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Design and Dynamic Analysis of the Recirculating Planetary Roller Screw Mechanism

Chinese Journal of Mechanical Engineering 2022年第4期35卷 240-255页

作者： Guan Qiao Rong Liao Shijie Guo Zhenghong Shi shangjun ma Inner Mongolia Key Laboratory of Advanced manufacturing Technology Inner Mongolia University of TechnologyHohhot 010051China University of Cincinnati CincinnatiOH 45221USA Shaanxi Engineering Laboratory for Transmissions and Controls Northwestern Polytechnical UniversityXi’an 710072China

The recirculating planetary roller screw mechanism(RPRSM)is a transmission mechanism that engages the screw and nut threaded by multiple grooved *** this paper,frstly,the design method of RPRSM nut threadless area is proposed,and the equations related to the structural parameters of nut threadless area are *** this basis,the cross-section design method of roller,screw and nut is constructed according to the actual situation of engagements between the screw/nut and the *** adjusting the gap between the two beveled edges and that between the arc and the beveled edge,the accuracy of the thread engagements between the screw/nut and the roller can be ***,to ensure the engagements of the screw/nut and the roller,the distance equation from the center surface of the diferent rollers to the end surface of cam ring is ***,combined with the working principle and structural composition of RPRSM,the component model is established according to its relevant structural parameters,and the virtual assembly is ***,the 3D model is imported into the ADAMS simulation software for multi-rigid body *** dynamic characteristic is analyzed,and the simulated values are compared with the theoretical *** results show that the contact forces between the screw/nut and the roller are sinusoidal,mainly due to the existence of a small gap between the roller and the *** maximum collision forces between the roller and cam ring are independent from load ***,the collision force between the roller and the carrier increases as the load *** RPRSM is in the transmission process,the roller angular speed in nut threadless area begins to appear abruptly,and the position of the maximum change is at the contact between the roller and the convex platform of cam *** design of the nut threadless area and the proposed virtual assembly method can provide a theoretical guidance for RPRSM research,as well as

关键词： Recirculating planetary roller screw mechanism Nut threadless area Virtual assembly method Motion relationship Dynamic analysis

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铰链展开式构型航天器设计及其动力学仿真

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中国空间科学技术 2010年第6期30卷 49-56,71页

作者：马尚君刘更罗浩西北工业大学机电学院西安710072

基于航天器结构的模块化设计概念,设计了一种空间可展开航天器模块化结构构型,即铰链展开式构型。利用虚拟样机技术,建立了模块化本体和太阳翼虚拟样机模型。在空间失重环境下,分析了模块化本体和太阳翼在3种展开顺序下(本体各模块和太... 详细信息

基于航天器结构的模块化设计概念,设计了一种空间可展开航天器模块化结构构型,即铰链展开式构型。利用虚拟样机技术,建立了模块化本体和太阳翼虚拟样机模型。在空间失重环境下,分析了模块化本体和太阳翼在3种展开顺序下(本体各模块和太阳翼同时展开、太阳翼先展开本体各模块后展开和本体各模块先展开太阳翼后展开)对航天器姿态的影响,同时对比了不同扭簧参数对姿态角和展开时间的影响。仿真结果表明该模型可为未来高机动、多型态、多用途自适应变构型航天器的设计以及空间姿态控制提供技术支持和借鉴。

关键词：模块化设计铰链连接展开机构太阳翼姿态控制动力学仿真航天器设计

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行星滚柱丝杠副主曲率计算与接触特性分析

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机械工程学报 2020年第21期56卷 140-148页

作者：乔冠刘更马尚君内蒙古工业大学机械工程学院呼和浩特010051 西北工业大学陕西省机电传动与控制工程实验室西安710072

根据丝杠、滚柱和螺母螺旋滚道曲面特点,建立了通用化的法截面内零件的轮廓方程和滚道螺旋曲面方程。通过将滚道截面的原点定义在对应零件的中心轴上,避免了现有模型中将滚道截面原点定义在螺纹牙轮廓中心而带来的繁琐坐标变换问题。其... 详细信息

