第二章 彈性共軛曲面原理的研究
2.1 導(dǎo)言
彈性共軛曲面原理的研究是為了適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)發(fā)展的需要,解決成對(duì)彈性體曲面的幾何圖形及其運(yùn)動(dòng)間的關(guān)系的問(wèn)題。在機(jī)械制造和機(jī)械設(shè)計(jì)中,都存在共軛曲面問(wèn)題,它們對(duì)加工質(zhì)量和傳動(dòng)性能都有非常大的影響。在有彈性變形時(shí),共軛曲面的幾何圖形及其運(yùn)動(dòng)間的關(guān)系將與由剛性條件下得出的結(jié)果不同,從而不能滿足原來(lái)所設(shè)想的要求。尤其在剛性較差的零件加工和大柔性的傳動(dòng)中,彈性變形對(duì)共軛關(guān)系的影響就更為重要。如在齒輪傳動(dòng)方面,以往的輪齒修形的研究主要是針對(duì)多齒嚙合的嚙合齒對(duì)數(shù)變化的過(guò)渡狀態(tài)的。而在非多齒嚙合過(guò)渡狀態(tài),由于變形的作用,共軛條件也會(huì)遭到破壞,尤其在大齒面和大柔性的傳動(dòng)中,彈性變形的影響是不能忽略的。因此,這些修形的研究由于缺乏具有普遍意義的理論的指導(dǎo),都存在一定的片面性。隨著機(jī)械加工向高精度、高效率的發(fā)展和機(jī)械傳動(dòng)向大載荷、高性能的發(fā)展,迫切需要新的彈性共軛曲面理論作為指導(dǎo),解決機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械制造中出現(xiàn)的彈性共軛曲面問(wèn)題。
本文提出了彈性共軛曲面的基本理論,建立彈性共軛曲面運(yùn)動(dòng)基本方程,研究彈性共軛曲面的一般求解方法,為進(jìn)一步深入全面地研究彈性共軛曲面問(wèn)題奠定理論基礎(chǔ)。
2.2 彈性共軛曲面研究的前提假設(shè)
彈性共軛曲面原理的研究是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題,為了突出主要問(wèn)題,因而忽略一些因素的影響,首先作出一些前提假設(shè),而且本文只研究線接觸彈性共軛曲面問(wèn)題。
1.所研究的變形是在彈性變形范圍,受力變形在作用力消除后完全恢復(fù),即變形曲面的完全彈性體概念;
2.忽略接觸曲面間的相互摩擦作用,即忽略曲面上的切向力的作用;
3.不考慮熱變形;
4.彈性變形相對(duì)于曲面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)無(wú)滯后。
2.3 彈性共軛曲面定義
彈性共軛曲面的定義是:兩彈性體在外力作用下產(chǎn)生彈性變形后,彼此既保持連續(xù)相切接觸,又不互相干涉,并且按給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)的一對(duì)彈性變形恢復(fù)后的曲面。
一對(duì)彈性體曲面在外力作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與在彈性變形恢復(fù)狀態(tài)下幾何圖形間關(guān)系的研究就是彈性共軛曲面研究的內(nèi)容。彈性共軛曲面是在受力變形下仍保持共軛運(yùn)動(dòng)規(guī)律的,它們?cè)谙嗷ソ佑|的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中幾何形狀是不斷變化的,是動(dòng)態(tài)的過(guò)程,我們最終需要求解的彈性共軛曲面不是這一系列的動(dòng)態(tài)的幾何圖形,而是利用這些動(dòng)態(tài)的幾何圖形和它們的相對(duì)運(yùn)動(dòng)要求來(lái)求解在不受力變形狀態(tài)下的曲面幾何圖形及其運(yùn)動(dòng)關(guān)系。
根據(jù)上述彈性共軛曲面概念可知,一對(duì)彈性共軛曲面在外力作用下相互接觸產(chǎn)生彈性變形,接觸參考點(diǎn)處的兩曲面的速度矢量沿該點(diǎn)的公法線的投影應(yīng)相等,有
v(1)·n=v(2)·n
即
v(12)·n=0
這就是彈性共軛曲面在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)所應(yīng)滿足的要求。
2.4 彈性共軛曲面的運(yùn)動(dòng)分析
2.4.1 坐標(biāo)系(如圖2-1所示)

坐標(biāo)系S1(o1,x1,y1,z1):與曲面Σ1固連的動(dòng)坐標(biāo)系;
坐標(biāo)系S2(o2,x2,y2,z2):與曲面Σ2固連的動(dòng)坐標(biāo)系;
坐標(biāo)系S(o,x,y,z):靜坐標(biāo)系;
設(shè)K點(diǎn)為兩曲面受力變形后的接觸參考點(diǎn),a1、a2為靜坐標(biāo)系S原點(diǎn)到兩動(dòng)坐標(biāo)系S1和S2原點(diǎn)的徑矢;r(1)、r(2)為Σ1、Σ2上K點(diǎn)在S1、S2坐標(biāo)系的徑矢;r為K點(diǎn)在S坐標(biāo)系的徑矢。
2.4.2 彈性體接觸參考點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)分析
由圖2-1知
r=r(1)+a1
所以有

