随着装备自动化和智能化的发展以及功率电传在各工业领域应用的不断深入,机电伺服作动系统正向着高功率、高集成度、高精度和高可靠性方向发展。作为一种将旋转运动转化为直线运动的传动机构,行星滚柱丝杠副(Planetary Roller Screw Mechanism,PRSM)由于承载力高、刚性强、寿命长、动态性能良好和安装及维护方便等优点,越来越成为机电伺服作动系统中的关键部件,具有广阔的应用前景。然而,国内外对PRSM的研究尚不深入,制约着PRSM的广泛应用和发展。为此,本文从螺旋曲面啮合原理出发,充分考虑PRSM多点、多副和多体特征,对PRSM的啮合和运动特性开展了系统深入的研究,这不仅为进一步准确分析PRSM承载、刚度、润滑、磨损和寿命等性能奠定良好基础,而且对于研制高性能PRSM、促进PRSM在航空航天、船舶、石化、智能装备等领域的应用具有重要的理论意义和工程应用价值。本文将基于螺旋曲线的PRSM解析啮合模型发展成为基于螺旋曲面的解析啮合模型,并进一步建立了考虑牙型误差、螺纹分头误差和零件偏斜的PRSM啮合模型,提出了包含偏心误差、位置误差和螺纹分头误差的PRSM运动学分析方法,推导了考虑运动零件六自由度的PRSM动力学方程,设计并搭建了PRSM综合性能试验台,通过实验验证了上述PRSM运动学和动力学模型的正确性。本文的主要工作和成果有:1、推导建立了包含丝杠、滚柱和螺母螺旋曲面几何特征与装配关系,并能够计算接触位置、轴向间隙及其分布的PRSM啮合模型。通过研究结构参数对PRSM啮合特性的影响规律发现,随着螺距的增大或者牙侧角的减小,丝杠和滚柱的接触点将远离丝杠与滚柱回转中心的连线;若要实现PRSM的无间隙设计,丝杠、滚柱和螺母需具有不同的牙厚;当滚柱轮廓半径增大时,丝杠与滚柱之间的接触点会向滚柱螺纹的牙顶以及丝杠螺纹的牙根部分移动。2、提出了求解PRSM中任意一对螺纹牙在任意方向上接触位置和间隙的计算方法,分析了间隙向量方向、牙型误差、螺纹分头误差和零件偏斜对PRSM啮合特性的影响规律。结果表明,丝杠和滚柱或螺母和滚柱牙侧角的差异越大,牙侧角误差对接触位置的影响越大;丝杠、滚柱和螺母的中径误差与PRSM轴向间隙的改变量呈线性关系;当丝杠和螺母存在螺纹分头误差时,不同滚柱以及同一滚柱上的不同螺纹牙将具有不同的轴向间隙状态;滚柱相对于丝杠或螺母的偏斜,会同时影响滚柱与丝杠或螺母各对螺纹牙的接触位置与间隙。3、综合考虑运动传递路径变化、齿轮副传动比波动和滚柱浮动因素,建立了考虑零件偏心与位置误差以及螺纹分头误差的PRSM运动学模型,提出了滚柱卡滞状态判断方法,研究了上述误差对PRSM运动学特性的影响规律。结果表明,进行PRSM设计时,必须考虑误差对滚柱浮动区域的影响,以保证PRSM在安装完成后的运动流畅性;当螺母偏心误差与位置误差的幅值相同时,合理的螺母安装角能够使得螺母偏心误差和位置误差对PRSM传动误差的影响相互抵消;螺纹分头误差不但会对滚柱浮动区域产生影响,并且会改变刚体状态下滚柱在丝杠侧和螺母侧参与接触的螺纹牙总数。4、采用牛顿第二定律,建立了包含运动零件六自由度的PRSM刚体动力学模型,研究了摩擦因数、使用工况和结构参数对PRSM动力学特性的影响规律。结果表明,随着相接触螺纹间摩擦因数的增加,保持架和丝杠转速的比值、内齿圈和滚柱的接触力以及保持架和滚柱的接触力均会增加,但PRSM的效率会减小;螺母负载会对内齿圈和滚柱上的直齿啮合状态产生影响;PRSM在轻载工况下的稳态保持架转速和效率均低于重载工况下的稳态保持架转速和效率;增加螺距或减小牙侧角均能够使得PRSM的效率增加,但是当牙侧角小于45?后,PRSM效率的增加将变得十分缓慢。5、为了验证本文PRSM运动学和动力学模型的正确性,自主设计并搭建了PRSM综合性能试验台,完成了PRSM样件的空载传动精度、效率和保持架转速测试。实验测试和模型计算结果表明,由于装配误差的影响,PRSM的空载传动误差曲线呈周期性波动,波动周期与丝杠旋转周期相同,且波动幅值大于丝杠的累计螺距误差;相比于逆传动状态,PRSM在正传动状态时具有更高的效率与更大的丝杠和保持架转速比。