（机械制造及其自动化专业论文）摆动活齿减速器虚拟样机建模及性能仿真研究.pdf

摘要 摘要 摆动活齿减速器是一种用于传递两同轴间回转运动的新型少齿差行星齿轮减 速器，具有结构紧凑、传动比范围大，承载能力强和传动效率高等特点，应用前 景广阔。虚拟样机技术作为一种崭新的产品开发方法，同传统的设计方法相比， 它不仅可以在实际制造物理样机之前通过虚拟样机来方便地修改设计，缩短产品 开发周期，降低成本，而且还可以提高产品性能，增强市场竞争力，加速新技术 向新产品的转化。应用虚拟样机技术对摆动活齿减速器进行系统设计和性能仿真， 寻求产品最优化设计，具有十分重要的意义 本文在摆动活齿传动理论研究的基础上，利用c a d c a e 软件，创建了s o l i d e d g e - a d a m s a n s y s 集成系统平台，对摆动活齿减速器进行虚拟样机建模和性 能仿真，实现了虚拟设计，装配和系统仿真研究。本论文研究的内容主要包括：l 、 基于齿轮啮合原理，对摆动活齿传动的工作原理、特点和传动比进行分析，对齿 形进行综合正解，为进一步进行齿廓修形提供了理论基础；2 、建立了摆动污齿减 速器虚拟样机模型，完成了虚拟设计和装配，实现了变量化设计：3 、对s o l i de d g e 和a d a m s 之间的模型数据转换进行初步探讨，成功完成二者之间的几何模型转 换；4 、探讨了在软件集成环境下复杂机械系统虚拟样机实现的方法、手段及关键 技术：5 、通过对摆动活齿传动样机模型进行动力学仿真，探讨了关键部件承受的 载荷情况及运动特征，分析了不同工况对系统动力学性能的影响，为今后系统优 化及振动、噪声寿命的分析提供了重要的依据；6 、利用相似理论对虚拟样机的有 效性进行验证，证明了摆动活齿减速器虚拟样机系统的有效性 关键词摆动活齿减速器；虚拟样机；动力学仿真 a b s t r a c t - l _ _ _ i _ _ l _ l _ _ l _ l e l i _ _ _ _ 目_ _ i e e i _ i _ ! _ _ | _ _ _ _ _ i _ 目- i _ a b s t r a c t s w i n gm o v a b l et e e t hr e d u c e r , w h i c hi su s e dt ot r a n s m i tr o t a r ym o t i o na n dp o w e r b e t w e e nt w os h a f t sw i t hs a m ea x i s i sai 姗t y p eo fs m a l lt e e t hd i f f e r e n c ep l a n e t a r y g e a rr e d u c e r w i t hav a s ta p p l i c a t i o nv i s t a , i th a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sc l o s e s i t u c t t l r e , l a r g er a n g et r a n s m i s s i o nr a t i o ，s t r o n gl o a dc a p a c i t ya n dh i g ht r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c y v i r t u a lp r o t o t y p i n g , a sak i n do f b r a n d n e wp r o d u c t sd e v e l o p m e n ta p p r o a c h , c o m p a r e sw i t ht r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d , i tc mn o tm e r e l yr e v i s ea n dd e s i g n c o n v e n i e n t l yt h r o u g hv i r t u a lp r o t o t y p eb e f o r em a k i n gp h y s i c sp r o t o t y p ea c t u a l l y , s h o r t e np r o d u c t sd e v e l o p m e n tp e r i o d , l o w e rc o s t s ，a n dc a na l s oi m p r o v et h ep r o p e r t i e s o fp r o d u c t ，s t r e n g t h e nt h em a r k e tc o m p e t i t i v e n e s s ，a c c e l e r a t et h et r a n s f o r m a t i o nf i o m n e wt e c h n o l o g yt on e wp r o d u c t s i ti s v e r yi m