（机械电子工程专业论文）橡胶合金滤波减速器设计及传动性能分析.pdf

中文摘要 摘要 随着我国航空、航天、船舶、汽车、装备制造等行业的不断发展，传统的减 速器在某些行业已不能满足小体积、大载荷、精度高、效率好、高可靠等一些列 要求。因此针对这些比较突出的实际问题，重庆大学王家序教授开发了一种滤波 减速器( 专利号：z l 2 0 1 0 1 0 1 0 4 3 5 9 5 ) ，具有高刚度、小体积、轻量化、加工方 便等优点。为了进一步提高滤波减速器的传动性能，王家序教授又发明了基于橡 胶合金或软金属弹性材料的滤波齿轮( 申请专利号：2 0 1 1 1 0 0 5 4 6 0 9 3 ) 。本论文主 要开展对橡胶合金滤波减速器的设计和传动性能分析。研究的主要内容可以概括 如下： 对滤波齿轮进行介绍，简要分析橡胶合金滤波减速器的结构组成及工作原 理，在明确该减速器的设计技术要求下，进行减速器的结构设计：包括对各齿数 进行合理的优化分配，并计算其几何尺寸；校验其齿廓重叠干涉和过渡曲线干涉： 偏心轴偏心量的确定；橡胶合金层的结构设计。 利用s o l i d w o r k s 三维c a d 软件建立该减速器的虚拟样机模型，并进行虚拟 装配和干涉分析。利用a n s y sw o r k b e n c h 有限元软件进行该减速器的前十阶模态 分析，确定该减速器的动态特性。 对一般橡胶制品的硫化成形工艺进行深入细致的分析，确定滤波齿轮硫化 成形三要素。根据滤波齿轮的特点和成形工艺的要求，设计出滤波齿轮精密成形 模具。 分析产生回差的主要原因，基于概率统计方法及橡胶合金滤波减速器的特 点，推导出橡胶合金滤波减速器回差的计算公式，分析橡胶合金层对橡胶合金滤 波减速回差的影响。在a d m a s 软件中建立橡胶合金滤波减速器的刚一柔混合模型 及一般滤波减速器刚性体模型，比较两者动力学分析结果，证明橡胶合金滤波减 速器具有更好的传动平稳性。 对橡胶合金滤波减速器和一般滤波减速器进行回差实验，对比两者的实验 结果，得出相关结论，从而进一步提出相关的改善方案。通过对橡胶合金滤波减 速器和未加橡胶合金的滤波减速器的振动性能进行测试，表明橡胶合金滤波减速 器具有更好的振动特性，能起到抑制低频波动滤去高频波动的作用。 关键词：橡胶合金，滤波齿轮，成形工艺，传动性能 重庆大学硕士学位论文 i i 英文摘要 a b s t r a c t w i mt h er a p i d d e v e l o p m e n to fa v i a t i o n ，a e r o s p a c e ，s h i p b u i l d i n g ，a u t o m o b i l e ， e q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n ge t c ，t h et r a d i t i o n a lr e d u c e r si nc e r t a i ni n d u s t r i e sh a sb e e n u n a b l et om e e ts o m er e q u i r e m e n t s ，s u c ha ss m a l lv o l u m e ，l a r g el o a d ，h i g hp r e c i s i o n ， l l i g he f f i c i e n c y , h i g hr e l i a b i l i t ye t c 。a c c o r d i n gt ot h e s em o r ep r o m i n e n tp r o b l e m ， c h o n g q i n gu n i v e r s i t yp r o f e s s o rw a n gj i a x ui n v e n t e dap r e c i s ef i l t e r i n gd r i v i n gg e a r r e d u c e r ( p a t e n tn u m b e r ：z l 2 0 1 0 1 0 1 0 4 3 5 9 5 ) c o m p a r e d 谢lt h eo t h e rg e a rr e d u c e r , i t h a st h ea d v a n t a g e so fh i g hs t i f f n e s s ，s m a l lv o l u m e ，l i g h tw e i g h ta n de a s yt op r o c e s se t c ， i no r d e rt of u r t h e ri m p r o v et h ef i l t e r i n gg e a rr e d u c e rt r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e ，w a n g j i a x up r o f e s s o ri n v e n t e df i l t e r i n gg e a rb a s e do nr u b b e ra l l o