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JX14-44 【JX14-44】微型减速器设计

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微型减速器设计【摘要】微小机械系统中，传动机构通常以传递小功率为主，且体积小、质量轻。为了满足微小型或微型机电产品更加有效且经济地实现功能，微小型或微型传动机构及减速器成为了机械领域重要的研究对象。本文在分析国内外微小减速器的优缺点基础上，设计了一种微型减速器，运用到机械玩具中，满足儿童娱乐，视听效果的电子产品。在给定的功率和转速条件下，利用仿真建模软件进行辅助设计、造型，最终实现其运动动能。关键词： 机械系统微型减速器结构设计Abstract: Tiny mechanical systems, the transmission mechanism is usually transmitted mainly small power and small size, light weight. In order to meet the micro-mini or micro electromechanical products more effectively and economically achieve functional, micro mini or micro drive mechanism and the mechanical reducer become an important field of study.In this paper, the advantages and disadvantages based on the analysis of domestic and foreign small reducer on the design of a micro-reducer.At a given power and speed conditions, the detailed design of the system is set small gear, sports gear including structural design calculations and dynamic parameters, the drive mechanism, the shaft and the housing. The slight reduction gear assembly is correct, there is no interference.Key words： mechanical systemsminiaturereducerstructural design20目录摘要IABSTRACTII目录III1.1本课题研究意义41.2减速器的国内外研究现状41.3本文设计要求72.1 课题来源82.2 传动机构分析83.1 传动比分配103.2 计算传动装置的运动参数103.3 第一级齿轮的设计113.4 第二级齿轮的设计133.5 第三级齿轮的设计143.6 轴的计算163.7 总结154.1 结束语174.2 致谢18参考文献201.1 本课题研究意义科学技术的迅猛发展及社会生活水平的不断提高，促使微小机械得到越来越多的需求。微小减速器是微小传动机构的主要应用之一，且是微小型机械系统的重要组成部分。此外，针对轻工业应用中需求减速器速比大、体积小的特点，微小减速器也是一个值得研究的热点。在重工业中，减速器要求大功率、大负载，主要以传递动力为主。而在微小型机械和轻工业产品中，减速器需具备体积小、重量轻、速比大、灵活性强和低成本等特点，且一般以传递运动为主。常规齿轮减速器造价低，运转平稳，噪音低，传动力矩大，但受体积限制其传动比较小，质量较大，较少应用于微小机械。若对常规齿轮机构直接微小型化，除安装、制造精度低和成本较高之外，其传动机构也存在一定的应用限制，如微小圆柱齿轮传动无法实现垂直相交轴间的传动，微小锥齿轮传动无法实现大传动比的传动，微小蜗杆传动由于轴线不在同一平面占用空间大。