一级双波谐波齿轮减速器设计【全套含16张CAD图纸】
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分 类 号 密 级 宁毕业设计(论文) 一级双波谐波齿轮减速器设计所在学院专 业班 级姓 名学 号指导老师摘 要 谐波齿轮传动具有体积小、重量轻、结构紧凑、传动比大、效率高等优点。广泛应用于矿山、冶金、飞机、轮船、汽车、起重机、电工机械、仪表、化工业等许多领域谐波齿轮传动有着广泛的发展前景。谐波齿轮减速器与普通减速器相比具有体积小、重量轻、传动平稳、效率高、传动比范围大等优点。但其设计计算较过程复杂,轴承的受力较大、寿命较短。所以对于我们在设计这类减速器时如何进行参数的选择,避免大量繁杂的计算,如何选择好轴承使其使用寿命增加具有一定的设计意义。对谐波减速器国内外的发展现状、优缺点、结构型式和其传动原理进行了一定的阐述。在设计过程当中,对内啮合传动产生的各种干涉进行了详细验算;从如何提高轴承的寿命为出发点,来计算选择减速器刚轮柔轮的模数,最终合理设计减速器的整体结构。 关键词:谐波传动;减速器;内刚轮柔轮副 VAbstract Harmonic gear drive has the advantages of small size, light weight, compact structure, large transmission ratio, high efficiency and so on. It is widely used in many fields such as mining, metallurgy, aircraft, ship, automobile, crane, electrical machinery, instrument, chemical industry and so on.Compared with the common reducer, the harmonic gear reducer has the advantages of small size, light weight, stable transmission, high efficiency, large transmission ratio and so on. However, the design calculation is more complicated than the process, the bearing force is large, the life is short. So for us in the design of this kind of reducer, how to choose the parameters, to avoid a large number of complex calculations, how to choose a good bearing to increase the service life of a certain design significance.The development status, advantages and disadvantages, structure type and transmission principle of harmonic reducer at home and abroad are discussed in this paper. In the design process, all kinds of internal meshing interference checking in detail; how to improve the bearing life as the starting point, to calculate the choice of reducer of rigid gear and flexible modulus, ultimate reasonable structure design of reducer.Key words: harmonic drive; reducer; internal rigid wheel目 录摘 要IIAbstractIII目 录IV第1章 绪论11.1 选题背景和意义11.2 国内外研究现状、发展动态31.3 谐波减速器的优点、缺点及应用3第2章 谐波齿轮减速器的工作原理62.1 谐波齿轮减速器的工作原理62.2 设计参数82.3 本文研究主要内容8第3章 一级双波谐波齿轮减速器传动设计93.1 电机选型93.2 设计过程103.3 传动结构形式的选择123.4 几何参数的计算133.5 轮波发生器及其薄壁轴承的计算133.5.1柔轮齿面的接触强度的计算143.5.2柔轮疲劳强度的计算153.6 输入轴的设计163.7 输出轴的设计19第4章 键连接的选择计算234.1 