p o r t a n tm e a n i n go fu s i n gv i r t u a l p r o t o t y p i n gt oc 舡 l yo l lt h es y s t e m a t i cd e s i g na n dp e r f o r m a n c ee m u l a t i o ni ns w i n g m o v a b l et e e t hr e d u c e ra n ds e e k i n go p t i m i z a t i o nd e s i g no f t h e p r o d u c t s t h i sp a p e ru t i l i z e sc a d c a es o f t w a r eo nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a lr e s e a r c ho f s w i n gm o v a b l et o o t hd r i v e ，e s t a b l i s hs o l i de d g e - a d a m s a n s y sa n di n t e g r a t et h e s y s t e m a t i cp l a t f o r m ，c a r r y o nv i r t u a lp r o t o t y p e a n dp e r f o r m a n c e e m u l a t i o ni ns w i n g m o v a b l et e e t hr e d u c e r , h a v er e a l i z e dt h a tv i r t u a ld e s i g n , v i r t u a la s s e m b l y , a n dt h es t u d y o ns y s t e m a t i ce m u l a t i o n c o n t e n to fs t u d y i n gi nt h i sp a p e ri n c l u d e sm a i n l yi nt h e f o l l o w i n g ：1 b a s e do ng e a re n g a g e m e n tp r i n c i p l e ，i ta n a l y z e dw o r kp r i n c i p l e ， c h a r a c t e r i s t i ca n dt r a n s m i s s i o nr a t i oo fs w i n gm o v a b l et o o t hd r i v e , c a l c u l a t e dg e a r p r o f i l eo fi n t e r n a lg e a ro fs w i n gm o v a b l et e e t hr e d u c e rp r o f i l eo fr i n gg e a r ，a n d t e s t i f i e dw h i c hp r o v i d et h e o r yb a s ef o rt h e f u r t h e rm o d i f y i n gt h ep r o f i l e ：2 i t e s t a b l i s h e dv i r t u a lp r o t o t y p em o d e lo fs w i n gm o v a b l et o o t hr e d u c e r , c o m p l e t e dv i r t u a l d e s i g na n da s s e m b l y , a n dr e a l i z e dv a r i a b l ed e s i g n 3 p i l o td i s c u s s e dt h em o d e ld a t a c o n v e r s i o nb e t w e e ns o l i de d g ea n da d a m ss o r w a r e ，t h ep a p e rs u c c e e d e di n f m i s h i n gt h ec o n v e r s i o ng e o m e t r ym o d e lb e t w e e nt h et w ok i n d so fs o f t w a r e 4 d i s c u s s e dt h em e a n sa n dk e yt e c h n i q u eu s e dt ob u i l dt h ev i r t u a lp r o t o t y p eo f c o m p l e x i i - 山东大学硕士学位论文 m e c h a n i c a ls y s t e mi nt h es o f t - w a r e - i n t e g r a t e de n v i r o n m e n tt h