常规微小齿轮传动只局限于垂直轴和平行轴之间的传动，且大都只有一个输出轴，不易获得多个传动比。而非常规机械微驱动技术的局限在于不能保证连续稳定的传动。目前，应用较多的减速器有：行星齿轮减速器、摆线针轮减速器、谐波齿轮减速器、三环减速器、圆柱三正弦活齿减速器等微小减速器。这些减速器在微小尺寸下的设计有一定的局限性且存在各种不足之处。如行星齿轮减速器和摆线针轮减速器结构复杂，制造精度较高，价格昂贵。因此，新型微小减速器的研究，为微小机械领域提供更为广阔的发展空间，促进产品的多样化和增加创意产品成功生产的机会。本课题所研究的微小减速器具有如下优势：制造简便、精度较高，传动连续平稳；易改装，应用广；结构非常规则且简单，工艺性和经济性好；重量非常轻，空间尺寸小，有望应用于各种微小型机械中。1.2 减速器的国内外研究现状传动机构是减速器中至关重要的部分，传动机构的特点很大程度上决定了减速器的性质。微小机械中的微小传动技术主要有：将传统机械传动机构直接微小型化的机械传动技术；非传统机械微驱动技术；基于磁场、光波、超声波、微波等外场组合或者综合微驱动技术；基于传统机械传动机构形式进行根本性原理创新的微小机械传动机构。国内外对于齿轮的发展已经走过了几百年的历程。齿轮传动的类型很多，如圆柱齿轮传动，锥齿轮传动，双曲面齿轮传动，螺旋齿轮传动，蜗轮蜗杆传动，圆弧齿轮传动，摆线齿轮传动，行星齿轮传动等等，目前人们在此基础上又发明了各类新型齿轮传动机构。如武汉理工大学厉海祥等人研究的点线啮合齿轮，如图1-1所示，大、小两个齿轮构成一个传动副，其中小齿轮为一个变位的渐开线短齿，大齿轮的顶部为渐开线的凸齿廓，底部为过渡曲线的凹齿廓，它们啮合时同时存在接触线为直线的线啮合和凹凸齿廓接触的点啮合。点线啮合齿轮传动具有制造简单，可分性，跑合性能好，强度高，噪声低，可制成各种齿面的齿轮等特点。图1-1 点线啮合齿轮在传动机构不断发展的同时，减速器的发展也在不断跟进。目前标准化的减速器有：硬齿面圆柱齿轮减速器，三支点减速器，圆锥、圆柱齿轮减速器，圆弧圆柱蜗杆减速器，平面包络环面蜗轮减速器，直廓环面蜗杆减速器，行星齿轮减速器，垂直出轴混合少齿差星轮减速器，摆线针轮减速器，谐波传动减速器，三环减速器等。下面简单介绍几种减速器的特点：（1） 圆柱、圆锥-圆柱减速器圆柱齿轮减速器应用较广，可适用于起重运输、水泥、建筑、冶金、矿山、化工、纺织、轻工业等行业。三支点减速器是一种外啮合、斜齿、中硬齿面、三点支撑式的渐开线圆柱齿轮减速器，其传动机构承载能力相对较低。圆锥、圆柱齿轮减速器的高速级为弧齿锥齿轮，中低速级为圆柱齿轮，这种减速器具有承载能力大、传动效率高、噪声低、体积小、寿命长的特点。哈尔滨工业大学狄玉涛硕士学位论文研究了一种齿轮中截面为渐开线形，其他截面是双曲线包络线的弧齿线圆柱齿轮，它具有斜齿圆柱齿轮的优点，传动平稳，无轴向力。双圆弧螺旋锥齿轮副，在齿高方向和齿线方向都是凸、凹齿廓相啮合的，它的接触强度和承载能力高于同尺寸的渐开线齿轮，轮齿间的弯曲强度较高。（2） 蜗轮蜗杆减速器蜗轮蜗杆减速器的应用很广，从交通工具的船舶、机车、汽车，建筑用的重型机具，机械工业所用的加工机具及自动化生产设备，到日常生活中常见的家电，钟表等。蜗杆减速器主要有圆柱蜗杆减速器，圆弧转面蜗杆减速器，锥蜗杆减速器和蜗杆齿轮减速器，其中以圆柱蜗杆减速器最为常用，有普通圆柱蜗杆的和圆弧齿圆柱蜗杆的两种。最近在Stuart C.Burgess的概念设计中出现了一种新型蜗轮蜗杆减速器，减速器的创新研究一直是社会的需求。齿轮-蜗轮蜗杆减速器是一种结构紧凑、传动比大，在一定条件下具有自锁功能的传动机械。其主要出现的问题为：减速器发热和漏油，蜗轮磨损，传动小斜齿磨损，蜗杆轴承损坏。（3） 行星齿轮减速器行星齿轮减速器具有传动效率高、结构紧凑等优点，在各种车辆、工程机械和其它传动系中得到了广泛的应用。行星传动设计较复杂，其体积和重量或其承载能力主要取决于传动参数的选择。