（机械工程专业论文）小型摆线齿轮行星传动的设计与研究.pdf

工程硕士学位论文小型摆线齿轮行星传动的设计与研究 摘要 本文在对新型小型摆线齿轮行星传动减速器基本结构进行分析的基础上，确定 了齿形参数和结构尺寸的选择方法。在转臂轴承的选用上，采用结构尺寸较小的微 型轴承代替摆线行星传动中的无外圈圆柱滚子轴承的传统结构。 把传统的摆线行星传动系统受力分析和强度校核理论，应用于一种两级小型摆 线齿轮行星传动减速器的受力分析和强度校核，同时对其转臂轴承的寿命进行了精 确的计算。 根据已有的理论研究基础，设汁了一种小型两级摆线齿轮行星传动减速器，确 定了主要结构参数。采用先进的工程软件p r o e 进行三维实体造型，并转化为二维 工程图。 关键词：摆线齿轮行星传动，优化设计，三维造型 第1 页 工程硕士学位论文小型摆线齿轮行星传动的设计与研究 a b s t r a c t b a s e do na n a l y z i n gt h eb a s i cc o n s t r u c t i o no fn e wm i c r oc y c l o i d a ls p e e d r e d u c e r ，t h i st e x tm a k es u r e dt h ec h o i c em e t h o do fc o n s t r u c t i o nd e n t i f o r mp a r a m e t e ra n dc o n s t r u c t i o ns i z e a sf a ra st h ec h o i c eo ft h ea r mb e a r i n g s ，iu s e d m in i a t u r eb e a r i n gw i t hs m a l ls i z et or e p l a c et h ec y l i n d e rr o l l e rb e a r i n gw h i c h h a sn op e r i p h e r ya n di su s e di nt r a d i t i o n a lc y c l o i d a ld r i v e s a c c o r d i n gt ot h et r a d i t i o n a lc y c l o i d a ld r i y e sf o r c ea n a l y s i sw i t h s t r e n g t hc h e c k o u t ，ia p p l l e dt h et h e o r i e so fm i c r oc y c l o i d a ld r i v e ss e r i e s f o r c ea n a l y s i sw i t hs t r e n g t hc h e c k o u t ，a tt h es a m et i m eia c c u r a t e l y c a l c u l a t e dt h e1 if eo ft h ea r mb e a r i n g s a c c o r d i n gt os o m es u b s i s t e n tt h e o r i e sr e s e a r c h ，id e s ig n e da k i n do fm i c r o s e c o n dc l a s sc y c l o i d a ls p e e dr e d u c e r ，a n df ix e do nt h em a i np a r a m e t e r e n g i n e e r in gs o f t w a