（机械制造及其自动化专业论文）活齿减速器虚拟样机建模和性能仿真研究.pdf

摘璎 摘要 滚柱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优点，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滚柱活齿减速器进行系统设计和性能仿 真，具有十分重要的意义。 本文在滚柱活齿传动理论研究的基础上，利用p r o e 和a d a m s 软件，对滚 柱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：1 ) 基于齿轮啮合原理，对滚柱活齿传动的 工作原理、特点和传动比进行分析，对中心轮齿形进行综合正解，为进一步进行 齿廓修形提供了理论基础；2 ) 建立了滚柱活齿减速器虚拟样机模型，完成了虚 拟设计和装配；3 ) 完成了p r o e 和a d a m s 之间接口文件的安装，成功转换了 两者之间的几何模型；4 ) 通过对滚柱活齿传动样机模型进行动力学仿真，探讨 了关键部件运动特征及承受的载荷情况，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、噪声和寿命的分析提供了重要的依据；5 ) 通过仿 真对比试验、分析了相同尺寸和结构下滚柱活齿传动和摆动活齿传动两种减速器 样机的不同输出和受力情况，并比较了两类活齿传动在设计、性能和制造等方面 各自具有的优缺点，为推广活齿的理论发展和实际应用奠定了一定的基础。 关键词滚柱活齿减速器；虚拟样机；动力学仿真 v 摘要 a bs t r a c t r o l l e rm o v a b l et e e t hr e d u c e lw 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 san e w 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 t r u c t u 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 d o fb r a n d n e wp r o d u c t sd e v e l o p m e n t a 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 a nn o to n 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 n p 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 d c a na l s o i m p r o v e t h e p r o p e r t i e s o f p r o d u c t ，s t r e n g t h e n t h em a r k e t c o m p e t i t i v e n e s s ，a c c e l e r a t e t h e t r a n s f o r m a t i o nf r o mn e w t e c h n o l o g yt on e wp r o d u c t s i ti sv e r yi m p o r t a n tm e a n i n go f u s i n g v i r t u a lp r o t o t y p i n gt oc a r r yo nt 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 n i nr o l l e rm 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 ft h ep r o d u c t s o 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 fr o l l e rm o v a b l et o o t hd r i v ea n dt h r o u g h p r o ea n da d a m ss o f t w a r e ，t h i sp a p e rh a v ee 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 f r o l l e rm o v a b l et o o t hr e d u c e r , r e a l i z e dv i r t u a la s s e m b l y , a n dc o m p l e t e dt h ew o r ko f s 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 g i nt h i s p a p e ri n c l u d e sm a i n l yi n t 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 fr o l l e rm 