yo rs o f te l a s t i cm a t e r i a l ( p a t e n tn o ：2 0 1110 0 5 4 6 0 9 3 ) t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e rc a nb es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： ( ! ) f i l t e r i n gg e a ri si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r , t h es t r u c t u r a lc o m p o s i t i o na n dw o r k i n g p r i n c i p l eo fr u b b e ra l l o yf i l t e r i n gg e a rr e d u c e ra r eb r i e f l ya n a l y z e d , a c c o r d i n gt ot h e & s i g nr e q u i r e m e n t s ，t h es t r u c t u r ed e s i g no fs p e e dr e d u c e r ：i n c l u d i n gt h eo p t i m i z e d a l l o c a t i o no ft h en u m b e ro ft e e t ha n dt h ec a l c u l a t i o no fg e o m e t r i cd i m e n s i o n s ；c h e c k i n g t h ep r o f i l eo v e r l a pi n t e r f e r e n c ea n di n t e r f e r e n c eo ft r a n s i t i o nc u r v e ；t h ee c c e n t r i cv a l u e d e t e r m i n a t i o no fe c c e n t r i cs h a f t ；s t r u c t u r ed e s i g no fr u b b e ra l l o yl a y e r ( 爹t h eu s eo fs o l i d w o r k s3 ds o f t w a r et oe s t a b l i s ht h er e d u c e rb a s e do nv i r t h a l p r o t o t y p em o d e l ，a n dv i r t u a la s s e m b l ya n di n t e r f e r e n c ea n a l y s i s i no r d e rt od e t e r m i n e t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h es p e e dr e d u c e r , r e d u c e rf o rt h ef i r s tt e nm o d e sa r e a n a l y z e db yu s i n ga n s y sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ew o r k b e n c h ( 蓼n l ev u l c a n i z a t i o nf o r m i n gt e c h n o l o g yo fo r d i n a r yr u b b e ri sa n a l y z e di n - d e p t h a n d m e t i c u l o u s l y t od e t e r m i n et h e f i l t e r i n gg e a rv u l c a n i z a t i o nf o r m i n gp r o c e s s a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ff i l t e r i n gg e a ra n dr e q u i r e m e n t so ff o r m i n gp r o c e s s ， t h ep r e c i s i o nf o r m i n gd i eo f f i l t e r i n gg e a ri sd e s i g n e d n l er e a s o n so fr e t u r nd i f f e r e n c ea r ea n a l y z e d ，b a s e do nt h ep r o b a b i l i t ys t a t i s t i c s m e t h o da n dt h ef e a t u r e so fr u b b e ra l l o yf i l t e r i