a tp r o v e dt ob er e l i a b l e 5 t h r o u 曲h a v i n gc a r r i e do nd y n a m i c si m i t a t eo f s w i n gm o v a b l et e e t hr e d u c e rp r o t o t y p e m o d e l ，t h ep a p e rp r o b e di n t ok e yl o a ds i t u a t i o na n ds p o r tc h a r a c t e r i s t i ct h a tk e yp a r t b e a ra n da n a l y z e dd i f f e r e n ti m p a c t so ns y s t e m a t i cd y n a m i c sp e r f o r m a n c eo fo p e r a t i n g m o d e ，w h i c ho f f e r e dt h ei m p o r t a n tb a s i sf o rs y s t e mo p t i m i z a t i o n ，v i b r a t i o n , a n a l y s i so f t h el i f e - s p a no fn o i s ei nt h ef u t u r e 6 b a s e do nt h ep r i n c i p l e so fs i m i l a r i 哆t h e o r y , t h e p a p e rd e t e r m i n e dv i r t u a lp r o t o t y p ev a l i d i t y , w h i c hp r o v e dv i r t u a lp r o t o t y p es y s t e m v a l i d i t yo f s w i n gm o v a b l et e e t hr e d u c e r , t k e yw o r d s ：s w i n gm o v a b l et e e t hr e d u c e r ；v i r t u a lp r o t o t y p e ；d y n a m i c a ls i m u l a t i o n - i i i - 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：i 抱芳日期：之堕竺! ! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：丝导师签名：弪盟日期：! 兰：兰! i ! 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 活齿传动研究概况及发展趋势 活齿少齿差行星齿轮传动，简称活齿传动，又称活齿波动传动【l 】，是一种用来 传递两同轴间回转运动的新型传动。这种传动装置利用一组中间可动件来实现刚 性啮合，传递同轴线两轴间的运动和动力，具有结构紧凑、传动比范围广、承载 能力大、传动效率高等优点。 在2 0 世纪3 0 年代德国人提出了活齿传动的最初结构形式【2 】到了4 0 年代， 他们就把活齿传动技术应用到汽车的转向机构中5 0 年代，前苏联学者对活齿传 动的一种型式“柱塞理论”进行了理论研究，提出了它的运动学计算方法和力分 析方法美国学者提出了推杆活齿减速装置及少齿差减速器，分析了传动原理和 “传动性能，并对传动比和作用力进行了计算。7 0 年代，美国和前苏联两国积极开 发活齿传动的新形式，其中包括前苏联推出的“正弦滚珠传动”和美国推出的“无 齿齿轮传动技术”，都曾引起世界各国科技人员的极大兴趣英国推出的“滑齿减 速器”形成了系列产品，并投放国际市场8 0 年代以后，国际上对活齿传动的研 究更加积极踊跃，日本、英国、德国、保加利亚等国先后公布了一些有关活齿传 动的专利和发明进入9 0 年代以后，活齿传动理论日臻完善，各国都致力于把活 齿传动技术应用于生产实践中，不断有利用活齿传动理论开发的新产品面世，这 表明活齿传动的研究和应用在国外已经成为行星齿轮研究中相当活跃的领域。 我国对活齿传动的研究起步较晚，2 0 世纪7 0 年代以后中国的科技人员才开 始注意国外活齿传动的研究和发展，但是中国的活齿传动技术发展比较迅速，先 后发明了多种新型活齿传动。经过几十年的开拓，我国在理论研究和产品开发方 面己经取得很大成绩，大量有关活齿传动的学术论文在国内外刊物和学术会议上 发表，先后推出了多种专利技术【3 】。1 9 8 6 年北京航空航天大学陈仕贤教授提出了 推杆活齿针齿减速机，其结构与样机荣获1 9 8 6 年日内瓦国际发明博览会金奖。1 9 8 7 年，周有强教授等人提出了一种新型传动型式套筒活齿少齿差传动并申请了 国家专利【4 】1 9 8 8 年曲继方教授提出了轴向活齿传动的一种结构形式及齿形设计 山东大学硕士学位论文 皇皇! 曼! ! 皇! ! ! ! 曼鼍! ! ! ! ! ! 鼍! ! ! 鼍! ! ! 