根据丝杠、滚柱和螺母螺旋滚道曲面特点,建立了通用化的法截面内零件的轮廓方程和滚道螺旋曲面方程。通过将滚道截面的原点定义在对应零件的中心轴上,避免了现有模型中将滚道截面原点定义在螺纹牙轮廓中心而带来的繁琐坐标变换问题。其次,利用微分几何原理推导了丝杠-滚柱接触侧和螺母-滚柱接触侧在相应接触位置的主曲率,与传统的基于等效球法计算行星滚柱丝杠副主曲率进行了对比。利用赫兹接触理论求解了滚柱与滚道间的主曲率差、接触椭圆面积及最大接触应力,并讨论了行星滚柱丝杠副结构参数对接触特性的影响规律。结果表明:丝杠和螺母滚道在某一主平面内的主曲率不是零,使用等效球模型计算主曲率会带来较大误差;增大螺纹螺距使得滚柱两接触侧的主曲率差变大,但几乎不影响接触椭圆的面积和滚柱螺纹曲面两接触侧的最大接触应力;增大法向牙侧角会使两接触侧的主曲率差和接触面积同时减小,但过大的法向牙侧角会导致接触应力和摩擦力增大。

关键词：行星滚柱丝杠副法截面螺旋曲面方程主曲率赫兹接触

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行星滚柱丝杠副摩擦力矩及传动效率研究

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哈尔滨工业大学学报 2013年第11期45卷 74-79页

作者：马尚君刘更佟瑞庭西北工业大学机电传动与控制陕西省工程实验室西安710072

以行星滚柱丝杠副为研究对象,基于赫兹接触理论和等效球的方法,分别计算了由材料弹性滞后、滚柱自旋滑动和润滑油粘滞阻力所产生的摩擦力矩,分析了接触角、螺旋升角和滚柱牙数对摩擦力矩的影响规律.在此基础上,建立了行星滚柱丝杠副传... 详细信息

以行星滚柱丝杠副为研究对象,基于赫兹接触理论和等效球的方法,分别计算了由材料弹性滞后、滚柱自旋滑动和润滑油粘滞阻力所产生的摩擦力矩,分析了接触角、螺旋升角和滚柱牙数对摩擦力矩的影响规律.在此基础上,建立了行星滚柱丝杠副传动效率计算模型,研究了丝杠转速和上述结构参数与传动效率的关系.结果表明,引起摩擦力矩的主要原因是滚柱的自旋滑动;丝杠转速增加导致传动效率呈递减趋势,相同丝杠转速下,较大的轴向载荷能获得较高的传动效率;较大的接触角能够减小摩擦力矩和提高传动效率;螺旋升角对摩擦力矩的影响很小,但能提高传动效率;增加螺纹牙数有利于提高承载能力,并降低总摩擦力矩.

关键词：行星滚柱丝杠摩擦力矩传动效率接触角螺旋升角

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基于运动发散分量动力学的双足机器人行走策略研究

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西北工业大学学报 2019年第6期37卷 1285-1293页

作者：董胜袁朝辉张建锐马尚君西北工业大学自动化学院陕西西安710129 陇东学院机械工程学院甘肃庆阳745000 西北工业大学机电学院陕西西安710072

基于线性倒立摆(LIP)模型,将双足机器人的多步行走等效成三维倒立摆的多次摆动,在运动发散分量(DCM)概念的基础上,研究了以质心(COM)和DCM表示的动力学方程。设计了2种DCM闭环控制器:一步DCM终值不变抗扰动控制器和实时DCM轨迹跟踪闭环... 详细信息

基于线性倒立摆(LIP)模型,将双足机器人的多步行走等效成三维倒立摆的多次摆动,在运动发散分量(DCM)概念的基础上,研究了以质心(COM)和DCM表示的动力学方程。设计了2种DCM闭环控制器:一步DCM终值不变抗扰动控制器和实时DCM轨迹跟踪闭环控制器。2种控制器都可以有效地抑制扰动,使实际机器人的DCM不发散,并使用其规划出了双足行走过程中的COM轨迹。依据COM轨迹和双腿末端轨迹推导了求解双足机器人逆运动学的数值方法,整体上完成了双足行走过程中从输入脚印到输出关节角度的整套求解问题,使双足步态规划的方法体系化。最后,结合一个普适机器人模型,针对文中的算法在maTLAB平台上进行了仿真,仿真结果验证了该新方法的有效性。

关键词：双足机器人线性倒立摆运动发散分量步态规划逆运动学

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考虑齿轮副啮合激励的滚柱螺纹动载荷分布

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华南理工大学学报（自然科学版） 2023年第11期51卷 119-130页

