第1章緒論
1.1本課題研究的目的和意義
隨著科技的高速發(fā)展，現(xiàn)代機(jī)械逐步向高速、精密、等方向發(fā)展，而減速器作為現(xiàn)代機(jī)械中的關(guān)鍵傳動部件，也隨之對其提出了更高的要求。當(dāng)今世界各國減速器技術(shù)發(fā)展總趨勢是小、型化、輕量化、高速化、低噪聲和高可靠度。減速器的設(shè)計與制造技術(shù)的發(fā)展，在一定程度上標(biāo)志著一個國家的工業(yè)水平。因此，開拓和發(fā)展減速器技術(shù)在我國有著廣闊的前景。
活齒傳動是為適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械的高速發(fā)展而成功開發(fā)的新型齒輪傳動，因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使之具有傳統(tǒng)齒輪傳動不可比擬的優(yōu)越性能，在一定的工作條件下，是傳統(tǒng)齒輪傳動理想的替代產(chǎn)品。本課題研究的圓柱正弦活齒減速器是一種新型的活齒傳動機(jī)構(gòu)，具有重量輕、體積小（外徑≤ф80mm）、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、傳動效率高、傳動誤差小、潤滑性能好、性能價格比高、防止逆?zhèn)鲃拥葍?yōu)點(diǎn)，它可廣泛應(yīng)用于國防、冶金礦山、石油化工、汽車、電子儀表、建筑工程、機(jī)床、鍋爐等生產(chǎn)部門。將產(chǎn)品國產(chǎn)化后，加工成本低于同類進(jìn)口減速器產(chǎn)品價格的一半，具有很高的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景。
正弦活齒傳動是一種新型的活齒傳動，雖然原蘇聯(lián)有關(guān)文獻(xiàn)報道正弦活齒傳動應(yīng)用在很多領(lǐng)域,但是理論方面研究未見任何報道。目前，在我國對該傳動的研究還是空白。通過本課題的研究，開創(chuàng)圓柱正弦活齒傳動空間嚙合理論、強(qiáng)度、可靠性、動力學(xué)以及設(shè)計制造等多方面基礎(chǔ)理論，拓展國內(nèi)的研究領(lǐng)域，形成系統(tǒng)理論及技術(shù)成果，使正弦活齒傳動技術(shù)國產(chǎn)化，并力求達(dá)到國際先進(jìn)水平。由于我國在正弦活齒傳動理論研究上空白，所以在設(shè)計和制造等方面的應(yīng)用研究至今無人問津。圓柱正弦活齒傳動中的內(nèi)空間正弦滾道，加工工藝復(fù)雜，難度大。在國內(nèi)現(xiàn)有制造水平及條件下，本文首次提出在小半徑內(nèi)圓柱面上加工高精度內(nèi)空間正弦滾道的方法，彌補(bǔ)了加工條件的不足，降低了生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的精度和生產(chǎn)效率。
空間探測具有巨大的潛在經(jīng)濟(jì)效益，是一個國家空間高科技高度發(fā)達(dá)的重要標(biāo)志，是綜合國力的具體體現(xiàn)，也是大國地位的象征。開展空間探測將推動我國空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和國際合作，并具有開發(fā)、分享太空資源和提高國家國際政治地位的重要戰(zhàn)略意義。本課題中研究的減速器可適應(yīng)特殊空間環(huán)境（高溫差、真空、失重、強(qiáng)輻射等）及對摩擦、潤滑條件的特殊要求。若將其成功的應(yīng)用，必將促進(jìn)我國空間探測事業(yè)的發(fā)展，從而帶動航天技術(shù)及其它領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。
1.2活齒傳動概述