输出轴键的选择与校核234.2 输入轴键的选择与校核24第5章 滚动轴承的类型、代号及寿命计算255.1 输出轴轴承的选择与校核255.2 输入轴轴承的选择与校核25第6章 减速器键联接的设计276.1 输入轴与联轴器联接键的设计276.1.1选用圆头普通平键(A型)276.1.2强度校核276.2 输入轴联接键的设计286.2.1 选用圆头普通平键(A型)286.2.2 强度校核286.3 输出轴键的设计296.3.1 选用圆头普通平键(A型)296.3.2 校核强度296.4 减速器的润滑296.4.1 刚轮柔轮传动的润滑296.4.2 轴承的润滑30第7章 箱体的结构设计317.1 箱体的主要功能317.2 设计的主要问题和设计要求337.3箱体结构设计33总 结39参考文献41致 谢43第1章 绪论1.1 选题背景和意义1.论文背景谐波传动是上世纪五十年代后期随着航天技术的发展而出现的一种重要的新型机械传动方式,被认为是机械传动的重大突破。谐波机械传动原理是苏联工程师A.摩察尤唯金首先于1947年提出,1955年第一台用于火箭的谐波齿轮传动是由美国人C.M .Musser发明的。1960年,C. Walt Musser在发表于美国机械设计杂志的论文中使用了Harmonic Drive一词,中文翻译为谐波传动或谐波齿轮传动。此后,在航天飞行器和航天设备上的多次使用,充分显示了这种传动的优越性。1959年取得了此项发明的专利后,于1960年正式公开发表了该项技术的详细资料,一九六一年开始介绍到我国。由于谐波传动具有许多优点,因而获得了广泛的推广。到上世纪七、八十年代,许多不同类型的谐波传动取得了专利。随着现代工业的高速发展,机械化和自动化水平的不断提高,各工业部门需要大量的减速器,并要求减速器体积小,重量轻,传动比范围大,效率高,承载能力大,运转可靠以及寿命长等。减速器的种类虽然很多,但普通的圆柱齿轮减速器的体积大,结构笨重;普通的蜗轮减速器在大的传动比时,效率较低;摆线针轮行星减速器虽能满足以上提出的要求,但成本较高,需要专用设备制造;而谐波齿轮减速器不但基本上能满足以上提出的要求,并可用通用刀具在插齿机上加工,因而成本较低。能适应特种条件下的工作,在国防,冶金,矿山,化工,纺织,食品,轻工,仪表制造,起重运输以及建筑工程等工业部门中取得广泛的应用。我国在这种新型的传动机构的技术水平与国际上一些工业科技水平发达的国家相比,还有很大的差距,主要由于我国从事该项技术研究设计及应用的单位和个人比较少,同时相关的书籍和资料也相当的欠缺。国外的减速器,以德国、丹麦和日本处于领先地位,特殊在材料和缔造工艺方面占据优势,减速器工作可靠性好,利用寿命长。但其传动格式仍以定轴齿轮传动为主,体积和重量问题,也未解决好。日本研制的FA型高精度减速器和美国Alan-Newton公司研制的X-Y式减速器,在传动原理和结构上与本项目类似或相近,都为目前先进的齿轮减速器。但是我相信,在不久的将来我们做这种新型的减速器性能和构造等能赶上外国先进水平的。目前,谐波齿轮减速器在设计和制造过程中,还存在一些问题,如输出机构精度要求较高,对大功率减速器无实践经验,一些计算方法和图表还很不完善等等。有待今后将对以上问题进一步进行实验研究,以求改进和提高。齿轮传动技术是机械工程技术的重要组成部分,在一定程度上标志着机械工程技术的水平。因此,齿轮被工人为工业和工业化的象征。为了提高机械的承载能力和传动效率,减少外形尺寸质量及增大减速器传动比等,国内外的谐波齿轮传动正沿着高承载能力、高精度、高速度、高可靠性、高传动效率、小型化、低震动、低噪音、低成本、标准化和多样化的方向发展的总趋势。谐波齿轮传动具有体积小、重量轻、结构紧凑、传动比大、效率高等优点。广泛应用于矿山、冶金、飞机、轮船、汽车、起重机、电工机械、仪表、化工业等许多领域谐波齿轮传动有着广泛的发展前景。谐波齿轮减速器与普通减速器相比具有体积小、重量轻、传动平稳、效率高、传动比范围大等优点。但其设计计算较过程复杂,转臂轴承的受力较大、寿命较短。所以对于我们在设计这类减速器时如何进行参数的选择,避免大量繁杂的计算,如何选择好转臂轴承使其使用寿命增加具有一定的设计意义。2.理论意义普通刚轮柔轮传动的减速器,同时啮合的齿数只有5%左右,而谐波齿轮传动同时啮合齿数多,即承受载荷的齿数多,使谐波传动的精度高,齿的承载能力大,在速度比和材料都相同的情况下,受载能力要高出普通减速机不少,实现大速比、小体积。3.现实意义现在的普通减速机大多存在消耗材料和能源比较多的情况,谐波减速机传动的效率高和机构本身的特点,加上体积小、重量轻的优点,是最适合的减速装置。会促进人力、资源材料和动力的节省 。而且谐波减速机也是一种比较节能的产品,会比较适合节约型社会的要求。谐波减速机对发电机需要高增速的设备有广阔的应用前景,今后会有巨大的市场和应用价值 。