【论文】行星摆线针轮减速器的结构设计

行星摆线针轮减速器的结构设计 I 摘 要 摆线针轮行星减速器具有体积小、重量轻、传动效率高的特点。本设计在考虑多齿啮合、 运转平稳、 轮齿均载等运动学和动力学的要求基础上， 实现高承载能力、高传递效率、高可靠性和优良动力学性能等指标，同时也兼顾便于制造、装配和检修的要求。在设计过程中建立了动力分析数学模型，对摆线针轮传动中的摆线轮、转臂轴承、柱销及轴进行准确的受力分析，并用 算并校核主要件的强度和使用寿命，分析结果显示各主要构建性能指标均符合要求。利用 软件对摆线针轮减速器各零件建立几何三维模型 ,虚拟装配。根据实际工程需要，在多体动力学理论基础上，利用 G、在此基础上，对摆线针轮减速机构进行了性能仿真。 关键词 ： 摆线传动，摆线针轮，减速机构，三维仿真 行星摆线针轮减速器的结构设计 he is of of by In to of it we in we of by of We of in of we we of ， on of to of AE to he on of ； 星摆线针轮减速器的结构设计 目 录 第一章 绪论 . 1 本概念 . 1 产品设计概述 . 2 的工作流程 . 2 产品设计的一般过程 . 2 三维造型的步骤 . 3 介 . 4 线针轮减速器的发展 . 5 星摆线针轮减速机构特点简介 . 6 第二章 摆线针轮减速器传动理论与设计方法 . 7 线针轮减速器的传动原理与结构特点 . 7 线针轮行星传动的传动原理 . 7 线针轮减速器的结构特点 . 7 线针轮传动的啮合原理 . 8 线轮的齿廓曲线与齿廓方程 . 12 线轮齿廓曲率半径 . 13 线针轮传动的受力分析 . 15 齿与摆线轮齿啮合时的作用力 . 15 出机构的柱销（套）作用于摆线轮上的力 . 19 臂轴承的作用力 . 20 线针轮行星减速器主要强度件的计算 . 20 面接触强度计算 . 20 齿抗弯曲强度计算及刚度计算 . 21 臂轴承选择 . 22 出机构柱销强度计算 . 22 第三章 摆线针轮减速器的设计计算 . 23 线轮、针齿、柱销的计算 . 23 出轴的计算 . 26 入轴的计算 . 30 行星摆线针轮减速器的结构设计 滑与密封 . 34 第四章 基于 的摆线针轮减速器设计 . 35 模 . 35 线轮 . 35 销套和针齿壳 . 35 偏心套 . 36 出轴 . 36 拟装配 . 36 第五章 摆线针轮减速机的有限元分析 . 38 限元分析简介 . 38 算机辅助设计技术的整合应用 . 38 算机辅助工程的技术 . 38 算机辅助工程的整合 . 39 速机的整机构 析 . 40 定分析类型和计算方法 . 40 模型施加约束条件 . 40 模型进行有限元分析 . 40 议 . 43 关系统优化的建议 . 43 于机构间隙 . 44 于公差优化 . 44 第六章 结束语 . 45 参考文献 . 46 致谢 . 46 声明 . 46 行星摆线针轮减速器的结构设计 1 第一章 绪论 在科技飞速发展的今天 ,产品设计已经进入了一种全新的三维虚拟现实的设计环境中 ,以往的那种以二维平面设计模式为代 表的设计方式已经逐渐退出 “历史舞台 ”,取而代之的是各种先进数字化的三维设计技术。它的应用和发展引起全了社会和生产的巨大变革。 减速器是各种机械设备中最常见的部件 ,它的作用是将电动机转速减少或增加到机械设备所需要的转速 , 摆线针轮行星减速器由于具有减速比大、体积小、重量轻、效率高等优点，在许多情况下可代替二级、三级的普通齿轮减速器和涡轮减速器，所以使用越来越普及，为世界各国所重视。 目前，国内大多数相关企业还停留在传统的设计方法上，最终的设计方案常常需要对物理样机进行反复的实验验证才能得出是否合格的结论。 这种方式严重地阻碍了科学技术向现实生产力的转化。在我国，大部分企业目前仍在二维平面图形电子图版式绘制中长久徘徊不前， 任何形式的标准件图库的丰富与线条绘制方法的完善都无法摆脱功能单一这一致命缺陷， 即使少数单位对三维仿真系统进行了研究， 但由于设计缺少系统性和一体化观点， 因此没有较强的适应性和生命力。另外，企业对几何仿真系统的理论和整体性研究很少，使造型功能和物理模型的处理脱节，所以很难产生较实用的仿真系统。因此，现在急待解决的问题是如何合理、高效地利用、开发虚拟样机理论这一先进理念与相关技术资源，使之在虚拟空间中更有效地为现实世界服务。 本文运用 软件建立摆线针轮减速器结构三维模型 ，研究了摆线针轮减速器可视化设计方法和虚拟装配， 研究的结果对提高摆线针轮减速器设计的速度和质量具有指导意义。并且对其做有限元分析，更进一步了解其工作性能。 本概念 计算辅助设计 (是指工程技术人员在人和计算机组成的系统中以计算机为工具 ,辅助人类完成产品的设计 ,分析 ,绘图等工作 ,并达到提高产品设计质量 ,缩短产品开发周期 ,降低产品成本的目的。 一般认为 (1)概念设计； (2)结构设计； (3)装配设计； (4)复杂曲面设计； (5)工程图样绘制； (6)工程分析； (7)真实感染及渲染； (8)数据交换接口等。 