為適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)對通用機(jī)械傳動裝置更新?lián)Q代的需要，應(yīng)用新技術(shù)，開發(fā)新型高性能傳動元件，成為傳動機(jī)械學(xué)領(lǐng)域中一項重要研究課題�；铨X傳動，從一定意義來說，就是這樣一種新型高性能傳動。隨著我國航天、航空、機(jī)械、電子、能源及核工業(yè)等方面的快速發(fā)展和工業(yè)機(jī)器人等在各工業(yè)部門的應(yīng)用，我國在活齒傳動技術(shù)應(yīng)用方面已取得顯著成績。同時，隨著國家高新技術(shù)及信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對活齒傳動技術(shù)產(chǎn)品的需求將會更加突出。
1.2.1活齒傳動結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其優(yōu)點(diǎn)
活齒少齒差行星傳動簡稱為活齒傳動，是由K-H-V型少齒差行星齒輪傳動演化而成的一種新型齒輪傳動，并利用一組中間活動件——活齒來傳遞兩同軸間的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。常見的活齒傳動分為推桿活齒傳動（圖1-la）、滾柱（鋼球）活齒傳動（圖1-1b）、套筒活齒傳動（圖1-1c）、擺動活齒傳動（圖1-ld)等。因為活齒傳動具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比范圍廣、承載能力大、傳動效率高等優(yōu)點(diǎn)，所以它一出現(xiàn)就引起科技工作者的廣泛注意。
活齒傳動突破長期以來齒輪傳動的傳動結(jié)構(gòu)特征，將行星齒輪的輪齒與輪體的剛性聯(lián)接改為運(yùn)動副活動聯(lián)接，使行星齒輪的全部輪齒成為一組作循環(huán)運(yùn)動的獨(dú)立運(yùn)動體，習(xí)慣上稱之為活齒。活齒與活齒架組成活齒輪，行星齒輪的行星運(yùn)動轉(zhuǎn)化為活齒輪繞固定軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，并使各活齒在活齒架的導(dǎo)向槽中按一定的運(yùn)動規(guī)律運(yùn)動，以實現(xiàn)行星齒輪做行星運(yùn)動的功能。由此可見，活齒傳動具有的共同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：
（1）在傳遞回轉(zhuǎn)運(yùn)動時，運(yùn)動輸入構(gòu)件與輸出構(gòu)件總是同軸布置的。
（2）在不考慮局部自由度時，除了輸入、輸出構(gòu)件和機(jī)架外還存在至少一個或一組中間活動構(gòu)件。
（3）在有中間活動件時，為了保證傳動的連續(xù)，所有中間活動件與輸入、輸出及機(jī)架構(gòu)成該傳動裝置的完全相同的最小單元，稱之為基機(jī)構(gòu)。它們分別在不同的時間區(qū)間起作用以保證傳動的持續(xù)，稱這種關(guān)系為異步并聯(lián)�；铨X傳動的連續(xù)傳動是靠各對并聯(lián)的嚙合副交替工作來完成的。因為各個并聯(lián)的嚙合副從嚙合開始到結(jié)束的工作過程完全相同，相鄰兩個嚙合副僅差一個相位，所以研究與相位無關(guān)的嚙合副的結(jié)構(gòu)理論，可以任選一個嚙合副為研究對象。
活齒傳動具有的結(jié)構(gòu)特征使其在小偏距平行軸間的轉(zhuǎn)速變換過程中，省去了少齒差行星齒輪必須采用的W運(yùn)動輸出機(jī)構(gòu)，不但有效的克服了采用W運(yùn)動輸出機(jī)構(gòu)給少齒差行星齒輪傳動帶來的激波器軸承壽命短的問題，而且傳動鏈顯著縮短，這給活齒少齒差行星齒輪傳動帶來一系列優(yōu)點(diǎn):
1.結(jié)構(gòu)新穎緊湊活齒傳動省去了少齒差行星齒輪傳動、擺線針輪傳動所必須有的W等速運(yùn)動輸出機(jī)構(gòu)，減速運(yùn)動通過活齒直接由活齒架輸出；組成活齒傳動的三個基本構(gòu)件——激波器、活齒輪和中心輪同軸布置，活齒輪放在中心輪里面，簡化了結(jié)構(gòu)，使傳動裝置的軸向和徑向尺寸都很小，縮小了體積，減輕了重量。
