夏曲根轴装串联少齿差行星传动装置设计与动力学仿真

重庆大学本科学生毕业设计（论文）轴装串联少齿差行星传动装置设计与动力学仿真学 生：夏曲根学 号：20072400指导教师：周 伟 专 业：机械设计制造及其自动化重庆大学机械工程学院二 O 一一年六月Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityDesign and Dynamics Simulation of Shaft-set Series Few Teeth Difference Planetary Undergraduate: Xia QugenSupervisor: Lecturer Zhou Wei Major:Mechanical Design and Manufacture and AutomationCollege of Mechanical Engineering Chongqing UniversityJune 2011重庆大学本科学生毕业设计（论文） 摘要摘 要随着近代工业技术的高度发展，机械化和自动化水平的不断提高，各工业部门需要大量减速器，并要求减速器的体积小、重量轻、传动比大、效率高、承载能力大、运转可靠以及寿命长等。为满足高技术和高经济指标，少齿差行星齿轮传动近 30 年来得到了较大的发展。轴装串联少齿差行星传动使用多级 K-H-V 型少齿差行星传动串联集成，体积小，重量轻，安装容易，可以进行多级差速传动，容易形成系列化和标准化。本文分析了轴装串联少齿差行星传动以不同构件作为输入输出时机构的传动比，进行整体参数设计和强度校核。建立三维模型，用 ANSYS 进行静力学分析，用 ADAMS 进行动力学仿真。本论文的主要研究内容如下： 分析轴装串联少齿差行星传动在单输入单输出、单输入多输出、多输入单输出、多输入多输出、单级直接输出时的传动比和速比关系。 研究少齿差内齿轮副的参数限制条件，计算确定两级内齿轮副的变位系数和几何参数，对整个装置进行结构设计和效率分析。 运用 Unigraphics 建立装置的三维模型，利用有限元软件 ANSYS 进行静力学分析。 运用 ADAMS 仿真软件进行装置的动力学仿真，输出仿真结果曲线。关键词：少齿差行星传动，结构分析，静力学分析，动力学仿真重庆大学本科学生毕业设计（论文） ABSTRACTABSTRACTWith the high development of modern industrial technology,and the improvement of the level of mechanization and automation,the industrial sector requires a lot of gear. And require small size reducer, light weight, gear ratio, high efficiency, carrying capacity, reliable operation and long life. To meet the high-tech and high-economic indicators the involute planetary gear with small teeth difference transmission has high development nearly 30 years.The device is tandem integration by multilevel K-H-V teeth difference planetary transmission,it has minishes cubage and light weight ,and easy to installation and can be used to actualize multilevel differentia speed transmission,it easy to form serialization and standardization.This paper analysis the transmission ratio of series shaft-mounted with few teeth difference planetary system when different components as the input and output,and design the overall parameters and check the strength. Combining with three-dimensional model established and use ANSYS to analysis the static,use ADAMS to dynamic simulation. The main researches are as following:Analysis the transmission ratioes and speed ratioes of single input and single output,multiple input and single