485 钢球式无级变速器结构设计
485 钢球式无级变速器结构设计,钢球式,无级,变速器,结构设计
湘潭大学兴湘学院毕业论文(设计)任务书论文(设计)题目: 钢球式无级变速器结构设计 学号: 2007964209 姓名: 冷翔 专业: 机械设计制造及其自动化 指导教师: 聂松辉 系主任: 周友行 一、主要内容及基本要求1、设计一种中间元件为钢球的无级变速器; 2、输入功率 P=2.2kw,输入转速 n=1500rpm,调速范围 R=10; 3、一张装配图 A0#1 张,零件图总量 A0#1 张; 4、设计说明书一份; 5、英文文献一份。 二、重点研究的问题1、钢球式无级变速器原理及其结构; 2、变速原理的传动结构的实现。 三、进度安排序号 各阶段完成的内容 完成时间1 熟悉课题及基础资料 第一周2 调研及收集资料 第二周3 方案设计与讨论 第三四周4 无级变速器布局设计 第五周5 无级变速器总装配图设计 第六 九周6 无级变速器零件图设计 第十周7 撰写说明书 第十一周8 英文文献翻译,答辩 第十二周四、应收集的资料及主要参考文献1 阮忠唐 . 机械无级变速器M. 机械工业出版社. 2 阮忠唐 .机械无级变速器设计与选用指南M.化学工业出版社. 3 徐灏 .机械设计手册第 3 卷M.机械工业出版社. 4 毛谦德 .袖珍机械设计师手册第 3 版M.机械工业出版社. 5 机械设计手册新版第 2 卷M.机械工业出版社. 湘潭大学兴湘学院毕业设计说明书题 目: 钢球式无级变速器结构设计 专 业: 机械设计制造及其自动化 学 号: 2007964209 姓 名: 冷翔 指导教师: 聂松辉 完成日期: 2011 年 5月 I目 录摘要Abstract1 绪论 11.1 研究的意义及背景 11.2 国内外机械无级变速器的研究现状 11.3 毕业设计的内容和要求 22 总体类型的比较与选择 32.1 钢球外锥无级变速器 32.2 钢球长锥式无级变速器 52.3 两类型的比较与选择 53 主要零件的计算与设计 63.1 输入、输出轴的计算与设计 63.2 输入、输出轴上轴承的计算与设计 73.3 输入、输出轴上端盖的计算与设计 83.4 加压盘的计算与设计 83.5 调速齿轮上变速曲线槽的计算与设计 93.6 钢球与主、从动锥轮的计算与设计 103.7 调速机构的计算与设计 113.8 无极变速器的装配 124 主要零件的校核 144.1 传动部件的受力分析与强度计算 144.2 轴承的校核 164.3 轴的校核 174.4 传动钢球的转速校核 194.5 键的校核 19参考文献 22附录 23II钢球式无级变速器结构设计摘要:本文简要介绍了摩擦式钢球无极变速器的基本结构、设计计算、材质及润滑等方面的知识,并以此作为本次无级变速器设计的理论基础。本设计采用的是以钢球作为中间传动元件,通过改变钢球主动侧和从动侧的工作半径来实现输出轴转速连续变化的钢球锥轮式无级变速器。由钢球、主动锥轮、从动锥轮和内环所组成。动力由输入轴输入,带动主动锥轮同速转动,经钢球利用摩擦力驱动内环和从动锥轮,再经从动锥轮,形槽自动加压装置驱动输出轴将动力输出,调整钢球轴心的倾斜角 就可达到变速的目的。本设计为恒功率输出特性,输出转速恒低于输入转速,运用于低转速大转矩传动。本文分析了在传动过程中主、从动轮,钢球和外环的工作原理和受力关系;通过受力关系分析,并针对具体参数对输入轴、输出轴、端盖、加压盘、主动追率、从动锥轮、涡轮盘等进行了计算与设计。并对调速结构进行合理设计。本文根据传动锥轮的工作应力和材料疲劳强度 ,建立起锥面传动功率、锥轮直径与材料疲劳寿命及可靠度等因素之间的关系,合理设计锥轮的结构尺寸。关键词:无级变速器、摩擦式、钢球锥轮式、设计IIIDesign of ball-type CVTAbstract: This paper briefly describes the basic structure, design calculations, materials and lubrication knowledge of friction ball CVT, and theoretically bases on this as a continuously variable transmission design. This design adopts the method of steel ball as an intermediate drive component, and changing the working radius of the active side and driven side to achieve the continuous variation of the output shaft speed cone wheel CVT ball, which composes steel ball, active cone wheel, driven wheels and the inner cone. Input shaft inputs power to drive the same speed active cone wheel rotation, and through the ball friction to drive the inner cone and wheel drive, and then through the driven wheel cone, V-shaped groove automatic compression devices of drive the output shaft will output power, and adjusting the ball axis tilt angle can achieve the purpose of changing speed. The design is for the constant power output characteristics, and output rotating speed is lower than input rotating speed constantly, used in low speed for high torque drive. This paper analyzes the working principle and force relations of the main, driven wheel, steel ball and outer ring in the transmission