二齿差活齿减速器虚拟样机设计.doc

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1、济南大学毕业设计目 录摘 要3ABSTRACT41 前言71.1国内外现状研究以及发展前景展望71.2 本课题的研究意义和预期研究目标81.2.1本课题的研究意义81.2.2 本课题的预期研究目标92 活齿传动的基础知识102.1典型活齿传动结构的特点及原理102.1.1 套筒活齿传动102.1.2 摆动活齿传动112.1.3 滚柱活齿传动112.1.4 推杆活齿轮传动122.1.5 平面滚珠传动122.2 活齿传动的传动比的分析方法132.2.1相对角速度法确定传动比132.2.2 转角分析法确定传动比143 二齿差活齿减速器的设计173.1几何建模环境简介173.1.1三维建模软件Soli

2、dworks简介173.1.2 二维几何建模软件AutoCAD的简介183.2二齿差活齿减速器的基本结构193.2.1 双相激波器193.2.2 活齿轮203.2.3中心轮214 二齿差活齿减速器零件的计算校核224.1传动比的计算以及活齿和中心轮的数量的确定224.1.1从动论转向的确定224.1.2活齿齿数与中心轮齿数的确定224.2 二齿差活齿传动的基本参数224.2.1基本参数224.2.2 电动机的选择234.2.3传动装置运动、动力参数的计算234.3 轴的设计计算与校核234.3.1高速轴的设计计算与校核234.3.2 低速轴的设计和计算275二齿差减速器在Solidworks环

3、境中的实体建模315.1 输出轴的三维设计315.2 输入轴和轴承的装配326 结 论34参 考 文 献35致 谢361 前言1.1国内外现状研究以及发展前景展望 活齿传动是活齿少齿差行星齿轮传动的简称，又被称为活齿波动传动是一种用来传递两同轴间的回转运动的新型传动方式1。活齿减速器具有传动比大、传动效率高、转动平稳、体积小、重量轻、噪声小及寿命长等一系列优点。活齿传动最初的结构型式是在20世纪30年代由德国人提出来的，到了40年代，他们就把活齿传动技术应用到汽车的转向机构中了2。第二次世界大战曾使活齿传动研究一度沉寂下来。50年代，苏联学者对活齿传动的一种型式“柱塞传动”进行了理论研究，提出

4、了它的运动学和力的计算方法。美国学者提出了推杆活齿减速装置及少齿差减速机，分析了传动原理，对传动比和作用力进行了计算，分析了其传动性能。70年代，苏美两国积极开发活齿传动的新型式，苏联推出了“正弦滚珠传动”，美国推出了“无齿齿轮传动技术”，曾引起各国科技工作者的极大兴趣。英国推出的“滑齿减速器”形成了系列产品，并投入国际市场。到了80年代，国际上研究活齿传动更加积极，日本、英国、保加利亚、捷克斯治伐克等国先后公布了一些有关活齿传动的专利和发明。这表明，活齿传动的研究和应用，在国外已经成为行星齿轮研究中相当活跃的领域。后来伴随着新的金属加工工艺和数字加工设备的出现，这种传动形式获得了长足的发展，

5、在有些国家已经形成了系列产品，并在机械、冶金、建筑、采矿等工业部门获得广泛的应用，活齿传动这一技术逐步的走向成熟。到了21世纪今天，经过这么多年的研究发展，国外的活齿减速器技术已经相当成熟，技术已经达到了相当高的层次，并已经基本形成了一套技术体系。目前仍在进一步完善之中。与外国相比，出于各种客观原因，我国对活齿传动的研究起步较晚。从70年代起，我国的科技工作者才开始注意国外活齿传动的发展，并在条件简陋、资料及资金缺乏的条件下研究活齿传动技术，经十几年的开拓，在理论研究和产品开发方而都取得不少成绩，先后推出多种专利技术。1986年北航陈仕贤教授提出了推杆活齿针齿减速机，其结构与样机荣获国际大奖。

6、1987年，周有强教授等人提出了另外一种新的活齿传动结构，摆动活齿减速机并个申报了国家专利。九十年代，江阴东亚减速机厂的严明工程师也提出一种新型结构的活齿传动-移位滚柱减速机，并获得国内和国际大奖。在这些活齿减速机中，推扦活齿减速机和滚柱(钢球)活齿减速机是最早开发出的典型结构，有的活齿减速机形成了工业生产能力，有的还在国际、国内获奖，活齿传动理论研究方面也取得不少成果。然而到目前为止，由于我国活齿传动的研究和开发时间短，基础薄弱，技术人员少且分散，生产经验积累不足，与先进国家相比，总体上仍存在较大差距。经过世界各国机械工程技术人员的不懈努力的开发创新，已经成功研制出以下多种结构形式的活齿传动

