（农业机械化工程专业论文）偏心轮推杆行星传动强度理论研究.pdf

摘要 偏心轮推杆行星传动属于活齿少齿差传动， 它的推杆结构成功地解决了输入 轴与输出轴同轴的问题， 避免了复杂行星轮系的平行四边形输出机构和谐波传动 的柔轮， 显著缩短了运动链、 减少了运动传递的损失。 它具有传动比范围大、 传 动效率高、 承载能力强和结构紧凑等优点。 这些特征使偏心轮推杆行星传动在工 业上具有广阔的应用前景。 本文应用模糊可靠性理论、 有限元法、 优化设计等现代设计方法研究了偏心 轮推杆行星传动理论， 包括以下五个方面: a ) 运动学和效率研究; h ) 动力学模型 研究;c ) 强度和强度模糊可靠性研究:d 啮合刚度的研究:e 参数的优化设计。 用啮合功率法研究了传动效率问题， 对偏心轮推杆行星传动进行运动学和受 力分析，提出了其效率的计算方法， 推导出了计算公式。 根据结构力学中处理超静定结构的位移法和机械动态静力分析法， 提出了以 推杆微位移为基础的变形协调方程，建立了偏心轮推杆行星传动的动力学模型， 并给出了模型的求解方法。 探讨了偏心轮推杆行星传动的受力分析， 应用弹性力学赫兹应力理论给出了 各主要零件的应力计算公式和强度计算公式。 应用模糊可靠性理论研究偏心轮推 杆行星传动强度设计问题， 分析了 应力的随机性和许用应力的模糊性， 导出了相 应的模糊可靠度计算公式。 提出了偏心轮推杆行星传动啮合刚度的分析法。 建立偏心轮推杆行星传动的 有限元分析模型，用有限元软件全面分析了传动中各啮合零件的变形和啮合刚 度，得到了各个零件啮合刚度的变化规律。 研究了偏心轮推杆行星传动的优化设计问 题。 将人工智能搜索策略应用于偏 心轮推杆行星传动参数的优化设计， 针对设计中存在离散变量优化问题， 提出了 一种不同于传统数学规划方法和建造相应的面向 对象专家系统的构想。 关键词: 偏心轮;受力分析; 强度; 模糊可靠性;动力学模型; 效率; 啮合刚度;优化设计 ab s t r a c t t h e e c c e n t r i c w h e e l p u s h r o d p la n e t a r y t r a n s m i s s i o n b e l o n g s t o t h e a c t i v e t o o t h t r a n s m i s s i o n w i t h a f e w d i ff e r e n c e o f t e e t h . wh i c h p u s h r o d f r a m e h a s s u c c e e d e d i n s o l v i n g t h e p r o b l e m s a b o u t t h e i n p u t s h a ft a n d t h e o u t p u t s h a f t i n t h e s a m e a x i s . i t a v o i d s t h e p a r a l l e l o g r a m m i c a l o u t p u t m a c h i n e w i t h a c o m p l i c a t e d p l a n e t a r y w h e e l s y s t e m a n d t h e fl e x i b l e w h e e l o f r e s o n a n c e w a v e t r a n s m i s s i o n , s h o r te n s t h e m o v e m e n t c h a i n o b s e r v a b l y a n d r e d u c e s t h e l o s s o f m o v e m e n t t r a n s f e r . i t h a s m a n y a d v a n t a g e s , s u c h a s s t r o n g l o a d - c a r r y i n g c a p a c i t y , h i g h t r a n s m i s s i o n e ff i c i e n c y , l a r g e a n g u l a r v e l o c i t y r a t i o , s m a l l i n s i z e a n d s tr u c t u r e , e t c . a l l o f t h e s e c h a r a c t e r i s t i c s m a k e t h e e c c e n t r i c w h e e l p u s h r o d p l a n e t a r y t r a n s m i s s i o n h a v e w i d e a p p l i c a t i o n p r o s p e c t s a n i n d u s t r y . t h e m o d e r n d e s i g n m e t h o d s , s u c h a s t h e t h e o r y o f f u z z y r e l i a b i l i t y , t h e f i n i t e e l e m e n t m e th o d a n d t h e o p t i c a l d e s i g n , a r e i n t r o d u c e d t o s t u d y t h e t h e o r y o f t h e e c c e n t r i c w h e e l p u s h r o d p l a n e t a r y t r a n s m i s s i o n s y s t