软包装电池生产线——移胶转盘（移胶贴胶机构）部件设计.doc
软包装电池生产线——移胶转盘（移胶贴胶机构）部件设计
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软包装电池生产线——移胶转盘（移胶贴胶机构）部件设计,软包装,电池,生产线,转盘,移胶贴胶,机构,部件,设计
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软包装电池生产线移胶转盘部件设计摘 要：该移胶转盘是用于两垂直交错轴间的间歇移胶转盘步进传动。由弧面凸轮、从动移胶转盘以及在从动移胶转盘径向均布的滚子组成。由于弧面移胶转盘移胶转盘具有传动速度高、移胶转盘精度和动力学性能好、承载能力大、可靠性好等优点，所以广泛应用于各种自动机械. 移胶转盘部件具有结构简单，能自动定位以及动静比可任意选择的特点，与棘轮移胶转盘、槽轮移胶转盘、针轮移胶转盘等几种传统的间歇运动移胶转盘相比，更适合于要求高速、高移胶转盘精度的场合，因而广泛应用于各种多工位自动机械、直线步进机械中。随着自动机械向高速化、精密化、轻量化的方向发展，现有移胶转盘部件已难满足更高要求的需要。关键词：弧面凸轮，参数分析，运动仿真Abstract:The globoidal indexing cam mechanism,which consists of a driving globoidal indexing cam and driven turret with four or six cylindrical rollers was firstly designed by an American,C.N.Neklutin,in 1920s and was manufactured by his own company in series and standard.The globoidal indexing cam mechanism has been using in many kinds of automatic machinery.It has great advantage over other indexing mechanisms,such as high speed、precise index and excellent kinetics.The indexing cam mechanisms are more suitable to the work conditions where high speed and accurate output precision are needed,and have been widely used in all kinds of multi-steps machines,linear intermittent machines due to their advantages of simple structure,automatic positioning compared with other intermittent mechanisms. However,existing indexing cam mechanisms cant meet the requirements of the fast development of automatic machines.Key words：globoidal indexing cam,Parameter analysis,Motion simulation. 第一章 绪论1.1电池产业发展概述1.1.1世界电池产业发展概述 从1836年丹尼尔发明电池开始，电池产业发生了翻天覆地的变化，1859年出现铅酸电池，1883年成功研制出氧化银电池，1888年实现电池的商品化，再到1899年的镍镉电池与1901年的镍铁电池，电池产业的发展对人类生活与科技生产产生了深远的影响。二十世纪初，电池在理论与技术上的研究一直都没有大的进展。