2022年连杆凸轮减速器的设计与动力学仿真 .pdf

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1、*毕业设计论文连杆凸轮减速器的设计与动力学仿真 摘要基于连杆凸轮减速器成熟的理论和技术，分析与研究了连杆凸轮减速器的工作原理和结构，在搞清楚新型连杆凸轮减速器的传动原理和其零部件结构的基础上，利用CAD/CAE软件绘制该减速器的三维零件模型和仿真。为该减速器的应用和推广进行了一些基础性的工作。 关键词连杆凸轮减速器；凸轮；摆线针轮；PRO/E 三唯建模；参数化建模；运动仿真。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 13 页*毕业设计论文CAM-LINKAGE REDUCER MOTION SIMULATIONAbstract:B

2、ased on the maturity techniques and theories of the cam-linkage reducer, analysis and research of the cam-linkage reducer works and structural features,on these bases, figure out the new clear link cam reducer drive principle and structure of all parts. Use the CAD/CAE soft to draw three-dimensional

3、 model of the all reducer parts and simulate. Do a number of basic works for the Promotion and use of the reducer.Key words:cam-linkage reducer, cam, Cycloidal gear, pro/e three dimension model building, parametric modeling，motion simulation. 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 13 页

4、*毕业设计论文I目录1 引言 . 11.1 概述 . 11.2 减速器的类型及综合评价指标 . 2减速器的分类 . 21.2.2 综合评价指标 . 21.3 减速器的现状及发展趋势 . 3电脑辅助技术在制造业中的应用和发展现状 . 4电脑仿真 . 41.4.2 CAD/CAE 研究现状及发展趋势 . 42 连杆凸轮减速器的原理和结构. 62.1 机构的传动原理分析 . 62.1.1 机构的组成 . 62.1.2 机构的传动原理分析 . 6机构的传动比计算 . 7运动输入构件与输出构件的转向关系. 72.2.2 传动比的计算 . 错误!未定义书签。2.3 连杆凸轮减速器性能试验结果 . 错误!未

5、定义书签。2.4 连杆凸轮减速器的机构设计 . 错误!未定义书签。凸轮的理论廓线方程 . 错误!未定义书签。理轮廓线的数学性质 . 错误!未定义书签。连杆凸轮减速器的结构 . 错误!未定义书签。2.5.1 主动曲柄 . 错误!未定义书签。2.5.2 连杆推杆带滚子的环板. 错误!未定义书签。2.5.3 从动曲柄 . 错误!未定义书签。2.5.4 凸轮. 错误!未定义书签。2.5.5 输出轴 . 错误!未定义书签。2.5.6 箱壳. 错误!未定义书签。2.5.7 惯性力的自平衡结构 . 错误!未定义书签。2.5.8 弹性均载环节 . 错误!未定义书签。3 减速器基本零件建模. 错误! 未定义书签

6、。3.1 Pro/ENGINEER 简介 . 错误!未定义书签。输出轴模型的建立 . 错误!未定义书签。3.3 卡板模型的建立 . 错误!未定义书签。3.4 闷盖模型建立 . 错误!未定义书签。3.5 其余基本零件模型图 . 错误!未定义书签。4 减速器的装配和仿真. 错误! 未定义书签。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 13 页*毕业设计论文II减速器的装配 . 错误!未定义书签。4.1.1 连板组件的装配 . 错误!未定义书签。输入轴组件的装配 . 错误!未定义书签。第三轴组件的装配 . 错误!未定义书签。中间轴组件的

7、装配 . 错误!未定义书签。减速器总装 . 84.2 基本仿真过程 . 错误!未定义书签。运动分析工作流程 . 错误!未定义书签。致谢 . 错误! 未定义书签。总结 . 错误! 未定义书签。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 13 页*毕业设计论文1 引言原动机、传动机和工作机执行机是机械系统的三大基本构成。原动机提供基本的运动和动力。工作机是机械具体功能的执行系统，随机械功能的不同，工作机的运动方式和结构形式千差万别。由于原动机运动的单一性、简单性与工作机运动的多样性、复杂性之间的矛盾，需用传动机将原动机的运动和动力，如速