e m a t i c a l ly . t h i s d i s s e r t a t i o n i n c l u d e s t h e f o l l o w i n g f i v e a s p e c t s . f ir s t l y , t h e r e s e a r c h o f k i n e m a t i c s a n d t r a n s m is s i o n e f f i c i e n c y ; s e c o n d l y , t h e r e s e a r c h o f d y n a m i c m o d e l ; t h i r d ly , t h e r e s e a r c h o f s t r e n g t h a n d s t r e n g t h o f f u z z y r e l i a b i l it y ; f o u rt h l y , t h e r e s e a r c h o f e n g a g i n g s t i f f n e s s ; l a s t l y , t h e r e s e a r c h o f o p t i m a l d e s i g n o f p a r a m e t e r . t h e e f f i c i e n c y o f e c c e n t r i c w h e e l p u s h r o d p l a n e t a r y t r a n s m i s s i o n i s s t u d i e d b y t h e m e t h o d o f e n g a g i n g p o w e r . t h e k i n e m a t i c s a n d f o r c e a n a l y s e s o f t h e t r a n s m i s s i o n a r e g i v e n . t h e m e t h o d t o c a l c u l a t e t h e e f f i c i e n c y i s p r o p o s e d a n d t h e c o r r e s p o n d i n g f o r m u l a e f o r e v a l u a t i n g t h e e f fi c i e n c y a r e d e r i v e d . a c c o r d i n g t o t h e m e t h o d f o r f o r c e a n a l y s i s o f s t a t ic a l l y i n d e t e r m i n a t e s t r u c t u r e a n d t h a t o f c o m m o n p la n a r m e c h a n i s m s , t h e s t r u c t u r a l d e f o r m a t i o n c o o r d i n a t i o n e q u a t i o n s , w h i c h a r e b a s e d o n t h e m i c r o d i s p l a c e m e n t o f m o v a b l e p u s h r o d , a r e p u t f o r w a r d . me a n w h i le , t h e d y n a m i c m o d e l o f e c c e n t r i c w h e e l p u s h r o d p l a n e t a r y t r a n s m i s s i o n i s w e l l e s t a b l i s h e d a n d t h e m e t h o d f o r s o lv i n g t h e m o d e l i s g i v e n . t h e f o r c e a n a l y s i s o f e c c e n t r i c w h e e l p u s h r o d p l a n e t a r y t r a n s m i s s i o n i s i n v e s t i g a t e d . t h e c a l c u l a t i o n f o r m u l a e o f s t r e s s a n d s t r e n g t h f o r v a r i o u s m a i n p a r t s a r e d e r i v e d b y a p p l y i n g t h e h e rt z s t r e s s th e o r y o f t h e s t r e t c h m e c h a n i c s . t h e t h e o r y o f f u z z y r e l i a b i l i t y i s a p p l i e d t o s t u d y t h e s t r e n g t h d e s i g n o f e c c e n t r i c w h e e l p u s h r o d p l a n e t a r y t r a n s m i s s i o n , t h e r a n d o m n e s s o f w o r k i n g s t r e s s a n d t h e f u z z i n e s s o f a l l o w a b l e s t r e s s a r e