【doc】特种螺旋传动机构的研究

【doc】特种螺旋传动机构的研究 特种螺旋传动机构的研究 第39卷第10期机械 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 Vo1.39No.10 2003年l0月CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERINGOct.2003 特种螺旋传动机构的研究木 梁锡昌蒋建东李润方陈小安 (重庆大学机械传动国家重点实验室重庆400044) 摘要:迄今为止,机械工程界对螺旋传动机构仅研究和使用了输入旋转,输出直线运动的一面,很少系统地研究 其另一面,即输入直线运动时,输出旋转运动,这也是一种基本传动.着重于研究这种传动的原理,传动计算, 结构优化,并针对工程应用实例进行关键结构参数的优化,根据传动机构振动性能的要求,利用MCAE软件的有 限元分析模型对这种新型传动机构进行了动态性能的研究. 关键词:特种滚动螺旋传动有限元动态性能 中图分类号:TH132 0前言 螺旋机构是一种广泛应用的传动机构,但是, 人们比较全面地研究了它的一个方面,即输入旋转 运动,输出直线移动【l】.它还有另外一面,即输入 直线运动,输出旋转运动.后一种传动也是一种基 本传动,这里称为特种螺旋传动机构.经过多年的 研究,这种传动机构达到了工业应用阶段. 1特种滚动螺旋传动原理及传动计算 按摩擦副形式的不同,可以将特种螺旋传动机 构分为特种滑动螺旋传动机构和特种滚动螺旋传动 机构两大类.滑动摩擦副的耗损较大,传动效率较 低,而滚动摩擦因数较小,约为0.002"0.004.与 滑动摩擦副相比,滚动摩擦副有着明显的优势,因 此,这里着重介绍特种滚动螺旋传动机构. 1.1机构传动原理 图1是以OO为轴线的特种滚动螺旋机构的展 开图.当螺杆1在力,的作用下直线移动时,经螺 旋面上的钢球带动滚动螺母2作旋转运动,特种 螺旋机构相当于升角很大的多头滚珠丝杆. 1.2机构传动计算 (1)运动计算 根据图1所示,若螺旋套的中径为D,在推力 F作用下,螺旋轴移动时,由位移三角形可知, 螺旋套输出的转角为 : Dtan (1), 图1特种滚动螺旋机构展开图 1.滚动螺杆2.滚动螺母3.止推轴承 4.滚动花键,口-一机构的螺旋升角 由式(1)对时间t一次求导,得到角速度? :—一(21D tan口 (2)动力计算 当螺旋轴受到力,时,螺旋套中径上的圆周 力为 =Ftana(3) 考虑传动中的摩擦损失等因素,设其传动效率 为,则螺旋套输出的转矩为 M:—rlFD — tana(4) 2 可以看出:当a>45o时,机构为增力传动机 构,当a>45.时,机构为减速传动机构. 因此,螺旋升角是影响这种机构性能的主要参 数,如图2所示.当机构的轴向输入行程一定时, a 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 得越大,及圆周力越大;a越大时,输 它 鼍 ' 2 国 00 家 21 自 0 然 17,2 D2 00 ' 30407 基金(4Ho)资助项目.图 2一机构性能与螺旋升角的关系收到初稿,收到修改稿图L倒1r土日E与骤肥,r 用删天乐 2003年10月梁锡昌等:特种螺旋传动机构的研究 出的转角及?越小.当a很小时,如a等于滚 动摩擦角时,这种机构的效率为0,随着a的增大, 其传动效率可升至0.98. 2特种滚动螺旋传动机构的结构设计 2.1串行特种滚动螺旋传动机构 图3为特种滚动螺旋传动机构【】的结构.螺旋 副由螺杆,螺旋套及钢球组成.当外力F使螺杆 轴向移动时,钢球在升角为的螺旋槽内滚动,带 动螺旋套输出转动.为防止螺旋套轴向移动,需配 置止推轴承;为防止螺杆转动,需配置滚动花键副 (由直花键轴,直花键套和钢球组成).螺杆与直花 键为一整体.直花键套固定在机座上,工作时固定 不动.由于特种滚动螺旋机构产生很大的输出力 矩,因此,它会产生很大的反作用力矩,反作用力 矩由螺旋套传给螺杆,花键轴,再传给直花键套, 最后传到机座上. 圈3串行特种滚动螺旋传动机构 1.螺杆2.螺旋套3.6.钢球4.止推轴承 5.直花键套7.直花键轴 这种将螺旋副和花键副沿轴向布置的结构,称 为串行特种滚动螺旋结构.串行结构的优点是径向 尺寸很小,适合于径向尺寸受限制的场合. 2.2并行特种滚动螺旋机构 图4为螺旋副和花键副沿径向布置的方案,称 为并行结构【3】.