8、度、力或力矩的大小和方向等进行转换并传递给工作机，以适应工作机的需要。可见，只要原动机的运动和动力输出不能满足工作机的要求，传动机的存在就是必然的。目前在工程实际中，广泛使用的传动装置有齿轮传动机构， 链传动、皮带传动、蜗轮蜗杆传动等。 在普通齿轮传动中，单级传动比小， 且由于重合度的限制， 其承载能力受到一定的影响， 因此研究一种新型，高性能的传动装置显得十分必要。在传动装置中，国内外大多采用的是齿轮传动及其变形，同时摆线针轮减速器等相继研制成功并推广使用。与齿轮减速器相比，连杆凸轮减速器的单级传动比大；借助一齿差原理大幅度提高了重合度，因而承载能力提高；高副处为滚动摩擦因而摩擦力小，机械效

9、率高。采用的是一齿差原理，是一种传动比大，承载能力大，机械效率高的传动装置。在摆线针轮减速器中转臂轴承受力较大，其转速又高于高速轴的转速，而且转臂轴承的尺寸又受到限制，故转臂轴承成为薄弱环节。为克服上述减速传动的缺点并保留其优点，实现机械传动装置的高性能、低成本和小型轻量化，从传动原理上创新了一种新型的连杆凸轮减速器，该减速器与近年来成功研制的双曲柄环板针摆行星减速器类似，不仅保留了环板式传动可省去输出机构而输出轴刚性好；转臂轴承由行星轮内移至行星轮外，尺寸不再受限制，从而传递的转矩可以较现有的摆线针轮减速器更大等优点，而且又保留了原摆线针轮行星减速器同时啮合齿数多，总法向力与总圆周力间夹角小

10、、摆线轮与针轮齿均为硬齿面等本质上的优点，克服了现有以渐开线为齿形的诸种环板式减速器难以防止的缺点。因此，连杆凸轮减速器是一种体积小、重量轻、传动比范围大、传动效率高、传动平稳、输出轴刚性大、传动转矩范围更大、并具有很高实用价值的新型减速器。1.1 概述减速器是指原动机与工作机之间独立的闭式传动装置，用来降低转速并相应的增大转矩，它是机械系统的重要组成部分，并直接影响机械系统的性能。由齿轮、轴、轴承精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 13 页*毕业设计论文及箱体组成的齿轮减速器，用在原动机和工作机或执行机构之间，起匹配转速和

11、传递扭矩的作用，在现代机械中应用极为广泛，是一种不可缺少的机械传动装置此外；在某些场合，也有作增速的装置，并称为增速器。减速器是工程实际应用中常用的传动装置。就目前现有的机械系统发展情况来看，一般的机械系统通常包括三部分：原动机部分，执行部分，传动部分，其中传动部分位于原动机与执行部分之间。由于机械的功能是各式各样的，所以要求的运动形式也是各式各样的。同时，所要克服的阻力也会随着工作情况而异。但是原动机的运动形式、运动及动力参数却是有限的，而且是确定的，这就提出了必须把原动机的运动形式、运动及动力参数转变为执行部分所需的运动形式、运动部分及运动参数问题，而这个任务就是传动部分来完成的，因此，传

12、动系统是机械系统中不可缺少的重要部分。另外，我们使用机械时，所用的原动机电动机其输出转速是一定的，如果要到达需要的转速时，只需选用足够大的传动比即可，相反，如果采用低速电动机，经济上不划算，且低速电机体积庞大。因此，在机械系统中，最主要的是传动部分，其传动装置以减速器为代表。1.2 减速器的类型及综合评价指标减速器的分类减速器的种类很多，常见的减速器按其传动和结构特点可划分为以下几种：1齿轮减速器主要有圆柱齿轮减速器，圆锥齿轮减速器和圆锥圆柱齿轮减速器。2蜗杆齿轮减速器主要有圆柱蜗杆减速器，环面蜗杆减速器和锥蜗杆减速器3蜗杆齿轮减速器及齿轮蜗杆减速器4行星齿轮减速器5摆线针轮减速器6谐波齿轮减

13、速器上述六种减速器已有标准系列产品，使用时只需结合传动功率，转速，传动比，工作条件和机器的总体布置等具体要求，从产品目录或有关手册中选择便可。新型减速器的研发将为用户提供更大的选择范围，并为现有减速器增添一种新传动理论。综合评价指标减速器性能的综合评价指标体系是减速器的一项重要的技术要求，一台减速器性能精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 13 页*毕业设计论文的优劣完全是由其综合评价指标体系来表达的。往往产品在设计过程中必须遵循一定的指标，当设计完成后，又必须建立相应的评价体系看产品的实际情况可以到达多少。目前，减速器的评价

