考慮誤差的行星滾柱絲杠副嚙合模型研究

劉靖楠，范元?jiǎng)?/p>

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

行星滾柱絲杠的結(jié)構(gòu)組成包括絲杠、多個(gè)圓周布置的滾柱、螺母以及保持架等。與滾珠絲杠相比，行星滾柱絲杠同樣具有將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的功能，且比滾珠絲杠具有更高的理論承載能力、使用壽命和使用可靠性[1-3]。但是與理論上的高承載能力相比，國(guó)產(chǎn)行星滾柱絲杠在實(shí)際使用上的表現(xiàn)不佳。影響行星滾柱絲杠承載能力的因素有很多，其中一個(gè)重要原因是由于滾柱制造安裝時(shí)存在精度誤差，導(dǎo)致滾柱各螺紋牙接觸程度不同，有些螺紋牙甚至沒(méi)有接觸，大大影響了行星滾柱絲杠的承載能力與使用壽命。因此，進(jìn)行滾柱偏斜時(shí)的嚙合特性研究對(duì)提高行星滾柱絲杠副的承載能力與使用壽命有重要的意義。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于行星滾柱絲杠的理論研究已有一定基礎(chǔ)，而國(guó)內(nèi)的理論研究主要集中在運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、軸向變形、動(dòng)態(tài)特性以及傳動(dòng)效率等方面[4-7]。在螺紋牙載荷分布方面，楊家軍等[8]依據(jù)Hertz彈性接觸理論，將滾柱作為整體，建立了剛度模型，得到了載荷分布與軸向剛度曲線(xiàn);陳兵奎等[9-10]將滾動(dòng)體等效成承受剪應(yīng)力的矩形單元，建立了載荷分布計(jì)算模型并與有限元解進(jìn)行對(duì)比。上述研究中，均假設(shè)行星滾柱絲杠副中的各滾柱的軸線(xiàn)與絲杠軸線(xiàn)平行，且各滾柱相對(duì)于理論位置未發(fā)生位移。

本文綜合考慮行星滾柱絲杠副在加工以及裝配過(guò)程中可能產(chǎn)生的各種誤差，建立了考慮誤差的行星滾柱絲杠副嚙合模型，并運(yùn)用高斯牛頓迭代法進(jìn)行求解，與其他論文模型進(jìn)行計(jì)算結(jié)果比對(duì)驗(yàn)證。結(jié)果表明：本文所提出的嚙合模型結(jié)果可行，可以有效地對(duì)行星滾柱絲杠副零部件加工誤差進(jìn)行理論指導(dǎo)，為后續(xù)進(jìn)行考慮誤差的載荷分布模型研究打下基礎(chǔ)。

1 行星滾柱絲杠副誤差描述與分析

行星滾柱絲杠副的工作原理與行星齒輪輪系原理相類(lèi)似，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 行星滾柱絲杠副結(jié)構(gòu)

1.1 螺紋參數(shù)誤差

根據(jù)螺旋類(lèi)零件加工誤差的分析，螺紋類(lèi)零件加工誤差主要分為三類(lèi)，即螺旋線(xiàn)分度誤差、螺紋中徑誤差以及牙型誤差。

1)螺紋中徑誤差

螺紋中徑是通過(guò)螺紋軸向截面內(nèi)牙型上的溝槽和凸起寬度相等處假想圓柱的直徑，是確定螺紋幾何參數(shù)和配合性質(zhì)的基礎(chǔ)參數(shù)。因此，螺紋中徑誤差是螺紋的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。記中徑誤差為Δdi，其中i=s、r、n時(shí)分別表示絲杠、滾柱與螺母。

2)螺旋線(xiàn)分度誤差

理論上，多線(xiàn)螺紋的各條螺紋螺旋線(xiàn)間的相位角是相等的，但由于加工時(shí)分度機(jī)構(gòu)自身的制造精度、零件熱變形以及操作誤差等因素，螺紋上各條螺旋線(xiàn)間的相位角將產(chǎn)生誤差值，如圖2所示。

圖2 螺旋線(xiàn)分度誤差

3)牙型誤差

牙型誤差的定義為實(shí)際牙型輪廓與理想牙型輪廓之間的差值。圖3中，虛線(xiàn)為理論牙型輪廓，實(shí)線(xiàn)為實(shí)際牙型輪廓，Δβi為螺紋牙側(cè)角誤差，Δci為螺紋半牙厚誤差，Δr為滾柱圓弧半徑誤差。