process. Through force relationship analysis, we calculate and design on the input shaft, output shaft, cover, pressure plate, active recovery rate, the driven bevel wheel, turbine disc, etc on account of specific parameters, and reasonably design the speed controlling structure, the drive cone wheel stress and material fatigue strength, This essay establishes a drive power cone rate, cone wheel diameter, material fatigue life and relationship between reliability factors, and rationally design the size of cone wheel, according to work force and material fatigue life of the drive cone wheel.Keywords: continuously variable transmission, friction, steel ball cone wheel, design湘潭大学兴湘学院毕业论文(设计)评阅表学号 2007964209 姓名 冷 翔 专业 机械设计制造及其自动化毕业论文(设计)题目: 钢球式无级变速器机构设计 评价项目评 价 内 容选题1.是否符合培养目标,体现学科、专业特点和教学计划的基本要求,达到综合训练的目的;2.难度、份量是否适当;3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。能力1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力;2.是否有综合运用知识的能力;3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力;4.是否具备一定的外文与计算机应用能力;5.工科是否有经济分析能力。论文(设计)质量1.立论是否正确,论述是否充分,结构是否严谨合理;实验是否正确,设计、计算、分析处理是否科学;技术用语是否准确,符号是否统一,图表图纸是否完备、整洁、正确,引文是否规范;2.文字是否通顺,有无观点提炼,综合概括能力如何;3.有无理论价值或实际应用价值,有无创新之处。综合评价本设计符合培养目标,体现学科、专业和科学计划的基本要求,达到了综合训练的目的,难度和分量适中,并与社会、生产,科研等实际问题想结合。在设计过程中查阅了一定的文献,综合归纳了一些实际问题,具备了一定的外文与计算机应用能力,对科研方案的设计能力、研究方法与手段的运用能力有一定的基本功。立论正确,论述充分, 、 ,机构严谨合理,实验基本正确,设计、计算、分析处理有一定的逻辑性,技术用语准确,符号统一图纸图表完备、整洁,引文规范。语言文字通顺,有些基本观点的提炼,综合概况嫩里一笔那,有一定实际应用价值。评阅人: 2011 年 5 月 30 日I目 录摘要Abstract1 绪论 11.1 研究的意义及背景 11.2 国内外机械无级变速器的研究现状 11.3 毕业设计的内容和要求 22 总体类型的比较与选择 32.1 钢球外锥无级变速器 32.2 钢球长锥式无级变速器 52.3 两类型的比较与选择 53 主要零件的计算与设计 63.1 输入、输出轴的计算与设计 63.2 输入、输出轴上轴承的计算与设计 73.3 输入、输出轴上端盖的计算与设计 83.4 加压盘的计算与设计 83.5 调速齿轮上变速曲线槽的计算与设计 93.6 钢球与主、从动锥轮的计算与设计 103.7 调速机构的计算与设计 113.8 无极变速器的装配 124 主要零件的校核 144.1 传动部件的受力分析与强度计算 144.2 轴承的校核 164.3 轴的校核 174.4 传动钢球的转速校核 194.5 键的校核 19参考文献 22附录 23II钢球式无级变速器结构设计摘要:本文简要介绍了摩擦式钢球无极变速器的基本结构、设计计算、材质及润滑等方面的知识,并以此作为本次无级变速器设计的理论基础。本设计采用的是以钢球作为中间传动元件,通过改变钢球主动侧和从动侧的工作半径来实现输出轴转速连续变化的钢球锥轮式无级变速器。由钢球、主动锥轮、从动锥轮和内环所组成。动力由输入轴输入,带动主动锥轮同速转动,经钢球利用摩擦力驱动内环和从动锥轮,再经从动锥轮,形槽自动加压装置驱动输出轴将动力输出,调整钢球轴心的倾斜角 就可达到变速的目的。本设计为恒功率输出特性,输出转速恒低于输入转速,运用于低转速大转矩传动。本文分析了在传动过程中主、从动轮,钢球和外环的工作原理和受力关系;通过受力关系分析,并针对具体参数对输入轴、输出轴、端盖、加压盘、主动追率、从动锥轮、涡轮盘等进行了计算与设计。并对调速结构进行合理设计。本文根据传动锥轮的工作应力和材料疲劳强度 ,建立起锥面传动功率、锥轮直径与材料疲劳寿命及可靠度等因素之间的关系,合理设计锥轮的结构尺寸。关键词:无级变速器、摩擦式、钢球锥轮式、设计IIIDesign of ball-type CVTAbstract: This paper briefly describes the basic structure, design calculations, materials and lubrication knowledge of friction ball CVT, and theoretically bases on this as a continuously variable transmission design. This design adopts the method of steel ball as an intermediate drive component, and changing the working radius of the active side and driven side to achieve the continuous variation of the output shaft speed cone wheel CVT ball, which composes steel