SMC2-187型摆线针轮行星传动的设计【含CAD图纸、PROE三维】
SMC2-187型摆线针轮行星 传动的设计,答辩内容介绍,开发背景介绍总体设计参数设计,受力分析及强度校核三维造型设计 设计总结,开发背景介绍,摆线针轮行星传动的系统的开发意义小型及微型机械作为一种节能、低耗和技术密集型的高新技术,已成为人们在小型及微型范围内认识和改造普通机械传动的一种新型工具。现今已收到工业发达国家及发展中国家科技界、产业界及政府部门的广泛重视,并已投入了大量的人力和财力进行研究开发,并取得了很好的经济效益。,开发背景介绍,摆线针轮行星传动的系统国内外发展现状 欧美等工业发达国家政府为了满足未来经济和社会发展的需要,利用军事技术等方面的优势,已将小型及微型机电系统作为战略性的研究领域之一 。 我国小型及微型系统研究起步也不晚,已经建立了一些较为先进的基础实验设施,并在基础研究和相关技术方面取得了一些有特色的成果,有些已经达到国际先进水平。,总体设计,摆线针轮行星传动,通常是由一个针轮、一个系杆和一个传递摆线轮自转的偏心输出机构所构成。由于摆线轮与针轮的齿数通常相差为一个齿,所以称为一齿差摆线针轮行星传动。它主要由转臂、摆线轮、针轮和输出机构四部分组成。,二级超小型摆线针轮行星 传动减速器的结构图,二级超小型摆线针轮行星 传动减速器二维装配图,1、输出法兰II,13摆线轮I,12、针齿I,11、摆线轮I,10、中间支撑,9、针齿II,8、摆线轮II,7、外壳,6、偏心体,5、微型轴承,4、微型轴承,3、微型轴承,2、端盖,三维造型设计,三维造型设计,参数设计,一级摆线针轮行星传动可以实现传动比范围为11至119。当传动比小于17时,可以根据要求采用二齿差结构,传动比大于等于43时,针齿可以采用抽齿结构。两级小型摆线针轮行星传动减速器的外形尺寸和一级传动相比较体积并没有增加多少,而输出转速又可以达到用户的需要,减速比从121到14161之间均可以实现。,一级传动参数设计,首先要确定摆线轮上柱销直径,柱销的直径由柱销的弯曲强度条件决定,在这里粗取柱销的直径为1.5mm 则输出法兰上柱销孔的直径:2.5mm 输出机构柱销孔中心圆直径:16mm 取柱销个数为6个 摆线轮齿顶圆半径11.5mm 摆线轮齿根圆半径10.5mm,二级传动参数设计,首先要确定摆线轮上柱销直径,柱销的直径由柱销的弯曲强度条件决定,在这里粗取柱销的直径为1.5mm 则输出法兰上柱销孔的直径:2.2mm 输出机构柱销孔中心圆直径:16.5mm 取柱销个数为6个 摆线轮齿顶圆半径11.85mm 摆线轮齿根圆半径11.15mm,受力分析及强度校核,设计超小型两级摆线针轮行星传动减速器时,为了确定齿面的接触强度、输出机构销轴的弯曲强度和转臂轴承的寿命等,都需要计算摆线轮上所受的力,以保证机器的正常使用。 同时设计超小型两级摆线针轮行星传动减速器时,既要保证减速器的尺寸尽量小,结构紧凑,又要保证有足够的强度,因此必须 对主要零件进行强度校核。,受力分析,摆线轮在工作中主要受三种力:内齿轮圆弧齿廓与摆线轮轮齿啮合的作用力;输出机构销孔对摆线轮的作用力;转臂轴承对摆线轮的作用力。 除了受接触变形影响意外,还受制造误差、啮合间隙等的影响。为了便于分析,假定传动中没有装配间隙,不考虑摩擦因素等。,强度校核,为了减小传动件的尺寸,摆线轮常用轴承钢GCr15、GCr15SiMn,表面硬度HRC6064,针齿销、柱销及柱销套采用GCr15,表面硬度HRC5862。 摆线针轮行星传动中,各主要件的实效形式有:摆线轮齿与针齿表面的疲劳点蚀和胶合;输出机构柱销与针齿销的弯曲折断,转臂轴承的疲劳点蚀等。,受力分析与强度校核计算程序界面图,一级传动受力分析与 强度校核程序计算结果图,一级传动受力分析与 强度校核程序计算结果图,三维造型设计,三维实体造型可以将用户的设计思想以最真实的模型在计算机上表现出来。在前面的设计中,已经确定了超小型两级摆线针轮行星传动减速器的主要构件、形状和尺寸,为了验证零部件设计的正确性,我利用了国际上流行的工程软件Pro/ENGINERER 3.0对所涉及的减速器零部件进行三维实体造型,并装配出整机模型,最后将三维零件图和装配图转化为二维的CAD工程图。,摆线轮I ProE三维造型图,摆线轮II ProE三维造型图,端盖 ProE三维造型图,输出法兰 I ProE三维造型图,输出法兰 II ProE三维造型图,偏心体 ProE三维造型图,箱体 ProE三维造型图,转臂轴承 ProE三维造型图,针齿I ProE三维造型图,针齿II ProE三维造型图,设计总结,本课题主要研究两级超小型摆线针轮行星传动减速器的设计,本人在分析现有机械传动的基础上,并对超小型摆线针轮行星传动减速器结构、原理进行学习、理解的基础上,重新进行超小型摆线针轮行星传动减速器结构的设计,通过几何参数设计和强度校核,达到了本课题的要求。,再 见,2008年6月,摘 要本文在对新型超小型摆线针轮行星传动减速器的基本结构进行分析的基础上,确定了齿形参数和结构尺寸的选择方法。在转臂轴承的选用上,采用结构尺寸较小的微型轴承代替常规摆线针轮行星减速器中的无外圈圆柱滚子轴承的传统结构。把传统的摆线针轮行星传动系统受力分析和强度校核理论,应用于这种两级超小型摆线针轮行星传动减速器的受力分析和强度校核,同时对其转臂轴承的寿命进行了精确的计算。根据现有的理论知识基础,加上大量相关资料的阅读,设计了这种超小型两级摆线针轮行星传动减速器,确定了主要结构参数。采用 Pro/E 工程软件进行三维实体造型,并转化为二维 CAD 工程图。