图中内套和中间套上的直花键及钢 球组成花键副:中间套的外圆面和外套的内壁做有 螺旋槽,中间套和外套,钢球组成螺旋副.在轴向 力F的作用下,中间套轴向移动,从而经钢球带 动外套输出转动;端盖固定在机座上,内套固定在 端盖上,外套通过止推轴承固定在端盖上.止推轴 承限制外套只能转动不能移动,花键副限制中间套 只能移动而不能转动.并行结构的优点是机构的长 度较短,但外径相对较大. 2.3串行双特种滚动螺旋机构 设若将直花键副做成螺旋副,得到在一定的移 动距离时,输出转角倍增的双特种滚动螺旋传动机 构.图5为串行布置双滚动螺旋机构,第二螺旋副 的旋向与第一螺旋副相反,螺旋升角为.这样, 当外力F作用在端面上时,经止推轴承使螺杆轴 向移动,由于第二螺旋副的外套固定在机座上不 动,此时螺杆将绕自身轴线转动. 图4并行特种滚动螺旋机构 1.内套2.中间套3.外套4,5.钢球 6.止推轴承7.端盖 图5串行双特种滚动螺旋机构 1.端面2.止推轴承3.螺杆4.螺旋套 5.7.钢球6.外套 设螺杆仅作移动,当移动一段距离后,输出外 套的转角为.再加上螺杆在沿轴向移动同样距离 时还要转过,所以,输出外套的转角为+. 2.4并行双特种滚动螺旋机构 并行布置的双特种滚动螺旋传动机构如图6所 示.当轴向力F经止推轴承推动中间套轴向移动 时,中间套与内套组成的螺旋副将推动中间套转 动,中间套与外套又组成螺旋副,同理,外套输出 的转角等于两套螺旋副输出转角之和. 圈6并行双特种滚动螺旋机构 1.端面2.止推轴承3.内套4.中间套 5,外套6,7.钢球8.端盖 3特种滚动螺旋传动机构实例的实体 模型 根据某工程应用实际,设计加工出串行特种滚 动螺旋传动机构的样机如图7,全长为315一ITll'rl, l08机械工程第39卷第lO期 直径为75II1ln,螺旋升角为7O.,螺旋头数为l4, 钢球直径5II1In,粒数为7O,额定输出转矩3360 N?m.rfl.输入轴由液压缸驱动.在SUN工作站上 利用MCAE(Mechanicalcomputeraidedengineering) 软件进行三维实体造型,机构上的耳片A,B,C, D与机座固连,由耳片E,F输出摆动. 图7实例机构三维实体模型 4特种滚动螺旋传动机构实例关键参 数的设计优化 上述设计的优化目标是:输出转矩尽可能 大,长度尽可能短,重量尽可能轻.大致上看,特 种滚动螺旋传动机构的重量与长度成正比关系,所 以长度和重量目标可以统一为长度目标. 本机构的设计优化是一个多目标优化问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,应 根据不同的设计情况对输出转矩和机构长度的侧重 不同,采用线性加权法把两个目标函数加起来作为 总的目标函数.总的目标函数为 F(D,d,di,口,P,,,17)= M(D,d,di,口,r/,p)+L(t,di,)(5) j=rTc(D2-d2)diprltanct(6)【:2l+di住m口 式中M(D,d,di,口,r/,p)——输出转矩M的目标 . 函数 L(t,di,口)——机构长度的目标函 数 , —— 加权因子 D——液压缸直径 d——活塞杆直径 d;——螺旋副中径 P——油压 口——机构螺旋升角 r/——效率系数 ,_止推副长度 优化目标函数的主要约束条件: (1)螺旋升角口和输出转角(由工程应用条件 确定)的限制.它们的关系 0?—:._一 ditan口 (2)由滚动轴承设计可知,螺旋副的中径为 di=dl一28一d2 式中d.——螺旋套外径 —— 钢珠直径 —— 钢柱与外套之间的间隙距离,则滚动 副齿数为 . di Z=—— 1.52 (3)传动效率,『(设计中忽略滚道滚珠摩擦,止 推副传动效率设为0.98) ,7 latl(~(7),7') 式中p——当量摩擦角 (4)按照机构结构的强度和刚度条件决定的直 旋套和螺旋套的壁厚的约束条件. 5特种滚动螺旋传动机构实例的有限 元简化模型 由于特种滚动螺旋传动机构实例的实际结构十分 复杂,要对其进行准确的分析十分困难,这里对它做 大量合理的简化后进行初步分析,其分析结果仍具有 较高的可信度,从而达到把握整体性能的目的. 运用惯性等效原则和弹性等效原则,得出相应 的质量等效 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 和弯曲刚度等效公式.