ball, active cone wheel, driven wheels and the inner cone. Input shaft inputs power to drive the same speed active cone wheel rotation, and through the ball friction to drive the inner cone and wheel drive, and then through the driven wheel cone, V-shaped groove automatic compression devices of drive the output shaft will output power, and adjusting the ball axis tilt angle can achieve the purpose of changing speed. The design is for the constant power output characteristics, and output rotating speed is lower than input rotating speed constantly, used in low speed for high torque drive. This paper analyzes the working principle and force relations of the main, driven wheel, steel ball and outer ring in the transmission process. Through force relationship analysis, we calculate and design on the input shaft, output shaft, cover, pressure plate, active recovery rate, the driven bevel wheel, turbine disc, etc on account of specific parameters, and reasonably design the speed controlling structure, the drive cone wheel stress and material fatigue strength, This essay establishes a drive power cone rate, cone wheel diameter, material fatigue life and relationship between reliability factors, and rationally design the size of cone wheel, according to work force and material fatigue life of the drive cone wheel.Keywords: continuously variable transmission, friction, steel ball cone wheel, design11 绪论1.1 研究背景及意义机械无极变速器是一种传动装置,其功能特征主要是:在输入转速不变的情况下,能实现输出轴在一定范围内连续变化,以满足机械或生产系统在运转过程中各种不同工况的要求:其结构特征主要是:需由变速传动机构、调速机构及加压装置或输出机构三部分组成。机械无级变速器的适用范围广,有在驱动功率不变的情况下,因工作阻力变化而需要调节转速以产生相应的驱动力矩者(如化工行业中的搅拌机械,即需要随着搅拌物料的粘度、阻力增大而能相应减慢搅拌速度);有根据工况要求需要调节速度者(如起重运输机械要求随物料及运行区段的变化而能相应改变提升或运行速度,食品机械中的烤干机或制药机械要求随着温度变化而调节转移速度);有为获得恒定的工作速度或张力而需要调节速度者(如断面切削机床加工时需保持恒定的切削线速度,电工机械中绕线机需保持恒定的卷绕速度,纺织机械中的浆纱机及轻工机械中的薄膜机皆需调节转速以保证恒定的张力等);有为适应整个系统中的各种工况、工位、工序或单元的不同要求而需协调运转速度以及需要配合自动控制者(如各种各样半自动或自动的生产、操作或装配流水线);有为探求最佳效果而需变换速度者(如试验机械或李心机需调速以获得最佳分离效果);有为节约能源而需要进行的调速者(如风机、水泵等):此外还有各种规律的不规律的变化而进行速度调节以及实现自动或程序控制等。综上所述,可以看出采用无极变速器,尤其是配合减速传动时进一步扩大其变速范围与输出转矩,能更好的适应各种工况要求,使之效能最佳,在提高产品的产量和质量。适应产品更换需要,节约能源,实现整个系统的机械化、自动化等各方面皆具有显著的效果。故无极变速器目前已成为一种基本的通用传动形式,应用于纺织、轻工、食品、包装、化工、机床、电工、起重运输矿山冶金、工程、农业、国防及试验等各类机械。1.2 国内外机械无极变速器的研究现状国内:我国最早是在一汽生产的 CA770 红旗轿车上装备了自动变速器。国内 CVT的批量装车始于 2003 年, 目前正以递增的态势发展。在 CVT 方面的研究我国尚处于起步阶段, 自 “九 五” 期间开始, 轿车金属带式无级自动变速器的开发和研制已经被列入国家的重大科技攻关计划, 由吉林工业大学、东北大学、 东风汽车公司合作, 共同承担并完成了这个攻关项目, 对 CVT 技术进行实用化研究, 在 CVT 传动机理、 CVT 控制策略、 CVT 数字建模与仿真等方面, 取得2了一些突破性成果并成功试制出国内首台 CV T 产品, 进行了台架实验和道路实验, 取得了一些宝贵的实验数据和开发经验, 目前该课题组仍在进行 CVT 的开发研究工作。目前我国 CVT 已进入使用阶段 ,据报道,一汽大众生产的大排量 6 缸内燃机(2. 8L)的奥迪 A6 轿车上装备的带式无级变速器 CVT ,能传动功率为 142 kW ,扭矩为 280 Nm ,已能达到轿车实用的要求。国外:CVT 技术的发展, 可以追溯到十九世纪末 , 德国 Daimler- Benz 公司在 1896 年就将 V 型橡胶带式无级变速技术用于该公司生产的汽车上, 但材料较差、 传递力矩小, 没有什么实用价值。自从冯杜纳博士的 VDT 公司于 20 世纪 80 年代研制成功金属带式无级变速器并使之进入商品化阶段后,目前世界度宽钢带和一个高液压控制系统。 