关键词:超小型摆线针轮行星传动 摆线针轮行星传动减速器 三维造型1ABSTRACTBased on analyzing the basic construction of new micro cycloidal speed reducer, this text make sure the choice method of construction dentiform parameter and construction size. As far as the choice of the arm bearings, I used miniature bearing with small size to replace the cylinder roller bearing which has no periphery and is used in traditional cycloidal drives.According to the traditional cycloidal drives force analysis with strength checkout, I applied the theories of micro cycloidal drives series force analy-sis with strength checkout, At the same time I accurately calculated the life of the arm bearings.According to some subsistent theories research, I designed a kind of micro second class cycloidal speed reducer, and fixed on the main parameter. Engineering software of forerunner I adopted advanced engineering software - the Pro/E to proceed three-dimensional entity the shape then conversed them to the two-dimensional engineering diagram. And use CAD to edit the two-dimensional engineering diagram to be better.Key words: Micro cycloidal drivers Micro cycloidal speed reducer Three-dimensional entity shape2本科生毕业设计说明书(毕业论文)题 目: 学生姓名: 学 号:专 业: 3目 录第一章 绪论 .11.1 概述 .11.2 国内外发展现状 .11.3 课题研究内容 .2第二章 设计方案 .32.1 结构简介 .32.2 机构分析 .32.3 总体方案设计 .6第三章 参数设计 .83.1 引言 .83.2 原始依据 .83.3 参数设计 .83.3.1 电动机的选择 .83.3.1 一级传动参数设计 .83.3.2 二级传动参数设计 12第四章 受力分析及强度校核 164.1 引言 164.2 受力分析164.2.1 计算初始啮合间隙 164.2.2 判定摆线轮与针轮同时啮合的齿数 174.2.3 修正齿形摆线轮与针齿啮合时的受力分析 174.2.4 输出机构的柱销作用于摆线轮上的力 184.2.5 转臂轴承的作用力 184.3 强度校核194.3.1 齿面接触强度计算 194.3.2 输出机构圆柱销的强度计算 204.3.3 转臂轴承寿命计算 204.4 计算结果分析20第五章 三维造型设计 235.1 引言235.2 Pro/E 简介 235.3 Pro/ENGINEER 参数式设计的特征.235.4 三维实体造型24结论 .29谢 辞 .30参考文献 .31附 录 .324第一章 绪论1.1 概述近几年,小型及微型机械作为一种节能、低耗和技术密集型的高新技术,已成为人们在小型及微型范围内认识和改造普通机械传动的一种新型工具,由于小型及微型机械具有超小外形、操作尺度极小和传动精度高的特点,所以,小型及微型机械现已被列入”今后十年工业科技大改观的关键技术之一” ,现今已收到工业发达国家及发展中国家科技界、产业界及政府部门的广泛重视,并已投入了大量的人力和财力进行研究开发,并取得了很好的经济效益。1.2 国内外发展现状欧美等工业发达国家政府为了满足未来经济和社会发展的需要,利用军事技术等方面的优势,已将小型及微型机电系统作为战略性的研究领域之一,纷纷投入巨资进行专项研究。美国国家自然科学基金。先进研究计划中心。国防部等投资 1.4 亿美元进行小型及微型机电系统(MEMS)技术研究,美国国家自然科学基金会预言:小型及微型机械将成为新兴的大规模产业,将能引起一场新的产业革命。美国的大学、国家实验室和公司已有大量的 MEMS 研究小组,并有几种实用化的 MEMS 产品进入市场。欧共体为了加强各国之间的组织和合作,成立了多功能小型及微型系统研究合作机构(NEXUS)组织。德国制定微机械系统技术计划,并发展了一种用于小型及细微加工的 LIGA 技术。我国小型及微型系统研究起步也不晚,已经建立了一些较为先进的基础实验设施,并在基础研究和相关技术方面取得了一些有特色的成果,有些已经达到国际先进水平。