2.多齒嚙合承載能力高活齒輪由活齒和活齒架用移動副或轉(zhuǎn)動副聯(lián)接組成的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，避免了內(nèi)嚙合齒輪副輪齒間的相互干涉，能使所有的活齒同時和中心輪齒廓接觸，可以有一半甚至更多的活齒參與嚙合，承載能力高；多齒嚙合使活齒傳動對沖擊負(fù)荷有較強(qiáng)的承載能力，一般短期超載能力為名義扭矩的250%�；铨X傳動共扼齒形的連續(xù)接觸形式，避免了嚙入嚙出的沖擊，傳動平隱無噪聲。
3.傳動比范圍廣活齒傳動屬于K-H-V型少齒差行星齒輪傳動范疇，傳動比大，單級傳動比為8～60，雙級傳動比為64～3600；二齒差活齒傳動和封閉型二級活齒傳動等新型活齒傳動的相繼提出，不但使活齒傳動傳動比向大小兩個方向發(fā)展，擴(kuò)大了傳動比范圍，而且還有多路傳動的功能。
4.傳動效率高活齒傳動采用活齒后，使輸出機(jī)構(gòu)和活齒輪的分齒部分合成一體，使輸入軸到輸出軸之間的運(yùn)動鏈縮短，減少了動力傳遞損失；活齒和中心輪、激波器、活齒架之間組成的一個低副和兩個高副，由于采用了針齒、套筒活齒、擺動活齒、組合活齒和轉(zhuǎn)臂軸承等結(jié)構(gòu)，使組成運(yùn)動副的各運(yùn)動副元素間有較多的相對滾動，嚙合效率提高；激波器采用雙排結(jié)構(gòu)，并180度布置，使慣性力和作用力平衡，使傳動軸及軸承的受力減輕，提高了活齒傳動的傳動效率。活齒傳動的傳動效率隨傳動比的增加而降低，傳動效率在95%～70%范圍內(nèi)。
5.基本構(gòu)件的工藝性好活齒傳動的激波器通常采用偏心圓結(jié)構(gòu)，工藝性好，但需要采用雙排結(jié)構(gòu)。若采用橢圓等自平衡結(jié)構(gòu)，單排激波器即可使慣性力、作用力平衡，加工工藝簡單，但須采用柔性軸承技術(shù)。一般來說，活齒傳動中心輪的精確齒形需在數(shù)控機(jī)床上加工，也可利用通用機(jī)床裝置加工，但加工硬齒面存在一定困難。采用密切圓、直線等近似齒形，避免了加工特殊齒形的不便，簡化了工藝，不需增加專用設(shè)備即可批量生產(chǎn)。對于擺動活齒和套筒活齒，活齒架上的等分柱銷孔是關(guān)鍵工藝；對于推桿活齒和滾柱（鋼球）活齒，活齒架上的徑向等分槽是關(guān)鍵工藝，顯然前者的工藝性好。
1.2.2正弦活齒傳動結(jié)構(gòu)型式及其特點(diǎn)
正弦活齒傳動屬于活齒少齒差行星齒輪傳動，是一種利用鋼球和正弦滾道組成的滾動嚙合變速裝置。按照正弦曲線軌跡所在回轉(zhuǎn)面的類型，正弦活齒傳動可分為平面正弦活齒、圓柱正弦活齒及圓錐正弦活齒傳動等，圖1-2所示為共扼正弦曲線軌跡的示意圖。當(dāng)φ從0到2π變化，正弦曲線Γ在回轉(zhuǎn)面上被描述出來。如果Θ代表主動軸坐標(biāo)系，則曲線Γ表示主動軸回轉(zhuǎn)面上的正弦曲線，若Θ代表殼體坐標(biāo)系，則曲線Γ表示殼體回轉(zhuǎn)面上正弦曲線�；剞D(zhuǎn)面可以是錐面（圖1-2b）、圓柱面（圖1-2c）、平面（圖1-2d)，還可以為拋物面、雙曲面、超環(huán)面等。若按與活齒嚙合的正弦滾道數(shù)目劃分，正弦活齒傳動可分為雙正弦活齒傳動（圖1-3）和三正弦活齒傳動（圖1-4)。
正弦活齒傳動結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好、易拆裝、潤滑密封方式簡單方便。且傳動平穩(wěn)，不存在傳統(tǒng)齒輪的嚙入嚙出沖擊，具有較高的承載能力。其中圓柱正弦活齒傳動在理論上全部活齒均參與嚙合，活齒受力狀態(tài)好，嚙合剛性高。具有重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、傳動比范圍大、傳動效率高、傳動誤差小、承載能力強(qiáng)、潤滑性能好等特點(diǎn)。因此，正弦活齒傳動在機(jī)械傳動領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