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 fr o l l e rm 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 ef 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 fr o l l e rm o v a b l et o o t hr e d u c e lc 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 np r o ea n da d a m s s o f t w a r e ，t h ep a p e rs u c c e e d e di nf i n i s h i n gt h e c 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 ) t h r o u g hh a v i n g c a r r i e do nd y n a m i c si m i t a t eo fr o l l e rm o v a b l et e e t hr e d u c e rp r o t o t y p em o d e l ，t h e p 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 tb e a ra n d a 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 gm o d e ， v i 摘璎 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 ft h e l i f e s p a no fn o i s e i nt h ef u t u r e 5 ) c o m p a i r i n gt h et e s ta n da n a l y s e so fr o l l e rm o v a b l e t o o t h d r i v ea n ds w i n gm o v a b l et o o t hd r i v ew h i c hh a v es a m es i z ea n ds t r u c t u r e t h r o u g hd y n a m i c si m i t a t i n g ，s u p e r i o r i t i e sa n ds h o r t c o m i n g so nd e s i g n ，p r o p e r t ya n d m a n u f a c t u r i n go ft h e s et w o k i n d so fm o v a b l et o o t hd r i v ec a nb ea c h i e v e d ，t h a tw o u l d b eu s e f u lt ot h e i rt h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：r o l l e rm 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 v 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： 鱼查鲞 日 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：g 茎岙导师签名：阻日期：趁鳢：生2 牟 第1 帝绪论 1 1 活齿传动综述 1 1 1 活齿传动 第1 章绪论 活齿少齿差行星齿轮传动，简称活齿传动l 。这种传动装置可传递同轴线两 轴间的运动和动力。活齿传动与一般少齿差行星齿轮传动类似，但活齿传动同时 啮合齿数更多，承载能力和抗冲击能力更强。由于不需要采用一般少齿差行星齿 轮传动所必须的输出机构，使得结构简单、紧凑，功率损耗小，所以这种传动装 置一出现就引起了科技人员的广泛关注。 活齿传动是由k - h _ v 型少齿差行星齿轮传动演化而成的一种新型齿轮传 动，它利用活齿( 一组中间活动件) 来实现两同轴之间转速和转矩的变换，突破 了长期以来齿轮传动的传统结构形式。活齿传动将行星齿轮的轮齿与轮体的刚性 联接改为运动副活动联接，使行星齿轮的全部轮齿成为一组做循环运动的独立运 动体，称为活齿，活齿与活齿架组成了活齿轮；将行星齿轮的行星运动改为活齿 轮绕固定轴线的转动，并使诸活齿在活齿架的导向中按一定的运动规律运动，实 现了行星齿轮作行星运动的功能。活齿传动这一结构特征使得系统的传动链显著 缩短，这给活齿传动带来了诸多优点。 1 1 2 活齿传动的发展与研究现状 国外研究状况：欧美等国家对活齿传动的研究起步较早。活齿传动最初的结 构形式是在上个世纪3 0 年代【2 l 由德国人提出来的，到了4 0 年代，他们就已经把 活齿传动技术应用到汽车的转向机构中。第二次世界大战曾使活齿传动的研究一 度沉寂下来。5 0 年代，前苏联学者对活齿传动的一种重要形式进行了研究，提 出了“柱塞理论”及活齿传动的运动学和力的计算方法。