r eo ff o r e r u n n e ria d o p t e da d v a n c e de n g i n e e r i n gs o f t w a r e t h ep r o i ：t op r o c e e dt h r e e d i m e n s i o n a le n t i t yt h es h a p et h e nc o n v e r s e dt h e mt ot h e t w o d i m e n s i o n a le n g i n e e r i n gd i a g r a m k e yw o r d s ：m icroc y c l o i d a ld r i r e s ，p a r a m e t e ra n dc o n s t r u c t i o no p t i m u md e s i g n t h r e e d i m e n s i o n a le n t i t ys h a p e 第l i 贞 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：准鲤堕期尹年嘲哆日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：章孟他竺差加争年相哆日 工程硕士学位论文 ，l 、囊摆线落轮行星传魂静设诗与醭究 1 绪论 1 1 概述 遥咒年，l 、型及徽型穰褫 睾凳耱节能、低淤耗窝技术密集整耱离毅按术，已 成为人们存小型及微型范嘲内认识和改造普通机械传动的一种新趔工具，由于小魁 及徽犟器谶其有趣枣努影嬲搡谗尺度投，l 、豹特点，获装，小墼及擞型壤棱瑷基被翔 入“令后十年工业科技人改观的关键技术之一”，现已受到工业发达国家及发展中国 象褥按器、产韭嚣及致襄罄门夔广泛重禚，并且已授叁了缀大静人力露曩季力进嚣 | ； 究开发，并取得了根好的经济效黼。 1 2 国内外发腥现状 欧美等工整发达重家致瘸为了满足未来经济粒社会袋嶷静霭溪，裁弼军事援术 等方面的优势，已将小型及微机电系统作为战略性的研究领域之一，纷纷投入巨资 遴行专顼疆究。 美国国家自然科学基命、先进研究计划中心、国防部等投资1 4 亿荧元进行小 登爱徽瓠电系统( m e 醚s ) 鼓拳磷究，美滏国家巍然稳学基金会颥言：小鳖及徽磐 机械将成为新兴的大规模产业，将能引起场新i ! i 句产业藕命。美国的大学、国家实 验室窝公司已有大量瓣m e m s 磷究小缀，劳畜死季孛实建纯豹m e m s 产瑟逶入枣场。 欧共体为了加强器国之间的组织和合作，成立了多功能小型及微系统研究合作机构 ( n e x u s ) 组织。德国制定激掇城系统按零诗麓，并发照了一耪赐予小型及擞缨船 工的l i g a 技术。 我禹小型及微系统磷筑起步不瞧，已经建立了一些较为先进豹基础实验设施， 并在基础研究和相关技术方面取得了些有特色的成果，有些已经达到国际先进水 乎。2 0 0 2 年，图家投入数亿元人币避行m e m s 磅究与歹l ：发，逐步建立起我国 m e m s 研发体系j l i 产业化基地，提高我国在m e m s 领域的核心竞争力，为推渤 m e m s 懿可持续发壤和产业纯亨j 一下良好的基础，并在菜魃方耍遴入国际领先水乎， 随着中国经济的商速发展，在航天小型及微型技术、生物躐学工程等领域，比如：微 型传感器、小型及徽型执覃亍枫构、超小动力转递系统、手术机器人关节驱动等系统 的应用越来越广泛，在家电产品、汽车附件、办公设备、住宅设备、高级玩具等自 磁化、裂缝他等方面的要求也只趋提高，功率为几瓦到几卜瓦的减速器殿用场合越 来越多。