14、体系包括以下几方面：传动比是减速器的重要指标，从而以满足减速要求，目前减速器的传动比种类很多，最小可是 1，如果用三级圆柱齿轮减速器传动比可到达500。效率反映的是传动系统传递动力的能力大小的指标。与效率相似，承载能力亦是传动系统的一个重要指标，它反映装置在额定条件下装置单位重量所传递扭矩的多少， 。按照通俗的看法对产品的要求就物美价廉，制造成本反映的是指价廉，一台产品必须在满足传动比、效率、承载能力、抗振、噪声以外，力求节约成本，这样才能在同类产品中具有竞争力。5. 振动、噪声振动、噪声也是机械系统的重要指标，降低噪声和振动不但可以延长机器寿命而且可以表达机器在结构上的紧凑性。1.3 减速器

15、的现状及发展趋势当前所用原动机大都是电动机。在调速电机还没完全普及时，减速器仍有较大潜力可挖，应用前景广阔。减速器主要应用于机械制造、轻工、化工、冶金、矿山机械、运输机械等行业，减速器的应用仍很广。从生产方面来看，减速器的生产大部分由专门减速器厂生产。所以在供需方面减速器并不是主导经济产品市场的，但它的市场前景是乐观的。就目前的工作过程应用中的减速器来分析，作为机械系统中起着重要作用的传动部件来，减速器的局限性也非常明显。首先，从传动比方面来说，作为一个重要的性能评价指标，传动比并不是任意设定的，它的变化给减速器的设计带来了数字变化的设计重复性。其次，从效率方面来说，它是机械系统的重要评价指标

16、，直接反映系统传递动力的能力大小，而传递的动力除受其输出系统的影响外，就受减速器本身的影响，而目前采用的减速器均为传动的机械传动，例如，连杆凸轮减速器装置在同类产品中应当算比较高的效率了，可以达99% 以上，这在目前是一个极限数字。最后，目前采用的减速器均使用机械传动。其接触副均为点、线接触。这将导致摩擦、误差产生，从而使传动效率降低。因此，常见的齿轮、蜗杆、滚子等减速器均是从传统的设计思路来的，它们可以归结为同一类型。所以减速器在其设计思路上有一定局精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 13 页*毕业设计论文限性。当前齿轮减

17、速器普遍存在着体积大、重量大，或者传动比大而机械效率过低的问题。当前各国齿轮和齿轮减速器向着高承载能力、高齿面硬度、 高转速、高精度、高可靠性、高效率、低成本、低噪声、标准化和多样化方向发展，即六高、二低、二化发展的总趋势。 减速器和齿轮的设计与制造技术的发展，在一定程度上标志着一个国家的工业水平。总之，随着科技的进步，减速器领域将会有一次大的突破。然而，任何产品的发展都是以整个行业为背景的，受各行业现有水平的限制，这也就是说减速器的发展仍会有较大的潜力可挖。1.4 电脑辅助技术在制造业中的应用和发展现状1.4.1 电脑仿真在工程技术界，系统仿真是通过对系统模型实验， 去研究一个存在或设计中的

18、系统。电脑仿真已成为系统仿真的一个重要分支，系统仿真很大程度上指的就是电脑仿真。电脑仿真技术的发展与控制工程、系统工程及电脑工程的发展有着密切的联系。一方面，控制工程、系统工程的发展，促进了仿真技术的广泛应用；另一方面，电脑的出现以及电脑技术的发展，又为仿真技术的发展提供了强大的支撑。电脑仿真作为必不可少的工具，在减少损失、节约经费、缩短周期、提高质量等方面发挥着重要作用。1.4.2 CAD/CAE 研究现状及发展趋势1. 国内本领域的现状用 CAD 技术进行产品设计不但可以使设计人员“甩掉图板”， 更新传统的设计思想，实现设计自动化，降低产品的成本，提高企业及其产品在市场上的竞争能力；还可以

19、使企业由原来的串行式作业转变为并行作业，建立一种全新的设计和生产技术管理体制，缩短产品的开发周期，提高劳动生产率。三维CAD 造型技术也称建模技术，它是CAD 技术的核心。建模技术的研究、发展和应用，代表了CAD 技术的研究、发展和应用。从20世纪 60 年代至今，三维建模技术的发展经历了线框建模、曲面建模、实体建模、特征建模、参数化建模、 变量化建模， 以及正在研究的产品集成建模、 行为建模等发展过程。三维 CAD/CAE 技术主要包括以下内容：三维造型/三维设计、电脑辅助工程分析、机构运动分析 /仿真、装配干预检验、三维转二维、图样档案管理等。利用这种全过程的三维 CAD/CAE 系统完成