电池第二次的发展高潮是在二战以后：为了适应重负荷用途的需要，发明了碱性锌锰电池；镍镉电池于1951年完成密封技术；1958年提出把有机电解液作为锂一次电池的电解质来使用，20世纪70年代初期便实现了锂一次电池的军民两用。后来，各国越来越重视对环境的保护，开始主要研究蓄电池技术。至此，世界电池产业在20世纪初实现镍镉电池产业化后，在20世纪80年代得到迅速发展。 全球2000年电池产业价值共411亿美元（其中一次电池162亿，二次电池249亿）。电池是新世纪工业发展的主要方向之一，电子产业的龙头企业日本松下认为电池产业是新世纪三大基础产业之一，另外两个产业是日新月异的信息产业以及通讯产业。 21世纪以来，自动化水平低、人力成本高的劳动密集型产业模式在慢慢转变为自动化水平高、人力成本低的技术密集型产业，从世界的整个电池发展的地理布局以及发展状况来分，可分为三个区域： 第一类是实力最强的日本电池公司如松下电池工业公司、东芝电池公司以及日本三洋电池公司。日本电池公司大部分属于日本巨型跨国公司旗下，具有研发实力强、资金支持大以及规模化生产的特点。日本电池产业注重新产品的研发以及设备的改进，依托日本的高技术优势，研发新型高速自动化生产线，他们的产品可靠性高、性能稳定并且成本低，具有极大地竞争优势，在世界电池市场中占有半壁江山。 第二类是以法国萨福特（Saft)、德国瓦尔塔（Valta）、美国永备（Eveready）与美国杜拉谢尔（Duracell）为主的欧美电池企业，他们依托强劲的研发资源、自身的高技术需求以及政府的扶持，产品在国际上也具有较强的竞争力。 第三类是以韩国、台湾、新加坡为主的亚洲电池产业，他们大都是引进欧美及日本的技术，进行发展。也有部分企业是跟日本或欧美的有实力的电池企业合资，生产的产品也有一定的竞争力。 综上所述，外国的电池产业无论从技术、规模还是从发展软硬件、市场占有率来说都要在世界上占有绝对的领先地位。1.1.2国内电池产业发展现状 1911年，国内第一家电池生产厂家在上海成立，1921年第一家铅蓄电池生产厂家一上海蓄电池厂在上海建成。1941年延安中央军委三局分支的电信材料厂开始进行铅酸蓄电池的修理与锌锰干电池的生产。我国于1957年正式成立机电部电材局化学电源实验研究室，到1958年组建为新中国第一个电池研究机构电子工业部天津电源研究所。随后，河南新乡成立我国第一家专业电池生产工厂。上世纪末，NiMH电池项目与锂电池项目相继成为国家“863”项目，整个电池产业进入飞速发展时期。 从2005年到2007年，我国电池产业经历了翻天覆地的变化，整个电池产业链的各个环节都实现快速的增长：电池工业总产值由91亿元增至220亿元：整个电池产业销售收入从05年的88亿增长至07年的200亿；电池产业利润由亿增至50亿；全国电池制造企业也由832家增至903家。 近些年来，中国电池产业及市场份额的增长率保持在左右，企业规模与数量大幅增长，产品技术水平大幅提升，生产设备积极研发与改进，这些都使得中国电池产业在世界电池业中所占份额急剧攀升。据统计，中国的一次性电池以年产量200亿只的规模超过美国和日本，成为第一大电池产销国；二次性电池产量也在赶超日本欧美电池企业，至今已成为仅次于日本韩国的第三大生产国。 电池作为中国重点发展的产业之一具有良好的发展前景。二十一世纪的电池是真正绿色环保、具有优良的高温性能、工作电压平稳、安全系数高、体积小、容量大、重量轻的电池，是能够满足我国日益崛起的信息产业电源需求的电池，是能够为国家带来高科技、高外汇的的电池，因此发展电池产业具有极高的战略意义。 电池产业虽然已经获得了较高的重视以及快速良好的发展，但仍受到国外高端电池企业的技术封锁和成本急剧上升的严重制约，产品技术老旧，生产设备自动化程度低，所以中国企业自身要加大研发力度，积极改进开发新生产设备，适应国内国际环境的需要。1.2弧面凸轮的概述弧面凸轮移胶转盘(Globoidalcammechanism)又称为蜗形凸轮移胶转盘或滚子齿形凸轮移胶转盘，该移胶转盘可用于高速间歇移胶转盘，与传统的间歇传动移胶转盘如棘轮移胶转盘、槽轮移胶转盘、不完全齿轮移胶转盘等相比，具有传动速度高、移胶转盘精度和动力学性能好、承载能力大、可靠性好等优点，而且通过弧面凸轮与从动件滚子的共扼啮合传动，可以实现从动件所需要的各种运动规律。