表示動(dòng)坐標(biāo)系S1的原點(diǎn)o1相對(duì)于靜坐標(biāo)系S的運(yùn)動(dòng)速度矢量。
由于 r(1)=x1i1+y1j1+z1k1
所以

若為剛性曲面,則
,由于現(xiàn)在所研究的曲面為彈性曲面,接觸參考點(diǎn)在S1坐標(biāo)系的徑矢將隨彈性變形而發(fā)生變化,因此,
不恒等于零,令

顯然它是Σ1上接觸參考點(diǎn)在S1坐標(biāo)系的徑矢對(duì)時(shí)間的變化率,即接觸參考點(diǎn)相對(duì)于S1坐標(biāo)系的速度矢量。
為S1坐標(biāo)分量的單位矢量對(duì)時(shí)間的微分[2]。
由i1⊥j1⊥k1
i1·j1=j1·k1=k1·i1=0有


以i1、j1、k1分別點(diǎn)乘以上三式的兩邊,有

同理可得

所以有

令 ω(1)=ω1(1)i1+ω2(1)j1+ω3(1)k1
而 r(1)=x1i1+y1j1+z1k1
則有

所以

式中ω(1)為S1坐標(biāo)系的角速度矢量。
2.4.3 彈性體相對(duì)運(yùn)動(dòng)分析
由前推導(dǎo)知,Σ1上K點(diǎn)的相對(duì)于S坐標(biāo)的速度

式中
r(2)=x2i2+y2j2+z2k2
ω(2)=ω1(2)i2+ω2(2)j2+ω3(2)k2
ω(2)為S2坐標(biāo)系的角速度。

包含坐標(biāo)系S1、S2原點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度和由變形使原點(diǎn)位置產(chǎn)生變化的速度。
所以,Σ1、Σ2在K點(diǎn)的相對(duì)速度


a12為坐標(biāo)系S1原點(diǎn)至坐標(biāo)系S2原點(diǎn)的矢量,
為坐標(biāo)系S1、S2原點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度矢量,它可包含兩共軛曲面支承件的彈性變形速度,
分別為曲面Σ1、Σ2上接觸參考點(diǎn)相對(duì)于坐標(biāo)系S1、S2的彈性變形速度矢量。
2.5 彈性共軛曲面運(yùn)動(dòng)基本方程
根據(jù)彈性共軛曲面在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)所應(yīng)滿足的條件
n·v(12)=0
即有

(2-5-1)式就是彈性共軛曲面運(yùn)動(dòng)基本方程。
若為剛性曲面,上式中
,則可由(2-5-1)式得出傳統(tǒng)的剛性共軛曲面運(yùn)動(dòng)基本方程。由此可知,剛性共軛曲面只是彈性共軛曲面的特殊情況。
(2-5-1)式中有三個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量ω(1)、ω(2)、
,不同的共軛運(yùn)動(dòng)形式,其三個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量方向都是確定的。在機(jī)械加工中,根據(jù)不同情況有不同的運(yùn)動(dòng)自由度,均可用以上三個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量確定;在嚙合傳動(dòng)中,最一般情況為相錯(cuò)軸傳動(dòng),在定軸傳動(dòng)中,如果不考慮軸系的變形,則
=0,(2-5-1)式成為

2.6 變形對(duì)接觸參考點(diǎn)法線方向的改變
由于變形的作用,接觸參考點(diǎn)的法線方向?qū)l(fā)生一定的變化,以下分析在xoy平面內(nèi)接觸參考點(diǎn)法線方向的改變量。

如圖2所示,變形前,曲面在位置1;變形后,曲面在位置2。變形前后接觸參考點(diǎn)為k、k′。變形前的接觸參考點(diǎn)徑矢及法線向量為r、n;變形后的接觸參考點(diǎn)徑矢及法線向量為r′、n′。設(shè)變形為δ,其切向分量和法向分量分別為
。變形前后的法線向量夾角為γ。r″為只產(chǎn)生法向變形后的接觸參考點(diǎn)徑矢。在小變形條件下,可認(rèn)為只產(chǎn)生切向變形后的接觸參考點(diǎn)徑矢與法線向量的夾角不變,即r″與n的夾角等于r′與n′的夾角。由幾何關(guān)系有