曼皇! ! ! ! 暑! ! ! ! ! ! ! ! 皇曼! ! ! ! ! ! 曼皇 方法，并提出了另一种新型活齿传动装置摆动活齿减速机并申报了国家专利 嘲九十年代，江阴东亚减速机厂的严明工程师也提出了一种新结构活齿传动 移位滚柱减速机，该项技术获国家专利并在全国发明博览会和北京国际博览会上 获得银奖婀 几十年来，国内外已推出了若干种结构型式的活齿传动，其中，比较典型的 有摆动活齿传动、套筒活齿传动、滚子活齿传动、推杆活齿传动、平面滚珠传动、 二齿差传动等有许多文献对这些活齿传动进行了研究u - 文献 7 比较全面 地分析了套筒活齿传动的特性，导出了这种传动的内齿圈齿廓曲线的最小曲率半 径计算公式和齿廓曲线方程，在计算的基础上分析比较了套简活齿传动和摆线少 齿差传动的承载能力，得出了前者具有更大承载能力的结论文献 8 系统地论述 了滚子活齿行星传动的传动原理、结构型式、传动比计算、啮合齿廓、参数计算、 作用力分析以及强度计算等。文献 9 和文献 i o 针对推杆活齿减速机容易出 现干涉磨损、烧坏报废现象，提出了满足最大重合度、最小压力角、最佳受力条 件的齿形优化设计方法，并结合生产实际给出了应用实例 摆动活齿传动是新开发的一种活齿少齿差传动形式文献 2 研究了摆动活齿 传动的运动学、齿形综合正解、齿形综合反解、齿形的形成、滑动率、结构综合、 基本构件尺寸综合、基本参数综合等问题，对摆动活齿传动性能和典型结构进行 了分析文献 1 1 用齿轮啮合原理探讨了摆动活齿传动的内齿圈形综合问题， 给出了实际齿形方程式和啮合线方程式文献 1 2 根据误差理论，探讨了摆动 活齿的主要结构参数及其误差对齿形的影响文献 1 3 介绍了摆动活齿减速器 的结构和工作原理，对其进行了运动学分析，导出了内齿圈齿廓方程式，还对工 作齿数和工作区域角等问题进行了研究文献 1 4 介绍了摆动活齿减速机的组成、 结构、工作原理以及摆动活齿传动的特点等近年来，在对摆动活齿减速器的研 究中，四川大学的梁尚明博士作了大量研究。在文献 1 5 中慎用模糊可靠性设 计法、有限元法、模糊数学以及遗传算法等方法，对摆动活齿传动的传动效率、 动力学模型、强度、刚度，故障树分析、优化设计等进行了研究。文献 1 6 ，1 7 针对摆动活齿减速器的结构特点，建立了摆动活齿减速器装配体的三维有限元模 型，应用有限元分析软件对该模型进行了模态分析，求出了系统固有特性文献 第1 章绪论 1 8 还专门针对摆动活齿减速器的箱体进行了有限元模态分析文献 1 9 根据活 齿传动理论，对摆动活齿传动中啮合副各构件间的相对运动及受力情况进行了分 析，提出了摆动活齿减速器的效率分析方法，并推导出有关公式。在文献 2 0 中， 对摆动活齿传动系统的弯曲振动、扭转振动及其耦合效应进行了分析，并综合考 虑了多种弹性影响，建立了系统动力学模型，导出了多自由度时变系数弹性动力 学方程，应用矩阵迭代摄动法，对摆动活齿传动系统的固有频率进行了求解和分 析 总之，由于国内外科技工作者在活齿传动这一领域的不断开拓研究，现已取 得若干有重要理论和实际意义的成果 1 2 虚拟样机技术综述 近年来，伴随着c a d c a m c a e 技术的日趋成熟，建立在其基础上的虚拟样 机技术( v i r t u a lp r o t o t y p i n g ) 及其应用也获得了迅速发展它已经由分析专用 研究工具转变为工程师易于掌握的工程技术手段，已日益具备处理复杂工程问题 的能力世界许多著名的制造公司在生产开发过程中广泛地应用虚拟样机技术， 其应用领域包括；汽车制造业、工程机械、航天航空业、铁道车辆及设备、国防 工业、通用机械制造业、造船业、机械电子工业、人机工程学、工程咨询业、运 动器械及娱乐设备等。 1 2 1 虚拟样机技术的产生 随着世界经济和科学技术的飞速发展，全球性的市场竞争日益激烈，产品消 费结构不断向多元化、个性化方向发展面对无法预测、持续发展的市场需求， 企业为了提高竞争力，必须尽快适应市场，缩短新产品的研发周期，提高产品的 设计质量，降低产品的研发成本，同时进行创新性设计，对快速多交的市场需求 做出敏捷响应，以此才能在市场竞争中获得相当的市场份额和利润。虚拟样机技 术就是在这种迫切需要的驱动下产生的。新产品的研发涉及诸如机械运动学与动 力学、人机工程学、美学等多个相关的学科，而传统的设计方法又无法使各学科 山东大学硕士学位论文 理论的实现达到最优一种新设备的研发，按照传统的设计模式通常要经过设计、 样机试制、工业性试验、改进定型和批量生产几个步骤。这种基于物理样机的设 计研发模式的成本高、周期长，往往会使物理样机的反复性试验不够充分，加上 设计人员通常不愿为修改局部而给整机带来不可欲知的结果，因而产品造型、结 构和功能严重老化，缺乏市场竞争能力这种传统设计方法不仅增加了新产品的 研发周期和成本，而且产品结构越复杂，各种人力、物力、财力的浪费越严重， 从而严重制约了产品质量的提高虚拟样机技术的出现和逐渐成熟，为解决这些 问题提供了强有力的工具和手段 1 2 2 虚拟样机技术的内涵与特点 机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术【2 ”。