1820_微型飞行器模拟转台设计
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南昌航空大学科技学院学士学位论文1目录1 前 言 .21.1 模 拟 转 台 的 出 现 .21.2 研究概况及发展趋势 .31.3 本 设 计 的 内 容 和 特 点 .32 转台 机械 系统方案的选择及评价 .42.1 部件的选择 .42.2 方案的选择和评价 .133 偏转部分 设计 .153.1:偏转部分齿轮机构的设计 .153.2:航向部分轴的校核 .204 偏航 部分的设计 .234.1 转台导轨的设计 .234.2 偏航运动的螺纹传动设计计算 .284.3 螺纹传动动力源的选择 .334.4 偏航部分齿轮机构设计 .335 滚转部分的 设计 .395.1 滚转部分的相关计算 .396 升降部 分的设计 .416.1 螺纹传动的设计计算 .416.2 升降部分齿轮机构设计 .456.3 动动力源的选择 .507 俯仰部 分的设计 .527.1 俯仰部分的相关计算 .52参考文 献 .54致 谢 .55南昌航空大学科技学院学士学位论文21 前 言1.1 模 拟 转 台 的 出 现机械是各类机器的统称。它是人类改造自然,发展自己的主要劳动工具。它能把热能、电能、化学能转化成机械能,也能将机械能转换成其它类型的能量。它能改变或传递力并产生运动,完成人们所期待的许多工作。机械工业历来都是发达国家的重要支柱产业,是一个国家的工业基础。从 70 年代开始,由于各国政府重视和发展高新技术,特别是微电子技术,微机技术的引入,使传统的机械工业在产品结构和生产系统结构等方面发生了质的变化,使其焕发了新的生命,形成了一个崭新的现代机械工业。可以毫不夸张地说,现在的世界,仍然是一个机械化生产的世界。工业机械化的大力推进,机械制造技术的水平与制造业的发达程度突出反映了一个国家的经济实力和科学技术水平。新技术的推广和应用,使得新产品不断出现,新产品与原有事物相比变化越来越大,最明显的表现在体积变得越来越小。新技术也是被首先应用在军品的开发研制领域。这就使得,军品在走想现代化的过程中也具有体积变小的特征。如:微型手枪、微型摄相机、微型机器人等等。在这些事物的变化过程中,变化最大的莫过于飞机。在现代战争中,飞机往往用于空中打击、空中侦察、空中预警等等。它的重量是以吨为单位的,一般长宽都是 10米以上。飞机在走向现代化的过程中也出现了微型飞机。微型飞行器主要用于战争前沿地区的侦察,它具有,体积小、飞行低、发射方便、重量轻、控制方便等优势。越来越多的国家多投身到微型飞行器的研制中去了。在微型飞行器的研制过程中,飞行仿真实验是必不可少的重要步骤。微型飞行器模拟转台是半实物微型飞行器飞行仿真实验系统中的一个关键设备。它可以按照实验要求,提供微型飞行器飞行时的航向角(偏转角) 、俯仰角、横滚角(滚转角) 、偏航(左右)运动、升降(上下)运动以及飞行扰动,实时模拟微型飞行器在空中的姿态。通过模拟微型飞行器的飞行姿态,测试飞行器控制系统能否在飞行器受到外界扰动时控制飞行器调整到安全飞行姿态。同时还可以测试飞行器携带的机载传感器在模拟飞行条件下的工作情况。南昌航空大学科技学院学士学位论文31.2: 研究概况及发展趋势目前,在微型飞行器模拟实验转台的研究开发方面,多采用齿轮传动,用步进电机驱动。一般是三轴飞行模拟转台,实验时它只能提供飞行器飞行时的航向角(偏转角) 、俯仰角、横滚角(滚转角) ,即只有三个自由度。这种三轴飞行模拟转台,并不能完全模拟飞行器在空中的姿态。它采用三层转台提供三个方向的转动。在实际使用时,由三个独立的电机驱动。下层转台模拟飞行时的航向角,中层转台模拟飞行时的俯仰角,上层转台模拟飞行时的横滚角。飞行器在空中飞行时,有六自由度。由于在风洞实验时,飞行器的前进和后退可以用控制风速的方法来模拟,所以,模拟转台的发展趋势是具有五个或六个自由度,能模拟出飞行器在空中飞行的任何姿态,并智能化,即由计算机控制。1.3: 本 设 计 的 内 容 和 特 点设 计 的 内 容 有 :1搜集毕业设计相关资料,包括参考图纸、技术论文及外文资料。2对相关类型的模拟转台进行分析比较,并确定出新的传动方案,绘制出相应传动系统图。3绘制结构图,包括展开图和剖截图,并进行相关设计的计算。4综合计算结果及图,进行合理性检验。5确定方案并进性设计记录的修改、整理。6绘制总装配图。7确定驱动方式,并确定驱动动力来源。8撰写技术论文及设计说明书。9翻译外文资料。设计的特点可归纳为以下几点:微型飞行器模拟转台是个重要的实验设备,它与常用的实验设备不同,它的应用范围小,但它的作用很大。随着微型飞行器的发展,本设计还要不断的更新和充实。该设计与实验实际的联系十分密切,有实践知识才能设计出更好的转台。在设计过程中采用“构思”“设计”法和结构模块化设计方法。掌握这些常用的设计方法,在新技术不断出现的今天,才能设计出适应新型微型飞行器的需求。南昌航空大学科技学院学士学位论文42 转台机械系统方案的选择及评价2.1 部件的选择一 控制台的功能分析:微型飞行器模拟转台的有效载荷重量为 300500 克,有效载荷空间为25mm,能够模拟微型飞行器飞行时的航向角(偏转角) 、俯仰角、横滚角(滚转角)、偏航(左右)运动、升降(上下)运动以及飞行扰动,实时模拟微型飞行器在空中的姿态。