作者：许千斤马尚君牛茂东马腾龙西北工业大学陕西省机电传动与控制工程实验室陕西西安710072 西安鼎佰精密机电有限公司陕西西安710061

螺纹副和齿轮副同步啮合是行星滚柱丝杠传动的典型特征。为揭示齿轮副啮合激励以及滚柱绕丝杠轴线公转产生的惯性力导致螺纹副动载荷波动的规律,文中提出了一种考虑惯性力和齿轮副啮合激励的螺纹副动载荷分布计算方法。首先,根据圆柱碰... 详细信息

螺纹副和齿轮副同步啮合是行星滚柱丝杠传动的典型特征。为揭示齿轮副啮合激励以及滚柱绕丝杠轴线公转产生的惯性力导致螺纹副动载荷波动的规律,文中提出了一种考虑惯性力和齿轮副啮合激励的螺纹副动载荷分布计算方法。首先,根据圆柱碰撞理论、能量法和时变弹簧模型分别求解齿轮副啮入激励和时变啮合刚度激励,基于行星滚柱丝杠螺旋曲面方程求解滚柱-丝杠及滚柱-螺母接触侧静态接触力;然后,以滚柱为研究对象进行受力分析,依据螺纹副变形协调条件获得考虑齿轮副啮合激励的螺纹副动载荷分布规律,并与螺纹副动态接触有限元模型的计算结果进行对比,以验证理论模型的正确性;最后,分析惯性力及齿轮副啮合激励对螺纹副动态接触力大小及动载荷分布的影响。结果表明:惯性力导致滚柱-螺母侧的动态接触力大于滚柱-丝杠侧;考虑齿轮副啮合激励时,滚柱-丝杠侧的螺纹接触力随着螺纹数量的增大而减小,而滚柱-螺母侧的螺纹接触力随着螺纹数量的增大而增大;齿轮副啮合激励导致滚柱-丝杠及滚柱-螺母侧的螺纹接触力随着时间的变化发生相同规律的波动。

关键词：行星滚柱丝杠啮合激励有限元载荷分布

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行星滚柱丝杠副螺旋曲面啮合机理研究

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机械工程学报 2016年第3期52卷 26-33页

作者：付晓军刘更马尚君佟瑞庭西北工业大学陕西省机电传动与控制工程实验室西安710072

行星滚柱丝杠副是一种通过多个滚柱与丝杠及螺母之间螺旋曲面啮合传递动力与运动的传动机构。基于多头螺纹结构特点,建立了丝杠、滚柱和螺母螺纹的曲面方程。利用啮合曲面的连续相切接触条件,通过引入丝杠、滚柱或螺母螺旋曲面沿轴线移... 详细信息

行星滚柱丝杠副是一种通过多个滚柱与丝杠及螺母之间螺旋曲面啮合传递动力与运动的传动机构。基于多头螺纹结构特点,建立了丝杠、滚柱和螺母螺纹的曲面方程。利用啮合曲面的连续相切接触条件,通过引入丝杠、滚柱或螺母螺旋曲面沿轴线移动的矢量,提出一种行星滚柱丝杠副啮合点位置与轴向侧隙的计算方法。在此基础上,推导得出丝杠和滚柱与螺母和滚柱之间的啮合方程以及轴向侧隙公式,将该啮合方程与现有计算方法进行比较验证其正确性,并进一步分析了当丝杠、滚柱和螺母牙型角相同时行星滚柱丝杠副的啮合点位置、轴向侧隙以及啮合螺旋曲面之间的轴向间隙分布。结果表明:丝杠和滚柱的啮合点会偏向二者螺纹牙顶;螺母和滚柱的啮合点位于螺纹中径切点处;为实现无侧隙设计,丝杠、滚柱和螺母应具有不同牙厚。

关键词：行星滚柱丝杠副螺旋曲面啮合机理轴向侧隙

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误差-磨损-温度变化耦合的行星滚柱丝杠副载荷分布

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西北工业大学学报 2017年第4期35卷 655-660页

作者：马尚君李晓风刘更彭城郭辉西北工业大学陕西省机电传动与控制工程实验室陕西西安710072

为了揭示误差-磨损-温度变化耦合作用对行星滚柱丝杠副(PRSM)螺纹载荷分布的影响规律,基于变形协调关系,建立了计及误差、磨损和温度变化的PRSM载荷分布模型。通过与现有有限元模型和弹簧模型对比,最大相对误差为8.36%,表明所建模型正... 详细信息

