车用三轴五档机械式变速器的设计-本科论文.doc

大 连 大 学本科毕业论文(设计)开题报告论 文 题 目： 某车用三轴五档机械式变速器设计 学 院： 机械工程学院 专 业 、班 级： 汽车111班 学 生 姓 名： 卢恺 指导教师（职称）： 王邦国 2015年 3月 2日 填毕业论文（设计）开题报告要求开题报告既是规范本科生毕业论文工作的重要环节，又是完成高质量毕业论文（设计）的有效保证。为了使这项工作规范化和制度化，特制定本要求。一、选题依据1.论文（设计）题目及研究领域；2.论文（设计）工作的理论意义和应用价值；3.目前研究的概况和发展趋势。二、论文（设计）研究的内容1.重点解决的问题；2.拟开展研究的几个主要方面（论文写作大纲或设计思路）；3.本论文（设计）预期取得的成果。三、论文（设计）工作安排1.拟采用的主要研究方法（技术路线或设计参数）；2.论文（设计）进度计划。四、文献查阅及文献综述学生应根据所在学院及指导教师的要求阅读一定量的文献资料，并在此基础上通过分析、研究、综合，形成文献综述。必要时应在调研、实验或实习的基础上递交相关的报告。综述或报告作为开题报告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通顺，较全面地反映出本课题的研究背景或前期工作基础。五、其他要求1.开题报告应在毕业论文（设计）工作开始后的前四周内完成；2.开题报告必须经学院教学指导委员会审查通过；3.开题报告不合格或没有做开题报告的学生，须重做或补做合格后，方能继续论文（设计）工作，否则不允许参加答辩；4.开题报告通过后，原则上不允许更换论文题目或指导教师；5.开题报告的内容，要求打印并装订成册（部分专业可根据需要手写在统一纸张上，但封面需按统一格式打印）。二、论文（设计）研究的内容1.重点解决的问题变速器是汽车传动系中最主要的部件之一。汽车变速器是通过改变传动比，改变发动机曲轴的扭力，适应在起步、加速、行驶以及克服各种道路阻碍等不同行驶条件下对驱动车轮牵引力及车速不同要求的需要。通俗上分为手动变速器(MT)，自动变速器(AT)， 手动/自动变速器，无级式变速器。汽车变速器一般由前箱体和后箱体组成。现在市场上不同车型所配置的变速器来看，主要分为：手动变速器（MT）、自动变速器（AT）、手动/自动变速器（AMT）、无级变速器（CVT）。变速器的传动机构又分为三轴传动变速器和两轴传动变速器。根据轿车的外形、轮距、轴距、最小离地间隙、最小转弯半径、车辆重量、装载重量以及最高车速等参数结合自己选择的适合于该轿车的发动机型号可以得出发动机的最大功率、最大扭矩、排量等重要的参数。再结合某些轿车的基本参数，选择适当的主减速比。根据上述参数，再结合汽车设计、汽车理论、机械设计等相关知识，计算出相关的变速器参数并论证设计的合理性。通过对各个部分的参数计算及三维图绘制完成对该驱动桥的设计。2.拟开展研究的几个主要方面（论文写作大纲或设计思路）(1)主要设计路线三轴五档汽车变速器的概述及其方案的确定 a.变速器的功用和要求 b.变速器结构方案的确定 c.变速器主要零件结构的方案分析 变速器主要参数的选择与主要零件的设计 a.变速器主要参数的选择 b.各档传动比及其齿轮齿数的确定c.齿轮变位系数的选择 变速器齿轮的强度计算与材料的选择 a.齿轮的损坏原因及形式 b.齿轮强度计算与校核 变速器轴的强度计算与校核 a.变速器轴的结构和尺寸 b.轴的校核 变速器同步器的设计变速器的操纵机构3.本论文（设计）预期取得的成果通过学习及查阅有关资料掌握机械式变速器的的工作原理以及其机构的设计, 了解现在链式变速器的发展趋势、相关技术的对比及市场前景。通过自主设计并选择最合理的方案设计能够得到以下结果：(1)机械式变速器的工作原理及总体方案设计；(2)主要部件的结构设计（装配图、零件图）(3)设计说明书；(4)与排屑机相关的一篇外文翻译（3000字以上）。机器手上的梯形齿减速器设计Jiqi机器手上的Won-Ki Nam and Se-Hoon Oh*KI NAM和李树庭*Department of Mechanical Engineering, Chung-Ang University, Seoul 156-756, Korea机械工程系，中央大学，汉城156-756，韩国(Manuscript Received March 3, 2010; Revised September 14, 2010; Accepted November 11, 2010)（手稿收到2010年3月3日；2010年9月14日修订；2010年11月11日接受）摘要Robots are increasingly performing human work as manufacturing is automated. Accordingly, the use of precision speed reducers has自动化就是机器人逐渐地取代人来制造生产。因此，使用精密减速器来实现对机器人手臂的位置的精确控制是必需的。曲线齿廓，如摆线或渐开线齿廓，普遍使用于精密减速器中。减速器的摆线齿廓，使控制精度高，被广泛used to manipulate robot systems. This study proposes a speed reducer that has a trapezoidal tooth profile with straight lines. In this用于机器人的操作系统。本研究提出了一种具有直线梯形齿廓的减速器。