SMC2-187型擺線針輪行星傳動(dòng)的設(shè)計(jì)[三維proe]【11張CAD圖紙】

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目 錄 第一章 緒論 1 1.1概述 1 1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1 1.3課題研究內(nèi)容 2 第二章 設(shè)計(jì)方案 3 2.1結(jié)構(gòu)簡介 3 2.2機(jī)構(gòu)分析 3 2.3總體方案設(shè)計(jì) 6 第三章 參數(shù)設(shè)計(jì) 8 3.1引言 8 3.2原始依據(jù) 8 3.3參數(shù)設(shè)計(jì) 8 3.3.1電動(dòng)機(jī)的選擇 8 3.3.1一級(jí)傳動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì) 8 3.3.2二級(jí)傳動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì) 12 第四章 受力分析及強(qiáng)度校核 16 4.1引言 16 4.2 受力分析 16 4.2.1計(jì)算初始嚙合間隙 16 4.2.2判定擺線輪與針輪同時(shí)嚙合的齒數(shù) 17 4.2.3修正齒形擺線輪與針齒嚙合時(shí)的受力分析 17 4.2.4輸出機(jī)構(gòu)的柱銷作用于擺線輪上的力 18 4.2.5轉(zhuǎn)臂軸承的作用力 18 4.3 強(qiáng)度校核 19 4.3.1齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算 19 4.3.2輸出機(jī)構(gòu)圓柱銷的強(qiáng)度計(jì)算 20 4.3.3轉(zhuǎn)臂軸承壽命計(jì)算 20 4.4 計(jì)算結(jié)果分析 20 第五章 三維造型設(shè)計(jì) 23 5.1 引言 23 5.2 Pro/E簡介 23 5.3 Pro/ENGINEER 參數(shù)式設(shè)計(jì)的特征 23 5.4 三維實(shí)體造型 24 結(jié)論 29 謝　　辭 30 參考文獻(xiàn) 31 附 錄 32  第一章 緒論 1.1概述 近幾年，小型及微型機(jī)械作為一種節(jié)能、低耗和技術(shù)密集型的高新技術(shù)，已成為人們?cè)谛⌒图拔⑿头秶鷥?nèi)認(rèn)識(shí)和改造普通機(jī)械傳動(dòng)的一種新型工具，由于小型及微型機(jī)械具有超小外形、操作尺度極小和傳動(dòng)精度高的特點(diǎn)，所以，小型及微型機(jī)械現(xiàn)已被列入”今后十年工業(yè)科技大改觀的關(guān)鍵技術(shù)之一”，現(xiàn)今已收到工業(yè)發(fā)達(dá)國家及發(fā)展中國家科技界、產(chǎn)業(yè)界及政府部門的廣泛重視，并已投入了大量的人力和財(cái)力進(jìn)行研究開發(fā)，并取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。 1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國家政府為了滿足未來經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的需要，利用軍事技術(shù)等方面的優(yōu)勢(shì)，已將小型及微型機(jī)電系統(tǒng)作為戰(zhàn)略性的研究領(lǐng)域之一，紛紛投入巨資進(jìn)行專項(xiàng)研究。 美國國家自然科學(xué)基金。先進(jìn)研究計(jì)劃中心。國防部等投資1.4億美元進(jìn)行小型及微型機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)研究，美國國家自然科學(xué)基金會(huì)預(yù)言：小型及微型機(jī)械將成為新興的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)，將能引起一場新的產(chǎn)業(yè)革命。美國的大學(xué)、國家實(shí)驗(yàn)室和公司已有大量的MEMS研究小組，并有幾種實(shí)用化的MEMS產(chǎn)品進(jìn)入市場。歐共體為了加強(qiáng)各國之間的組織和合作，成立了多功能小型及微型系統(tǒng)研究合作機(jī)構(gòu)（NEXUS）組織。德國制定微機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)計(jì)劃，并發(fā)展了一種用于小型及細(xì)微加工的LIGA技術(shù)。 我國小型及微型系統(tǒng)研究起步也不晚，已經(jīng)建立了一些較為先進(jìn)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)施，并在基礎(chǔ)研究和相關(guān)技術(shù)方面取得了一些有特色的成果，有些已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平。2002年，國家投入數(shù)億元人民幣進(jìn)行MEMS研究與開發(fā)，逐步建立起我國MEMS研發(fā)體系和產(chǎn)業(yè)化基地，提高我國在MEMS領(lǐng)域的核心競爭力，為推動(dòng)MEMS的可持續(xù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化打下良好的基礎(chǔ)，并在某些方面進(jìn)入國際領(lǐng)先水平，隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，在航天小型及微型技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域，比如：微型傳感器、小型及微型執(zhí)行機(jī)構(gòu)、超小動(dòng)力傳遞系統(tǒng)、手術(shù)機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)等系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛在家電產(chǎn)品、汽車附件、辦公設(shè)備、住宅設(shè)備、高級(jí)玩具等自動(dòng)化、智能化等方面的要求也日趨提高，功率為幾瓦到幾十瓦的減速器應(yīng)用場合越來越多。