因此,系统至少需要五个自由度:三个方向的转动,和两个方向(上下和左右)的移动。三个方向的转动连续不完全回转,两个方向的移动是往复直线运动。由于在微型飞行器模拟实验时,模拟转台要根据飞行器在空中飞行的实际情况进行模拟,所以,在传动方面要比较精确。设计要求中,模拟转台具有五个自由度,其中,三个转动,两个直线运动。转动精度要较高,转动的角位移分辨率要低,连续转动速度范围要较大,运动角度范围要符合设计要求。在以各种速度转动的过程中,转台运动要平稳,过渡过程要较迅速。直线运动的速度范围要较大,运动要平稳。直线运动与转动过渡过程要迅速、平稳。设计要求达到:旋转时,角位移分辨率最低为:0.45,连续运动速度范围为:0 至 30rpm,运动角度范围:-90至 90。最高要求为:旋转十角位移分辨率为:0.05,连续运动速度范围为:0 至 320rpm,运动角度范围:-180至 180。直线运动的速度范围不要太大就行,但运动精度要较高。二 方案的选择:(1)执行部分 由于在风洞实验中,模拟转台要栽着微型飞行器在风洞中模拟空中姿态,所以,转台的执行部分只需一平台即可,有效载荷空间为 25mm(设计要求) 。(2)原动部分 由于在实验时,转台要用计算机进行控制,转台工作精度要求较高,控制要简单,所以要选择工作精度高,控制方便的电机。控制方便的电机有控制电机和步进电机。南昌航空大学科技学院学士学位论文5控制电机一般指用于自动控制、自动调节、远距离测量、随动系统以及计算装置中的微特电机。它是旋转电机的基础上发展起来的小功率电机,就电磁过程及所遵循的基本规律而言,它与旋转电机并无本质区别,只是所起的作用不同。控制电机主要用来完成控制信号的传递和变换,它的技术性能稳定可靠、动作灵敏、精度高、体积小、重量轻、耗电少。两相交流伺服电机控制方法有:(1)副值控制;(2)相位控制;(3)副值相位控制。它的输出功率一般在:0.1W-100W, 其电源频率有 50Hz、400Hz 等几种。质量;直流伺服电机用在功率较大的场合,它的输出功率为 1W-600W。步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件,每当输入一个电脉冲时,它便转过一个固定的角度。脉冲一个一个地输入,电动机便一步一步地转动。步进电动机的位移量与输入的脉冲数严格成比例,这就不会引起误差的积累,其转速与脉冲频率和步距角有关。控制输入脉冲数量、频率及电动机各先相绕组的接通次序,可以得到各种需要的运动特性。尤其是当步进电动机与数字系统配套时,它将体现出更大的优越性,因而,广泛应用于数字控制系统中,如数控机床等。反应式步进电动机可以按特定的指令进行角度控制,也可以进行速度控制。角度控制时,每输入一个脉冲,定子绕组换接一次,输出轴就转过一个角度,其步数与脉冲数一致,输出轴转动的角位移与脉冲数成正比。速度控制时,各相绕组不断轮流通电,步进电动机就连续转动。反应式步进电动机转速只取决于脉冲频率、转子齿数和拍数。而与电压、负载、温度等因素无关。当步进电动机的通电方式选定后,其转速只与输入脉冲频率成正比,改变脉冲频率就可以改变转速,故可进行无级调速,调速范围很宽。同时步进电动机具有自锁能力,当控制电脉冲停止输入,而让最后一个脉冲控制的绕组继续通入直流时,则电动机可以保持在固定的位置上,这样,步进电动机可以实现停车时转子的定位。综上所述,步进电动机的步数或转速既不受电压波动和负载变化的影响,也不受环境条件变化的影响,只与控制脉冲同步,同时,它又能按照控制的要求进行启动、停止、反转或改变速度,这就是步进电动机被广泛地应用于各种数字控制系统中的原因。对比两种电机可见,在控制方面,步进电机比控制电机控制简单、方便,更易于数字化。在精度方面,步进电机的传动精度高于控制电机,性能比控制电机更优越。南昌航空大学科技学院学士学位论文6所以,在微型飞行器模拟转台的设计中,采用步进电机。(3)传动部分 由控制台的性能分析可知,系统至少需要五个自由度:三个方向的转动,和两个方向(上下和左右)的移动。三个方向的转动是连续不完全回转,两个方向的移动是往复直线运动。能实现回转运动的机构有:摩擦传动机构、啮合传传动机构、连杆机构。摩擦传动机构,包括带传动、摩擦轮传动等。其优点是构造简单,传动平稳,易于实现无级变速,有过载保护作用。缺点是转动比不准确,传递效率低等。啮合转动机构,包括齿轮传动、蜗杆传动、链传动等。齿轮传动可用来传递空间任意两轴间的运动和动力,并且有功率范围大、传动效率高、传动比准确、使用寿命长、工作安全可靠等特点。蜗杆传动是用来传递空间交错轴之间的运动的,它传动平稳,振动、冲击和噪音很小,能以单级传动获得较大的传动比,结构紧凑,蜗轮蜗杆啮合轮齿间相对滑动速度大,摩擦损耗较大,传动效率较低,易出现发热和温升过高的现象,磨损较严重,有些蜗杆传动具有自锁性。链传动通常用在工作可靠,且两轴相距较远,以及其它不宜采用齿轮传动的地方,还用在对传动用求不高而工作条件恶劣的地方。连杆传动,如双曲柄机构和平行四边形机构等。 连杆传动机构应用十分广泛,人造卫星太阳能板的展开机构,机械手的传动机构等等,都是连杆机构。其传动特点如下:连杆机构中的运动副一般均为低副,低副两元素为面接触,可在传递同样载荷的条件下,两元素间的压强较小,可以承受较大的载荷。低副两元素间便于润滑,所以两元素间不易产生磨损。此外,低副两元素的几何形状比较简单,便于加工制造。