n gg e a rr e d u c e r , r u b b e ra l l o yr e d u c e r s b a c k l a s hc a l c u l a t i o nf o r m u l ai sd e d u c e d ，c o m p a r e d 、) l ，i 廿lr u b b e ra l l o yl a y e rb e f o r ea n d a f t e rf i l t e r i n gd e c e l e r a t i o nr e t u r nd i f f e r e n c e ，a n a l y s i so fr u b b e ra l l o yl a y e ro nt h er u b b e r a l l o yf i l t e rd e c e l e r a t i o nr e t u r nd i f f e r e n c ee f f e c t ，r u b b e ra l l o yf i l t e r i n gg e a rr e d u c e rf o r r i g i d - f l e x i b l eh y b r i dm o d e l i n ga n df i l t e r i n gg e a rr e d u c e rr i g i db o d ym o d e la r eb u i ri n i i i 重庆大学硕士学位论文 a d a m ss o f t w a r e ，c o m p a r i s o nt h er e s u l t so fa n a l y t i c a ld y n a m i c s ，t h ei n f l u e n c eo fr u b b e r a l l o yl a y e ro nt h er u b b e ra l l o yf i l t e rr e d u c e rt r a n s m i s s i o ns t a b i l i t yi sc l e a r r u b b e ra l l o yf i l t e r i n gg e a rr e d u c e ra n dg e n e r a lf i l t e rr e d u c e r sb a c k l a s h e x p e r i m e n tw a sd o n e ，c o n t r a s to ft h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，a n dg e tt h e r e l e v a n t c o n c l u s i o n s a n dt h e np r o p o s ei m p r o v i n gp l a n s t h ev i b r a t i o nt e s tr e s u l to ff i l t e r i n gg e a r r e d u c e rw i t h o u tr u b b e ra l l o yl a y e ra n dr u b b e ra l l o yf i l t e r i n gg e a rr e d u c e ri n d i c a t et h a t t h er u b b e ra l l o yf i l t e r i n gg e a rr e d u c e rh a sb e t t e rv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c hc a nb e a c h i e v e dt h ep u r p o s eo f r e d u c i n gl o wf r e q u e n c yf l u c t a t i o na n df i l t e r i n gh e i g hf r e q u e n c y f l u c t a t i o n k e yw o r d s ：r u b b e ra l l o y , f i l t e r i n gg e a r , m o l d i n gp r o c e s s ，t r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e i v 1 绪论 1 绪论 1 1 项目来源及研究意义 本论文研究来源于国家自然科学基金项目：新型高性能传动件及系统的可靠 性设计理论与方法( 项目编号：5 0 7 3 5 0 0 8 ) 。 减速器作为传动机构重要的组成部分，在汽车、自动化、航空航天、装备制 造等机械行业有着广泛的应用和发展。其传动性能和可靠性直接影响整个传动装 置的性能，因此减速器的质量在某种程度上也限制一个国家整个装备制造业的发 展水平【l 叫。目前机械行业中比较常用的高性能、重载荷、大传动比的减速器主要 有：利用摆线针轮行星传动原理的r v 减速器、依靠柔性齿轮所产生的可控弹性变 形波来传递运动和力的谐波减速器、利用涡轮蜗杆传动原理的蜗杆减速器。