行星滚柱丝杠副摩擦机理与传动效率的理论和实验研究

Electro-Mechanical Actuator(EMA) is an important mechanism of "all-electric" aircrafts. Planetary roller screw(PRS), with higher thrust, higher load capicity and higher speed, could be the best choice of the transimission component of EMA. Aiming at discovering friction mechanism of multibody contact, decreasing friction forces and increaing transmission efficiency of PRS, theoretical and experimental studies on the friction mechanism and transmission efficiency of PRS will be performed in this proposal under the condition of multibody helix contact transmission. Based on multibody rolling-sliding contact characteristics of PRS, the computational model of friction force based on the vector bond graphs, frictional heat transfer model of PRS rolling-sliding contact, multibody contact-rolling-sliding friction-thermal-mechanical coupling model of elasto-plastic contacts and computational model of transmission efficiency will be developed. The influence of contact angle, helix angle, thread angle, thermal-mechanical effects and surface roughness on the transmission efficiency of PRS will be analyzed. For different thread angle and surface texture of PRS, experimental studies on the transmission efficiency will be carried out on the experimental equipment, the results of which will help to testify the numerical model. The achievements of this project will provide theoretical basis to the design of PRS with lower friction force and higher transmission efficiency.

机电作动器(EMA)是全电飞行器重要执行机构。行星滚柱丝杠副(PRS)以其推力大、承载力强、速度高等优点成为EMA传动部件的最佳选择。本项目以探索PRS多体接触摩擦机理、降低摩擦力和提高传动效率为目标，以PRS多体螺旋接触传动为研究对象，开展PRS摩擦机理与传动效率的理论和实验研究。基于PRS多体接触滚滑摩擦机理，建立基于向量键合图的摩擦力计算模型、PRS滚滑摩擦热传导模型、多体接触-滚滑摩擦-热力耦合弹塑性计算模型和传动效率计算模型，分析接触角、螺旋升角、牙型、热力耦合、表面粗糙度等多种因素对PRS传动效率的影响与规律。搭建PRS实验台，加工不同牙型和表面形貌的PRS进行传动效率实验测试，验证所建模型的正确性。本项目研究成果将为设计低摩擦、高传动效率的PRS奠定理论基础。

机电作动系统是全电飞行器的重要执行机构。行星滚柱丝杠副以其承载力高、速度高、精度高等优点成为机电作动系统传动部件的最佳选择。本项目以探索行星滚柱丝杠副多体接触滚滑摩擦机理、降低摩擦力和提高传动效率为目标，以行星滚柱丝杠副多体接触螺旋传动问题为研究对象，开展了多体接触滚滑摩擦机理与传动效率的理论和实验研究。基于多体接触滚滑摩擦机理，建立了基于向量键合图的摩擦力计算模型，研究了丝杠转速和滑滚比对摩擦力响应特性的影响。基于滚柱两接触侧变形协调关系，建立了考虑误差的行星滚柱丝杠副螺纹牙载荷分布分析模型。基于完善的滚滑摩擦模型及摩擦热模型，建立了行星滚柱丝杠副传动效率计算模型，并分析了接触角、螺旋升角、牙型、热力耦合、表面粗糙度等多种因素对传动效率的影响与规律。设计并研制了行星滚柱丝杠副性能实验台，加工不同牙型和表面形貌的进行传动效率实验测试，验证了所建模型的正确性。研究结果表明，随着丝杠输入角速度的增大，摩擦力响应速度逐渐增大，丝杠输入角速度对摩擦力响应的影响程度逐渐减小，滑滚比对摩擦力响应的影响趋势与丝杠输入角速度对其影响趋势相同；在相同误差分布下，负载越小，滚柱螺纹牙承载分布波动越大，负误差更有利于降低前3个螺纹牙承载比例；接触角或螺旋升角越小，滚柱螺纹牙承载分布越均匀；随着螺纹牙数增大，各螺纹牙承载比例逐渐降低，且误差对承载比的影响变小；降低丝杠或螺母弹性模量可有效改善滚柱螺纹牙承载分布；引起摩擦力矩的主要原因是滚柱的自旋滑动；丝杠转速增加导致传动效率呈递减趋势，相同丝杠转速下，较大的轴向载荷能获得较高的传动效率；较大的接触角能够减小摩擦力矩和提高传动效率；螺旋升角对摩擦力矩的影响很小；增加螺纹牙数有利于提高承载能力，并降低总摩擦力矩。实验结果表明，三角牙型PRSM传动效率约为85%，而圆弧牙型PRSM传动效率约为87%，略高于三角牙型。项目研究成果将为行星滚柱丝杠副降低摩擦、提高传动效率奠定了理论基础，为行星滚柱丝杠副在机电作动系统的广泛应用提供技术支撑。.在本项目的资助下，发表论文25篇，其中SCI收录6篇次，EI收录17篇次。参加国际会议3次，其中特邀报告1次，口头报告2次。申请国家发明专利6项，授权3项，受理3项。培养博士研究生4人，其中，已毕业1人，在读3人。培养硕士研究生5人，其中已毕业4人，在读1人。