在连杆机构中,当原动件以同样的运动规律运动时,如果改变各构件的相对长度关系,便可使从动件得到不同的运动规律。在连杆机构中,连杆上不同点的轨迹是各种不同形状的曲线(连杆曲线) ,而且随着各构件相对长度关系的改变,这些连杆曲线的形状也将改变,从而可以得到各种不同形状的曲线,我们就可以利用这些曲线来满足不同轨迹的要求。连杆机构还可以很方便地用来达到增力、扩大行程和实现较远距离的传动等目的。连杆传动的缺点:由于在连杆机构中运动必须经过中间构件进行传递,因而连杆机构一般具有南昌航空大学科技学院学士学位论文7较长的运动链,所以各构件的尺寸误差和运动副中的间隙将使机构产生较大的积累误差,同时也会使机械效率降低。在连杆机构的运动过程中,连杆及滑块的质心都在作变速运动,它们所产生的惯性力难于用一般的平衡方法加以消除,因而会增加机构的动载荷,所以连杆机构一般不宜用于高速运动。虽然利用连杆机构可以满足各种运动规律和运动轨迹的设计要求,但设计一种能准确实现这种要求的连杆机构却是十分繁难的,而且在多数情况下一般只能近似地满足运动要求。所以,连杆机构多用于有特殊需要的地方。能实现往复直线运动的机构有:连杆机构、凸轮机构、螺旋机构和齿轮齿条机构。连杆机构中用来实现往复运动的主要有曲柄滑块机构、正弦机构等等。连杆机构是低副机构,制造容易,但连杆机构难以准确地实现任意指定的运动规律,所以多用在无严格的运动规律要求的地方。如果要求移动件严格地实现指定的运动规律,则宜采用凸轮机构。凸轮机构几乎可以实现任意的运动规律,也便于各执行机构件间动作上的协调配合。但凸轮机构为高副接触,因此多用在受力不大的场合。螺旋机构可获得大的减速比和叫高的制造精度,长用作低速进给和精密为条机构,或用在欲获得大的机械利益,或在反行程具有自锁性的地方。齿轮齿条机构适用于移动速度较高的场合。但是,由于精密齿条制造困难,传动精度及平稳性不及螺旋机构,所以不宜用于精确传动及平稳性要求高的场合。就连杆机构、凸轮机构、螺旋机构和齿轮齿条机构的行程来说,凸轮机构推杆的形成一般较小,否则会使凸轮机构的压力角过大或尺寸庞大;连杆机构可以得到较大的行程,但当行程太大时,连杆机构的尺寸也会因之而过于庞大;齿轮齿条机构或螺旋机构则可以满足较大行程的要求。综上所述,在回转运动和往复直线运动中都可以用齿轮传动和连杆传动,连杆传动的特点如上所述。齿轮机构它具有:(1)效率高:在常用的机械传动中,它的传动效率为最高,如一级圆柱齿轮传动的效率可达 99%。(2)结构紧凑:在同样的条件下,齿轮传动所需的空间尺寸一般较小。(3)工作可靠、寿命长:设计制造正确合理、使用维护良好的齿轮传动,工作南昌航空大学科技学院学士学位论文8十分可靠,寿命可长达一、二十年,这是其它机械传动所不能比拟的。(4)传动比稳定:传动比稳定往往是对传动性能的基本要求。齿轮传动获得广泛应用,也就是由于着一点。但齿轮传动的制造及安装精度要求高,价格较贵,不宜用于传动距离过大的场合。由于在微型飞行器模拟实验时,模拟转台要根据飞行器在空中飞行的实际情况进行模拟,所以,在传动方面要比较精确。初步确定,用齿轮传动。设计要求中,模拟转台具有五个自由度,其中,三个转动,两个直线运动。转动精度要较高,转动的角位移分辨率要低,连续转动速度范围要较大,运动角度范围要符合设计要求。在以各种速度转动的过程中,转台运动要平稳,过渡过程要较迅速。直线运动的速度范围要较大,运动要平稳。直线运动与转动过渡过程要迅速、平稳。微型飞行器模拟转台实验时要求,转动的三轴共点,这是为了是实验时,飞行器能在较小的范围内(风洞中)模拟空中的姿态。能用在转动中的机构简图如下:图 2.1连杆机构转动的六个极限位置简图,中间的是为了方便阅读才作的 90位置图,应该是 0位置图,但 0位置图不便于观看。齿轮机构简图如下:南昌航空大学科技学院学士学位论文9圆 心 工 作 台 中 心原 动 件 -齿 轮从 动 件 齿 轮图 2.2当原动件来回转动时,带动从动件来回转动,由于工作台的中心是从动件的圆心,从动件来回转动时,是绕圆心转动,从而带动工作台绕从动件的圆心来回摆动。回转机构简图如下图 2.3大齿轮为从动轮,小齿轮为主动轮,小齿轮的转动带动大齿轮的转动,大齿轮的转动带动安装在大齿轮上的其它构件的水平转动,从而带动工作平台水平转动,模拟微型飞行器的偏航角(航向角) 。蜗轮蜗杆机构,可以实现回转运动,它的简图如下图:南昌航空大学科技学院学士学位论文10图 2.4蜗杆的转动带动蜗轮的转动,实现回转运动。链传动可以实现回转运动,其运动简图如下: 链 条 小 链 轮大 链 轮图 2.5链传动无弹性滑动和打滑现象,能保持准确的平均传动比,但它不能保持恒定的瞬时传动比。磨损后易跳动。主从链轮只能同向回转。带传动的机构简图如下:南昌航空大学科技学院学士学位论文11图 2.6带传动时,是由于带和带轮间的摩擦(或啮合)变拖动从动轮一起转动,并传递一定的动力。它的结构简单,传动平稳,价格低,缓冲吸振。不同形式的带传动具有不同的特点。齿轮齿条机构可以实现往复直线运动,局部齿轮齿条机构也可以实现往复直线运动,局部齿轮齿条机构原理图如下: 局 部 齿 轮齿 条图 2.7局部齿轮或者顺时针旋转或者逆时针旋转都可以实现齿条的往复直线运动。螺旋传动主要由螺杆和螺母组成。可用来把旋转运动变成直线运动,也可将直线运动转变成旋转运动,同时进行能量和力的传递,或调整零件间的相互位置。