2002 年,国家投入数亿元人民币进行 MEMS 研究与开发,逐步建立起我国 MEMS 研发体系和产业化基地,提高我国在 MEMS 领域的核心竞争力,为推动 MEMS 的可持续发展和产业化打下良好的基础,并在某些方面进入国际领先水平,随着中国经济的高速发展,在航天小型及微型技术、生物医学工程等领域,比如:微型传感器、小型及微型执行机构、超小动力传递系统、手术机器人关节驱动等系统的应用越来越广泛在家电产品、汽车附件、办公设备、住宅设备、高级玩具等自动化、智能化等方面的要求也日趋提高,功率为几瓦到几十瓦的减速器应用场合越来越多。在日本,住友重机株式会社每年生产大量的小型摆线针轮减速器用于如复印机、银幕卷动机、窗帘自5动收放机以及高级电动玩具等小型及微型场合。可以预见,随着计算机技术、网络技术的进一步发展,随着人口老龄化趋势对自动化、智能化要求的加强,家用的小型及微型减速器的应用也将会大为提高。小型摆线针轮行星传动减速器,不仅具有结构紧凑、传动比范围大、寿命长等摆线传动的特点,而且具有重量轻、震动噪声低、价格低廉以及外表美观等特点,可以把小型摆线针轮行星传动减速器的使用空间拓宽到家用和商用的广阔领域。目前已获得日益广泛使用的行星传动机构是动力传递机构之一,行星齿轮传动机构使用了多个行星轮来进行功率分流,从而有效地提高了其承载能力,同时还具有良好的同轴性。多年来,人们一直把行星传动机构看作是一种结构紧凑、质量小、体积小,且能传递较大扭矩的传动机构,当然,这是将它与普通的齿轮传动机构相比较而言。近几年,随着细微加工技术的出现和发展,这方面的研制工作已取得了长足的进步。1.3 课题研究内容本课题以研究超小型摆线针型行星传动减速器为主要目标,了解国内外的行星传动技术,以及发展方向。掌握传统型针摆传动的工作原理,根据当前掌握知识及学习分析并确定 SMC2-187 型摆线针轮行星传动的整体设计。1)分析并确定 SMC2-187 型摆线针轮行星传动减速器的总体结构,完成方案设计和结构分析。2)通过进行理论分析和设计计算,合理选择 SMC2-187 超小型摆线针轮行星传动减速器结构参数及几何参数。3)编程进行受力分析及强度校核。4)采用 Pro/E 工程软件,绘制该机型摆线针轮行星减速器的三维造型。5)将 Pro/E 三维图转化为二维工程图,并通过 AUTOCAD 完善工程图。6第二章 设计方案2.1 结构简介摆线针轮行星传动,通常是由一个针轮、一个系杆和一个传递摆线轮自转的偏心输出机构所构成。由于摆线轮与针轮的齿数通常相差为一个齿,所以称为一齿差摆线针轮行星传动。它主要由转臂、摆线轮、针轮和输出机构四部分组成。摆线针轮行星传动与其他传动相比较具有如下特点:1)传动比范围大,单级摆线针轮行星传动传动比为 11-119,这要比普通机械传动的传动比范围大的多,两级摆线针轮行星传动的传动比为 121-14161,如果多级传动,则传动比更大。2)同时啮合齿数多,理论上啮合齿数可以有总齿数的二分之一,运转平稳,传递扭矩大。3)传动效率高,由于是滚动接触,所以摩擦损失小,所以传动效率要比其他传动要高一些。4)结构紧凑,体积小,重量轻。2.2 机构分析通用摆线针轮行星传动结构中,常采用两片相同的摆线轮,布置成偏心相差结构,输出采用传动的销轴式 W 机构股体积明显偏大。与通用摆线针轮行星传动180相比,小型摆线针轮行星传动由于其使用场合的特殊性,要求他体积小、重量轻,并具有较强扭矩传递能力。本课题研究的超小型两级摆线针轮行星传动减速器,要求具有极小的轴向尺寸,并能实现大传动比的传动,其次该减速器的驱动具有稳定大扭矩输出的特性,针对这些要求,本课题结合通用摆线针轮行星传动减速器具有传动比大、输出扭矩大、效率高、运转平稳的特点,综合其传动优势,决定采用两级摆线针轮行星传动。根据超小型两级摆线针轮行星传动减速器的特殊要求,重新进行了结构设计,具体技术措施如下:1)单级摆线针轮由两片减少到一片,从而达到减小减速器体积的目的。2)根据相对运动原理,人为地将输出柱销从原来的输出轴上移动到摆线轮上,并取消柱销套,而销孔则设计在输出轴上,这样设计即有利于零件的加工,又有利于整体结构的合理布置。7超小型摆线针轮行星传动减速器结构如图 2-1 所示图 2-1 二级超小型摆线针轮行星传动减速器的结构图3)内齿针齿轮取消针齿结构形式,采用圆弧齿廓,这样可以保证细微加工精度,减少零件累计误差,便于一次成型。由于和通用的摆线针轮行星传动减速器相比,采用圆弧齿廓内齿轮结构,即针齿和针齿壳做为一体,和传统的二支点,三支点结构相比,可以完全避免圆弧内齿廓的弯曲破坏和弯曲刚度过低引起的破坏。由于取消了针齿套,所以传动效率稍有降低。另外,由于取消了针齿套,圆弧内齿廓可以做的更小,可以避免摆线针轮齿廓的干涉。针齿轮结构如图 2-2 所示图 2-2 二级超小型摆线针轮行星传动减速器针齿轮的结构图84)由于传动部分所占重量比例不大,因此增加了和电动机直接相连的壳体,壳体内安装齿轮和其他部分。5)超小型摆线针轮行星传动减速器其他主要零件三维造型图如图 2-3 至图 2-5 所示图 2-3 二级超小型摆线针轮行星传动减速器摆线轮的结构图图2-4 二级超小型摆线针轮行星传动减速器法兰的结构图9图 2-5 二级超小型摆线针轮行星传动减速器摆线轮的结构图2.3 总体方案设计根据上述对超小型两级传动摆线针轮行星传动减速器的结构分析,初步绘制出超小型两级摆线针轮行星传动减速器的传动简图,如图 2-6 所示图 2-6 二级超小型摆线针轮行星传动减速器传动简图二维装配图参见图 2-7,主要由下面 13 个部分10图 2-7 二级超小型摆线针轮行星传动减速器二维装配图1、输出法兰 II 2、端盖 3、微型轴承 4、微型轴承 5、微型轴承 6、偏心体7、外壳 8、摆线轮 II 9、针齿 II 10、中间支撑 11、摆线轮 I、12、针齿 I13 摆线轮 I三维装配图如图 2-8 所示图 2-5 二级超小型摆线针轮行星传动减速器三维装配图11第三章 参数设计3.1 引言一级摆线针轮行星传动可以实现传动比范围为 11 至 119。