通过采用这些先进的技术来获得较大的转矩能力, 日产公司研究开发 CV T 的电子控制技术, 传动比的改变实行全档电子控制, 汽车在下坡时可以一直根据车速控制发动机制动, 而且在湿滑路面上能够平顺地增加速比来防止打滑。 日产公司还计划将它的 CV T 的应用范围从1.0L 扩大到 3.0L 的轿车。另外, 日本三菱、 富士重工也都在不断改进无级变速器, 从而实现汽车从有级变速阶段向无级变速阶段的飞跃。据统计,截止 2005 年底,装备金属带式无级变速器的轿车已达 500 万辆。由最初的日本、欧洲, 已经渗透到北美市场。 随着上已出现了一批生产金属带式无级变速器的厂家。日本本田汽车公司和 VDT 变速器公司共同研制的新型无级变速器已装备在了本田公司的轿车上。包括通用汽车公司在内的国外企业都在加速发展无级自动变速器技术。进入九十年代,日产公司开发了一种为中型轿车设计的包含一个手动换档模式的 CV T。 新型 CV T 采用一个最新研制的高强电子控制技术、 材料及加工技术的进步, CV T 未来的发展将成本更低廉、控制更便捷、使用范围更广泛。因此无级变速汽车是当今汽车发展的主要趋势。1.3 毕业论文设计内容和要求设计内容:小功率机械无极变速器结构的十二级;比较和选择合适的方案,无极变速器的结构设计与计算;对关键部件进行强度和寿命校核。设计要求:输入功率 P=2.2Kw,输入转速 n=1500rpm,调速范围 R=10;结构设计室应使制造成本尽可能低;安装拆卸要方便;外观要匀称,美观;调速要灵活,调速过程中不能出现卡死现象,能实现动态无级调速;关键部件满足强度和寿命要求;画零件图和装配图。32 总体类型的选择钢球锥轮式无级变速种类繁多,在此,我只选择了两种方案供参考,作比较,选出比较理想合理的方案。该两种方案分别是钢球外锥式(Kopp-B 型)无级变速器和钢球内锥式无级变速,分别描述如下。2.1 钢球外锥(Kopp-B 型)无级变速器Koop-B 型变速器的皱构如图 2-1 所示。动力由轴 1 输入,通过自动加压装置 2,带动主动轮 3 同速转动,经一组(38 个)钢球 4 利用摩擦力驱动外环 7 和从动锥轮9;再经锥轮轮 9、自动加压装置 10 驱动输出轴 11,最后将动力输出。传动钢球的支承轴 8 的两端嵌装在壳体两端盖 12 和 l3 的径间弧形导槽内,并穿过调速蜗轮 5 的曲线槽;调 4图 2-1 无级变速器装配图1、11-输入、输出轴 2、10-加压装置 3、9-主、从锥轮4-传动钢球 5-调速涡轮 6-调速蜗杆 7-外环 8-传动钢球 12、13-端盖调速是通过蜗杆 6 使蜗轮 5 转动。由于曲线槽(相当于一个控制凸轮)的作用,使钢球轴心线的倾斜角发生变化,导致钢球与两锥轮的工作半径改变,输出轴的转速便得到调节。其动力范围为: =9,Imax=1/Imin,P11KW,4% ,0.800.92 ,nR应用甚广。从动调速齿轮 5 的端面分布一组曲线槽,曲线槽数目与钢球数相同。曲线槽可用阿基米德螺旋线,也可用圆弧。当转动主动齿轮 6 使从动齿轮 5 转动时,从动齿轮的曲线槽迫使传动钢球轴 8 绕钢球 4 的轴心线摆动,传动轮 3 以及从动轮 9 与钢球 4 的接触半径发生变化,实现无级调速。52-2 调速涡轮的槽型曲线钢球外锥式无级变速器变速如图 2-3 所示:中间轮为一钢球,主、从动轮式母线均为直线的锥轮,接触处为点接触。主、从动轮的轴线在一直线上,调速时主、从动轮工图 2-3 钢球锥轮无级变速器的变速作半径不变,而是通过改变中间轮的回转轴线的倾斜角 籍以改变其两侧的工作半径来实现变速。2.2 钢球长锥式(RC 型)无级变速器如图 2-4 所示,为一种早期生产的环锥式无级变速器,是利用钢环的弹性楔紧作用自动加压而无需加压装置。由于采用两轴线平行的长锥替代了两对分离轮,并且通过移动钢环来进行变速,所以结构特别简单。但由于长锥的锥度较小,故变速范围受6限制。RC 型变速器属升、降速型,其机械特性如下图 2-5 所示。技术参数为:传动比 i21 = n2/n1 =20.5,变速比 = 4,输入功率 P1=(0.12.2)KW,输入转速 n1=1500 bRr/min ,传动效率 85% 。一般用于机床和纺织机械等。2-4 RC 型变速器结构的简图 2-5 RC 变速器的机械2.3 两方案的比较与选择钢球长锥式(RC 型)无级变速器结构很简单,且使用参数更符合我们此次设计的要求,但由于调速是通过钢环移动还实现的,而怎样移动钢环有比较大的难度,需要精密的装置,用于制造,成本会大大的提高,显得不合理。而钢球外锥式(Koop-B 型)无级变速器的结构也比较简单,原理清晰,各项参数也比较符合设计要求,故选择此变速器。3 主要零件的计算与设计设计一台钢球外锥式(Koop-B)型无级变速器,输入功率为N1=2.2KW, =10,n p=1500 r/min。由以上数据查表,故选用 Y100L1-4 型电机驱动。bRN=2.2KW,n=1430 r/min,=0.87。输入转速 n1=1430 r/min。73.1 输入、输出轴的计算与设计由于本方案为钢球外锥式无级变速器,机械传动平稳,弯曲振动小。故选用 45 号钢作为轴的材料,调质 220260HBS, 。11640,275,5BMPaaMPa(1)输出轴的计算与设计1)最小轴径的确定初步计算按轴的最小轴径公式估算,取 ,于是得:min20.354dm3min0.18.16NdA输出轴的最小直径为与锥轮连接处(图 2-1)。由于锥轮与轴是过渡配合,且锥轮工作直径为 95mm,为了保证锥轮与轴配合有良好的对中性,采用锥轮标准的推荐直径为 20mm。(2)轴的结构设计1)拟定轴上零件的装配方案本方案如图 2-1 所示的装配的方案。2)根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度I 轴段安装锥轮及加压盘保持架,保证与轴配合的毂孔长度,取 ,20Idmmm。II 段轴安装加压盘一侧和轴承,加压盘用花键移动实现对锥轮的加压,7IL取花键 GB/T1144-2001, 。III 轴段对轴 II 上的轴62110F21ILm承内圈起定位作用并作为轴承座,取 。IV 轴段与 III 轴段上的30,7IVIVd轴承内圈起定位作用,取 。V 轴段根据轴承端盖的装拆及便于对4,7IVIm轴承添加润滑剂的要求,采用迷宫式密封,根据标准取 。轴 VI 作50,6VVdmL为轴承座, 。轴段由计算得 ,至此,已40,15VIVIdL 384 初步确定了轴的各段直径和长度。V 带轮和迷宫式密封与轴的周向定位均采用平键连接。按各段轴径查得平键截面: , .