最常用的是将旋转运动转变成直线运动,它的机构简图如下:南昌航空大学科技学院学士学位论文12图 2.8 如图,1 为螺杆,2 为螺母,当螺杆按图示方向旋转时,螺母将会按图示方向移动。如果,螺杆按与图示方向相反的方向旋转,螺母将会向右移动。凸轮机构,只要能适当地设计出凸轮的轮廓曲线,就可以使推杆得到各种预期的运动规律。它的机构简图如下:图 2.9由于凸轮轮廓与推杆之间为点、线接触,故易于磨损,所以凸轮传递的动力不大。软轴传动软轴的简图如下:南昌航空大学科技学院学士学位论文13图 2.10软轴传动,它具有良好的挠性,可以把回转运动灵活地传到不敞开的空间位置.综上所述,可以拟订总体方案,运动名称偏转运动俯仰运动滚转运动偏航运动升降运动运动机构 1齿轮机构(图2.3)连杆机构(图2.1)连杆机构(图2.1)螺纹传动机构(图 2.7)螺纹传动机构(图 2.7)运动机构 2蜗轮蜗杆机构(图 2.4)齿轮机构(图2.2)齿轮机构(图2.2)不完全齿轮齿条机构(图 2.6)不完全齿轮齿条机构(图 2.6)运动机构 3软轴传动(图2.10)软轴传动(图2.10)齿轮齿条机构凸轮机构(图2.9)运动机构 4齿轮齿条机构运动机构 52.2 方案的选择和评价总体方案如下:南昌航空大学科技学院学士学位论文14总体方案偏转运动俯仰运动滚转运动偏航运动升降运动1 齿轮机构(图2.3)齿轮机构(图2.2)齿轮机构(图2.2)不完全齿轮齿条机构(图 2.6)不完全齿轮齿条机构(图 2.6)2 蜗轮蜗杆机构(图 2.4)连杆机构(图2.1)连杆机构(图2.1)螺纹传动机构(图 2.7)螺纹传动机构(图 2.7)3 齿轮机构(图2.3)软轴传动(图2.10)软轴传动(图2.10)螺纹传动机构(图 2.7)螺纹传动机构(图 2.7)4 蜗轮蜗杆机构(图 2.4)蜗轮蜗杆机构(图 2.4)软轴传动(图2.10)不完全齿轮齿条机构(图 2.6)不完全齿轮齿条机构(图 2.6)所以,从传动精度,机构的尺寸,加工的难易,成本的高低等方面考虑,选用方案 3。方案一:俯仰运动的齿轮机构,要满足设计要求,它的尺寸将会很大,滚转运动和升降运动的机构的尺寸也要很大才能满足设计要求。方案二:偏转运动的蜗轮蜗杆机构加工困难,滚转运动的连杆机构的传动精度较低,难以满足设计要求,而且,连杆机构的安装定位困难。方案四:偏航运动机构定位困难,俯仰运动机构尺寸较大,各部件间的安装难。方案三:个运动部件间的尺寸相对较小,安装较容易,总的尺寸较合适。所以选择方案三原理图如下:南昌航空大学科技学院学士学位论文15图 2.11 南昌航空大学科技学院学士学位论文163 偏转部分设计3.1:偏转部分齿轮机构的设计由设计要求推断,微型飞行器模拟转台的工作寿命为 15 年,工作情况为,每天工作 4 小时,齿数比 U=4,输入功率为 P=75w,小齿轮转速为 n1=350rpm.1. 选定齿轮精度等级,材料及齿数1) 模拟转台为航空用仪器,故选精度等级为 4 级精度等级(GB10095-88)2) 材料选择,结合模拟转台的使用环境(强度不需要太大) ,要使模拟转台结构简单,载荷小,振动小,选用铝合金,在铝合金中选用铝硅合金,代号 ZL107,硬度为 100HBS,加工方法为金属型铸造。热处理方法淬火和完全时效,大齿轮材料为 ZL108,硬度为 85HBS,加工方法为金属型铸造,热处理方法为人工时效。二者硬度相差 15HBS。3) 选择小齿轮齿数为 z1=32,大齿轮齿数为 z2=uz1=4*32=1282. 按齿面接触强度设计由设计计算公式(10-9a) (参考文献 3)进行计算,即d1 321*2. HEZudKtT1)确定公式内的各计算数值:(1)试选载荷系数 2.1t(2)计算小齿轮的转矩由步进电机数据可知:小齿轮的转矩为 T1=1700Nmm(3)取齿宽 1d(4)查得常用齿轮材料的弹性影响系数为 ,而夹布塑218.97.143MPaZE胶的弹性影响系数为 ,所以取 ZL107 的弹性影响系数为24.56MPaZE2180MPaZE(5)因常用齿轮材料的接触疲劳强度极限 ,因铝合金的PaH165021lim南昌航空大学科技学院学士学位论文17小性能比常用齿轮材料要差,结合常用齿轮材料的接触疲劳强度极限表,初取 小齿轮的接触疲劳强度极限 ;大齿轮的接触疲劳MPaH120lim强度极限 MPaH102lim(6)计算循环次数81 10*3.)65*4(3.6*0hjLnN7812 10./u(7)取疲劳寿命系数 91HNK94.02HN(8)计算接触疲劳许用应力取失效概率为 1%,安全系数 S=1,由式 10-12(参考文献 3 P203)得: MPasKHNH 9510*95.82.2lim21li1 2)计算(1)试算小齿轮分度圆直径 ,代入 中较小的值td1Hm mZuTKdHEtt26.8 9580*4170*2.13.*3. 2211 (2)计算圆周速度 vsmsndvt 08.110*6732.810*(3)计算齿宽dbt 26.2.81(4)计算齿宽与齿高比 hb南昌航空大学科技学院学士学位论文18模数 mzdmtt 831.0326.81齿高 ht 97.*52.4987.b(5)计算载荷系数根据 ,4 级精度,取动载荷系数 ;smv08.1 1.vK直齿轮,假设 。初选mNbFKtA10;2.aH取使用系数 ;A由表 10-4(参考文献 3,P194)查得 4 级精度、小齿轮相对支承对称布置时,bKdH 3210*.6.018. 