反向式行星滚柱丝杠副的螺纹牙修形设计

基于反向式行星滚柱丝杠副(Inverted Planetary Roller Screw Mechanism,IPRSM)的螺纹牙载荷分布情况,分析了滚柱修形和丝杠修形对其载荷分布的影响。结果表明,丝杠-滚柱接触侧的载荷不均程度比长螺母-滚柱接触侧严重,对滚柱修形后,最大接触应力以及最大载荷得到了有效降低,螺纹牙上的载荷分布更加均匀;而长螺母-滚柱接触侧对修形量变化较丝杠-滚柱接触侧更加敏感。同样,丝杠修形可有效降低最大载荷。研究对优化IPRSM的载荷分布具有一定的参考意义。

基于热误差补偿的行星滚柱丝杠综合性能试验台设计与分析

行星滚柱丝杠综合性能是丝杠性能的主要指标,现有测试系统多以静态测量法进行测量,操作复杂且偶然误差较高。通过对行星滚柱丝杠综合性能动态测试系统的试验原理、硬件设计、软硬件通讯、软件界面结构的研究,设计了一套行星滚柱丝杠综合性能动态测试系统。基于LabVIEW设计上位机人机交互与控制监测软件对丝杠热伸长量进行了检测,并使用最小二乘法分析丝杠温升与位移的关系,对定位精度试验进行误差补偿。实验结果表明,所设计的试验台系统可以测量行星滚柱丝杠定位精度、噪声、温升、极限转速、加速度,同时热误差测量补偿系统可以减小温度变化对测量位置的影响,补偿前后精度测量指标提升均在30%以上,偶然性误差较小并且精度提高。

采用单分类方法的行星滚柱丝杠故障检测

针对行星滚柱丝杠(planetary roller screw mechanism,PRSM)在实际应用中故障机理不明和故障种类少,难以有效进行故障决策这一现存问题,提出采用单分类模型——深度支持向量数据描述(deep support vector data description,deep SVDD)进行故障检测,判断PRSM是否处于正常状态。首先,在PRSM试验台上采集正常状态、润滑失效和滚柱一侧断齿3种状态的振动信号;其次,对数据进行归一化并通过窗口裁剪的方式进行数据增强,以扩充样本数量;然后,通过小波包变换对信号进行分解,以初步提取数据的特征;最后,利用deep SVDD实现PRSM故障检测,同时与单分类支持向量机(one-class support vector machine,OCSVM)和支持向量数据描述(support vector data description,SVDD)方法进行对比,结果表明,deep SVDD具有更好的分类能力和较高的训练效率,较为适合实现PRSM故障检测。

循环式行星滚柱丝杠副的疲劳分析与寿命预测

循环式行星滚柱丝杠副作为行星滚柱丝杠副的衍生机构,是一种通过多个沟槽状滚柱与丝杠、螺母螺纹啮合的传动机构。为了研究循环式行星滚柱丝杠副的随机振动疲劳特性,文中基于疲劳失效理论,建立了该传动机构的有限元模型,并进行了动力学分析和疲劳寿命预测。首先,根据材料应力-循环寿命(S-N)曲线和Miner线性疲劳累积损伤理论,利用疲劳分析软件对循环式行星滚柱丝杠副进行疲劳分析,得到了接触区域的疲劳结果云图和各节点的损伤值;然后,基于建立的4种疲劳寿命预测模型,将得到的解析解与仿真损伤值进行对比。结果表明:循环式行星滚柱丝杠副在3960Hz下引发的共振对其结构造成的损伤最大;循环式行星滚柱丝杠副在相同激励频率条件下的最大接触应力和最小疲劳寿命的区域相同;循环式行星滚柱丝杠副谐响应分析应力峰值和疲劳分析功率谱密度峰值的对应频率相同。该研究可为循环式行星滚柱丝杠副设计与抗疲劳优化提供理论指导。

基于乌鸦搜索算法的行星滚柱丝杠参数优化

针对行星滚柱丝杠结构参数匹配问题,提出一种基于乌鸦搜索算法的参数优化模型.考虑行星滚柱丝杠螺纹啮合点位置的影响,建立丝杠、滚柱以及螺母空间螺旋曲面方程,得到螺纹啮合点处位置与螺纹牙厚之间的关系.根据螺纹副和齿轮副啮合关系,确定内齿圈和滚柱端部轮齿设计参数.利用空间螺旋曲面方程,获得螺纹啮合点处的法向量,并推导行星滚柱丝杠各零件间的受力关系.以行星滚柱丝杠结构参数作为设计变量,以螺母外径、丝杠中径、滚柱长度等参数最小为优化目标,考虑行星滚柱丝杠结构约束和主要承力部件强度约束,利用乌鸦搜索算法作为优化算法,建立行星滚柱丝杠参数优化模型,从而实现优化变量最佳匹配.最后,针对三种负载,利用该优化模型得到三组行星滚柱丝杠结构参数,并将其优化结果与国外产品手册进行对比,从而验证了本文优化模型有效性.