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，并对传动比和作用力进行了计算， 分析了其传动性能。到了8 0 年代，美国和前苏联两国积极开发活齿传动的新形 j 东人学硕f ：学位论文 式，前苏联推出的“正弦滚道滚珠传动”和美国推出的“无齿齿轮传动技术”曾 引起世界各国科技人员的极大兴趣。前苏联将滚珠减速器用于石油钻探中，成功 地解决了涡轮钻具转速过高的难题。英国推出的“滑齿减速器”形成了系列产品， 单级传动的传动比2 0 8 0 。8 0 年代以后，国际上研究活齿传动更加积极，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吲引。进入 9 0 年代以后，活齿传动理论趋于完善，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 和应用在国外己经成为行星机构研究中相当活跃的领域。 国内研究状况：我国对活齿传动的研究起步较晚。上个世纪7 0 年代以后， 我国的科研人员才开始注意国外活齿传动的发展，并对其进行了科学研究，经过 几十年的努力，在理论研究和产品开发方面都取得了很大的进展，相继发表了论 文、专著等多种形式的文献【1 。3 6 l ，亦先后推出了一批专利技术【3 7 删，如套筒活齿 少齿差传动装置、活齿推杆减速器和摆动活齿减速机等等。活齿传动理论在活齿 减速器中得到实践和完善，绝大多数活齿传动理论的研究都集中在这一领域。四 川大学对摆动活齿传动的研究得到了国家自然基金项目“摆动活齿传动理论和性 能的研究 的资助，取得了一系列研究成果。由于活齿减速器具有传动比大、传 动效率高、转动平稳、体积小、重量轻、噪声小及寿命长等一系列优点，己经有 多种形式的活齿减速器应用于机械、纺织、铁路、冶金、矿山、建筑和造船等领 域。活齿减速器发展前景极为广阔，目前正朝着高速精密及低速重载方向发展， 以期适用于更为广阔的领域。 1 1 3 活齿传动的主要结构 活齿传动都是由三个基本构件偏心轮h 、活齿轮g ( 包括活齿架、活齿 等) 、中心轮k 组成，如图1 - 1 。活齿架与其上的活齿组成的活齿轮g 具有行星 轮和输出机构的功能，偏心距为a 的偏心轮相当于支承行星轮的行星架，它们和 中心轮k 一起组成了k _ h _ v 型少齿差行星传动，所以各种类型的活齿传动统 称为“少齿差活齿行星齿轮传动”。 2 第1 幸绪论 。b 烩) 图1 - 1 活齿传动的基本构件 1 1 4 活齿传动的主要类型 经过国内外数十年的科学研究和实际应用，现已研制出多种结构型式的活齿 传动，比较典型的有推杆针轮活齿传动、摆动活齿传动、滚柱活齿传动、套筒活 齿传动和t 型活齿传动。 ( 1 ) 推杆针轮活齿传动 如图1 2 所示，推杆针轮活齿传动由偏心轮h 、活齿轮g 和中心轮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 各推杆针轮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。推杆针轮活齿传动的特点是：活齿的结构是推杆，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。 3 i i j 东人学硕i ：学佗论文 图1 - 2 推杆针轮活齿传动图卜3 摆动活齿传动 ( 2 ) 摆动活齿传动 如图i - 3 所示，摆动活齿传动也是由偏心轮h 、活齿轮g 和中心轮k 三个基 本构件组成。偏心轮h 由偏心套、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匀分布的柱销组成转动副，活齿 架与输出轴一般采用固联的方式联接。中心轮k 是一个具有包络曲线齿形的内齿 圈，与减速器箱体固联或转动副联接。摆动活齿传动的特点是：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。 4 么滁 图1 - 4 滚柱活齿传动 图1 - 5 套筒活齿传动 第1 审绪论 ( 3 ) 滚柱活齿传动 图1 - 4 为滚柱活齿传动的结构示意图。滚柱活齿传动由中心轮k 、激波器h 和活齿轮g 三个基本构件组成。其中心轮一般与机座固联，活齿轮g 由活齿架及 其径向导槽中的一组滚柱活齿( 钢球) 所组成，活齿架为薄壁筒，径向导槽在活 齿架上均匀分布。活齿架与输出轴的联接可以是整体的，也可以是装配的。滚柱 活齿传动的特点是：结构简单，传动性能好，活齿是圆柱或者钢球，易于加工， 钢球可选标准件。 ( 4 ) 套筒活齿传动 图1 - 5 为套筒活齿传动的结构示意图。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、外齿圈所组成。双偏心套 与输入轴固联，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。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。套筒活齿传动的传动原理：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，推动套筒活齿运动，套筒活齿外圆柱面与固定中心轮内凹齿形曲面啮合滚转， 带动与套筒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。