式中 ∠k′A0=3π/2-∠kA0
設(shè)r、n之間的夾角為ε,則有

通常情況下,變形量相對(duì)于曲面參考點(diǎn)徑矢的大小為微小量,其切向分量更小,主要由撓曲變形引起。由(2-6-1)式知,γ值非常小。一般情況下,可忽略這一法線方向的改變,認(rèn)為變形后的接觸參考點(diǎn)法線方向不變,以便于求解。
2.7 彈性共軛曲面的求解
2.7.1 求解思路
彈性共軛運(yùn)動(dòng)的過(guò)程,實(shí)質(zhì)上是兩動(dòng)態(tài)變形曲面互為包絡(luò)的過(guò)程,對(duì)變形過(guò)程中的曲面的描述是非常困難的,而我們所關(guān)心的是變形恢復(fù)狀態(tài)的曲面如何保證在一定的載荷作用下滿足變形條件的共軛運(yùn)動(dòng)規(guī)律,因此,可不去描述這個(gè)動(dòng)態(tài)變曲面的全過(guò)程。
由(2-5-1)式知,它是r(1)、r(2)需滿足的微分方程。Σ1、Σ2在接觸的最初階段,接觸參考點(diǎn)在接觸力作用下,隨著Σ1、Σ2的相對(duì)運(yùn)動(dòng),變形逐漸增大,在此階段,
不為零。當(dāng)接觸參考點(diǎn)變形達(dá)到最大時(shí),該瞬間變形結(jié)束,回彈尚未開(kāi)始,顯然,此瞬時(shí)
,這時(shí)的接觸參考點(diǎn)為決定兩曲面運(yùn)動(dòng)關(guān)系的點(diǎn),受力達(dá)到平衡,我們稱這樣的接觸參考點(diǎn)為變形最大點(diǎn)。將這樣的點(diǎn)之徑矢記為rd(1)、rd(2),(2-5-1)式就成為

即變形最大點(diǎn)滿足條件(2-7-1)式。
與變形最大點(diǎn)相鄰的點(diǎn),變形已經(jīng)發(fā)生,但未達(dá)到最大,即使由于變形的關(guān)系已接觸,但這樣的點(diǎn)并不對(duì)兩曲面的運(yùn)動(dòng)起決定作用。當(dāng)運(yùn)動(dòng)繼續(xù),相鄰點(diǎn)成為變形最大點(diǎn),原來(lái)的變形最大點(diǎn)則處于變形回彈狀態(tài)。整個(gè)連續(xù)的曲面之運(yùn)動(dòng)就是由無(wú)窮多個(gè)這樣的變形最大點(diǎn)所決定的,我們稱這無(wú)窮多個(gè)變形最大點(diǎn)的動(dòng)坐標(biāo)集合為變形基本共軛曲面,簡(jiǎn)稱為變形基本曲面。

變形基本曲面為共軛運(yùn)動(dòng)過(guò)程中逐漸形成的,是由變形最大點(diǎn)所構(gòu)成的假想曲面,它是求解彈性共軛曲面的過(guò)渡曲面。變形基本曲面在彈性變形恢復(fù)狀態(tài)所形成的曲面即為彈性共軛曲面。變形基本曲面及其運(yùn)動(dòng)關(guān)系確定后,則可根據(jù)不同的求解要求,求解彈性共軛曲面或求解運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
由以上分析可以看出,彈性共軛曲面的求解,一個(gè)重要的問(wèn)題是接觸參考點(diǎn)最大變形的求解。
2.7.2 變形的求解
彈性體的變形可認(rèn)為是撓曲變形與接觸變形的迭加,設(shè)所求解的彈性共軛曲面邊界及作用在曲面上的作用力為已知,則變形即可求出。隨著數(shù)學(xué)力學(xué)的發(fā)展,變形的求解也日益精確[26][27][33][35][43][46~50][54~62]。有限元、邊界元方法成為求解變形的有力工具。本文不詳細(xì)討論變形的求解方法。
如圖2-3所示,變形的恢復(fù)可看成在受力變形狀態(tài)下加上一個(gè)與原作用力大小相等、方向相反的作用力。由于變形的微小性,可認(rèn)為Fn與Fn′的變形效應(yīng)相同,即Fn′作用下rd(i)的變形恢復(fù)量等于Fn作用下產(chǎn)生的變形量,也就是說(shuō)變形恢復(fù)量可由在變形基本曲面上作用相同的力的變形量的計(jì)算來(lái)確定。

2.7.3 彈性共軛曲面的求解方法
當(dāng)已知變形基本曲面和在特定載荷下的變形,則可求解彈性共軛曲面。
r(i)=rd(i)+δ(i)·n0(i) (i=1,2) (2-7-2)
式中
r(i)——參考點(diǎn)彈性共軛曲面徑矢
rd(i)——參考點(diǎn)變形基本曲面徑矢
δ(i)——參考點(diǎn)最大法向變形量
n0(i)——參考點(diǎn)單位法向矢量
彈性共軛曲面Σi即為所有離散點(diǎn)r(i)的集合。
Σi={r(i)|r(i)=rd(i)+δ(i)·n0(i)} (i=1,2)
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