在日本，住友重機(jī)株式會(huì)社每年生產(chǎn)大量的小型擺線針輪減速器用于如復(fù)印機(jī)、銀幕卷動(dòng)機(jī)、窗簾自動(dòng)收放機(jī)以及高級(jí)電動(dòng)玩具等小型及微型場合?？梢灶A(yù)見，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，隨著人口老齡化趨勢(shì)對(duì)自動(dòng)化、智能化要求的加強(qiáng)，家用的小型及微型減速器的應(yīng)用也將會(huì)大為提高。小型擺線針輪行星傳動(dòng)減速器，不僅具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比范圍大、壽命長等擺線傳動(dòng)的特點(diǎn)，而且具有重量輕、震動(dòng)噪聲低、價(jià)格低廉以及外表美觀等特點(diǎn)，可以把小型擺線針輪行星傳動(dòng)減速器的使用空間拓寬到家用和商用的廣闊領(lǐng)域。 目前已獲得日益廣泛使用的行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)之一，行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使用了多個(gè)行星輪來進(jìn)行功率分流，從而有效地提高了其承載能力，同時(shí)還具有良好的同軸性。多年來，人們一直把行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)看作是一種結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小、體積小，且能傳遞較大扭矩的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，當(dāng)然，這是將它與普通的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相比較而言。近幾年，隨著細(xì)微加工技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，這方面的研制工作已取得了長足的進(jìn)步。 1.3課題研究內(nèi)容 本課題以研究超小型擺線針型行星傳動(dòng)減速器為主要目標(biāo)，了解國內(nèi)外的行星傳動(dòng)技術(shù)，以及發(fā)展方向。掌握傳統(tǒng)型針擺傳動(dòng)的工作原理，根據(jù)當(dāng)前掌握知識(shí)及學(xué)習(xí)分析并確定SMC2-187型擺線針輪行星傳動(dòng)的整體設(shè)計(jì)。 1）分析并確定SMC2-187型擺線針輪行星傳動(dòng)減速器的總體結(jié)構(gòu)，完成方案設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)分析。 2）通過進(jìn)行理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算，合理選擇SMC2-187超小型擺線針輪行星傳動(dòng)減速器結(jié)構(gòu)參數(shù)及幾何參數(shù)。 3）編程進(jìn)行受力分析及強(qiáng)度校核。 4）采用Pro/E工程軟件，繪制該機(jī)型擺線針輪行星減速器的三維造型。 5）將Pro/E三維圖轉(zhuǎn)化為二維工程圖，并通過AUTOCAD完善工程圖。  第二章 設(shè)計(jì)方案 2.1結(jié)構(gòu)簡介 擺線針輪行星傳動(dòng)，通常是由一個(gè)針輪、一個(gè)系桿和一個(gè)傳遞擺線輪自轉(zhuǎn)的偏心輸出機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。由于擺線輪與針輪的齒數(shù)通常相差為一個(gè)齒，所以稱為一齒差擺線針輪行星傳動(dòng)。它主要由轉(zhuǎn)臂、擺線輪、針輪和輸出機(jī)構(gòu)四部分組成。擺線針輪行星傳動(dòng)與其他傳動(dòng)相比較具有如下特點(diǎn)： 1）傳動(dòng)比范圍大，單級(jí)擺線針輪行星傳動(dòng)傳動(dòng)比為11-119，這要比普通機(jī)械傳動(dòng)的傳動(dòng)比范圍大的多，兩級(jí)擺線針輪行星傳動(dòng)的傳動(dòng)比為121-14161，如果多級(jí)傳動(dòng)，則傳動(dòng)比更大。 2）同時(shí)嚙合齒數(shù)多，理論上嚙合齒數(shù)可以有總齒數(shù)的二分之一，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，傳遞扭矩大。 3）傳動(dòng)效率高，由于是滾動(dòng)接觸，所以摩擦損失小，所以傳動(dòng)效率要比其他傳動(dòng)要高一些。 4）結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕。 2.2機(jī)構(gòu)分析 通用擺線針輪行星傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中，常采用兩片相同的擺線輪，布置成偏心相差180°結(jié)構(gòu)，輸出采用傳動(dòng)的銷軸式W機(jī)構(gòu)股體積明顯偏大。