目前虚拟样机 技术的研究正处于探索中瞄- 2 4 1 ，对虚拟样机( v i r t u a lp r o t o t y p e ) 的概念尚没有 一种精确的定义从机械工程研究领域的角度出发，e dp a n d e r t 等人将虚拟样 机定义为一种针对测试的对象和物理原型进行的一个虚拟制造和仿真过程，基于 虚拟样机技术建立的工程化制造开发模型可以使设计人员访问一个实际物理模型 的所有关于机械、物理、外观和功能特性的有关信息。虚拟样机技术是指在建造 第一台物理样机之前，设计师利用计算机技术建立机械系统的数字化模型，进行 仿真分析并以图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性，从而修改并得 到最优设计方案的技术 虚拟样机是一种计算机模型，它能够反映实际产品的特性。包括外观、空问 关系以及运动学和动力学的特性虚拟样机技术利用虚拟环境在可视化方面的优 势以及可交互式地探索虚拟物体的功能，模拟在真实环境下系统的运动和动力特 性，并根据仿真结果精化和优化系统，对产品进行几何、功能、制造等许多方面 交互的建模与分析它在c a d 模型的基础上，把虚拟技术与仿真方法相结合，以 机械系统运动学、动力学和控制理论为核心，加上成熟的三维计算机图形技术和 基干图形的用户界面技术，将分散的零部件设计和分析技术( 如零部件的c a d 和 f l e x 有限元分析) 集成在一起，成为一个全新的机械产品设计方法。 虚拟样机技术主要由以下几部分组成【2 5 1 ： 第1 章绪论 ( 1 ) 数字化产品模型它将所有同产品相关的信息集成起来。 ( 2 ) c a d 和其它建模系统。它们提供产品的基本数据，如几何外形、材料、 颜色以及功能特征等 ( 3 ) 仿真通过仿真提供产品的行为 ( 4 ) 虚拟现实接口通过虚拟现实接口，高级交互工具允许用户对产品模型 进行直观操作，并将声画、触觉反馈给用户，为用户提供身临其境的感觉：如同 操作一个真正的物理对象一样 虚拟样机技术是一种崭新的产品开发方法，是基于产品的计算机仿真模型的 数字化设计方法嘲虚拟样机将不同工程领域的开发模型结合在一起，从外观、 功能和行为上模拟真实产品，支持并行工程方法学。虚拟样机技术是在c a x ( 如 c a d 、c a m 、c a e ) 、d f x ( 如d f a 、d f m ) 技术基础上发展起来的，它涉及多体系统运 动学与动力学建模理论及其技术实现，是基于先进的建模技术、多领域仿真技术、 信息管理技术、交互式用户界面技术和虚拟现实技术的综合应用技术虚拟样机 技术的开发与实施涉及许多关键技术与相关研究领域，如系统总体技术、建模仿 真技术、虚拟现实( v r ) 技术、产品建模技术、模型w a ( 校验、验证和确认) 技术和支撑平台框架技术等 与传统产品设计技术相比，虚拟样机技术强调系统的观点，涉及产品全生命 周期，支持对产品的全方位测试、分析与评估，强调不同领域的虚拟化的协同设 计【2 7 】同传统的基于物理样机的设计研发方法相比，虚拟样机设计方法具有以下 特点【2 司： ( 1 ) 全新的研发模式虚拟样机技术真正地实现了系统角度的产品优化，它 基于并行工程，使产品在概念设计阶段就可以迅速地分析、比较多种设计方案， 确定影响性能的敏感参数，并通过可视化技术设计产品、预测产品在真实工况下 的特征以及所具有的响应，直至获得最优工作性能 ( 2 ) 更低的研发成本，更短的研发周期、更高的产品质量。采用虚拟样机设 计方法有助于摆脱对物理样机的依赖。通过计算机技术建立产品的数字化模型， 即虚拟样机，可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验，从而无需制造及试 验物理样机就可获得最优方案，因此不但减少了物理样机的数量，而且缩短了研 山东大学硕士学位论文 发周期、提高了产品质量 ( 3 ) 实现动态联盟的重要手段目前世界范围内广泛地接受了动态联盟 ( v i r t u a lc o m p a n y ) 的概念，即为了适应快速变化的全球市场，克服单个企业资 源的局限性，出现了在一定时间内，通过i n t e r n e t ( 或i n t r a n e t ) 临时缔结成的 一种虚拟企业为实现并行设计和制造，参加企业之间产品信息的敏捷交流尤显 重要，而虚拟样机是一种数字化模型，通过网络输送产品信息，具有传递快速、 反馈及时的特点，进而使动态联盟的活动具有高度的并行性，是实现动态联盟的 重要手段 1 2 2 虚拟样机技术在机械工程中的应用 在机械工程领域，传统的设计与制造方法，一般是先进行概念设计，然后绘 制图纸，依据图纸生产物理样机。进行试验发现问题后再从头修改，整个过程是 串行的，各子系统之间相互独立其明显缺点就是整机性能不高，忽略了子系统 之间的动态交互与协同求解，而且开发周期长，成本高。