虽然 这三种减速器都有各自的优点，在机械行业有着广泛的应用，但也存在着明显的 缺点。r v 减速器中所使用的摆线轮对制造工艺提出了很高的要求，为了满足良好 的传动性能，一般都要对摆线轮轮廓曲线进行修形，因此加工难度比较大，同时 也存在着结构复杂可靠性不是很好的缺点；谐波减速器依靠柔性齿轮所产生的可 控弹性变形波来传递运动和力，可以实现小体积大传动比的特点，但其柔轮需要 反复弹性变形的状态下工作，即承受交变弯曲应力，又要承受扭转应力，工作条 件十分恶劣，降低了减速器的可靠性，因此柔轮对使用材料的性能要求很高；涡 轮蜗杆减速器承载能力很好，但其结构特点决定了其体积比较大1 3 1 。随着我国航空、 航天、船舶、汽车、装备制造等行业的不断发展，传统的减速器在某些行业已不 能满足小体积、大载荷、精度高、效率好、高可靠等一些列要求。因此针对这些 比较突出的实际问题，重庆大学王家序教授发明了一种滤波减速器( 专利号： z l 2 0 1 0 1 0 1 0 4 3 5 9 5 ) h 1 ，具有高刚度、小体积、轻量化、加工方便等优点。为了进 一步提高滤波减速器的传动性能，王家序教授又发明了基于橡胶合金或软金属弹 性材料的的滤波齿轮【5 】( 申请专利号：2 0 1l1 0 0 5 4 6 0 9 3 ) ，滤波齿轮是在一般齿轮的 基础上加入弹性材料，利用弹性材料的可控弹性变形来滤去电机产生的机械能的 形态发生相应的改变、加工和安装误差等所产生的波动，有效防止极端工况与特 殊环境影响而导致齿轮传动系统所产生的波动，避免传动件发生“卡涩”甚至“卡 死”等问题。 本论文研究的对象为橡胶合金滤波减速器，其关键传动部件为滤波齿轮，由 于该减速器处于初始研发阶段，因此对其设计及传动性能开展研究工作具有很高 的工程实用价值和理论指导意义。 重庆大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 高性能减速器的国内外研究现状 上世纪6 0 年代之后由于航天技术、空间探索研究的发展，急需重量轻、体积 小、大传动比等一些特定的减速传动机构，一些发达国家如美国、德国和日本开 始研究满足上述需求的谐波齿轮传动。美国从5 0 年代中期，就有国家航空航天管 理局路易斯研究中心、空间技术实验室、u s m 公司、贝尔航空空间公司、卡曼飞 机公司、本迪克斯航空公司、波音航空公司、肯尼迪空间中心( k s c ) 、麻省理工 学院( m i t ) 、通用电气( g e ) 公司等几十个大型公司和研究中心都曾从事过这方 面的研究工作1 。其中以u s m 公司规模最大，它既生产可供海、陆、空使用的 各种类型谐波传动装置，也生产可供民用的谐波传动系列产品。苏联从6 0 年代初 期开始，也大力开展这方面的研制工作，如苏联机械研究所、莫斯科鲍曼工业大 学、列宁格勒光学精密机械研究所、全苏减速器研究所、基也夫减速器厂和莫斯 科建筑工程学院等单位都大力开展了谐波传动的研究工作。他们对该领域进行了 较系统、深入的基础理论和试验研究，在谐波传动的类型、结构、应用等方面有 较大发展。日本的谐波传动技术和产业发展较快。 迄今为止，关于谐波齿轮装置的理论研究，主要以齿面啮合建模、刚性振动 的特性解析和测定、柔轮的应力解析和测定、整体构造模型的应力解析、齿根应 力测定及各部位的失效机理等性能进行研究。ku e u r a 、yk i y o s a w a 及jk u r o g i 等 人【9 】针对谐波减速器中波发生器与柔轮内壁接触表面的磨损进行了研究，通过接触 感应电阻技术发现：真空环境中更容易发生金属间的直接接触，在谐波减速器的 三个相对运动表面中，波发生器与柔轮间的润滑状态对环境压力最为敏感，在压 力小于5 1 0 2 p a 时，波发生器与柔轮间一直处于边界润滑状态。为了对谐波减速器 中柔轮的疲劳损坏的研究，a y a g o l d m a n 、e g m a t y u s h i n 和v n z a k h a r o v 等人u j 研究了可用于制造谐波减速器部件的刚性聚合物的疲劳性能特点，获得了一些在 复合载荷作用下杯形柔轮的疲劳数据。m i c h a e lr 、j o h n s o n 、r u s sg e h l i n g 及r a y h e a d 1 1 】通过研究认为轮齿的磨损失效和材料成分及其内应力有直接的关系，轮齿 由于同时受外加负载及预载荷，其接触应力相当大，超过了材料的磨损极限，致 使轮齿严重磨损。我国对于谐波减速器的研究开始于上世纪7 0 年代，经过我国科 技工作者多年的探索、研究及改进，已经可以设计、制造多种工况要求的谐波减 速传动装置。2 0 0 6 年，基于椭圆凸轮波发生器，北京工商大学成功开发了具有自 主知识产权的谐波齿轮加工刀具、谐波齿轮传动双圆弧基本齿廓以及双圆弧谐波 齿轮传动装置。f e m 分析的结果表明，双圆弧齿形可以明显使柔轮齿根应力减小。 通过相应的对比试验可以看出，双圆弧谐波齿轮传动的运动精度和传动刚度明显 优于渐开线谐波齿轮传动，尤其是在低载荷段，传动刚度增加了4 0 以上。 1 绪论 摆线针轮行星传动与渐开线少齿差行星传动一样，都属与k - h - v 型行星齿轮 传动。