而与中心轮k 的非工作齿形接触的各套筒活齿在活齿架上 柱销的反推作用下顺序返回工作的起始位置。 ( 5 ) 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，见下图1 - 6 。其内齿圈采用滚柱活齿传动的结构，活齿架采用由活齿针轮传 动的活齿架。由于顶杆轴线与滚柱的轴线相垂直，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，顶杆的圆柱 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，制造难度大，降低了传动精度，加装滚柱的做 法不能从根本上改善传动性能，反而会造成负面影响。 5 俐卜6t 巧u 活齿传动 1 1 5 活齿传动的特点及应用 l l j 活齿传动的基本结构和典，弘类五! 可知：( 1 )活齿结构新颖紧凑，同轴传 动，其减速运动通过活齿直接i 活齿架输卅，结构简单，传动装7 4 1 的轴向和径向 尺、j 都很小，体积小，重量轻；( 2 ) 多齿啮合、承载能力高。所有的活齿同时和 中心轮齿廓接触，最多町以有1 t 2 的活齿参加啮合，抗冲击能力和承载能力高， 传动。、f i 稳尤噪声；( 3 ) 传动比大、范“。活齿传动属j ik h v 型少齿莠行 星齿轮, f t ；4 j 范畴，传动比大；( 4 ) 传动效率高。输出轴和活“i a i 架 e l 做成整体结 构，使输入轴到输出轴之问的运动链缩短，减少了动力传递损失，传动效二红可达 7 ( ) 一9 5 。 由丁活齿传动具有上述突出f 1 7 , j , f j l , 、i ，已被应用到能源、通信、交通、冶金、 造船、矿lj i 、化工、建筑、纺织、轻i ：及食品机械等l ：业部l 、j 中，如用于机床的 进给机构、锅炉的除渣机构、选矿场的球磨机、矿i i i 牵引牟等。但是除会简活齿 外其它活齿传动机构l ，在传j 零件问f i 可避免的存在_ l j 动摩擦，使得磨损和发 热现象严重，这个问题成为限制活“i a i 传动优良性i 能得以发挥的主要障碍。 第l 章绪论 1 2 虚拟样机技术综述 1 2 1 虚拟样机技术的基本概念 虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p i n g ) 是指在产品设计开发过程中，将分 散的零部件设计和分析技术揉合在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并 针对该产品的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计， 提高产品性能的一种新技术【4 1 1 。 1 2 2 虚拟样机技术的形成及其在机械工程中的应用 在1 9 9 0 年1 0 月2 9 日，美国波音公司正式启动波音7 7 7 飞机的研制计划， 采用了一种全数字化、无纸设计的全新设计方式，整机外型、结构件和整机飞机 系统全部采用三维数字化定义、数字化预装配，整个设计制造过程无需模型和物 理样机，一次研制成功，其应用的开发技术即虚拟样机技术。1 9 9 7 年7 月4 日， 美国航空航天局( n a s a ) 的喷气推进试验室( j p l ) 成功实现了火星探测器“探 路号 在火星上的软着陆，成为轰动一时的新闻。j p l 工程师们利用虚拟样机技 术通过仿真研究表明，探测器很可能在着陆时倒置落下，于是对这个问题修改了 技术方案，保证了火星登陆计划的成功【4 2 1 。福特汽车公司在一个新车型的开发 中也采用了虚拟样机技术，其设计周期缩短了7 0 天，设计费用也大为减少，新 车上市提前，额外赢利达到起研制成本的数倍。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。 虚拟样机技术是近些年来在产品开发的c a x ( c a d 、c a m 、c a e 等技术) 和d f x ( 如d f a ：d e s i g nf o ra s s e m b l y 、d f m ：d e s i g nf o rm a n u f a c t u r e ) 等技术基础 上发展起来的，它进一步融合了现代信息技术、先进仿真技术和先进制造技术， 利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计测试和评估，降低开发成本，缩 短开发周期，提高了面向客户与市场需求的快速应变能力。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及其应用也获得了 迅速发展【4 3 4 9 1 。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 7 山东大学硕f j 学位论丈 段，已日益具备处理复杂工程问题的能力。虚拟样机技术在美、德、日等发达国 家都已得到广泛的应用，应用领域包括：汽车制造业、航天航空业、工程机械、 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诸多方面。 