无法快速响应市场变化 运用虚拟样机技术，可以快速进行创新设计，建立多系统在内的多体动力学模型， 使其在虚拟环境下模拟机械系统运动和动力学特性并根据仿真结果优化系统，得 出最佳方案虚拟样机技术改变了传统的设计思想，采用虚拟样机技术，可以实 现产品的并行设计，对产品进行性能分析、测试和评估，同时缩短开发周期，降 低成本，改进产品设计质量，提高产品市场竞争力 近年来，虚拟样机技术的研究及其应用获得重大进展 2 9 一川，被广泛应用在机 械工程等不同领域世界著名的机械制造公司在生产开发过程中已普遍使用虚拟 样机技术卡特彼勒( c a t e r p i l l a r ) 公司采用了虚拟样机技术，缩短了生产周期， 降低了成本，提高了产品竞争力以生产农林机械著称的美国j o h nd e e r e 公司， 为了解决工程机械在高速行驶时的蛇行现象及在重载下的自激振动问题，利用虚 拟样机技术，不仅找到了原因，而且提出了改进方案，并在虚拟样机上得到了验 证，从而大大提高了产品的高速行驶性能与重载作业性能 目前，我国的大多数机械工业企业己采用先进的c a d c a m 一体化技术，对虚 拟样机技术的实践具有一定的可行性。一些骨干企业对国外先进的、商品化的虚 - 6 - 第l 章绪论 拟样机技术软件正尝试使用各类专业科研机构对虚拟样机技术的研究正如火如 荼，许多高等院校也在机械专业开设了有关虚拟设计与制造的课程。因此，虚拟 样机技术的出现，必将在我国机械工程领域引起一场技术变革 国外针对虚拟样机技术的研究起步较早，相对商业化的应用软件也比较多 目前应用最为广泛的是美国机械动力公司( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 的a d a m s 机械系统自动动力学分析软件。其它较有影响力的还有c a d s i 的d a d s 动力学分析 和设计系统软件，德国航天局的s i m p a c k ，以及a n s y s 、w o r k i n gm o d e l 、f i o w 3 d 、 i d e a r s 、p h o e n i c s 、p a m c r a s h 等目前国际上对虚拟样机技术的研究已趋成熟， 而在国内仍存在一些问题【3 l l ，如对机械系统虚拟样机技术软件系统开发和商品化 的重要性及迫切性认识不足，对虚拟样机相关技术研究不足等。这也是相关研究 仅停留在实验室阶段，不能够真正应用到工程实际中去的根本原因 虚拟样机技术是- f 3 新兴技术，它面向整个系统，并通过全生命周期协同利 用仿真技术来降低技术风险、提高产品质量、缩短研制周期、降低成本、增强企 业竞争力，同时加速了新技术向新产品的转化。 1 3 本课题研究的意义和预期目标 摆动活齿减速器虚拟样机建模与性能仿真研究这一课题是在分析了目前摆动 活齿传动特点和研究现状的基础上，根据目前的软硬件条件，利用先进的现代设 计方法思想提出来的 1 3 1 本课题研究的意义 摆动活齿减速器是一种新型少齿差活齿传动减速器因其具有复杂的齿廓曲线 及偏心设计，若结构及参数设计不合理，会引起啮合质量差、系统效率低、齿廓 易产生“根切”等现象。以常规的设计计算方法进行结构设计和参数选择，其过 程较为复杂，且很难得到最佳方案。尤其在运动、动力学分析中，国内对此类机 构很少有专著对其进行较深入的研究和探讨，从而一定程度上阻碍了它的推广和 应用。因此将本课题定位在应用虚拟样机技术对摆动活齿减速器进行系统分析和 - 7 - 山东大学硕士学位论文 研究上具有十分重要的意义，具备一定实用价值具体表现为： ( 1 ) 缩短和节省研发周期和费用，在实际制造物理样机之前可以通过虚拟样 机来方便地修改设计 ( 2 ) 对于项目管理者，它为评估和管理项目的风险方面提供有价值的可视化 工具 ( 3 ) 通过c a d 乎台设计的虚拟样机实体模型可以方便地与c a e c a m 等进 行集成生成c i m s 系统 ( 4 ) 为减速器故障诊断技术开辟新的思路，如虚拟故障状态和故障点，为改 进、修复设备提供技术支持 1 3 2 本课题的研究目标 在本课题提出的虚拟样机研究系统中，将建立摆动活齿减速器的虚拟样机模 型，并对其进行系统动力学计算机仿真分析，最终提出优化方案。 ( 1 ) 基于齿轮啮合理论，对摆动活齿减速器中心轮齿廓曲线进行研究。 ( 2 ) 以工程应用的实际课题为背景，设计并装配摆动活齿减速器以三维建 模c a d 软件为基础。进行有关结构设计和参数计算，实现实体建模和参数化设计。 完成减速器的虚拟装配。 ( 3 ) 研究与实现特征造型c a d 系统、动力学分析系统与有限元分析系统三 者之间模型数据转换技术。 ( 4 ) 模拟可变实验条件( 如：输入功率、输出转矩等) ，建立复杂机械系统的 仿真模型，研究在设计制造过程中多元参变量对机械系统传动性能、机械效率的 影响规律。 ( 5 ) 基于相似理论对虚拟样机的可信度做出评估，从而判断摆动活齿减速器 虚拟样机仿真结果是否可信 1 3 3 本课题研究的基本框架 本课题研究的基本框架如图1 - - 2 所示： 8 一 第1 章绪论 1 4 本章小结 图1 _ 2 课题研究基本方案 本章简要介绍了活齿传动的研究概况及发展趋势，对虚拟样机技术的产生、内 涵及特点以及在机械工程中的应用情况进行了综述，同时也指出了本课题研究的 意义和预期目标，并提出本课题研究的基本方案。 活齿传动具有体积小、单传动比大、同轴传动、抗冲击能力和承载能力强等优 点，因此适用范围广，应用前景十分广阔但相比传统减速器，应用还不普遍， 标准化、系列化工作还不完善，活齿传动潜在的优良性能没有发挥出来，尚未对 国民经济创造较大的经济利益。