在r 奉，住友熏机械株式会社每年生产大量的小型摆线齿轮减速器用于如 复印枧、镶幕卷动机、窗帘自动收放机以及高级电动玩具等小型及微型场合。可以 第1 页 ：r 程颂士学位论文 小型摆线齿轮行星传动的设计与研究 预见，随着计算机技术、网络技术的进一步发展，随着人口老龄化趋势对自动化、 智能化要求的加强，家用的小型及微型减速器的应用也将会大为提高。小型摆线齿 轮行星传动减速器，不仅具有结构紧凑、传动比范围大、寿命长等摆线传动的特点， 而且具有莺量轻、震动噪声低、价格低廉以及外表美观等特点，可以把小型摆线减 速器的使用空问拓宽到家用和商用的广阔领域。 目前已获得h 益广泛使用的行星齿轮传动机构是动力传递机构之一，行星齿轮 传动机构使用了多个行星轮来进行功率分流，从而有效地提高了其承载能力，同时 还具有良好的同轴性。多年来，人们一直把行星齿轮传动机构看作是一种结构紧凑、 质量小、体积小，且能传递较大扭矩的传动机构，当然，这是将它与普通的齿轮传 动机构相比较而言。近j l 年，随着微细加工技术的出现和发展，这方面的研制工作 己取的了长足进步。 1 3 课题研究内容 本课题以大连某医疗器械公司丌发的一种医疗手术器械转臂关节的微驱动装 置为研究课题，通过对几种传动的比较，选择小型两级摆线齿轮减速器作为研究对 象。 目前，小型行星减速器的研制与开发还只是实现小型目标的第个阶段，具体 研究内容如下： 1 ) 确定小型摆线齿轮行星传动减速器的结构，完成方案设计和结构分析。 2 ) 对这种两级小型摆线齿轮行星传动减速器的结构参数及几何参数进行理论 分析和设计计算。 3 ) 对关键零件作受力分析及强度校核并编程计算其结果。 4 1 分析关键零件的制造工艺及摆线轮齿形公法线的理论计算及检测方法。 5 ) 应用p r o e 软件对小型摆线针轮行星减速器进行三维造型。绘制三维零件 图和装配图，并将其转化成二维工程图，并借助a u t o c a d 2 0 0 0 完善工程图的绘制。 1 4 课题研究的目的及意义 随着工业生产的发展，微型机械已获得了f 1 益广泛的使用。本课题力图设计一 种结构独特的微型减速器，用于大连某医疗器械公司开发的一种医疗手术器械转臂 关节的微驱动装置，作为医疗手术器械中的关键部件，转臂关节微驱动减速器的研 制成了其中的重要环节，然而对于该医疗手术器械的结构而占，其手臂长，惯性负 载犬，使用结构紧凑的小型摆线齿轮减速器可以大幅降低其惯性负荷，同时小型摆 线齿轮减速器与微电动机相匹配可以高效率地驱动其手臂，因此，作为扭矩放大器 第2 负 三堡堕主望堡堡茎尘型塑垡望竺塑量堡型堕堡盐篁婴堑 的小型摆线齿轮减速器，既可以弥补电机功率的不足，同时又可以减轻手臂的惯性 负荷。当然，小型摆线齿轮减速器的这个功用对于其它需要使用结构紧凑和较大传 动比的火部分机构来说，也同样地起到了上述的作用。 总之，山于小型摆线齿轮减速器具有结构紧凑、体积小、质量轻、承载能力大 和同轴性好等许多优点，可以广泛地应用于航空航天、兵器、石油化工、纺织、轻 t 食品、精密机械、医疗器械、仪器仪表、机器人和工业机械手以及高级电动玩具 等各个领域和部门。特别适用于各种伺服控制系统中。 第3 页 工程硕士学位论文小型摆线齿轮行星传动的设计与研究 2 小型两级摆线齿轮传动结构方案的设计 2 1 引言 齿轮传动机构中有多种传动形式，比如：普通齿轮传动、渐开线少齿差行星传 动、摆线针轮行星传动、谐波齿轮传动等，这些传动方式比较起来各具特点，而摆 线制轮行星传动由于具有传动比范围大、同时啮合齿数多、传动效率高等众多特点， 在工程中得到了广+ 泛的应用。本课题以大连某医疗器械公司开发的一种医疗手术器 械转臂关节的微驱动装置为研究课题，通过对几种传动的比较，选择小型两级摆线 齿轮减速器作为研究对象。 