考虑齿轮副啮合激励的滚柱螺纹动载荷分布

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.230296

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2023, Vol. 51 ›› Issue (11): 119-130.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.230296

所属专题： 2023年流体动力与机电控制工程

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考虑齿轮副啮合激励的滚柱螺纹动载荷分布

许千斤¹ 马尚君¹^,² 牛茂东¹ 马腾龙¹

^1.西北工业大学陕西省机电传动与控制工程实验室，陕西西安 710072
^2.西安鼎佰精密机电有限公司，陕西西安 710061

收稿日期:2023-05-05 出版日期:2023-11-25 发布日期:2023-08-03
通信作者: 马尚君（1980-），男，博士，副研究员，主要从事行星滚柱丝杠动力学研究。 E-mail:mashangjun@nwpu.edu.cn
作者简介:许千斤（1996-），女，博士生，主要从事行星滚柱丝杠载荷分布研究。E-mail:xuqianjin@mail. nwpu. edu. cn
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(51875458);陕西省重点研发计划项目(2021ZDLGY10-08);西北工业大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(G2022KY0619)

Dynamic Load Distribution of Roller Thread Considering Gear Pair Meshing Excitation

XU Qianjin¹ MA Shangjun¹^,² NIU Maodong¹ MA Tenglong¹

^1.Shaanxi Engineering Laboratory for Transmissions and Controls，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，Shaanxi，China
^2.Xi’an Dingbai Precision Electromechanical Co. ，Ltd. ，Xi’an 710061，Shaanxi，China

Received:2023-05-05 Online:2023-11-25 Published:2023-08-03
Contact: 马尚君（1980-），男，博士，副研究员，主要从事行星滚柱丝杠动力学研究。 E-mail:mashangjun@nwpu.edu.cn
About author:许千斤（1996-），女，博士生，主要从事行星滚柱丝杠载荷分布研究。E-mail:xuqianjin@mail. nwpu. edu. cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(51875458);the Key R&D Program of Shaanxi Province(2021ZDLGY10-08)

摘要/Abstract

摘要：

螺纹副和齿轮副同步啮合是行星滚柱丝杠传动的典型特征。为揭示齿轮副啮合激励以及滚柱绕丝杠轴线公转产生的惯性力导致螺纹副动载荷波动的规律，文中提出了一种考虑惯性力和齿轮副啮合激励的螺纹副动载荷分布计算方法。首先，根据圆柱碰撞理论、能量法和时变弹簧模型分别求解齿轮副啮入激励和时变啮合刚度激励，基于行星滚柱丝杠螺旋曲面方程求解滚柱-丝杠及滚柱-螺母接触侧静态接触力；然后，以滚柱为研究对象进行受力分析，依据螺纹副变形协调条件获得考虑齿轮副啮合激励的螺纹副动载荷分布规律，并与螺纹副动态接触有限元模型的计算结果进行对比，以验证理论模型的正确性；最后，分析惯性力及齿轮副啮合激励对螺纹副动态接触力大小及动载荷分布的影响。结果表明：惯性力导致滚柱-螺母侧的动态接触力大于滚柱-丝杠侧；考虑齿轮副啮合激励时，滚柱-丝杠侧的螺纹接触力随着螺纹数量的增大而减小，而滚柱-螺母侧的螺纹接触力随着螺纹数量的增大而增大；齿轮副啮合激励导致滚柱-丝杠及滚柱-螺母侧的螺纹接触力随着时间的变化发生相同规律的波动。

关键词: 行星滚柱丝杠, 啮合激励, 有限元, 载荷分布

Abstract:

The synchronous meshing of threaded pairs and gear pairs is a typical feature of planetary roller screw transmission. To reveal the dynamic load fluctuation law of the screw pair caused by the meshing excitation of the gear pair and the inertia force generated by the roller rotating around the screw axis, this paper proposed a calculation method for the dynamic load distribution of the screw pair considering the inertia force and the meshing excitation of the gear pair. Firstly, based on the cylindrical collision theory, energy method, and time-varying spring model, the meshing excitation and time-varying meshing stiffness excitation of the gear pair were solved, respectively. Based on the spiral surface equation of the planetary roller screw, the static contact forces on the contact side of the roller screw and the roller nut were solved. Then, the force analysis was conducted on the roller, and the dynamic load distribution law of the screw pair considering the meshing excitation of the gear pair was obtained based on the deformation coordination condition of the screw pair and compared with the calculation results of the dynamic contact finite element model of the screw pair, so as to verify the correctness of the theoretical model. Finally, the paper analyzed the impact of inertia force and gear pair meshing excitation on the dynamic contact force and dynamic load distribution of threaded pairs. The results shows that: inertia force leads to a greater dynamic contact force on the roller nut side than on the roller screw side; when considering the meshing excitation of the gear pair, the contact force on the roller screw side decreases with the increase of the number of threads, while the contact force on the roller nut side increases with the increase of the number of threads; the meshing excitation of the gear pair causes the contact force between the roller screw and the roller nut side thread to fluctuate in the same pattern over time.

Key words: planetary roller screw mechanism, meshing excitation, finite element method, load distribution

中图分类号:

TH132

许千斤, 马尚君, 牛茂东, 等. 考虑齿轮副啮合激励的滚柱螺纹动载荷分布[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2023, 51(11): 119-130.

XU Qianjin, MA Shangjun, NIU Maodong, et al.. Dynamic Load Distribution of Roller Thread Considering Gear Pair Meshing Excitation[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2023, 51(11): 119-130.