圖3 牙型誤差

1.2 滾柱定位誤差

1)銷(xiāo)孔定位誤差

銷(xiāo)孔位置偏差示意圖如圖4所示。

圖4 保持架中銷(xiāo)孔位置偏差示意圖

2)保持架定位平面誤差

定位平面誤差引起的滾柱軸向偏差示意圖如圖5所示。

圖5 滾柱軸向偏差示意圖

3)保持架安裝扭轉(zhuǎn)誤差

安裝扭轉(zhuǎn)誤差引起的滾柱偏斜示意圖如圖6所示。

圖6 滾柱偏斜示意圖

2 行星滾柱絲杠副嚙合模型

2.1 考慮誤差的螺旋曲面方程

由于加工誤差的存在，行星滾柱絲杠副的滾柱在實(shí)際工作過(guò)程中存在著旋轉(zhuǎn)偏斜與位移偏斜兩部分。這兩部分偏斜參數(shù)，與前文所述各偏斜位移與中心線(xiàn)向量有關(guān)。行星滾柱絲杠副偏斜模型如圖7所示。

圖7 行星滾柱絲杠副坐標(biāo)系

(1)

式中：OR′p為滾柱相對(duì)未偏斜坐標(biāo)系的坐標(biāo)；ORp為滾柱偏斜坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)；OR′ROR為滾柱相對(duì)于原坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)變換矩陣。

根據(jù)剛體轉(zhuǎn)動(dòng)的歐拉定理，剛體有限轉(zhuǎn)動(dòng)下的旋轉(zhuǎn)變換矩陣可表示其繞原坐標(biāo)系各軸旋轉(zhuǎn)角度的余弦矩陣的乘積。因此，滾柱相對(duì)原坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)變換矩陣表現(xiàn)形式如下：

首先建立外螺紋的螺旋曲面方程。如圖8所示，在外螺紋坐標(biāo)系中，取螺紋中徑上任一點(diǎn)O′，以O(shè)′為原點(diǎn)，垂直螺紋牙厚方向?yàn)閤′軸,截面處與之垂直且與外螺紋軸線(xiàn)方向平行的另一坐標(biāo)軸為z′軸，垂直截面的坐標(biāo)軸為y′軸，以此建立相對(duì)坐標(biāo)系。

圖8 外螺紋相對(duì)坐標(biāo)系

在坐標(biāo)系O′-x′y′z′中，考慮誤差的外螺紋牙截面方程的表示形式為

(2)

其中z的正號(hào)代表螺紋牙的上輪廓，負(fù)號(hào)代表下輪廓。

如圖8所示，參考坐標(biāo)系O′-x′y′z′可看作將螺旋曲面主坐標(biāo)系O-xyz將原點(diǎn)平移至O′后，坐標(biāo)系繞z軸旋轉(zhuǎn)φ角而得到。其中φ為直線(xiàn)OO′在平面O-xy上的投影與x軸的夾角。因此坐標(biāo)原點(diǎn)O′在主坐標(biāo)系O-xyz中的向量參數(shù)為

(3)

式中：d為外螺紋的螺紋中徑；L為螺紋的導(dǎo)程；Δd為中徑誤差。

根據(jù)參考坐標(biāo)系中的螺紋牙輪廓方程與參考坐標(biāo)系與主坐標(biāo)系的變化關(guān)系，可得外螺紋的螺旋曲面方程在主坐標(biāo)系中的方程：

(4)

其中：OΠ為主坐標(biāo)系下的螺旋曲面方程；OT為參考坐標(biāo)系與主坐標(biāo)系的變換矩陣；Π為在參考坐標(biāo)系下的螺旋曲面方程。

(5)

式中s、c分別為sin與cos縮寫(xiě)。

(6)

2.2 行星滾柱絲杠副嚙合模型

由于行星滾柱絲杠副的接觸類(lèi)型為線(xiàn)接觸，因此，為了在安裝時(shí)便于裝配以及使傳動(dòng)更加平穩(wěn)，行星滾柱絲杠副的各螺紋間會(huì)留有一定間隙，因此可構(gòu)建一個(gè)軸向間隙向量。根據(jù)嚙合原理的描述，在傳動(dòng)過(guò)程中，兩相切嚙合點(diǎn)的法向量應(yīng)保持平行，如圖9所示。

圖9 嚙合條件

圖9中，Γd與Γu為相嚙合的兩螺紋牙螺旋曲面,嚙合點(diǎn)分別為點(diǎn)A與點(diǎn)B，兩平面嚙合點(diǎn)處法向量分別為nd與nu，軸向間隙向量k=(0,0,δ)，則相切嚙合的接觸條件如下：

