行星滚柱丝杠参数设计及静态力学性能分析.pdf
摘要
行星滚柱丝杠作为一种较新的伺服传动机构,其拥有十分优异的性能,其已
被广泛应用于航空航天、武器装备以及数控机床等领域,并在大推力场合开始快
速取代滚珠丝杠副成为直线伺服系统的主要传动机构,相信其在将来将得到更为
广泛的应用。但国内对行星滚柱丝杠的研究较晚,基础设计理论还不完善,因此
本文对行星滚柱丝杠的参数设计进行研究,并对其静态力学性能进行了分析。
本文首先对标准型行星滚柱丝杠的组成、工作原理进行了简单介绍,在此基
础上,建立了标准型行星滚柱丝杠副的运动学模型(运用空间交叉螺纹啮合原理),
并对其关键螺纹参数关系进行了推导。依据丝杆、滚柱和螺母的运动学方程,对
丝杆与滚柱、滚柱与螺母的接触点相对滑移速度进行求解,进而得到行星滚柱丝
杠副接触点的相对滑移量及传动效率的计算公式。根据本课题的技术要求,对行
星滚柱丝杠的螺纹关键参数进行了实际计算。
对行星滚柱丝杠中滚柱分别与螺母及丝杠的接触情况进行了简单的介绍,对
行星滚柱丝杠中丝杆及滚柱的螺旋面方程、法线方程进行了求解。采用数值逼近
的方式求解丝杆与滚柱交叉螺纹实际接触点坐标,并依据计算结果对丝杆螺纹进
行修形处理。对滚柱螺纹中径进行分段修型设计并进行数值仿真计算,得知当行
星滚柱丝杠受到100kN的额定轴向静载荷时,行星滚柱丝杠承载能力大大提升。
对行星滚柱丝杠螺纹接触点的载荷分布进行求解并进行数值仿真计算分析,
得知滚柱承受的轴向力主要分布在受力端一侧前几个螺纹接触点。再对在静载荷
100kN时行星滚柱丝杠的轴向变形量进行计算,得到其轴向静刚度、行星滚柱丝
杠螺纹接触点赫兹接触应力。对螺距以及滚柱螺纹长度对行星滚柱丝杠承载能力
的影响进行分析,得知通过增大螺距或是改变滚柱螺纹有效接触长度,不能显著
提高行星滚柱丝杠的承载能力。
基于GUI以MATLAB为开发平台开发了一套集设计、性能仿真、加工刀具设
计及参数测量于一体的行星滚柱丝杠集成化设计与制造仿真系统,包括基本几何
参数设计、静力学仿真、测量参数设计与计算、刀具设计这四个系统模块,可实
现行星滚柱丝杠副快速、准确的参数化设计与制造,确保行星滚柱丝杠传动效率
及承载能力。
关键词:行星滚柱丝杠;参数设计;修型设计;静态力学性能分析;仿真系统开
发
Abstract
Asarelativelynewservotransmissionmechanism,theplanetaryrollerscrewhas
excellentperformance.Ithasbeenwidelyusedinaerospace,weaponry,andnumerical
controlmachinetools,andhasrapidlyreplacedballbearingsinhigh-thrustapplications.
Thebarlinkagehasbecomethemaintransmissionmechanismofthelinearservo
systemanditisbelievedthatitwillbemorewidelyusedinthefuture.However,the
researchonplanetaryrollerscrewisrelativelylateinChina,andthebasicdesigntheory
isnotperfect.Therefore,thedesignofplanetaryrollerscrewparametersisstudiedin
thispaper,anditsstaticmechanicalpropertiesareanalyzed.
Inthispaper,thecompositionandworkingprincipleofthestandardplanetary
rollerscrewareintroducedbriefly.Basedonthis,thekinematicmodelofthestandard