與通用擺線針輪行星傳動(dòng)相比，小型擺線針輪行星傳動(dòng)由于其使用場合的特殊性，要求他體積小、重量輕，并具有較強(qiáng)扭矩傳遞能力。本課題研究的超小型兩級(jí)擺線針輪行星傳動(dòng)減速器，要求具有極小的軸向尺寸，并能實(shí)現(xiàn)大傳動(dòng)比的傳動(dòng)，其次該減速器的驅(qū)動(dòng)具有穩(wěn)定大扭矩輸出的特性，針對(duì)這些要求，本課題結(jié)合通用擺線針輪行星傳動(dòng)減速器具有傳動(dòng)比大、輸出扭矩大、效率高、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)的特點(diǎn)，綜合其傳動(dòng)優(yōu)勢(shì)，決定采用兩級(jí)擺線針輪行星傳動(dòng)。根據(jù)超小型兩級(jí)擺線針輪行星傳動(dòng)減速器的特殊要求，重新進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具體技術(shù)措施如下： 1）單級(jí)擺線針輪由兩片減少到一片，從而達(dá)到減小減速器體積的目的。 2）根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，人為地將輸出柱銷從原來的輸出軸上移動(dòng)到擺線輪上，并取消柱銷套，而銷孔則設(shè)計(jì)在輸出軸上，這樣設(shè)計(jì)即有利于零件的加工，又有利于整體結(jié)構(gòu)的合理布置。 超小型擺線針輪行星傳動(dòng)減速器結(jié)構(gòu)如圖2-1所示 圖2-1 二級(jí)超小型擺線針輪行星傳動(dòng)減速器的結(jié)構(gòu)圖 3）內(nèi)齒針齒輪取消針齒結(jié)構(gòu)形式，采用圓弧齒廓，這樣可以保證細(xì)微加工精度，減少零件累計(jì)誤差，便于一次成型。 由于和通用的擺線針輪行星傳動(dòng)減速器相比，采用圓弧齒廓內(nèi)齒輪結(jié)構(gòu)，即針齒和針齒殼做為一體，和傳統(tǒng)的二支點(diǎn)，三支點(diǎn)結(jié)構(gòu)相比，可以完全避免圓弧內(nèi)齒廓的彎曲破壞和彎曲剛度過低引起的破壞。由于取消了針齒套，所以傳動(dòng)效率稍有降低。另外，由于取消了針齒套，圓弧內(nèi)齒廓可以做的更小，可以避免擺線針輪齒廓的干涉。 針齒輪結(jié)構(gòu)如圖2-2所示 圖2-2 二級(jí)超小型擺線針輪行星傳動(dòng)減速器針齒輪的結(jié)構(gòu)圖 4）由于傳動(dòng)部分所占重量比例不大，因此增加了和電動(dòng)機(jī)直接相連的殼體，殼體內(nèi)安裝齒輪和其他部分。 5）超小型擺線針輪行星傳動(dòng)減速器其他主要零件三維造型圖如圖2-3至圖2-5 所示 圖2-3 二級(jí)超小型擺線針輪行星傳動(dòng)減速器擺線輪的結(jié)構(gòu)圖圖 2-4 二級(jí)超小型擺線針輪行星傳動(dòng)減速器法蘭的結(jié)構(gòu)圖 圖2-5 二級(jí)超小型擺線針輪行星傳動(dòng)減速器擺線輪的結(jié)構(gòu)圖 2.3總體方案設(shè)計(jì) 根據(jù)上述對(duì)超小型兩級(jí)傳動(dòng)擺線針輪行星傳動(dòng)減速器的結(jié)構(gòu)分析，初步繪制出超小型兩級(jí)擺線針輪行星傳動(dòng)減速器的傳動(dòng)簡圖，如圖2-6所示 圖2-6 二級(jí)超小型擺線針輪行星傳動(dòng)減速器傳動(dòng)簡圖 二維裝配圖參見圖2-7，主要由下面13個(gè)部分 圖2-7 二級(jí)超小型擺線針輪行星傳動(dòng)減速器二維裝配圖 1、輸出法蘭II 2、端蓋 3、微型軸承 4、微型軸承 5、微型軸承 6、偏心體 7、外殼 8、擺線輪II 9、針齒II 10、中間支撐 11、擺線輪I、12、針齒I 13擺線輪I 三維裝配圖如圖2-8所示 圖2-5 二級(jí)超小型擺線針輪行星傳動(dòng)減速器三維裝配圖  第三章 參數(shù)設(shè)計(jì) 3.1引言 一級(jí)擺線針輪行星傳動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比范圍為11至119。當(dāng)傳動(dòng)比小于17時(shí)，可以根據(jù)要求采用二齒差結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)比大于等于43時(shí)，針齒可以采用抽齒結(jié)構(gòu)。兩級(jí)小型擺線針輪行星傳動(dòng)減速器的外形尺寸和一級(jí)傳動(dòng)相比較體積并沒有增加多少，而輸出轉(zhuǎn)速又可以達(dá)到用戶的需要，減速比從121到14161之間均可以實(shí)現(xiàn)。由于電機(jī)尺寸較小，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速比較大而用戶要求減速后輸出的轉(zhuǎn)速較小，因此在工程使用上，兩級(jí)傳動(dòng)的應(yīng)用更為普遍。本課題是設(shè)計(jì)傳動(dòng)比為187的二級(jí)超小型擺線針輪行星傳動(dòng)減速器。 3.2原始依據(jù) 針齒中心圓半徑rp=12.5mm 傳動(dòng)比i=17×11 3.3參數(shù)設(shè)計(jì) 3.3.1電動(dòng)機(jī)的選擇 選擇XJR-385S-16140型電機(jī)，如表3-1所示 表3-1 XJR-385S-16140型電機(jī)性能參數(shù)表 電壓 (V) 空載 最大效率下 制動(dòng) 工作范圍 額定電壓 轉(zhuǎn)速 rpm 電流 A 轉(zhuǎn)速 rpm 電流 A 力矩 g.cm 功率 W 效率 % 力矩 g.cm 9-18 12 4720 0.071 3830 0.31 55.6 3.60 59.2 297 輸入軸功率PH=3.60W=0.0036kW 輸入軸轉(zhuǎn)速nH=3830r/min 輸入軸轉(zhuǎn)矩TH=9549000PHnH＝9549000×0.00363830＝9.89N·mm 3.3.1一級(jí)傳動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì) 1.