20、设计以后，不仅使设计对象的几何形状和性能满足要求，而且使各方面的指标强度、刚度、重量和成本等都到达最正确状态，这是电脑辅助设计精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 13 页*毕业设计论文和辅助工程分析的根本目的。三维CAD/CAE 符合设计者的思维习惯，可以充分发挥设计者创造力和想象力。三维CAD/CAE 技术不仅解决了产品设计和工程图绘制的问题，更重要的是利用三维CAD/CAE 技术实现产品的虚拟设计、运动仿真和优化设计，所生产的三维零件可以直接与CAE/CAM/CAPP 等 CIMS 技术进行数据交换和衔接，是将来实现无图

21、样生产的关键技术之一，是实现虚拟制造的重要手段。掌握三维CAD/CAE 技术的使用，已经逐步同使用电脑进行文字处理一样，成为产品开发、设计人员的一种基本技能。目前在我国 CAD 、CAE已经得到了广泛的应用，在大多数的大型制造企业已经相当的成熟。但很多企业，也只是做到用手工出图转变为电脑出图的现状，当然电脑出图是有很多优点的，漂亮、标准、修改容易、存档方便等。但是如果只是停留在这个阶段，就失去了 CAD 的作用，因为 CAD 是辅助设计，不是辅助绘图。既然是设计就不但想到产品的机械模型，还应想到产品的结构分析、运动机构分析和生产加工处理等，只有这样才能真正发挥 CAD 的作用。要真正做到这一点

22、，单凭二维设计是不够的，虽传统制图方法是通过二维视图描述三维实体， 但它做不到进一步的结构、 运动机构分析和数控加工，不能真正做到生产的自动化，甚至二维视图描述会出现二意性和理解错误，于是必须找到更先进合理的三维设计手段，使CAD 、CAM 、CAE以及 PDM 容为一体。为此， CAD/CAE方法作为能缩短产品开发周期的得力工具，被越来越频繁地引入产品设计与生产的各个环节，以提高竞争力。从设计产品和对性能的简单校核，逐步发展到性能的准确预测，再到工作过程的精确模拟，使人们对CAD/CAE 方法充满信赖。然而，提高产品竞争力不但需要提高产品的性能与质量，而且要降低产品的成本，因此人们需要找到最

23、合理和最经济的设计方案。 虽然分析人员可以不厌其烦地在屏幕前一次次修改设计参数以寻找最理想方案，但缩短开发周期的压力通常要求分秒必争，人们可能没有更多的时间对数据参数进行手工调整。于是，对CAD/CAE 技术及其应用的研究也到达一个新高度。2.CAD/CAE技术发展趋势现代产品设计力求高效率、高质量、低成本，这对CAE分析工具也提出了更高的要求：有足够技术手段来真实地模拟产品工作行为。即真实模拟， 它涉及到许多高难问题：高度非线性、多物理场耦合及产品系统级复杂装配体模型等。把设计工作的实际经验和电脑技术结合起来 , 将提高系统的实用性和先进性。因此，分析面广、分析程度深、分析对象复杂及应用便捷

24、是现代CAE 应用的发展方向，只有在这样的分析手段配置下，才能真正解决“真实模拟”的问题。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 13 页*毕业设计论文2 连杆凸轮减速器的原理和结构2.1 机构的传动原理分析机构的组成图 2.1 所示为一特殊的摆动推杆盘形凸轮机构，构件1 为凸轮， 2 为摆动推杆，3 为与凸轮 1 在 B处铰接的曲柄，3 和 2 在 A处分别与机架 4 形成转动副。该机构是自由度为 2 的差动机构，现用一平行四边形机构ABCD 将凸轮机构封闭起来，可得到如图 2.2 所示自由度为 1 的连杆凸轮组合机构。即将平