目前己广泛应用在烟草机械、包装机械、加工中心换刀机械手等自动机械中。1.3国内外发展状况概述弧面移胶转盘部件是由美国人C.N.Neklutin于20世纪20年代发明的，并由其所创建的Ferguson公司首先进行了系列化标准化生产。之后，前苏联、英国、匈牙利、瑞士、日本等国也相继对弧面移胶转盘部件进行了研究，并成立有专门的生产厂家和研究移胶转盘。在弧面凸轮的几何学与运动学方面，英国的C.J.Backhouse首次采用微分几何与包络原理等方法对弧面凸轮的几何学进行了深入研究。而目前，在日本、德国、俄罗斯和瑞士等国家已实现弧面凸轮的标准化系列化生产。由于弧面移胶转盘移胶转盘具有传动速度高、移胶转盘精度和动力学性能好、承载能力大、可靠性好等优点，所以广泛应用于各种自动机械，如烟草机械、包装机械、加工中心换刀机械手等。在加工制造方面，国外和台湾地区大都采用范成法在数控机床上加工。范成法的理论和加工技术已经非常成熟。在数字化加工方面也有所探索。但可查到文献不多。国外学者在弧面凸轮的应用方面也开展了大量的工作。我国对弧面凸轮的研究起步较晚，直到20世纪70年代末期才开始相关的研究工作，但经过20多年的努力，目前已在弧面凸轮的设计、检测、制造等方面取得了丰硕的成果，在弧面凸轮的制造方面，国内也都是采用范成法，另外对两重包络法、刀位补偿法和自由曲面法也做了理论研究。其中，西北科技大学(原西北轻工业学院)、山东轻工业学院、大连轻工业学院、天津大学、山东诸诚恒瑞精密机械有限公司、西安科达凸轮制造有限公司等高等院校和厂家都做了大量的研究，例如西北科技大学的曹西京等人研制了一种专门用于弧面凸轮磨削的数控磨头，山东轻工业学院的刘兴国开发了一种五坐标数控机床XH756来加工空间弧面凸轮，这种机床可以用较小的中心距来加工大中心距的弧面凸轮，南方航空动力机械公司从国外引进的一台五轴加工中心，并配置了行星磨削装置，可实现弧面凸轮的行星磨削。但是，这些研究大多集中在普通弧面凸轮方面。1.4弧面凸轮及弧面凸轮移胶转盘的研究展望与传统的移胶转盘相比，弧面凸轮移胶转盘在动力学性能、承载能力、移胶转盘的精度以及移胶转盘的速度方面均有不可比拟的优越性，被誉为是最理想的间歇传动移胶转盘，具有广阔的市场前景。从目前弧面凸轮移胶转盘的研究与发展分析，弧面凸轮移胶转盘未来的研究重点与方向可分为如下几个方面:1、弧面凸轮移胶转盘的结构改进与创新针对与圆柱滚子共扼啮合的弧面凸轮移胶转盘在实际应用中存在的缺陷，结合其他理论已相对成熟的传动移胶转盘，如蜗轮蜗杆传动移胶转盘、齿轮传动移胶转盘、滚珠丝杆传动移胶转盘等，对弧面凸轮移胶转盘在原理上和结构上进行改进，以拓宽弧面凸轮移胶转盘的应用领域。2、弧面凸轮移胶转盘的动力学研究弧面凸轮移胶转盘主要是运用于高速、高精度的移胶转盘与传动场合，动力学性能的好坏将是弧面凸轮设计与制造质量的主要评价指标之一。有关弧面凸轮移胶转盘的动力学研究一直是该领域的一个难题，也将是该领域的重要研究方向。基于弧面凸轮啮合传动过程中的摩擦、磨损与润滑状态分析，改进弧面凸轮移胶转盘的设计参数，进行弧面凸轮移胶转盘的摩擦学设计，以改善其动力学特性，以及设计有效的动力学性能测试装置，将是一个值得研究的课题。3、弧面凸轮CAD弧面凸轮是种结构复杂的空间凸轮，计算机辅助设计是实现弧面凸轮精确设计的唯一手段。自从我国对弧面凸轮移胶转盘进行研究以来，弧面凸轮的CAD一直是研究的重点，特别是九十年代以来，随着三维以D软件的问世，开发操作界面良好的弧面凸轮三维以D软件和弧面凸轮移胶转盘的运动仿真系统，以对运动过程进行模拟与仿真，进行装配干涉检查和加工误差的虚拟检测将是个很有价值的研究课题。4、弧面凸轮的制造及其廓面修形的研究弧面凸轮对表面质量和加工精度的要求非常高，在装配过程中，弧面凸轮移胶转盘对加工误差特别敏感，容易出现装配干涉。进行弧面凸轮的廓面修形研究，提高弧面凸轮移胶转盘的装配性能和降低其装配对加工误差的敏感性，是一个很有意义的研究课题;改进弧面凸轮的加工手段，提高弧面凸轮加工精度与表面质量也一直是人们思考的主要课题;此外，从加工原理上进行改进，探索弧面凸轮的单侧加工、刀具补偿加工、两重包络法加工，将是一个重要的研究方向。