当传动比小于 17 时,可以根据要求采用二齿差结构,传动比大于等于 43 时,针齿可以采用抽齿结构。两级小型摆线针轮行星传动减速器的外形尺寸和一级传动相比较体积并没有增加多少,而输出转速又可以达到用户的需要,减速比从 121 到 14161 之间均可以实现。由于电机尺寸较小,电机的输出转速比较大而用户要求减速后输出的转速较小,因此在工程使用上,两级传动的应用更为普遍。本课题是设计传动比为 187 的二级超小型摆线针轮行星传动减速器。3.2 原始依据针齿中心圆半径 =12.5传动比 i=17113.3 参数设计3.3.1 电动机的选择选择 XJR-385S-16140 型电机,如表 3-1 所示表 3-1 XJR-385S-16140 型电机性能参数表电压(V) 空载 最大效率下 制动工作范围额定电压转速rpm电流A转速rpm电流A力矩g.cm功率W效率%力矩g.cm9-18 12 4720 0.071 3830 0.31 55.6 3.60 59.2 297输入轴功率 =3.60=0.0036输入轴转速 =3830/输入轴转矩=9549000 95490000.00363830 9.89123.3.1 一级传动参数设计1.设计齿形参数:传动比 =11摆线轮和针轮要实现连续正确地啮合,两轮节圆上的齿距必须相等。摆线轮的实际齿廓在其节圆上对应的弧长成为摆线轮的节圆齿距,以 表示,有:=2()=2摆线轮的齿数 为:=2 =22=针轮相应的齿数 为:=2 =22=其中 代入得:=+=+ =+1所以采用一齿差结构摆线轮齿数 =|=11针齿齿数 =+1=11+1=12计算输出轴转矩=9549000=其中 为传动效率,可取 0.94 0.96所以=95490000.00363830110.94=92.8073初选摆线短幅系数 以偏心距1 a短幅系数 荐用值见表 3-21表 3-2 短幅系数 荐用值表1 11 1323 2559 61871 0.420.55 0.480.65 0.550.74 0.540.67初取 1=0.47=12.5=1 =0.4712.512 =0.49对 取整,取 并反求a a=0 50 mm 113则1= =0.501212.5=0.48计算摆线轮节圆半径 =0.5011=5.5计算针轮节圆半径 =0.5012=6计算滚圆半径 与基圆半径 由于 +=1所以可得:=1=1 =0.500.48=1.0417=11=1=5.50.48=11.4583计算啮合齿距 =2=21=21=20.500.48=6.54确定针齿半径 首先计算摆线轮啮合曲线的最小曲率半径 0因为: 1=0.48 221= 1222121=0.43482211002002003003004004006 8 10 12 12由于 m,所以取柱销个数为 个=25 =6验算输出法兰上的销孔壁厚 ,见图 3-1 所示,保证最小壁厚不小于1 、 2 、 3=0.03=0.0312.5=0.375初选 法 兰 =121=法 兰 22=121622.52=2.752=2=85.52.52=1.253=2sin180=28sin1806 2.5=5.5图 3-1 示意图1、2、33.3.2 二级传动参数设计输入轴转矩 =92.811.设计齿形参数:传动比 =17摆线轮和针轮要实现连续正确地啮合,两轮节圆上的齿距必须相等。摆线轮的实际齿廓在其节圆上对应的弧长成为摆线轮的节圆齿距,以 表示,有:=2()=2摆线轮的齿数 为:=2 =22=针轮相应的齿数 为:=2 =22=其中 代入得:=+16=+ =+1所以采用一齿差结构摆线轮齿数 =|=17针齿齿数 =+1=17+1=18计算输出轴转矩=9549000=其中 为传动效率,可取 0.94 0.96所以 =92.81170.94=1483.1038 初选摆线短幅系数 以偏心距 a1短幅系数 荐用值见表 3-61表 3-6 短幅系数 荐用值表1 11 1323 2559 61871 0.420.55 0.480.65 0.550.74 0.540.67初取 1=0.50=12.5=1 =0.5012.518 =0.35对 取整,取 并反求a a=0.40 mm 1则1= =0.401812.5=0.58计算摆线轮节圆半径 =0.4017=6.8计算针轮节圆半径 =0.4018=7.2计算滚圆半径 与基圆半径 由于 =1所以可得:17=1=1 =0.400.58=0.6897=11=1=6.80.58=11.7241计算啮合齿距 =2=21=21=20.400.58=4.33确定针齿半径 首先计算摆线轮啮合曲线的最小曲率半径 0因为: 1=0.58 221= 1822181=0.45712211002002003003004004006 8 10 12 12由于 ,所以取柱销个数为 个=25 =6验算输出法兰上的销孔壁厚 ,见图 3-2 所示,保证最小壁厚不小于1 、 2 、 3=0.03=0.0312.5=0.375初选 法 兰 =121=法 兰 22=121722.22=2.42=2=8.55.52.22=1.93=2sin180=28.5sin1806 2.2=6.319第四章 受力分析及强度校核4.1 引言设计超小型两级摆线针轮行星传动减速器时,为了确定齿面的接触强度、输出机构销轴的弯曲强度和转臂轴承的寿命等,都需要计算摆线轮上所受的力,以保证机器的正常使用。