在这work, we mechanically analyzed trapezoidal tooth profiles, and then measured performance was by various tests using a prototype manufactured工作中，我们分析了机械的梯形齿廓，然后specifically for this study.专门为这项研究制造了测量性能的各种试验用样机。Keywords: Robot manipulator; Trapezoidal tooth profile; Speed reducer; Trajectory关键词：机器人；梯形齿；减速器；轨迹1 简介Planocentric gears reducers and harmonic drivers are generally在许多类型的减速器中行星齿轮减速器与谐波驱动程序普遍适用于机器人中。摆线针轮减速机（RV减速机）是行星行星齿轮减速器中最常见的类型。Cycloid drives have been popular reducers from the 1930s摆线针轮行星传动由于其和行星齿轮减速器相比有结构紧凑、重量轻和传动比高等优点已从上世纪30年代流行until the present time due to their compact, light-weight, high到现在，并其还有有机械传动效率高的优点 1 。However, there is backlash in the cycloid drive due to variations然而，由于in machining, which will reduce stability and inherent在机械加工的过程中传动间隙发生了变化，降低稳定性和并且产生了内在noise and vibration, particularly at high speeds 2.噪声和振动，特别是在高速的情况下 2 。大多数用于自动化制造的机器人采用两个或三个关节以上的谐波和摆线驱动器作reducers for the base joints. In full-size robots, cycloid reducers为基础的关节。对于正常尺寸的机器人来说，六个关节全都are used for all six joints 3, 4. Harmonic and cycloid用摆线针轮减速机 3，4 。即使在很小的一个很小的很小的阶段，谐波和摆线reducers can exhibit significant speed reduction rates even at减速器也可以表现出显着的减速率，甚至由于其齿轮啮合率好，其能够在大的转矩下传递很小的small sizes because of their much tooth gearing rates; thus,很小 尺寸；因此，they are predominantly used for robots that require a compact它们主要用于机器人上structure, large load capacity, and high-precision control of结构需求紧凑，承载能力大，控制精度高的position 5. These reducers are becoming increasingly specialized位置 5 。这些减速器的应用越来越专业化 for applications such as measurement of tooth profile如齿廓manufacturing techniques and assembly skills. With increasing制造技术的测量与装配技能等。随着demand for high functions in areas such as semiconductor在诸如半导体manufacturing and the space industry, continued development制造业和航天工业高功能的需求，只有持续发展of cycloid and harmonic reducers can be expected from the摆线谐波减速器才可以从viewpoint of satisfying user requirements.满足用户预期的需求。齿廓设计考虑用户的要求，geometry of conjugate surfaces is of major concern in designing共轭曲面的几何设计中主要关注的是the gears and generating the conjugate meshing elements,齿轮和生成共轭啮合元件，和一直研究的齿轮和齿轮啮合与代共轭surfaces have been previously studied 6-10.面的6-10。在这项研究中，我们设计了一个机器人的减速器，通过引入一种新的梯形齿形的概念，并进行了齿形设计的程序，我们制造出样机并对其性能进行了测试。2 方法2.1 Structure of speed redu2.1减速器的结构该减速器主要由一个内齿功能统称为外壳的内齿轮，进行偏心运动的外齿轮，和一个降扭的输出部分。通常，摆线针轮减速器可分为普通摆线针轮减速器或that contains a planetary gear. Fig. 1 shows the structure of a包含行星齿轮的摆线针轮减速器。图1显示的结构为包括行星齿轮cycloid reducer that contains a planetary gear. Here, unlike in摆线针轮减速器。