7、形式，其中发展比较成熟的有套筒活齿传动，平面滚珠传动，摆动活齿传动，滚柱活齿传动，推杆活齿传动等。从活齿传动诞生至今，已有多位机械专业的学者写了多篇文献,对活齿传动进行了广泛的研究3-6, 文献3中对摆动活齿减速器的虚拟设计做了一个较为详细的介绍，从各种典型的活齿传动形式到虚拟样机技术的应用，并就基于齿轮啮合原理,对摆动活齿传动的工作原理、特点和传动比进行分析,对齿形进行综合正解,为进一步进行齿廓修形提供了理论基础。建立了摆动活齿减速器虚拟样机模型,完成了虚拟设计和装配,实现了变量化设计。对Solid Edge和ADAMS之间的模型数据转换进行初步探讨,成功完成二者之间的几何模型转换。文献4中

8、主要研究了摆动活齿传动的参数化仿真、三维造型设计和弹流润滑问题,同时对二齿差活齿传动进行了一些研究对摆动活齿传动机构进行了运动分析,并用“反转法”和“三心定理”推导了摆动活齿传动内齿圈的齿廓方程、摆动活齿的相对角速度方程和相对角加速度方程。然后以这些方程为基础,应用Visual basic语言对摆活齿传动进行了仿真分析。研究了摆动活齿传动的各尺寸参数与运动参数之间的关系,分析了各尺寸参数对摆动活齿传动的影响。文献5分别给出了中心轮常用齿形曲线及对应的等效机构;应用等效机构法,推导出齿形综合反解的激波凸轮原始轮廓方程及其等距方程;齿形综合反解实例验证了方法的实用性。文献6则究二齿差齿活齿传动的齿

9、形综合正解:给出了激波凸轮常用曲线及对应的等效机构;应用瞬时等效机构法及转角等距移距直接修形法,推导出齿形综合正解的理论齿形和实际齿形方程式;给出齿形综合正解实例。1.2 本课题的研究意义和预期研究目标 二齿差活齿减速器的虚拟样机建模和性能分析是在充分分析当前二齿差活齿传动的结构传动特点和研究现状的前提下，依据当前的硬件技术水平，利用现代化的设计思路和设计理念提出来的。1.2.1本课题的研究意义 随着现代高科技技术的快速发展，现代机械逐步向高速、精密等方向发展，而减速器作为现代机械中的关键传动部件，也随之对其提出了更高的要求。当今世界各国减速器技术发展的总体趋势是小型化、轻量化、高效率和高可靠

10、度的不断升。减速器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。因此，开拓和发展减速器技术在我国有着广阔的前景。二齿差活齿传动作为新型的传动形式，具有的优点在这里不再一一赘述，因其特殊的结构特点，使之具有传统齿轮传动形式不可比拟的优越传动性能，在一定的工作条件下，是传统齿轮传动形式理想的替换产品。在设计过程中，由于其复杂要求较高的齿廓曲线，如果参数设计不合理，会引起各种各样的问题，比如会引起活齿与中心轮的的啮合质量差，系统的传递效率低下等。在常规的设计方法下，其结构参数的设计和计算较为复杂，并且难以得出最优方案7。虚拟样机设计技术的应用可以很好的解决这些不足之处，在二齿差活齿的

11、研究设计中具有重要意义，不仅可以缩短开发周期，节省研发费用，方便的修改参数，还可以对在设计出物理样机之前对虚拟样机做出故障诊断。1.2.2 本课题的预期研究目标 本课题提出二齿差活齿减速器的虚拟样机设计，将充分发挥虚拟样机设计的强大优势，并进行相关的校核和仿真分析，最终得出最优方案。 （1） 基于三维模型设计软件，进行有关结构的设计和参数计算，实现实体建模和参数优化设计，并完成减速器的虚拟装配。 （2）按照设计的尺寸，对活齿传动的输入轴和输出轴进行校核。2 活齿传动的基础知识2.1典型活齿传动结构的特点及原理 经过世界各国机械工程技术人员的不懈努力的开发创新，已经成功研制出以下多种结构形式的活

12、齿传动形式，其中发展比较成熟的有套筒活齿传动，平面滚珠传动，摆动活齿传动，滚柱活齿传动，推杆活齿传动，活齿针轮传动8。2.1.1 套筒活齿传动 图 2.1 套筒活齿传动的结构模型和传动原理图 图2.1为套筒活齿传动的结构模型以及原理图9。它的基本组成包括激波器，中心轮和活齿轮，其中激波器是由双偏心套，转臂轴承和外齿圈组成，双偏心套与输入轴固联，双偏心套外轮廓上套装转臂轴承，转臂轴承外环上套装激波环与套筒活齿外圆柱面接触。活齿轮是由上面带有均布柱销的活齿架和套装在柱销上的一组套筒所组成。套筒活齿的内圆柱面与活齿架上均布柱销的外圆柱面啮合，外圆柱面与转臂轴承外环啮合。中心轮是具有包络曲线齿形的内齿