然后将特种 滚动螺旋传动机构从左到右人为地分割成若干段, 每一段用一段质量均匀分布的等截面梁代替,每段 梁的当量长度不变,而其截面尺寸用等效公式计 算,这样可得到一根"非等圆(环)截面连续梁", 这根梁的总质量和弯曲刚度与本机构的总质量和弯 曲刚度基本相等. 由图8可见,特种滚动螺旋传动机构分别由不 同零件相连接和嵌套构成,机构中段的划分主要是 在零件横截面改变处和相嵌套的零件材料不同或不 接触处进行,简化措施主要有:?不考虑间隙,如 滚珠与滚道间,把滚珠质量平分为二计入相应的轴 和套.?不考虑密封圈的影响.?各耳片处因截面 (a)部分机构原截面(b)等效截面 图8机构某段截面等效转换图 2003年l0月梁锡昌等:特种螺旋传动机构的研究 突变而单独分段.?忽略众多细节,如零件的倒角 和圆角等. 图8a为特种滚动螺旋传动机构的某一小段的 横截面图,其材料有l,2两种;图8b为经等效原 则后得到的悬臂梁的横截面图,3为l,2两种材 料转换后的等效材料.设等效前后的长度均为f,P 为材料密度,为弹性模量,为圆环横截面面积, m为轴,套的质量.截面惯性矩,岛为弯曲刚度 (f—l,2,3,为等效前后的三段轴和套的标号). 由质量,弯曲刚度等效原则可得 』ml23』plSll+P2S2P33(8)lk l+k2:七3【Elfl+E2I2:E3I3一 又因为 S.=7c(;一d2)/4,.=7c(:一d;)/64 S::x(d一d~)/4::7c(;一d:)/64(9) S3:x(D;一D2)14,3:7c(D一D4)/64 若三种材料中至少有两种相同,则式(1O)可进 一 步简化.对于多个零件嵌套的特种滚动螺旋传动 机构小段,不论零件材料异同和是否接触,其简化 原则相同,等效公式也可按此类推.运用等效公式 (1O),经过大量的计算,机构实体模型共可得到33 组梁截面参数,共51段等效梁.最后特种滚动螺 旋传动机构简化为一根"非等圆环截面连续梁", 如图9所示. 图9机构的有限元简化连续梁模型 6特种滚动螺旋传动机构实例的有限 元分析模型 获得图9所示的简化模型以后,在SUN工作 站上应用MACE软件建立特种滚动螺旋传动机构 的有限元分析模型.首先,利用有限元建模模块产 生33个梁截面,以及在各段梁的两端分别产生52 个节点;再次是从左到右,每两个节点间产生一个 空间梁单元:最后施加边界条件,因为固有频率与 载荷无关,所以边界条件只有约束条件.不施加约 束条件时,每个节点有,Y,z,xy,yz,6自 由度,因此52个节点共有3l2自由度;特种滚动 螺旋传动机构处于悬浮状态,有6个刚体模态,即 沿,,z轴方向的三个平动和沿轴线的三个转动. 由于上述有限元分析模型的刚度阵k是奇异 阵,因此在图7中,假设将A,B,C,D四个耳 片固定在机座上,对它们施加位移约束,假定四个 耳片处为刚性固定连接,将上述8个节点的,Y, z,xy4自由度限死,允许位移为零.最后得出的 有限元分析模型如图lO所示. 图lO机构的有限元分析模型 7特种滚动螺旋传动机构实例模态研究 特种滚动螺旋传动机构作为一种通用的传动驱 动部件,其机构轻薄,工作环境恶劣,承受着强冲 击和动载荷,因此机构必须要具有良好的动态性 能.在实际工程应用中,特种滚动螺旋传动机构作 为执行机构,它的振动环境主要是原动机噪声对机 构的激励和工作环境下其他振动的激励等. 在设计阶段进行其动态性能的模态分析可以进 行初步 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 ,并为结构动态优化设计指明方向.这 里利用MCAE软件进行固有频率和固有振型的计 算分析. 7.1特种滚动螺旋传动机构的固有频率 设特种滚动螺旋传动机构的载荷谱的频率范围 为O,2000Hz,因此采用同步矢量迭代法(svi法), 只需求出频率范围为O,10000Hz以内的模态, 以此为迭代求解的搜索范围.由以往的经验估计, 特种滚动螺旋传动机构(简化模型)的固有频率较 大,且全部模态总数为280个(总自由度减去约束死 的自由度,即312-8x4=280),故所需的0"--2000Hz 范围内的模态肯定为全部模态的部分.最后求解共 求得8个模态,其8阶固有频率见下表所示. 