速器具有体积小、精度高、传动比大等多种其他减速器不具备的 优点，因此一经问世就立刻引起了各国的普遍重视，美国等先进国家已将该项技 术大量应用于空间飞行器的各种实时展开、驱动、精密指向、扫描、空间机器人 活动关节等运动机构上，并已推广应用到地面雷达天线、通讯、电子、医疗器械、 工业机器人、仪器仪表等多种行业中，获得了巨大的军事收益和社会效益。 摆线针轮行星传动减速器是在k 型行星轮系的基础上发展起来的一种 先进的传动装置，是在2 0 世纪3 0 年代由德国人发明，5 0 年代同本人购买专利后 进行改进，直到解决了摆线轮修形难题后才进入实际工程应用。由于其具有传动 比范围大、承载能力高、结构紧凑、刚度高、可靠性好等特点得到了广泛应用。 目前，国外主要是日本住友、日本帝人占据着主要市场，住友公司不断应用新的 研究成果，使产品更新换代，其产品发展的趋势是更高的运动精度，更大的传递 功率，更广的传动范围。2 0 世纪9 0 年代以来，在工业自动化机器人回转装置选择 中，摆线传动作为一种比较理想的传动形式应用其中。如日本住友重机械工业株 式会社研制开发成功的机器人用r - v 系列、f a 系列和f t 系列传动产品均采用 了针摆传动结构形式，由于应用了最新的设计理念，外型美观大方，内部结构合 理，传递功率增加【8 j 。近年来，日本帝人公司推出了一种新型的摆线针轮减速器， 它是由第一级普通渐开线直齿轮( 斜齿轮) 减速部分和第二级摆线针轮减速部分组 合而成的两级行星传动机构。美国m e 咖l 公司研究投产了d o i e n 摆线减速器，它 采用2 k - h 型传动机构，其独特的消隙机构可以实现零间隙。 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 9 8 5 年，冶金工业部重庆钢铁设计研究院陈宗源高工提出了平行轴式少齿差 行星齿轮传动装置三环减速器，并于同年以“三环式减速( 或增速) 传动装置”申 请了国家发明专利【9 】。后来许多学者对三环减速器进行了深入的研究，并发展了其 他环式减速器。近年来，重庆大学王家序教授等人发明了_ 种高性能滤波驱动机 构，它主要由固定齿轮、双联齿轮、偏心轴、输出齿轮等组成，没有柔轮和薄壁 轴承这两个薄弱环节，并集成了直流无刷电机和角度编码器，以其高精度、高可 靠、大转矩、长寿命、小体积、轻量化等众多潜在的优点受到众多研究人员的重 视。 1 2 2 齿轮摩擦学的研究现状 摩擦学是研究相对运动的作用表面间的摩擦、润滑和磨损，以及三者间相互 关系的理论与应用的一门边缘学科。自2 0 世纪6 0 年代，j o s t 提出“摩擦学”这个术 语，已经过去了近5 0 年，摩擦学研究在很多方面已经得到可喜的进展。以齿轮为 代表的传动学与摩擦学相结合产生的传动摩擦学设计理论，有利于促使工程技术 人员在进行机械传动构件设计时，主动地考虑与摩擦学相关的问题，进行啮合理 论与润滑理论的耦合研究；同时也促使摩擦学研究人员高度重视齿轮传动的特殊 性，在工程实践中积极应用和发展摩擦学设计技术。 在润滑方面，齿轮润滑问题的重要性及人们对这一问题的重视推动了弹流润 滑理论的产生【1 0 1 。1 9 1 6 年m a n i n 首先把雷诺方程用于齿轮的润滑计算，经过多年 的发展，现代润滑理论已经能比较接近实际地处理_ 些稳定状态下的齿轮润滑计 算。而对于非稳态弹流问题的计算，从1 9 6 6 年以来各国学者也开始了深入的研究， 并取得较大的进展。