摆线针轮行星传动 ,简称摆线针轮传动。它与渐开线少齿差行星传动一样，同属于 线针轮传动的主要特征是：行星轮齿廓为变幅行星摆线针轮减速器的结构设计 2 外摆线的内侧等距曲线，中心轮齿廓为圆形。 摆线针轮减速器 ,利用摆线针轮行星传动原理制成的一种减速器 ,它的优点是减速比大、体积小、重量轻、效率高等。 产品设计概述 的工作流程 软件在产品的设计制造过程中，体现了并行工程的思想，在产品设计的早期，它的下游应用部门（如工艺部门、加工部门、分析部门等）就已经介入设计阶段，所以设计过程是一个可反馈、修改的过程。 强大的参数化功能能够支持模型的实时修改，系统能自动刷新模型，以满足设计要求。由此，这种设计过程不必等产品全部设计完，才进行下游工作，而是在产品初步设计后，进可进行方案评审，并不断修改设计，直到达到设计要求。应用 软件进行产品设计的工作流程如图 2 图 1的工作流程 产品设计的一般过程 （ 1） 先做准备工作 阅读有关设计的初始文档，了解设计目标和设计资源。 收集可重复使用的设计数据 定义关键参数的结构草图 了解产品装配结构的定义 编写设计细节说明书 建立文件目录 （ 2） 再应用 进行设计 建立主要的产品装配结构 行星摆线针轮减速器的结构设计 3 在装配设计的顶层定义产品设计的主要控制参数和设计结构描述 将这些参数和结构描述数据 保存整个产品设计结构 对不同了部件和零件进行细节设计 随时进行装配层上的检查 三维造型的步骤 （ 1）理想模型的设计 这里应该了解主要的设计参数、关键的设计结构和设计约束等设计情况。 （ 2）主体结构造型 找出模型的关键结构，如主要轮廓和关键定位孔等结构。关键结构的确定会对造型过程起到关键性作用。 对于复杂模型而言，模型的分解是造型的关键。如果一个结构不能直接用三维特征造型来完成，就需要找到该结构的某个二维轮廓特征。然后用拉伸、旋转或扫描的方法，还可以用曲面造型的方法来建立该模型。 允许用户在一个实体设计上使用多个特征，这样就可以分别建立多个主结构，然后在设计后期将它们用布尔运算连接在一起。对于能够确定的设计模型，应该先造型，而那些不能确定的设计部分应该放在造型后期来完成。 在进行主体结构造型时，要注意设计基准的确定。设计基准常将决定设计的思路，好的基准会帮助简化造型过程，并方便后期的设计工作。 （ 3）零件的相关性设计 允许用户在建模完成之后，再建立零件之间的参 数关系。但更直接的方法是在造型中就直接引用相关参数。 （ 4）细节特征设计 细节特征设计一般放在造型的后期阶段， 一般不要在早期阶段进行这些细节设计，这样会大大加长设计周期。 基本操作流程 的功能操作都是在零部件文件的基础上进行的， 的文件是以“式保存的。下面介绍 基本的操作流程。 （ 1）启动 。 （ 2）如果是新的设计，应该先建立一个新的文件名。如果是修改一个已有的零件，可以打开已经存在的文件。 （ 3）根据设计需要，进入相应的设计功能模块，如建模、制图、装配和结构行星摆线针轮减速器的结构设计 4 分析等模块。 （ 4）进行相关的准备工作：如坐标系、 层和参数的预设置，为具体的设计指定相应的参数，它们会影响用户的后续操作。 开始做具体的设计操作。 检查零部件模型的正确性，如果有必要，对模型进行相应的修改。 保存需要保存文件后，退出系统。 介 一专用的有限元分析工具。目前，有限元求解算法已经比较成熟。因此本技术的应用将有助于对机构的载荷与边界条件做出恰当校核， 预测机构在强度与刚度上存在的致命缺陷， 更重要的是它能准确分析在不同工况下零部件的振动模态与固有频率，为虚拟样机提供柔性元素，从而提高整个样机的置信度。 持的图形传递标准包括 及 且与下面的 件有接口 : 支持的硬件平台包括 :C、 。 如下的技术特点及功能。 能够实现多物理场 (如结构、温度场、流畅、电磁场 )之间的耦合分析。耦合指 耦合单元或物理环境中的分析结果可以作为其它 “耦合单元 ”或 “物理环境 ”的载荷约束，耦合可以是双向的。 用户界面友好，程序结构清晰，用户易学易用。 完全交互式的前后处理和图形软件，大大减轻了用户创建工程模型、生成有限元模型以及分析和评价计算结果的工作量。 强大的几何非线形、材料非线形及单元非线形分析功能。 具有多物理场优化功能。 丰富的网络划分工具，支持自由网格、映射网格、智能网格、自适应网格等，以确保单元形态及求解精度。 灵活、快速的求解器，有稳定可靠的传统波前求解器，也有高速、高精度的解器，以及专门用于 特征值求解器等。 统一和集中式的数据库，保证了系统各模块之间可靠、灵活的集成。 其 块实现了它与多个 件产品的有效连接。 其强大的并行计算功能支持分布式并行及共享内存式并行。 行星摆线针轮减速器的结构设计 5 列的各种产品和适应于各种计算机系统平台的版本，为用户提供了各种可能的选择。 线针轮减速器的发展 1926年德国人 L 是在少齿差行星传动结构上， 首先将变幅外摆线的内侧等距曲线用作行星轮齿廓曲线而把圆形作为中心轮齿廓曲线，和渐开线少齿差行星传动模式一样，保留 zX型行星齿轮传动。