5、目前，弧面凸轮移胶转盘还没有完善的精度评价指标体系，也没有专门的检测工具。对于弧面凸轮的精度评价体系的完善以及检测方法与手段的探索将是一个重要的研究课题。1.5小结在当代机械制造业飞速发展过程中，现代机床制造业正在向“高速、精密、复合、智能和环保”的方向前进，而高速、高效加工在其中扮演着重要角色。在发达国家，围绕高速、高效的新型的移胶转盘，不仅在技术开发方面投入了大量精力和资源，而且在应用推广方面也取得了前所未有的进展。移胶转盘部件是由输入轴上的弧面凸轮与输出轴移胶转盘轮上的滚动轴承无间隙垂直啮合，从而实现间歇输出的新型传动移胶转盘。采用移胶转盘部件的弧面凸轮来移胶转盘箱，它已成为了当今世界上精密驱动的主流装置之一。它具有高速性能好，运转平稳，传递扭矩大，定位时自锁，结构紧凑、体积小，噪音低、使用寿命长等显著优点，是代替槽轮移胶转盘、棘轮移胶转盘、不完全齿轮移胶转盘等传统间歇移胶转盘的理想产品，产品广泛应用配套于各种组合机械、机床加工中心、烟草机械、化工灌装机械，印刷机械、电器制造装配自动生产线等需要把连续运转转化为步进动作的各种自动化机械上的必备的理想功能部件。第二章 总体分析设计弧面凸轮减速器的传动原理是基于移胶转盘部件。它一改涡轮蜗杆减速器的摩擦传动副为滚动副，使得传动效率大为提高H90%单级传动I=10-60传动功率0.5-100kw。其特点是传动效率高,能耗低，发热小，传动平衡，灵敏度高，其传动效率雄踞各类减速器之首。设计要求：移胶转盘面直径小于400mm，移胶转盘面垂直时中心高为260mm，中心定位孔尺寸50H620，移胶转盘T型槽宽度14mm，总传动比i=180，移胶转盘定位精度，重复定位精度，最大允许驱动力矩3000N/m。现设减速器为二级传动，第一级为蜗轮蜗杆传动，=62，第二级为弧面凸轮传动，=3。选用电机型号Y112M-4，转速1500r/min，额定功率4kw。2.1移胶转盘部件的基本结构和工作原理移胶转盘部件类似于弧面蜗杆传动，主动凸轮为轮廓呈凸脊状的圆弧回转与蜗杆一样可制成单头、双头或多头，大于三头的一般较少使用。从动移胶转盘上装有沿周向均匀分布的滚子。凸轮凸脊的旋向也与蜗杆旋向定义相同，分为左旋和右旋用L表示，右旋用R表示，在实际应用当中一般采用左旋较多。弧面移胶转盘部件因位段形式的差异可分为A型和B型两种结构类型，如图2-1所示。A型凸轮定位段是凸脊，移胶转盘盘上的两个滚子跨夹在凸脊上，B型凸轮的定位段是一个凹槽，移胶转盘盘上有一个滚子在定位段槽中。但无论是哪种结构的凸轮，其凸脊均有左右两个侧面。根据不同的旋向一侧为受力侧，推动移胶转盘盘转动，另一侧为几何定位侧，局部区域与滚子之间可以有一定间隙。这样便可实现凸轮体1的连续转动带动移胶转盘盘2的间歇移胶转盘运动，从而可以传递两垂直交错轴间的传动，整个运动过程如下：图所示的为单头左旋弧面移胶转盘部件，当凸轮体旋转时，其移胶转盘段轮廓推动滚子，使移胶转盘盘移胶转盘转位；而当凸轮转到其停歇段轮廓时，移胶转盘上的两个相邻滚子跨夹在凸轮的圆环面凸脊上，移胶转盘盘停止转动，所以这种移胶转盘不必附加其他装置就能获得很好的定位作用，并且可以通过调整中心距来消除滚子与凸轮凸脊之间的间隙，补偿磨损。在这种移胶转盘中，主动凸轮一般做等速连续旋转，但有时为了满足特殊的需要，如需要较长的停歇时间，也可以使凸轮作间断性的旋转。2.2 主要运动参数在设计移胶转盘部件时，往往需要根据工作要求确定该移胶转盘的一系列基本参数，主要包括：移胶转盘数I、弧面凸轮的节圆半径、动程角、从动盘的节圆半径、中心距C以及径距比等。由于各参数之间有着复杂的函数关系，不可能同时都为优先数，因此存在着各参数的合理选取问题。移胶转盘数I和从动盘移胶转盘期转位角参：移胶转盘数I是由弧面凸轮移胶转盘所服务的自动机械的生产工艺要求决定的。考虑到该移胶转盘的结构特点，移胶转盘数I一般在224之间选择（见表2-1），常用的移胶转盘数多为6或8。