将数据代入后得92.7.*. 32由 , 结合图 10-13(参考文献 3,P195)取 ,所以2.14hb391H 1.FK载荷系数87.1392.*.aVAK(6)按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径,由式(10-10a) (参考文献3,P200) mdtt 45.6.28*331(7)计算模数 m57.14.1z3.按齿跟弯曲强度设计由式(10-5) (参考文献 3 P198)得弯曲强度的设计公式为321FSadYzKTm1)确定公式内的各计算参数值(1) 由图 10-20c(参考文献 3,P204)查得常用齿轮材料的弯曲疲劳强度极限;初取小齿轮的弯曲疲劳强度极限 ,大齿MPaFE1059 MPaFE901南昌航空大学科技学院学士学位论文19轮的弯曲疲劳强度极限 MPaFE802(2) 由查弯曲疲劳寿命系数 ;.2,.1FNNK(3) 计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 S=1.5,计算如下: MPaaSKFENF 67.105.8*022.192211 (4) 计算载荷系数 K783.15.*2.FaVA(5)查取齿形系数, 18.;65.221YFa(6)查取应力校正系数, 79SaS(7)计算大,小齿轮的 并加以比较Fa036.7.169*824.5.21FaSFY大齿轮的数值大。2)设计计算mm6.03.*21708.*3 对比设计计算结果,由齿面接触强度计算的模数 m 小于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数,由于齿轮模数 m 的大小主要取决于弯曲疲劳强度所决定的承载能力,仅与齿轮直径(即模数与齿数的乘积)有关,但在模拟转台中,零件的强度不许很大即可满足转台的要求,取齿面接触强度算得的模数 1.5278mm,并就近圆整为标准值m=2mm。4.几何尺寸计算由于,在模拟转台的设计过程中,只要考虑转台的结构因素,所以,初步选择小齿轮的齿数为 32。按此计算齿轮的参数。南昌航空大学科技学院学士学位论文201)计算分度圆直径小齿轮的分度圆直径 mzmd6432*11大齿轮的分度圆直径 n2522)计算中心距da1606421 3)计算齿轮宽度mbd*1由于模拟转台工作时的受力小,振动小,转矩小,所以结合模拟转台的结构取 。mB35,0214)验算NdTFt 14.97350*1mbKt /8.2/4.975齿轮各个尺寸的计算齿顶高:大齿轮 mha*12小齿轮 21齿根高:大齿轮 mcaf 5.2*.0*2小齿轮 mhf 511 齿全高:大齿轮 cafa 5.42*.012*2 小齿轮 mhhf 5211齿顶圆直径:大齿轮 daa 6522 小齿轮 8*6411齿根圆直径:大齿轮 mhff 251.22南昌航空大学科技学院学士学位论文21小齿轮 mhdff 59.2*64211 压力角取标准值 023.2:航向部分轴的校核1:按扭矩强度校核轴的扭矩强度条件为:所以 333 2.095.nPndTT式中: -扭矩切应力,单位为 MPa;TT -轴所受的扭矩,单位 Nmm;-轴的抗扭截面系数, ;W3mn轴的转速,r/min;P轴传递的功率。Kw;d计算截面处轴的直径,mm;-许用扭转切应力,MPa,查表。T查表取 40MPa,n ,取齿轮传动的效率min/250i/436075.8rr为 95%,所以 1000X95%=950w1PndT 5.16209.4.0952.095333 因为 d=45mm,所以轴满足强度设计的要求。2.按弯扭合成强度条件校核通过装配图的设计,轴的主要结构尺寸,轴上零件的位置,以及外载荷和支反立的作用位置均可确定。1)弯矩、扭矩的计算作用在大齿轮上的力 F, ,P 为 1000W,V=nr,V南昌航空大学科技学院学士学位论文22n大齿轮的转速,r/min;r大齿轮的分度圆半径,mm。所以 V=250X128=0.53m/SNsmWF1792/53.0所以: Nr 9.1234.0in3.68cos所以:弯矩 mLFMrH 4.79.12扭矩 NT52103682)计算弯矩mNca 95.2123)作弯矩,扭矩图caMTH4)校核轴的强度已知轴的计算弯矩,针对危险截面作强度校核计算。按第三强度理论,计算弯曲力:PaWMcac1南昌航空大学科技学院学士学位论文23W 为轴的抗弯截面系数,计算公式在本题中为;32.0d危险截面的 d 为 40mm,所以 W=12800 3m所以: MPaaca169.128095.6所以: 4所以轴满足强度设计要求,能够满足使用要求。南昌航空大学科技学院学士学位论文244 偏航部分的设计4.1 转台导轨的设计1:导轨功用及其基本要求A:导轨的功用与分类导轨是指引导部件沿一定方向运动的一组平面或曲面。导轨的功用是导向和承载,即引导运动部件沿一定轨迹(通常为直线和圆)运动,并承受运动件及其安装件的重力以及切削力。在导轨副中,运动的导轨称为动导轨,固定不动的导轨称为支撑导轨。导轨按运动轨迹分为直线运动导轨和圆运动导轨。按工作性质可分为主运动导轨,进给运动导轨和仅作部件相对位置调整的移置导轨。