行星滚柱丝杠副螺纹牙载荷分布计算模型与方法

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1、学校代码10699分类号TH置32密级学号201210θ452题目行星滚柱丝杠副螺纹牙载荷分布计算摸型与方法作者学科、专业机械设计及理论指导教师申请学位日期2017由阝11月西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：行星滚柱丝杠副螺纹牙载荷分布计算模型与方法作者：张文杰学科专业：机械设计及理论指导教师：刘更教授2017年11月CalculationModelandMethodsofLoadDistributionoverThreadsinthePlanetaryRollerScrewMechanismByZhangWenjieUndertheSupervisionof

2、ProfessorLiuGengADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofEngineeringXi’anP.R.ChinaNovember,2017摘要摘要行星滚柱丝杠副（PlanetaryRollerScrewMechanism,PRSM）是一种滚动螺旋传动机构，可将丝杠的旋转运动转换为螺母的直线运动，或将螺母的旋转运动转换为丝杠的直线运动。PRSM具有承载能力大的突出优势，同

3、时具有运转速度高、运行平稳性好、环境适应性强及使用寿命长等优点。随着装备制造业自动化、智能化的快速发展，PRSM作为大推力机电作动器（Electro-MechanicalActuator,EMA）的常用执行机构，逐步受到工程领域关注，已广泛应用于航空、航天、航海、石油等领域。PRSM承载特性是其工作性能的重要体现，也是决定EMA工作性能的关键因素。PRSM螺纹牙载荷分布是其承载特性的重要指标之一。PRSM存在载荷在螺纹牙间分布不均匀的现象，螺纹牙载荷分布的不均，限制了PRSM在确定丝杠公称直径下承载能力的提升，并且将导致传动噪声大、磨损加剧、工作寿命下降等现象，严重制约

4、了PRSM在要求高承载及长寿命等领域的应用。本文对PRSM螺纹牙载荷分布进行了深入的研究，对指导PRSM结构参数设计、螺纹牙型参数设计、提高PRSM承载能力具有重要的理论意义和工程应用价值。本文建立了PRSM螺纹牙载荷分布计算模型，揭示了载荷分布对安装方式、受力状态、材料参数及螺纹牙加工误差等因素的敏感性，提出了PRSM螺纹牙均载设计方法，并初步开展了双螺母法兰式预紧PRSM螺纹牙载荷分布研究，最后，针对本文螺距误差对PRSM螺纹牙载荷分布影响规律研究进行实验验证。本文的主要内容和成果有：1.基于PRSM结构特点及其承载原理，将PRSM离散为螺纹轴段、螺纹牙及螺纹牙接触

5、点三个部分，考虑PRSM安装方式与受力状态，建立了PRSM螺纹牙载荷分布计算模型。基于螺纹牙闭环内的变形协调条件及滚柱在丝杠侧与螺母侧的受力平衡条件，得到求解载荷分布的矩阵方程。由于实际加工中，PRSM螺纹零件不可避免地存在加工误差，因此进一步考虑螺纹牙加工误差对螺纹牙载荷分布的影响，将所建模型改进为考虑误差的螺纹牙载荷分布计算模型。通过与有限元模型及已有文献的计算结果进行对比，验证了PRSM螺纹牙载荷分布计算模型的正确性。2.深入分析了PRSM螺纹牙载荷分布对安装方式、受力状态、材料参数、结构参数及螺纹牙加工误差的敏感性，并得到其对PRSM螺纹牙载荷分布的影响规律。研

6、究发现PRSM在不同安装方式下的螺纹牙载荷分布规律不同，在同种安装方式下不同受力状态时的螺纹牙载荷分布规律相同。PRSM材料参数，即滚柱弹性模量对螺纹牙载荷分布影响较小。PRSM结构参数中，螺母外径及除螺距外的螺纹牙型参数对螺纹牙载荷分布影响较小。丝杠滚柱中径比、滚柱个数、滚柱螺纹牙个数及螺距对螺纹牙载荷分布影响较大。PRSM螺距误差的存在可能使螺纹牙载荷分布更加不均，但也有可能使载荷分布不均现象有所改善。螺距误差对PRSM滚柱丝杠接触侧与滚柱螺母接触侧载荷分布的影I西北工业大学博士学位论文响规律相反。PRSM螺纹牙载荷分布不均现象是轴段变形的累积效果引起的，丝杠与螺母

7、轴段变形对螺纹牙载荷分布起主导作用。3.基于螺距误差对PRSM螺纹牙载荷分布的影响规律，提出了PRSM螺纹牙均载设计方法。首先，基于PRSM螺纹牙弯曲与剪切强度条件及接触屈服条件，得到螺纹牙额定静载荷与极限载荷计算方法，基于此提出以PRSM螺纹牙载荷分布不均现象可控为目标的螺纹牙型参数设计准则。其次，基于螺距误差对PRSM螺纹牙载荷分布的影响规律，提出PRSM螺纹牙型匹配设计方法，通过对滚柱与螺母的螺距及牙厚的匹配设计，使丝杠、滚柱及螺母螺纹牙初始接触状态有助于补偿其在承载后螺纹轴段产生的累积变形，进而改善PRSM螺纹牙载荷分布不均现象。