設(shè)計(jì)齒形參數(shù)： 傳動(dòng)比iHC=11 擺線輪和針輪要實(shí)現(xiàn)連續(xù)正確地嚙合，兩輪節(jié)圓上的齒距必須相等。擺線輪的實(shí)際齒廓在其節(jié)圓上對(duì)應(yīng)的弧長成為擺線輪的節(jié)圓齒距，以pc表示，有： pc=2πr'p-r'c=2πa 擺線輪的齒數(shù)zC為： zc=2πr'cpc=2πr'c2πa=r'ca 針輪相應(yīng)的齒數(shù)zP為： zp=2πr'ppc=2πr'p2πa=r'pa 其中r'P=r'C+a代入得： zP=r'C+aa=zC+1 所以采用一齒差結(jié)構(gòu) 擺線輪齒數(shù)zC=iHC=11 針齒齒數(shù)zP=zC+1=11+1=12 計(jì)算輸出軸轉(zhuǎn)矩 Tv=9549000PHnHzCη=THzCη 其中η為傳動(dòng)效率，可取η＝0.94～0.96 所以Tv=9549000×0.00363830×11×0.94=92.8073N?mm 初選擺線短幅系數(shù)K1以偏心距a 短幅系數(shù)K1薦用值見表3-2 表3-2 短幅系數(shù)K1薦用值表 zC ≤11 13~23 25~59 61~87 K1 0.42~0.55 0.48~0.65 0.55~0.74 0.54~0.67 初取K1'=0.47 rP=12.5mm a=K1×rPzP=0.47×12.512=0.49mm 對(duì)a取整，取a=0．50 mm 并反求K1 則K1=a×zPrP=0.50×1212.5=0.48 計(jì)算擺線輪節(jié)圓半徑rC' rC'=azC=0.50×11=5.5mm 計(jì)算針輪節(jié)圓半徑rP' rP'=azP=0.50×12=6mm 計(jì)算滾圓半徑rg與基圓半徑rbc 由于 rg+rbc=rp rP'-rC'=a arg=rP'rp=K1 所以可得： rg=aK1=rP'-rC'K1=0.500.48=1.0417mm rbc=rP'K1-aK1=rC'K1=5.50.48=11.4583mm 計(jì)算嚙合齒距pn pn=2πrpzp=2πrP'zpK1=2πaK1=2π×0.500.48=6.54mm 確定針齒半徑rrp 首先計(jì)算擺線輪嚙合曲線的最小曲率半徑ρ0min 因?yàn)椋篕1=0.48 zp-22zp-1=12-22×12-1=0.4348 zp-22zp-1100~200 >200~300 >300~400 >400 zW 6 8 10 12 ≥12 由于dp=25mmm，所以取柱銷個(gè)數(shù)為zW=6個(gè) 驗(yàn)算輸出法蘭上的銷孔壁厚Δ1、Δ2、Δ3，見圖3-1所示，保證最小壁厚不小于?=0.03rp=0.03×12.5=0.375mm 初選R法蘭=12mm ?1=R法蘭-Dw2-dw2=12-162-2.52=2.75mm>[?] ?2=Rw-rn-dw2=8-5.5-2.52=1.25mm>[?] ?3=2Rwsin180Zw-dw=2×8sin1806-2.5=5.5mm>[?] 圖3-1 Δ1、Δ2、Δ3示意圖 3.3.2二級(jí)傳動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì) 輸入軸轉(zhuǎn)矩TH=92.81N·mm 1.設(shè)計(jì)齒形參數(shù)： 傳動(dòng)比iHC=17 擺線輪和針輪要實(shí)現(xiàn)連續(xù)正確地嚙合，兩輪節(jié)圓上的齒距必須相等。擺線輪的實(shí)際齒廓在其節(jié)圓上對(duì)應(yīng)的弧長成為擺線輪的節(jié)圓齒距，以pc表示，有： pc=2πr'p-r'c=2πa 擺線輪的齒數(shù)zC為： zc=2πr'cpc=2πr'c2πa=r'ca 針輪相應(yīng)的齒數(shù)zP為： zp=2πr'ppc=2πr'p2πa=r'pa 其中r'P=r'C+a代入得： zP=r'C+aa=zC+1 所以采用一齒差結(jié)構(gòu) 擺線輪齒數(shù)zC=iHC=17 針齒齒數(shù)zP=zC+1=17+1=18 計(jì)算輸出軸轉(zhuǎn)矩 Tv=9549000PHnHzCη=THzCη 其中η為傳動(dòng)效率，可取η＝0.94～0.96 所以Tv=92.81×17×0.94=1483.1038 N?mm 初選擺線短幅系數(shù)K1以偏心距a 短幅系數(shù)K1薦用值見表3-6 表3-6 短幅系數(shù)K1薦用值表 zC ≤11 13~23 25~59 61~87 K1 0.42~0.55 0.48~0.65 0.55~0.74 0.54~0.67 初取K1'=0.50 rP=12.5mm a=K1×rPzP=0.50×12.518=0.35mm 對(duì)a取整，取a=0.40 mm 并反求K1 則K1=a×zPrP=0.40×1812.5=0.58 計(jì)算擺線輪節(jié)圓半徑rC' rC'=azC=0.40×17=6.8mm 計(jì)算針輪節(jié)圓半徑rP' rP'=azP=0.40×18=7.2mm 計(jì)算滾圓半徑rg與基圓半徑rbc 由于 rg-rbc=rp rP'-rC'=a arg=rP'rp=K1 所以可得： rg=aK1=rP'-rC'K1=0.400.58=0.6897mm rbc=rP'K1-aK1=rC'K1=6.80.58=11.7241mm 計(jì)算嚙合齒距pn pn=2πrpzp=2πrP'zpK1=2πaK1=2π×0.400.58=4.33mm 確定針齒半徑rrp 首先計(jì)算擺線輪嚙合曲線的最小曲率半徑ρ0min 因?yàn)椋篕1=0.58 zp-22zp-1=18-22×18-1=0.4571 zp-22zp-1100~200 >200~300 >300~400 >400 zW 6 8 10 12 ≥12 由于dp=25mm，所以取柱銷個(gè)數(shù)為zW=6個(gè) 驗(yàn)算輸出法蘭上的銷孔壁厚Δ1、Δ2、Δ3，見圖3-2所示，保證最小壁厚不小于?