2 2 通用摆线针轮减速器结构简介 摆线针轮传动，通常是由一个针轮、一个系杆和一个传递摆线轮自转的偏心输 出机构所构成。由于摆线轮与针轮的齿数通常相差为一个齿，所以称为一齿差摆线 针轮行星齿轮传动。它主要由转臂、摆线轮、针轮和输出机构四部分组成。摆线钊 轮传动与其它传动相比较具有如下特点： 1 ) 传动比范围大，单级摆线针轮减速器的传动比为6 - 1 1 9 ，这要比普通机械传 动的传动比范围大的多，两级摆线针轮减速器的传动比为1 2 1 1 4 1 6 1 ，如果多级传 动，则传动比更大。 2 ) 同时啮合齿数多，理论上啮合齿数可以有二分之一，运转平稳，传递扭矩 大。 3 ) 传动效率高，由于是滚动接触，所以摩擦损失小，所以传动效率要比其它 传动要高一些。 4 ) 结构紧凑，体积小，重量轻。 2 3 小型两级摆线齿轮减速器的结构分析 通用摆线针轮减速器结构中，常采用两片相同的摆线轮，布置成偏心相差1 8 0 。 结构，输出采用传统的销轴式w 机构，故体积明届偏大。与通用摆线针轮减速器 相比，小型摆线齿轮减速器由于其使用场合的特殊性，要求它体积小、重量轻，并 具有较强扭矩传递能力。本课题研究的小型两级摆线齿轮减速器为某医疗手术器械 转臂关节的驱动装置，要求具有极小的轴向尺寸，并能实现大传动比的传动，其次 该减速器的驱动具有稳定大扭矩输出的特性，针对这些要求，本课题结合摆线齿轮 减速器具有传动比大、输出扭矩大、效率高、运转平稳的特点，综合其传动优势， 第4 贞 工程硕十学位论文小型摆线齿轮行星传动的设计与研究 拟采用两级摆线齿轮传动。根据小型两级摆线齿轮减速器的特殊要求，重新进行了 结构设计，具体技术措施如下： 1 ) 单级摆线轮由两片减少到一片，从而达到减小减速器体积的目的。参见陶2 1 2 ) 根据相对运动原理，人为地将输出柱销从原来的输出轴上移到摆线轮上， 并取消柱销套，而销孔则设计在输出轴上，这样设计即有利于零件的加工，又有利 于整体结构的合理布置。参见图2 1 图2 1 小型摆线针轮减速机分拆图 3 ) 内齿轮取消针齿结构形式，采用圆弧齿廓，这样可以保证微细加工精度， 减少零件累积误差，便于一次成型。 由于和通用的摆线针轮减速器相比，采f l j 圆弧齿廓内齿轮结构，即针齿和针齿 壳做为一体，和传统的二支点，三支点结构相比，可以完全避免圆弧内齿廓的弯曲 破坏和弯曲刚度过低引起的破坏。由于取消了针齿套，所以传动效率稍有降低。另 外，由于取消了针齿套，圆弧内齿廓可以做的更小，可以避免大速比下与摆线轮荫 廓的干涉。 4 ) 由于传动部分所占重量比例不大，因此增加了和电动机直接相联的壳体，壳 体内安装齿轮和其他部分。 山文献i t 可知，摆线轮齿廓不产生顶切或尖切的条件可以表示为 至 o 8 n m m 尺寸范围：径向： 3 0 m m 轴向( 含电机) ： 9 0 m m输出轴长度除外，长度由联接尺寸确定 质量范围： o 5 k g 联接尺寸：略 表面涂覆：略 3 3 小型两级摆线齿轮减速机的结构参数设计 小型两级摆线齿轮减速机的结构参数有很多，下面只对其t i i 几项比较重要的进行设 计，包括电动机的选择、传动比的选择、转臂轴承和中间支撑轴承的选择。 1 1电动机的选择 输入端电动机的输入功率与输出工作轴的输出功率及总传动效率有关，而工作 轴的输出功率范嗣町以通过技术指标中输出转速范围和额定输出扭矩求出，下面为 计算过程。 p o = t n 9 5 5 0 ( 3 - 1 ) = 21 w 一3 2 w 第9 页 工程硕十学位论文小型摆线齿轮行星传动的设计与研究 式中：r工作轴的输出功率k w t输出扭矩n m n输出转速r m i n p p 0 晰( 3 2 ) = 2 6 w 3 9 w 式中：p电动机输入功率k w 口两级传动的总效率，按照常规选初步取摆线针轮单级传动效率为t 1 l = 0 9 ， t 1 2 = o 9 ，则摆线针轮两缴传动的总效率为1 1 = 0 8 1 。 