13、轮，用圆柱销固定在机座上。套筒活齿传动啮合副由三个高副组成，三格高副是其突出的结构特征。套筒活齿传动的传动原理：当它作为减速器使用的时候，假设中心轮不动，驱动力输入后，输入轴带动激波器以等角速度H顺时针转动，激波器靠径向尺寸变化的外轮廓，推动套筒活齿运动，套筒活齿外圆柱面与固定中心轮内凹齿形曲面啮合滚转，带动与套筒活齿内圆柱面啮合的柱销运动，柱销又通过活齿架带动输出轴以等角速度G逆时针减速转动。与此同时，与中心轮非工作齿形接触的诸套筒活齿受活齿架上柱销的反推作用，顺序地返回工作起始位置。2.1.2 摆动活齿传动 图 2.2 摆动活齿传动的结构模型和传动原理图图2.2是摆动活齿传动的结构模型和传

14、动原理图。摆动活齿传动由激波器，活齿轮和中心轮三个基本构件组成。激波器的结构形式由双偏心套，深沟球轴承以及激波环组成。活齿轮由活齿架及一组摆动活齿组成，摆动活齿与活齿架上的均布柱销组成转动副，活齿架与输出轴固联。中心轮是一个具有包络曲线的内齿圈，它与机座转动副连接或固联。传动原理：输入驱动力，轴带动激波器以等角速度顺时针转动，激波器轮廓曲线通过与摆动活齿内侧滚柱组成高副，推动摆动活齿绕转动中心转动，迫使摆动活齿外侧滚柱与中心轮齿廓啮合，推动中心轮以等角速度顺时针转动，如果中心轮固定，则摆动活齿外侧滚柱与中心轮齿形啮合的同时，通过转动副推动活齿轮以等角速度逆时针转动。2.1.3 滚柱活齿传动 图

15、 2.3 滚柱活齿传动的结构模型和传动原理图图2.3为滚柱活齿传动的结构模型和传动原理10。它是由激波器，活齿轮和中心轮三个基本构件组成。滚柱活齿传动与推杆活齿传动的激波器结构完全相同，不同的是活齿轮推杆活齿由滚柱活齿所代替，活齿架变成了薄壁筒，中心轮的齿形不能自由选定，是滚柱活齿圆族的包络曲线，所以不能设计成针轮的结构。其传动原理：驱动力输入后输入轴带动激波器旋转，激波器半径变化的轮廓曲线产生径向推力，迫使与中心轮固定工作齿形接触的诸活齿，在沿活齿架径向导槽移动的同时，沿着中心轮工作齿廓滑滚，并通过活齿架的径向导槽推动活齿轮以等角速度逆时针转动，于是滚柱活齿传动完成了转速变换运动。2.1.4

16、 推杆活齿轮传动 图 2.4 推杆针轮活齿传动的结构模型及传动原理图 图2.4为推杆活齿传动的结构模型以及传动原理图。推杆针轮活齿传动由激波器，活齿轮和中心轮组成。其中激波器是由偏心套，圆柱滚子轴承组成。活齿轮是由活齿架以及径向导槽中的导槽中的推杆活齿组成，活齿轮与输出轴固联。中心轮是由针轮及针齿壳组成，中心轮与机座固联。其传动原理：输入轴带动激波器以等角速度逆时针转动，激波器的偏心量迫使活齿轮径向导槽中的个推杆活齿依次作径向外移，因推杆活齿与针齿套相互接触时，当推杆做径向移动时，由于受到活齿套的约束，从而使推杆活齿带动活齿轮作圆周运动，由于输出轴与活齿轮固联，所以获得减速的运动。2.1.5

17、平面滚珠传动图 2.5 平面钢球传动的结构模型图 图2.5为平面钢球传动的结构模型。机座的左轴承上装有主动轴，右轴承上装有与保持架固联的从动轴，与主动轴固联的面向保持架的端面上具有波数为z1封闭槽，与机座固联的定盘面向保持架的端面具有波数为z2的封闭槽，再两个盘相互交错的区域内，装有循环钢球，保持架与循环钢球有数量相等的径向槽。其传动原理：如上图a所示，钢球5与动盘3升程槽面接触情况，主动轴带动动盘3以等角速度1逆时针转动，动盘3上的封闭槽在z1推动循环钢球5沿保持架6的径向槽移动，同时循环钢球5受定盘7上的封闭槽z2的约束，反推保持架6以等角速度2顺时针转动，于是平面钢球传动完成了转速变换运