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，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 ll a r ) 公司是世界上最大的拖拉机、装载机和工程机械 制造商之一，由于制造一台大型设备的物理样机需要的时间长，耗资大，所以， 为了提高竞争力，该公司采用了虚拟样机技术，缩短了生产周期，降低了成本。 以生产农林机械著称的美国j o h n d 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白激振动问题，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。 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，我国的大多数机械工业企业已采用先进的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 拟样机技术软件正尝试使用。但国内对机械系统虚拟样机技术软件系统开发和商 8 第1 市绪论 品化的重要性及迫切性认识还有待提高，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。 1 3 本课题研究的意义和主要内容 1 3 1 本课题研究的意义 活齿减速器之所以能够产生并不断发展至今，就是因为它具有体积小、重量 轻，同轴传动、传动比大，抗冲击能力和承载能力强、效率高等其它减速器无法 比拟的优点。国外已有多种形式的活齿传动应用于工程实际。国内对活齿传动的 研究多集中在摆动活齿传动上【5 0 _ 5 4 1 ，对滚柱活齿传动的研究相对较少【5 5 。5 6 1 ，对活 齿减速器的虚拟样机建模及性能仿真的研究更少有文献报道。从结构简单、紧凑、 整机尺寸小、易于制造以及主要工作零部件经久耐用的角度出发，本文主要对滚 柱活齿传动形式进行研究。滚柱活齿结构简单，无需摆动活齿的柱销等附件，整 个机构只有四个主要构件即可完成主从动轴间的减速传动。四个构件包括中心 轮、活齿架、滚柱和偏心轮，除中心轮内廓曲线比较复杂以外，其余几个构件都 很容易实现，其中滚柱已实现系列化、标准化，可以直接按滚柱轴承的型号选用， 所以加工制造都比摆动活齿容易。 滚柱活齿减速器有激波器和具有复杂齿廓曲线的中心轮等构件，如果以传统 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，很难得到最佳方案。 若结构及参数设计不合理，还会引起啮合质量差、系统效率低、齿廓易产生“根 切”等现象。在运动学、动力学分析中，国内对此类机构很少有专著进行较深入 的研究和探讨，从而一定程度上阻碍了它的推广和应用。本课题应用虚拟样机技 术对滚柱活齿减速器进行建模及性能仿真，对于促进活齿理论研究和加快开发活 齿减速器的应用具有一定的实用价值。在设计的初级阶段就可以在虚拟状态下对 整个系统进行完整的分析，可以观察并试验各工作部件的相互运动情况，可以在 计算机上方便地修改设计缺陷，仿真、试验不同的设计方案，直至获得最优的设 计结果。本课题的研究方法可以缩短产品的开发周期、降低研发成本、提高产品 质量。另外，通过c a d 平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，而对于项目管理者，虚拟设计可为评估和管理项目 9 山东大学硕。 ? 学位论文 的风险方面提供有价值的可视化工具。 1 3 2 本课题研究的主要内容 本课题在研究滚柱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，对滚柱活齿减速器虚拟样机进行建模与性能仿真，并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，对滚柱活齿减速器中心轮齿廓曲线进行研究。 ( 2 ) 以三维建模软件p r o e n g i n e e r 为基础，对滚柱活齿减速器的各零、部 件进行设计和参数计算，并完成减速器的虚拟装配。 ( 3 ) 利用a d a m s 分析软件对系统进行运动仿真，模拟不同的实验条件 ( 如：外部载荷、输入速度、碰撞工况等) ，分析各主要工作部件的运动和承载情 况，分析和比较多种参数方案，直至获得最优的工作性能。 ( 4 ) 减小各活齿的直径尺寸，其它零部件尺寸不变，研究有齿侧间隙时系 统的运动和承载情况。 ( 5 ) 对比、分析滚柱活齿减速器和摆动活齿减速器的虚拟样机建模与性能 仿真结果，评价二者各自的结构和性能优劣，以期对滚柱活齿减速器的设计、生 产和应用产生积极的影响。 1 4 本章小结 本章简要介绍了活齿传动的特点、研究概况及发展趋势，对虚拟样机技术的 产生、发展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 意义和主要的研究内容。 1 0 第2 章活衡传动的结构理论及内形分析 第2 章活齿传动的结构理论及齿形分析 2 1 滚柱活齿传动的结构和工作原理 图2 - 1 为滚柱活齿啮合副的结构模型和传动原理图。