同时设计超小型两级摆线针轮行星传动减速器时,既要保证减速器的尺寸尽量小,结构紧凑,又要保证有足够的强度,因此必须 对主要零件进行强度校核。摆线针轮行星传动中标准的摆线轮和针齿啮合时没有间隙,理论上有半数针齿与摆线轮同时啮合传力,但实际上,为了补偿尺寸链误差、保持合理的侧隙便于润滑、保证拆装方便,更为了获得传动所需要的合理齿廓,对标准的摆线轮必须进行修形,修形后的实际摆线轮要比理论摆线轮少小些,本设计采用正等距+负移距的组合修形方法对摆线轮进行修形。移距修形量=1211 121等距修形量= 1 1214.2 受力分析摆线轮在工作中主要受三种力:内齿轮圆弧齿廓与摆线轮轮齿啮合的作用力;输出机构销孔对摆线轮的作用力;转臂轴承对摆线轮的作用力(作用力中一般不计摩擦力) 。由于摆线轮与内齿轮在啮合传动过程中是多齿啮合,因此,摆线轮轮齿与各圆弧齿廓之间、以及摆线轮上柱销与输出机构上销孔之间的载荷分布较复杂。除了受接触变形影响意外,还受制造误差、啮合间隙等的影响。为了便于分析,假定传动中没有装配间隙,不考虑摩擦因素等。4.2.1 计算初始啮合间隙当摆线轮齿兼有等距修形与移距修形时,各对轮齿沿待啮合点法线方向的初始间隙,可按式(4-1)计算。20()=(11cos 121 sin)1+2121cos +(1 sin1+2121cos)式 4-1式中 为第 个针齿相对于转臂的转角 。 为短幅系数。 i 14.2.2 判定摆线轮与针轮同时啮合的齿数输出轴的最大瞬时许用转矩为 =1.6在标准齿形摆线轮与针轮处于理论上的无隙啮合时,同时啮合的齿数约为摆线轮齿数的一半。其中受力最大的齿为处于或最接近于 处的一对齿,所有受力 可0=cos1 按式(4-2 )计算。= 41 式 4-2若摆线轮齿形经过修正,与针轮处于有隙啮合状态,并且在 处只一cos1对齿啮合时,则作用力可按式(4-3)计算。= 式 4-3利用式(4-4 4-6),分别求出 与 作用时,受力最大的这对齿在接触点公法 线方向的总的接触变形 表示为 与 。 = 式 4-4=2(12) (23+16|2 ) 式 4-5=4.991032(12) 2|+ 式 4-6其中, 为摆线轮与针轮齿材料的泊松比,二者材料相同均为 GCr15, 。 =0.3为摆线轮与针轮齿材料的弹性模量,二者材料均为 GCr15, 。 E =2.06105 为摆线轮在 处的齿廓曲率半径,由式 =0=cos1此处 为正时表示该处齿廓内=0= (1+2121cos0)321(+1)cos0(1+21)+ =0凹,为负是表示该处齿廓外凸。按式(4-7 ) ,分别算出由 与 引起的摆线轮其他各齿沿接触点公法线或待啮合点法线方向位移 与 。 21= sin1+2121cos 式 4-74.2.3 修正齿形摆线轮与针齿啮合时的受力分析由于实际的 必须在 与 之间,故取二者之平均值,作为用迭代逐次逼 近法,求 是的初始值 , 按式(4-8)计算 00=12(+)式 4-8以之带入式(4-4 4-6)求出 。 0再以 之值带入式(4-9)求出 。0 1= =()= 0.55=()式 4-9其中, 为输出轴上作用的转矩 。 为第 齿接触点的公法线到摆线轮中心T i的距离,可按式(4-10)计算 。 为摆线轮的节园半径, 。 为第mm = ()齿处的初始间隙,可按式(4-1)计算 。i mm=sin= sin1+2121cos 式 4-10若 ,则应继续进行迭代逼近计算。本课题的受力分析用|10|1%1计算机编程进行计算,将计算精度提高至要求 。经过 次迭|10|1%1n代计算,即得到准确的结果 。=12( ()+ (1)4.2.4 输出机构的柱销作用于摆线轮上的力各柱销对摆线轮作用力总和为=4 式中 为一片摆线轮所传递的转矩 。 为柱销中心园的半径 。 N 摆线轮对柱销的最大作用力为=4 式中 为输出机构柱销数4.2.5 转臂轴承的作用力转臂轴承对摆线轮的作用力,必与啮合的作用力及输出机构柱销对摆线轮的作用22力平衡。轴方向的分力总和为=1轴方向的分力总和为y=cos转臂轴承对摆线轮的作用力为= =2+(=)2P 与 x 轴间夹角为=tan(=)4.3 强度校核为了减小传动件的尺寸,摆线轮常用轴承钢 GCr15、 GCr15SiMn,表面硬度HRC60 64,针齿销、柱销及柱销套采用 GCr15,表面硬度 HRC58 62。摆线针轮行星传动中,各主要件的实效形式有:摆线轮齿与针齿表面的疲劳点蚀和胶合;输出机构柱销与针齿销的弯曲折断,转臂轴承的疲劳点蚀等。4.3.1 齿面接触强度计算实践表明,摆线轮和针齿齿面的失效形式是疲劳点蚀和胶合,针齿销和针齿套有时也发生胶合。啮合齿面的接触应力、滑动速度、润滑情况以及零件的制造精度,都是影响齿面产生疲劳点蚀和胶合的因素。为了防止产生点蚀和减少生产胶合的可能性,应进行摆线轮齿与针齿间的接触强度计算。根据赫兹公式,齿面接触应力按式(4-11)计算=0.418 式 4-11式中 为针齿与摆线轮齿在某一位置啮合中的作用力,由式(4-12)计算 。 为当量弹性模量 ,因为摆线轮的弹性模量 与针齿的弹性模量 均=2121+2 1 2为钢的弹性模量,故 。 为摆线轮的宽度,通常=1=2=2.06105 。=(0.10.15) 为当量曲率半径, 可按式(4-13)计算 。 式 4-12 =() 23式 4-13 =| 式中 为摆线轮在某啮合点的曲率半径, 可按式(4-14)计算 式 4-14 =0+= (1+2121cos)321(+1)cos(1+21)因摆线轮齿在不同点啮合时, 与 的值也不同,故用式( 4-11)进行强度验算 时,应取 中的最大值 代入,即用下式验算(=) ()=0.418() 式中 为许用接触应力,材料为 GCr15 的针齿和摆线轮,硬度为 HRC58 62时,单级减速器 ,对于双级减速器的低速级,因为速度低,动=1000 1200 载荷小, 。