1 9 9 7 年，l a r s s o n 【1 1 l 应用多重网格法，采用简化的载荷，求得 非牛顿润滑的齿轮瞬态弹流润滑完全数值解。国内学者在综合考虑齿轮传动系统 振动影响、润滑流体的可压缩性，以及滑动速度和曲率半径随时间和坐标的变化， 进行了动载荷下的直齿轮传动弹流润滑数值分析，得到了齿轮传动沿啮合线的中 心油膜压力及摩擦系数的分布。王优强等【1 2 】采用多重网格技术，忽略轮齿表面粗 糙度的影响，考虑齿轮重合度对轮齿载荷的影响，根据实际轮齿载荷谱简化的轮 卤载荷函数，求得牛顿流体润滑情况下的渐开线直齿圆柱齿轮非稳态热弹流润滑 问题的完全数值解。结果表明，温度对轮齿啮人和啮出点的油膜厚度有显著影响； 两轮齿间的油膜温升和摩擦系数受滑滚比、卷吸速度和载荷的影响。汪久根【1 3 】在 基于有限长线接触弹流润滑理论基础上，研究了动力粘度、卷吸速度与曲率半径 的时变性对弹性流体动力润滑油膜厚度的影响，探讨了其中的规律，得到时变条 件下齿轮弹流润滑的基本规律。并提出，在强度允许的前提下，对小齿轮正变位、 大齿轮负变位，可以改善齿轮传动的润滑状态。 在齿轮磨损和润滑失效机理研究方面，中国科学院兰卅i 化学物理研究所固体 重庆大学硕士学位论文1 绪论 润滑开放研究实验室的研究人员考察了不同固体润滑薄膜体系的润滑性能和磨损 特性，结合试验后柔轮和刚轮的工作表面形貌和磨粒的分析，初步探讨了固体薄 膜润滑下谐波减速器的磨损机理及其润滑失效机理。研究表明，谐波减速器齿轮 副的柔轮- 冈4 轮齿面之间以滑动摩擦为主，伴随有滚动摩擦，彼此很难实现理想的 共轨齿廓，啮合时容易发生弹性变形干涉，使齿面产生非正常磨损，而且齿面粗 糙度偏高还会产生明显的磨粒磨损，从而导致固体润滑失效。研究结果还表明， 润滑薄膜的配伍是影响谐波减速器的润滑状态及其运行寿命的重要因素【1 4 】。 齿轮的摩擦与齿面接触压力密切相关。由于齿轮是点或线接触，接触区压力 很高，接触压力和滑动率、润滑油膜厚度一样成为齿轮摩擦学性能的一个重要指 标【1 5 1 。经典的齿面接触应力的计算公式是以两圆柱体接触的接触应力公式为基础， 结合齿轮的参数导出的。关于两弹性圆柱体接触应力的计算问题，均以h e 舵公式 为基础。1 9 0 8 年威迪基( e d e k y ) 首先把h e r t z 公式应用于直齿圆柱齿轮的齿面接 触强度计算中，明确提出了齿面接触应力的概念，为以后的齿面接触强度计算方 法奠定了基础。各国研究人员对不同的影响因素进行考虑，出现了各种各样的齿 轮设计公式，比较常用的设计公式主要包括国际标准的i s o 公式，美国的a g m a 公式，英国的b s 公式，日本齿轮工业协会的j g m a 公式。辅以不同的影响因素 推算得出的。由于各公式对影响因素考虑的侧重点不同，所得结果千差万别。为 了更精确的计算出齿面接触应力，很多学者对轮齿的接触应力进行了深入地研究， 并且提出用有限元力一法计算轮齿的接触应力。虽然早在2 0 世纪7 0 年代，人们 已经开始用有限元法计算挠曲变形。但是接触变形和接触应力的有限元分析在2 0 世纪9 0 年代才真正开始。起初，人们使用“点点”接触单元求解接触问题。随着计 算机和有限元技术的发展，现在不仅能方便的生成精确的几何模型，自动划分网 格，自适应求解，而且新的接触单元算法能非常有效地求解接触非线性问题。新 的通用接触单元包括“点面”和“面一面”单元特别适用于计算齿轮接触问题。