按接触面的摩擦性质可分为滑动导轨和滚动导轨,滑动导轨按其摩擦状态又可分为普通滑动导轨、液体动压导轨、液体静压导轨和气体静压导轨。B:导轨的基本要求导轨的性能和质量的好坏对模拟转台的工作精度、承载能力和使用寿命有直接影响。因此,应满足以下基本要求:(1) 导向精度。是指动导轨运动轨迹的准确度。主要影响因素有:导轨的几何精度和接触精度,结构形式,导轨和支承件的刚度和热变形,装备质量对于动压导轨和静压导轨,还有油膜刚度等。(2) 耐磨性。是指导轨抵抗磨损而长期保持其导向精度的能力。耐磨性是导轨设计制造的关键,也是衡量模拟转台质量的重要指标之一,应尽可能提高导轨的耐磨性。常见的导轨磨损形式有磨料磨损、咬合磨损、接触疲劳磨损等。主要影响因素有:导轨的摩擦性质,材料,热处理及加工方法,受力情况,润滑和防护条件等。(3) 刚度。是指导轨在外载荷的作用下抵抗变形的能力。导轨应当具有足够的刚度,保证相关各部件的相对位置精度和导向精度。主要影响因素有:导轨的结构形式,尺寸,与支承件的连接方式以及受力情况等。南昌航空大学科技学院学士学位论文25(4) 低速运动平稳性。是指导轨抵抗摩擦自激振动的能力,即导轨在低速运动或微量进给时,消除爬行现象(“时走时停”或“时快时慢”现象)的程度。爬行现象会严重影响工作精度、运动精度和定位精度,因此,要求导轨低速运动时始终保持平稳,不产生爬行现象。主要影响因素有:静、动摩擦系数的差值,传动系统的刚度,运动部件的质量大小、导轨的结构形式以及润滑等此外,还要求导轨具有良好的工艺性,结构简单,便于间隙调整,润滑和防护性能好。2:普通滑动导轨接触面为滑动摩擦副的导轨称为滑动导轨。普通滑动导轨是一种目前广泛使用的导轨。它机构简单,工艺性好,使用维修方便。但它的摩擦系数大,磨损快,寿命短,容易产生爬行。A 导轨的截面形状直线运动滑动导轨的截面形状主要有矩形、V 形、燕尾形和圆柱形四种,并且每种导轨副有凹凸之分,如下图所示。对于水平放置的导轨,凸形导轨(指支撑导轨)不易积存杂物,但也不易存留润滑油,多用在低速运动情况。凹形导轨易存留润滑油,用于高速运动的情况,但杂物易落在导轨面上,因此必须有可靠的防护措施。(1)矩形导轨。如下图(a)所示矩形导轨靠两个彼此垂直的导轨面导向。若只用顶部的导轨面时,也称平导轨。矩形导轨刚度高,承载能力大,容易加工制造,便于维修。但导轨面磨损后不会自动补偿,需要有间隙调整装置。 凸 形凹 形 (a)(b)(C)(d)直 线 滑 动 导 轨 的 截 面 形 状( ) 矩 形 ; ( ) 形 ; ( ) 燕 尾 形 ; ( ) 圆 柱 形(2)V 形导轨。如上图(b)所示,靠两个相交的导轨面导向。其中,凸形导南昌航空大学科技学院学士学位论文26轨习惯上又称山形导轨,V 形导轨磨损后,动导轨自动下沉补偿磨损量,消除间隙,因此导向精度高。导轨顶角 的大小取决于承载能力和导向精度等工作要求,增大,导轨的承载能力提高,但摩擦力也随之增大。 通常取为 90 度(如车床,磨床) ,对于大型或重型机床(如龙门刨床) , 取为 110 度120 度。对于精密机械,取 90 度。当导轨面承受的水平力和垂直力相差较大时,可采用不对称 V形导轨,以使得导轨面的压强分布均匀。(3)燕尾形导轨。如上图(c)所示,高度较小,结构紧凑,可承受颠覆力矩,间隙调整方便。但摩擦阻力较大,制造、检验和维修不便。一般用于受力较小、导向精度要求不高、速度较低、移动部件层次多、高度尺寸要求小的部件。94)圆柱形导轨。如上图(d)所示,制造方便,工艺性好,但磨损后较难调整间隙。一般用于承载轴向载荷的场合。B 导轨的组合形式一般采用两条导轨导向和承受载荷。根据导向精度、载荷情况、工艺性以及润和防护等方面的要求,可采用不同的组合形式。常见的有如下几种。(1) 双 V 形导轨,如下图(a) (b) ,导向精度高,磨损后能自动补偿间隙,精度保持性好;但加工、检验和维修困难,各个导轨面都要接触良好。常用于精度要求较高的场合,如丝杠车床等。(2) 双矩形导轨。如下图(c) (d) ,刚性好,承载能力大,易于加工和维修。但导向性差,磨损后不能自动补偿间隙。适用于普通精度的机械。(3) V 形-矩形导轨组合。如下图(e) (f) ,导向性好,制造方便,在实际当中得到广泛的应用。南昌航空大学科技学院学士学位论文27直 线 滑 动 导 轨 常 见 组 合 形 式1-支 承 导 轨 ; 2动 导 轨 ; 3-压 板C 导轨间隙调整导轨面之间的间隙应保持适当。若间隙过大,会使导向精度降低,甚至会引起振动;若间隙过小,则会增大运动阻力,加速导轨的磨损。因此,不仅要在装配时对导轨的间隙作适当调整,而且在模拟转台工作一段时间后,因磨损还需要重新调整间隙。采用镶条和压板调整导轨间隙是广泛采用的两种方法。A 镶条调整镶条用来调整矩形导轨和燕尾形导轨的侧想间隙。常用的镶条有平镶条和斜镶条两种。(1) 平镶条。在其长度方向是等厚度的,截面形状为矩形、平行四边形或梯形,通过横向位移调整间隙。(2) 斜镶条。沿其长度方向有一定的斜度,靠纵向位移使其两个侧面分别与动导轨和支撑导轨接触,调整导轨间隙,常用斜度在1:100-1:400 之间。3:模拟转台导轨的设计用在模拟转台上的导轨载荷不很大,但导轨的导向精度要高。导轨的作用是引导运动部件沿导轨来回运动,即实现转台模拟微型飞行器的偏航运动。运动部件的运动速度不是很高。