18、动。2.2 活齿传动的传动比的分析方法 活齿传动的传动比定义为激波器，活齿轮，中心论三个基本构件中的任意两构件之间的角速度之比。按照惯例，用i来表示传动比，上标和下标表示相应构件的运行状态。2.2.1相对角速度法确定传动比 相对角速度法是一种应用相对运动原理，将其中某个部位固定，使其转化为转化机构，借助有关定轴轮系的结论确定传动比的一种方法。假设激波器H，中心轮K和活齿轮G的角速度分别为HKG,设其方向均为顺时针方向。现在给整个活齿传动加一个与激波器H角速度大小相等，方向相反的附加角速度。依据相对运动原理，这并不影响活齿传动中任意两构件之间的相对运动关系。这样，激波器H可以视为固定不动，该活齿

19、传动就转化为没有行星轮的转化机构。在转化机构中，三个基本件相对于激波器H的角速度为,。转化机构中各构件的角速度的关系如下： =HH=0，=GH, =KH。 （2.1） 在转化机构中，任意的两构建的传动比，可以用定轴轮系传动比公式计算，所以活齿轮G和中心轮K的传动比可表示为 （2.2） 由上式得 （2.3）上述式子被称为活齿传动基本构件角速度关系式，表示激波器H，活齿轮G，中心轮K间的运动关系。应用该式子可以比较方便的求出当三个构件中任一构件固定时，其他两构件间的传动比。 下面仅就中心轮固定时的情况进行演示计算。当中心轮固定K（K=0）时，可以得到激波器H 主动，活齿轮G从动的传动比或者活齿轮G

20、主动，激波器从动的传动比,其结果如下: （2.4）活齿轮传动的转向用其主从动件转向相同或相反来表示，它与活齿轮G的齿数中心轮K的齿数和由固定件所确定的传动型式有关。通常用基本件的相对运动关系来判别。 根据相对运动原理，对于活齿传动中绕主轴线转动或平行于主轴线转动的三个基本构件的转速和传动比，可以表示成 （2.6）式中，角标ABC可以代表活齿传动中任意三个基本构件。该式子为计算活齿传动的传动比通用方程式。2.2.2 转角分析法确定传动比因为转动件的角速度与转角的关系为，所以根据传动比的定义，活齿传动任意两基本构件间的传动比，可表示为两构件间的转角比。如当中心轮K固定，激波器H主动，活齿轮G从动的

21、传动比可表示为 （2.7）式中分别为激波器H活齿轮G相对于固定坐标系的转角。通过分析三个基本构件的转角及他们之间的关系来确定活齿传动传动比的方法称“转角分析法”。(1)中心轮K 固定 中心轮齿数大于活齿轮齿数，激波器H以等角速度顺时针转动，转过=，角等于外圈K的1/2个齿所对的圆心角，即=，活齿推动活齿轮G顺时针方向转过=角，将转角代入传动比方程式得到 （2.8）式子中，传动比为负号表示主动件激波器H和从动件活齿轮G的转向相反。当外圈的齿数小于活齿轮齿数时，激波器H以等角速度顺时针转动角度时，活齿推动活齿轮的G转过了=，传动比 （2.9）式中，传动比为为正号表示主动件激波器H和从动件G的转向相

22、同。 （2)活齿轮固定 活齿轮G固定，激波器H主动，中心轮K从动。 中心轮齿数大于活齿轮齿数时，设主动件激波器H以等角速度顺时针转动，当激波器H转过,活齿推动中心轮K顺时针转角度。此时传动比为： （2.10）式中，传动比为正号表示主动件激波器H和从动件中心轮K转向相同。 当中心轮齿数小于活齿数，激波器H以等角速度顺时针转动时，激波器H转过，活齿推动中心轮K顺时针转角，传动比为： （2.11） (3)激波器H固定 激波器H固定后，活齿传动演化为内啮合定轴齿轮副，当活齿G顺指针转过角度=,中心轮K顺时针转过角度=+,传动比： （2.12）由内啮合齿轮副的传动特点所决定，活齿轮和中心轮无论哪个为主动件，它们的转向总是相同的，与齿数无关。 综上所述，用“转角分析法”确定活齿传动的传动比，可得到如下结论： 中心轮K固定 传动比 主从动件转向 相同 相同 28.84mm+28.84(0.030.05 )mm=29.70mm30.28mm取dmin=30mm。(4) 结构设计 轴承部件的结构设计 轴承机构的初步设计及构想如图3.3所示，结合活齿减速器的结构特点，减速器的外壳采用垂直剖分的结构。按照传动的特点，轴承采用如下的结构模式。按轴上零件的安装顺序，从最小直径开始设计。 图 3.3 输入轴的设计图 轴段的轴径和长度计算 轴段基本不承受轴向力，所以其上可以安装一个滚