一般商用两级小型摆线减速器传递功率大约在几瓦到十儿缸，而输出转速要求比 较低。通过对多个微型电机生产厂家的产品进行了比较，在这里，我选用了深圳市 星技微型电机制造厂生产的x j r 一3 8 5 s 1 6 1 4 0 型微型电动机如图3 i 所示 图3 1x j r 3 8 5 s 1 6 1 4 0 型电机 x j r 3 8 5 s 1 6 1 4 0 型微型电动机性能参数见表3 1 表3 1x j r 3 8 5 s 1 6 1 4 0 型电机性能参数表 电压( v ) 空载最大效率下制动 工作额定转速电流转速电流力矩功率效率力矩 范围电压 巾m a r p m a g c m w g c m 9 1 81 24 7 2 00 0 7 l3 8 3 0o 3 l5 5 63 6 05 9 22 9 7 由卜面功率计算和上表可选择电动机参数如下： 输入功率j = 3 6 0 w 符合计算要求 输入转速 n = 3 8 3 0 r m i n 第l o 页 三堡堡主堂丝堕苎望：型堡垡堕笙堑里堡型塑堡盐兰婴窒 则输出转矩为 t2 9 5 5 0 p r l n = o 9 n m m 满足技术指标 x j r 一3 8 5 s 1 6 1 4 0 型微型电动机基本尺寸如图3 2 2m 26 ( 3 3 ) 图3 2x j r - 3 8 5 s - 1 6 1 4 0 型电机基本尺寸 2 ) 传动比的选择 根据电动机的输出转速3 8 3 0 r m i n 及减速器的输出转速范围2 5 3 8 r m i n 指标， 可以算出传动比的范围应该为1 0 0 1 5 3 选用一齿差结构，取两级摆线齿轮齿数相同，这样町以简化摆线轮的制造及安 装，使减速器结构更紧凑，简化加工工艺。 通过卜述计算及分析，摆线轮齿数可以选择1 1 。 则：摆线轮齿数z a = 1 1 ， 内齿轮齿数磊= 五+ 1 = 1 2 。 减速器两级传动比为i = i li 2 = 1 2 1满足上面输出转速范围2 5 3 8 r m i n 的指标要 求下对传动比范围的要求1 0 0 1 5 3 3 1 转臂轴承和中间支撑轴承的选择 依据文献【”，内齿轮直径为巩，初步估计摆线轮的内孔直径 d i = ( 0 4 0 5 ) 如= 6 - 7 5m m( 3 4 ) 摆线轮的宽度一般为： 6 = ( 0 1 - 0 2 ) r p = 0 7 5 1 5i n i n ( 3 - 5 ) 于小型摆线齿轮减速器的结构尺寸很小，因此所安装的转臂轴承和中间支撑 轴承的尺寸也相应很小，对于普通的常用轴承来说根本不适合。根据上面初步估计 的摆线轮内孔直径和宽度值大小，我选用宁波汀北轴承有限公司生产的微型轴承( o n 图3 3 ) ，其巾，高速级转臂轴承选用的是m f 7 4 型微型轴承，| f 恻支撑轴承选用 第1 1 贞 工程硕士学位沦文小型摆线齿轮行星传动的设计与研究 f m l l 7 氆微型轴承，轴承的基本参数见表3 3 。 陶3 3 微型轴承 另外，值得注意的是，传统结构中所使用的转臂轴承一般采用无外圈的单列向 心圆柱滚子轴承，以摆线轮的内孔表面直接作为滚道，因此，所选用轴承的宽度一 般要比摆线轮的宽度大，此处我选用的是带内外圈的微裂轴承，因此取摆线轮的宽 度与轴承宽度相等，即b = 2 m m 。 