1.3活齒傳動國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.3.1活齒傳動國內(nèi)外研究及應(yīng)用現(xiàn)狀
活齒傳動最初的結(jié)構(gòu)形式是在20世紀(jì)30年代由德國人提出來的，到了40年代，他們就把活齒傳動技術(shù)應(yīng)用到汽車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中了。第二次世界大戰(zhàn)曾使活齒傳動研究停滯下來。50年代，蘇聯(lián)學(xué)者對活齒傳動的一種形式“柱塞傳動”進(jìn)行了理論研究，提出了它的運(yùn)動學(xué)合理的計算方法。美國學(xué)者提出了推桿活齒減速裝置及少齒差減速機(jī)，分析了傳動原理，對傳動比和作用力進(jìn)行了計算，分析了其傳動性能。70年代，蘇美兩國積極開發(fā)活齒傳動新形式，蘇聯(lián)推出了“正弦滾珠傳動”，美國推出了“滑齒減速器”形成了系列產(chǎn)品，并投入國際市場。到了80年代，國際上研究活齒傳動更加積極，日本、英國、聯(lián)邦德國、保加利亞、捷克斯洛伐克等國家先后公布了一些有關(guān)活齒傳動的專利和發(fā)明，這些都表明活齒傳動的研究和應(yīng)用，在國外已經(jīng)成為行星齒輪研究中相當(dāng)活躍的領(lǐng)域。
我國對活齒傳動的研究起步較晚，從20世紀(jì)70年代起，我國的科技工作者才開始注意國外活齒傳動的發(fā)展，先后推出推桿活齒傳動、擺動活齒傳動、滾珠活齒傳動等多種形式活齒傳動裝置。80年代后，出現(xiàn)了以陳仕賢教授為主要研究代表的推桿活齒傳動機(jī)構(gòu)，以朱紹仁高級工程師為主要研究代表的變速傳動軸承，以周有強(qiáng)教授為主要研究代表的套筒活齒傳動機(jī)構(gòu),以曲繼方教授為研究代表的擺動活齒傳動機(jī)構(gòu)，以高靖中高級工程師為主要研究代表的滾柱活齒傳動機(jī)構(gòu)，以徐永賢高級工程師為主要研究代表的密切圓活齒傳動機(jī)構(gòu)和滾柱活齒傳動機(jī)構(gòu)等。由于活齒傳動具有很多突出特點(diǎn)，已引起國內(nèi)外工程界的重視。活齒傳動已應(yīng)用到能源、通信、機(jī)床、汽車拖拉機(jī)、冶金、造船、礦山、起重運(yùn)輸、化工、建筑工程、農(nóng)機(jī)、醫(yī)療器械、儀器儀表、紡織、輕工及食品機(jī)械等工業(yè)部門中。如用于機(jī)床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)、鍋爐的除渣機(jī)構(gòu)、選礦廠的球磨機(jī)、礦山牽引車、鋼管輸送機(jī)、鹽廠濃縮設(shè)備、啤酒廠發(fā)酵槽、汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、餅干輸送帶上等。近年來各科研院校和企業(yè)爭相對活齒傳動進(jìn)行研制，并申請了如擺動活齒減速機(jī)（專利號：CN20757729V）、AOT全滾動活齒減速機(jī)（專利號為ZL911010602）、星齒傳動（專利號：ZL93213523）、滾道減速機(jī)（CN86200768U）、密切圓活齒傳動、變速傳動軸承（CN85200923U）等多項專利技術(shù)。