各国学 者纷纷【1 6 2 0 】采用有限元方法对渐开线直齿轮、斜齿轮和锥齿轮的接触应力进行计 算和分析，并通过把有限元计算结果与经典赫兹接触理论以及实验结果对比，证 明了进行齿轮接触有限元分析的可行性。 齿轮传动过程中另一个与摩擦学设计有关的问题是噪声问题，这是目前难以 解决的问题，也是工业界和学术界关注的焦点。机械噪声受到环保部门的严格限 制，机械减振降噪同时也是节约能源、安全舒适的需要。齿轮的噪声和齿轮的间 隙、加工精度、润滑剂的流动及齿轮系统的动态特性有密切关系。例如，用于直 升机上的行星齿轮，其噪声超过1 0 0 d b ，是直升机的主要噪声源。2 0 世纪8 0 年代 的噪声曾使美国空军飞行员听觉受损伤，不得不提前退役。由于齿轮在军事工业 用途广泛，所以齿轮噪声也是军事上十分关心的问题【2 l 】。 4 重庆大学硕士学位论文l 绪论 目前齿轮传动摩擦学的主要研究任列圳： 第一，研究在变曲率接触、非稳态热弹流状态下的低速重载齿轮、蜗轮齿面 复杂润滑理论问题的新解决途径，探索建立以大型机械传动装置为对象、融合啮 合理论与润滑理论的现代润滑理论。 第二，基于空间啮合理论，通过只有针对性地改变传动副接触面的表面几何 形状、表面形貌、相对运动关系和调整润滑油品，实现对齿面间的油膜厚度、润 滑油的压力和流向的设计与控制，建立齿轮工作界面润滑控制理论。 第三，进行在摩擦学和啮合理论指导下的传动机构的工作面设计，尤其是进 行以优良的润滑性能为目标函数，优化传动副啮合几何参数的反设计；进行以减 少摩擦、提高承载能力和抗磨损能力为目标的润滑介质成分设计和接触副界面成 分设计。 第四，以空间啮合理论为基础，研究传动界面的热传导及散热对策。 1 2 3 齿轮修形技术的研究现状 要解决齿轮传动的冲击和噪声，改善润滑状态，降低齿轮温度，防止胶合失 效，进行齿轮修形技术研究是极其重要的一部分。齿轮修形技术是高精度齿轮传 动设计和制造的关键技术，国内外公司都把它作为自己的核心技术。齿轮修形主 要包括齿廓修形和齿向修形。在一对齿的啮合过程中，由于参与啮合的轮齿齿数 改变引起了啮合刚度变化，在极短的时间内啮合刚度的急剧变化将引起严重的振 动。为了使啮合刚度的变化比较缓和，减少由于基节误差和受载变形所引起的啮 入和啮出冲击；或为了改善齿面润滑状态，防止胶合发生，而把原来的渐开线齿 廓在齿顶或接近齿根圆的部位修去一部分，使该处的齿廓不再是渐开线形状，这 就是所谓的齿廓修正( 齿廓修形) 。 上世纪9 0 年代以来，在修形方面的研究工作有了不少的进展。哈尔滨工业大 学的李威等【2 2 】，采用多重网格算法计算修形斜齿轮的热弹流问题，结果表明：合 理地选择修形参数，不仅可以降低齿轮的冲击和振动，而且还可以改善齿面的弹 流润滑状态。重庆大学机械传动国家重点实验室的段芳莉等【2 3 1 ，以一个啮合周期 的平均润滑性能为目标优化修形长度、齿顶修形量和抛物线修形曲线，得到了一 些有益的结论。裴玲等【2 4 】把修形技术应用在汽车变速箱的振动和噪声的研究中得 出结论：修形量等于单齿啮合上界点处轮齿的变形量时，齿轮副的动载系数及加 速度均方根均较小。朱传敏等【2 l 】采用圆柱齿轮传动的均方根值为优化目标函数， 将齿轮轮齿修形量作为齿轮周向振动加速度的附加量代入系统模型，使得传动噪 声均方根值最小的修形量构成的曲线即为最优修形曲线。t a v a k o l i 等【2 6 】把齿廓修形 作为减少轮齿啮合激励的有效手段，用于消除轮齿的啮入和啮出冲击并最大限度 地减少齿轮传动误差的波动。