=1300 1500 4.3.2 输出机构圆柱销的强度计算输出机构圆柱销的受力情况相当于一悬臂梁,在 作用下,圆柱销的弯曲应力为=323(1.5)0.13将 代入,得=4 40(1.5)324(1.5)3设计时,此式可化为324(1.5)式中 为圆柱销数目。 为输出轴上作用的转矩 。 为转臂轴承的宽度 。 为制造和安装误差对销轴载荷影响系数, ,精度低时取大值,mm =1.35 1.5反之取小值。 为许用弯曲应力,当圆柱销采用 GCr15 时, 。 =150 500 4.3.3 转臂轴承寿命计算转臂轴承寿命计算公式为=10610360|+|其中 为转臂轴承的额定动载荷。244.4 计算结果分析根据以上分析及计算,得到满足各个强度指标、工作寿命指标的超小型两级摆线针轮行星传动减速器的基本参数,如表 4-1、4-2 所示。表 4-1 超小型两级摆线针轮行星传动减速器的一级传动基本参数 (单位 )mm参数 针齿中心圆半径针齿半径 中心距 柱销中心圆半径柱销直径 摆线轮宽度符号 值 12.5 1.5 0.5 8 11 1.875表 4-2 超小型两级摆线针轮行星传动减速器的二级传动基本参数 (单位 )mm参数 针齿中心圆半径针齿半径 中心距 柱销中心圆半径柱销直径 摆线轮宽度符号 值 12.5 1 0.4 8.5 11 1.875根据上文的受力分析和强度校核公式,专门编写计算程序见附录,程序界面如图4-1 所示图 4-1 受力分析与强度校核计算程序界面图程序内部存储了本设计的一、二级传动计算参数,当您点击一级参数按钮时,程序会自动输入本课题的一级参数数据,当您再次点击确定按钮时,本程序就可以计算出如上图中的计算参数中的各个数据。并跟据相应的数据判断本级传动的强度及寿命是否满足工作需要。您还可以通过点击自定参数按钮,输入您要计算的单级传动参数,来计算您的设计是否满足要求。本设计所计算出来的一、二级传动受力分析与强度校核参数如图 4-2、4-3 所示。25图 4-2 一级传动受力分析与强度校核程序计算结果图图 4-3 一级传动受力分析与强度校核程序计算结果图26第五章 三维造型设计5.1 引言三维实体造型可以将用户的设计思想以最真实的模型在计算机上表现出来。在前面的设计中,已经确定了超小型两级摆线针轮行星传动减速器的主要构件、形状和尺寸,为了验证零部件设计的正确性,我利用了国际上流行的工程软件 Pro/ENGINERER 3.0 对所涉及的减速器零部件进行三维实体造型,并装配出整机模型,最后将三维零件图和装配图转化为二维的 CAD 工程图。5.2 Pro/E 简介Pro/ENGINEER 是美国 PTC 公司的标志性软件,该软件将设计和生产过程集成在一起,让所有的用户同时进行同一产品的设计制造工作。自 1988 年问世伊始,即引起CAD/CAE/CAM 届的极大震动,在短短的十几年间已经成为全世界及中国地区最普及的 3D CAD/CAM 软件。它提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关及工程数据再利用等概念改变了 MDA(Mechanical Design Automation)的传统观念,这种全新的概念已成为当今世界 MDA 领域的新标准。Pro/ENGINEER 广泛应用于电子、机械、模具、工业设计、汽机车、自行车、航天、家电、玩具等各行业,可谓是一个全方位的3D 产品开发软件。5.3 Pro/ENGINEER 参数式设计的特征Pro/ENGINEER 独特的参数化设计概念,采用单一数据库的设计,有支持同步设计的功能,它包括了下面几个特征。1.3D 实体模型(solid)3D 实体模型除了可以将用户的思想以最真实的模型在计算机上表现出来外,借助于参数系统(System parameters) ,用户还可以随时计算出产品的真实性,并补足传统面结构,线结构(Wireframe)的不足。用户在产品设计过程中,可以随时掌握以上重点,设计物理参数,并减少许多人为计算时间。2.单一数据库(Single database )Pro/ENGINEER 可随时由 3D 实体模型产生 2D 工程图,而且自动标注工程图尺寸。不论在 3D 还是在 2D 图形上作尺寸修正,其相关的 2D 图和 3D 实体模型均自动修改,同时组合、制造等相关设计也会自动修改,这样可以确保数据库的正确性,避免反复修正的耗时性。由于采用单一数据库,提供了所谓双向关联性的功能,这种功能也正符合了现代产业中所谓的同步工程(Concurrent engineering)思想。275.4 三维实体造型在超小型两级摆线针轮行星传动减速器中,主要对下述零件进行三维实体造型:摆线轮 I、摆线轮 II、针轮、偏心套、输出法兰 I、输出法兰 II、外壳、中间支撑、微型轴承。以摆线轮 I 为例,其建模过程如下建立摆线针轮齿廓曲线:插入基准曲线从方程完成选取坐标系笛卡尔坐标输入摆线轮齿廓方程完成,就会得到摆线轮的齿廓曲线。利用前面建立的摆线轮齿廓拉伸形成摆线轮实体特征:特征创建加材料拉伸实体完成单侧完成选取 FRONT 面作为草绘平面正向缺省草绘边使用选取摆线轮齿廓曲线完成盲孔完成输入拉伸长度既摆线轮的宽度值完成特征对话框中点击预览、确定。创建摆线轮上柱销特征:特特征创建加材料拉伸实体完成单侧完成选取摆线轮一表面作为草绘平面正向(朝外,如不对可反向)缺省画草绘图完成盲孔完成输入柱销长度 2.5 完成特征对话框中点击预览、确定。