为保证带轮与轴配合有良好的对中8bh40l性,故选择带轮轮毂与轴的配合为 ;同样,密封挡圈与轴的配合为 。滚动轴76Hn 76Hk承与轴定位是由过渡配合来保证的,轴承段的直径尺寸公差为 m6.取轴端倒角为 。245o8图 3-1 输出轴3)由于主、从动锥轮一致,轴上零件布置也相同。同时主动轮的最小轴径估算为。为了节省工艺及成本。主动轴轴段min20.54dm其余相同。,8L 3.2 输入、输出轴上轴承的选择与计算因为轴承为标准件,只需挑选合适的参数的轴承即可,主、从动轴轴 III 段由于轴承到径向力与周向力的作用,所以选用角接触球轴承 7006AC GB/T292-1994。从动轴IV 段为限制轴(外壳)的向右的轴向移动选用角接触球轴承 7008AC GB/T292-94,两轴承的基本额定动载荷均大于 10KN,所以角接触轴承采用正装可满足要求。表3-1 角接触球轴承 7006AC GB/T 292-1994基本尺寸(mm) 安装尺寸(mm)70000AC25oa极限转速(r/min)D r 基本额定动载荷静载荷rC0r轴承代号d D Brmindmin maxa(mm)(KN)脂润滑油润滑原轴承代号7006AC30 55 13 1 36 49 1 16.4 14.5 9.85 9500 14000 36106表3-2 角接触球轴承 7008C GB/T 292-19949基本尺寸(mm) 安装尺寸(mm)70000AC25oa极限转速(r/min)D r 基本额定动载荷静载荷rC0r轴承代号d D Brmindmin maxa(mm)(KN)脂润滑油润滑原轴承代号7008AC40 68 15 1 46 62 1 20.1 19.0 14.5 8000 11000 361083.3 输入、输出轴上端盖的计算与设计图 3-2 端盖由于输入、输出轴与端盖是间隙配合,确定孔径为 30,与箱体盖连接确定外径112。按 Q/ZB100-73 规定,选用毡封油圈时,其毡圈尺寸:在轴径 50240mm 时,毡圈外径 D 较 大 2mm,厚1bd1b 1d度 B 较 大 2mm。3.4 加压盘的计算与设计加压装置采用钢球 V 形槽式加压盘,此加压盘动作灵敏,工艺要求高,承载能力符合要求。(1)加压装置有关参数10加压盘作用直径 pd0.54.7pqDcm加压盘 V 形槽倾角 取1.1.()6218sin75sin4opfDarctgarctgd 630o加压钢球按经验公式取 、 。经验算接触强度均不足,故改用0qyqddm腰鼓形滚子 8 个,取滚子轴向截面圆弧半径 ,横向中间截面半径 。18rc0.8rcm曲率系数180.cos2r由表 1-2 按 查得 ,代入式得加压盘处的最大接触应力0.21ab.786为2 23321248 1()40.50.86()ab .190./83.5/j ykQrgfcmkgfcm工作应力在许用应力范围之内。故可以采用。3.5 调速齿轮上变速曲线槽的计算与设计调速涡轮槽形曲线及传动钢球的尺寸符号如图 2-2 所示。整个调速过程通常在涡轮转角 的范围内完成,大多数取 。槽形曲线可以为阿基米德螺旋120o 线,也可以采用圆弧代替。本方案采用圆弧槽线,变速槽中心线必须通过 A、B、C 三个点,它们的极坐标(以 o 点为极点)分别为:A: mm0 max 3max2.1,.5sin0.5148sin2643.18oAiRDlB: mmax 321, 96.,.7.ooB Bii RDC: min0.,0,oCmm 3ax.5s.5sin264105.9oRDl11定出 A、B、C 三点,采用做图画做出弧形槽,槽宽 10mm。3.6 钢球与主、从动锥轮的计算与设计(1)选材料:钢球、锥轮、外环及加压盘均匀 GCr15,表面硬度 HRC61,摩擦系数f=0.04,许用接触应力:传动件j=2200025000kgf/cm 2,加压元件j =40000500000kgf/cm 2。(2)预选有关参数:锥轮锥顶半角 =45 o,传动钢球个数 z=6,加压钢球个数m=8,锥轮于钢球的直径比 c1= =1.5,kf=1.25、=0.8。qDd(3)有关运动参数计算;传动比 max302.14i钢球支承轴的极限转角(增速范围)1max452.164o orctgirctg(减速范围)2in039o(4)计算确定传动钢球的直径 :qd01coscos45.19721. 按表 1-2(机械无级变速器)由 查得 ,代入式得.1ab0.982 21 33 4min(cos)683680.925.(21.5cos4)ab(.5)4630.1957.0fqjkNadz 按钢球规格圆整取 6.5qd锥轮直径 1D21.395.2qcm圆整取 195m12则 195.46033qDcd验算接触应力 j2 213 31min2(cos)6836810.91.250.8(21.5cos4)30ab 4620.4/fjqkNacdzgf在许用接触应力范围之内,故可用。(5)计算有关尺寸:钢球中心圆直径 3D31(cos)(1.4963cos5)6.950qadm钢球侧隙 1cos)in1(.49603cos5)in3016.50.657oqadz外环内径 rD320.9675.32.175rq cm外环轴向截面圆弧半径 R取(.78)qRd4.锥轮工作圆之间的轴向距离 Bsin6.35sin.9oqBacm3.7 调速机构的计算与设计调速操纵的基本原理都是将其个某一个滚动体沿另一个(或几个)滚动体母线移动的方式来进行调速。一般滚动体均是以直线或圆弧为母线的旋转体;因此,调速时使滚动体沿另一滚动体表面作相对运动的方式,只有直线移动和旋转(摆动)两种力式。这样可将调速机构分为下列两大类:1通过使滚动体移动来改变工作半径的。主要用于两滚动体的切线均为直线的情况,且两轮的回转轴线平行或梢交,移动的方向是两轮的接触线方向。132通过使滚动体的轴线偏转来改变工作半径的。主要用于两滚动体之一的母线为圆弧的情况。钢球外锥轮式无级变速器是采用第二种调速类型,通过涡轮-凸轮组合机构,经涡轮转动再经槽凸轮而使钢球心轴绕其圆心转动,以实现钢球主、从动侧工作半径的改变。调速涡轮在设计上应保证避免与其它零件发生干涉,同时采用单头蜗杆,以增加自锁性,避免自动变速而失稳。