南昌航空大学科技学院学士学位论文28为了使制造方便,机构简单,还要使摩擦力较小,以便使驱动电机的功率、体积、重量等等较小,所以,不采用常规的导轨设计方案。从转台的机构考虑,采用矩形导轨的一部分和轴承组合,将滑动导轨变为滚动来用在转台中。转台的偏航距离较长,所以考虑采用两个导轨。1:导轨宽度 B导轨的宽度与导轨的承载能力有关,在导轨长度相同的情况下运动件的承载能力愈大,宽度 B 也愈大初步估计载荷 W 小于 20Kg,长度 L 由设计要求可知 L 略大于 600mm。计算公式为 Lp*由于机床铸铁对铸铁导轨的许用平均比压可取为:p=0.025-1.5 兆帕2:两条导轨的间距 A取小的间距,可以减小模拟转台的外形尺寸,使转台灵巧,节约材料。但间距过小,有可能造成工作不稳定。确定导轨间距,应保证运动件工作稳定为前提,尽可能取小值。3:运动件的导轨长度取较长运动件导轨,有利于改善导向精度和工作的可靠性。如下图所示,当存在导轨间隙 时,运动件倾斜角 与导轨长度 L 有关,LL 愈大, 愈小,间隙对导轨的精度影响也愈小。当牵引力 T 与导轨摩擦力的合力 F 相距 x(图 b)时,力矩 M(=Tx)将使导轨倾斜,同时以 N 力作用于固定导轨上,此时 。可见当 L 愈小,N 愈大,摩擦TN力 F=Nf(f 为摩擦阻力,当 时,则运动件自锁,无法前进。fLx2所以,取长导轨较有利,但过长则使模拟转台庞大而笨重。根据经验L=(1.2-1.8) 。固定件导轨长度决定于运动件导轨长度和它的行程。AL从上面的设计中可知,导轨面的宽度要比轴承的宽度宽,导轨的长度较长。具体的数据,是根据装配图的设计来确定的。因为模拟转台工作时承受的外力很小,南昌航空大学科技学院学士学位论文29强度设计不是问题。4.2 偏航运动的螺纹传动设计计算在该模拟转台中,用螺传动来实现转台工作时的偏航运动。螺纹传动副的螺纹种类有:梯形螺纹、锯齿形螺纹、液压机用锯齿形螺纹和矩形螺纹(尚未标准化) 。梯形螺纹的特点是:牙型角 ,螺纹副的小径和大径处有相等的径向间隙,o30螺纹工艺性好,牙根强度高,内、外螺纹的对中性好,采用部分式螺母可调整、消除轴向间隙。它是螺旋传动中最常用的一种,如机床中的进给螺旋。锯齿形螺纹:工作面的牙型斜角为 3 度,非工作面的牙型斜角为 30 度。外螺纹的牙根部有较大圆角,以减小应力集中,比梯形螺纹强度高、效率高。主要用于单向受力的传力螺旋,如螺旋压力机。液压机用锯齿形螺纹:非工作面牙型斜角为 45 度,性能与一般锯齿形螺纹相同。主要用于液压机中的大直径螺旋传动。矩形螺纹:牙型为方形,传动效率比其他螺纹高,但精确制造困难,螺纹副磨损后间隙难以补偿,对中精确度低,牙根强度弱。一般用于千斤顶等传力螺旋。对于偏航运动,综合螺纹传动的特点,选择梯形螺纹传动。设计计算1:耐磨性南昌航空大学科技学院学士学位论文30初步选螺杆所承受的轴向力为 F=7000N,材料为:螺杆 45 钢,调质处理,螺母材料耐磨铸铁。1:螺杆中径: pFd2其中: -螺纹形式系数,梯形螺纹、矩形螺纹为 0.8,锯齿形螺纹为0.65F-轴向力-螺母长度 l 与螺杆中径 之比,整体式为 1.2 到 1.5,部分式为 2.52d到 3.5,载荷大、精度和寿命要求高时为 4-许用压强(MPa) (查表)p所以查手册取: MPap,8.02.1mpFd 6534*.2查 GB/T 5796.1-1986 就近取略大点的 。d.022:公称直径 d 和螺距 P查 GB/T 5796.1-1986 可知, P7,43:螺纹的导呈 hZ 为螺纹线数,所以取 Z=1Phm7*14:螺母旋合长度 l: md6.485.0*215:旋合圈数 m: 967.48p6:螺纹工作高度 :)(1hHP5.37.17:螺纹表面工作强度 p: MPamdF18.326.*.8012 所以: p2:验算自锁南昌航空大学科技学院学士学位论文311:螺纹升角 ,代入数据得2*arctn:dPh o14.32:当量摩擦角 : ,查手册取Tcos,tffT5T3:反行程自锁条件: ,所以具有反行程自锁。3:螺杆强度1:螺旋传动的扭矩 T:2:当量mNmNFdT 523.68 76.5143tan*.085.tan0应力 : 式中 为螺纹小径332.0*4d3d所以 md MPa36 ,71.436*2.5884 223 3:强度条件: 查手册可知 ,所以螺杆满足强度条件。Pa8.1564:螺纹牙强度1:螺纹牙低宽度 :梯形螺纹b mPb5.47*6.05.2:剪切(1) 应力 :螺纹mdF23*螺母 b只校验螺母 MPa9.075.4802(2) 强度条件: Pa3:弯曲(1) 应力 :螺杆 bmbdFHb231*南昌航空大学科技学院学士学位论文32螺母 mdbFHb21*3只校验螺母 MPab 61.475.40.80*. (2) 强度条件: MPab65注: 查手册,因为螺母的材料强度通常低于螺杆,因此一般只校验螺b,母螺纹牙的强度。仅在螺杆和螺母材料相同是才校验螺杆的罗纹牙强度。5:螺杆的稳定性1:柔度 :riLwr/*式中 -长度系数,查手册取 4.73-螺杆的最大工作长度(mm)wi-螺杆危险截面的惯性半径(mm) 43di结合模拟转台的设计要求取 650mmwLi=36/4=9mm6.341/650*73.4r2:临界载荷 :F2rEAE-为螺杆材料的弹性模量,钢材的 E=207000MPaA螺杆危险截面的面积, 4*23d所以: NF89.56010*7.22502.41m3:稳定性的符合条件: ,如不满足,应增大螺杆的直径45.0F3d,所以,符合稳定性的要求。