1.2 国内外研究现状、发展动态 谐波传动自50年代中期出现后成功地用于火箭、卫星等多种传动系统中,使用证实这种传动较一般刚轮柔轮传动具有运动精度高、回差小、传动比大、重量轻、体积小、承载能力大,并能在密封空间和辐射介质的工况下正常工作等优点。因此美、日、俄等技术先进国家,对这方面的研制工作一直都很重视。如美国就有国家航空管理局路易斯研究中心、空间技术实验室、贝尔航空空间公司、麻省理工学院、通用电气公司等几十个大型公司和研究中心都从事过这方面的研究工作。谐波齿轮传动技术于1961年由上海纺织科学研究院的孙伟工程师引入我国。此后,我国也积极引进并研究发展该项技术,1983年成立了谐波传动研究室,1984年“谐波减速器标准系列产品”在北京通过鉴定,1993年制定了GB/T14118-93谐波传动减速器标准,并且在理论研究、试制和应用方而取得了较大的成绩,成为掌握该项技术的国家之一。到目前为止我国已有北京谐波传动技术研究所、北京中技克美有限责任公司、燕山大学、郑州机械研究所、北方精密机械研究所等几十家单位从事这方面的研究和产品生产,为我国谐波传动技术的研究和推广应用打下了了较坚实的基础。目前,美国将谐波齿轮传动应用于精密加工和测星装置的纳米级调整系统,并取得了专利。前苏联从60年代初开始,也大力开展这方而的研制工作。如苏联机械研究所、莫斯科鲍曼工业大学、全苏联减速器研究所、基耶夫减速器厂和莫斯科建筑工程学院等单位都大力开展谐波传动的研究工作。他们对该领域进行了较系统、深入的基础理论和试验研究,在谐波传动的类型、结构、应用等方而有较大发展。日本自70年代开始,从美国引进全套技术,目前不仅能大批生产各种类型的谐波齿轮传动装置,还完成了通用谐波齿轮传动装置的标准化、系列化工作。1.3 谐波减速器的优点、缺点及应用优点:1、传动速比大。单级谐波齿轮传动速比范围为70320,在某些装置中可达到1000,多级传动速比可达30000以上。它不仅可用于减速,也可用于增速的场合。2、承载能力高。这是因为谐波齿轮传动中同时啮合的齿数多,双波传动同时啮合的齿数可达总齿数的30以上,而且柔轮采用了高强度材料,齿与齿之间是面接触。3、传动精度高。这是因为谐波齿轮传动中同时啮合的齿数多,误差平均化,即多齿啮合对误差有相互补偿作用,故传动精度高。在齿轮精度等级相同的情况下,传动误差只有普通圆柱齿轮传动的1/4左右。同时可采用微量改变波发生器的半径来增加柔轮的变形使齿隙很小,甚至能做到无侧隙啮合,故谐波齿轮减速机传动空程小,适用于反向转动。4、传动效率高、运动平稳。由于柔轮轮齿在传动过程中作均匀的径向移动,因此,即使输入速度很高,轮齿的相对滑移速度仍是极低(故为普通渐开线齿轮传动的百分之),所以,轮齿磨损小,效率高(可达69%96)。又由于啮入和啮出时,齿轮的两侧都参加工作,因而无冲击现象,运动平稳。5、结构简单、零件数少、安装方便。仅有三个基本构件,且输入与输出轴同轴线,所以结构简单,安装方便。6、体积小、重量轻。与一般减速机比较,输出力矩相同时,谐波齿轮减速机的体积可减小23,重量可减轻12。7、可向密闭空间传递运动。利用柔轮的柔性特点,轮传动的这一可贵优点是现有其他传动无法比拟的。缺点:1、柔轮周期性地发生变形,因而产生交变应力,使之易于产生疲劳破坏。2、转动惯量和起动力矩大,不宜用于小功率的跟踪传动。3、不能用于传动速比小于35的场合。4、采用滚子波发生器(自由变形波)的谐波传动,其瞬时传动比不是常数。5、散热条件差。应用场合:谐波齿轮减速机在航空、航天、能源、航海、造船、仿生机械、常用军械、机床、仪表、电子设备、矿山冶金、交通运输、起重机械、石油化工机械、纺织机械、农业机械以及医疗器械等方面得到日益广泛的应用,特别是在高动态性能的伺服系统中,采用谐波齿轮传动更显示出其优越性。它传递的功率从几十瓦到几十千瓦,但大功率的谐波齿轮传动多用于短期工作场合。43第2章 谐波齿轮减速器的工作原理2.1 谐波齿轮减速器的工作原理谐波齿轮减速器是一种由固定的内齿刚轮、柔轮、和使柔轮发生径向变形的波发生器组成,谐波齿轮减速机是齿轮减速机中的一种新型传动结构,它是利用柔性齿轮产生可控制的弹性变形波,引起刚轮与柔轮的齿间相对错齿来传递动力和运动。这种传动与一般的齿轮传递具有本质上的差别,在啮合理论、集合计算和结构设计方面具有特殊性。谐波齿轮减速器具有高精度、高承载力等优点,和普通减速器相比,由于使用的材料要少50%,其体积及重量至少减少1/3。谐波齿轮减速机由刚轮、柔轮、和波发生器三个主要构件组成。其中,波发生器是主动件,刚轮和柔轮之一为从动件。固定刚轮是一个刚性的内齿轮,柔轮是一个容易变形的薄壁圆筒外齿轮,它们一同具有三角形(或渐开线)的齿形,且两者的周节相等,但刚轮比柔轮多几个齿(通常为两齿)。波发生器由一个椭圆盘和一个柔性球轴承组成,或者由一个两端均带有滚子的转臂组成。通常波发生器为原动体,柔轮和刚轮之一为从动体,另一个为固定件。