根据整体设计,蜗杆传动的基本尺寸及参数匹配如下:表 3-3 蜗杆的基本尺寸 (GB 10085-88)模数 mmm轴向齿距 xpmm分度圆直径 1dmm头数 1z直径系数 qmm齿顶圆直径 1ndmm齿根圆直径 1fmm值21md3分度圆柱导程角 r8 18.1333 42 1 10.000 46 38 3120 5428o表 3-4 涡轮、蜗杆参数的匹配(GB 10085-88)中心距 amm传动比 i模数 m(mm)蜗杆分度圆直径 1d(mm)蜗杆头数 1z涡轮齿数 2z涡轮变位系数 2x127.5 24 8 42 1 41 -0.500传动钢球小轴摆角 与手轮转角 的关系为:211 11322 22arcsinicos(sincoszzzzbReabRl 在制造时,蜗轮上的 z 条槽要保证其圆周不等分性不超过 。否则会造成钢球转速不一,引起磨损、嗓声过大及温升过高等现象。支承轴与曲线槽的侧隙约为 0.03mm左右,过大会在开车时引起冲击现象,易导致钢球支承轴弯曲甚至折断。3.8 无级变速器的装配1.变速器的装配1)所有零件应彻底清洗并用压缩空气吹净或擦干。2)各轴承及键槽在安装前,应涂以齿轮油或机械油。143)装入轴承前时,应使用铜棒在轴承四周均匀敲入,避免用手锤直接敲击轴承,以防止损伤轴承。也可将轴承在机械油中加热到 60-100后装入。4)壳体上的螺孔和轴承孔,在安装轴承端盖时,应涂以密封胶以防漏油。5)各紧固螺栓应按规定锁止方法进行锁止。2.变速器在装配中的调整1)锥轮端面与涡轮之间的间隙,一般应为 0.10-0.35mm。2)轴的轴向间隙一般为 0.10-0.40mm,可在轴承盖内增减垫片进行调整。3)检查蜗杆传动的啮合与调速情况,各档涡轮应具备良好的自锁性。齿的啮合痕迹应大于全齿工作面积的三分之一。154 主要零件的校核本章根据传动要求对无级变速器做一个整体的校核。在 4.2 节对变速器的承加压装置及钢球与主、从动锥轮之间的接触强度进行校核,钢球的强度校核在设计过程中已经符合要求。同时在制造与安装过程中应保证一组钢球的直径的一致性。轴承采用标准件,由于蜗杆是用于调速,其轴承主要起支撑作用,受力时间短,故在此不进行校核,对轴上轴承进行强度与寿命计算。轴上键的连接,迷宫式密封圈的键起固定作用,并不传递较大的作用力,故在此不校核,轴段 VI 的键为 V 带轮传递力以及花键为加压盘传递主要的载荷。键的主要失效形式是工作表面被压溃(平键)或工作表面过渡磨损(动连接),在此方案中花键进行静连接的校核。4.1 传动部件的受力分析与强度计算1)受力分析主动锥轮转矩 1M112.9740149.830NNmn从动锥轮转矩 222.97()57.4.x每个传动钢球上的转矩 q12.0897406(5379)5.36.2qqNMznm外环上的转矩 r1.08974013.84.05724rrNNmn主动锥轮与每个钢球接触点处所传递的有效圆周力 1P112.9740974052.7661309PznD从动锥轮与每个钢球接触点处所传递的有效圆周力 216122cos()974017425NaPPNznD主、从动锥轮与每个钢球接触点处所承受的法向压紧力分别为 及1Q2111.2594809480643064309f fkkQzn1122 . 5504f xPNfD它们的径向分量 及轴向分量 分别为rQa12sin6430sin5167.co1coi2i435.02354.02ssra ora NN由在一般情况下, 故钢球心轴上受有不平衡的力距作用。1212,PQ2)强度计算由于 Kopp-B 型无级变速器是恒功率型的,故应按 时从动侧钢球与锥轮的工作2min位置建立强度计算公式,这时:压紧力 Q11min948094801.230.829.5.fqkNkgfzcd曲率 12.96qkd2121cos0.487qaD20k当量曲率 d1711212(cos)2(1.5cos4)630.784d qakkd曲率系数 cos 12121cscos o50.97.s4doka4.2 轴承的校核输入、输出轴采用相同设计,在此只要校核输出轴的轴承是否满足工程需要。1)求两轴承受到的径向载荷 1r2F和将轴系部件受到的空间力系分解为铅垂面和水平面两个面力系。其中: 为通过1Ft另外加转矩而平移到指向轴线; 亦应通过另加弯矩而平移到作用于轴线上。有受力ac分析可知: 121121222122678678022490149373601493749reacVrvreVHtrterHvrrrDFNNFN2)求两轴承的计算轴向力 12Fa和对于 70000AC 型轴承,按手册,轴承派生轴向力 ,其中, 为判断系数 drFee,其值由 得大小来确定,但是现在轴承轴向力 未知,故先初取 ,因此可估0aFCa0.4算11220.49drFN18又得: 12202861098694.7.53aedaFNC查手册确定。 1212.56,.4,986,94aaeFN3)求轴承当量动载荷 ,由手册进行查表或插值计算得径向载荷系数和轴向2P和载荷系数为:对轴承 1 故 =2373ar4.1068FrF对轴承 2 故 =1950r3.rraP0.41+.874)验算轴承寿命因为 ,所以按轴承 1 的受力大小来验算21P66320050()()2476.84pCL hnP综合上述可得,该设计符合工程要求。4.3 轴的校核1)判断危险截面截面 B,只受扭矩的作用,虽然键槽、轴肩及过渡配合所引起的应力集中均将削弱轴的 疲劳强度,但由于轴的最小直径是按扭转强度较为宽裕地确定的,所以截面B,均无需校核。从应力集中对轴的疲劳强度的影响来看,截面 III 和处过盈配合引起的应力集中最严重;从受载的情况来看,截面 C 上 Mca 最大。截面和显然更不必校核。键槽的应力集中系数比过盈配合的小,因而该轴只需校核截面 C 左右两侧即可。2)截面 C 左侧抗弯截面系数 330.1.027WdNm?抗扭截面系数 254T截面 C 左侧的弯矩 M 为 847N?截面 C 左侧的扭矩 为 339019截面上的弯曲应力为 7.51.cass?8473.120bMPaW截面上的扭转切应力 39204TPa轴的材料为 45 号钢,调质处理,由轴常用材料性能表查得:11640,275,5BMPaaPa截面上由于退刀槽而形成的理论应力集中系数 按手册查取。因及2.50rd,经插值后可查得81.6Dk又由手册可得轴的材料的敏性系数为 0.82,.5q故有应力集中系数 1()1(1).82ka.36由手册得尺寸系数 ;扭转尺寸系数 。0.67E 0.E轴按磨削加工,由手册得表面质量系数为 92轴未经表面强化处理,即 ,按手册得综合系数为1q1.822.80067.9kKE.1.6.又由手的得材料特性系数 0.2,0.15=5取, 取于是,计算安全系数 Sca 值,按公式则得12730.92.8314.msK15.5.60.a2022230.91.574.31.5cas s?故可知其安全。3)截面 C 右侧同理可的 。