考虑螺纹波纹度误差的行星滚柱丝杠副传动特性分析

作     者：吴龙勇 

作者单位：南昌大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈建锋;杜兴

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：行星滚柱丝杠副 非均匀表面波纹度 时变接触载荷 传动特性 

摘      要：行星滚柱丝杠副(planetary roller screw mechanism,PRSM)具有高承载、高效率、高精度和长寿命等优点,所以被广泛运用在航空航天、机器人、汽车、高精密机床和太阳能等高端设备中。为了提升传动机构的工作性能和使用寿命,零件的表面特性得到了广泛的关注。由于机床振动等因素,加工PRSM螺纹滚道会不可避免地产生非均匀表面波纹,使得丝杠-滚柱侧和滚柱-螺母侧的接触力呈现时变状态,导致PRSM摩擦、磨损以及疲劳寿命等特性发生变化。然而,目前关于螺纹表面波纹度误差对PRSM传动性能的影响研究较少。因此,本文以标准式PRSM为研究对象,采用理论分析和数值计算的方法对PRSM的啮合特性、承载特性、摩擦传动特性、磨损特性和疲劳寿命进行了深入研究,研究结果对设计和制造高性能PRSM具有较高的理论价值和工程意义。本文的主要研究内容如下: 1)将螺纹滚道的表面波纹度误差分解为轴向和周向,系统推导了丝杠-滚柱侧(SRI)和滚柱-螺母侧(RNI)丝杠、滚柱和螺母的波纹度模型;对PRSM进行运动学分析,建立考虑螺纹滚道波纹度误差的SRI处和RNI处的时变空间啮合方程,采用Newton-Raphson的方法对SRI处和RNI处的轴向间隙进行数值求解,并详细分析了单部分和所有部分零件螺纹滚道波纹度幅值和波纹度阶次对时变轴向接触间隙的影响。 2)基于时变轴向间隙,建立了考虑赫兹接触变形、螺纹牙变形、轴段变形的变形协调方程,在此基础上,推导了PRSM的时变载荷分布模型,采用数值计算的方法计算滚柱在丝杠侧和螺母侧的时变接触载荷,详细分析丝杠、滚柱和螺母螺纹滚道波纹度幅值和波纹度阶次对时变接触载荷的影响。 3)分析PRSM摩擦阻力的产生机理,基于时变接触位置和时变接触载荷,计算滚柱丝杠螺纹接触点的相对滑动速度和摩擦力矩,采用Lagrange方法建立PRSM动力学模型,利用数值求解的方法对传动过程中的动态摩擦力矩和传动效率进行求解,并详细分析了滚柱和丝杠螺纹滚道波纹度误差幅值和波纹度阶次对PRSM动态摩擦力矩和传动效率的影响。 4)在考虑到滚柱与丝杠之间复杂接触特性的基础上,采用有效接触系数对经典Archard磨损理论进行修正,基于时变接触载荷,建立PRSM的黏着磨损预测模型,计算滚柱螺纹牙经过600小时的累计磨损量,详细分析了滚柱和丝杠螺纹滚道波纹度误差对PRSM磨损特性的影响。 5)采用Lundberg-Palmgren寿命理论,基于时变接触载荷,计算滚柱在丝杠侧和螺母侧的额定载荷和平均载荷,建立用于预测PRSM疲劳寿命变化的分析模型,并详细分析了单部分和所有部分零件螺纹滚道波纹度误差对PRSM疲劳寿命的影响。