output,single input and multiple output,multiple input and multi output ,single output. Analysis the parameters constraints of gear with small teeth difference. Calculate the two lenel of the gear modification coefficient and geometric parameters.Make the structural design and efficiency analysis of the device. Build the three-dimensional model by Unigraphics,use ANSYS for static analysis. Build the three-dimensional model by Unigraphics,use ADAMS to dynamic simulation,output curve of simulation results.Keywords: planetary drive with small teeth difference, structural analysis, static analysis,dynamic simulation重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目录III目 录摘要ABSTRACT 1 绪论11.1 课题研究背景11.2 论文相关内容的研究现状21.2.1 齿轮接触有限元的研究现状 21.2.2 虚拟样机技术的研究现状 31.3 论文研究的目的及意义 . 31.4 论文的研究内容42 轴装串联少齿差行星传动的传动比计算52.1 轴装串联少齿差行星装置的结构特点.52.2 轴装串联少齿差行星传动的传动比计算62.2.1 单输入单输出传动 62.2.2 单输入多输出传动 72.2.3 多输入单输出传动 92.2.4 多输入多输出传动 112.2.5 构件 18 直接输出112.3 本章小结 113 轴装串联少齿差行星传动装置的参数设计 123.1 齿轮副的干涉限制123.2 少齿差变位系数选择及几何尺寸计算153.2.1 变位系数的选择 153.2.2 几何尺寸计算 173.3 少齿差行星传动的强度计算 193.4 转臂轴承的选择 213.5 传动效率计算 223.6 本章小结 234 第二级少齿差行星传动的静力学分析 244.1 建立几何模型244.2 第二级行星传动的静力分析244.4 本章小结27重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目录IV5 轴装串联少齿差行星传动的动力学仿真 285.1 三维模型的建立 285.2 添加约束与施加载荷 285.3 仿真结果分析 295.3.1 动力特性分析结果295.3.2 运动特性分析结果305.4 本章小结 326 结论33致谢34参考文献 35重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪论11 绪论1.1 课题研究背景现代工业的发展要求机械装置结构小，重量轻，精度高，效率高和经济性能好。特别是现代工厂广泛运用机器人进行加工，对这些要求都极高。而近几年才发展起来的少齿差行星齿轮能够很好的满足以上要求，并且大量应用于工业各领域，它具有以下优点： 加工方便、制造成本低，采用普通的齿轮刀具和齿轮机床就可以加工，不需要特殊的刀具与专用设备，材料也可采用普通齿轮材料。 传动比范围大，单级传动比为 101000 以上。 由于其输入轴和输出轴安装在同一轴线上，使用较为方便。 结构紧凑、体积小、重量轻。采用内啮合行星传动这种结构紧凑的传动模式；和同类型的齿轮相比，体积和重量可以减少 1/32/3。 效率高，当传动比为 10200 时，效率为 82%95%。噪音小、运转平稳、承载能力大。因为内啮合传动的两个齿轮的曲率中心在同一个方向上，并且曲率半径接近，所以接触面积大，极大地提高了齿轮的接触强度。另外，少齿差传动是 39 对轮齿同时处于啮合中，其传递力矩比普通圆柱齿轮减速器大 1。由于少齿差内啮合传动的两齿轮齿数差很小，非常容易产生各种干涉，齿轮几何参数非常难选择。在 1949 年，前苏联在理论上解决了一齿差传动几何参数的计算问题。但是直到二十世纪 60 年代以后，少齿差传动才得到迅速的发展 2。二十世纪 70 年代中期，日本已开始生产圆弧少齿差行星减速器。1956 年我国朱景梓教授研究出一种新型少齿差传动机构，这种 “双曲柄输入少齿差传动机构”得到国内外同行高度评价。1963 年朱景梓教授又发表了齿数差为 1 的渐开线K-H-V 型行星齿轮减速器及其设计 3，详细分析了少齿差行星传动的结构特点。这为我国的少齿差行星齿轮传动的发展起到了重要的指导作用。随着国内外少齿差行星齿轮传动研究的不断深入，现在已成功开发出许多新型少齿差行星齿轮传动。国内外对齿形分析、接触分析、结构强度、动态性能、传动效率、运动精度等方面进行了大量的研究计算，并且利用计算机对减速器各主要部件进行三维建模、仿真、干涉检查等，缩短了产品的开发周期。