25、行四边形机构ABCD 的连杆 BC与差动凸轮机构的凸轮 1 或者推杆 2制成一个构件， 凸轮 1或者推杆 2的几何中心位于连杆的铰链B处，与凸轮接触的摆动推杆 2或者凸轮 1的回转中心在固定铰链A处，摆动推杆 2或者凸轮 1的回转中心与凸轮 1或者推杆 2的几何中心的距离等于主从动曲柄3、5 的长度。由于在平行四边形机构ABCD中，连杆作平动，其上各点的轨迹形状、速度、加速度均相等，所以固连于连杆BC上的凸轮 1或者推杆 2的几何中心 B点的轨迹是以 A为圆心，以曲柄长度为半径的圆。机构设计的目的是当曲柄3 带动连杆上的凸轮1或者推杆 2作圆平面运动，其廓线应推动摆动推杆2或者凸轮 1匀角速转

26、动某一给定角度，实现减速传动。机构的传动原理分析在图 2.2 所示的机构中，当曲柄5 带动与连杆 BC固联的凸轮 1 作圆平面运动时，凸轮1 上的廓线推动推杆 2 转动某一给定角度，只要凸轮廓线设计恰当，则推杆 2 可以实现等速转动。为了使传动连续进行，借用一齿差原理即给凸轮基圆上一周均匀分布Z1个廓线，推杆构件 2 上一周均布 Z2个推杆， Z2= Z1+1，组成特殊的一齿差高副，从而实现连续等速传动。图 2.1 摆动推杆盘形凸轮机构图 2.2 连杆凸轮组合机构精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 13 页*毕业设计论文机

27、构的传动比计算运动输入构件与输出构件的转向关系为了使得机构结构上容易实现，将图2.2 中的从动曲柄 3 外移至凸轮以外，布置成对称结构，得到图2.3 和图 2.4 所示的形式。如图 2.3 所示，曲柄 3 为输入件，凸轮1 为输出件的运转方式，将机构的这种运转方式称为第一种运转方式。 取 Z1=6，曲柄 3以 3顺时针匀速转动，这种情况下凸轮须制成外凸轮， 推杆应与连杆制成一体， 称为连杆推杆。欲确定输入件3 与输出件 1 的转向关系，由构件瞬心方面的知识知，只需求出机构在图示位置的相对瞬心P13。 只要根据定传动比条件合理设计出凸轮上Z1个廓线，则 Z2= Z1+1 个高副的公法线必汇交于一

28、点，汇交点为高副副元素的相对瞬心，即Z2个推杆的尖顶与凸轮的Z1个廓线的接触点 K1、K2K7的公法线的汇交点为构件1 与构件 2 的相对瞬心 P12。此时 A 点为 P14，C 点为 P23，D 点为 P34。根据三心定理， P13为连线 P12 P23与 P14 P34的交点。由图可知 P13位于 P14与 P34连线之间，所以构件 3输入件与构件 1输出件的转向相反，即1为逆时针。如图 2.4 所示，曲柄 3 为运动输入构件，推杆2 为运动输出构件，将机构的这种运转方式称为第二种运转方式。取Z1=6，曲柄 3 以 3 顺时针等速转动，这种情况下凸轮须制成内凸轮，且应与连杆制成一体，称为连

29、杆凸轮。在图示位置，A 为瞬心 P24，C为瞬心 P13，D 为瞬心 P34。欲确定输入件 3 与输出件 2 的转向关系，只需求出机构在图示位置的相对瞬心P23。 只要根据定传动比条件合理设计出凸轮上Z1个廓线， 则 Z2= Z1+1个高副的公法线必汇交于一点，汇交点为构件1 和 2 的相对瞬心 P12。由三心定理得，P23为连线 P12 P13与 P24 P34的交点。由图可知 P23位于 P24与 P34的同侧，所以运动输入构件 3 与运动输出构件 2 的转向相同，即 2 为顺时针。P133C43DP12BAK621K51K 7K3K4K2K15图 2.3 机构第一种运转方式精选学习资料

30、- - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 13 页*毕业设计论文图 4.15 其余零件装配4 减速器总装首先装入连板 27和输入轴组件，仍通过面匹配的方式进行定位。图 4.16 输入轴与连板装配装入轴 3 组建，定位方式同上。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 13 页*毕业设计论文图 4.17 轴 3与连板装配同理，装入其它两个连板组件。最后装入其余零部件，基本完成后效果如下。注意演正三个连板的错位，否则就是匹配错误。要从偏心套开始从新进行约束定位，以正确实现装配。优秀毕设后续全套：儿四6 一儿六零 7 儿 9 图 4.18 总装效果图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 13 页