它的主要特征是：行星轮齿齿廓为变幅外摆线的内侧等距曲线，中心齿廓 为圆形。由于其采用行星传动机构，所以结构紧凑，与同功率的普通齿轮减速器 相比，重量及体积均可减少1 2 2 3 。另外其传动比范围大、运转平稳、噪声低等 一系列特点，使其在船舶、纺织、冶金、轻工、食品、橡胶、塑料、起重运输设 备、石油、化工及矿山机械等行业具有广泛的应用。目前国外对摆线针轮减速器 已进行了大量深入的研究，并且已经研发出了一系列产品。尽管摆线少齿差传动 的发明人来自德国，但是德国在这方面的研究相对缓慢；上世纪7 0 年代末，慕尼 黑工业大学的l e h m a n n m 博士曾经对摆线齿形的成型原理、误差的形局与分布 规律做了一定的探讨，特别是指出了径向的修形产生的间隙小于法向修形所产生 的间隙，并对生产的样机进行了动态测试，结果表明：针齿和摆线轮的同时啮合 齿副姿小于针齿数的一半，并连续发表了5 篇该方面的研究论文，但以后该方向 的研究并没有继续下去。德国b i r k h o l z h 博士对针摆传动装置的转速转动变化情 况进行了探讨，并利用相对准确的实验设备对由于不同因素所产生的转动误差进 行了测量。波兰m a n f r e dc h m u r a w a 等科学家采用有限元计算方法对摆线轮的齿面 的接触力和接触变形进行了计算，但由于采用理论标准齿廓来建立数学计算模型， 计算前提出现了一定的偏差，所以和实际相比误差仍然很大。国内的研究机构、 大学及企业等一些科研机构也对摆线针轮传动进行了一系列研究。西北工业大学 的韩林山、沈允文、董海军等人【1 2 】通过对摆线针轮减速器主要的传动部件进行了 受力分析，以摆线针轮传动系统为研究对象通过分析各零件受力状况，利用达郎 贝尔原理推导出了其传动精度的计算公式，并用n e w m a r k 方法进行了数值求解。 最后通过实验研究证明了其方法的可行性。沈阳工业大学的陆荣、刘杰等人【1 ，】利 用u g 三维建模软件对摆线针轮减速器进行三维实体建模，并利用有限元分析软 件对摆线轮的齿廓应力分布进行了分析求解，同时对摆线轮所受的最大压力及扭 矩进行了分析，为摆线针轮减速器的设计提供了相应的依据。天津工业大学的孙 涛及天津职业技术学院的李充宁、刘继岩等人1 1 4 】对2 k v 型摆线传动机构的传动 误差进行了分析，他们根据摆线轮实际的啮合特征，建立了输出传动误差与啮合 误差之间的计算关系式，为进一步提高摆线针轮传动机构的传动精度提供了一定 理论基础。大连铁道学院的关天民、单丽君等人i ”】对摆线针轮传动机构的动态传 动误差进行了研究。他们将摆线轮与滚针受力时，滚针与滚针孔的变形考虑到传 动回差的计算中，推导出了在承受外载荷时的传动回差的计算方法。另外大连铁 道学院的雷蕾、施晓春等人【1 6 】对影响摆线针轮行星传动减速器可靠性的各种因素 进行了研究，针对摆线针轮减速器发生故障失效的原因和条件，建立了一整套应 用于各类摆线针轮减速器可靠性的评价体系，并对实际产品进行了考核，验证了 重庆大学硕士学位论文 此评价体系的可行性。 1 2 2 少齿差行星齿轮传动技术的研究现状 随着工业现代化的发展，机械化和自动化水平的不断提高，各工业部们需要 大量的减速器，并要求减速器具有大传动比、运转可靠、小体积、轻量化、高效 率及可靠平稳等一些特点。减速器的种类虽然很多，但一般的圆柱齿轮减速器体 积大、结构笨重；普通的蜗轮减速器传动比较大时，效率却较低；摆线针轮减速 器虽然可以满足以上要求，但其成本较高，需要专门的设备来制造。而渐开线少 齿差行星减速器不仅可以满足以上的一系列要求，并可以用通用刀具在插齿机上 加工，因而成本较低。 渐开线少齿差行星减速器虽然有许多优点，但这种传动是内啮合传动，由于 内、外齿轮的齿数差较少，易产生各种干涉，计算比较复杂，正确选择几何参数 的步骤比较繁琐。从1 9 4 9 年开始，前苏联的研究人员开始对渐开线少齿差行星传 动的计算方法进行了研究，并从理论上解决了其几何计算问题。朱景梓教授在1 9 5 6 年研制出了一种双曲柄和齿轮组成的的输入机构，其工作原理也属于平行四边形 机构。这种减速器的结构特点是：输入轴( 高速轴) 的转速先经过两个固定齿轮 减速，再传给行星轮，因此行星轮的公转速度较低，所以运转平稳，当总传动比 相等时，其效率比一级的n 型或n - n 型减速器的效率高。郑州工学院的冯澄宙教 授在1 9 8 0 年编著了渐开线少齿差行星传动一书，该书详细介绍了少齿差行星 传动的啮合原理、传动比计算、输出机构设计、齿轮副的几何计算、效率计算、 强度校核。对我国广大师生及工程技术人员掌握这种减速器的设计制造方法有很 大的帮助和指导意义1 1 9 1 。 国内外学者对少齿差行星传动的结构优化、动态性能、齿形修行、结构强度、 传动精度、传动效率等方面已做了大量的研究，并利用计算机技术对减速器各个 主要零部件进行三维实体建模、装配体干涉检验、仿真分析等，使减速器的开发 周期缩短，在产品的设计中得到了一系列应用，得到了许多有价值的成果。湖北 工业大学的丁颖、李伟和仲作阳等人1 2 0 】利用可靠性设计理论和模糊分析对渐开线 少齿差行星传动进行了可靠性优化设计，提出了渐开线少齿差行星传动的模糊可 靠性优化设计方法，在考虑了全部变量的随机性和离散性约束条件中含有模糊关 系和模糊可靠度要求的情况下，以体积最小为目标建立了行星传动的模糊可靠性 优化设计数学模型，并给出了优化方法及优化算例。