为了揭示误差-磨损-温度变化耦合作用对行星滚柱丝杠副(PRSM)螺纹载荷分布的影响规律,基于变形协调关系,建立了计及误差、磨损和温度变化的PRSM载荷分布模型。通过与现有有限元模型和弹簧模型对比,最大相对误差为8.36%,表明所建模型正确且可用于载荷分布规律研究。在此基础上,研究了无误差、含误差和磨损、以及含温度变化的载荷分布规律。结果表明,误差是导致载荷不均和波动的主因;磨损加剧了载荷分布不均及波动;温度变化造成载荷分布规律发生变化并以中间螺纹为基准呈近似对称分布,且当温度变化达到80℃时,最大载荷增加了9.2%,可见温度变化会增大单个螺纹承载量并导致过载风险;温度变化为40℃时,载荷分布相对更加均匀,控制温度变化可作为改善PRSM载荷分布的有效方法。

关键词：行星滚柱丝杠副载荷分布误差磨损温度变化

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基于运动学分析的行星滚柱丝杠副应力循环规律

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华南理工大学学报（自然科学版） 2021年第9期49卷 135-144页

作者：姚琴刘永寿马尚君张猛创苏州科技大学机械工程学院江苏苏州215009 西北工业大学力学与土木建筑学院陕西西安710129 西北工业大学陕西省机电传动与控制工程实验室陕西西安710072 西北工业大学民航学院陕西西安710072 西北工业大学长三角研究院江苏太仓215400

行星滚柱丝杠副运动和力的传递是通过多个滚柱在丝杠和螺母之间的行星运动以及螺旋曲面的相互啮合来实现的。文中基于丝杠、螺母和滚柱的空间螺旋曲面特征,采用相应的参数方程建立了行星滚柱丝杠副的运动学分析模型;根据连续相切原理得... 详细信息

行星滚柱丝杠副运动和力的传递是通过多个滚柱在丝杠和螺母之间的行星运动以及螺旋曲面的相互啮合来实现的。文中基于丝杠、螺母和滚柱的空间螺旋曲面特征,采用相应的参数方程建立了行星滚柱丝杠副的运动学分析模型;根据连续相切原理得到了接触点位置,再由接触点的运动特性推导了行星滚柱丝杠副的结构参数关系。在此基础上,模拟了丝杠、螺母和滚柱的空间运动轨迹,进一步得到了零件螺纹牙上的应力循环规律,并对行星滚柱丝杠副的工作寿命进行预测。结果表明:丝杠与滚柱在接触点处具有相对速度,螺母与滚柱的接触点为速度瞬心;滚柱与螺母上每个具体接触点承受着稳定的脉动循环接触应力的作用,而丝杠上每个具体接触点承受着周期性变幅循环接触应力的作用。

关键词：行星滚柱丝杠副空间螺旋曲面运动学分析应力循环

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考虑滚柱偏斜的行星滚柱丝杠载荷分布计算方法

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机械工程学报 2024年第13期60卷 247-256页

作者：付晓军徐烨刘更李欣马尚君西北工业大学陕西省机电传动与控制工程实验室西安710072

滚柱在实际工作状态下不可避免的偏斜,会引起螺纹严重承载不均,是导致螺纹发生严重压溃失效的主要原因之一。针对现有静力学模型均基于螺母、丝杠和滚柱轴线相互平行假设的不足,提出了一种考虑滚柱偏斜及螺纹牙脱啮现象的行星滚柱丝杠... 详细信息

滚柱在实际工作状态下不可避免的偏斜,会引起螺纹严重承载不均,是导致螺纹发生严重压溃失效的主要原因之一。针对现有静力学模型均基于螺母、丝杠和滚柱轴线相互平行假设的不足,提出了一种考虑滚柱偏斜及螺纹牙脱啮现象的行星滚柱丝杠载荷分布计算方法。建立了包含滚柱相对螺母与丝杠偏斜的静力学模型,推导了计入各对螺纹牙啮合状态变化的刚度矩阵和平衡方程,给出多载荷步求解流程。通过与有限元模型在无误差及包含滚柱偏斜时的载荷分布计算结果对比,验证其正确性。分析了滚柱偏斜对行星滚柱丝杠螺纹牙啮合状态和载荷分布的影响规律。结果表明,滚柱偏斜角ϕq和ψq均会对螺纹牙间的载荷分布产生显著影响。合适的偏斜角ϕq能够改善螺纹牙之间的载荷分布。偏斜角ψq的增加会引起螺纹牙所受最大接触力的急剧增加。当|ψq|>1.0′时,螺纹牙会出现明显脱啮现象,且最大螺纹牙受力约为理想状态的3倍。

关键词：行星滚柱丝杠偏斜脱啮载荷分布弹性变形

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