d i s c u s s e d . a n d t h e c o r r e s p o n d i n g f o r m u l a e o f c a l c u l a t i n g t h e 1 1 f u z z y p r o b a b i l i t y a r e p r e s e n t e d . t h e m e t h o d t o a n a l y z i n g t h e m e s h i n g s t i f f n e s s o f e c c e n t r i c w h e e l p u s h r o d p l a n e t a r y t r a n s m i s s i o n i s p u t f o r w a r d . t h e fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s mo d e l o f e c c e n t r i c w h e e l p u s h r o d p l a n e t a ry t r a n s m i s s i o n i s e s t a b l i s h e d . t h e r e l a t i o n b e tw e e n d e f o r m a t i o n a n d f o r c e , a n d t h e e n g a g i n g s t i f f n e s s o f a l l t h e m e s h i n g p a r t s i n t h e t r a n s m i s s i o n a r e a n a l y z e d b y u s i n g t h e f i n i t e e l e m e n t s o ft w a r e . t h e c h a n g i n g r u l e s o f m e s h i n g s t i f f n e s s o f t h e s e p a r t s a r e o b t a i n e d . t h e o p t i m a l d e s i g n o f e c c e n t r ic w h e e l p u s h r o d p la n e t a r y t r a n s m i s s i o n i s d i s c u s s e d . t h e a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e s t r a t e g y t o t h e o p t i m u m d e s i g n o f p a r a m e t e r i n e c c e n t r ic w h e e l p u s h r o d p la n e t a r y t r a n s m i s s i o n i s d e s c r i b e d . a s e t o f a p p r o a c h e s q u i t e d i f f e r e n t f r o m t h e t r a d i t i o n a l m a t h e m a t i c a l p r o g r a m m i n g m e t h o d i s p r e s e n t e d b y s e t t i n g u p s t a t e s p a c e o f d i s c r e t e 一v a r i a b l e s t o w h i c h t h e i n t e l l i g e n c e s e a r c h s t r a t e g y i s a p p l i e d . t h e o b j e c t - o r i e n t e d e x p e r t s y s t e m f o r t h i s i s d e v e l o p e d k e y wo r d s : e c c e n t r i c wh e e l ; d y n a m i c mo d e l ; f o r c e a n a ly s i s ; s t r e n g t h ; f u z z y r e l i a b i l i t y ; e ff i c ie n c y ; e n g a g in g s t i f f n e s s ; o p t i c a l d e s i g n i l l 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究上作及取得的研 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， 也不包含为获得湖南农业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对木研究所做的任何贡献均 已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研 究 生 签 名 : 手 “ ” 时间:rte y年 月 沙日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解湖南农业大学有关保留、 使用学位论文的规定， 即: 学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅， 可以采用影印， 缩印或 扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 同意湖南农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守 此协议) 、 研 “ 生 签 “ : 季 ，、 时间: 时间: wa y年 月 ; 日 导师签名: 间 ，j 一 年 b 月 侈 日 o l1言 1课题的目的和意义 应用新技术、 开发新型高性能传动元件以适应工业生产对通用机械传动装置 更 新换代的需要，一直以 来都是传动机械学领域中的重要研究课题l , _ ,活齿传 动是近年来为适应工业生产对通用机械传动装置更新换代的需要而发展起来的 一 种新型高性能传动，它用于传递两同轴间回转运动的新型少齿差行星齿轮传 动。 