行星滚柱丝杠技术专利分析

行星滚柱丝杠是一种由主丝杠、滚柱、螺母、齿圈、法兰盘等组成,可实现直线运动与旋转运动相互转换的精密传动机构,具有高承载、长寿命、抗冲击、高可靠性等特点,应用于航空航天、新能源装备、高精密机床、汽车、船舶与机器人等高端技术领域。基于行星滚柱丝杠在各个领域的重要地位,尤其是在航空航天领域广泛应用,开展行星滚柱丝杠技术的知识产权分析研究具有较为重要的意义。

行星滚柱丝杠副滚柱端齿轮内啮合静态接触应力分析

行星滚柱丝杠副滚柱端齿轮为带有螺纹槽的渐开线直齿轮,与螺母固联的内齿轮相啮合。受螺纹槽的影响,齿面啮合接触应力与完整的直齿轮啮合接触应力不同。以行星滚柱端齿轮为研究对象,通过齿轮设计专业软件KissSoft和三维软件进行建模,利用有限元仿真软件分析带有螺纹槽的齿轮齿面接触应力分布和变化规律。研究表明,螺纹槽的存在增大了齿轮啮合的齿面接触应力,随着螺纹槽螺距的减小,齿面接触应力呈上升趋势,过大的螺距将减弱齿轮的抗弯强度。

行星滚柱丝杠1000 N·m传动效率试验台测量控制系统设计

为了研究不同公称直径的丝杠传动效率以提升行星滚柱丝杠产品的质量,为行星滚柱丝杠传动效率试验台设计了一套测量控制系统。系统采用西门子PLC作为控制核心,结合PID算法实现有效控制。通过NI公司的LabVIEW软件、数据采集板卡实现数据的精确采集、储存计算以及分析。试验结果表明,试验台可对扭矩在0~1000 N·m的行星滚柱丝杠进行测量,在额定载荷条件下行星滚柱丝杠的传动效率达到75%,加载精度控制在±1%范围内。

行星滚柱丝杠副的新发展及关键技术

行星滚柱丝杠副是一种可将旋转运动和直线运动相互转化的机械装置,随着未来飞行器和武器装备全电化的发展趋势以及石油、化工、机床等对大推力、高精度、高频响、长寿命直线作动装置的需求,近年来行星滚柱丝杠副成为国内外研究热点。对行星滚柱丝杠副的基本工作原理、现有5种结构形式的特点、应用领域及可能的失效模式进行了概述。从结构设计、力学分析和产品生产三方面总结了国内外研究现状和发展趋势。在此基础上,提出了未来研究和发展行星滚柱丝杠副的几个方向。

行星滚柱丝杠副螺旋曲面啮合机理研究

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。

反向式行星滚柱丝杠机构运动原理及仿真分析

对反向式行星滚柱丝杠机构工作原理和传动几何关系进行分析研究,基于运动关系方程式,推导出螺母、滚柱、丝杠三者间的旋向及头数关系,并给出基本参数选择依据。在此基础上,建立行星滚柱丝杠机构三维实体模型,利用多体动力学仿真软件ADAMS,对其进行动力学仿真分析,将仿真结果与理论推导结果进行对比,验证了仿真方法的正确性,并进一步分析了行星滚柱丝杠机构在不同外部载荷作用下螺母与滚柱、滚柱与丝杠之间接触力的变化情况。

行星滚柱丝杠副摩擦力矩及传动效率研究

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.

不同安装方式下行星滚柱丝杠副载荷分布研究

综合考虑行星滚柱丝杠副轴段刚度、螺纹牙刚度和接触刚度及安装方式、受力状态等因素,建立了行星滚柱丝杠副螺纹牙载荷分布计算模型。在对计算模型验证的基础上,详细分析了安装方式、受力状态、结构参数和牙型参数等对螺纹牙载荷分布的影响规律。结果表明,决定螺纹牙载荷分布规律的主要因素是行星滚柱丝杠副的材料参数、结构参数与安装方式,其中丝杠与螺母的轴向累积弹性变形是引起行星滚柱丝杠副螺纹牙载荷分布不均的主要原因。螺纹牙刚度对载荷分布的影响较小,随着螺纹牙刚度的减小,载荷分布不均程度逐渐降低。此外,滚柱螺纹牙个数与螺距对载荷分布的影响很大,载荷分布不均程度随着螺纹牙个数的增大或螺距的增大而增大。

考虑滚柱节圆偏移的反向式行星滚柱丝杠副运动学分析

以反向式行星滚柱丝杠副为研究对象,对因滚柱螺纹节圆与滚柱齿节圆产生偏移而导致的滚柱和丝杠发生相对滑动和相对轴向位移的问题进行了研究。首先建立了滑动角、滚柱相对丝杠轴向位移和各部件相对滑动速度运动学分析的模型,着重分析了滚柱位移对整个机构导程和滑动速度的影响;再以某一反向式行星滚柱丝杠副为例,计算了由接触变形引起的节圆偏移量,并采用该模型分别计算了滚柱相对丝杠的轴向位移和滑动速度。研究结果表明:滚柱轴向位移不会影响系统导程;螺母-滚柱侧必然存在轴向滑动;减小节圆偏移量能有效降低丝杠-滚柱侧滑动速度。