文献【2 l 】采用遗传算法模拟生 物自然进化过程来搜索少齿差传动参数的最优解，通过优化后的少齿差传动装置 具有较小的体积和较好的传动性能。文献【2 2 】对n 型内齿行星齿轮传动的基本结构 型式环式减速器的传动机理进行了分析研究，建立了环式减速器系统受力分 析模型，得出目前环式减速器存在惯性力或惯性力矩不平衡的结论。 4 1 绪论 1 2 3 齿轮系统动力学研究现状 齿轮系统动力学包括齿轮动态啮合力，动载系数和齿轮系统的振动和噪声特 性等。齿轮传动系统包括齿轮，轴，轴承和与齿轮传动有关的原动机、联轴器和 负载等1 2 3 - - 2 5 1 。其中零件相关的结构和相互连接关系，构成一个复杂的机械系统。传 统的齿轮分析和设计方法，明显已经不符合控制系统动态性能的要求，必须使用 现代分析方法和手段对齿轮动力学深入分析，以进一步了解齿轮系统的结构，几 何参数，加工方法对系统的动态行为的影响阑。 国内外的学者对齿轮系统动力学已进行了广泛的研究。清华大学精密仪器与 机械学系的孙智民、季林红和沈允文1 2 7 】对2 k - h 行星齿轮传动非线性动力学进行 了研究，为研究2 k - h 行星齿轮传动在外扭矩作用下受齿轮副啮合综合误差激励的 非线性动力学特性，建立了间隙型非线性动力学模型，其中考虑了齿侧间隙和时 变啮合刚度。合肥工业大学的余亮浩、朱家诚和刘玉龙等人1 2 引。在p r o e 环境下建 立了单级齿轮传动系统的实体模型，研究了软件的精度对实体建模精度的影响， 并把模型导人虚拟样机软件a d a m s ，建立单级齿轮传动系统的虚拟样机，然后研 究实体模型精度对齿轮动力特性的影响。西北工业大学的孙涛、沈允文和孙智民 等人【2 9 1 对行星齿轮传动系统的多自由度非线性动力学微分方程组，在考虑刚度波 动的情况下，推导了行星齿轮系统微分方程组的解析谐波平衡法的计算公式并 采用b r o y d e n 迭代方法求解非线性代数方程组。德国学者b o s c h 使用计算机模拟 扭矩变化来研究齿轮动态特性，考察了外载荷变化对齿轮动载荷的影响。1 9 8 5 年 h i i d a 等人在仅具有齿面滑动方向的简单自由度齿轮振动模型上，研究了轮齿摩擦 以及时变刚度、齿侧间隙对齿轮传动系统动态响应的影响【3 0 】。a k a h a m a n 等用有 限元法，同时考虑系统的间隙非线性和时变啮合刚度来分析了齿轮系统的振动特 性。1 9 8 4 年k u c u k a y f 对高速齿轮系统间隙问题也进行了相关的研究，r j c o m p a r i n 等研究了齿轮系统的幅频特性，用谐波平衡法和数值方法分析指出频响曲线在给 定频率时响应可能的多值性，并把分析结果与用模拟仿真方法得到的结果进行了 比较j 。1 9 8 5 年t h e s s e nj 等从实验上讨论了交变载荷对具有间隙的齿轮传动系统 的影响。a k a h a m a n 在9 0 年代初期通过研究发现了次谐周期、拟周期稳态解和混 沌解及两个典型的通向混沌的道路，给出了产生各种分叉和混沌响应的参数区域 m j 。日本学者t s u l a 在1 9 9 1 年，综合考虑轴承和轴的刚度，对斜齿轮传动的动态 特性进行了研究。k a h r a m a n 事先通过预测了在准静态条件下行星轮间的载荷分布， 然后建立了一个行星齿轮机构的模型，并通过实验来证实其提出的预测准确性。 1 3 本文研究的主要内容 本课题拟研究一种用滤波齿轮( 申请专利号：2 0 1 1 1 0 0 5 4 6 0 9 3 ) 作为关键传动 重庆大学硕士学位论文 件的新型减速器橡胶合金滤波减速器。由于其必须满足高精度、高可靠、低 能耗、传动平稳等多种技术要求，因此对该减速器进行设计及传动性能分析，明 确其性能特点，为后续研制工作奠定了基础。 本文开展的主要研究内容如下： 对橡胶合金滤波减速器的关键传动部件滤波齿轮进行介绍，简要分析橡胶 合金滤波减速器的结构组成及工作原理，在明确该减速器的设计技术要求下，进 行该减速器的结构设计：包括对各齿数进行合理的优化分配，并计算其几何尺寸； 校验其齿廓重叠干涉和过渡曲线干涉；偏心轴的偏心量的确定；橡胶合金层的结 构设计。 利用s o l i d w o r k s 三维c a d 软件建立该减速器的虚拟样机模型，并进行虚拟 装配和干涉分析。利用a n s y sw o r k b e n c h 有限元软件进行该减速器的前十阶模态 分析，从而确定其动态特性。 对一般橡胶制品的硫化成形工艺进行深入细致的分析，确定滤波齿轮硫化 成形三要素。根据滤波齿轮的特点和成形工艺的要求，设计出滤波齿轮精密成形 模具。 明确产生回差的主要原因，基于概率统计的方法及橡胶合金滤波减速器的 特点，推导出橡胶合金滤波减速器回差的计算公式，分析橡胶合金层对橡胶合金 滤波减速回差的影响。在a d m a s 软件中建立橡胶合金滤波减速器的刚柔混合模 型及一般滤波减速器刚性体模型，比较两者分析结果，明确橡胶合金层对橡胶合 金滤波减速传动平稳性的影响。 