在未装配前,柔轮及其内孔呈圆形,当波发生器装入柔轮的内孔后,由于波发生器的长度略大于柔轮的内孔直径,柔轮撑成椭圆形,迫使柔轮在椭圆的长轴方向与固定的刚轮完全啮合,在短轴方向完全分离,其余各处的齿视柔轮回转位置的不同,或者处于“啮入”状态,或者处于“啮出”状态。由于刚轮固定,波发生器逆时针转动时,柔轮作顺时针转动。当波发生器连续回转时,柔轮长轴和短轴及“啮入”、“啮出”的位置随之不断变化,柔轮齿由啮入转向啮出,又啮合转向啮出,由啮出转向脱开,如此,啮入、啮合、啮出、脱开、啮入、啮合往复循环,迫使柔轮连续转动。柔轮随着波发生器转动过程中,其中一个齿从与刚轮的一个齿啮合到再一次与刚轮上的这个齿相啮合时,柔轮恰好旋转一周,而此时波发生器旋转了很多圈,波发生器的旋转圈数与柔轮旋转圈数(1圈)之比,即为谐波齿轮减速器的减速比,故其减速比很大。在整个运动过程中,柔轮的变形在柔轮圆周的展开图上是连续的简谐波形,因此,这一传动称之为谐波齿轮传动。谐波齿轮减速器按其机械波数目的多少可分为:单波、双波及三波,其中最常用的是双波传达。在谐波传动中,刚轮与柔轮的齿数差应等于机械波数的整数倍,通常取其等于波数。由于谐波传动具有传动比大、体积小、传动精度高的特点,一开始就被运用在火箭、导弹、卫星等飞行器中,实现了他的优越性。目前这种传动技术已由航天飞行器,飞机中的应用迅速推广到原子能、雷达、通讯、造船、冶金、汽车、坦克、机床、仪表、防止、建筑、起重运输、医疗器械等各个部门。无论是作为数据传递的高精度传动,还是作为传递大转矩的动力传动,都得到了比较满意的效果。特别是,这种传动通过密封壁来传递机械运动,因而它用于操纵高温,高压的管路以及用来驱动工作在高真空,有原子辐射或其他有害介质空间的机构,是现有的其他一切传动所不能比拟的。谐波齿轮传动是五十年代后期随着航天技术发展而出现的一种新型传动。它与一般刚轮柔轮传动相比,具有传动比大、体积小、重量轻、精度高、噪音小等优点。此外,它还具有通过密封壳体传递运动和动力的功能,这一特点是机械传动所无法比拟的。谐波齿轮传动一问世,就显示出了它的显著优越性。因此,谐波齿轮传动是一种生命力强、发展前途十分宽广的机械传动。图2-1 工作原理2.2 设计参数设计参数(参考):拟设计一款通用性的一级双波谐波齿轮减速器,已知原始数据:电动机功率为3KW,输入轴转速为1500,传动比为160,工作年限为6年。工矿条件为单班制,载荷变化中等,中等冲击,起动时柔轮最大扭矩是名义扭矩的2倍。需要设计轴系和箱体。2.3 本文研究主要内容了解谐波减速器的相关知识,确定本设计符合要求,满足需要。具体设计方法如下:1、查阅资料、结合所学专业课程,产生谐波减速器结构设计的基本思路;2、查阅各类机械机构手册,确定合理的谐波减速器结构;3、根据给定技术参数来选择合适的零部件部位;4、重点对驱动机构进行设计研究;5、通过研究国内外情况,确定本设计课题的重点设计;6、完成2D装配图的设计和绘制,并由此绘制零件图;7、编写设计说明书;8、检查并完善本设计课题。本设计采用的方法是理论设计与经验设计相结合的方案,所运用的资料来源广泛,内容充足。第3章 一级双波谐波齿轮减速器传动设计3.1 电机选型拟设计一款通用性的一级双波谐波齿轮减速器,已知原始数据:电动机功率为3KW,输入轴转速为1500,传动比为160,工作年限为6年。工矿条件为单班制,载荷变化中等,中等冲击,起动时柔轮最大扭矩是名义扭矩的2倍。需要设计轴系和箱体。查书选择选择Y100L2-4型电动机。图3-1 Y100L2-4电动机表3-1电动机技术数据比较电动机型号额定功率电动机转速质量/kg同步转速满载转速Y100L2-43150014402.238选择Y100L2-4型电动机,电动机的外形、安装尺寸见表2表3-2电动机的外形、安装尺寸型号ABCDEFGHY100L2-421617889801033132KABACADHDBBL122802702103152004753.2 设计过程选择材料、热处理方式、精度等级及齿数 选择刚轮材料45,调质处理,硬度241286HBS;柔轮材料30CrMnSiA,调质处理,硬度229286HBS。刚轮柔轮精度为8级。 因为该一级双波谐波齿轮减速器传动比i=160,变形波数u=2,柔轮齿数: ,刚轮齿数:按齿面接触强度设计a.确定各参数数值初选载荷系数由表7-5,初选齿宽系数由表7-6,查得弹性系数由图7-12查取节点区域系数由图7-18,查得接触疲劳强度极限,; =1.91104N.mm刚轮应力循环次数;柔轮应力循环次数;由图7-19查得接触疲劳系数,(允许局部点蚀)取安全系数,则: b.确定传动尺寸初算小分度圆直径圆周速度查图7-7得动载荷系数;由表7-2查得使用系数;由表7-3,假设,得齿间载荷分配系数;由图查取齿向载荷分布系数(设轴刚性大);故载荷系数按K值对修正,即确定模数,根据GB/T 1357-1987,考虑到谐波减速器可能超载,所有模数按照标准取大一些,取m=0.3mm; 其他几何尺寸的计算(,)柔轮齿数:刚轮齿数: 前面取模数:,则柔轮分度圆直径:钢轮分度圆直径:校核齿根弯曲疲劳强度a.