滚柱活齿传动由中心轮 k 、活齿轮g 和激波器h 三个基本构件组成。激波器h 几何中心为b ，转动中 心为o 。活齿轮g 由活齿架及其径向导槽中的一组滚柱活齿( 轴承滚柱) 所组 成。中心轮如果与机座固联，则运动的输出最终由活齿架完成，活齿架与输出轴 的联接可以是整体的，也可以是装配的。 图2 - 1 滚柱活齿啮合副和结构模型图 滚柱活齿传动原理：当驱动力输入后，输入轴以等角速度顺时针转动，它带 动激波器使其几何中心b 绕固定中心o 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滚柱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g 以等角速度逆时 针转动，于是滚柱活齿传动完成了转速变换运动。而与中心轮非工作齿廓接触的 诸滚柱活齿，在活齿架径向导槽的推动下，顺序地返回工作起始位置。 山东夫学硕i ：学何论文 2 2 滚柱活齿传动的传动比 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。三个基本构件任意固定其中一个，则其它两个构件可以 互为主、从动件，三件间也可以形成差动传动。 设三个基本件激波器h 、中心轮k 、活齿轮g 的角速度分别日、k 、g ， 转向均为顺时针方向。设传动比用字母i 表示，并以上、下角标表明相应构件的 运动状态。例如，传动比i 。k g 表示激波器h 相对于中心轮k 的相对角速度与活齿 轮g 相对于中心轮k 的相对角速度之比，即f 嚣= 0 h 一置) 0 g 一( 【，x ) 。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( 一日) 。 根据相对运动原理，并不影响活齿传动中任意两构件间的相对运动关系。这样， 激波器h 可视为固定不动，该活齿传动就转化为没有行星轮的转化机构。在转化 机构中，三个基本件相对于激波器h 的角速度为等、：、缈多。转化机构中各 构件的角速度关系如下：( o h 日一( 0 日一= o ；g h 一- - 6 一j j ，；量= 置一。在转化 机构中，任意两构件的传动比，可以用定轴轮系传动比公式计算，所以活齿轮g 和中心轮k 的传动比可表示为 酗筹一詈 由上式得 缈g ；甜置f + h ( 1 - 一x k ) ( 2 1 ) 活齿传动基本构件角速度关系式，表示激波器h 、活齿轮g 、中心轮k 间 的运动关系。由此不难求出当三构件中任一构件固定时，其他两构件间的传动比。 当中心轮k 固定( k = o ) 时，可得到激波器h 主动，活齿轮g 从动的传动 比f 盎或活齿轮g 主动，激波器h 从动的传动比f 嘉 f 彘一z g ( z g z k ) ；f 嘉= ( z g z k ) z g ( 2 2 ) 当活齿轮g 固定( g = 0 ) 时，可得到激波器h 主动，中心轮k 从动的传动 1 2 第2 市活齿传动的结构理论及衡形分析 比z 或中心轮k 主动，激波器h 从动的传动比f 刍 f 盘= z 置( z 置一z 6 ) ；f 刍= ( z x z g ) l z 足 ( 2 3 ) 当激波器h 固定( 日= 0 ) 时，可得到活齿轮g 主动，中心轮k 从动的传动 比f 怎或中心轮k 主动，活齿轮g 从动的传动比f 品 i 羡一z x z g ；f 品一z g z 足 ( 2 4 ) 活齿传动的转向用其主、从动件转向相同或相反来表示，它与活齿轮g 的齿 数z g 、中心轮k 的齿数z 足和由固定件所确定的传动形式有关。通常用基本件的 相对运动关系( 角速度比的正负号) 来判别。当传动比为正时，说明主、从动件 运动方向相同；当传动比为负时，说明主、从动件运动方向相反。 2 3 滚柱活齿传动的齿形综合 齿轮传动要符合啮合理论，当一对齿面共轭时，两齿面彼此要连续接触并能 按预定规律实现传动比，因此对于滚柱活齿齿廓提出以下设计原则：1 做等速运 动的激波器，按激波凸轮曲线的规律推动活齿做径向运动，齿廓设计必须保证按 照此规律运动，活齿能恒速的驱动输出轴，实现恒速比运动。2 齿廓必须具有良 好的工艺性，便于加工制造，便于标准化、系列化。3 必须保证共轭齿廓的强度 高，同时啮合齿数多( 重叠系数大) 以及滑动率小。 显然，不同激波规律所要求的齿廓也不同。激波器与活齿、活齿与中心轮是 高副，因此这四条曲线( 激波器的轮廓，活齿的齿形，活齿运动轨迹，外圈齿廓) 的关系，要根据啮合原理，用包络线求解【5 7 捌】。本课题采用的滚柱活齿为圆柱形， 激波器为偏心圆盘，所以，只要按正包络方案设计中心轮的齿廓曲线【1 1 ，就可以 实现恒速比的传动。 假设滚柱活齿的中心轮与机座固联，驱动力由输入轴带动激波器输入，滚柱 个数为1 1 ，中心轮齿数为m ，且n m = l ，则激波器与活齿架同向转动。激波器转 动角度堡，则活齿盘转动角度为一2 z r 一旦，故传动比为 1 3 i j 东人学顶f ：学化论文 2 万 ，以 2 万2 万 m咒 1 ：t 盟t ；旦一 ( 2 5 ) 11 ，l 一优 。