mm复制一个柱销特征,以便得到阵列时所需的驱动尺寸,其步骤是:特征复制移动完成选取前一步所画柱销作为复制对象完成完成旋转曲线/边/轴选取摆线轮轴线作为旋转轴按右手定则确定旋转方向(正向)输入旋转角度 60完成特征对话框中点击预览、确定。阵列柱销:特征阵列选取上一步复制出来的柱销作为阵列对象选择一般完成阵列尺寸增量选值,然后选取上一部复制的旋转角度 作为阵列驱动尺寸一输入60尺寸增量值为 一回车一输入阵列数目为 5(不包括第一个柱销)一回车一完成一特60征对话框确定。创建摆线轮内孔特征:特征一创建一实体一孔一选择直孔一输入孔径为 5mm 一深度为穿过所有一主参照选择摆线轮一侧表面一放置类型选择同轴一选择 A1 轴为轴参照一完成创建倒圆角:特征一创建一倒圆角一简单一完成一常数一边链一相切链一选出需要倒角的边链一完成一输入倒圆角半径值一完成一特征对话框中预览、确定。到此,摆线轮 I 三维造型完毕,其效果图见图 6-1 所示,其他零件及装配的三维效果图见图 6-2 6-15。28图 6-1 摆线轮 I ProE 三维造型图图 6-2 摆线轮 II ProE 三维造型图图 6-3 端盖 ProE 三维造型图29图 6-4 输出法兰 I ProE 三维造型图图 6-5 输出法兰 II ProE 三维造型图图 6-6 偏心体 ProE 三维造型图毕业设计调研报告调研报告一、 课题的背景减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置,用来降低转速和增大转矩,以满足工作需要,在某些场合也用来增速,称为增速器。减速器的种类很多,按照传动类型可分为齿轮减速器、蜗杆减速器和行星减速器以及它们互相组合起来的减速器;按照传动的级数可分为单级和多级减速器;按照齿轮形状可分为圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器和圆锥一圆柱齿轮减速器;按照传动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式减速器。减速器的基本构造主要由传动零件(齿轮或蜗杆)、轴、轴承、箱体及其附件所组成。其基本结构有三大部分:1)齿轮、轴及轴承组合;2)箱体;3)减速器附件。行星齿轮传动与普通定轴齿轮传动相比较,具有质量小、体积小、传动比大、承载能力大以及传动平稳和传动效率高等优点,这些已被我国越来越多的机械工程技术人员所了解和重视。由于在各种类型的行星齿轮传动中均有效的利用了功率分流性和输入、输出的同轴性以及合理地采用了内啮合,才使得其具有了上述的许多独特的优点。行星齿轮传动不仅适用于高速、大功率而且可用于低速、大转矩的机械传动装置上。它可以用作减速、增速和变速传动,运动的合成和分解,以及其特殊的应用中;这些功用对于现代机械传动发展有着重要意义。因此,行星齿轮传动在起重运输、工程机械、冶金矿山、石油化工、建筑机械、轻工纺织、医疗器械、仪器仪表、汽车、船舶、兵器、和航空航天等工业部门均获得了广泛的应用。摆线针轮减速机介绍:行星摆线针轮减速机全部传动装置可分为三部分:输入部分、减速部分、输出部分。在输入轴上装有一个错位 180的双偏心套,在偏心套上装有两个称为转臂的滚柱轴承,形成 H 机构、两个摆线轮的中心孔即为偏心套上转臂轴承的滚道,并由摆线轮与针齿轮上一组环形排列的针齿相啮合,以组成齿差为一齿的内啮合减速机构,(为了减小摩擦,在速比小的减速机中,针齿上带有针齿套)。 当输入轴带着偏心套转动一周时,由于摆线轮上齿廓曲线的特点及其受针齿轮上针齿限制之故,摆线轮的运动成为既有公转又有自转的平面运动,在输入轴正转周时,偏心套亦转动一周,摆线轮于相反方向转过一个齿从而得到减速,再借助 W 输出机构,将摆线轮的低速自转运动通过销轴,传递给输出轴,从而获得较低的输出转速。毕业设计调研报告摆线针轮减速机的使用范围:摆线针轮减速机是依照少齿差行星传动原理,摆线针齿啮合实现减 速的一种机械。该机分卧式、立式、双轴型和直联型等装配方式。摆线针轮减速器的主要特点:1、减速比大,效率高:一级传动减速比为 987,双级传动减速比为 1215133,多级组合可达数万,且针齿啮合系套式滚动摩擦, 啮合表面无相对滑动,故一级减速效率达 94%。2、运转平稳,噪音低:在运转中同时接触的齿对数多,重合度大,运转平稳,过载能力强,振动和噪音低,各种规格的机型噪音小。3、使用可靠,寿命长:因主要零件是采用高碳合金钢淬火处理 (HRC58-62),再精磨而成,且摆线齿与针齿套啮合传递至针齿形成滚动磨擦付,磨擦系数小,使啮合区无相对滑动,磨损 极小,所以经久耐用。4、结构紧凑,体积小:与同功率的其它减速机相比,重量体积 小 1/3 以上,由于是行星传动,输入轴和输出轴在同一轴线上, 以获得尽可能小的尺寸。高速比和高效率单级传动,就能达到 1:87 的减速比,效率在 90以上,如果采用多级传动,减速比更大。结构紧凑体积小由于采用了行星传动原理,输入轴输出轴在同一轴心线上,使其机型获得尽可能小的尺寸。运转平稳噪声低摆线针齿啮合齿数较多,重叠系数大以及具有机件平衡的机理,使振动和嗓声限制在最小程度。使用可靠、寿命长因主要零件采用高碳铬钢材料,经淬火处理(HRC5862)获得高强度,并且,部分传动接触采用了滚动摩擦,所以经久耐用寿命长。设计合理,维修方便,容易分解安装,最少零件个数以及简单的润滑,使摆线针轮减速机深受用户的信赖。二、 国内外发展状况世界上一些工业发达国家,如日本、德国、英国、美国和俄罗斯等,对行星齿轮传动的应用,生产和研究都十分重视,在结构优化、传动性能,传动功率、转矩和速度等方面均处于领先地位,并出现一些新型的行星传动技术,如封闭行星齿轮传动、行星齿轮变速传动和微型行星齿轮传动等早已在现代化的机械传动设备中获得了成功的应用。