行星齿轮减速器的传动效率可以很高，单级达96%99%，传动比范围广，承载能力大，回程间隙小，工作平稳，体积和重量比普通齿轮、蜗杆减速器小的多，但结构较复杂，制造精度较高。（4） 摆线针轮减速器摆线针轮传动较之普通渐开线齿轮或蜗轮传动的优点是：高传动比和高效率；同轴输出，结构体积小和重量轻；传动平稳和噪音低；由于摆线针轮传动同时啮合的齿数要比渐开线外齿轮传动同时啮合的齿数多，因此承载能力较大、啮合效率较高。不足之处为结构复杂，制造精度较高，它广泛的应用于动力传动中。（5） 谐波传动减速器谐波齿轮传动是一种靠柔性齿轮可控的弹性变形来传递运动的机械传动。它是由美国的USM公司成员Musser C W先生于1955年首次提出的，并于1957年用简报的形式发表了谐波传动的基本原理。60年代在前苏联、西德、日本、中国等国家进行了很多的研究工作。其中前苏联的研究工作最有成效。我国从60年代初开始研制，多年来得到了很大的发展。如图1-2，谐波齿轮减速器所有零部件的材料都是钢，它主要由谐波发生器、刚轮和柔轮三部分组成。当其中一个部件固定不动时，其余两个零部件可作为输入件和输出件，通常，将刚轮作为内齿轮固定不动，波发生器以椭圆凸轮的形式作为输入轴，柔轮则以外齿轮的形式作为输出轴，刚轮与柔轮的齿数差一般为2。图1-2 谐波减速器及其组成部件谐波齿轮减速器具有传动比大、定位精度较高、可重复性、体积小、重量轻、结构简单、承载能力大、传动平稳等特点，但主要零件柔轮的制造工艺较复杂、寿命有限、不耐冲击。广泛应用于航天航空、医疗设备、工业机器人、数控机床、雷达天线座、矿山冶金、起重运输、轻工仪表、食品化工、纺织机械以及国防工业等领域。概括说，渐开线齿轮减速器虽应用最广，但大部分以两凸齿廓相啮合，接触应力大，且承载能力低；蜗杆减速器有自锁功能，传动比大，实现交错轴间的传动，但一般体积较大，传动效率低，精度不高66；行星齿轮减速器结构紧凑，运转平稳，精度较高，承载能力强，但结构较复杂，制造精度较高67,68；摆线针轮减速器具有高传动比和高效率，同轴输出，结构体积小和重量轻，传动平稳和噪音低，承载能力较大、啮合效率较高的特点，不足之处为结构复杂，制造精度较高，它广泛的应用于动力传动中；谐波齿轮减速器具有传动比大、体积小、重量轻、结构简单、承载能力大、传动平稳等特点，但主要零件柔轮的制造工艺较复杂；三环减速器具有行星齿轮减速器和普通圆柱齿轮减速器的优点，但在传动轴上存在不平衡力偶矩，多用于低速重载的工况。随着微细加工技术的发展，已能加工出外径为1mm以下的微齿轮。根据常规减速器的特点，将其中一些减速器微小型化，成为满足微小机械系统中微小减速器需求的方法之一。一些减速器企业和科研单位也先后开发了一级、二级的微小型摆线针轮减速器等。但这些直接微型化的减速器中，存在齿轮过小而引起的检测、加工、和安装等困难。因此，新型微小减速器的工作原理、性能特征和设计制造的创新研究成为机械传动领域重要研究方向之一，并且该领域的研究成果一旦应用到工业中去能带来巨大的经济价值。1.3 本文设计要求通过对儿童益智玩具市场的调研，对机构运动玩具的功能分析，能够根据预设方案需求，利用所学知识及软件完成“微型减速器”创新设计和机构总装；确定各部分零件必要尺寸和相关技术要求，形成技术图纸；完成必要的强度校核，最终功能实现。利用仿真建模软件进行辅助设计、造型，利用软件模拟展示其结构组成及运动功能演示。2.1 课题来源四足行走类玩具种类非常多，很多自然界中四条腿动物都被设计成了玩具，本课题灵感来源于一只非常好玩的玩具：电动小酷猪。图2-1是小猪的外形图，小猪体型胖胖的，身体为浅粉色，腿、耳朵、嘴这几个部位为深粉色，红色的小尾巴卷卷的，整体颜色搭配非常协调、柔和，看上去非常可爱。图2-1 电动小酷猪外形图小猪的动作过程为：打开开关，四腿迈步向前走，走一段距离后停下来，嘴向下拱几下，拱的同时发出“吃、吃”的声音，然后再向前走。在行走和拱嘴的过程中，眼镜一直以不同的速度摆动，几个动作循环交替进行，非常有趣，下面配合图示来分析小猪几个动作的机构以及具体的结构型式。2.2 传动机构分析本课题主要对小猪行走机构的传动路线进行设计。其传动简图如下图。