=0.03rp=0.03×12.5=0.375mm 初選R法蘭=12mm ?1=R法蘭-Dw2-dw2=12-172-2.22=2.4mm>[?] ?2=Rw-rn-dw2=8.5-5.5-2.22=1.9mm>[?] ?3=2Rwsin180Zw-dw=2×8.5sin1806-2.2=6.3mm>[?]  第四章 受力分析及強(qiáng)度校核 4.1引言 設(shè)計(jì)超小型兩級(jí)擺線針輪行星傳動(dòng)減速器時(shí)，為了確定齒面的接觸強(qiáng)度、輸出機(jī)構(gòu)銷軸的彎曲強(qiáng)度和轉(zhuǎn)臂軸承的壽命等，都需要計(jì)算擺線輪上所受的力，以保證機(jī)器的正常使用。 同時(shí)設(shè)計(jì)超小型兩級(jí)擺線針輪行星傳動(dòng)減速器時(shí)，既要保證減速器的尺寸盡量小，結(jié)構(gòu)緊湊，又要保證有足夠的強(qiáng)度，因此必須 對(duì)主要零件進(jìn)行強(qiáng)度校核。 擺線針輪行星傳動(dòng)中標(biāo)準(zhǔn)的擺線輪和針齒嚙合時(shí)沒有間隙，理論上有半數(shù)針齒與擺線輪同時(shí)嚙合傳力，但實(shí)際上，為了補(bǔ)償尺寸鏈誤差、保持合理的側(cè)隙便于潤滑、保證拆裝方便，更為了獲得傳動(dòng)所需要的合理齒廓，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的擺線輪必須進(jìn)行修形，修形后的實(shí)際擺線輪要比理論擺線輪少小些，本設(shè)計(jì)采用正等距+負(fù)移距的組合修形方法對(duì)擺線輪進(jìn)行修形。 移距修形量?rp=-?1-K121-1-K12 等距修形量?rrp=?1-1-K12 4.2 受力分析 擺線輪在工作中主要受三種力：內(nèi)齒輪圓弧齒廓與擺線輪輪齒嚙合的作用力；輸出機(jī)構(gòu)銷孔對(duì)擺線輪的作用力；轉(zhuǎn)臂軸承對(duì)擺線輪的作用力（作用力中一般不計(jì)摩擦力）。 由于擺線輪與內(nèi)齒輪在嚙合傳動(dòng)過程中是多齒嚙合，因此，擺線輪輪齒與各圓弧齒廓之間、以及擺線輪上柱銷與輸出機(jī)構(gòu)上銷孔之間的載荷分布較復(fù)雜。除了受接觸變形影響意外，還受制造誤差、嚙合間隙等的影響。為了便于分析，假定傳動(dòng)中沒有裝配間隙，不考慮摩擦因素等。 4.2.1計(jì)算初始嚙合間隙 當(dāng)擺線輪齒兼有等距修形與移距修形時(shí)，各對(duì)輪齒沿待嚙合點(diǎn)法線方向的初始間隙，可按式（4-1）計(jì)算。 ?(φ)i=?rp(1-K1cosφi-1-K12 sinφi)1+K12-2K1cosφi+?rrp(1-sinφi1+K12-2K1cosφi) 式4-1 式中 φi為第i個(gè)針齒相對(duì)于轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)角 °。Ｋ1為短幅系數(shù)。 4.2.2判定擺線輪與針輪同時(shí)嚙合的齒數(shù) 輸出軸的最大瞬時(shí)許用轉(zhuǎn)矩為T=1.6Tp 在標(biāo)準(zhǔn)齒形擺線輪與針輪處于理論上的無隙嚙合時(shí)，同時(shí)嚙合的齒數(shù)約為擺線輪齒數(shù)的一半。 其中受力最大的齒為處于或最接近于φ0=arccosK1處的一對(duì)齒，所有受力Fmax'可按式（4-2）計(jì)算。 Fmax'=4TcK1zcrp N 式4-2 若擺線輪齒形經(jīng)過修正，與針輪處于有隙嚙合狀態(tài)，并且在φ≈arccosK1處只一對(duì)齒嚙合時(shí)，則作用力可按式（4-3）計(jì)算。 Fmax''=Tcrc' N 式4-3 利用式(4-4~4-6)，分別求出Fmax'與Fmax''作用時(shí)，受力最大的這對(duì)齒在接觸點(diǎn)公法線方向的總的接觸變形ωmax表示為δmax'與δmax'' 。 δmax=ωmax mm 式4-4 ωmax=2(1-μ2)E Fmaxπb 23+ln×16rrpρc2 mm 式4-5 c=4.99×10-32(1-μ2)EFmaxb×2|ρ|?rrpρ+rrp mm 式4-6 其中，μ為擺線輪與針輪齒材料的泊松比，二者材料相同均為GCr15，μ=0.3。 E為擺線輪與針輪齒材料的彈性模量，二者材料均為GCr15，E=2.06×105 MPa。ρ為擺線輪在φ=φ0=acrcosK1處的齒廓曲率半徑，由式ρ=ρφ0=rp(1+K12-2K1cosφ0)32K1zp+1cosφ0-(1+zpK12)+rrp mm 此處ρ=ρφ0為正時(shí)表示該處齒廓內(nèi)凹，為負(fù)是表示該處齒廓外凸。 按式（4-7），分別算出由δmax'與δmax''引起的擺線輪其他各齒沿接觸點(diǎn)公法線或待嚙合點(diǎn)法線方向位移δi'與δi''。 δi=liβ=liδmaxlmax=lirc'δmax=sinφi1+K12-2K1cosφiδmax mm 式4-7 4.2.3修正齒形擺線輪與針齒嚙合時(shí)的受力分析 由于實(shí)際的Fmax必須在Fmax'與Fmax''之間，故取二者之平均值，作為用迭代逐次逼近法，求Fmax是的初始值Fmax0， 按式（4-8）計(jì)算 Fmax0=12(Fmax'+Fmax'') 式4-8 以之帶入式(4-4~4-6)求出δmax0 。 再以δmax0之值帶入式（4-9）求出Fmax1。 Fmax=Tci=mi=n(lirc'-?(φ)iδmax)li=0.55Ti=mi=n(lirc'-?(φ)iδmax)li 式4-9 其中，T為輸出軸上作用的轉(zhuǎn)矩 N?mm。li為第i齒接觸點(diǎn)的公法線到擺線輪中心的距離，可按式（4-10）計(jì)算 mm。