朱才朝和秦大同对 N 型行星齿轮传动进行了基本结构分析，建立力学模型，得到的结论是环式减速器的惯性力或惯性力矩不平衡 4。陈兵奎，洪沙等对平行轴少齿差传动轮齿的接触问题进行了动平衡研究，并且计算了平行轴少齿差传动内齿轮副啮合重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪论2过程中实际互相接触的轮齿对数、齿间载荷的分配及齿面载荷分布 5。范元勋和王华坤采用遗传算法模拟生物的自然进化过程来对少齿差传动的参数进行优化。通过优化能获得良好的传动性能 6。1.2 论文相关内容的研究现状1.2.1 齿轮接触有限元的研究现状齿轮接触的有限元分析在 20 世纪 70 年代就已经开始，但是仅仅局限于计算挠曲变形。只是采用赫兹公式来进行近似计算，不够精确。齿轮接触有限元分析在 20 世纪 90 年代才算真正开始。以前的计算都是根据试验来计算，计算简单、结果不准确；没有分析计算误差，没有考虑齿轮变形的影响，没有考虑摩擦力的影响等等。接触非线性的计算有许多方法，其中罚函数法由于使用方便和经济效益高而得到大量使用。以前对于齿轮类接触，使用点对点的接触单元，模型的构造很麻烦，很难保证计算结果的精度。随着有限元法的发展，新的接触单元法可以产生足够精确的网格。用有限元对齿轮接触进行仿真分析，对整体精度和经济效益影响极大 7。齿轮接触有许多研究方向，比如摩擦力对接触应力的影响，轮齿变形对接触变形的影响，有限元网格的疏密对分析精度的影响，加工误差和装配误差对接触的影响，温度对接触应力的影响等。目前国内外有很多利用有限元对齿轮接触问题的研究，其研究工作包括了上面的一些问题。杨生华研究了影响接触应力的罚因子，研究结果表明罚因子的大小会影响计算效率和计算精度，罚因子越大计算误差越小，但如果罚因子太大，计算速度会降低 8。由美雁利用 ANSYS 有限元软件分析不同接触刚度比例因子对不同的接触应力的影响 9。同时在有限元分析中网格的划分对于接触应力求解结果也有着相当大的影响，高创宽采用基于圣维南原理的局部优化网格化方法，建立了更为合理的有限元计算模型网格 10。因为齿轮的应力计算的规模比较大，使用一般的计算机很难做到全面分析又高精度的要求。但是基于圣维南原理 11的局部网格化理论能够很好的解决这个问题。王立华通过对高速重载下的齿轮滚子疲劳试验的结果得出齿面摩擦力对接触应力是否有影响与齿轮的转速、材质、齿数、模数以及润滑等因素有关。而这些因素可用一个无量纲参数 S 来表示。S 存在两个临界点 A 和 B。当 SA 时，齿面摩擦力可使齿面接触应力增大 10%左右；当 SB 时，摩擦力影响较小，可忽略不计；当 AS B 时，其影响幅度随 S 的递增急剧减少，并在 S=B 附近达到最低。王立华还对高速重载齿轮进行分析，不仅对齿轮有限元接触分析的一些基本因素进行了考虑，还考虑了高速工况下的离重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪论3心力作用，这种分析更加贴近实际工作情况 12。由于齿轮齿间摩擦力会使齿轮接触齿面瞬时温度升高，高温所产生的热变形会非常严重地影响齿轮的承载能力和工作能力，并产生很大的振动、噪声。王晓笋，巫世晶提出了用有限元半解析法来分析直齿轮三维边界非线性温度场的计算过程，并且对换热边界条件的处理进行了适当的研究 13。国外有人对齿面接触应力与温度的关系进行了研究，建立了热弹接触有限元模型，计算不同接触区域产生的接触应力和温度的关系，准确地了解了齿轮的工作状况 14。1.2.2 虚拟样机技术的研究现状虚拟样机技术是在 20 世纪 90 年代中后期发展起来的一种实用的现代设计方法，是 CAX、DFX 、建模、仿真等技术相互结合的产物。它的基本思想是，首先在计算机上建立二维或三维模型，对模型进行各种性能分析，然后根据分析结果改进样机的设计方案，用数字化来替代传统的物理样机。虚拟样机技术的引入，可以极大简化工业产品的设计开发，缩短产品开发周期，还能够减少产品开发费用、成本和风险，明显提高产品的质量和性能 15。在美国、德国等发达国家许多企业广泛使用虚拟样机技术。Caterpillar 公司使用虚拟样机技术，革命性的改进了设计和试验步骤，能够实现快速虚拟试验和多种设计方案的确定，降低产品设计成本的同时性能却更加优越。John Deere 公司利用虚拟样机技术对工程机械在高速行驶时的蛇行现象以及在重载下的自激振动问题进行了研究并且提出了改进方案。世界上最大的工程机械制造企业卡特彼勒公司采用虚拟样机技术，对装载机和挖掘机等的工作装置进行运动和受力分析。还有如波音、福特等世界性的大公司都不同程度的将虚拟样机技术引入到产品开发中，而且获得了非常好的经济效益。我国虚拟样机技术最早是应用在军事、航空领域，比如飞行器动力学设计、武器的制造、导弹动力学的分析等。随着有限元技术的发展，虚拟样机技术在机械工程、航空航天、汽车制造、军事国防等领域得到了广泛的应用，对很多具体的机械产品的设计制造产生了巨大的影响。例如月球表面探测机器人的研究，就是运用虚拟样机技术对其中的关键技术进行深入研究，并且取得巨大的进步。在高校的研究实验室中，浙江大学进行了分布式虚拟现实技术、虚