本文采用虚拟样机技术，对摆动活齿减速器进行 性能仿真研究，对于加快开发活齿传动和促进活齿理论研究具有重要意义。 山东大学硕士学位论文 鼍曼曼! 曼! 量! ! ! ! ! ! 毫! ! ! 詈量曼! 曼曼詈詈詈鼍! 皇曼! 曼皇量曼皇曼鼍曼鼍鼍鼍! ! ! 暑詈! ! ! 鼍鼍鼍 第2 章活齿传动基础知识 2 1 典型活齿传动的结构及特点 经过数十年的科学研究，现已成功研制多种结构型式的活齿传动，具有典型 活齿传动按结构特征可分为：推杆活齿传动、摆动活齿传动、滚柱活齿传动、套 筒活齿传动、活齿针轮传动和t 型活齿传动 ( 1 ) 推杆活齿传动 如图2 一l 所示，推杆活齿传动由激波器h 、活齿轮g 、中心轮k 三个基本构件 组成其中活齿轮g 是由活齿架及其径向导槽中的推杆活齿f 组成，活齿轮g 与 输出轴固联；中心轮k 是由针齿及针齿壳组成，且与机座固联。当驱动力输入后， 输入轴带动激波器转动，激波器的偏心迫使活齿轮径向导槽中的各推杆活齿依次 作径向外移，到推杆活齿与装在固定的针齿销上的针齿套接触时，推杆活齿受到 针齿套的约束，从而使推杆活齿带动与输出轴固联的活齿轮作圆周运动，实现了 减速。特点是：活齿的结构是推杆，并已由推杆活齿作径向移动来实现传动。缺 点是相对滑动速度大、效率低。 。一。 | 需嘲、 弋避移 图2 - 1 推杆活齿传动图2 - 2 摆动活齿传动 ( 2 ) 摆动活齿传动 如图2 2 所示，摆动活齿传动也是由激波器h 、活齿轮g 和中心轮k 三个基本构 - 1 0 - 第2 章活齿传动基础知识 件组成。激波器h 由双偏心套、深沟球轴承和激波环组成活齿轮g 由活齿架及 一组摆动活齿组成，摆动活齿与活齿架上的均布柱销组成转动副，活齿架与输出 轴固联。中心轮k 是一个具有包络曲线齿形的内齿圈，与机座固联。特点是：活 齿可以采用不同的结构，一般是由两个滚柱或一个偏心圆柱组成，活齿都绕活齿 架上的销轴作摆动来实现传动。 图2 - 3 滚柱活齿传动图2 - 4 套筒活齿传动 ( 3 ) 滚柱活齿传动 图2 3 为滚柱活齿传动的结构示意图。滚柱活齿传动由激波器h 、活齿轮g 和中心轮k 三个基本构件组成，其活齿轮g 由活齿架及其径向导槽中滚柱活齿( 钢 球) 活齿所组成，活齿架为薄壁筒。当驱动力输入后，输入轴带动偏心轮激波器 转动，激波器半径变化的轮廓曲线产生径向推力，迫使与中心轮工作齿形接触的 诸活齿，在沿活齿架径向导槽移动的同时，沿着中心轮工作齿廓滑滚，并通过活 齿架的径向导槽推动活齿轮等角速度转动。实现了滚柱活齿传动的转速变化运动 特点是：活齿是圆柱或者钢球 ( 4 ) 套筒活齿传动 在图2 - 4 中，套筒活齿传动是由激波器h 、活齿轮g 和中心轮k 组成，激波 器h 由双偏心套、转臂轴承、外齿圈组成。双偏心套与输入轴口联，双偏心套外 轮廓上套装转臂轴承，转臂轴承外环上套装激波环与套筒活齿外圆柱面接触。活 齿轮g 是由带有均布柱销的活齿架和套装在柱销上的一组套筒组成。套筒活齿的 内圆柱面与活齿架土均布柱销的外圆柱面啮合，外圆柱面与转臂轴承外环啮合。 山东大学硕士学位论文 曼! 曼曼皇! ! 苎曼曼曼曼! 詈鼍! 曼! ! ! 皇詈詈! 曼! ! 量! ! 詈! 曼! 曼皇皇! ! ! ! ! 曼詈曼皇曼曼詈詈曼! 鼍鼍 中心轮k 是具有包络曲线齿形的内齿轮，用圆柱销固定在机座上套筒活齿传动 啮合副由三个高副所组成，三个高副是其突出的结构特征传动原理：作为减速 器使用时，设中心轮不动，驱动力输入后，输入轴带动激波器以等角速度顺时针 转动，激波器靠径向尺寸变化的外轮廓，推动套简活齿运动，套简活齿外圆柱面 与固定中心轮内凹齿形曲面啮合滚转，带动与套简活齿内圆柱面啮合的柱销运动， 柱销又通过活齿架带动输出轴以等角速度逆时针减速转动。 ( 5 ) 活齿针轮传动 在吸收摆线针轮传动的成功经验的基础上，如图2 - 5 所示，活齿针轮传动采 用针轮为内齿圈，活齿为分布在活齿盘上径向孔中的圆柱形活齿销，上端与针轮 啮合的部分作为楔形的两个斜面驱动部分仍然是装入输入轴的偏心盘和传臂轴 承转动时，偏心盘通过偏心轴承驱动活齿销在活齿盘的径向孔中作径向运动， 活齿销的楔形齿头与针齿啮合，迫使活齿产生周向错齿运动，由活齿销直接输出 减速运动。活齿的形状为一圆柱体，所以称为“销齿传动”和“推杆传动”活齿 针轮传动的缺点是其楔形啮合部分是近似齿形，影响了传动的平稳性和并产生噪 声，其应用也因此受到限制。而且活齿和活齿盘之间也存在着滑动摩擦，也有磨 损和发热问题 图2 - 5 活齿针轮传动图2 - 6t 型活齿传动 ( 8 ) t 型活齿传动 在结合了滚子活齿和活齿针轮传动两种传动的特点后，形成了t 型活齿传动， 见图2 - 6 。其内齿圈采用滚子活齿传动的结构，活齿架采用由活齿针轮传动的活 - 1 2 - 第2 覃活齿传动基础知识 曼暑曼曼! ! 詈曼曼! 皇曼曼皇皇! 曼苎! ! 曼! ! ! ! ! 曼! ! 苎! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 竺! ! ! ! 齿架。