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；传动平稳和噪声低。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，因而承载能力较大，啮合效率要高；还由于摆线轮和针轮的轮齿均可淬硬、精磨，较渐开线少齿差传动中内齿轮的被加工性能要好，齿面硬度更高，因而使用寿命要长；加上摆线轮的加工技术已经过关，专业加工设备齐全，摆线轮已纳入专业通用件，在国内已做到通用化批量生产，生产成本下降，因此摆线针轮传动的减速器当前广为应用。摆线针轮减速技术至今， 虽在品种、 规格等方面做了不少改进， 但再没有作本质、原理上的创新。现今摆线针轮减速器，其原理和结构还是 1926年德国的原型。 目前，摆线针轮的研究在国内外都在积极发展，日本住友重机械株式会社的“80系列 ”极大提高了性能，从 1990年开始，住友机械株式会社在 “80系列 ”的基础上推出最新 “90样本 ”的摆线针轮减速器，它的机型由 15种扩大为 21种，传动比由8种扩大为 16种。我国对日本提高摆线针轮减速器性能的主要技术措施已进行较深入的分析，而且在赶超世界水平方面也有自己的创新成果，如符合工程实际的对摆线轮与输出机构受力进行分析及摆线轮齿形的优化设计等。 摆线针轮减速器所传递的最大功率为 132入轴最高转速为 1800r/国在研究直升飞机传动装置时所做的摆线针轮传动试验样机，采用四片摆线轮， 可以保证输入轴动平衡的新结构， 输入转速达 2000r/传动功率达 205 在设计技术方面，我国减速机的设计、生产早已指定标准、形成系列，而且我国对于日本有关提高行星摆线针轮减速机构性能的主要技术措施己进行了较为深入的分析，并在某些方面也有自己的创新成果，例如对摆线轮与输出机构受力进行准确分析的方法及摆线轮齿型的优 化设计等。但总体上与国际相比 (主要是欧洲国家和日本 )仍有较大差距。有关资料显示， 国际上先进的减速机不仅性能突出，而且还在摆线针轮、齿轮等设计及计算方法、外形尺寸设计、安装方式等方面很有借鉴价值。 在技术应用方面，国内的行星齿轮检测手 段落后，尤其是行星摆线针轮减速行星摆线针轮减速器的结构设计 6 机更为突出。行星摆线针轮减速机采用一种比较新型的传动方式，结构复杂、精度要求高，因此更需要严格、精密的检测手段支持，但至今为止，检测的设备和手段只能简单描述输入和输出响应、温度变化，并以此来粗略推断减速器内部工作状况，而啮合时齿轮齿形干涉情况、齿面的受力、系统振动等系统内部的重要参数都无法得到。这一点严重阻碍了在工程实际中对系统的研究、优化和进一步开发创新，从而也就难以摆脱对国外高新技术及设备的倚赖。 在机构性能方面，目前我国存在的主要问 题是精度低、生产效率低、使用寿命短，其中寿命短的问题尤为突出。 星摆线针轮减速机构特点简介 行星摆线针齿轮减速机是一种应用行星传 动原理，采用摆线针齿啮合，设计先进，结构新颖的减速器机构。它广泛用在各种传动机械中。 结构 :全部装置由三部分组成 :输入部分、减速部分、输出部分。 特点 : 1、体积小、重量轻 由于采用了行星传动结构与紧凑的 W 输出机构，使整个摆线针轮减速装置结构十分紧凑，因此缩小了体积，减轻了重量。 2、强度高 摆线针轮减速机同时啮合的齿数较多，理论上有一半的齿数。即使受加工误差和间隙的影响，实际的啮合齿数也可达到 34 个。 3、传动比范围大 由于采用了一齿差或少齿差传动，摆线针轮减速机的传动比范围较大。其传动比大小取决于行星轮的齿数 (即摆线针轮的齿数 )，齿数越多，传动比越大。 4、效率高 由于在摆线针轮行星减速装置中压力较大的接触零件，如针齿、销轴等采用了加套筒的结构，使其在啮合过程中进行传动，并且零件的加工和安装精度要求较高，因此减速装置的效率很高。 5、使用寿命长 由于摆线针轮行星减速装置是多齿啮合，每个齿的承载相应减少，并且使部分滑动摩擦改善为滚动摩擦，同时制造精度较高，因而大大增强了构件的机械性能，延长了使用寿命。 行星摆线针轮减速器的结构设计 7 第二章 摆线针轮减速器传动理论与设计方法 线针轮减速器的传动原理与结构特点 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。其中针轮，摆线行星轮， 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 2=2 . 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。 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 180o。 （ 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 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 180o,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 2 2 摆线针轮减速器基本结构图 图 2 2 为摆线针轮传动的典型结构 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。 行星摆线针轮减速器的结构设计 9 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。 公式（ 2 式中 1K 变幅系数。 a外切外摆线摆杆长度 2r 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。 1= 公式（ 2 式中 变幅系数 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 将外摆线划分为 3 类 : 短幅外摆线 01。 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 2 3。令短幅外切外摆线基圆半径代号为 圆半径为 幅系21行星摆线针轮减速器的结构设计 10 数为 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=根据等同条件 ,中心距 A=r1+ 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 切外摆线的基圆半径为 = 21两种外摆线的参数换算关系归纳如表 2 1 表 2 1 参数表 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 1r 1r 滚圆半径 2r 2r 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 111 公式（ 2 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2 律记为 ,并称之为相位角。 （ 1）直角坐标参数方程 根据图 1,摆线上任意点坐标为 =行星摆线针轮减速器的结构设计 11 图 2 3 短幅外摆线原理图 根据纯滚动原理可知 221 ，故121/ = ，又 )(1 += ，于是有11 ，=11 ， 将1 与 的结果代入上述方程： , 公式 (2公式 (2式 (4)与式 (5)是变幅外摆线通用直角坐标参数方程。 若令上两式中的 ,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= 对于内切外摆线 ,式中的 A=A= 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 23)： 公式（ 2 = 公式（ 2 =111=111+=行星摆线针轮减速器的结构设计 12 同理 , 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 22，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12 p=2212 当2r 圆上的 B 点在动圆滚过周长12 次与1r 圆接触时，应是在1r 圆上的另一点1B ，而1 这也就是摆线轮基圆1r 上的一个基节 p，即 2)(212= 公式（ 2 由此可得摆线轮的齿数为 22111=公式（ 2 针轮齿数为 12221222+=+=2 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，见图 2齿中心圆半径为针齿套外圆半径为。 行星摆线针轮减速器的结构设计 13 图 2摆线轮参数方程图 则摆线轮的直角坐标参数方程式如下： 1010)=公式（ 2 实际齿廓方程 公式（ 2 针齿中心圆半径 针齿套外圆半径 f 转臂相对某一中心矢径的转角，即啮合相位角（o） 针齿数目 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 22. .()()x 2 010)=行星摆线针轮减速器的结构设计 14 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 , 2. .y 对 的二阶导数 , 2. 将式 (4)和式 (5)中 x 和 y 分别对 取一阶和二阶 导数后代入 的表达式得 公式（ 2 以 代入式 (14),得标准外摆线的曲率半径为 =-4Aa/(A+a) /2) 式中 A=r1+=a=a=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 代入式 (14)进行运算表明 , 时，理论齿廓在该处的等距曲线就23/211311 1(1 2 (1 / ) 1 / )=+23/211311 1(1 2 (1 / ) 1 / )=+行星摆线针轮减速器的结构设计 15 不能实现， 这种情况称为摆线齿廓的 “顶切