在这里，不同于普通the general cycloid reducer, the input axis () from the motor普通的摆线针轮减速器，其输入轴从马达（）输入输入 动力带动行星齿轮（），当偏心axis () of the planetary gear moves the center position轴（）的行星齿轮与摆线齿轮（）齿牙相结合的时候，最后tooth-by-tooth contact with the inner gear (). This causes通过与内齿轮的齿接触齿（）。因为轴一体式结构，这使摆线齿轮转向方向相反的方向旋转的输入自己的轴。摆线针轮减速器内的齿轮由一个引脚或行星齿轮组成，其对减速器产生了一个两面的减速的影响，最近获得了普及机器人。这是因为他们可以得到比相同大小的普通摆线减速器更大的减速比的减速率，从而通过降低速度将摆线齿轮运动直接输入偏心轴 11，12 。2.2梯形齿廓的定义General tooth profiles of gears have shapes corresponding to齿轮的齿廓形状一般有相应的渐开线和摆线。然而，在这项研究中，我们使用trapezoidal tooth profile was used rather than the previously梯形齿廓而不是应用以往的渐开线或摆线齿廓。由于梯形齿廓的传动特点尚未深入研究，梯形齿廓迄今主要用于有摆线运动凸轮装置。在我们的current study, we conducted an analysis to reveal the interference目前的研究中，我们进行了分析，揭示了梯形齿形的干扰或传动特点。Assuming that the tooth number of an external gear is Z1 ,假设一个外齿轮的齿数Z1，that of a internal gear is Z2 , and the number of modules is m ,一个内齿轮Z2，和模块的数量m，外齿轮和内齿轮的基本直径分别为D1=MZ1和D2 = MZ2。一个大小tooth shown in Fig. 2 is equal to the value of the circumference齿如图2所示等于length of a pitch circle divided by the number of teeth.一个圆周长的长度值除以齿数。齿形大小是m，如图2所示。在这一点上，假设倾斜表面与外部和内部的齿面之间的比率是不变的，outer surface of the tooth is equal to m / 4 .牙齿的外表面等于m / 4。假设牙齿的中心落在起始点的外齿轮的齿形是梯形的定义，下列公式：as shown below; however, the amount of eccentric如下图所示，我们可以同样的方式定义梯形齿廓；然而，偏心量movement of the external gear must also be considered at the外齿轮的运动也必须被认为是在position where the tooth profile of the internal gear is defined.位置的内齿轮齿廓的定义。在这些方程中，E代表偏心运动量。2.3齿廓的运动学方程In a cycloid reducer, the external tooth wheel exhibits eccentric在摆线针轮减速机中，其外齿轮具有偏心cam movement. The amount of eccentric movement can凸轮运动。，如下图所示，can change according to predictable values. Fig. 5 shows theresults of kinematic pin trajectory modeling.可以根据齿廓运动的变化预测偏心运动量be controlled as shown below, and the tooth profile movement被控制的值。图5显示的是运动针轨迹的建模结果。The pitch circles of the external gear and the internal gear外齿轮的节圆与内齿轮的的的定义如下 13 ：在齿形模块，M等于节圆直径D除以齿数Z，单位为毫米。Z1和Z2分别表示内、外齿轮的齿数。如果旋转的节圆较大，两节点必须同时同向旋转，然而两旋转角速度的常数不同。r11 = r221和2分别表示内、外齿轮转动角速度。方程（13）的，显示在公式的变化（12）1的下方同时，公式（14）可以被用来计算的绝对角速度时，外齿轮的转动和传动齿轮与内侧相固定。外齿轮的齿轮位置坐标可以利用以下的那些计算方程计算：and the external tooth wheels rotate, respectively. Eq. (13)在上述方程F M，M1，FP和MP2分别表示1角速度旋转变换矩阵，对平移速度E翻译转换矩阵，和旋转变换矩阵为2角速度，rotation conversion matrix for an angular speed of 1绝对坐标系统的数据分析是仿真程序必要的。因此，在绝对坐标系统中，R1和R2（分别得出从外齿轮与内齿轮R1 和R2）计算如下：上述为根据梯形齿移动的那些运动方程。