rc'為擺線輪的節(jié)園半徑，rc'=azc mm。?(φ)i為第i齒處的初始間隙，可按式（4-1）計(jì)算 mm。 li=rc'sinθi=rc'sinφi1+K12-2K1cosφi mm 式4-10 若Fmax1-Fmax0>1%Fmax1，則應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行迭代逼近計(jì)算。本課題的受力分析用計(jì)算機(jī)編程進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算精度提高至要求Fmax1-Fmax0<1%Fmax1。經(jīng)過n次迭代計(jì)算，即得到準(zhǔn)確的結(jié)果Fmax=12(F max?(n)+F max?(n-1))。 4.2.4輸出機(jī)構(gòu)的柱銷作用于擺線輪上的力 各柱銷對(duì)擺線輪作用力總和為Qi=4TcπRw N 式中 Tc為一片擺線輪所傳遞的轉(zhuǎn)矩 N?mm。Rw為柱銷中心園的半徑 mm。 擺線輪對(duì)柱銷的最大作用力為Qmax=4TcRwzw N 式中 zw為輸出機(jī)構(gòu)柱銷數(shù) 4.2.5轉(zhuǎn)臂軸承的作用力 轉(zhuǎn)臂軸承對(duì)擺線輪的作用力，必與嚙合的作用力及輸出機(jī)構(gòu)柱銷對(duì)擺線輪的作用力平衡。 x軸方向的分力總和為i=mi=nFix=Tcrc'=TczpK1rpzc y軸方向的分力總和為i=mi=nFiy=i=mi=nFicosαi 轉(zhuǎn)臂軸承對(duì)擺線輪的作用力為P=i=mi=nFix2+(Qi-i=mi=nFiy)2 P與x軸間夾角為αRx=arctan(Qi-i=mi=nFiyi=mi=nFix) 4.3 強(qiáng)度校核 為了減小傳動(dòng)件的尺寸，擺線輪常用軸承鋼GCr15、GCr15SiMn，表面硬度HRC60～64，針齒銷、柱銷及柱銷套采用GCr15，表面硬度HRC58～62。 擺線針輪行星傳動(dòng)中，各主要件的實(shí)效形式有：擺線輪齒與針齒表面的疲勞點(diǎn)蝕和膠合；輸出機(jī)構(gòu)柱銷與針齒銷的彎曲折斷，轉(zhuǎn)臂軸承的疲勞點(diǎn)蝕等。 4.3.1齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算 實(shí)踐表明，擺線輪和針齒齒面的失效形式是疲勞點(diǎn)蝕和膠合，針齒銷和針齒套有時(shí)也發(fā)生膠合。嚙合齒面的接觸應(yīng)力、滑動(dòng)速度、潤滑情況以及零件的制造精度，都是影響齒面產(chǎn)生疲勞點(diǎn)蝕和膠合的因素。 為了防止產(chǎn)生點(diǎn)蝕和減少生產(chǎn)膠合的可能性，應(yīng)進(jìn)行擺線輪齒與針齒間的接觸強(qiáng)度計(jì)算。 根據(jù)赫茲公式，齒面接觸應(yīng)力按式（4-11）計(jì)算 σH=0.418EeFibρei≤σHP MPa 式4-11 式中 Fi為針齒與擺線輪齒在某一位置嚙合中的作用力，由式（4-12）計(jì)算 N。Ee為當(dāng)量彈性模量 Ee=2×E1×E2E1+E2，因?yàn)閿[線輪的彈性模量E1與針齒的彈性模量E2均為鋼的彈性模量，故Ee=E1=E2=E=2.06×105 MPa。b為擺線輪的寬度，通常b=0.1~0.15rP mm。 ρei為當(dāng)量曲率半徑，ρei可按式（4-13）計(jì)算 mm。 式4-12 Fi=δi-?(φ)iδmaxFmax N 式4-13 ρei=ρi?rrpρi-rrp mm 式中 ρi為擺線輪在某嚙合點(diǎn)的曲率半徑，ρi可按式（4-14）計(jì)算 mm 式4-14 ρi=ρ0+rrp=rp(1+K12-2K1cosφ)32K1(zp+1)cosφ-(1+zpK12) 因擺線輪齒在不同點(diǎn)嚙合時(shí)， Fi與ρei的值也不同，故用式（4-11）進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)取Fiρei(i=m??n)中的最大值(Fiρei)max代入，即用下式驗(yàn)算 σHmax=0.418Eeb?(Fiρei)max ≤σHP MPa 式中 σHP為許用接觸應(yīng)力，材料為GCr15的針齒和擺線輪，硬度為HRC58～62時(shí)，單級(jí)減速器σHP=1000～1200 MPa，對(duì)于雙級(jí)減速器的低速級(jí)，因?yàn)樗俣鹊停瑒?dòng)載荷小，σHP=1300～1500 MPa 。 4.3.2輸出機(jī)構(gòu)圓柱銷的強(qiáng)度計(jì)算 輸出機(jī)構(gòu)圓柱銷的受力情況相當(dāng)于一懸臂梁，在Qmax作用下，圓柱銷的彎曲應(yīng)力為 σw=KmQmax?Lπ32dsw3≈KmQmax(1.5bc)0.1dsw3 將Qmax=4TcRwzw 代入，得 σw≈40KmTc(1.5bc)zwRwdsw3≈24KmT(1.5bc)zwRwdsw3 設(shè)計(jì)時(shí)，此式可化為dsw≥324KmT(1.5bc)zwRwσBP 式中 zw為圓柱銷數(shù)目。T為輸出軸上作用的轉(zhuǎn)矩 N?mm。bc為轉(zhuǎn)臂軸承的寬度 mm。Km為制造和安裝誤差對(duì)銷軸載荷影響系數(shù)，Km=1.35～1.5，精度低時(shí)取大值，反之取小值。σBP為許用彎曲應(yīng)力，當(dāng)圓柱銷采用GCr15時(shí)，σBP=150～500 MPa。 4.3.3轉(zhuǎn)臂軸承壽命計(jì)算 轉(zhuǎn)臂軸承壽命計(jì)算公式為Lh=106×103CrPH60×nH+|nHzc| 其中Cr為轉(zhuǎn)臂軸承的額定動(dòng)載荷。 4.4 計(jì)算結(jié)果分析 根據(jù)以上分析及計(jì)算，得到滿足各個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)、工作壽命指標(biāo)的超小型兩級(jí)擺線針輪行星傳動(dòng)減速器的基本參數(shù)，如表4-1、4-2所示。 