表特种滚动螺旋传动机构的前8阶固有频率 模态阶数固有频率,/Hz模态阶数固有频率,/Hz ll钙I254738 2l89264738 3346177889 4346187889 7.2特种滚动螺旋传动机构的固有振型 前8阶固有振型见图ll所示. DD 一一 DD E :: 一一 E ++ 一一 ll0机械工程第39卷第l0期 L;LL I竺三— 1竺三L兰 I竺竺上 图l1机构的前8阶固有振型 动态性能的分析看出: (1)从上表看出,特种滚动螺旋传动机构的一 阶固有频率为1892Hz,落在载荷谱范围O,2000 I-Iz内,接近其上限2000Hz,满足此工程应用对 机构的固有频率要求. (2)由图7看出,因为简化梁模型关于X轴对 称,故其在平面和平面内的横向振动完全一 样,固有频率和固有振型成对出现. 以上的模态分析仅是初步分析和计算,其固有 特性的好坏还不能作出定性的结论,这还有待于建 立三维有限元的精确模型进行准确的计算,并辅之 机构样机的试验模态分析,以使更加完善. 7.3特种滚动螺旋传动机构动态特性测试 研制出样机后,进行了样机的动态特性测试试 验.试验系统由样机,脉冲激励锤(B&K2635),压 电加速度传感器(B(I?K4347),电荷放大器(B(I? K2635)和动态分析仪(CF.355)组成,分别在A,B, C,D四块固定耳片的8个节点上施加激励,得到 所需点的频响特性和相干函数,如图l2所示.虽 然机构内部的螺旋轴存在较明显共振区,主要与螺 旋轴悬臂外伸,比较细长有关,因此在外部附加支 撑,可以使该阶振动受到抑制,整个机构的振动特 性得到改善. 2' 兽1? 蔷?. 麓0. 罂.. 纛 lt .' 嚣o. 0. 霉 0. 蠢囊囊事/k}k蠢囊囊睾~/klJa (a)囊晌i量(b)相千i量 (at囊在花?井??.响应在?冀套中部) 图l2样机的频响特性和相干函数? 8结论 特种滚动螺旋传动机构的优点如下. (1)全圆周螺旋槽参与传动,输出很大的力矩; 全滚动摩擦,传动效率高. (2)传动零件数少,结构简单,机构尺寸小. (3)纯转矩传动,并具有滚动轴承的功能. (4)经实际样机的动态性能分析和动态性能试 验表明,机构具有良好的动态性能. 特种滚动螺旋传动机构的不足之处为:它只能 输出一定角度的摆动,不能输出连续转动. 特种滚动螺旋传动机构适用于舰船舵面转动, 各种飞行器的翼面转动,雷达的摆动,闸门和船舱 门的开关等场合. 参考文献 l程光仁.滚珠螺旋传动设计基础.北京:机械工业出版 社,1987 2梁锡昌,蒋建东.一种直径很小的减速器.机械传动,2002, 26(1):l,3 3LiangXC.TheresearchofthereducerbasedonR-S-R mechanism.In:lCM,2oo1:352,355 4螺旋减速器.中国实用新型专利,ZL01256873.2 RESEARCHoNASPECLSCREW TRANS?SSIoN哐CHANISM LiangXichangJiangJiandong LiRunfangChenXiaoan (ChongqingUniversity) Abstract:Nowadaysthe$glt~Wtransmissionisstudiedand applied,butitislimitedtoonefacetthattheoutputmemberis linearmotionwhentheinputmemberisrotatingmotion.Little hasbeendonefortheoppositefacetthattheoutputmemberis rotatingmotionwhentheinputmemberislinearmofio~which isallelementarystyleoftransmission.neprincipleofthe transmission,kinesis,andalloptimiTafionofstructureiSstudied mainly.Asanexample,thespecialball8crewtransmission mechanismisoptimizedwithkeyparametersandistria1. manufactured.Onacoountofdynamicperformancesofthe mechanism,themechanismiSstudiedwiththemethodofthe finiteelementmodelbythesoftwareMCAE. Keywords:Specialballscrewtransmission Finiteelement Dynamic:performance 作者简介粱锡昌,男,1934年出生,教授.博士生导师.