2.4衰落系数的定义使用下列方程轨迹确定在外齿轮中心的轨迹，设齿中心坐标我（XC，YC）：在这里，定义如下：齿形衰落系数的运动轨迹是一个功能变化如表1所示其中表1显示的为相对于衰落系数价值变化梯形齿形的轨迹的评估结果当= 1，齿面的端遇到干扰由于其位置的运动（如表1所示的红圈（B）由于牙齿的摆线运动时1这种干扰越来越大（如表1所示的红圈（一）然而，当小于1时，因为牙齿接触发生在相反的方向的齿轮运动，因而没有干扰3. 实验的结果3.1机器人减速器的原型图7中所示为减水剂的原型机器人，是基于我们以前制造的结果分析的图7图8已知刚度为 609 nm / min和电弧负载力矩测量为1131 nm。最大弧垂弯矩荷载为2262 nm，而应用点的大小范围从83.71毫米到8.14毫米，轴向载荷为3408 N和径向载荷为12180 N。测定为50毫米沿半径方向的标准距离。额定输出扭矩为500 nm，与额定输出频率为每分钟15转。允许的最大平均输出力矩为700 nm，容许速度增加/减少扭矩为1250 nm，和允许的最大瞬时扭矩为2500 nm。允许的最大输出频率为27 rpm，测量低于1分钟的旋转精度，和扭转刚度为206 nm /弧分钟。3.2无效行程To confirm the effectiveness of the developed tooth profile确定了齿廓设计的有效性，我们制造一个模型具有以下规格。制造模型（hdxd050s-b148-s-s2）有148:1减速比，无效行程的测定（使用专门制造的测量了试验台的运动，如图8所示）是平均为0.12弧分，从而满足机器人的要求（小于1分钟）。3.3 Moment stiffness3.3刚度的需求When designing robots, a high value of moment stiffness设计机器人时，价值高的刚度的时刻must be used, because if the stiffness is not high enough, the必须使用，因为如果刚度不够高，这resulting low eigenfrequency decreases the precision of the从而减少低频率的精度robots, and they sag under additional loads. The stiffness of机器人，他们陷在附加载荷。刚度currently available robots amounts to about 600 Nm/arc min.目前现有的机器人达600 nm /弧分。In this study, based on experiments performed with the在这项研究中，基于进行实验manufactured test bed (see Fig. 9) to measure the bending制造的试验台（见图9）测量的弯曲moment, the moment stiffness of robot reducers with a trapezoidal一刻，有梯形的机器人减速力矩刚度tooth profile was found to be greater than 600 Nm/arc齿廓是大于600纳米/弧min, which is a standard value of stiffness for robots (see Table分钟，这是机器人的刚度标准值（见表2).2）。Note: Distance to the forced point: 1000 mm; distance注：被迫点的距离：1000毫米；距离measured: 300 mm测量：300毫米3.4测量噪声Table 3 lists the measured values of noise when a single reducer表3列出了测量值的噪声时，一个单一的减速器was operated under Nyquist control and noise was在奈奎斯特控制和噪声条件下操作measured at a distance of 1 m from the source. Given that the在距离1米的源测量。鉴于average noise of industrial robot reducers is 85 dB, our prototype工业机器人减速平均噪音是85分贝，我们的原型has a considerable advantage in terms of noise.在噪音方面具有相当的优势。4.结论The tooth profile of robots can be categorized as cycloid, involute,机器人可分为摆线齿廓渐开线，or trapezoidal. Our study evaluated the gearing features或梯形。我们的研究评估的传动特点of the trapezoidal tooth profile. In addition, the applicability的梯形齿廓。此外，适用性of the profile to robots was verified via prototype manufacture轮廓中的机器人是通过试制验证and laboratory experiments. Based on the results of our和实验室实验。根据我们的结果study, we proposed a new robot reducer tooth profile with a研究中，我们提出了一个新的机器人减速器齿形带number of improvements with regard to gearing. In summary,以齿轮传动的改进数。