燕山大學(xué)、四川大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等各高等院校也積極進(jìn)行新型活齒傳動的研究工作，在學(xué)術(shù)刊物和學(xué)術(shù)會議上發(fā)表了一些有關(guān)活齒傳動的學(xué)術(shù)論文，使活齒傳動不僅在應(yīng)用上取得了很大的成績，在理論研究上也有較大的成果。其中燕山大學(xué)曲繼方教授總結(jié)了自己發(fā)表的系列文章，編寫了活齒傳動領(lǐng)域唯一一部專著《活齒傳動理論》，利用機(jī)構(gòu)學(xué)中轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)法、等效機(jī)構(gòu)法及滑滾替代法等機(jī)構(gòu)演化方法研究各種活齒傳動的結(jié)構(gòu)、齒形綜合、運(yùn)動學(xué)及加工制造等一系列理論和應(yīng)用內(nèi)容，是一部較全面系統(tǒng)研究活齒傳動的著作，具有突出的研究特色。四川大學(xué)梁尚明研究了擺動活齒傳動的強(qiáng)度、效率、運(yùn)動學(xué)嚙合剛度、動力學(xué)特性及模糊優(yōu)化設(shè)計等方面的內(nèi)容；西安交大劉生林研究了擺動活齒減速器的結(jié)構(gòu)和工作原理，進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)分析，推導(dǎo)出了內(nèi)齒圈齒廓方程式，還對工作齒數(shù)和工作區(qū)域等問題進(jìn)行了研究；張以都、周有強(qiáng)等研究了套筒活齒的應(yīng)力數(shù)學(xué)模型、計算方法和多齒受力分析；燕山大學(xué)安子軍等運(yùn)用齒輪嚙合原理研究了擺動活齒傳動的內(nèi)齒圈齒形綜合問題，給出了實際齒形方程式和嚙合線方程，根據(jù)誤差理論，研究了擺動活齒傳動的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及其誤差對齒形的影響；沈陽工業(yè)學(xué)院的丁茹研究了擺動活齒傳動中活齒嚙合副的滑滾情況，并用機(jī)械原理方法和嚙合原理方法分別推導(dǎo)出擺動活齒、內(nèi)齒圈嚙合副滑動率方程式；中南大學(xué)的周建軍對擺線鋼球活齒傳動進(jìn)行了結(jié)構(gòu)理論、疲勞強(qiáng)度等方面的研究；江漢石油學(xué)院黃清世等推導(dǎo)了推桿活齒傳動內(nèi)齒輪理論廓線齒頂曲率半徑的計算公式，指出內(nèi)齒輪的齒數(shù)和偏心輪的偏心距越小，內(nèi)齒輪的齒頂曲率半徑就越大；沈陽工業(yè)大學(xué)范高潮等從活齒傳動的原理上對各種不同的運(yùn)動副組合方案進(jìn)行了探討和對比；燕山大學(xué)孫國慶等利用彈流潤滑理論，推導(dǎo)了常溫下外波式活齒減速器活齒與波形輪接觸處油膜厚度公式，為進(jìn)一步研究該類減速器的潤滑機(jī)理和工作性能提供了理論根據(jù)；廣東工業(yè)大學(xué)陽林等提出了可滿足最大重合度、最小壓力角和最佳受力條件三個目標(biāo)的參數(shù)優(yōu)化方法；大連機(jī)床廠張才富等研究了外波式活齒傳動，推導(dǎo)出作用在活齒上諸力之間的關(guān)系式和接觸強(qiáng)度計算公式，得出嚙合力的作用曲線。
綜上所述，經(jīng)過幾十年的開拓，我國科技工作者在活齒傳動領(lǐng)域的理論研究和產(chǎn)品開發(fā)方面都取得了大量的成績，但是對于正弦活齒傳動這種極具應(yīng)用前景的新型活齒傳動的理論研究和應(yīng)用均是空白，因此有必要對其進(jìn)行系統(tǒng)理論的研究，盡快實現(xiàn)其產(chǎn)品化，以更好的服務(wù)于我國的工業(yè)生產(chǎn)。
1.3.2正弦活齒傳動國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展
在空間探測領(lǐng)域，美國、俄羅斯、歐洲已居世界領(lǐng)先地位，其中美國在日地空探測、月球探測、行星探測領(lǐng)域保持強(qiáng)勁發(fā)展勢頭，歐洲在空間科學(xué)領(lǐng)域頗有建樹。70年代中期以前，美國、前蘇聯(lián)的月球探測活動頻繁，形成了月球探測的第一次高潮，特別是阿波羅號飛船的成功登月，成為人類航天史上的一次輝煌。進(jìn)入90年代，日本也加入月球探測的行列，于1990年成功發(fā)射月球探測器。隨著21世紀(jì)的到來，美國、法國、日本、俄羅斯、印度等國進(jìn)一步加緊了深空探測計劃的實施。