行星滚柱丝杠副轴向弹性变形的有限元分析

以行星滚柱丝杠副为研究对象,综合考虑螺纹牙接触角和螺旋升角的影响,利用有限元方法计算轴向弹性变形,将有限元解和解析解进行对比,最大误差为4.85%。在此基础上,分析了不同轴向负载作用下接触角和螺旋升角对轴向弹性变形的影响。结果表明,轴向弹性变形中,赫兹接触变形为主要变形;螺纹牙的弹性变形和von Miese应力变化趋势一致,且呈现明显的载荷分布;轴向变形随着接触角和螺旋升角的增大而减小。可见,合理增大接触角和螺旋升角有利于提高行星滚柱丝杠副的传动精度。

行星滚柱丝杠副运转过程动态特性分析

以行星滚柱丝杠副为研究对象,建立行星滚柱丝杠副有限元模型。基于显式动力学有限元算法,采用全积分单元进行沙漏控制,通过调整单元密度和采用混合时间积分算法提高计算速度,对行星滚柱丝杠副进行动态特性分析。结果表明:随着滚柱转速增大,丝杠相对滚柱的轴向位移、速度大小及波动幅度均变大;不同转速下,螺纹牙上同一接触单元von Mises应力基本一致;同一转速下,丝杠副的4个螺纹牙上的接触单元均存在载荷分布不均现象,且第1个螺纹牙上的von Mises应力波动最大;丝杠侧接触单元von Mises应力大于螺母侧接触单元von Mises应力。

基于行星滚柱丝杠副的机电作动器动态特性分析

以舵回路系统中机电作动器为研究对象,考虑机电作动器的安装和舵面负载连接,建立了基于行星滚柱丝杠副的机电作动器数学模型。采用AMESim进行仿真对比分析,探讨了机电作动器中结构刚度、摩擦和间隙等非线性因素对系统动态性能的影响。结果表明:相比传动刚度,结构刚度中固定刚度的提高对于系统动态响应的改善作用更明显;行星滚柱丝杠副间隙量越大,系统的阶跃响应波动幅值越明显;在给定舵控指令下,机电作动器的仿真位移输出响应误差最大为1.8 mm,相对误差为1.2%,从而较好的反映了模型的有效性,为功率电传机电作动器的进一步结构优化和控制提供理论依据。

精密行星滚柱丝杠的传动特性

设计了一种基于行星滚柱丝杠的精密传动机构。根据机电伺服系统的使用要求,分析了行星滚柱丝杠的传动特性。详细阐述了该传动机构的组成、工作原理和主要特点,分析了传动精度和传动效率这两项核心技术指标,得到了各项误差对传动精度的影响程度,如行星滚柱丝杠单向传动误差和回程误差,驱动电机、联轴器、支撑轴承、测量装置和控制系统等的中间装置误差,以及环境因素误差等,推导了传动效率与接触角、螺旋升角的相互关系。最后,构建了实验平台,测试了行星滚柱丝杠的传动精度和传动效率,结果表明其传动精度优于1.5μm,传动效率优于74%。得到的结果验证了设计的传动机构结构紧凑、承载能力强、传动效率高,传动精度好,在精密传动领域有较大的应用价值。

考虑误差的行星滚柱丝杠副滚柱承载分布

为改善滚柱螺纹牙承载分布,在丝杠受轴向拉力和螺母受轴向压力作用下,基于滚柱两接触侧变形协调关系,建立考虑误差的滚柱螺纹牙承载分布计算模型.将计算的滚柱各螺纹牙承载比与直接刚度法计算结果进行对比,验证了模型的正确性.系统分析负载、接触角、螺旋升角、滚柱螺纹牙数和螺纹副材料弹性模量比对滚柱承载分布规律的影响.结果表明:在相同误差分布下,负载越小,滚柱螺纹牙承载分布波动越大,负误差更有利于降低前3个螺纹牙承载比例;接触角或螺旋升角越小,滚柱螺纹牙承载分布越均匀;随着螺纹牙数增大,各螺纹牙承载比例逐渐降低,且误差对承载比的影响变小;降低丝杠或螺母弹性模量可有效改善滚柱螺纹牙承载分布.

行星滚柱丝杠副滚柱的设计方法与虚拟装配

基于行星滚柱丝杠副(Planetary Roller Screw,PRS)滚柱既有螺纹又有齿的复杂结构特点,提出了滚柱螺纹和滚柱齿的匹配设计方法,并给出了详细设计流程,分为3大步骤:滚柱中径的匹配设计,滚柱端部直齿轮的设计,滚柱螺纹的设计。在此基础上,结合PRS结构组成和运动原理,构建了螺纹截面设计方法并建立了三维模型,最后进行了虚拟装配,对滚柱与螺母装配中可能存在的问题及注意事项进行了说明。文中提出的滚柱设计和虚拟装配方法可为PRS的设计分析提供指导。