f e n g 掣2 7 】用假想齿条型刚性刀具研究了渐开线齿轮 5 重庆大学硕士学位论文1 绪论 修形齿廓的生成。王统等【2 驯用有限元法对齿轮轴的变形和齿轮的体积温度进行了 分析计算，认为齿轮受载后所产生的综合弹性变形主要由齿轮轴的弯曲变形，齿 轮轴的压缩变形，齿轮轴的扭转变形，轮齿的弯曲变形，啮合接触区的弹性变形 等五部分组成，提出了开展“目标修形”研究的观点。认为应该针对不同目的，具体、 合理地确定修形量及修形曲线，以达到实现高负荷、高速度、高性能、低噪声齿 轮传动的最终目标。 1 3 本文研究的主要内容 为满足空间应用中对减速器高精度、高可靠、大转矩、低能耗、长寿命、小 体积、轻量化的要求，重庆大学梁锡昌教授、王家序教授发明了滤波减速器，王家 序教授等集成滤波减速器、直流无刷电机、角度编码器等于一体，发明了高性能 机电驱动机构。本文旨在针对高性能机电驱动机构中的关键传动件- 滤波减速 器中存在的摩擦行为展开研究，以期进一步提高该减速器的可靠性和效率，延长 使用寿命，并为齿轮减速器的主动摩擦学设计提供一定的理论依据。 本文的主要研究内容如下： 分析滤波驱动机构的结构和其关键传动件一滤波减速器的传动原理，确 定了该减速器中存在的主要摩擦学行为及影响因素。 建立滤波减速器主要传动件的三维实体模型，对齿轮副进行动态接触有限 元分析。 研究行星齿轮内啮合传动齿轮副的滑动摩擦功率损失的计算方法，计算滤 波减速器的滑动摩擦功率损失。 分析齿轮啮合冲击产生的原因，研究了滤波减速器中存在的啮合冲击。 以避免啮合冲击，减轻齿顶的滑动，提高摩擦学性能为目的，对滤波减速 器进行齿廓修形设计，确定了修形参数。通过有限元仿真对比修形前后减速器的 性能变化。 6 重庆大学硕士学位论文2 高性能滤波驱动机构的结构 2 高性能滤波驱动机构的结构 2 1 高性能滤波驱动机构的构成 高性能滤波驱动机构是以滤波减速器为核心传动元件，集成角度传感器与永 磁无刷直流电机，为满足空间用高可靠、长寿命、小体积、轻量化等要求而提出 的一种集成结构。 如图2 1 ，永磁无刷直流电机( 3 ) 分别与滤波减速器( 2 ) 和角度传感器( 4 ) 连接。 电机的转子上安装有永磁体，定子由三相或多相对称绕组构成，角度传感器( 4 ) 作 为转子位置传感器使用。转子位置传感器的作用是检测转子磁场相对于定子绕组 的位置，并在确定的相对位置上发出信号，控制逆变器的各功率开关管，从而控 制电机各相绕组按一定的顺序与逻辑规律导通，在电机气隙中产生跃进式旋转磁 场，带动转子旋转，从而带动电机空心轴转动，再通过支口带动滤波减速器的输 入端偏心轴转动，经过减速，由滤波减速器的输出机构带动执行机构运动【4 】。 根据高性能滤波驱动机构的结构构成，滤波减速器是其核心传动元件，其效 率和可靠性在很大程度上决定了整个驱动机构的效率和可靠性。 1 输出联轴器；2 一滤波减速器；3 一电机；4 一角度传感器 l o u t p u tc o u p l i n g ；2 _ f i l t e r i n g 仃舭s m i s s i o nm e c h a l l i s m ；3 - m o t o r ；4 _ a n 酉e n s o r 图2 1 滤波驱动机构原理图 f i g 2 1p r h l c i p l ed i a g r a mf i l t e 血g 矾v em e c h 砌s m 7 重庆大学硕士学位论文2 高性能滤波驱动机构的结构 2 2 滤波减速器的工作原理和参数确定 2 2 1 滤波减速器的工作原理 滤波齿轮传动原理如图2 2 所示【3 】，它由圆柱齿轮1 、输出内齿轮2 、圆柱齿轮 3 、固定内齿轮4 、偏心轴h 、滚动轴承、刚球等组成，其中圆柱齿轮l 与圆柱齿 轮2 在结构上为一体，称其为双联齿轮。