隨著國際深空探測技術(shù)的發(fā)展，我國也開始了對空間探測進(jìn)行起步階段的研究。由于空間的特殊環(huán)境，對減速裝置提出了更高的要求。它必須具有體積小、重量輕、優(yōu)良的潤滑性能和傳動性能以適應(yīng)高溫差、失重、真空及強(qiáng)輻射的特殊環(huán)境。傳統(tǒng)的齒輪減速裝置的重量性能比不高，并且摩擦損耗較大，影響整個方案的執(zhí)行。在月球真空環(huán)境下，傳統(tǒng)減速器中使用的潤滑油會蒸發(fā)掉，導(dǎo)致潤滑不良，并且若密封狀況不良，被蒸發(fā)的潤滑油會在周圍機(jī)器上再次凝結(jié)，引起工作特性惡化。通常的潤滑油和潤滑脂在-60℃以下便會固化，要想得到良好的潤滑特性，應(yīng)采用固體潤滑劑。固體潤滑劑在很大的溫度范圍內(nèi)能夠保證穩(wěn)定的潤滑性能，且極不易蒸發(fā)或發(fā)生潤滑劑枯竭和污染周圍機(jī)器等問題。本課題研究的圓柱正弦活齒傳動采用固體潤滑，可以防止?jié)櫥瑒┰诳臻g環(huán)境下的變質(zhì)、惡化、壽命過短和密封失效等，并且正弦活齒傳動具有比普通行星齒輪傳動結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、傳動效率高等優(yōu)點(diǎn)，所以更適合在空間特殊環(huán)境下應(yīng)用。
到目前為止，國際上只有原蘇聯(lián)對正弦活齒傳動進(jìn)行了研究，但研究成果在國內(nèi)極少可以檢索到。原蘇聯(lián)將正弦活齒減速器應(yīng)用于井下采油裝置中，成功解決了渦輪鉆具轉(zhuǎn)速過高的難題。還將其廣泛應(yīng)用于機(jī)械手、渦輪鉆機(jī)、離心機(jī)的傳動裝置、深井鉆探（石油井和天然氣井）等很多領(lǐng)域。在國內(nèi)尚無圓柱正弦活齒傳動的報導(dǎo)。燕山大學(xué)的曲繼方教授研究的擺線鋼球行星傳動與平面正弦活齒傳動的嚙合原理類似。但在傳動比相同的情況下，圓柱正弦活齒傳動具有比擺線鋼球行星傳動更小的徑向尺寸，更適于月球探測車輪系結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)及其它精密傳動機(jī)構(gòu)。大慶石油管理局曾經(jīng)對研制正弦活齒減速器立過項，但由于種種原因而沒有進(jìn)入實質(zhì)性的研究階段。因此，對于圓柱正弦活齒傳動的研究在國內(nèi)仍屬空白。
1.4灰色系統(tǒng)理論在機(jī)械工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀
灰色系統(tǒng)理論是我國著名學(xué)者鄧聚龍教授于1982年創(chuàng)立的一門新興的橫斷學(xué)科，主要包括：系統(tǒng)分析、系統(tǒng)建模、灰色預(yù)測、灰色決策、灰色控制等�；疑到y(tǒng)理論以部分信息己知、部分信息未知的小樣本、貧信息、不確定性系統(tǒng)為研究對象，主要通過對部分已知信息的生成和開發(fā)，提取有價值的信息，實現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行行為的正確認(rèn)識和有效控制。貧信息、不確定性系統(tǒng)的普遍存在，決定了這一新理論具有十分廣闊的發(fā)展前景。在機(jī)械工程技術(shù)方面，灰色系統(tǒng)理論與方法為創(chuàng)建新型控制系統(tǒng)提出了新的設(shè)計思想，為研制新型技術(shù)手段開拓了可行性，并提供了基礎(chǔ)。機(jī)械工程科學(xué)系統(tǒng)是一個巨大的灰色系統(tǒng)，從系統(tǒng)和信息的角度來講，研究機(jī)械工程科學(xué)的灰色問題就是研究信息的白化過程。因此，灰色系統(tǒng)理論的方方面面在機(jī)械工程的各個領(lǐng)域?qū)⒂兄鴱V泛的應(yīng)用。