二一d 7 m聆 设激波器偏心量为s ，输入轴顺时针转动，以激波器的运动回转中心o 为原 点，建立( o x y ) 坐标系，则滚柱活齿的激波器和活齿的运动关系简图如下所 不： _ 一、 、 心 辽一 0 2 r 除7 或& 一 、崎 q h u 篇 蓼x | f 、 s l 弋 、一i 图2 - 2 滚柱活齿的激波器和活齿的运动关系简图 激波器绕偏心点o 顺时针旋转，滚柱在活齿架中自转动并绕偏心点o 转动， 并与激波器始终相切，即滚柱几何中心0 1 与激波器的几何中心0 2 之间的距离保 持不变，而滚柱几何中心与偏心点o 的距离发生了变化，外圈固定不动，并且 与滚柱始终接触。因此外圈的轮廓的形状为滚柱沿滚柱中心o ，运动轨迹形成的 外包络线。所以要求外圈的齿廓，就要先求滚柱轨迹的曲线方程。活齿中心0 l 点 的轨迹方程 j 牡切c ? 泓 【y = 抽s i n 口 ( 2 6 ) 式中：以活齿中心的几何向径 口活齿几何中心与坐标原点连线的几何夹角 1 4 第2 章活涛传动的结构理论及齿形分析 根据结构可知n m ：1 ，设卢= 。f ，口= ：f ， 则旦；竺：土瑚，由 口( 1 1 ，fn m 图可得： 俾+ ，) 2 一s 2 + l n 2 2 x s x l n c o s ( t 7 一口) 求解方程式得： 刀；s c o s ( 一口) 而鬲f 了i 丽 因为l 以o ，所以l 甩- s c o s ( t ；一a ) + j i 了五丁= 弘j i 而 式中p 一口- ( n 一1 ) a 可得l n s c o s ( ( n x ) a ) + 俾+ ，) 2 一s 2 s i n 2 ( q - 1 ) a ) ( 2 7 ) 中心轮的实际轮廓线是滚柱的外包络线。由微分几何得知，以口为参数的包 络线方程为： f ( x ，y ，a ) - 01 堕坚型。o a 口 j 其中f ( x ，y ，口) = 0 是包络线方程，x ，y 是包络线上点的直角坐标系值。 对于滚柱沿轨迹产生的包络线是以理论轨迹为中心、以r 为半径的一族圆。 因圆心的坐标由轨迹方程决定 f ( x ，y ，a ) = ( x x ) 2 + 一y ) 2 一2 0 _ o f ( x , y , a ) 一2 ( x x ) 拿一2 0 一y ) 凳；o d 口c l 口口口 或者( n 卜g _ y ) 糍 将两式联立求解得： x 。石+ ，下丝坠 。( 老) 2 + ( 2 h一丽dxdct ( 2 - 8 ) 山东大学硕i j 学位论叟= 将式x2 ：n c o s 代入得 v = l 甩。s l n 口 x ：l ，1 c o s a + r t l n 了c o 亍s a + l n s i n a v ( l n ) 2 + l ，l 2 y 。工，1 s i na - 5 l n 下c o 亍s a - l n s i n a ( 2 - 9 ) 式中 五等一m 似咖案鬻箦希等 当万历= j 时可同理求出滚子的运动轨迹，代入方程，可得 l n；sx c o s ( 一( ，l + 1 ) 口) + ( 尺+ ，) 2 一s 2 s i n 2 ( 一( ，l + 1 ) a ) 即三玎= sxc o s ( ( n + 1 ) 口) + ( r + ，) 2 一s 2 s i n 2 ( ( ，l + 1 ) 口) ( 2 1 0 ) 比较式( 2 - 7 ) 和( 2 - 1 0 ) ，因为式( 2 7 ) 中门一卢肪而式( 2 1 0 ) 中1 7 + i = m , 显然两者形式是一样的，因此我们可得结论：活齿齿数比中心轮齿廓齿数多一齿 情况下和活齿齿数比中心轮齿廓齿数少一齿的情况下，活齿中心轨迹方程是相同 的，即 l n ：s c o s ( 聊口) + ( 尺+ 力2 一s 2 s i n 2 ( 掰 ( 2 1 1 ) 在实际工程中，齿廓的设计还应该在此基础上进行齿廓修形，以达到改善传 动性能的效果【6 1 - 6 3 1 。 2 4 摆动活齿传动的结构和工作原理 本文为了对比分析滚柱活齿和摆动活齿传动性能的优劣，同时也设计了摆动 活齿减速器的样机，并对摆动活齿传动做了简单介绍。图2 3 为摆动活齿传动 的啮合副和传动原理图。 1 6 第2 章活齿传动的结构理论及衡形分析 图2 - 3 摆动活齿啮合副和传动原理图 摆动活齿啮合副有四个活动件：带有内齿的中心轮k 、偏心轮h 、活齿架g 和摆动活齿q ，中心轮与机座固联，活齿架为输出件。活齿轮上的摆动活齿q 与 活齿架上的均布销柱偏心安装。摆动活齿上的三个运动副元素分别与中心轮k 、 偏心轮激波器h 和活齿架g 组成了高副c 、d 和转动副0 3 。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。中心轮k 是一个具 有包络曲线齿形的内齿圈。摆动活齿传动的传动原理：当驱动力输入后，输入轴 带动偏心轮h 以等角速度顺时针转动，偏心轮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，同时绕着销柱摆动，迫使摆动活齿外 侧滚柱与中心轮的工作齿廓啮合。因为中心轮k 固定，则摆动活齿与中心轮齿 形啮合的同时推动活轮g 以等角速度顺时针转动。 2 5 摆动活齿传动的传动比和齿形分析 由滚柱活齿传动的传动比的公式( 2 - 1 ) 一( 2 - 4 ) 可看出，活齿传动的传动比仅 与活齿轮齿数z g 、中心轮齿数z 置和固定件所确定的传动形式有关，与是否为摆 动活齿或滚柱活齿无关，所以摆动活齿