其运动原理如下：偏心轴日两端轴承位 置的几何中心与固定齿轮中心重合，而偏心轴月偏心外圆上的滚柱中心与其固定 齿轮中心有一定的偏心。当偏心轴轮绕其几何中心转动时，由于偏心轴偏心外圆 上滚柱滚道的偏心迫使滚柱沿径向推动双联齿轮中心偏离固定齿轮中心，同时滚 柱通过纯滚动把偏心柱的转动传递给双联齿轮，使得双联齿轮的运动既有绕自身 几何中心的自转又有绕固定齿轮中心的公转。利用偏心轴日使少齿差的一对齿轮 圆柱齿轮3 与固定内齿轮4 啮合，实现减速，再利用另一对少齿差齿轮啮合， 由它们滤去高次公转波，并输出低频转动，实现滤波。这种新型滤波减速器采用 了双联齿轮实现二级减速传动，相对增大了齿轮的模数，同时它不需要额外增加 支撑轴承即可以正常工作，简化了减速器的结构，因而它又具备了机构简单、重 量轻、传动效率高的优点。 心 么兰乙 厅广适厂 图2 2 滤波齿轮传动原理图 f i g 2 2d i 楚阳mo ff i l t e r i i 玛g e 孤仃a m m i s s i o n 2 2 2 滤波减速器的基本参数确定 考虑到要求减速比为汪1 6 0 ，径向尺寸9 2 6 m m 的内孔满 足特殊需要，设图2 1 中齿轮1 、2 、3 、4 的齿数分别为乃、乃、历，乙，则： f ：堑： 国2 h 竺! 二竺丝： 兰! 墨： 彩2 一彩h z223一z124(21) 式中：国：、红、缈分别为齿轮2 、4 和输入轴( 偏心轴) 的绝对角速度； 国：、吐日分别为齿轮2 和4 相对于转臂的角速度。 8 重庆大学硕士学位论文2 高性能滤波驱动机构的结构 为了避免内啮合传动时出现齿廓重迭干涉并使重合度占大于1 ，取 z l z 2 = z 3 - z 4q 结合式2 1 和2 2 ，确定了齿数分配z ，= 钙、历= 如、历= 钙、乙= ”的配齿方 式。此时传动比卢1 6 0 。 基于空间的限制，取模数历= 1 5 i 砌、压力角a = 2 0 0 、齿顶高系数办o 5 5 、 齿顶间隙系数c _ 0 2 5 ，则偏心距p = 3 7 5 衄，最大分度圆直径为 磊矿妒7 9 5 n 吼勺1 0 4 5 i 砌，最小分度圆直径为厶加= 垆6 7 5 m m 伊2 6 i n m ，因此结构满 足尺寸要求。 各齿轮分度圆齿厚：s ：三罢：2 3 5 6 所聊； z 齿顶高：吃= 吃聊= o 5 5 1 5 = o 8 2 5 聊朋； 齿根高：矗，= ( 吃+ c ) m = 1 2 m m ； 全齿高： 办= 吃+ 办r = 2 0 2 5 朋聊； 齿顶圆直径：吃l = 碣+ 2 吃= 矽6 9 1 5 所研： 以2 = 吐一2 吃。7 3 3 5 所所； 吃3 = 以+ 2 吃2 矽7 3 6 5 聊历； 吃4 = 以一2 吃2 矽7 7 8 5 所删； 齿根圆直径：d ，1 = 4 2 五，= 矽6 5 1 掰掰； d ，2 = 畋+ 2 ，= 7 7 4 ，押， ； d r 3 = 以一2 办，= 矽6 9 6 聊，矩； d ，4 = 以+ 2 办r = 矽8 1 9 历朋； 分度圆直径：西= 喝= 1 5 4 5 = 6 7 5 肌聊； 畋= 聊z 2 = 1 5 5 0 = 矽7 5 m 朋； 喀= m z 3 = 1 5 4 8 = 妒7 2 m 掰； 矾= 聊z 4 = 1 5 5 3 = 矽7 9 5 历聊。 