由于機(jī)械工程系統(tǒng)中的灰色問題，所涉及到的不僅僅有機(jī)械工程及其相關(guān)的自然科學(xué)范疇的內(nèi)容，還有人類行為科學(xué)和心理學(xué)特征等方面的內(nèi)容，對于這些問題的研究方法有很多，目前還沒有也不可能有一個或一些統(tǒng)一的模型，只是將灰色系統(tǒng)理論貫穿與機(jī)械工程領(lǐng)域中而形成一套科學(xué)的理論與方法。由于國內(nèi)外廣大學(xué)者不懈的探索，近20年間，灰色系統(tǒng)理論不僅在理論上迅速發(fā)展，日臻完善，而且在眾多科學(xué)領(lǐng)域中得到廣泛而深入的應(yīng)用，取得了一系列重大成果，其中華中理工大學(xué)馬咸堯、李健萍等對某些鋼材的性能作了分析，發(fā)現(xiàn)了不同品種的材料有可能呈現(xiàn)相同的性能，這為材料科學(xué)的研究開辟了新的途徑；華中理工大學(xué)金相教研室用灰色模型進(jìn)行金相分析，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果突出，采用灰色研究分析，避免了破壞性試驗造成的經(jīng)濟(jì)損失；西北工業(yè)大學(xué)的支希哲等應(yīng)用灰色預(yù)測理論對金屬材料隨溫度變化進(jìn)行性能分析；澳大利亞MingfeiLuo博士將灰色系統(tǒng)理論成功的應(yīng)用于機(jī)床故障檢測、診斷與預(yù)測；重慶大學(xué)馮賢桂應(yīng)用灰色預(yù)測方法研究了金屬材料腐蝕系數(shù)隨材料強(qiáng)度極限變化的規(guī)律和金屬屈服強(qiáng)度隨溫度變化的規(guī)律；臺灣王國雄、柏恒仁、吳漢雄等人成功的將灰色關(guān)聯(lián)分析應(yīng)用于評估彈性制造系統(tǒng)、機(jī)械元件的易制性，為機(jī)械設(shè)計者提供了設(shè)計的參考依據(jù)；臺灣張士行、吳漢雄成功的運(yùn)用灰關(guān)聯(lián)分析對ACURAD壓鑄法的制造過程進(jìn)行了最佳工藝研究，取得了可喜的成果；黃石市程庵工程師等研制的黃石電廠鍋爐給水系統(tǒng)灰色控制器對鍋爐水質(zhì)進(jìn)行控制，實時性與準(zhǔn)確性得到了提高，可在一定程度上防患于未然；湖南常德師范學(xué)院的羅佑新等人將灰色局勢決策成功的應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計中，在機(jī)械參數(shù)優(yōu)選、產(chǎn)品質(zhì)量評價、材料選擇、設(shè)計方案綜合評價與選擇等方面取得可喜的成果；將灰色聚類分析、等斜率灰色聚類分析成功的應(yīng)用于工程機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量評價、機(jī)械材料性能分析以及機(jī)械強(qiáng)度指標(biāo)測算等方面；將等間距GM(1,1）、非等距GM(1,l）成功應(yīng)用于試驗數(shù)據(jù)處理與試驗在線監(jiān)測，為科學(xué)試驗提供新的科學(xué)方法；將GM(1,1）與灰色關(guān)聯(lián)分析應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備故障診斷及數(shù)控機(jī)床的故障預(yù)測。
值得一提的是，將灰色模糊聚類分析、灰色聚類分析、灰色關(guān)聯(lián)分析等成功應(yīng)用于多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計，開創(chuàng)了多目標(biāo)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計的新方法。應(yīng)用灰色聚類分析求解多目標(biāo)優(yōu)化問題的最滿意解，較一般其它方法求解最滿意解更具有理論依據(jù)和合理性，且方法實用，可排列出滿意解的優(yōu)劣次序，滿意程度由欲望水平確定，為決策提供了更趨于實際的方法和依據(jù)。