移胶转盘数太小时，压力角很大，传动性能较差；移胶转盘数太大时，从动盘径向尺寸太大，结构复杂，受转动惯量也很大，运转速度受到很大限，功率消耗很大。凸轮工作副中，若H为凸轮头数，则移胶转盘数I与从制间的关系是I=Z/H，弧面凸轮常用移胶转盘数及其对应头数见表，凸轮推动定的角度，完成一次移胶转盘运动。在一次移胶转盘周期中从动盘的转位角：凸轮动程角与动静比k：凸轮转一圈中，从动盘的转位时间与停歇时间，之比称为动静比k，通常希望动静比小一些好，动静比越小，则在一个移胶转盘周期内工作移胶转盘的操作时间所占比例越大，因此生产率越高。但在满足使用要求的前提下，不要一味追求小的动静比，这样会使动程角减小，负荷惯性矩增大，而且容易产生薄脊现象，降低凸轮负载能力。动程角指对应从动盘转过转位角时凸轮转过的角度，一般为90 330，标准规定间距为0，即90、120、150、180、210、240、270、300、330。中心距C：中心距C即从动盘与凸轮回转中心的距离。我国规定中心距为(40450)mm其公比为1.25。常用的中心距有(40、50、63、80、100、125、150、180、200)mm等。标准中选取了中心距作为系列设计时弧面凸轮移胶转盘的优先数系的自变量，这样不同的中心距对应不同的箱体尺寸，满足不同的功率需要，同一中心距选定不同的凸轮也可以实现不同的输出。凸轮的角速度，从动盘的角速度，从动盘与凸轮在移胶转盘期的最大角速度比：从动盘节圆半径：不同的中心距对应着不同的从动盘节圆半径。滚子尺寸的选择：滚子的半径、滚子的宽度b以及滚子端面与凸轮廓面的间隙e一般按如下公式进行选取并进行圆整，一般至少一般情况下，从动盘的滚子采用标准滚针轴承，因此在计算出滚子半径和宽度的取值范围后，可选用尺寸临近的标准滚子，然后根据所提供的力学参数进行计算和校核。凸轮节圆半径：在保证接触应力和压力角小于许用值的前提下凸轮尺寸不宜偏大以凑使移胶转盘尽可能紧。弧面凸轮的长度l：选取合适的凸轮长度l是很重要的，因为当凸轮长度太短时，易使传动中断，太长又容易发生干涉，凸轮的长度一般根据下列公式进行选取并圆整：2.3凸轮运动规律用于高速间歇移胶转盘的弧面凸轮移胶转盘，振动、噪声、冲击和磨损对工作性能的影响是十分严重的，因此在选择从动件运动规律时主要应考虑使其具有较良好的动力学特性，保证其加速度不太大而且不突变。移胶转盘部件的运动规律只有工作行程（升程）而无回程，即总是升停型运动曲线，升程为移胶转盘中从动移胶转盘的移胶转盘阶段，停程为从动移胶转盘的停歇阶段。常用的凸轮运动规律有三种，即：修正等速运动规律、修正梯形运动规律和修正正弦运动规律，在设计高速凸轮时，应根据具体情况选择运动廓面（曲线）。为了便于分析凸轮移胶转盘从动件各种运动规律的共同特性，常把时间t、位移s、速度v、加速度a、跃度j等运动参数进行无因次处理，用大写字母表示相应的无因次量。各种运动曲线的无因次速度V，无因次加速度A，无因次跃动J的最大值Vmax、Amax、J max皆为凸轮曲线的固有特性值，从运动学考虑，选择凸轮曲线时应分析这些因素。 (1)无因次最大速度Vmax重载荷即随动质量大的载荷，应当Vmax小的曲线，离心力较大时，采用Vmax小的曲线较为合适，另外，Vmax小的曲线使得最大压力角也小，凸轮的尺寸也可以小些，Vmax最小的曲线是等速度曲线Vmax=1。(2)无因次最大加速度Amax因为惯性力和移胶转盘质量及加速度有关，惯性力越大，从动件助振力越大，所以移胶转盘质量大时，应选取Amax值较小的运动曲线。另外，Amax关系到从动件与凸轮间法向载荷，而凸轮移胶转盘的强度主要根据凸轮接触强度和销轴弯曲强度来计算，因为任何应力都与法向力成正比，所以凸轮强度也与Amax有关，Amax越小，许用应力也越小，极限速度也越小，因此高速凸轮应选用Amax小的曲线。 (3)无因次最大跃动J max最大跃动J max表示加速度的最大斜率，其值的大小与从动件的振动有关。转速越高时，振动频率越接近随动件的固有频率，移胶转盘将产生共振。此外，Jmax值越大，振动分量的振幅越大。