075KW摆线针轮减速机设计.docx
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075KW摆线针轮减速机设计
宁XX大学
设计(论文)
0.75KW摆线针轮减速机设计
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第1章绪论
1.1国内外发展现状
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。
我国摆线针轮减速机研究起步也不晚,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。
1.2课题研究内容
本课题以研究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0.75KW摆线针轮行星传动的整体设计。
1)分析并确定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,合理选择摆线针轮行星传动减速器结构参数及几何参数。
3)进行受力分析及强度校核。
第2章摆线针轮减速器总体设计
2.1摆线针轮减速器的传动原理与结构特点
2.1.1摆线针轮行星传动的传动原理
图所示为摆线针轮行星传动示意图。
其中为针轮,为摆线行星轮,H为系杆,V为输出轴。
运动由系杆H输入,通过W机构由V轴输出。
同渐开线一齿差行星传动一样,摆线针轮传动也是一种K-H-V型一齿差行星传动。
两者的区别在于:
摆线针轮传动中,行星轮的齿廓曲线不是渐开线,而是变态摆线,中心内齿采用了针齿,以称针轮,摆线针轮传动因此而得名。
同渐开线少齿差行星传动一样,其传动比为
.
图2-1摆线针轮减速器原理图
由于=1,故=-,“-”表示输出与输入转向相反,即利用摆线针轮行星传动可获得大传动比。
2.1.2摆线针轮减速器的结构特点
它主要由四部分组成:
(1)行星架H,又称转臂,由输入轴10和偏心轮9组成,偏心轮在两个偏心方向互成。
(2)行星轮C,即摆线轮6,其齿廓通常为短幅外摆线的内侧等距曲线.为使输入轴达到静平衡和提高承载能力,通采用两个相同的奇数齿摆线轮,装在双偏心套上,两位置错开,摆线轮和偏心套之间装有滚动轴承,称为转臂轴承,通常采用无外座圈的滚子轴承,而以摆线轮的内表面直接作为滚道。
近几年来,优化设计的结构常将偏心套与轴承做成一个整体,称为整体式双偏心轴承。
(3)中心轮b,又称针轮,由针齿壳3上沿针齿中心圆圆周上均布一组针齿销5(通常针齿销上还装有针套7)组成。
(4)输出机构W,与渐开线少齿差行星齿轮传动一样,通常采用销轴式输出机构。
图3-2摆线针轮减速器基本结构图
1.输出轴2.机座2.针齿壳4.针齿套5.针齿销6.摆线轮
7.销轴套8.销轴9.偏心轮10.主动轴
图3-2为摆线针轮传动的典型结构
2.1.3摆线针轮传动的啮合原理
为了准确描述摆线形成及其分类,我们引进圆的内域和圆的外域这一概念。
所谓圆的内域是指圆弧线包容的内部范围,而圆的外域是包容区域以外的范围。
按照上述对内域外域的划分,则外摆线的定义如下:
外摆线:
滚圆在基圆外域与基圆相切并沿基圆作纯滚动,滚圆上定点的轨迹是外摆线。
外切外摆线:
滚圆在基圆外域与基圆外切形成的外摆线(此时基圆也在滚圆的外域)。
内切外摆线:
滚圆在基圆外域与基圆内切形成的外摆线(此时基圆在滚圆的内域)。
短幅外摆线:
外切外摆线形成过程中,滚圆内域上与滚圆相对固定的某点的轨迹;或内切外摆线形成过程中,滚圆外域上与滚圆相对固定的某点的轨迹。
长幅外摆线:
与短幅外摆线相反,对外切外摆线而言相对固定的某点在滚圆的外域;对内切外摆线而言相对固定的某点在滚圆的内域。
短幅外摆线与长幅外摆线通称为变幅外摆线。
变幅外摆线变幅的程度用变幅系数来描述,分别称之为短幅系数或长幅系数。
外切外摆线的变幅系数定义为摆杆长度与滚圆半径的比值。
所谓摆杆长度是指滚圆内域或滚圆外域上某相对固定的定点至滚圆圆心的距离。
(2.1——1)
式中 ——变幅系数。
a———外切外摆线摆杆长度
———外切外摆线滚圆半径
对于内切外摆线而言,变幅系数则相反,它表示为滚圆半径与摆杆长度的比值。
(2.1——2)
式中 K1———变幅系数
r2′———内切外摆线滚圆半径
A———内切外摆线摆杆长度
根据变幅系数K1值的不同范围,将外摆线划分为3类:
短幅外摆线0 标准外摆线K1=1; 长幅外摆线K1>1。 变幅外切外摆线与变幅内切外摆线在一定的条件下完全等同。 这个等同的条件是,内切外摆线滚圆与基圆的中心距等于外切外摆线的摆杆长度a,相应地外切外摆线滚圆与基圆的中心距等于内切外摆线的摆杆长度A。 根据这一等同条件,就可以由外切外摆线的有关参数推算出等同的内切外摆线的对应参数。 它们的参数关系参看图3-3。 令短幅外切外摆线基圆半径代号为r1,滚圆半径为r2,短幅系数为K1,则外切外摆线的摆杆长度和中心距可分别表示如下(长幅外摆线的表示形式完全相同): 根据式 (1),摆杆长度a=K1r2; 根据等同条件,中心距A=r1+r2。 按等同条件,上述A又是内切外摆线的摆杆长度,故推算出内外摆线的滚圆半径为r2′=k1A;内切外摆线的基圆半径为 两种外摆线的参数换算关系归纳如表3-1 表3-1 参数名称 主要参数代号 变幅外切外摆线 变幅内切外摆线 基圆半径 滚圆半径 滚圆与基圆中心距 A a 摆杆长度 a A 根据上述结果,很容易推导出等同的两种外摆线基圆半径的相互关系为(2.1——3) 短幅外摆线以基圆圆心为原点,以两种外摆线的中心距和短幅系数为已知参数,以滚圆转角为变量的参数方程建立如下: 在以后的叙述中将滚圆转角律记为,并称之为相位角。 (1)直角坐标参数方程 根据图1,摆线上任意点的坐标为 图3-3短幅外摆线原理图 根据纯滚动原理可知,故,又,于是有,,将与γ的结果代入上述方程, (2.1——4) (2.1——5) 式(2.1——4)与式(2.1——5)是变幅外摆线通用直角坐标参数方程。 若令上两式中的K1=1,即可得标准外摆线的参数方程。 对于外切外摆线,式中的A=r1+r2,a=r2。 对于内切外摆线,式中的A=r2′,A=r2′-r1′。 为了与直角坐标表示的曲线相一致,将Y轴规定为极轴,将极角沿顺时针方向的角度规定为正方向,方程表述如下(参看图3—3): (2.1——6) (2.1——7) 同理,K1=1时,变幅外摆线通用极坐标参数方程变为标准外摆线极坐标方程,参数a和A的变换同上。 当动圆绕基圆顺时针方向作纯滚动时,每滚过动圆的周长2时,动圆上的一点B在基圆上就形成一整条外摆线。 动圆的周长比基圆的周长长p=2-=,当圆上的B点在动圆滚过周长再次与圆接触时,应是在圆上的另一点,而=,这也就是摆线轮基圆上的一个基节p,即(2.1——8) 由此可得摆线轮的齿数为 (2.1——9) 针轮齿数为(2.1——10) 2.1.4摆线轮的齿廓曲线与齿廓方程 由上一节分析,选择摆线轮的几何中心作为原点,通过原点并与摆线轮齿槽对称轴重合的轴线作为轴,见图2-4,针齿中心圆半径为,针齿套外圆半径为。 图2-4摆线轮参数方程图 则摆线轮的直角坐标参数方程式如下: (2.1——11) 实际齿廓方程 (2.1——12) ——针齿中心圆半径——针齿套外圆半径——转臂相对某一中心矢径的转角,即啮合相位角()——针齿数目 2.1.5摆线轮齿廓曲率半径 变幅外摆线曲率半径参数方程的一般表达式为 (2.1——13) 式中 ———变幅外摆线的曲率半径 ———x对的一阶导数, ———y对的一阶导数, ———x对的二阶导数, ———y对的二阶导数, 将式(2.1——4)和式(2.1——5)中x和y分别对取一阶和二阶 导数后代入的表达式得 (2.1——14) 以K1=1代入式(2.1——14),得标准外摆线的曲率半径为=-[4A·a/(A+a)]sin(/2) 式中 A=r1+r2或A=r2′ a=r2或a=r2′-r1′ 由本式可知,标准外摆线≤0,曲线永远呈外凸形状,故它不适于作传动曲线。 以K1>1代入式(2.1——14)进行运算表明,<0,故长幅外摆线也永远呈外凸形状,故它也不适合于用作传动曲线。 以K1<1代入式(2.1——14)进行运算表明,曲率半径呈现出由正值经过拐点到负值的多样性变化。 摆线轮实际齿廓曲线的曲率半径为 =+(2.1——15) 对于外凸的理论齿廓(<0),当>时,理论齿廓在该处的等距曲线就不能实现,这种情况称为摆线齿廓的“顶切”,严重的顶切会破坏连续平稳的啮合,显然是不允许的。 当=时,=0,即摆线轮在该处出现尖角,也应防止,若为正值,不论取多大的值,都不会发生类似现象。 摆线轮是否发生顶切,不仅取决于理论外凸齿廓的最小曲率半径,而且与针齿齿形半径(带针齿套的为套的半径)有关。 摆线轮齿廓不产生顶切或尖角的条件可表示为 (2.1——16) 2.2摆线针轮传动的受力分析 摆线轮在工作过程中主要受三种力: 针轮与摆线轮啮合时的作用力;输出机构柱销对摆线轮的作用力,转臂轴承对摆线轮作用力。 2.2.1针齿与摆线轮齿啮合时的作用力 (1)确定初始啮合侧隙 标准的摆线轮以及只经过转角修形的摆线轮与标准针轮啮合,在理论上都可达到同时啮合的齿数约为针轮齿数的一半,但摆线轮齿形只要经过等距,移距或等距加移距修形,如果不考虑零件变形补偿作用,则多齿同时啮合的条件便不存在,
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