安全。7.51.cass?故该轴在截面右侧的强度也足够的。本题因无大的瞬时过载及严重的应力循环不对称性,故可略去静强度校核。音痴,轴的设计校核结束。4.4 传动钢球的转速校核钢球与锥轮的接触区为椭圆,其长半径为 ;空载时,纯滚动点在接触椭圆的12()a中心 o 点,钢球的理论转速为 为 0Bn1Rnr钢球实际转速 qn(增速)111951430679/mincos(cs()6.cos(2.)qxqDnn rda (减速)111 53/i().(.)qxqn外环转速 r(增速)11cos157/min()()qxxrrrnndDnra(减速)11 204/i(cos)()qxxrrrd符合滑动率的要求。4.5 键的校核设定输入轴与 V 带轮之间的键为 1 ,输出轴上的键 2,加压盘上的花键为键 3。普通平键的型式与尺寸如下图:21图 4-1 普通型 平键 GB/T1096-79矩形花键的连接图 4-2 矩形花键尺寸 GB/T1144-87由前面条件选取的键型号规格如下:键 1:圆头普通平键(A 型) b=8mm h=7mm L=40mm 键 2:圆头普通平键(A 型) b=8mm h=7mm L=40mm键 3: 矩形花键 621255受力分析:键 1 受到的转距 158.4TNm键 2 受到的转距 20623.7键 3 受到的转矩 3.平键的材料为钢,轻微冲击, 为 100120Mp,取 =110 MpFF平键的校核公式: (k=0.5h l=L-b d 为轴的直径)31FTkld所以:校核第一个键: 372058.410.2F FMPal校核第二个键: 3 7110.48.3F FT Pakld 22花键的材料为钢,使用和制造情况良好,齿面经热处理, 为 120200MPa,取F=130MPa。F花键的校核公式:3721058.4105.9.62F FmTMPazhld键的校核达到要求。综合上述可得,该设计符合工程要求。23本文简要介绍了摩擦式钢球无极变速器的基本结构、设计计算、材质及润滑等方面的知识,并以此作为本次无级变速器设计的理论基础。本设计采用的是以钢球作为中间传动元件,通过改变钢球主动侧和从动侧的工作半径来实现输出轴转速连续变化的钢球锥轮式无级变速器。由钢球、主动锥轮、从动锥轮和内环所组成。动力由输入轴输入,带动主动锥轮同速转动,经钢球利用摩擦力驱动内环和从动锥轮,再经从动锥轮,形槽自动加压装置驱动输出轴将动力输出,调整钢球轴心的倾斜角 就可达到变速的目的。本设计为恒功率输出特性,输出转速恒低于输入转速,运用于低转速大转矩传动。本文分析了在传动过程中主、从动轮,钢球和外环的工作原理和受力关系;通过受力关系分析,并针对具体参数对输入轴、输出轴、端盖、加压盘、主动追率、从动锥轮、涡轮盘等进行了计算与设计。并对调速结构进行合理设计。本文根据传动锥轮的工作应力和材料疲劳强度 ,建立起锥面传动功率、锥轮直径与材料疲劳寿命及可靠度等因素之间的关系,合理设计锥轮的机构尺寸。最后要感谢我的指导老师聂老师对我的悉心指导,感谢同学们对我的帮助。在设计过程中,通过查阅大量有关的资料,与同学交流经验和自学,并想老师请教等方式,使自己学到了不少知识,也经历了不少的艰辛,在艰辛中设计过程中磨练提升自己。通过此次毕业设计我懂得了许多东西,也培养了我独立工作的能力,对今后的学习、工作和生活都有非常大的帮助。而且大大的提高了动手能力,是我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功的喜悦。虽然此次设计做的不够太好,但是在设计过程中所学的东西是这次毕业设计的最大收获和财富,使我终生受益。24参考文献 1阮忠唐主编. 机械设计无级变速器S. 北京:机械工业出版社, 1983.10.128234.2周有强.机械无级变速器M.北京:机械工业出版社,2011.35158.3吴宗泽,罗圣国,卢颂峰等.机械设计课程设计手册M.北京:高等教育出版, 2006.143193.4濮良贵,纪名刚主编.机械设计S.北京:高等教育出版社,2005.32201.5周有强主编.机械无级变速器S.北京:机械工业出版社,2001.154184.6朱张校主编.工程材料S.北京:清华大学出版社,2001.139168.7杨叔子.机械加工工艺师手册M.北京:机械工业出版社,2001.12185.8成大先主编.机械设计手册S.北京:化学工业出版社,2001.174208.9郑提,唐可洪主编.机电一体化设计基础S.北京:机械工业出版社,2003.204233.10陈秀.机械设计课程设计图册M.北京:高等教育出版社,1997.152242.25附录:并联位移机器人的设计Jacques M.HERVEECELE CENTRALE PARIS92295 CHATENAY MALABRY CEDEXFRANCE摘要:本文目的是对偶具有人性化机器人的应用做一个完全的介绍,并将着重讨论并行机器人特别是那些能够进行空间平移的机器人。在许多工业的应用过程中这种机器人被证明其末端执行器在空间上的定位是没必要的。这个方法的优点是我们能系统地导出能预期得到位移子群的所有运动学链。因此,我们调查了机器人的整个家族。T-STAR 机器人现在就是一台工作装置。而 H-ROBOT,PRISM-ROBOT 是新的可能的机器人。这些机器人能满足现代生产快节奏工作中价格低以及符合挑选的工作环境,如选料、安排、包装、装配等发日益增长的需求。关键词:运动学,并行机器人引言群论可以运用于一系列位移当中。根据这个理论,如果我们能够证明群D包含所有的可能的位移,那么D就具有群结构。刚体的最显著运动是由群D表现出来的。这方法导致机械装置的分类 1。建立这样的一个分类的主要的步骤是将位移群的所有子群导出。这能通过检验所有具有旋转和平移特性的2产品直接推理出。然而,一个更有效的方法存在于假设群论3,4中。假设群论是在取决于许多有限实参数的全纯映射的基础上定义的。位移群D是六维假设群的一个特例。假设理论在假设群论的框架内,我们将用于补偿李代数的微元变换与通过其前面幂运算得到的有限运算结合起来。连续群通过与群微元变换有关的微分幂运算描述出来。另外,群体特性通过微分运算及其逆运算所得到的李代数的代数结构而得到了解释。让我们回忆一下李代数主要的定义公理:一个李代数是一个具有封闭乘积的反对偶称双线性的矢量空间。众所周知 5,螺旋速度场是在给定点 N 的条件下通过运算得到的一个六维的矢量空间。由下面3中步骤表明,我们能得完整的欧几里得位移D子群列表(见大纲表 1)。该列表是通过首先定义一个与速度场有关的微分运算符得到的。然后,通过幂运算,得到了李代数有限位移的表达式。