[发明专利]一种考虑摩擦的行星滚柱丝杠副接触特性计算方法

说明书

本发明公开了一种考虑摩擦的行星滚柱丝杠副接触特性计算方法，涉及行星滚柱丝杠传动技术领域，主要解决现有的模型无法对真实的螺纹曲面啮合状态进行准确描述和表征，且无法在法向接触力和切向摩擦力的耦合作用下，进行接触椭圆弹性位移和接触应力大小的问题，其实现步骤是：根据螺纹曲面的啮合方程求解接触半径和接触偏角，确定接触点的位置；然后计算出丝杠与滚柱在接触点的相对速度以及滚柱与螺母在接触点的相对速度；最后根据接触椭圆内的法向载荷分布和切向载荷分布计算得到接触面内的位移量和应力分量。本发明克服了传统计算模型中的缺陷，不但可以准确描述PRSM接触模型螺纹曲面的啮合状态，而且可准确计算接触椭圆的弹性位移和应力大小。

技术领域

本发明涉及行星滚柱丝杠传动技术领域，特别涉及一种考虑摩擦的行星滚柱丝杠副接触特性计算方法。

背景技术

行星滚柱丝杠副(planetary roller screw mechanism，PRSM)是一种可将旋转运动转化成直线运动的机械传动装置，具有大减速比、高承载、抗冲击和便于安装维护等特点，PRSM作为直线运动执行机构，广泛应用于航空、航天、冶金、医疗设备和精密机床等众多军民机械装备领域。PRSM通过滚柱与丝杠和螺母之间的螺纹曲面啮合实现力和运动的传递，接触面之间的摩擦是不可避免的，而现有研究方法对PRSM接触模型进行了不同程度的简化，使得PRSM的接触特性分析与真实的螺纹曲面啮合状态偏差较大。因此，建立考虑摩擦的PRSM螺纹曲面接触特性计算方法，对于研究PRSM的摩擦磨损、传动精度、效率和寿命等具有重要的意义。

目前，国内外对于该机构的研究已经涉及运动学、载荷分布、传动精度、负载能力、静态和动态刚度等方面：J.Rys，F.Lisowski，The computational modal of the loaddistribution between elements in planetary roller screw，J.Theor.Appl.Mech，2014，52(3)：699-705将滚动体的变形视为承受剪切应力的矩形体积的变形，建立了PRSM中各部件之间载荷分布的三维有限元模型；M.H.Jones，S.A.Velinsky，Contact kinematicsin the planetary roller screw mechanism.J.Mech.Des，2013，135(5)：051003-10基于共轭曲面原理，分别建立了丝杠/滚柱和滚柱/螺母接触侧的运动学模型，该模型是基于螺纹曲线建立的，忽略了螺纹曲面特征；X.J.Fu，G.Liu，S.J.Ma，R.T.Tong，A comprehensivecontact analysis of planetary roller screw mechanism，J.Mech.Des，2017(139)：012302-11提出了一种刚体条件下，计算丝杠/滚柱、滚柱/螺母螺旋曲面接触位置和轴向间隙的方法，但摩擦力的影响及接触变形和应力计算未考虑。目前，对于考虑摩擦的螺纹曲面接触特性的研究较少：M.Yousef Hojjat，A.Mahdi，A comprehensive study oncapabilities and limitations of roller-screw with emphasis on sliptendency.Mech.Mach.Theory，2009，44(10)：1887-1899研究了滚柱丝杠的导程特性，提出了可用于分析丝杠与滚柱之间滑动趋势的滑动阈值；G.Auregan，V.Fridrici，P.Kapsa，F.Rodrigues，Experimental simulation of rolling-sliding contact forapplication to planetary roller screw mechanism.Wear，2015：1176-1184基于Hertz接触理论，分析了考虑接触椭圆内纯滚动与滑动部分的法向与切向力的分布，通过圆盘和圆环模拟了丝杠和滚柱的运动，研究了在不同润滑条件下的磨损问题。现有研究方法的不足之处在于：所建模型无法对真实的螺纹曲面啮合状态进行准确描述和表征；当PRSM受载时，接触表面存在滚滑摩擦，给接触曲面引入了切向力，在法向力和切向力的耦合作用下，未提出受力状态分析以及接触变形及应力的有效计算方法。