活齿传动应用一组中间活动构件活齿来实现两同轴之间的转变换， 突破 了长期以来齿轮传动的传统结构特征， 改行星齿轮的轮齿与轮体的刚性联接为运 动副活动联接， 使行星齿 轮的全部轮齿成为一组作循环运动的独立运动体。 活齿 与活齿架组成活齿轮， 它改行星齿轮的行星运动为活齿轮绕固定轴线的转动， 而 使各活齿在活齿架的导槽中按一定的规律运动或使各活齿绕固定在活齿架上的 柱销摆动， 从而实现行星齿轮作行星运动的功能。 活齿传动的这一结构特征使其 与一般少齿差渐开线行星齿轮传动和摆线针轮行星传动相比， 省去了w 运动输出 机构， 使运动链显著缩短，克服了 一 般少齿差行星齿轮传动、 行星齿轮轴承寿命 短的问题， 使活齿传动具有传动比范围大、 传动效率高、 承载能力强和结构紧凑 等优点刽 。 偏心轮推杆行星传动( 或称为 变速传动轴承) 作为活齿传动中的一 种， 它的推杆结构成功地解决了 输入轴与输出轴同轴的问 题， 避免了复杂行星轮系的 平行四边形输出机构和谐波传动的柔轮， 显著缩短了 运动链、 减少了 运动传递的 损失， 提高了传动效率， 是一种具有 一 开发前景的新型传动装置。 偏心轮推杆行星 传动可广泛应用于轻工、 化工、电子仪器、 纺织、印染、矿山、 起重运输机械及 机床，对自 动控制的生产流水线尤为适宜。 本文在偏心轮推杆行星传动的研究中引入了 模糊可靠性设计法、有限儿法、 优化设计等现代设计方法， 主要研究了偏心轮推杆行星传动的效率、 动力学模型、 强度、 刚度等， 并运用人工智能搜索策略对其参数进行优化设计。 研究成果对于 提高偏心轮推杆行星传动的传动效率和承载能力， 减少传动尺寸， 提高设计水平 和设计质量等都有重要意义。 2偏心轮推杆行星传动的发展概况 2 . 1活齿传动的发展概况 活齿传动是一种由 k - h - v 型少齿差行星齿轮传动演化而成的新型齿轮动。 这种传动最初的结构方案早在二十世纪三十年代就己 经提出 川 。 四十年代德国 将 活齿传动技术应用于汽车的 转向 机构中【月 。 六十年代前后， 美国、前苏联、 英国 等国先后进行研制应用幻 。前苏联研究了柱塞传动( 活齿传动的一 种型式) ， 发表 了活齿传动方面的论文; 美国提出了 推杆活齿减速器传动装置; 英国推出了 滑齿 减速器; 八十年代， 前苏联学者推出了另一种活齿传动型式即正弦滚珠传动， 并 研究了其运动学、 啮合几何特性等“ 。前苏联还将正弦滚珠减速器用于石油钻探 中， 成功地解决了涡轮钻具转速过高的难题。 英国也曾对活齿传动减速器进行了 系列生产， 单级传动的 传动比 为2 0- 8 0 ， 效率ry ;z 0 .8 6 -0 . 8 7 ， 也有双级和三级传动， 功率n l 所以两式等号右边有i 二旦l i 二旦l r l l a + b 叩2 a + b 即q 2 1 7 1 由f 7 户口，得出推杆移动副单面接触受力比双面接触受力的传动效率高，所 以创造条件使推杆移动副形成单面接触受力是减少推杆移动蓟摩擦损失，提高传 动效率的重要途径。 2 - 3 提高传动效率的措施 2 _ 3 1 传动效率与影响效率的因素 前面分析得到的效率是任一瞬时的，从一个齿进入啮合的起始位置到退出啮 合的起始位置这段时间内，由于啮合点位置的改变，将引起啮合效率的变化。为 此，将这段时间( 扛2 z i ( z x 盘) ) 平均分成 等分，取这个位置的啮合效率的 i f 均值作为理论啮合效率，即：叩= y 且。用m a t l a b6 5 编程分别计算当偏心轮 = ” 半径、滚柱半径、偏心距、摩擦系数变化时传动效率与各参数的变化关系可知， 偏心轮半径、滚柱半径对传动效率的影响很小，而且传动效率随这些参数的增大 而减小。但最小偏心轮半径和滚柱半径受结构强度的限制。从图1 1 0 可以看出， 传动效率并非为偏心距的单调函数。偏心距从2 o m m 增加到1 0 o m m 的过程中， 有一对应效率最大和最小的偏心距e = 5 4 r a m 和e = 2 8 r a m ，这一结果对提高偏心 轮推杆行星传动的效率有较重要意义。由图】1 l 可知，摩擦系数对传动效率影 f o ; fq ,c o s ( a一 v 3 ) l c o s ( y十 v ) 于是推杆单面接触的传动效率方程式为: i 一 t a n v 2 t a n ( 刀 ， + v , ) l 1 + t a n v z t a n ( a ， 一 y i s ) l 或 1 = 1 一 冲 2 77 2 t a n y / 2 t a n ( a ， 一 妈) + t a n s0 2 t a n ( y , + y n ) ( 1 - 3 0 ) 比较推杆单面、双面接触的传动效率方程式( 1 - 2 7 ) 和式( 1 - 3 0 ) 。 令t a n vv 2 ta n ( a ， 一 iv 3 ) = a , t a n gr , t a n ( y , + y n )= b 。_ 、 。 _ 、( k + 1 ) 困 阴八 寺 亏况 砚 们 1 1 又 k 一1 ) 所 以 两 式 等 号 右 边 有 止 匕 171 一 r 7 , a+ b 1 一 7 7 2 77