(7)

式中ξ為常數(shù)。

由式 (7)中的曲面與間隙方程，可得

(8)

通過(guò)式(7)與(8)可得出含有5個(gè)不同的未知數(shù)的方程組，此即為兩螺旋面間的嚙合方程，可求解相嚙合的兩螺旋曲面間嚙合與接觸參數(shù)。

螺紋分度后的螺紋牙螺旋曲面可看做原螺旋曲面繞z軸旋轉(zhuǎn)分度相位角后得到，左旋取正。所以，對(duì)于n頭絲杠與螺母來(lái)說(shuō)，其螺紋分度矩陣為

(9)

將螺紋分度誤差帶入螺紋分度矩陣中，并將分度矩陣左乘絲杠或螺母螺旋曲面方程，可得改進(jìn)后的絲杠與螺母的螺紋牙螺旋曲面方程。式中，j表示第j條螺紋線(xiàn)。將式(5)與式(6)左乘分度矩陣，可得出改進(jìn)后的行星滾柱絲杠副的絲杠與螺母螺旋曲面。將求得的螺旋曲面帶入式(8)與式(9)中，即得出考慮誤差條件下的行星滾柱絲杠副嚙合方程。

2.3 模型算例驗(yàn)證

為了與已有論文的計(jì)算結(jié)果作對(duì)比，以表1的標(biāo)準(zhǔn)式行星滾柱絲杠副螺紋參數(shù)為例進(jìn)行嚙合方程求解運(yùn)算。由于此計(jì)算未考慮任何偏斜誤差，故表中未標(biāo)注的參數(shù)皆取值為0。

表1 標(biāo)準(zhǔn)式行星滾柱絲杠副螺紋參數(shù)

為了方便計(jì)算，選用x軸上的滾柱進(jìn)行分析研究。在嚙合時(shí)，絲杠的分頭螺紋依次與滾柱螺紋進(jìn)行嚙合。運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行迭代數(shù)值求解。取初值(0,0,0,π,0)，并設(shè)置終止條件ε=10-6，計(jì)算結(jié)果如表2所示(僅求解前5個(gè)螺紋牙的接觸參數(shù))。

表2 滾柱絲杠側(cè)嚙合接觸特性計(jì)算結(jié)果

表中所求的軸向間隙與文獻(xiàn)[11]中的是一致的，說(shuō)明本文所建立的螺旋曲面方程與嚙合方程在不考慮誤差的情況下是正確的。

通過(guò)在Creo中建立行星滾柱絲杠副模型，并觀察干涉量與間隙值，從而對(duì)考慮誤差的嚙合模型進(jìn)行驗(yàn)證。裝配模型如圖10所示。

圖10 裝配模型

以絲杠螺紋中徑誤差分析計(jì)算為例進(jìn)行驗(yàn)證，將帶有絲杠螺紋中徑誤差的曲面方程帶入式(7)與式(8)中，計(jì)算不同誤差下絲杠與滾柱間的軸向間隙，同時(shí)建模分析三維模型的干涉量。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 不同絲杠螺紋中徑誤差下的計(jì)算結(jié)果對(duì)比

從表3中的干涉結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出，隨著絲杠螺紋中徑誤差增大，Creo中三維模型的干涉體積開(kāi)立方后的數(shù)據(jù)也將增大，其變化趨勢(shì)與本文所建立的嚙合模型計(jì)算出的軸向間隙變化趨勢(shì)基本一致，可說(shuō)明本文所提出的考慮誤差的行星滾柱絲杠副嚙合模型是正確的。

3 結(jié)語(yǔ)

1)提出了一種考慮誤差的標(biāo)準(zhǔn)式行星滾柱絲杠副嚙合模型的分析方法，并經(jīng)過(guò)算例計(jì)算三維模型驗(yàn)證其結(jié)果合理，方法可行；

2)通過(guò)算例分析表明，當(dāng)考慮誤差時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)式行星滾柱絲杠副嚙合點(diǎn)將發(fā)生變化，可能影響行星滾柱絲杠副傳動(dòng)精度及嚙合平穩(wěn)性；

3)本文采用的分析方法假定各滾柱偏斜參數(shù)一致，會(huì)引入一定誤差；

4)本文采用的含誤差的嚙合模型分析方法可為進(jìn)一步研究含誤差的行星滾柱絲杠副運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析打下基礎(chǔ)。