图2-2 传动系统简图从电机轴上的齿轮经过中间几对齿轮啮合降速，带动输出齿轮，使偏心轮转动，即可实现小猪迈步的动作。偏心轮旋转一周，小猪完成一个迈步动作。假设小猪的行走轮转速为，选择微型电机转速，可得总传动比，额定功率。3.1 传动比分配总的传动比为i=30， 单级减速器的传动比常用范围是36故初步定为三级展开式设计。查阅相关手册得到最优传动比为 i1=3，i2=3.1，i3=3.2。3.2 计算传动装置的运动参数1.各轴转速2.各轴输入效率3.各轴输出效率4.各轴输入转矩电动机输出转矩各轴输入转矩5各轴输出转矩综上，运动和动力参数结果如下表表1 运动参数计算结果轴名功率P（W）转矩T（Nmm）转速n(r/min)输入输出输入输出电动机15955150轴I14.8514.55945926150轴II14.4114.122723266850轴III13.8413.568107794516.1轴IV13.2913.02249152441753.3 第一级齿轮的设计1、一级齿轮的设计（1）、选择材料，确定许用应力小轮选用尼龙大轮选用尼龙查表得：， ，查表得齿轮强度的安全系数：，故许用接触应力，许用弯曲应力，按照齿面接触疲劳强度设计，然后校核齿痕弯曲疲劳强度。（2）、计算中心距、齿宽、模数中心距： 。查表选载荷系数K=1.2小轮转矩：。又齿宽系数范围0.20.4，故可取， 由于原动机为电动机，传动平稳，齿轮在两轴承之间不对称布置，齿轮为直齿，传动精度为7，故取K=1.2故中心距a19.528mm(3)确定基本参数，计算主要尺寸齿数：取=20，=u=60确定模数，19.528，故m0.2882mm查表可取m=0.3确定中心距由于，所以=12mm齿宽：b=a=0.212mm=2.4mm为补偿尺寸误差，可取=4mm，=3mm计算齿轮几何尺寸小齿轮：分度圆直径：6mm压力角=20齿顶高：0.3mm齿根高：0.375mm齿顶圆直径：6.6mm齿根圆直径：5.25mm大齿轮：分度圆直径：18mm压力角=20齿顶高：0.3mm齿根高：0.375mm齿顶圆直径：18.6mm齿根圆直径：17.25mm（4）校核弯曲强度 其中k=1.2, =2.8mm =2.24mm=3mm m=0.3mm z=20=30.8Mpa ，(安全) = =24.64 ，（安全）（5）设计齿轮结构，绘制齿轮工作图。3.4 第二级齿轮的设计（1）、选择材料，确定许用应力大、小轮选用尼龙查表得：， ，查表得齿轮强度的安全系数：，故许用接触应力，许用弯曲应力，按照齿面接触疲劳强度设计，然后校核齿痕弯曲疲劳强度。（2）、计算中心距、齿宽、模数中心距： 。查表选载荷系数K=1.2小轮转矩：。又齿宽系数范围0.20.4，故可取， 由于原动机为电动机，传动评委，齿轮在两轴承之间不对称布置，齿轮为直齿，传动精度为7，故取K=1.2=3.1 故中心距a24.272mm(3)确定基本参数，计算主要尺寸齿数：取=20，=u=62确定模数，24.272mm，故m0.292mm查表可取m=0.3确定中心距:由于，所以=12.3齿宽：b=a=0.212.3mm=2.46mm为补偿尺寸误差，可取=4mm，=3mm计算齿轮几何尺寸小齿轮：分度圆直径：6mm压力角=20齿顶高：0.3mm齿根高：0.375mm齿顶圆直径：6.6mm齿根圆直径：5.25mm大齿轮：分度圆直径：18.6mm压力角=20齿顶高：0.3mm齿根高：0.375mm齿顶圆直径：19.2mm齿根圆直径：17.85mm（4）校核弯曲强度 其中k=1.2, =2.8mm=2.22mm=3mm m=0.3mm z=20=40.075Mpa ，(安全) = =31.77 ，（安全）（5）设计齿轮结构，绘制齿轮工作图。3.5 第三级齿轮的设计（1）、选择材料，确定许用应力大、小齿轮选用尼龙材质查表得：， ，查表得齿轮强度的安全系数：，故许用接触应力，许用弯曲应力，按照齿面接触疲劳强度设计，然后校核齿痕弯曲疲劳强度。（2）、计算中心距、齿宽、模数中心距： 。查表选载荷系数K=1.2小轮转矩：。