新型大分度数内平动分度凸轮机构的理论与关键技术研究

针对自动机械及军械装备对高速、高分度精度、大分度数、小体积间歇机构的需求，本项目运用机构的组合创新设计理论，基于内平动齿轮传动原理，提出一种新型间歇机构- - 内平动分度凸轮机构。该类机构与现有的分度凸轮机构相比，具有输入输出同轴、结构紧凑、体积小、重量轻、可实现大分度数以及承载能力大等特点，更适用于要求高速、高分度精度的场合。本项目进行该机构的几何学、结构学、运动学、动力学等方面的理论及实验研究，并在此基础上提出该机构的设计方法，探索和掌握样机研制中的关键技术，从而为开发这种内平动分度凸轮机构产品奠定理论与技术基础。该机构的开发借鉴了齿轮传动的研究成果，为凸轮型间歇机构的创新提供了新的思路，对于间歇机构的创新与发展具有重要意义。

间歇机构是各种自动机械中常见的一种机构，针对实际应用中对高速、高分度精度、大分度数、小体积间歇机构的需求，项目组提出了新型分度机构——内平动分度凸轮机构的研究计划，并对该机构进行了几何学、结构学、运动学、动力学等方面的系统理论分析与实验研究。项目组首先根据共轭齿廓形成原理，推导建立了凸轮廓线方程，确定了凸轮廓线连续性及对称性条件，计算了廓线的曲率及压力角，研究了机构设计参数对啮合特性的影响，从而确定了机构主要设计参数的选取原则。为改善机构的设计质量和提高该机构的精确度和传动效率，根据作用线增量法的基本原理，对机构的偏心套偏心距误差、针齿分布圆半径误差和针齿半径误差等原始误差引起的输出转角位置误差进行了分析和计算，建立了多齿啮合时的输出转角误差计算模型。针对机构多齿啮合及不同时刻凸轮与针齿之间啮合力的大小和方向是不断变化的复杂受力情况，对两者之间的啮合状态以及其受力进行了分析，并基于ANSYS对机构进行了有限元接触分析，根据应力计算结果对凸轮进行了强度修形。为适应高速、大分度数和高分度精度的工况要求，项目组对机构进行动力学建模方面的研究。推导了直齿轮啮合刚度、单对凸轮针齿接触刚度及凸轮总等效扭转刚度计算公式，采用集中参数法建立了考虑输入轴扭转、输出轴扭转及横向振动等因素的多自由度动力学模型，并进行了固有频率的计算及动态响应的求解。利用灵敏度分析的方法，分析了各主要参数对机构一阶固有频率的影响。为验证机构运动的可行性，建立了虚拟样机模型，对样机结构进行有限元建模，并对装配体进行模态分析，得出模态频率和相应振型。在上述工作的基础上，设计了内平动分度凸轮机构实验样机，并进行了噪声测试实验和振动测试实验，样机试运行的成功，验证了机构传动原理的可行性以及前述理论分析结果的正确性。该机构具有输入输出同轴、结构紧凑、体积小、重量轻、可实现大分度数以及承载能力大等特点，其设计开发借鉴了齿轮传动的研究成果，为凸轮型间歇机构的创新提供了新的思路，丰富了间歇传动机构的产品类型，可成为间歇分度和步进输送机构的新型产品，对于间歇机构的创新与发展具有重要意义。