下表是几种常用运动规律的特性值，其运动规律的计算公式分别介绍如下：修正正弦运动规律：修正正弦曲线是由两种不同周期的正弦曲线拼合而成。其最大速度值较小，最大加速度不大，可以将凸轮的尺寸做得小些，扭矩也较小，一般在负荷未知的情况下优先选用修正正弦运动规律。这种运动规律由三段曲线组成，中部为周期较长的正弦加速度，首末两段为周期较短的正弦加速度，其位移、速度、加速度、跃动曲线如图所示。行程开始部分周期较短的正弦加速度段：行程中周期较长的正弦加速度段：行程终了部分周期较短的正弦加速度段：2.4弧面凸轮廓面设计共轭接触的基本条件: 弧面凸轮的工作廓面是空间不可展曲面，很难用常规的机械制图方法进行测绘，也不能用展开成平面廓线的办法设计，一般应按空间包络曲面的共轭原理进行设计计算。根据共轭曲面原理，凸轮工作廓面从动移胶转盘的滚子间的共轭接触点必须满足下列三个基本条件：(1)在共轭接触位置，两曲面上的一对对应的共扼接触点必须重合；(2)在共轭接触点处，两曲面间的相对运动速度必须垂直其公法线；(3)两曲面在共轭接触点处必须相切，不产生干涉，且在共扼接触点的邻域亦无曲率干涉。弧面凸轮与从动盘滚子实际工作表面相接触的凸轮工作廓面为实际廓面，从动盘滚子中心线在空间轨迹曲面为理论廓面。工作廓面方程:建立坐标系，采用笛卡尔直角坐标系，见图2-6。与机架相连的定坐标系;与机架相连的辅助定坐标系,选择的方向时，应使面对的箭头看, 为逆时针向；与凸轮1相连的动坐标系;与移胶转盘2相连的动坐标系移胶转盘滚子圆柱面在坐标系中的坐标：r、滚子圆柱形工作面的方程参数，Rr滚子半径；凸轮与滚子的共轭接触方程：滚子的位置角；凸轮工作轮廓在坐标系中的坐标：凸轮转角，p凸轮的旋向系数，左旋为+1，右旋为-1。理论廓面方程:齐次变换的优点在于将运动、变换、映射与矩阵运动联系起来，通过一个矩阵就完全描述了坐标系的平移和旋转，广泛应用在空间移胶转盘动力学、机器人控制算法、计算机图形学和视觉信息处理等领域。齐次变换矩阵如式所示，Tij描述了坐标系（i）相对于(j) 的位置和方位, 。通过坐标变换，也可以求出理论廓面的方程。从动盘滚子中心线在在坐标系中的坐标：用矢量形式表示为：设从动盘中心线上一点D，在坐标系的矢径为，在坐标系的矢径为，从坐标系变换到的变换矩阵为，从坐标系变换到的变换矩阵为，可知：子坐标系滚中心线r处在的坐标方程： 整理得弧面凸轮的理论廓面方程为：式中p为旋向系数，当凸轮的移胶转盘期廓面为左旋时取p=+1，右旋时取p=-1。2.5计算凸轮转数 连续旋转凸轮角数度 凸轮移胶转盘期转角 凸轮停歇期转角 凸轮角位移 以凸轮移胶转盘期转角开始处，计算时取的步长为移胶转盘移胶转盘期时间 移胶转盘停歇期时间 凸轮移胶转盘廓线旋向 左旋L凸轮移胶转盘廓线头数 H=1移胶转盘移胶转盘数 I=8移胶转盘滚子数 z=HI=8移胶转盘移胶转盘期转位角 移胶转盘移胶转盘期运动规律 改进正弦加速度运动规律移胶转盘移胶转盘期角位移 rad rad rad移胶转盘移胶转盘期角速度 移胶转盘期移胶转盘与凸轮的角速比 移胶转盘期的最大角速比 动停比 运动系数 啮合重叠系数 中心距 C=180mm许用压力角 取移胶转盘节圆半径 mm凸轮节圆半径 相邻两滚子轴线间夹角 rad滚子半径 取滚子宽度 取滚子与凸轮槽底部之间沿滚子宽度方向的间隙 取凸轮的顶弧面半径 凸轮定位环面两侧夹角 rad凸轮定位环面侧面长度 h=b+e=（24+6）mm=30mm凸轮定位环面外圆直径 凸轮定位环面内圆直径 凸轮理论宽度 凸轮实际宽度 即 取凸轮理论端面直径 凸轮理论端面外径 凸轮实际端面直径 凸轮的轴孔直径 移胶转盘的轴孔直径 移胶转盘的宽度 移胶转盘上径向对称两滚子外侧端面间距离 移胶转盘上径向对称两滚子内侧端面间距离 第三章 蜗轮蜗杆传动的设计3.1 蜗杆传动的简介蜗杆蜗轮传动是由交错轴斜齿圆柱齿轮传动演变而来的。小齿轮的轮齿移胶转盘圆柱面上缠绕一周以上，这样的小齿轮外形像一根螺杆，称为蜗杆。大齿轮称为蜗轮。为了改善啮合状况，将蜗轮移胶转盘圆柱面的母线改为圆弧形，使之将蜗杆部分地包住，并用与蜗杆形状和参数相同的滚刀范成加工蜗轮，这样齿廓间为线接触，可传递较大的动力。蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动，两轴线间的夹角可为任意值，常用的为90。这种传动由于具有结构紧凑、传动比大、传动平稳以及在一定的条件下具有可靠的自锁性等优点，它广泛应用在机床、汽车、仪器、起重运输机械、冶金机械及其它机器或设备中。圆柱蜗杆传动分为普通圆柱蜗杆（阿基米德蜗杆、渐开线蜗杆、法向直廓蜗杆、锥面包络蜗杆）和圆弧蜗杆。3.2普通圆柱蜗杆传动的基本参数及其选择（1）模数m和压力角：在中间平面中，为保证蜗杆蜗轮传动的正确啮合，蜗杆的轴向模数ma1和压力角a1应分别相等于蜗轮的法面模数mt2和压力角t2，即ma1=mt2=ma1=t2蜗杆轴向压力角与法向压力角的关系为:tga=tgn/cos式中：-导程角。（2）蜗杆的移胶转盘圆直径d1和直径系数q为了保证蜗杆与蜗轮的正确啮合，要用与蜗杆尺寸相同的蜗杆滚刀来加工蜗轮。由于相同的模数，可以有许多不同的蜗杆直径，这样就造成要配备很多的蜗轮滚刀，以适应不同的蜗杆直径。显然，这样很不经济。为了减少蜗轮滚刀的个数和便于滚刀的标准化，就对每一标准的模数规定了一定数量的蜗杆移胶转盘圆直径d1，而把及移胶转盘圆直径和模数的比称为蜗杆直径系数q，即：q =d1/m（3）蜗杆头数z1和蜗轮齿数z2蜗杆头数可根据要求的传动比和效率来选择，一般取z11-10，推荐 z11，2，4，6。选择的原则是：当要求传动比较大，或要求传递大的转矩时，则z1取小值；要求传动自锁时取z11；要求具有高的传动效率，或高速传动时，则z1取较大值。蜗轮齿数的多少，影响运转的平稳性，并受到两个限制：最少齿数应避免发生根切与干涉，理论上应使z2min17，但z226时，啮合区显著减小，影响平稳性，而在z230时，则可始终保持有两对齿以上啮合，因之通常规定z228。另一方面z2也不能过多，当z280时(对于动力传动)，蜗轮直径将增大过多，在结构上相应就须增大蜗杆两支承点间的跨距，影响蜗杆轴的刚度和啮合精度；对一定直径的蜗轮，如z2取得过多，模数m就减小甚多，将影响轮齿的弯曲强度；故对于动力传动，常用的范围为z228-70。对于传递运动的传动，z2可达200、300，甚至可到1000。z1和z2的推荐值见下表（4）导程角蜗杆的形成原理与螺旋相同，所以蜗杆轴向齿距pa与蜗杆导程pz的关系为pzz1pa 由下图可知：tan= pzd1z1 pad1z1md1z1q导程角的范围为3.5一33。导程角的大小与效率有关。导程角大时，效率高，通常15-30。并多采用多头蜗杆。但导程角过大，蜗杆车削困难。导程角小时，效率低，但可以自锁，通常3.5一4.5（5）传动比I传动比 i=n主动1/n从动2蜗杆为主动的减速运动中i=n1/n2=z2/z1 =u式中：n1 -蜗杆转速；n2-蜗轮转速。减速运动的动力蜗杆传动，通常取5u70，优先采用15u50；增速传动5u15。3.3普通圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算中心距 a=(d1+d2+2x2m)/2=160mm蜗杆头数 z1=1蜗轮齿数 z2=62齿形角 a=20。模数 m=4传动比 i=n1/n2=62齿数比 u=Z2/Z1=62蜗轮变位系数 x2=a/m-(d1+d2)/2m=0.125蜗杆直径系数 q=d1/m=17.75蜗杆轴向齿距 pa=m=12.56mm蜗杆导程 pz=mz1=12.56mm蜗杆移胶转盘圆直径 d1=mq=71mm蜗杆齿顶圆直径 da1=d1+2ha1=d1+2ha*m=79mm蜗杆齿根圆直径 df1=d1-2hf1=da-2(ha*m+c)=61.4mm顶隙 c=c*m=0.8mm蜗杆齿顶高 ha1=ha*m=1/2(da1-d1)=4mm蜗杆齿根高 hf1=(ha*+c*)m=1/2(da1-df1)=4.8mm蜗杆齿高 h1=hf1+ha1=1/2(da1+df1)=8.8mm蜗杆导程角 tanr=mz1/d1=z1/q 自锁蜗杆齿宽 b1=95mm蜗轮移胶转盘圆直径 d2=mz2=2a-d1-2x2.m=248mm蜗轮喉圆直径 