确定各参数由表7-4查取齿形系数和应力校正系数,;,由图7-17查得弯曲疲劳寿命系数,;由图7-16查表得刚轮柔轮弯曲疲劳极限,取安全系数,计算得许用弯曲应力:b.验算齿根弯曲强度 弯曲疲劳强度足够。c.验算合适。3.3 传动结构形式的选择该减速器是电传动减速的谐波齿轮装置。要求其传动比较大结构简单紧凑效率较高承载力较高通用性良好。因此本设计方案所选的结构形式为刚轮固定波发生器主动和柔轮从动比较合适。为了便于采用标准刀具来加工柔轮和刚轮,特选取压力角的渐开线齿廓。 3.4 几何参数的计算齿数的确定柔轮齿数:刚轮齿数: 前面取模数:,则柔轮分度圆直径:钢轮分度圆直径:柔轮齿圈处的厚度:重载时,为了增大柔轮的刚性, 允许将1计算值增加20%,即柔轮筒体壁厚: 为了提高柔轮的刚度,取 轮齿宽度:,考虑超载取大一些 B=25mm轮齿过渡圆角半径:为了减少应力集中,以提高柔轮抗疲劳能力,取由于采用压力角的渐开线齿廓,传动的啮合参数可按考虑到构件柔度的计算公式,即按如下公式进行计算。3.5 轮波发生器及其薄壁轴承的计算滚珠直径: 柔轮齿圈处的内径:则:轴承外环厚度:由于工艺上的要求,可将外环做成无滚道的轴承内环厚度: 内环滚道深度:式中的是考虑到外环无滚道而内环滚道加深量。 轴承内外环宽度:所用为滚珠轴承,近似等于齿宽 轴承外环外径: 轴承内环内径:为了便于制造,采用双偏心凸轮波发生器。3.5.1柔轮齿面的接触强度的计算根据谐波传动传动比大的特点,其柔轮和刚轮的齿数较多,齿形很接近于直线。故实际谐波齿轮传动的载荷能力主要应由柔轮齿侧工作表面的最大接触应力所限制。因此,谐波齿轮传动的柔轮齿侧面应满足如下接触强度条件:接触强度计算公式: 输出转矩柔轮节圆半径柔轮轮齿宽刚轮压力角接触系数(0.40.9)对于一般双波传动,轮齿宽许用接触应力 则: 所以满足齿面的接触强度要求。3.5.2柔轮疲劳强度的计算 谐波齿轮传动中轮齿的工作特点是:齿面的摩擦滑移接触和柔轮承受着反复的交变载荷。为了使柔轮在循环的弹性变形下能正常工作,除满足耐磨条件外,还必须进行柔轮的疲劳强度计算。柔轮材料采用 调制硬度229269。计算柔轮在反复弹性变形状态下工作时所产生的交变应力幅和平均应力为截面处正应力:切应力:由扭矩产生的剪切应力:其中: 则:验算安全系数:疲劳极限应力:应力安全系数:其中,抗拉屈服极限: 剪切应力集中系数:则满足疲劳强度条件。3.6 输入轴的设计(1)根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 用于连接联轴器,直径大小为联轴器的内孔径,d1=15mm。 轴材料选用45正火处理,。根据长度关系把轴受力图简化:图3-2 输入轴的受力图水平面支反力 竖直面支反力 (4)画弯矩图水平面:垂直面:合成弯矩图3-3 输入轴的弯矩图 (5)画转矩图转矩图如图:图3-4 输入轴的转矩图 (6)许用应力由,查表9-4得,则折合系数为: (7)画当量弯矩图图3-5 输入轴的当量弯矩图当量转矩当量弯矩在刚轮中间截面处 (8)校核轴径刚轮所在的截面对应的当量弯矩最大,且有较大应力集中,故危险截面为刚轮所在中间截面。该截面抗扭截面模量为则故轴的尺寸满足要求。3.7输出轴的设计根据长度关系把轴受力图简化:图3-6 输出轴的受力图水平面支反力 竖直面支反力(4)画弯矩图水平面:垂直面:合成弯矩图3-7 输出轴的弯矩图(5)画转矩图转矩图如图:图3-8 输出轴的转矩图(6)许用应力由,查表9-4得,则折合系数为:(7)画当量弯矩图图3-9 输出轴的当量弯矩图当量转矩当量弯矩在大刚轮柔轮中间截面处当量弯矩在小刚轮柔轮中间截面处(8)校核轴径小刚轮柔轮所在的截面对应的当量弯矩最大,且有较大应力集中,危险截面为小刚轮柔轮所在中间截面。该截面抗扭截面模量为则故轴的尺寸满足要求。第4章 键连接的选择计算4.1 输出轴键的选择与校核(1)输出轴键的选择输出轴与大圆柱刚轮柔轮的连接。选用圆头普通平键(A型),尺寸大小为,b=20mm,h=12mm,L=56mm。输出轴与输送机联轴器的连接。选用圆头普通平键(A型),尺寸大小为,b=14mm,h=9mm,L=70mm。(2)输出轴与大圆柱斜刚轮柔轮的连接校核。键、轴和轮毂的材料都是钢,由表查得许用挤压应力,取其平均值。 键的工作长度l=L-b=56-20=36mm键与轮毂键槽的接触高度k=0.5h=6mm则键的强度符合要求。(3)输出轴与输送机联轴器的连接校核。键、轴和联轴器的材料都是钢,由表查得许用挤压应力,取其平均值。键的工作长度l=L-b=70-14=56mm.键与轮毂键槽的接触高度k=0.5h=4.5mm则键的强度符合要求。4.2 输入轴键的选择与校核(1)输入轴键的选择输入轴与大圆柱斜刚轮柔轮的连接。选用圆头普通平键(A型),尺寸大小为,b=14mm,h=9mm,L=40mm。