8.5690F4:轴向载荷 F 使每个螺纹导程产生的变形量 :F23*4EdPh代入数据计算得 4106.26:螺杆的刚度南昌航空大学科技学院学士学位论文331:转矩 T 使每个螺纹导程产生的变形量 : 其中 G 为螺杆材料的切变T43216dPh模量,钢的切变模量取 ,所以:MPaG4103.8mT 44225.6103.87562:每个螺纹导程的总变形量 : ,当轴向载荷 F 与运动方向相反时取TF+,代入数据得 =2.805 43:单位长度变形量 :44107.61085.2hP所以: ,螺杆刚度合格.5)6(107.47 螺杆横向振动1:临界转速 ,计算公式:0n 212100ELin其中:L螺杆两支承间的距离(mm)-支承系数 查表取 4.731-密度(kg/ );对于钢 ,钢螺杆3m36/108.7mkg23160/.2Ldn所以: in/86.2347in/65/3.40. 2260 rrnL=650mm2:工作转速 n 的校核: 18758.3r/min 满足要求.08.n8:动力计算驱动功率 P(Kw), KwFvTP61310950其中:T螺旋传动中主动件上的转矩(N.mm)n螺旋传动中主动件的转速(r/min)F螺旋传动中移动件的轴向力(N)v螺旋传动中移动构件的线速度(min/s)南昌航空大学科技学院学士学位论文34-从动力源到螺旋传动主动件间的机械效率,取 0.851-螺旋传动的正行程效率,查表取 0.5所以: KWP25.085.0923634.3 螺纹传动动力源的选择从方案设计中可知,动力源选用步进电机.从上面的设计中可得:偏航运动的螺纹传动中螺旋传动中主动件上的转矩为 25368.523N.mm动力源的选择1,电机类型选择因为模拟转台的精度要较高,所以步距角要较小.通用性要较好,安装方便,启动停止容易.所以,选用反应式步进电机.2,步距角的选择,按设计取常用步距角 0.75 度3,选择最大静转矩 ,jmxT5.03anjTmNmNNTj 456.807.743.86175.03268max4,确定运行频率 ,按通常的通用的步进电机的正常运行频率. bynf6,综合以上情况,参考设计手册选用步进电机的型号为 ,该型电75.0/13BF机的主要技术数据如下:相数:3 电压:80/12V电流:6A 步距角:1.5/0.75 度最大静力矩:10N , 空载启动频率;1500 步/Sm运行频率:8000 步/S4.4 偏航部分齿轮机构设计由设计要求推断,微型飞行器模拟转台的工作寿命为 15 年,工作情况为每天工作 4 小时,齿数比 U=1:1,输入功率为 P=100w,小齿轮转速为 n1=350rpm.,1. 选定齿轮精度等级,材料及齿数南昌航空大学科技学院学士学位论文351) 模拟转台为航空用仪器,故选精度等级为 4 级精度等级(GB10095-88)2) 材料选择,结合模拟转台的使用环境(强度不需要太大) ,要使模拟转台结构简单,载荷小,振动小,选用铝合金,在铝合金中选用铝硅合金,代号 ZL107,硬度为 100HBS,加工方法为金属型铸造。热处理方法淬火和完全时效,大齿轮材料为 ZL108,硬度为 85HBS,加工方法为金属型铸造,热处理方法为人工时效。二者硬度相差 15HBS。3) 选择小齿轮齿数为 z1=32,大齿轮齿数为 z2=uz1=1*32=642. 按齿面接触强度设计由设计计算公式(10-9a) (参考文献 3)进行计算,即d1 321*2. HEZudKtT1)确定公式内的各计算数值:(1)试选载荷系数 2.1t(2)计算小齿轮的转矩,查电机表初取小齿轮的转矩为 T1=2500Nmm计算小齿轮的转矩为(3)取齿宽 1d(4)查得常用齿轮材料的弹性影响系数为 ,而夹布塑218.97.143MPaZE胶的弹性影响系数为 ,所以取 ZL107 的弹性影响系数为24.56MPaZE2180MPaZE(5)因常用齿轮材料的接触疲劳强度极限 ,因铝合金的PaH165021lim小性能比常用齿轮材料要差,结合常用齿轮材料的接触疲劳强度极限表,初取 小齿轮的接触疲劳强度极限 ;大齿轮的接触疲劳M1li强度极限 MPaH102lim(6)计算循环次数81 10*3.)65*4(3.6*0hjLnN8812 10.2./u南昌航空大学科技学院学士学位论文36(7)取疲劳寿命系数 90.1HNK94.02HN(8)计算接触疲劳许用应力取失效概率为 1%,安全系数 S=1,由式 10-12(参考文献 3 P203)得:MPasKHNH 9510*95.82.2lim21li1 2)计算(1)试算小齿轮分度圆直径 ,代入 中较小的值td1Hm mZudTKdHEtt14.32 9580*4125.*3.* 2321 (2)计算齿宽mdbt 14.32.*1(3)计算齿宽与齿高比 hb模数 zmtt 0.32.1齿高 mt 6.5.04.25.6.3hb(4)计算载荷系数根据 ,4 级精度,取动载荷系数 ;smv08.1 1.vK直齿轮,假设 。初选mNbFKtA10;2.aH取使用系数 ;A由表
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