表3 3 所选微型轴承基本参数 外形尺寸( i n n l ) 额定负荷( n ) 檄限转速 型号 ddbc rc o r 1 0 0 0 r p m m f 7 4 47 20 ，1 0 3 1 11 1 56 7 m f l l 771 l30 1 54 5 52 0 25 0 3 4 小型两级摆线齿轮减速机的几何参数设计 小型两级摆线齿轮减速机的几何参数是工程图绘制、受力分析和强度分析的基础， 下文主要针对齿形参数和输出机构参数进行设计。 1 ) 齿形参数设计 根据减速器径向尺寸 3 0 m m 的指标要求，初步选取内齿轮中心圆半径r p = 7 5 m m 。 又根据上文对结构参数的设计可知： 摆线轮齿数z a = 1 1 内齿轮齿数z b = 1 2 确定短幅系数k l 短幅系数是影响摆线轮齿廓曲线和承载能力的主要参数，据文献3 1 ，按照传动比的 不同，短幅系数一般按照表3 2 进行耿值。 第1 2 负 工程硕士学位论文小型摆线齿轮行星传动的设计与研究 表3 2 短幅系数的选择范围 传动比区间6 1 71 7 3 53 5 7 17 1 1 6 9 短幅系数 0 4 0 0 5 5 0 5 5 n o 8 50 6 0 o 7 5 0 4 0 o 6 5 初步取k l = o 4 偏心距a i r p - _ = _ a 2 句= 0 2 9 3 7 5m m ( 3 - 6 ) 对口圆整，取口= o 3 0 n l n l 并反求k l a 昂 则 k l = r r = 0 4 8 m y l ( 3 7 ) 根据上文已经确定的参数，按照摆线齿轮减速机结构设计理论中关于几何尺寸的推 导公式，可以得出本课题所研究摆线齿轮减速机的以下几种几何参数 内齿轮的节园半径 r h = k , r - 3 6 m m( 3 - 8 ) 摆线轮的节园半径 矗= 向五，五= 3 3 m m( 3 - 9 ) 外滚形成法的滚园半径 r = z ；z - ，= 0 6 2 5 m m( 3 1 0 ) 外滚形成法的基园半径 耳z 五= 6 8 7 5 m m( 3 - 11 ) 摆线轮理论齿廓的平均半径 尼= 矗= 7 5 m m( 3 - 1 2 ) 确定内齿轮圆弧齿廓半径 由于避免摆线轮齿廓不产生尖角的条件为耳。 p 故首先计算摆线齿轮啮合曲线的最小曲率半径p 。 根据脱当筹 抓川 p o m i n 2r p 凼为：k 1 = o 4 8 f 2 7 ( 1 一k l2 ) z c v( 五+ 2 ) 3 ( 3 1 3 ) 第1 3 页 t 程硕士学位论文小型摆线齿轮行星传动的设计与研究 则：至兰：0 4 3 4 8 2 z p 一1 = 2 4 1 9 1 根据避免摆线轮齿廓不产生尖角的条件 p 。i 。= 2 4 1 9 1 初步取= 1 5m l a l ，此值的选取还与针径系数如有关，下面为恕的计算。 针径系数恕是内齿轮上相邻两圆弧内齿廓中心之间的弦长与圆弧内齿廓直径 的比值，它的大小表明圆弧内齿廓在内齿轮上的分布密集程度。为避免圆弧内齿廓 相碰和保证内齿轮的强度，k 2 一般取1 2 5 1 4 。但最佳范围为k 2 = 1 5 2 0 ，但最 大4 i 宜超过4 0 。 s i n 旦 上：1 2 9 4 f 3 1 4 ) 以上计算数值不在如的最佳选择范围k s = 1 5 2 0 内 再次将圆曩 内齿廓半径减小，取r r p = lm m s i n 善 则：k ，：r 。望= 1 9 4 1 1 以上计算数值在如的最佳选择范刚k 2 = 1 5 2 0 内 凼此，确定圆弧内齿廓半径r r p = 1m m 。 根据上述已经确定的参数，按照摆线齿轮减速机几何尺寸的理论推导公式，可 以得出本课题所研究减速机的另外几种几何参数 摆线轮齿顶圆直径磊。 