微侧隙新型人字齿同步带传动基础理论研究

针对特殊传动领域对同步带传动寿命、精度和噪声所提出的限制要求，本项目以前期研究成果为基础，借助等共轭曲率高阶接(切)触啮合理论，提出具有传动精度高、承载能力强，噪声低等优点的微侧隙新型人字齿同步带传动。本项目旨在利用现代啮合理论和多体系统动力学对新型人字齿同步带传动啮合机制进行深入系统研究，建立三维啮合传动模型，揭示人字齿传动弹性啮合机理，研究齿廓形状、螺旋角、微侧隙及材料性能等主要参数对传动性能的影响，探索各参数之间的耦合机制与演变规律，优化主要参数。开展新型人字齿同步带材料工艺配方、制备工艺研究，解决脱模和批生产面临的技术瓶颈。建立齿形-刀具-模具啮合设计体系，制备出产品样带。通过实验，完善传动、噪声、寿命机理研究，揭示参数间变化规律，提供人字齿同步带设计理论和方法，为人字齿同步带关键制造技术提供理论依据，填补我国在人字齿同步带制造技术和传动等机理研究空白，使研究成果达到国际先进水平。

以多刚多柔耦合混合多体系统的同步带传动机理有别于齿轮、链传动，如汽车同步带可变正时系统可消除凸轮轴附件产生的振动。传动领域高寿命、高精度、低噪声、结构小型化等需求已经成为同步带发展的瓶颈问题。人字齿克服了直齿和斜齿同步带传动缺陷，噪声低、寿命长、精度高，自导向功能使传动更急凑、效率更高。.研究了人字齿同步带传动在不同啮合区传动机理，借助等共轭曲率高阶切触阶啮合理论，推导了传动侧隙小、接触强度高的圆弧齿形(半径7.8mm)为新型人字齿法面齿廓模型。利用复变函数映射法，建立了法面齿形参数、载荷和带齿应力关系模型，研究了齿形参数对带齿应力的影响，揭示了参数之间的耦合关系及变化规律。建立了非线性有限元传动模型，研究了螺旋角、侧隙、带轮结构、带齿错位量等对带齿、强力层应力与变形的影响，确定了带与轮齿高分别为3.5和3.2mm、压力角11度、侧隙0.1mm、螺旋角30度、错位量等重要参数。.建立了带轮、模具和刀具间的设计体系，研究了曲面包络中啮合和根切界限线、瞬时接触线、二次接触、包络齿廓曲面形成等特点，研制了人字齿同步带制造模具，解决了制造瓶颈问题。以过氧化物硫化HNBR橡胶为基础，系统研究了配合体系及其其性能的影响，利用正交设计法优化出高硬度、高强度且加工性能优异的人字齿同步带HNBR配方。.进行新型人字齿同步带传动噪声、误差、振动、齿面磨损和应力分布等机理研究。建立传动误差、齿面磨损和冲击噪声等数学模型，研究螺旋角、错位量、节距差、带宽、转速、初张力、驱动负荷等对传动性能的影响，揭示了螺旋角、螺旋率、错位量等参数对传动误差、噪声和齿面磨损等影响。基于多体系统动力学，研究动载条件下带的一个运动周期强力层和带齿应力变化规律以及不同啮合区带与轮啮合性能，研究了带跨距振动、动态传动误差等规律，并进行了与Goodyear人字齿同步带动载性能比较研究。.开展了同端面齿形直齿、人字齿同步带传动性能仿真与实验研究。仿真与实验结果表明：人字齿运动平稳振动小。在动态和准静态条件下，以节距为周期的人字齿传动误差幅值小于直齿，当螺旋率为1或错位0.5节距时，消除了多边形啮合激振，误差为0。螺旋角和错位量降低了啮合冲击声压，人字齿噪声高于错位齿2dB低于直齿11dB。螺旋角影响带齿磨损，人字齿比直齿同步带更耐磨损，在光学显微镜下观察疲劳磨损实验结果与理论研究一致。