又齿宽系数范围0.20.4，故可取， 由于原动机为电动机，传动评委，齿轮在两轴承之间不对称布置，齿轮为直齿，传动精度为7，故取K=1.2=3.2故中心距a30mm(3)确定基本参数，计算主要尺寸齿数：取=25，=u=80确定模数，30mm，故m0.2714mm查表可取m=0.3确定中心距由于，所以=15.75mm齿宽：b=a=0.215.75mm=3.15mm为补偿尺寸误差，可取=5mm，=4mm计算齿轮几何尺寸小齿轮：分度圆直径：7.5mm压力角=20齿顶高：0.3mm齿根高：0.375mm齿顶圆直径：8.1mm齿根圆直径：6.75mm大齿轮：分度圆直径：24mm压力角=20齿顶高：0.3mm齿根高：0.375mm齿顶圆直径：24.6mm齿根圆直径：23.25mm（4）校核弯曲强度 其中k=1.2，=2.54mm，=2.15mm=14mm m=0.3mm z=25=64.177Mpa ，(安全) = =54.323（安全）（5）设计齿轮结构，绘制齿轮工作图。3.6 轴的计算1选用轴的材料与热处理选用45钢，调制处理2初估轴径先初步估算轴的直径： 选取45号钢作为轴的材料，正火处理 根据公式45度钢的C值为11890，这里取90计算轴的最小直径，并加大10%以考虑键槽的影响。=1.52mm轴的结构设计，以轴3为例：3各个轴的直径确定：根据初估轴径由于第一轴段需要安装套筒，故可取长度为19mm；由于第二轴段需要安装齿轮，故长度应该略短于齿轮宽度，可取长度为12mm；第三段轴肩取直径为2.2mm，取轴肩长度为9mm；第四段为齿轮，安第三轮小齿轮设计。长度为16mm同理，轴1，2，4也与轴3的设计类似。3.7 总结至此，微型减速器的设计已全部完成，通过对选定的儿童玩具进行结构分析，得到了本课题的设计思路。确定了基本参数，从而为接下来的设计提供来源。根据减速器的设计思路及儿童玩具的使用分析，选定了齿轮采用尼龙塑料材质，轻量并且耐磨。电机功率选择15w，电压驱动采用两节1.5v电池。然后通过三维建模软件对所设计好的微型减速器建模，分析装配是否有干涉，检查后发现设计合理，并无干涉，可以良好的运转，最终的三维实体效果图如下：图3-1 三维实体效果图 结束语从刚刚拿到题目开始，毕业设计就如火如荼地展开了。我所参与的微型减速器设计，容易给人上手容易的感觉。第一天就确定了传动比，开始了各级齿轮的计算。看到纸张上的数字越积越多心里的成就感不言而喻。下课之后，我到图书馆借书，都抱着几大本厚厚的参考书，信心满满的回到了宿舍。从实验室回到宿舍，就安装上了autocad2007应用软件。准备着手画图了。可没想到，真正的难题，才刚刚开始。由于对软件的不熟悉，通过借来的输和从上网下载的教学视频学习，学会了简单的line、镜像、倒角等运用处理，可是真上手时，才发现图没有那么好画。从刚开始习惯性地用矩形工具描述齿轮、轴的各个部分，到后来发现用镜像其实更快更好地画出图来，速度也渐渐提了上去。可是真正开始画图才明白为什么老师告诉我们要边画变算。初步的计算只是确定了传动比、齿轮模数等基本参数，却没有考虑是否和其他发生干涉。画图的时候才发现第一级中心距确定的太小，轴承间螺栓放下去，于是又重新改了模数，增大了中心距。还有箱体内壁、轴承套筒长度等等数据都是在画图中确定的。当一个多月过去，电脑里出现已经成形的装配图、零件图、说明书的时候，才觉得这四个礼拜以来和大家的讨论、向同学的讨教、熬夜画图的辛苦，都不值一提了。身体虽累，可是心却充实。当然在实际设计的时候碰到的困难还是需要解决，比如套筒设计太长、轴承的选择、螺母的查表，都是机械设计之路的拦路虎，还要继续完善自己的设计。但是通过这次课程设计，我发现了自己很多的知识漏洞，也明白紧靠书本上的知识是远远不够的，我还需要更多的投入到实践中去，在实践中弥补自己的不足，才能真正做到学有所用。希望以后能有更多的这类的课程，让我学到更多。我相信，只有经历了这些，才能够提高在短时间内学习软件的能力，加强自己解决实际操作问题的能力，激发自己心中小宇宙的力量。毕业设计虽然即将结束，但这两个月的充实与成长，却会陪伴我前行！ 谢辞 本文是在我在李伟老