无侧隙平面包络端面啮合蜗杆传动的研究

Eliminating the negative effect of gear backlash on transmission precision so as to achieve precise motion transformation remains a problem to be solved in the field of precission transmission. This project originally proposes a type of transmission device, an anti-backlash planar enveloping end face engagement worm gear drive, with certain advantages of no-backlash, high precision and high operating efficiency over other gears and gear systems. Based on the theories of differential geometric and gear meshing, the project investigates the different meshing functions and their derivates with respect to each drive type. Also,this project analyzes the meshing characteristics of anti-backlash planar enveloping end face engagement worm gear drive in multivariable space and discusses the variation of the design variables of end face engagement worm,worm teeth,spring wedge-shaped mechanism et al., followed by the study of the relationship between load-carrying capacity and the variation of the end face parameters and the research of the influence of the machining and misalignment errors on the contact curves and the tooth profile. By doing so, a novel efficient manufacturing technology is proposed and used to minimize the effect of errors so as to design the most optimal tooth profile with high operating efficiency and high horsepower-to-weight ratio. In addition, an experimental platform is built to test the characteristics of anti-backlash planar enveloping end face engagement worm gear drive, and finally, a meshing theoryof anti-backlash planar enveloping end face engagement worm gear drive is formulated. The proposed theory, with its originality and independent intellectual property rights, is of much technological and scientific significance.

消除齿侧间隙对传动精度的影响和追求高的传动精度以实现精确的运动变换是国内外精密传动研究亟待解决的一个重大科学问题。本项目提出一种新颖的无侧隙平面包络端面啮合蜗杆传动装置。基于空间啮合原理与微分几何学理论研究无侧隙平面包络端面啮合蜗杆传动的啮合几何学，分析端面蜗杆设计变量、轮齿和弹簧楔形消隙机构等参数的变化规律及多变量空间下蜗杆传动的啮合特性，构建在复杂可变约束条件下的最优化方法和理论，明确端面蜗杆传动承载能力随端面参数变化的关系；揭示加工和失配误差等对蜗杆齿廓和齿面接触线的内在影响规律，提出控制蜗杆齿廓和齿面接触线获得高精度表面、高传动效率和高承载能力无侧隙平面包络端面啮合蜗杆传动的制造工艺和方法；构建蜗杆传动无侧隙测试实验平台；最终建立无侧隙平面包络端面啮合蜗杆传动的啮合理论和提供一种具有原始创新和自主知识产权的无侧隙蜗杆传动装置，项目的研究具有重要的科学研究意义。

本项目为了消除蜗杆传动中齿侧间隙对传动精度和传动效率的影响，提出了一种新颖的无侧隙平面包络端面啮合蜗杆传动装置。申请者基于空间啮合原理与微分几何学理论研究建立了无侧隙平面包络端面啮合蜗杆传动的齿面方程、润滑角方程、诱导法曲率方程、螺旋升角方程等，并利用Matlab、CREO软件获得了无侧隙平面包络端面啮合蜗杆传动三维仿真模型，分析了端面蜗杆设计变量、轮齿和弹簧楔形消隙机构等参数的变化规律及多变量空间下蜗杆传动的啮合特性，基于TAGUCHI理论及ANOVA方法构建了无侧隙平面包络端面啮合蜗杆传动多目标参数的优化设计函数，厘清了无侧隙平面包络端面啮合蜗传动关键设计参数之间的关系和各自对蜗杆啮合性能和润滑性能的影响，构建了复杂可变约束条件下的最优化方法和理论；通过TCA的分析研究发现，通过适当的齿面修型可使得无侧隙平面包络端面啮合蜗杆传动的点接触变为线接触；申请者根据无侧隙平面包络端面啮合蜗杆传动的加工异特点，利用五轴联动数控机床采用铣削的方式加工蜗杆齿面，通过TCA的理论指导较好地克服了加工方法的缺陷，理论研究表明应用此方法能提高蜗杆的承载能力；首次搭建了无侧隙平面包络端面啮合蜗杆传动实验平台，对无侧隙平面包络端面蜗杆传动的传动效率、噪音、润滑、摩擦磨损、失效形式等进行了深入的研究，并在理论分析与实验研究的基础上对无侧隙平面包络端面蜗杆传动的设计工艺、制造方法等提出了改进的方法，利用新提出的理论进行加工制造的无侧隙平面包络端面蜗杆传动装置正在加工中。本项目的科学意义在于探讨了新的一种无侧隙精密蜗杆传动的实现形式，为精密蜗杆传动的研究提供了一种新的解决方法和思路，同时本项目的研究在很多精密重载场合具有较好的应用前景。目前其相关研究成果已获得4项国家发明专利授权，发表论文10余篇，其中SCI收录3篇，EI收录3篇，另有3篇文章在审。