d a c ：d p + 2 a 如= 1 5 - 1 - 2 x 0 3 - - 2 ：1 3 6 m m ( 3 - 1 5 ) 摆线轮齿根圆直径毗 办= 易2 a - d , p = 1 5 - - 2 0 3 - - 2 - - - - 1 2 4m m ( 3 _ 1 6 ) 摆线轮齿高 = 2 口= 0 6 m m ( 3 17 ) 以上为课题所研制小型两级摆线齿轮减速机的基本几何参数值。 第1 4 | i ( 1，fq 爵 后 印 a 】 ( 3 - 2 1 ) f 3 - 2 2 ) 乜= 2 r 。s i n ( 1 8 0 z w ) d 。- - 2 3 2 7m m 【】 ( 3 2 3 ) 以上计算值均满足最小壁厚的要求，所以以上各参数的计算值和取值均符合设 计要求。 工程硕士学位论文小型摆线齿轮行星传动的设计与研究 4 受力分析及强度校核 4 1 引言 没计小型两级摆线齿轮减速器时，为了确定齿面的接触强度、输出机构销轴的 弯曲强度和转臂轴承的寿命等，都需要计算摆线轮上所受的力，以保证机器的正常 使用。 同时设计小型两级摆线荫轮减速器时，既要保证减速器的尺q 一尽量小，结构紧 凑，又要保证有足够的强度，因此必须对主要零件进行强度校核。 4 2 受力分析 摆线轮在工作中主要受三种力：内齿轮圆弧齿廓与摆线轮轮齿啮合的作用力； 输出机构销孔对摆线轮的作用力；转臂轴承对摆线轮的作用力( 作用力中一般不计 摩擦力) 。 由于摆线轮与内齿轮在啮合传动过程中是多齿啮合，因此，摆线轮轮齿与各圆 弧齿廓之涮、以及摆线轮上柱销与输出机构上销孔之间的载荷分布较复杂。除了受 接触变形影响以外，还受制造误差、啮合间隙等的影响。为了便于分析，假定传动 中没有装配间隙，不考虑摩擦因素等。 1 1 圆弧齿廓作用在摆线轮上的最大力计算 由摆线齿轮的啮合原理可以知道，啮合过程中有一半园弧齿廓都传递力，各圆 弧齿廓作用在摆线轮上的力为p 1 、p 2 、p i 等，都是沿啮合点齿廓的法线方向，并 相交于节点p 。圆弧齿廓作用力的大小，随着其啮合位置不同而不同。当啮合点的 法线与o b o a 间的夹角( 法线角) l p i p o a = 2 时，圆弧齿廓作用在摆线轮上的作用 力最大，最大力为 4 剐 乇。：? 垒 庀i g o r p ( n )( 4 一1 ) 设m v 为输出轴上的阻力矩，则：m c = m v 。 在摆线齿轮行星传动中，为了补偿制造误差、便于装拆、保证良好的润滑和提 高传动效率，摆线轮与圆弧齿廓之间是不允许没有间隙的。由此导致实际的摆线轮 也就不能采用无隙啮合的标准齿形，从丽使同时啮合的齿数减少，达不到理论上所 说的有一半齿数啮合的理论。因此实际上的最大力要大于按上式求得的最大力。在 设计利，可把p m a x 再增大百分之三十作为实际卜的最大力。所以 三；壁蔓圭雯篁笙窭尘羹壅堑篓整堑曼整垫塑羹茎釜鐾塞 p ：1 3 x 4 m “” r 一 ( n )( 4 2 ) 式巾：m c 摆线轮静隆力簿f n 。焖 m v输出轴上的阻力矩( n m ) k l摆线轮的短螭系数 z c 摆线轮的齿数 r p内鸯轮懿巷漆半径( r a m ) 2 ) 摆线轮【二柱销对输出机构的作用力 当摆线轮沿联跨针方淘转动辩，赣爨参臻在遂薅刳一方翔终怒予摆线轮上一令阻 力矩m v 。g l h , j ，柱销与输出机构上柱销孔之间存在有作用力和反作用力。各柱销 季b 捧弱在摇线轮t 麓力q i 、q 2 、q i 戆方囱，郝避遗镑皴藐中心，并与o b o a 乎行。 柱销孔作用力靖勺大小，也随艇位置而变。当柱销孔接触点和0 a 连线与o b o a 鹣夹蔑z q i o a o b = 2 蹲，撞镑魏 擘耀在撰线耱土豹力为最大力，最大力为1 7 l 仃：竺生 2 ”囊” 氍)g 。3 ) 式中：z w销孔数目 r w 镇孑l 半径( m m ) 3 ) 转臂轴承作用在摆线轮t 的力r 转鬻牟鸯承对攥线轮蠢终瑙力，若珞去津攘力黎离心力不计，渡馋弼力一定会与 网弧齿廓的作用力和柱销孔的作用力相平衡”1 。 