1.5本文的主要研究內(nèi)容
為適應(yīng)航空航天及深井采油等特種工作環(huán)境的需要，本課題設(shè)計并加工制造出傳動比i=5，最大徑向尺寸φ80mm的微小型圓柱正弦活齒減速器，并對其進(jìn)行理論分析和實驗研究。因此，本學(xué)位論文的研究主要包括以下幾個方面的內(nèi)容：
1.圓柱正弦活齒傳動空間嚙合理論的研究對圓柱正弦活齒傳動組成結(jié)構(gòu)及傳動特點(diǎn)進(jìn)行分析；建立主動軸及殼體空間正弦滾道的齒廓方程；根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件，建立圓柱正弦活齒傳動的力學(xué)模型并進(jìn)行求解；計算出正弦滾道與活齒接觸點(diǎn)處的主曲率，并分析其分布規(guī)律；分析活齒運(yùn)動狀態(tài)，進(jìn)行共扼齒廓間的滑動率計算，并定性分析活齒傳動各結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對滑動率的影響。
2.圓柱正弦活齒減速器的模糊可靠性研究圓柱正弦活齒減速器應(yīng)用在航天機(jī)械、采油裝置及機(jī)器人傳動等復(fù)雜的工作環(huán)境中，其可靠性的好壞直接影響生產(chǎn)的效率和安全，為此，本文擬對該減速器的可靠性進(jìn)行研究。對圓柱正弦活齒傳動的關(guān)鍵傳動件進(jìn)行接觸強(qiáng)度的模糊可靠性研究；建立減速器的故障樹并進(jìn)行定性和定量分析；將模糊數(shù)學(xué)引入故障樹分析中，研究圓柱正弦活齒傳動系統(tǒng)的模糊可靠性；基于故障樹分析，進(jìn)行系統(tǒng)可靠性數(shù)字仿真研究。
3.圓柱正弦活齒減速器系統(tǒng)動力學(xué)特性分析建立圓柱正弦活齒減速器系統(tǒng)扭振動力學(xué)分析數(shù)學(xué)模型，對其進(jìn)行動態(tài)特性分析，找出結(jié)構(gòu)中影響系統(tǒng)動態(tài)特性的薄弱環(huán)節(jié)，為進(jìn)一步改進(jìn)結(jié)構(gòu)，使之具有良好的動態(tài)特性提供理論依據(jù)；利用三維實體建模軟件Pro/E建立樣機(jī)的三維實體模型；應(yīng)用有限元方法和大型有限元分析軟件ANSYS對減速器的關(guān)鍵傳動件進(jìn)行模態(tài)分析。
4.圓柱正弦活齒減速器的多目標(biāo)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用灰色聚類分析方法對圓柱正弦活齒減速器進(jìn)行多目標(biāo)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型強(qiáng)大的非線性映射功能，建立動態(tài)分目標(biāo)函數(shù)；同時考慮強(qiáng)度、剛度及幾何等約束條件，優(yōu)化設(shè)計出結(jié)構(gòu)緊湊、徑向尺寸小、傳動效率高、可靠性高、動態(tài)性能好的新型圓柱正弦活齒減速器。
5.圓柱正弦活齒減速器樣機(jī)的加工及試驗研究根據(jù)優(yōu)化得到的最滿意解，確定樣機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)并繪制全套設(shè)計圖；提出在小半徑內(nèi)圓柱面上加工空間正弦滾道的方法，設(shè)計并加工非標(biāo)CBN球頭磨具，加工制造出一臺樣機(jī)，并擬對樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)及效率試驗研究。
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