图/表 21

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参考文献 25

1	付晓军，刘更，马尚君，等．考虑零件偏斜的行星滚柱丝杠副啮合特性研究［J］．机械工程学报，2017，53（3）：25-33.
	FU Xiaojun， LIU Geng， MA Shangjun，et al ．Meshing properties of planetary roller screw mechanism within misalignments［J］．Journal of Mechanical Engineering，2017，53（3）：25-33.
2	GARRISON M， STEFFAN S ．Two-fault tolerant electric actuation systems for space applications［C］∥ Proceedings of the 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit．Sacramento：AIAA，2006：1-16.
3	LOHMEIER S， BUSCHMANN T， ULBRICH H ．Humanoid robot LOLA［C］∥ Proceedings of 2009 IEEE International Conference on Robotics and Automation．Kobe：IEEE，2009：775-780．
4	LEMOR P C ．The roller screw an efficient and reliable mechanical component of electro-mechanical actuators ［C］∥ Proceedings of the 31st Intersociety Energy Conversion Engineering Conference．Washington D C：IEEE，1996：215-220．
5	靳谦忠，杨家军，孙健利．行星式滚柱丝杠副的运动特性及参数选择［J］．制造技术与机床，1998（5）：13-15，
	Ⅲ.
	JIN Qianzhong， YANG Jiajun， SUN Jianli ．Motion characteristics and parameters choosing of planetary roller screw［J］．Manufacturing Technology and Machine Tools，1998（5）：13-15，Ⅲ.
6	李润方，王建军．齿轮系统动力学：振动、冲击、噪声［M］．北京：科学出版社，1997.
7	周建星，孙文磊，曹莉，等．行星齿轮传动系统碰撞振动特性研究［J］．西安交通大学学报，2016，50（3）：16-21.
	ZHOU Jianxing， SUN Wenlei， CAO Li，et al ．Vibro-impact characteristics of planetary gear transmission［J］．Journal of Xi’an Jiaotong University，2016，50（3）：16-21.
8	陶庆，孙文磊，周建星．考虑齿圈柔性的行星传动系统固有特性与灵敏度研究［J］．西安交通大学学报，2015，49（3）：113-120.
	TAO Qing， SUN Wenlei， ZHOU Jianxing ．Research on inherent characteristics and sensitivities of planetary gear transmission［J］．Journal of Xi’an Jiaotong University，2015，49（3）：113-120.
9	王成龙，周建星，孙文磊，等．行星齿轮传动柔性齿圈齿根动应力计算及光纤光栅检测方法［J］．西安交通大学学报，2020，54（6）：122-132.
	WANG Chenglong， ZHOU Jianxing， SUN Wenlei，et al ．Dynamic stress calculation and experimental comparative analysis for flexible ring gear root of planetary gear transmission system［J］．Journal of Xi’an Jiaotong University，2020，54（6）：122-132.
10	马腾龙，马尚君，吴林萍，等．行星滚柱丝杠螺纹副-齿轮副同步啮合动态接触载荷特性［J］．西安交通大学学报，2022，56（10）：11-21，30.
	MA Tenglong， MA Shangjun， WU Linping，et al ．Analysis of dynamic contact characteristics of synchronous meshing between screw pair and gear pair in the planetary roller screw［J］．Journal of Xi’an Jiaotong University，2022，56（10）：11-21，30.
11	杨家军，韦振兴，朱继生，等．行星滚柱丝杠副载荷分布及刚度计算［J］．华中科技大学学报（自然科学版），2011，39（4）：1-4.
	YANG Jiajun， WEI Zhenxing， ZHU Jisheng，et al ．Calculation of load distribution of planetary roller screws and static rigidity［J］．Journal of Huazhong University of Science and Technology（Natural Science Edition），2011，39（4）：1-4.
12	马尚君，刘更，付晓军，等．考虑误差的行星滚柱丝杠副滚柱承载分布［J］．哈尔滨工业大学学报，2015，47（7）：98-102.
	MA Shangjun， LIU Geng， FU Xiaojun，et al ．Load distribution of rollers considering errors in planetary roller screw mechanism［J］．Journal of Harbin Institute of Technology，2015，47（7）：98-102.
13	ZHANG W， LIU G， MA S，et al ．Load distribution over threads of planetary roller screw mechanism with pitch deviation［J］．Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part C：Journal of Mechanical Engineering Science，2019，233（13）：4653-4666.
14	ABEVI F， DAIDIE A， CHAUSSUMIER M，et al ．Static analysis of an inverted planetary roller screw mechanism［J］．Journal of Mechanisms and Robotics，2016，8（4）：041020/1-14.
15	ABEVI F， DAIDIE A， CHAUSSUMIER M，et al ．Static load distribution and axial stiffness in a planetary roller screw mechanism［J］．Journal of Mechanical Design，2016，138（1）：012301/1-11.
16	张文杰，刘更，马尚君，等．不同安装方式下行星滚柱丝杠副载荷分布研究［J］．西北工业大学学报，2015，33（2）：229-236.
	ZHANG Wenjie， LIU Geng， MA Shangjun，et al ．Load distribution of planetary roller screw mechanism with different installations［J］．Journal of Northwestern Polytechnical University，2015，33（2）：229-236.
17	姚琴，刘永寿，马尚君，等．基于运动学分析的行星滚柱丝杠副应力循环规律［J］．华南理工大学学报（自然科学版），2021，49（9）：135-144.
	YAO Qin， LIU Yongshou， MA Shangjun，et al ．Stress cycle behaviors of planetary roller screw mechanism based on kinematic analysis［J］．Journal of South China University of Technology（Natural Science Edition），2021，49（9）：135-144.
18	王承登，何泽银，杨震，等．受载齿轮副啮入冲击激励计算方法［J/OL］．航空动力学报：1-10［2022-12-26］．.
	WANG Chengdeng， HE Zeyin， YANG Zhen，et al ．Calculation method of meshing impact excitation of loaded gear pair［J/OL］．Journal of Aerospace Power：1-10［2022-12-26］．.
19	李应刚，陈天宁，王小鹏，等．圆柱碰撞冲击噪声理论分析与数值仿真［J］．振动与冲击，2014，33（15）：162-166，173.
	LI Yinggang， CHEN Tianning， WANG Xiaopeng，et al ．Theoretical analysis and numerical simulation for impact noise due to collision of two cylinders［J］．Journal of Vibration and Shock，2014，33（15）：162-166，173.
20	HE Z， ZHANG T， LIN T ．Novel mathematical modelling method for meshing impact of helical gear［J］．Mechanism and Machine Theory，2020，152：103949/1-12.
21	LIANG X H， ZUO M J， PATEL T H ．Evaluating the time-varying mesh stiffness of a planetary gear set using the potential energy method［J］．Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part C：Journal of Mechanical Engineering Science，2014，228（3）：535-547.
22	MA H， ZENG J， FENG R J ．An improved analytical method for mesh stiffness calculation of spur gears with tip relief ［J］．Mechanism and Machine Theory，2016，98：64-80.
23	SAINSOT P， VELEX P， DUVERGER O ．Contribution of gear body to tooth deflections：a new bidimensional analytical formula［J］．Journal of Mechanical Design，2004，126（4）：748-752.
24	李亚鹏，孙伟，魏静，等．齿轮时变啮合刚度改进计算方法［J］．机械传动，2010，34（5）：22-26.
	LI Yapeng， SUN Wei， WEI Jing，et al ．Study on the improved algorithm of the time-varying meshing stiffness of gear［J］．Journal of Mechanical Transmission，2010，34（5）：22-26.
25	付晓军，刘更，马尚君，等．行星滚柱丝杠副螺旋曲面啮合机理研究［J］．机械工程学报，2016，52（3）：26-33.
	FU Xiaojun， LIU Geng， MA Shangjun，et al ．Studies on meshing mechanism of helical surfaces in planetary roller screw mechanism［J］．Journal of Mechanical Engineering，2016，52（3）：26-33.