由于顶杆轴线与滚子的轴线相垂直，组成“t 型活齿”其结构特点：滚子 和内齿圈的齿廓形成准确的共轭关系，传动稳定性比较好，项杆的圆柱面可以传 递较大的载荷，活齿与活齿盘之间的磨损和发热问题得以缓解但是由于t 型活 齿传动的尺寸链较大，制造难度较大，降低了传动精度，加装滚子的做法不能从 根本上改善传动性能，反而会造成负面影响。 综上所述，除套筒活齿传动外，现有的各种活齿传动机构中，在传力零件间， 不可避免的存在滑动摩擦，使得磨损和发热问题严重，传动效率不能提高。这个 问题成为限制活齿传动优良性能得以发挥的主要障碍 2 2 摆动活齿传动原理 摆动活齿传动是一种新型活齿传动，它突破了移动活齿传动的传统结构，用 “摆动活齿”代替“移动活齿”，舍弃了移动副，从根本上解决了移动活齿啮合副 的磨损问题 如图2 7 所示，摆动活齿传动由激波器h 、活齿轮g 和中心轮k 三个基本构 件组成。激波器h 一般由偏心轮、激波轴承及激波环( 也可直接由轴承外环代替) 组成活齿轮g 由活齿架及一组摆动活齿组成，摆动活齿与活齿架上的均布柱销 组成转动副，活齿架与输出轴固联。中心轮k 是一个具有包络曲线齿形的内齿圈， 它与机座转动副联接或固联工作时，激波器周期性地推动活齿，这些活齿与周 齿齿轮齿廓的啮合点形成了蛇腹蠕动式的切向波，从而与固齿齿轮形成连续的驱 动关系这种切向波的形成条件是活齿与固齿齿轮齿数不同，它们的齿距不相等， 正是由于齿距不同，啮合时发生了“错齿运动”，这种相对运动使得活齿轮与外圈 之间的传动成为可能。 摆动活齿传动的传动原理：当驱动力输入后，输入轴带动激波器h 以等角速 度顺时针转动，激波器轮廓曲线通过摆动活齿内侧滚柱组成高副，推动摆动活齿 绕运动中心转动，迫使摆动活齿外侧滚柱与中心轮的工作齿廓啮合，如果活齿架 固定，则摆动活齿通过外侧滚柱与中心轮齿廓啮合，推动中心轮k 以等角速度顺 时针转动；如果中心轮k 固定，则摆动活齿外侧滚柱与中心轮齿形啮合的同时， 通过转动中心推动活轮g 以等角速度逆时针转动。 山东大学硕士学位论文 图2 - 7 摆动活齿传动原理图 2 3 摆动活齿传动的特点 摆动活齿传动是由k - h - v 型少齿差行星传动演化而来的一种新型齿轮传动。 它利用一组中间活动件一活齿来实现两同轴之间的转速变换，突破了长期以来 齿轮传动的传统结构特征，把行星齿轮的全部轮齿改成为一组作循环运动的独立 运动体摆动活齿传动把活齿的行星运动转变为活齿轮绕固定轴线转动，并使诸 活齿在活齿盘的约束下按一定的运动规律运动活齿传动的结构特征省去了少齿 差行星齿轮传动必须采用的附加运动输出机构，不但有效地克服了采用w 运动输 出机构给少齿差行星齿轮传动带来的激波器轴承寿命短的问题，而且缩短了传动 链摆动活齿传动的主要特点如下： ( 1 ) 结构新颖紧凑摆动活齿传动省去了少齿差行星齿轮传动、针轮摆线传 动所必须有的w 运动输出机构，减速运动通过活齿直接由活齿盘输出：组成活齿 减速传动部分的三个基本构件激波器、活齿轮和外圈同轴布置，活齿轮放在 外圈里面，简化了结构，使传动机构的轴向和径向尺寸都很小，缩小了体积，减 轻了重量。 ( 2 ) 多齿啮合，承载能力高。活齿轮由活齿和活齿盘用移动副或转动副组成 的结构特点，避免了内啮合齿轮副轮齿间的相互干涉，能使所有的活齿同时和中 心轮齿廓接触，最多可以有一半的活齿参加啮合，承载能力高；多齿啮合使活齿 对冲击负荷有较强的承载能力，一般短期超载能力为名义扭矩的2 5 0 活齿传 一1 4 第2 苹活齿传动基础知识 动共轭齿形的连续接触形式，避免了啮入啮出的冲击，传动平稳无噪声 ( 3 ) 传动比大，范围广摆动活齿传动属于k - - h - - v 型少齿差行星齿轮传 动范畴，传动比大，单级传动比一般为8 6 0 ，双级传动比范围一般为6 4 3 6 0 0 ； 二齿差活齿传动和封闭型二齿差活齿传动的相继提出，不但使活齿减速器传动比 向大、小两个方向扩展，同时扩大了传动比的范围，增加了多路传动的功能。 ( 4 ) 传动效率高采用活齿以后，输出机构和活齿轮的活齿部分合成一体， 使输入轴到输出轴之间的运动链缩短，减少了动力传递损失。活齿和中心轮、激 波器、活齿盘之间，组成了一个低副和两个高副，由于采用了针齿、套筒活齿、 摆动活齿、组合活齿和转臂轴承等结构，使组成运动副的各运动副元素间有较多 的相对滚动，啮合效率高。激波器采用对称结构，使惯性力和作用力得到平衡， 减小了传动轴和轴承间的附加动压力，提高了活齿传动的传动效率一般活齿传 动的传动效率随传动比的增加而降低，传动效率一般在9 5 7 0 范围内 2 4 摆动活齿传动的传动比分析 活齿传动的传动比定义为激波器h 、活齿轮g 、和中心轮k 三个基本构件中任 意两构件的角速度之比。传动比用f 表示，上下脚标表明相应构件的运动状态。 2 4 1 相对角速度法确定传动比 相对角速度法是一种应用相对运动原理，将周转轮系中的行星架固定，使其 转化为转化机构，借助定轴轮系的有关结论来确定周转轮系传动比的一种方法 设三个基本件激波器h 、中心轮k 、活齿轮g 的角速度分别国。、彩。、翻b ， 转向均为顺时针方向。现给整个活齿传动加一个与激波器h 角速度大小相等、方 向相反的附加角速度( 一彩。) 。根据相对运动原理，并