da2=d2+2ha2=257mm蜗轮齿根圆直径 df2=d2-2ha2=239.4mm蜗轮齿顶高 ha2=1/2(da2-d2)=m(ha*+x2)=4.5mm蜗轮齿根高 hf2=1/2(d2-df2)=m(ha*-x2+c*)=4.3mm蜗轮齿高 h2=ha2+hf2=1/2(da2-df2)=8.8mm蜗轮咽喉母圆半径 rg2=a-1/2(da2)=31.5mm蜗轮齿宽 b2=40mm蜗杆节圆直径 dw1=d1+2x2m=m(q+2x2)=72mm蜗轮节圆直径 dw2=d2=248mm3.4蜗杆传动的失效形式、计算准则及常用材料失效形式：点蚀、齿面胶合及过度磨损由于蜗杆传动类似于螺旋传动啮合效率较低、相对滑动速度较大，点蚀、磨损和胶合最易发生，尤其当润滑不良时出现的可能性更大。又由于材料和结构上的原因，蜗杆螺旋齿部分的强度总是高于蜗轮轮齿的强度，蜗轮是该传动的薄弱环节。因此，一般只对蜗轮轮齿进行承载能力计算和蜗杆传动的抗胶合能力计算。计算准则：开式传动中主要失效形式是齿面磨损和轮齿折断，要按齿根弯曲疲劳强度进行设计。闭式传动中主要失效形式是齿面胶合或点蚀而。要按齿面接触疲劳强度进行设计，而按齿根弯曲疲劳强度进行校核。此外，闭式蜗杆传动，由于散热较为困难，还应作热平衡核算。常用材料：蜗杆材料、 蜗轮材料不仅要求具有足够的强度，更重要的是要具有良好的跑合性能、耐磨性能和抗胶合性能。蜗轮传动常采用青铜或铸铁作蜗轮的齿圈，与淬硬并磨制的钢制蜗杆相匹配。3.5蜗杆传动的载荷和应力分析受力分析以右旋蜗杆为主动件，并沿图示的方向旋转时，蜗杆螺旋面上的受力情况。设Fn为集中作用于节点P处的法向载荷，它作用于法向截面Pabc内。Fn可分解为三个互相垂直的分力，即圆周力Ft、径向力Fr和轴向力Fa。 显然，在蜗杆与蜗轮间，载荷Ft1与Fa2、Fr1与Fr2和Fa1与Ft2对大小相等、方向相反的力。各力的大小可按下式计算：Ft1=Fa2=2T1/d1Ft2=Fa1=2T1/d2Fr1=Fr2=Fa1tanFn= Fa1/cosncos=Fa2/cosncos=2T2/d2cosncos式中：T1、T2-蜗杆与蜗轮上的转矩 N.mm。确定各力的方向：蜗杆为主动件，蜗杆的圆周力方向与蜗杆上啮合点的速度方向相反；蜗杆为从动件，蜗轮的圆周力方向与蜗轮的啮合点的速度方向相同；蜗杆和蜗轮的轴向力方向分别与蜗轮和蜗杆的周向力方向相反；蜗杆和蜗轮的径向力方向分别指向各自的圆心。计算载荷Fca=KFn K=KAKKv式中：K载荷系数；KA使用系数；K齿向载荷分布系数；Kv动载系数。使用系数(KA)应力分析由于蜗杆传动中，蜗轮比蜗杆的强度低。因此，在应力分析中只要了解蜗轮的情况就可以了。普通圆柱蜗杆传动在中间平面相当于齿条和齿轮的传动，故可以仿照圆柱斜齿轮推倒蜗轮的应力计算公式。蜗轮齿面接触应力蜗轮齿面接触应力仍来源于赫兹公式。接触应力式中：K-载荷系数；Fn -啮合面的法向载荷，N；ZE -材料的弹性影响系数，对于青铜或铸铁蜗轮与钢蜗杆配对时，取ZE=160（ ）；-综合曲率；L0-接触线总长，mm。将上式换算成蜗轮转矩T2和中心距a的关系得：式中Z-蜗杆传动的接触线长度和曲率半径对接触应力的影响系数，简称接触系数。3.6蜗杆传动的强度计算蜗轮齿面接触疲劳强度计算蜗轮齿根接触疲劳强度的验算公式为：HH式中：H -蜗轮齿面的许用接触应力。设计公式为：蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算蜗轮齿根弯曲疲劳强度的验算公式为：FF 式中：F -蜗轮齿根的许用弯曲应力。设计公式为：3.7蜗杆传动的效率闭式蜗杆传动的效率由三部分组成，蜗杆总效率为=123式中：1-传动啮合效率蜗杆总效率主要取决于传动啮合效率 。其考虑齿面间相对滑动的功率损失；啮合效率可近似地按螺纹副的效率计算，即式中：-普通圆柱蜗杆移胶转盘圆上的导程角；-当量摩擦角, , 其值可根据滑动速度vs 查表选取当量
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