(2)输入轴与大圆柱斜刚轮柔轮的连接校核。键、轴和轮毂的材料都是钢,由表查得许用挤压应力,取其平均值。 键的工作长度l=L-b=40-14=26mm键与轮毂键槽的接触高度k=0.5h=4.5mm则键的强度符合要求。第5章 滚动轴承的类型、代号及寿命计算5.1 输出轴轴承的选择与校核(1)输出轴轴承的选择输出轴轴承处直径为,选用角接触轴承GB/T292-94,型号为7012AC,基本额定动载荷,。(2)计算当量动载荷, 由于输出轴上的轴承不承受轴向力,只承受径向力,故即: (3)计算寿命取较大者代入寿命计算公式,取,则5.2 输入轴轴承的选择与校核(1)输入轴轴承的选择输入轴轴承处直径为,选用角接触轴承GB/T292-94,型号为7207B,基本额定动载荷,。(2)计算内部轴向力,可得,(3)计算单个轴承的轴向载荷由于所以,轴承压紧,轴承放松。因此(4)计算当量动载荷由表得则(5)计算寿命取较大者代入寿命计算公式,取,则故轴承符合寿命要求,在三年大修期限时要检修或更换轴承。第6章 减速器键联接的设计 键联接是最常见的轴、毂联接方式,属于可拆联接,主要其周向固定作用。轴与回转零件(如:刚轮柔轮、带轮等)的轮毂之间用键联接后,使它们一起转动,并且可以传递转矩。6.1 输入轴与联轴器联接键的设计键联接有多种类型,而且都是标准件,有相应的国家标准。机械设计中,我们只要按使用要求选用适当的类型和尺寸即可,必要时验算其强度。键联接有普通平键、半圆键、楔键(斜键)、切向键等,根据功能需要选用普通平键。普通平键工作时,键的侧面是工作面(是承受载荷的面),靠键的工作面与键槽的侧面相挤压传递转矩。特点:6.1.1选用圆头普通平键(A型) 按轴径d=28mm查表3表3-1选择键A878(GB1095-1990)用轮毂长B=44mm,参考表3-1确定键的长度:L= 34 mm0-10=50mm。6.1.2强度校核零件强度计算的内容,都是根据工作中可能的失效形式拟定的。平键联接的失效形式 虽然,键工作中受剪切,但实际上键的剪断极为罕见。因此,静联接只需进行挤压强度校核。 键的材料选用45钢,联轴器材料为45钢,查3表16-1,键联接的许用应力P=1002000Mpa。 键的工作长度: l=L-b=34-8=26mm0-12=38mm 挤压应力:安全 合理6.2 输入轴联接键的设计6.2.1 选用圆头普通平键(A型) 按轴径d=55mm及轮毂长B=43mm,查3表3-1,选键A16109,参考表3-1确定建的长度l=B-(510)=36mm8-10=58mm。6.2.2 强度校核 键材料选用45钢,大刚轮柔轮材料为45钢,查3表16-1得,许用应力P =100120Mpa。 键的工作长度: l=L-b=36-16=20mm 挤压应力: 挤压强度安全。6.3 输出轴键的设计6.3.1 选用圆头普通平键(A型)按轴径d=50mm查表3-1选择键A1490(GB1095-1990),根据轮毂B=84mm参考表3-1确定键的长度l=B-(5-10)=7484-5=79mm6.3.2 校核强度键材料选择45钢,联轴器材料为45钢,查3表16-1得,许用应力P =1001200Mpa。键的工作长度l=L-b=74-14=603mm挤压应力挤压强度安全6.4 减速器的润滑6.4.1 刚轮柔轮传动的润滑刚轮柔轮传动时,相啮合的齿面间有相对滑动,因此就会产生摩擦和磨损,增加动力消耗,降低传动效率。对刚轮柔轮传动进行润滑,就是为了避免金属直接接触,减少摩擦磨损,同时还可以起到散热和防锈蚀的目的。 刚轮柔轮传动的润滑方式有:开式及半开式刚轮柔轮传动或速度较低的闭式刚轮柔轮传动,通常采用人工周期性加油润滑。通用的闭式刚轮柔轮传动,常采用浸油润滑和喷油润滑。 润滑剂的选择:刚轮柔轮传动常用的润滑剂为润滑油或润滑脂。选用时,应根据刚轮柔轮的工作情况(转速高低、载荷大小、环境温度等),选择润滑剂的粘度、牌号。因v12m/s,所以采用浸油润滑,按2P143表7-13,选用HL-30(GBSYB110-62S),大刚轮柔轮浸入油中的深度为12个齿高,但不应小于10mm。6.4.2 轴承的润滑滚动轴承润滑的目的可以降低滚动轴承内部的摩擦,减少磨损和发热量;轴承的摩擦发热使轴承升温,油润滑可以到起冷却作用,从而降低轴承的工作温度,延长使用寿命;良好的润滑状态,可在滚动体与滚道间形成一层使两者隔开的油膜,可以使接触压力减小轴承零件表面覆盖一层润滑剂,可以防止表面氧化生锈。本减速器轴承的润滑,采用润滑油润滑,选用HL-30(GBSYB110-62S),并在箱壁内侧设油槽,使油池中的油能进入轴承以致润滑。第7章 箱体的结构设计7.1 箱体的主要功能 (1)支承并包容各种传动零件,如齿轮、轴、轴承等,使它们能够保持正常的运动关系和运动精度。箱体还可以储存润滑剂,实现各种运动零件的润滑。 (2)安全保护和密封作用,使箱体内的零件不受外界环境的影响,又保护机器操作者的人生安全,并有一定的隔振、隔热和隔音作用。 (3)使机器各部分分别由独立的箱体组成,各成单元,便于加工、装配、调整和修理。 (4)改善机器造型,协调机器各部分比例,使整机造型美观。 2.箱体的分类 按箱体的功能可分为: (1)传动箱体,如减速器、汽车变速箱及机床主轴箱等的箱体,主要功能是包容和支承各传动件及其支承零件,这类箱体要求有密封性、强度和刚度。见图7-1。 图7-1 传动箱体(2)泵体和阀体,如齿轮泵的泵体,各种液压阀的阀体,主要功能是改变液体流动方向、流量大小或改变液体压力。这类箱体除有对前一类箱体的要求外,还要求能承受箱体内液体的压力。 (3)支架箱体,如机床的支座、立柱等箱体零件,要求有一定的强度、刚度和精度,这类箱体设计时要特别注意刚度和外观造型。 按箱体的制造方法分,主要有: (1)铸造箱体,常用的材料是铸铁,有时也用铸钢、铸铝合金和铸铜等。铸铁箱体的特点是结构形状可以较复杂,有较好的吸振性和机加工性能,常用于成批生产的中小型箱体。 2)焊接箱体,由钢板、型钢或铸钢件焊接而成,结构要求较简单,生产周期较短。焊接箱体适用于单件小批量生产,尤其是大件箱体,采用焊接件可大大降低成本。 (3)其它箱体,如冲压和注塑箱体,适用于大批量生产的小型、轻载和结构形状简单的箱体。 7.2 设计的主要问题和设计要求 箱体设计首先要考虑箱体内零件的布置及与箱体外部零件的关系,如车床按两顶尖要求等高,确定箱体的形状和尺寸,此外还应考虑以下问题: 1.满足强度和刚度要求。对受力很大的箱体零件,满足强度是一个重要问题;但对于大多数箱体,评定性能的主要指标是刚度,因为箱体的刚度不仅影响传动零件的正常工作,而且还影响部件的工作精度。 2.散热性能和热变形问题。箱体内零件摩擦发热使润滑油粘度变化,影响其润滑性能;温度升高使箱体产生热变形,尤其是温度不均匀分布的热变形和热应力,对箱体的精度和强度有很大的影响。 3.结构设计合理。如支点的安排、筋的布置、开孔位置和连接结构的设计等均要有利于提高箱体的强度和刚度。 4.工艺性好。包括毛坯制造、机械加工及热处理、装配调整、安装固定、吊装运输、维护修理等各方面的工艺性。 5.造型好、质量小。 设计不同的箱体对以上的要求可能有所侧重。 7.3箱体结构设计 箱体的形状和尺寸常由箱体内部零件及内部零件间的相互关系来决定,决定箱体结构尺寸和外观造型的这一设计方法称为结构包容法,当然还应考虑外部有关零件对箱体形状和尺寸的要求。 箱体壁厚的设计多采用类比法,对同类产品进行比较,参照设计者的经验或设计手册等资料提供的经验数据,确定壁厚、筋板和凸台等的布置和结构参数。对于重要的箱体,可用计算机的有限元法计算箱体的刚度和强度,或用模型和实物进行应力或应变的测定,直接取得数据或作为计算结果的校核手段。 1.箱体的毛坯、材料及热处理 (1)箱体的毛坯:选用铸造毛坯或焊接毛坯,应根据具体条件进行全面分析决定。铸造容易铸造出结构复杂的箱体毛坯,焊接箱体允许有薄壁和大平面,而铸造却较困难实现薄壁和大平面。 焊接箱体一般比铸造箱体轻,铸造箱体的热影响变形小,吸振能力较强,也容易获得较好的结构刚度。 (2)箱体的材料和热处理 箱体的常用材料有: 铸铁 多数箱体的材料为铸铁,铸铁流动性好,收缩较小,容易获得形状和结构复杂的箱体。铸铁的阻尼作用强,动态刚性和机加工性能好,价格适度。加入合金元素还可以提高耐磨性。具体牌号查阅有关手册。 铸造铝合金 用于要求减小质量且载荷不太大的箱体。多数可通过热处理进行强化,有足够的强度和较好的塑性。 钢材 铸钢有一定的强度,良好的塑性和韧性,较好的导热性和焊接性,机加工性能也较好,但铸造时容易氧化与热裂。箱体也可用低碳钢板和型钢焊接而成。 箱体的热处理: 铸造或箱体毛坯中的剩余应力使箱体产生变形,为了保证箱体加工后精度的稳定性,对箱体毛坯或粗加工后要用热处理方法消除剩余应力,减少变形。常用的热处理措施有以下三类: A)热时效。铸件在500600C下退火,可以大幅度地降低或消除铸造箱体中的剩余应力。 B)热冲击时效。将铸件快速加热,利用其产生的热应力与铸造剩余应力叠加,使原有剩余应力松弛。 C)自然时效。自然时效和振动时效可以提高铸件的松弛刚性,使铸件的尺寸精度稳定。 2.箱体结构参数的选择 (1) 壁厚 铸铁、铸钢和其它材料箱体的壁厚可以从表21-2中选取,表中N用下式计算: N=(2L+B+H)/3000 (mm) 式中L-铸件长度(mm),L、B、H中,L为最大值; B-铸件宽度(mm); H-铸件高度(mm); 表7-1 铸造箱体的壁厚 仪器仪表铸造外壳的最小壁厚参考表21-3选取 (2)加强筋 为改善箱体的刚度,尤其是箱体壁厚的刚度,常在箱壁上增设加强筋,若箱体中有中间短轴或中间支承时,常设置横向筋板。筋板的高度H不应超过壁厚t的(3-4)倍,超过此值对提高刚度无明显效果。加强筋的尺寸见表7-2。 (3)孔和凸台 箱体内壁和外壁上位于同一轴线上的孔,从机加工角度要求,单件小批量生产时,应尽可能使孔的质量相等;成批大量生产时,外壁上的孔应大于内壁上的孔径,这有利于刀具的进入和退出。箱体壁上的开孔会降低箱体的刚度,实验证明,刚度的降低程度与孔的面积大小成正比。 在箱壁上与孔中心线垂直的端面处附加凸台,可以增加箱体局部的刚度;同时可以减少加工面。当凸台直径D与孔径d的比值D/d2和凸台高度h与壁厚t的比值t/h2时,刚度增加较大;比值大于2以后,效果不明显。如因设计需要,凸台高度加大时,为了改善凸台的局部刚度,可在适当位置增设局部加强筋。见图7-2。 图7-2 加强筋(4)连接和固定 箱体连接处的刚度主要是结合面的变形和位移,它包括结合面的接触变形,连接螺钉的变形和连接部位的局部变形。为了保证连接刚度,应注意以下几个方面的问题: 1)重要结合面表面粗糙度值Ra应不大于3.2um,接触表面粗糙度值越小,则接触刚度越好。 2)合理选择联结螺钉的直径和数量,保证结合面的预紧力。为了保证结合面之间的压强,又不使螺钉直径太大,结合面的实际接触面积在允许范围内尽可能减小。 3)合理设计联结部位的结构,联结部位的结构及特点及应用见表7-3。 表7-3 联结部位的结构及特点总 结本章设计的谐波齿轮减速器的传动原理与普通谐波传动齿轮是相异的,它是利用柔性齿轮的受控弹性变形。因为波发生器由齿轮的变形所产生的弹性力的作用是大致对称的谐波,使机械传动装置是一个谐波驱动。为了改造传统产业我们的新技术,新的高科技产品的开发,以及机械行业的重点关注和改革,它已成为所有传统产业。机电一体化是机械,电子,计算机,机械和电子技术相结合的自动化控制技术。这就是,为了获得视图最佳整体来看,是技术从系统或该系统的产物。近年来,世界上的制造技术,生产系统,柔性的发展,发达国家为了提高智能水平,将竞争的机电一体化技术的发展。机电一体化,传统的机械行业,生产和管理体制发生了重大变化,使产业结构,它带来了惊人的,革命性的变化所带来的好处。所以本文所研究的项目是具有很大的意义的,相信将来会有很好的发展前景和很大的上升空间。通过进一步的研究可以将此项目运用到科学探索及军事等领域。设计中存在很多不完美、缺憾甚至是错误的地方,但由于时间的原因,是不可能一一纠正过来的了。尽管设计中存在这样或那样的问题,我还是从中学到很多东西。首先,我体会到参考资料的重要性,利用一切可以利用的资源对设计来说是至关重要的。往往很多数据在教材上是没有的,我们找到的参考资料也不齐全,这时参考资料的价值就立时体现出来了。其次,从设计过程中,我复习了以前学过的机械制图知识,AUTOCAD的画图水平有所提高,Word输入、排版的技巧也有所掌握,这些应该是我最大的收获。再次,严谨理性的态度在设计中是非常重要的,采用每一个数据都要有根据,设计是一环扣一环的,前面做错了,后面就要全改,工作量差不多等于重做。通过这次的课程设计,极大的提高了我们对机械设计这门课程的掌握和运用,让我们熟悉了手册和国家标准的使用,并把我们所学的知识和将来的生产实际相结合,提高了我们分析问题并自己去解决问题的能力,也提高了我们各个方面的素质,有利于我们今后更顺利地走上工作岗位。参考文献1 辛洪兵,谢金瑞,谐波传动技术及研究动向.北京轻工业学院学报,1999.17(1): p.30-36.2 北京谐波传动技术研究所, 谐波传动技术的新发展. 齿轮, 1991. 15(2): p. 52-55.3 沈允文,谐波齿轮传动柔轮的实验模态分析 1994(01)4 李召华;扬帆;韩梅谐波齿轮传动装置的传动精度分析 2010(02)5 孙恒,陈作模. 机械原理 M.7版. 北京:高等教育出版社,2006.6 闫艳红;塑料谐波齿轮传动结构尺寸的优化设计J;机械设计;2002年10期 7 张春宜 郝广平 刘敏 减速器设计实例精解 2009.7 机械工业出版社8 乔峰丽,郑江 机械设计基础 2011.1 电子工业出版社9 张佑林.刘文波.李峰活齿端面谐波齿轮啮合状态的几何模型期刊论文-武汉理工大学学报 2004(10)10 姚俊武.王建中谐波减速器在自重构机器人的应用研究期刊论文-制造业自动化 2006(8)11 王中孚.吴广林.李洪斌.张敏.于兴胜谐波齿轮传动原理和技术期刊论文-职业技术(下半月) 2007(12)12 王长明.阳培.张立勇谐波齿轮传动概述期刊论文-机械传动 2006(4) 13 Rolf Slatter, Graham Mackrell Harmonic drives in tune with robots Industrial Robot: An International Journal, 1994, Vol.21 (3)14 dam Varga, Bla Lantos Predictive Control of Harmonic Drive in Automotive Application. 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