配齿方式和轮齿的基本参数确定之后，还需要增加偏心轮、滚动轴承、滚珠 轴承和外部连接件需要设计。偏心轮的设计既要保证留有叩锄朋的中心孔又要起 到偏心的作用，并使得偏心轮与双联齿轮之间能够安装滚珠轴承，同时两边留有 安装滚动轴承的位置。 基于强度的考虑，滚珠轴承只能在偏心轮与双联齿轮的中间位置，因此滚珠 分布在伊5 4 5 聊聊的圆上，并取滚珠大小为妒4 所历，考虑到适合改尺寸的滚动轴承 标准件购买不了，需要订做，因此采用自行设计的方案。支撑偏心轮的轴承采用 标准滚动轴承。 滤波减速器的结构原理图如图2 3 所示【3 】： 9 重庆大学硕士学位论文 2 高性能滤波驱动机构的结构 1 输出齿轮；2 双联齿轮；3 滚柱；4 一固定齿轮；5 轴承座；6 钢球；7 偏心轴 1 o u t p u tg e 叭2 _ d u a lg e 扯；3 r o l l e r ；4 _ 勘t i o n a 巧g e 5 - b e 撕n gc h o c k ；6 _ b a l l ； 7 e c c e n l n cs h a n 图2 3 滤波传动机构原理图 f i g 2 3p r i n c i p l ed i 硬即mo ff i l t e r i n gt r 趾s m i s s i o nm e c h a l l i s m 2 3 滤波减速器关键传动件三维模型的建立 利用p m e 三维设计软件可以快速建立复杂的机械三维模型。本文通过p m e 三维设计软件，采用渐开线方程建立齿轮齿廓曲线，利用参数化建模方法进行齿 轮设计，不仅快速准确，而且方便在轮齿修形的过程中通过修改模型的基本参数 迅速重建几何模型，提高设计效率。建立的滤波减速器主要传动件的实体模型， 如图2 4 所示。 l o 重庆大学硕十学位论文 2 高性能滤波驱动机构的结构 c 双联齿轮的实体模型 cs o l i dr r l 州e l o f d l l a l g 哪 d 偏心轴的实体模型 ds o i 砸m o d e l o f 煳研cs h 积 o 重庆人学硕士学位论文2 高性能滤波驱动机构的结构 oo e 隔离套的实体模本lf 隔离套的实体模型 es o l m o d e r o f b o h i f 叽加u 鲥b fs o “d m o 幽j o f 洳l i o nc 锄u d a 圈2 4 滤波减速器主要传动什的实体模型 f i g24s d i d m o d e lo f k e y 廿a n 锄缸i o n p a r e s mn r i r i g h 矾s m i s s i 。n m m j s m 2 4 滤波驱动机构中的摩擦学行为 根据滤波驱动机构的结构，其摩擦学行为主要体现在两对齿轮副问的滚动摩 擦、滑动摩擦以及啮合冲击；滚珠与双联齿轮内圈以及偏心轴在运动过程中产生 滚动和滑动摩擦；润滑油从齿面间挤出时产生的“挤出功率损耗”；以及联轴器、 各种轴承等的摩擦损失。 2 4i 齿轮副中的摩擦学行为 齿轮副巾的滚动和滑动摩擦的影响因素 两对齿轮副在啮合传动过程中存在滚动和滑动摩擦。