表4-1 超小型兩級(jí)擺線針輪行星傳動(dòng)減速器的一級(jí)傳動(dòng)基本參數(shù) （單位mm） 參數(shù) 針齒中心圓半徑 針齒半徑 中心距 柱銷中心圓半徑 柱銷直徑 擺線輪寬度 符號(hào) rp rrp a Rw drw b 值 12.5 1.5 0.5 8 11 1.875 表4-2 超小型兩級(jí)擺線針輪行星傳動(dòng)減速器的二級(jí)傳動(dòng)基本參數(shù) （單位mm） 參數(shù) 針齒中心圓半徑 針齒半徑 中心距 柱銷中心圓半徑 柱銷直徑 擺線輪寬度 符號(hào) rp rrp a Rw drw b 值 12.5 1 0.4 8.5 11 1.875 根據(jù)上文的受力分析和強(qiáng)度校核公式，專門編寫計(jì)算程序見附錄，程序界面如圖4-1所示 圖4-1 受力分析與強(qiáng)度校核計(jì)算程序界面圖 程序內(nèi)部存儲(chǔ)了本設(shè)計(jì)的一、二級(jí)傳動(dòng)計(jì)算參數(shù)，當(dāng)您點(diǎn)擊一級(jí)參數(shù)按鈕時(shí)，程序會(huì)自動(dòng)輸入本課題的一級(jí)參數(shù)數(shù)據(jù)，當(dāng)您再次點(diǎn)擊確定按鈕時(shí)，本程序就可以計(jì)算出如上圖中的計(jì)算參數(shù)中的各個(gè)數(shù)據(jù)。并跟據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)判斷本級(jí)傳動(dòng)的強(qiáng)度及壽命是否滿足工作需要。您還可以通過點(diǎn)擊自定參數(shù)按鈕，輸入您要計(jì)算的單級(jí)傳動(dòng)參數(shù)，來計(jì)算您的設(shè)計(jì)是否滿足要求。 本設(shè)計(jì)所計(jì)算出來的一、二級(jí)傳動(dòng)受力分析與強(qiáng)度校核參數(shù)如圖4-2、4-3所示。 圖4-2 一級(jí)傳動(dòng)受力分析與強(qiáng)度校核程序計(jì)算結(jié)果圖 圖4-3 一級(jí)傳動(dòng)受力分析與強(qiáng)度校核程序計(jì)算結(jié)果圖 第五章 三維造型設(shè)計(jì) 5.1 引言 三維實(shí)體造型可以將用戶的設(shè)計(jì)思想以最真實(shí)的模型在計(jì)算機(jī)上表現(xiàn)出來。在前面的設(shè)計(jì)中，已經(jīng)確定了超小型兩級(jí)擺線針輪行星傳動(dòng)減速器的主要構(gòu)件、形狀和尺寸，為了驗(yàn)證零部件設(shè)計(jì)的正確性，我利用了國際上流行的工程軟件Pro/ENGINERER 3.0對(duì)所涉及的減速器零部件進(jìn)行三維實(shí)體造型，并裝配出整機(jī)模型，最后將三維零件圖和裝配圖轉(zhuǎn)化為二維的CAD工程圖。 5.2 Pro/E簡介 Pro/ENGINEER是美國PTC公司的標(biāo)志性軟件，該軟件將設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程集成在一起，讓所有的用戶同時(shí)進(jìn)行同一產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造工作。自1988年問世伊始，即引起CAD/CAE/CAM屆的極大震動(dòng)，在短短的十幾年間已經(jīng)成為全世界及中國地區(qū)最普及的3D CAD/CAM軟件。它提出的單一數(shù)據(jù)庫、參數(shù)化、基于特征、全相關(guān)及工程數(shù)據(jù)再利用等概念改變了MDA(Mechanical Design Automation)的傳統(tǒng)觀念，這種全新的概念已成為當(dāng)今世界MDA領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)。Pro/ENGINEER廣泛應(yīng)用于電子、機(jī)械、模具、工業(yè)設(shè)計(jì)、汽機(jī)車、自行車、航天、家電、玩具等各行業(yè)，可謂是一個(gè)全方位的3D產(chǎn)品開發(fā)軟件。 5.3 Pro/ENGINEER 參數(shù)式設(shè)計(jì)的特征 Pro/ENGINEER獨(dú)特的參數(shù)化設(shè)計(jì)概念，采用單一數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)，有支持同步設(shè)計(jì)的功能，它包括了下面幾個(gè)特征。 1.3D實(shí)體模型（solid） 3D實(shí)體模型除了可以將用戶的思想以最真實(shí)的模型在計(jì)算機(jī)上表現(xiàn)出來外，借助于參數(shù)系統(tǒng)（System parameters），用戶還可以隨時(shí)計(jì)算出產(chǎn)品的真實(shí)性，并補(bǔ)足傳統(tǒng)面結(jié)構(gòu)，線結(jié)構(gòu)（Wireframe）的不足。用戶在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，可以隨時(shí)掌握以上重點(diǎn)，設(shè)計(jì)物理參數(shù)，并減少許多人為計(jì)算時(shí)間。 2.單一數(shù)據(jù)庫（Single database） Pro/ENGINEER可隨時(shí)由3D實(shí)體模型產(chǎn)生2D工程圖，而且自動(dòng)標(biāo)注工程圖尺寸。不論在3D還是在2D圖形上作尺寸修正，其相關(guān)的2D圖和3D實(shí)體模型均自動(dòng)修改，同時(shí)組合、制造等相關(guān)設(shè)計(jì)也會(huì)自動(dòng)修改，這樣可以確保數(shù)據(jù)庫的正確性，避免反復(fù)修正的耗時(shí)性。