进行橡胶合金滤波减速器和一般滤波减速器回差实验，对比两者的实验结 果，得出相关结论，从而进一步提出相关的改进方案。对橡胶合金滤波减速器和 未加橡胶合金的滤波减速器的振动性能进行测试，比较两种减速器的振动特性。 另外对橡胶合金滤波减速器进行传动效率实验。 2 橡胶合金滤波减速器的结构设计 2 橡胶合金滤波减速器的结构设计 2 1 橡胶合金滤波减速器的介绍 橡胶合金滤波减速器是在传统的滤波减速器的基础上研制的。目的是为了更 好的提高滤波减速器的传动性能。橡胶合金滤波减速器与传统滤波减速器的最大 不同在于，橡胶合金滤波减速器的关键传动件采用的是滤波齿轮而不是双联齿轮。 滤波齿轮由齿轮本体、轮毂和弹性体组成。其示意图入图2 1 所示，1 为齿轮本体， 2 为弹性体，3 为轮毂。在齿轮本体和轮毂配合间隙内紧密填充特定的橡胶合金或 软金属弹性体，可以明显的增强齿轮以及整个传动系统的抗振能力，并通过可控 的弹性变形量过滤掉由电机产生的机械能形态改变、装配制造误差和啮合冲击等 产生的齿面疲劳磨损、振动和噪声，保证传动装置在所设计的传动精度和承载能 力范围内工作，有效防止极端工况与特殊环境下齿轮传动装置的“卡涩”、“卡死” 等问题。 b j 图2 1 滤波齿轮示意图 f i g 2 1s k e t c hm a po ff i l t e r i n gg e a r 2 2 橡胶合金滤波减速器的结构组成及传动原理 橡胶合金滤波减速器由偏心减速机构、滤波花键机构、滤波齿轮及输出机构 四大主要部分组成，其结构简图和工作原理简图分别由图2 2 和图2 3 所示。偏心 减速机构由内齿轮l ( 齿数为z 2 ) 、滚动轴承8 、滚动轴承5 、双联齿轮2 ( 与内齿 轮1 啮合的外齿轮齿数为z l ，另一个齿数为z 3 ) 及偏心轴4 组成，滤波花键机构 由双联齿轮2 、弹性体1 3 、轴套1 2 、转臂轴承3 、及内齿轮1 1 ( 齿数为z 4 ) 组成， 滤波齿轮由双联齿轮2 、弹性体1 3 及轴套1 2 组成，输出机构由内齿轮1 1 、滚针6 、 联接螺钉7 以及挡盘1 0 组成，其中如果减速器设计要求的外部尺寸较大结构允许 的情况下，滚针6 可以用标准轴承代替，这样可以提高减速器的可靠性同时降低 啪荡豳h斟目 重庆大学硕士学位论文 加工的难度，减少整体成本。减速器在运转时，内齿轮1 ( 齿数为z 2 ) 固定不动， 偏心轴4 为输入轴，又是转臂，滤波齿轮机构通过转臂轴承3 装在具有偏心距e 的 输入轴4 上，当输入轴4 旋转时，滤波齿轮不仅绕其安装在输入轴4 的轴线o l 转 动，并且同时随着输入轴4 一起绕着固定轴0 回转，即滤波齿轮即作自传又作公 转运动，双联齿轮齿数为z 3 的齿轮带动输出内齿轮1 1 ( 齿数为z 4 ) 运动，而内齿 轮11 与输出轴固定在一起，把运动输出。 图2 2 橡胶合金滤波减速器结构图 图2 3 工作原理图 f i g 2 2p r i n c i p l ed i a g r a mo fo fr u b b e ra l l o y f i g 2 3d i a g r a mo ft h eb a s i cw o r k i n g f i l t e r i n gg e a rr e d u c e r p r i n c i p l e 2 3 橡胶合金滤波减速器的结构参数设计 橡胶合金滤波减速器是按照谐波减速器( h a r m a n i cd r i v e ) 型号为c s f 一2 5 - 8 0 的接口尺寸( 如图2 4 和表2 1 所示) 及性能参数设计。其传动比为- 8 0 ，额定工作 转速2 0 0 0 r p m ，额定输出转矩为8 0 n m 。 图2 4 谐波减速器c s f 2 5 8 0 接口尺寸 f i 9 2 2 p o r td m e n s i o no fh a r m a n i cd r i v ec s f 一2 5 - 8 0 2 橡胶合金滤波减速器的结构设计 表2 1 谐波减速器c s f - 2 5 - 8 0 尺寸数据( n u n ) 里尘兰：! 旦i 里曼堕i 旦璺曼塑竺! 丛篁型塑堡垒曼翌堡璺里：兰墨：墨q 娅) 垒堡堡!9 2旦星鱼奠!1 8 53 72 41 333l o 2 12 0 2 6 74 0 klm n cn f op q rs t i 2 01 24 5m 4m 464 5 7 5 86 63 0 u 1 vxy z lz 2d ld 2d 3 2 6111 2 8c 0 40 2 50 3c 0 4 c 0 4c 0 5 2 3 1 传动比计算及齿数优化分配 传动比计算 从图2 3 滤波减速器传动原理图可以看出滤波减速器是属于行星齿轮传动轮 系，因此其传动比应按照计算行星齿轮传动的方法进行计算。图2 2 和图2 3 所示， 内齿轮1 ( 其齿数为z 2 ) 固定不动，双联齿轮2 ( 与内齿轮1 啮合的外齿轮模数为 z l ，与输出齿轮1 1 啮合的外齿轮模数为z 3 ) 为行星轮。h 为偏心轴，双联齿轮2 既绕着轴线o l 公转，又绕着与o l 有一定偏心量的轴线o 自转，因此其计算方法 为： 生二生：互互 吐一hz 2 z 因此： 江。