齿面间的摩擦力的主要 影响因素有齿而接触压力，齿面摩擦系数以及滑动率等。 齿面接触压力不仅受到轮齿承受扭矩的影响，还受到齿形参数f 如压力角1 的影 响i 抻1 。渐扑线齿轮齿面的法向压力r 和齿轮传递的扭矩引扎受压力角d 的关系 只2 熹2 南 亿， c o s 口c o s ad -、 式中，威一啮合点k | 齿轮回转中心o 的距离。 因此，扭矩越大，压力角越丈，齿面的法向压力越大，所产生的摩擦力就越大， 齿面摩擦系数随转速和接触载荷的变化而改变，并且受齿轮啮台位簧、齿面 粗糙度以及润滑油动力粘度的影响。对于轮齿齿面的任意啮合位置k ，摩擦系数 可由下式表示i 驯 重庆大学硕士学位论文 2 高性能滤波驱动机构的结构 六观0 0 2 壤伽n o o 1 眈嚅瓦焉币而物7 ( 2 4 ) c o s a ! l y l + y 1 j k m u u u l， _ 、 式中，凡广一齿轮的切向载荷； 卜齿轮的齿宽； 繇- 齿面粗糙度因子； 俨_ 润滑油动力粘度因子。 若已知齿轮的齿面粗糙度j 和，粗糙度因子可由下式求出： 趔4 ( 等) 齿轮副相对滑动率是低速传动时决定齿廓磨损程度的关键因素之一，也决定 着齿轮间摩擦力矩的大小和方向，还影响着齿轮弹流润滑的非稳态效应【3 2 】。根 据相对滑动率的定义，两齿廓相对的相对滑动率( 1 、孕可分别表示为【3 3 1 厶：l i r i l 箜 坐：塑z 二堕! 蝎训 丛1嬲1 ：堕旦一1 ： ( 鱼) 一1 ( 2 5 ) a q l 岛 厶：l i m 箜二坐：塑! 二堕 蝇+ o s 2嬲2 ：旦旦一1 ：f 旦一1( 2 6 ) 岛吐岛 因此，齿轮副的相对滑动率受到齿轮传动比以及接触点曲率半径的影响 齿轮副中的啮合冲击和齿顶刮行 由于轮齿弹性变形、加工和装配误差的存在，致使轮齿在啮入和啮出的过程 中存在啮合冲击和刮行。冲击和刮行严重破坏齿轮的润滑油膜，造成齿轮温度升 高，甚至导致胶合失效；冲击发生在齿轮的齿顶，在齿根处产生很大的弯曲应力， 降低了齿轮的弯曲疲劳强度。如果不考虑加工和装配误差，影响齿轮变形、引起 冲击和刮行的主要原因是齿轮受载产生的弹性变形。 因此如果采用适当的齿轮修形技术、局部的改变轮齿曲线，不仅能够改善齿 面的压力分布，降低滑动率，而且对降低齿面摩擦力、改善齿轮润滑状态、提高 齿轮弯曲疲劳强度都是很有好处的。 2 4 2 滚珠与双联齿轮以及偏心轴间的摩擦 在滤波减速器中，将轴承与齿轮在结构上集成为一个紧凑的整体，在双联齿 轮内圆面和偏心轴上分别开滚道，双联齿轮除了起到齿轮的作用外还兼作轴承外 圈的作用，偏心轴同时还起到轴承内圈的作用，其结构如图2 5 。 重庆大学硕士学位论文 2 高性能滤波驱动机构的结构 图25 轴承- 齿轮实物图 f 嘻25s 锄叫e m a 对i i l l 髂0 fb e a r i “g - g e 计 滚动轴承的摩擦力矩及其稳定性是一项关键的性能指标，从轴承摩擦产生的 机理看，摩擦力矩是多种因素作用的结果。其主要来源以下几个方面【3 4 i ： 滚动中材料的弹性滞后引起的摩擦； 在滚动接触面上的差动滑动所引起的摩擦； 滚动体沿接触面中心法线的自旋滑动所引起的摩擦； 滑动接触部位的纯滑动摩擦； 润滑剂的粘性摩擦等。 保持架采用纳米氧化锌晶须改性聚四氟乙烯等高分子工程复合材料，重量轻， 摩擦小，具有自润滑性，若不计钢球和保持架的摩擦以及润滑剂的粘性摩擦，则 轴承摩擦力矩可由弹性滞后损失力矩 缸差动摩擦力矩尬及自旋