由于采用單一數(shù)據(jù)庫，提供了所謂雙向關(guān)聯(lián)性的功能，這種功能也正符合了現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)中所謂的同步工程（Concurrent engineering）思想。 5.4 三維實(shí)體造型 在超小型兩級(jí)擺線針輪行星傳動(dòng)減速器中，主要對(duì)下述零件進(jìn)行三維實(shí)體造型：擺線輪I、擺線輪II、針輪、偏心套、輸出法蘭I、輸出法蘭II、外殼、中間支撐、微型軸承。以擺線輪I為例，其建模過程如下 建立擺線針輪齒廓曲線：插入—基準(zhǔn)—曲線—從方程—完成—選取坐標(biāo)系—笛卡爾坐標(biāo)—輸入擺線輪齒廓方程—完成，就會(huì)得到擺線輪的齒廓曲線。 利用前面建立的擺線輪齒廓拉伸形成擺線輪實(shí)體特征：特征—?jiǎng)?chuàng)建—加材料—拉伸—實(shí)體—完成—單側(cè)—完成—選取FRONT面作為草繪平面—正向—缺省—草繪—邊—使用—選取擺線輪齒廓曲線—完成—盲孔—完成—輸入拉伸長度既擺線輪的寬度值—完成—特征對(duì)話框中點(diǎn)擊預(yù)覽、確定。 創(chuàng)建擺線輪上柱銷特征：特特征—?jiǎng)?chuàng)建—加材料—拉伸—實(shí)體—完成—單側(cè)—完成—選取擺線輪一表面作為草繪平面—正向—（朝外，如不對(duì)可反向）—缺省—畫草繪圖—完成—盲孔—完成—輸入柱銷長度2.5mm—完成—特征對(duì)話框中點(diǎn)擊預(yù)覽、確定。 復(fù)制一個(gè)柱銷特征，以便得到陣列時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)尺寸，其步驟是：特征—復(fù)制—移動(dòng)—完成—選取前一步所畫柱銷作為復(fù)制對(duì)象—完成—完成—旋轉(zhuǎn)—曲線/邊/軸—選取擺線輪軸線作為旋轉(zhuǎn)軸—按右手定則確定旋轉(zhuǎn)方向（正向）—輸入旋轉(zhuǎn)角度60°—完成—特征對(duì)話框中點(diǎn)擊預(yù)覽、確定。 陣列柱銷：特征—陣列—選取上一步復(fù)制出來的柱銷作為陣列對(duì)象選擇一般—完成—陣列尺寸增量選值，然后選取上一部復(fù)制的旋轉(zhuǎn)角度60°作為陣列驅(qū)動(dòng)尺寸一輸入尺寸增量值為60°一回車一輸入陣列數(shù)目為5（不包括第一個(gè)柱銷）一回車一完成一特征對(duì)話框確定。 創(chuàng)建擺線輪內(nèi)孔特征：特征一創(chuàng)建一實(shí)體一孔一選擇直孔一輸入孔徑為5mm一深度為穿過所有一主參照選擇擺線輪一側(cè)表面一放置類型選擇同軸一選擇A1軸為軸參照一完成 創(chuàng)建倒圓角：特征一創(chuàng)建一倒圓角一簡單一完成一常數(shù)一邊鏈一相切鏈一選出需要倒角的邊鏈一完成一輸入倒圓角半徑值一完成一特征對(duì)話框中預(yù)覽、確定。 到此，擺線輪I三維造型完畢，其效果圖見圖6-1所示，其他零件及裝配的三維效果圖見圖6-2～6-15。 圖6-1 擺線輪I ProE三維造型圖 圖6-2 擺線輪II ProE三維造型圖 圖6-3 端蓋 ProE三維造型圖 圖6-4 輸出法蘭 I ProE三維造型圖 圖6-5 輸出法蘭 II ProE三維造型圖 圖6-6 偏心體 ProE三維造型圖 圖6-7 箱體 ProE三維造型圖 圖6-8 轉(zhuǎn)臂軸承 ProE三維造型圖 圖6-9 針齒I ProE三維造型圖 圖6-10 針齒II ProE三維造型圖 圖6-11 裝配圖 ProE三維造型圖  結(jié)論 本課題主要研究兩級(jí)超小型擺線針輪行星傳動(dòng)減速器的設(shè)計(jì)，本人在分析現(xiàn)有機(jī)械傳動(dòng)的基礎(chǔ)上，并在對(duì)超小型擺線針輪行星傳動(dòng)減速器結(jié)構(gòu)、原理進(jìn)行學(xué)習(xí)、理解的基礎(chǔ)上，重新進(jìn)行超小型擺線針輪行星傳動(dòng)減速器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過幾何參數(shù)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核，達(dá)到了本課題的要求。本課題主要研究與設(shè)計(jì)工作結(jié)論如下： 針對(duì)課題要求，在充分研究現(xiàn)有成熟的擺線針輪行星傳動(dòng)的基礎(chǔ)上，對(duì)超小型擺線針輪行星傳動(dòng)減速器重新進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和總體方案設(shè)計(jì)。針對(duì)超小型擺線針輪行星傳動(dòng)與通用的擺線針輪行星傳動(dòng)不同，通過理論分析，確定了超小型擺線針輪行星傳動(dòng)減速器主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)和幾何參數(shù)。對(duì)減速器的關(guān)鍵零件，比如：擺線輪、輸出機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了受力分析和強(qiáng)度校核。 在對(duì)超小型擺線針輪行星傳動(dòng)減速器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、受力分析以及強(qiáng)度校核后，用Pro/E工程軟件對(duì)減速器進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，并轉(zhuǎn)換成CAD工程圖進(jìn)行修改。  參考文獻(xiàn) [1] 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