行星齿轮传动在我国已有了许多年的发展史,很早就有了应用。然而,自毕业设计调研报告20 世纪 60 年代以来,我国才开始对行星齿轮传动进行了较深入、系统的研究和试制工作。无论是在设计理论方面,还是在试制和应用实践方面,均取得了较大的成就,并获得了许多的研究成果。近 20 多年来,尤其是我国改革开放以来,随着我国科学技术水平的进步和发展,我国已从世界上许多工业发达国家引进了大量先进的机械设备和技术,经过我国机械科技人员不断积极的吸收和消化,与时俱进,开拓创新地努力奋进,使我国的行星传动技术有了迅速的发展。三、 我国工程机械齿轮传动装置的现状及发展趋势工程机械传动行业属于工程机械的配套件行业,工程机械传动装置大致可以分为三类:(1)齿轮传动装置主要应用于使用要求不高,主机成本较低的部分铲土运输机械,工程起重机械,压实机械和内燃叉车等产品的变速器,驱动桥主传动和轮边减速器,齿轮变速器按其结构形式可以分为定轴式和行星式两类。而驱动桥则可以按其功能分为刚性、转向和贯通式驱动桥。(2)液力传动装置主要用于对使用和主机性能要求较高的铲土运输机械和内燃叉车等产品,其中液力变矩器和动力换挡变速器作为底盘动力传动中的无级变速元件,可以使主机具有良好的自动适应性和操作性能。(3)静液压传动装置主要用于液压挖掘机以及对主机性能要求较高的推土机,装载机,路面机械,压路机和内燃叉车等产品和静液压变速、转向系统和工作装置上,使主机具有良好的无级变速和操作性能。我国机械式齿轮传动装置技术水平较低,具有较大的发展空间。应该大力推广优化设计方法,改进齿轮,轴类,壳体等关键零件的材料与工艺,进一步提高使用寿命,减轻重量,缩小体积;采用先进的换挡元件和换挡方式,努力减轻司机的劳动强度,缩短动力中断时间,提高工程机械的作业效率。国内已经引进的变速器的先进设计和零部件,应该大力推广采用。四、 课题研究的目标本课题以研究超小型摆线针型行星传动减速器为主要目标,了解国内外的行星传动技术,以及发展方向。掌握传统型针摆传动的工作原理,根据当前掌握只是及学习分析并确定 SMC2-121 型摆线针轮行星传动的总体设计,选择适合样毕业设计调研报告机的微型电动机,确定各齿形参数及个零件的尺寸,用 Pro/E 工程软件绘制该机型摆线针轮行星减速器的三维造型,并完成运动仿真。并根据自己在整个学习过程中掌握的知识制作出一套可行的设计方案。五、 课题研究的进度安排毕业设计总共 14 周,大致安排如下:第 1 周 在校图书馆查阅资料,包括机械设计手册,超小型摆线针轮行星传动及其受力分析的研究,行星传动设计等,并完成调研报告。第 2 周 继续查阅有关摆线针轮行星传动方面的资料,掌握针摆行星传动的基本原理,并完成外文翻译。第 3 周 根据任务书的要求分析并确定 SMC2-121 型摆线针轮行星传动的总体结构。第 4 周 根据已知条件,设计计算 SMC2-121 机型的基本参数,包括偏心矩,摆线齿轮数,针齿中心圆半径,柱销直径,柱销套直径,摆线轮齿顶园半径,摆线轮齿根圆半径等。第 5 周 编写摆线轮与针齿间的受力分析程序,上机调试,计算出针齿与摆线轮齿啮合的作用力。第 6 周 编写摆线轮与针齿间的强度校核程序,上机调试,计算出针齿与摆线轮齿间的接触应力,并判断是否满足接触疲劳强度。若不满足重新设计基本参数。第 7 周 编写输出机构受力分析和强度校核程序,上机调试,盐酸转笔轴承寿命。第 8 周 在满足强度的条件下,设计输出法兰、针齿、柱销、柱销套、转臂轴承及偏心体的结构尺寸,并利用 Pro/E 绘制三维零件图,完成虚拟装配图。第 9 周 绘制 SMC2-121 机型的装配图及各零件的零件图。第 10 周 完成个零件的二维零件图,并完成 SMC2-121 机型的运动仿真。第 11 周 撰写毕业论文。第 12 周 修改并完成毕业论文。第 13 周 整理资料,准备答辩。第 14 周 答辩。毕业设计调研报告六、 个人的知识准备、开发能力方面在校期间学习过现代工程图学、工程材料、理论力学、材料力学、机电传动技术、机械原理、机械制造技术基础、机械设计、机械系统设计、等专业课程,除此之外,还自学过 Pro/E、AutoCAD、VB 等软件使用知识。参加过减速器、平面六杆联动机构等的课程设计。七、 参考文献 1 关天民,雷蕾.超小型摆线针轮行星传动减速器参数确定及其绘图软件的开发.机械传动J.2002(4)2 关天民,孙英时. 小型摆线针轮行星传动及其受力分析.机械设计与制造J.20013 徐灏. 机械设计手册M 第三卷二十四篇.机械工业出版社.19924 单丽君,关天民.摆线针轮行星传动动态理论回转误差计算与分析. 机械传动J.20025 程静,孔宪庶. Pro/Engineer Wildfire 三维造型与虚拟装配入门指导. 国防工业出版社.20076 刘学厚,黎巨泉. 行星传动设计.北京工业学院出版社.19887 云杰媒体工作室.Pro/ENGINEER3.0 中文版零件设计高级指南.北京大学出版社.2007s11 Li Lixing,Guan Tianmin .etc. The rational construction and the tooth profil on ccloid disk of large cycloid gearing.Chinese Journal of Mechanical Enginering.Volume 2,Number 1,1989
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