r t 吐o i l2 军z 而i z 4吐么l 么4 一么2 么3 ( 2 1 ) 其中：f 输出传动比； 偏心轴h 的角速度； 妫固定内齿轮的角速度； q 输出内齿轮的角速度； 轮齿齿数选择 在滤波减速器设计中，传动比是给定的值。在新型滤波减速器设计中根据设 计要求其传动比i = 8 0 。为了各个轮齿齿数的选择和分配令2 2 一z t = a ， z 4 一z 3 = b 。由式2 1 可得： 1 i = 0 4 = 号丁 ( 2 2 ) 1 一丝 z i z 4 龇： 待0 = 丽z i z 4 ( 2 3 ) 齿轮l 和3 联成一个整体，必须使齿轮1 和齿轮2 的中心距( 及偏心距a ) 和 9 重庆大学硕士学位论文 齿轮3 和4 的中心距相等，因此两对相啮合的齿数差a 和b 的值必须取为大致相 等的值。在设计中令a = b 则： 故：= 垄二! a 竺c 二韭 ( 2 4 ) 眦z1-(c-a)监*、(c琴-a)+684xac 晓5 ， 从式子2 5 可以看出为了计算z l ，应该首先确定齿数差a 的值和联齿差c 的 值，在一般的设计中齿数差a 的值应不超过7 ，在本次设计中，a 的取值为l “。 当齿数差a 的值确定后联齿差c 取值为l 2 0 ，且每次取值为整数。因此通过编程， 其符合要求的轮齿齿数计算结果如表2 1 所示。 表2 1 轮齿齿数分配 t a b 2 1d i s t r i b u t i o no f t e e t h 序第一级齿轮副第二级齿轮副中心距口传动比 量翌z ! 塑翌!玺盈竺21 翌丝!垒益! 丝丝! ! l1 52 02 l1 52 72 80 7 58 0 2 1 2 52 62 71 2 53 94 00 6 2 58 0 31 52 52 71 53 03 21 58 0 40 84 04 20 85 45 60 88 0 51 52 42 71 52 73 0 2 2 5- 8 0 6 0 47 88 l0 4 1 1 7 1 2 0 0 68 0 71 2 53 23 61 2 53 64 02 58 0 80 85 05 40 86 06 41 68 0 90 66 46 80 68 l8 51 2- 8 0 1 00 58 08 40 51 0 81 1 218 0 1 11 52 53 01 52 73 23 7 5- 8 0 1 214 04 514 55 02 5 8 0 1 30 57 68 10 59 51 0 0 1 2 5- 8 0 1 4o 41 0 01 0 50 41 3 51 4 01- 8 0 1 50 84 85 40 85 46 02 4- 8 0 1 6o 57 58 1o 59 09 61 58 0 1 71 52 0 2 71 52 l2 85 2 5- 8 0 1 80 65 66 30 66 37 0 2 1- 8 0 1 90 5 7 07 70 58 18 81 7 58 0 2 0o 6 4 04 50 55 46 01 5- 8 0 2 10 67 6 8 10 51 1 41 2 01 58 0 1 0 2 橡胶合金滤波减速器的结构设计 序第一级齿轮副 第二级齿轮副中心距a传动比 量翌! 竺翌!垒坌 翌21 翌翌!垒堑! 型翌!1 2 2 0 54 85 40 64 55 01 58 0 2 30 57 58 1 o 67 58 01 58 0 2 4 0 58 08 60 6 8 1 8 6 1 58 0 2 50 4 7 68 10 57 68 0 18 0 2 60 48 08 50 5 8 18 518 0 2 70 4 1 0 01 0 50 51 0 81 1 218 0 2 80 47 58 1 o 66 06 41 28 0 从表2 1 可以看出，有2 8 种分配方案可以满足传动比的要求。为了保证齿轮 传动的强度要求，齿轮的模数不能选择太小，同时为了保证减速器的传动精度要 求，模数又不能太大，因此确定齿轮的模数m 取值为l ，即：m = l 。考虑到减速器 整体尺寸要求及要留有一定的空间来安装轴承和橡胶合金层，经过初步计算选定 z l = 4 0 ，z 2 = 4 5 ，z 3 = 4 5 ，z 1 4 = 5 0 这一组。 2 3 2 内齿轮与双联齿轮几何尺寸设计计算 现取设计参数：压力角a = 2 0 0 、齿顶高系数h = o 5 5 、齿顶间隙系数c ：o 2 5 、 齿顶过渡圆角半径r o = 0 1 m m 、齿根过渡圆角半径，= 0 3 8 r a m ，则： 各齿轮分度圆齿厚：j ：里：三：! 兰兰! ：1 5 7 掰埘 22 齿顶高：h o = h ；m = o 5 5 1 = 0 5 5 m m 齿根高：办，= ( 吃+ c ) 聊= ( o 5 5 + 0 2 5 ) x l = 0 s m m 全齿高：h = h o + 而，= 0 5 5 + 0 8 = 1 3 5 m m 分度圆直径：蟊：r f 圮- 1 ：1 4 0 ：4 0 r a m 吐= f g l 9 2 = l x 4 5 = 4 5 r a m 以= ，妈= l x 4 5 = 4 5 r a m 以= ，z z 4 = 1 5 0 = 5 0 r a m 齿顶圆直径：d o l = 4 + 2 h