在总结，(1) Great improvements in gearing, stress, and stiffness by（1）在齿轮传动中，应力大的改进，和刚度optimizing the declination coefficient have been introduced. A优化了偏差系数。一个standard value of stiffness for general industrial robots is 600一般工业机器人的刚度标准值为600Nm/arc min, but average value of stiffness for reducer using纳米/弧分，但对减速器采用刚度平均值trapezoidal tooth profile is 697 Nm/arc min. It shows that梯形齿廓是697纳米/分钟。结果表明，电弧newly designed trapezoidal tooth profile is structurally sound.新设计的梯形齿形的结构是合理的。(2) Newly designed trapezoidal tooth profile make surfacecontact,（2）新设计的梯形齿廓使之间，whereas the previous cycloid tooth profile make linecontact.而以前的摆线齿形使8.。Therefore the trapezoidal tooth profile has an advantage因此，梯形齿廓的优点in terms of stress and bending stiffness by comparing its根据应力和弯曲刚度的比较strength with that of the previous cycloid tooth profile.与以前的摆线齿形强度。(3) Reducer using trapezoidal tooth profile makes noise（3）减速器采用梯形齿形制造噪音about 6876dB in case input speed is from 1000 to 3000rpm.约68的情况下，输入速度 76dB从1000到3000rpm。This shows proposed reducer offers improved noise reduction这表明该减速器提供了改进的降噪capability in comparison with previous reducer which makes与以往的减速器进行比较的能力noise about 85dB.噪声85dB。确认This research was supported by Chung-Ang University Research这项研究是由中央大学研究支持Scholarship Grants in 2010.奖学金2010。工具书类1 D.W. Botsiber and L. 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Litvin, Theory of Gearing, NASA Reference Publication【13】F. L.利特，啮合理论，美国航空航天局的参考刊物, 1212 4-14.1212，14。三、论文（设计）工作安排1.拟采用的主要研究方法（技术路线或设计参数）；首先阅读大量相关文献资料，教材及新闻背景资料，包括机械制造的原理及方法，数控机床现有技术水准，国际水平探讨方面的书籍、报刊。以了解可靠性的内容。然后通过调研，进一步了解企业现状及需求。接下来进行分析与设计。确定数据的准确行再进行系统设计。2.论文（设计）进度计划 1 查阅课题相关资料1.12.29查阅、整理相关资料、文献2 进行课题开题相关工作3.13.15完成开题报告3 参数计算3.164.10完成变速器设计4 进行三维设计及部分零部件的二维 图纸的绘制4.115.17完成所有设计图纸 5 撰写说明书5.185.25拟写毕业论文 6 完成论文的编写、修改工作,准备答 辩5.256.10完成毕业论文四、需要阅读的参考文献1周开勤. 机械零件手册M.第四版.北京:高等教育出版社,1994 2孙恒，陈作模.机械原理M.第七版.北京：高等教育出版社，2006 3濮良贵,纪明刚.机械设计M.第八版.北京：高等教育出版社，2006 4美伯尔著.机械分析与机械设计M.汪一麟等译北京:机械工业出版社，1996 5章日晋等编.机械零件的结构设计M.北京: 机械工业出版社,19876 王守忠, 陈爱荣. J. 机电产品开发与创新, 2006(02)：158-1597赵润福,魏炯.排屑机的分类及选用J.8 岳苓. 链板、刮板复合型排屑器J. 制造技术与机床，2009（05）：140-1419 古今学.我国数控产业的现状与发展现状J. 国土资源高等教育研究，2005-10-1，P60-62：44-4710高慧. 快走丝线切割加工中断丝问题的分析及处理J. 北京工业职业技术学院学报, 2008(02)11曾家驹, 王懋荣, 廖德刚. 机械制造技术( 现代技术部分)M . 北京: 机械工业出版社, 200412周伟平. 机械制造技术M . 武汉: 华中科技大学出版社, 200513周世增. 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