此表达式相当于仿射的直接归一正交变换。螺旋速度场的子李代数是对偶位移子群组的直接描述。X (w)子群为了利用平行机理得到空间平移,我们需要找到所有位移子群的交集空间平移子群T。我们考虑的子群交集将严格的包含于两个“平行”子群内。此类别的最重要的情况是 2 个X (w) 子群和 2 个不同矢量方向 w 和 w的平行关系。这很容易证明:X(w) X(w)=T,ww子群X (w)在机制设计起一个很重要的作用。该子群由带有旋转运动的空间平移组成,其旋转主轴方向与所给定的矢量 w 的方向始终平行。X(w)机械联系的实际实施是通过子群X(w)代表的26系列运动学对偶中的命令实现的。实际上棱柱对偶和旋转对偶 P,R,H 都用于构造机器人(圆柱体对偶 C 以紧凑的方式结合棱柱对偶和旋转对偶)。产生的这些运动学对偶的所有可能组合由子群组X (w)在6中给出。同时它们必须连续的满足两种几何情况:旋转轴与螺旋轴要与给定的矢量 w 平行;不是被动运动。Xw子群的位移运算符,在 M 点的作用是:M N + u + bv + cw +exp(hw) N M 是矢量乘积标志。点 N 和矢量 u,v,w 组成了空间的正交标架的基准。a, b, c, h 为具有四维空间的子群的四个参数。空间平移的并联机器人当两子群组X(w) 和X(w),ww,满足 ww,但矢量平行时,在移动平台和固定马达之间,其机械生成元就足以能产生空间平移。三个子群组X (w),X(w),X(w),ww时其生成元同样也能产生空间平移。P,R 或 H 的任何系列组成群组X (w)生成元的对偶的空间平移都能被实现。此外,这 3 种机械生成元可以是不同或一样但都取决于所需的运动学结果。这种组合范围很广,使得整个能进行空间平移的机器人家族成员得到了增加。最有趣的是建筑的模拟能容易地是完成,机器手的选择也能适应委员的需要。Clavel 的 Delta 机器人属于这个家族,因为它基于相同的运动学原理7。并行操作机器人 Y-STARSTAR 16 由 3 个能产生X (u), X (u), X(u) (fig 1)子群组的协作操作臂组成。3 只机械臂是相同且每只都能通过一系列的 RHPaR 生成一个子群X (u),其中 Pa 代表循环平移协作,此平移协作由一块绞接的平行四边形的两对偶立的杆控制决定。两旋转对偶轴与螺旋对偶轴必须平行以保证能生成X (u)子群组。每条机械臂,第一个 2 对偶,即同轴旋转对偶和螺旋对偶组成固定机器人的固定部分,同时形成处于相同平面的轴的机械结构,将其分为三个相同部分,从而形成了 Y 行状。因此任意两轴之间的角度都占整个空间角度的 2 /3。机器人的移动部分由 PaR 系列组成,都能集中于移动平台做指定的某点位置。平台与参考平面保持平行,不能绕垂直于参考平面的轴旋转。任何的一种专有的末端执行器都能是放置在这流动的平台上。 所得到的反应移动平台的T子群仅能在空间进行平移,在8中给出。H 型机器人 大部分并型机器人包括 Delta 机器人和 Y Star 机器人,其末端执行器的工作空间与整个装置相比较小。这是此类机器人的一个缺陷。为了避免这种工作空间的限制,对偶此装置安装具有平行轴的电动千斤顶。与 Y Star 相似的机器人臂不能使用:三个相同集X (v)的交集等于X (v)而不是T。因此,在计新的 H 机器人16时,我们选择与 Y-Sta 相同的两条手臂,第三条手臂可与Delta 手臂相比。这第三条机械臂开始形成带有与第一个两电动千斤顶平行的机动化柱状对偶的固定框架。继以之绞接的二维平行四边形,此四边形由于其中一根杆的缘故能绕垂直于 P 对偶的轴转动。与此杆相对偶的杆经由平行轴的旋转对偶 R 被连结到移动平台上。当平行四边形形状变化时,这个性质被保持(自由度为一)。此机器人的第一个样机有一个团队的学生在 Pastor 教授的指导下于法国“IUT de Ville DAvray”完成的。此 H 型机器人安装了具有 3 种系统的螺杆(1)大间距27的螺母(2),能允许快速移动。它由轴承(6)通过执行机构 M 控制。三个绞接的平行四边形位于(4)的两端,在(5)的中间将螺母与水平平台(3)连接。机架(7)支撑着整个结构(图 2)。边螺旋杆允许沿着其轴转动和移动。中心螺母则不允许平行四边形构架的转动。移动平台与半气缸相似,其自由度为 3。这装置的主要优点是那工作空间是直接与平行轴长度成比例,能得到一个较大工作空间。柱状-机器人滑动对偶偶 P 较好的性有能在在工业机械元件上得到应用的可能。一个平行四边形能够利用四转动对偶偶 R 得到一个移动自由度。因此,利用柱状对偶偶代替平行四边形(Star 机器人)进行机器人设计是一个经济可行的方法。人们想象出了由 CPR 三重次序组成的很多几何排列(圆柱形对偶偶 C 可能能被 RP 代替以得到一电动千斤顶)。轴 C 必须在每次排列中与 R 轴平行。P 对偶偶的方向可以是任意的。柱状机器人的草图见图 3。两固定电动千斤顶是同轴的。第三个电动千斤顶为垂直安装。实际上,这些轴都是水平的。两柱状对偶偶相对偶于前两轴呈 45 度角。第三柱状对偶偶与第三轴垂直。移动平台在不需要人为调节的条件下在较大工作空间内自行移动。结论很多资料10, 11, 12, 13, 14, 15表明了假设群论的,特别是其动力学的重要性。通过对偶新的并行机器人的查证能够对偶我们进行机器人原型的构造有很大帮助。其机械性能的日益增加和制造费用的降低用使得机器人在当今工业制造中越来越具有吸引力。这种新机器人具有通用并行机器人在定位、灵敏性和马达定位安装方面的优点,可代替 DELTA 机器人。简写列表 1置换组的子群E 恒等。t(D) 对直线 D 的平移。R(N,u) 绕轴旋转装置.( 或同等物对 N,和 NN 的 uu=O)H(N,u,p) 转轴 (N ,u,p)= 2 k 的螺旋运动。t(P) 对平面 P 的平移。C(N,u) 沿轴平移的组合旋转装置.(N,u)t 空间的平移。G(P) 对平面P的平行平面运动。Y(w,p) 平面垂直平移到 w 所允许的平移旋转和沿任何轴平行到 w 的旋转动作。S(N) 在点N周围的额球状的旋转装置。X(w) 允许空间和沿任一轴旋转到 w 的平移旋转装置运动。 D 综合刚体运动。Design 28of parallel manipulators via the displacement groupJacques M.HERVEECELE CENTRALE PARIS92295 CHATENAY MALABRY CEDEXFRANCEAbstra
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