零件	模数	齿数	齿顶高系数	顶隙系数	压力角/（°）	齿宽/mm
滚柱齿轮	0.8	20	0.8	0.3	20	3
内齿圈	0.8	100	0.8	0.3	20	3

[1]	姜旭, 吕志林, 强旭红, 等. 钢桥面板U肋嵌补段对接焊缝疲劳开裂特性[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2024, 52(5): 92-100.
[2]	黄怀纬, 黄海博. 微纳挠曲电结构力电耦合响应的数值模拟方法[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2024, 52(1): 147-156.
[3]	丁发兴, 蔡勇强, 王莉萍, 等. 焊接多腔双钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能分析[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2024, 52(1): 15-25.
[4]	王振民, 谢惠民, 李栩延, 等. 核用小直径传热管衬管焊接TIG焊枪的设计及优化[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2023, 51(7): 1-11.
[5]	王小强, 李斌, 邓传锦, 等. 高密度CCGA热疲劳仿真及可靠性分析[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2023, 51(3): 98-109.
[6]	乔冠, 廖荣, 张校民, 等. 循环式行星滚柱丝杠副的疲劳分析与寿命预测[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2023, 51(11): 131-139.
[7]	李俊烨, 田龚强, 王新鹏, 等. 基于有限元法的导电滑环刷丝成型特性分析[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2023, 51(11): 140-150.
[8]	严洪立, 黄林南, 高跃明, 等. 表面肌阻抗混合信号的盲源分离电特性提取方法[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2022, 50(12): 142-150.
[9]	乔冠, 廖荣, 姜广君, 等. 循环式行星滚柱丝杠副的运动特性及动力学分析[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2022, 50(10): 124-131.
[10]	张喜德梁金志江佳霖. 中空玻璃板单向冷弯力学行为试验及数值研究[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2022, 50(1): 50-58, 68.
[11]	吴林萍, 马尚君, 张建新, 等. 基于参数匹配的二级行星滚柱丝杠动力学分析[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2021, 49(9): 126-134.
[12]	姚琴, 刘永寿, 马尚君, 等. 基于运动学分析的行星滚柱丝杠副应力循环规律[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2021, 49(9): 135-144.
[13]	杨有福郭宏鑫. 加劲薄壁高强方钢管混凝土短柱的轴压性能[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2021, 49(8): 43-52.
[14]	贺志勇, 张浩然, 杨程, 等. 桥侧大面积堆土对桥梁安全性的影响[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2021, 49(7): 8-16.
[15]	张晋, 刘得龙, 张强, 等. 正交胶合木墙体耐火极限试验及数值模拟[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2021, 49(4): 9-19.

考虑齿轮副啮合激励的滚柱螺纹动载荷分布

Dynamic Load Distribution of Roller Thread Considering Gear Pair Meshing Excitation

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零件	名义半径/mm	牙侧角/（°）	螺距/mm	螺纹头数
滚柱	8	45	5	1
丝杠	24	45	5	5
螺母	40	45	5	5