瘊有疆嚣蕊簿终蘧程獾线轮土豹力都会逶过繁点p 。褥p i 、p 2 、p i 等漤终建 线移到节点p ，并分解成沿x 轴和y 轴的分力为p l x 、p 2 x 、p i x 和p l y 、p 2 y 、p i y 等。寒备瓣嚣凌薅上戆 乍援力在x 皴方翔躲分力强为 气2 警2 画m c z p 懋，舭， 各圆弧齿廓上的作用力在y 轴方向的分力帮i 为 均2 等铲巧n ( n )( 4 - 5 ) 式中k v 计算系数 令筹+ 等弧慧， ， 各控销孔作明在摆线轮i - 的 乍用力翻为 【：程顶士学位论文 小型摆线齿轮行星传动的设计与研究 ? 2 舡x2 薏( n ) ( 4 _ 。) 根据摆线轮上作用力的平衡条件，转臂轴承作用在摆线轮上的力r 应该是各 作用力的合力，故l = i ：r 得 r = 墒甄再2 + 砭厩i p 磊了2 = j 。节( m c ) 2 魂4 m 互c 亨m 2 =m。j。肇l 4 r e 2 = i m c1i节4azc 2 c 转臂轴承是摆线齿轮传动中的一个薄弱环节， 寿命。 ( 4 8 ) 在设汁时，应该计算转臂轴承的 转臂轴承的当量动载荷为 p = 石r ( 4 9 ) 式中：，；割j 载系数 在平稳载荷下 函 3 9 0 m m ，五= 1 1 。 按转臂轴承额定载荷的定义，通常计算轴承工作寿命是指在当量动载荷p 的作 用下、可靠度r ( n ) = o 9 时，轴承所能工作的时问。 h 。：旧5 旦 l p 1 1 ：46 0 1 0 占= 式c p ：3 ( 滚子滚动体) 占= 3 ( 球滚动体) ( 4 - 1o ) 工程硕士学位论文小型摆线齿轮行星传动的设计与研究 c 基本额定动载荷k n h 转臂轴承内外圈的相对转速r m i n 一= ( 1 + 圭) n r m i n 4 3 主要零件的强度校核 在摆线齿轮行星传动中，各主要零件的主要失效形式有：摆线轮轮齿与内齿轮 轮齿面的疲劳点蚀和胶合；摆线轮上柱销与输出机构销孔工作表面之间发生疲劳点 蚀、胶合或弯曲折断；转臂轴承的疲劳点蚀等。 1 ) 齿面接触强度计算 摆线轮和内齿轮圆曩j & 齿面的失效形式通常是疲劳点蚀和胶合。啮合齿面的接触 应力、滑动速度、润滑情况以及零件的制造精度，都是影响齿面产生疲劳点蚀和胶 合的因素。 为防止产生点蚀和减少产生胶合的可能性，应进行摆线轮齿与圆弧齿面间的接 触强度计算。在摆线轮齿廓曲线上的各点都有相应的曲率，圆弧齿面的齿廓形状为 网形。所以，摆线轮与圆弧齿廓的接触，可以看作是两个瞬时圆柱体的接触。其接 触应力的验算公式为 咿j 半 阵 式中：y 2 m a x 一在最大接触应力处的位置系数，按k 1 和z c 从文献f 4 】中可查得。 【盯mj 一许用接触应力 本课题选用钛合金t i 5 m o 一5 v 一8 c r - 3 a 1 作为制造摆线轮和内齿轮的材料。 取【盯”j = 1 3 0 0 m p a 2 1 摆线轮上柱销的强度计算 由于柱销的数日比内齿廓的数日少，并离回转中心近，受安装、制造误差的影 响，使实际销轴所受的作用力要大于内齿廓所受的作用力，而且由于销轴直径的大 小受到摆线轮结构尺寸的限制，不能任意大，故销轴极有可能以断裂破坏的形式出 现，所以对销轴进行强度计算十分必要”】。 柱销销轴的弯曲强度计算 柱销销轴的受力情况相当于悬臂梁，在q m a x 的作用下，柱销的弯曲应力为： j i 程硕士学位论文 小型摆线齿轮行星传动的设计与研究 咿警$ 曲 f 4 - 1 2 ) 式中：q m a x 、l 柱销的最大受力和采用的悬臂梁的长度，其中q m a x 由前 面求得，l 为摆线轮宽度的一半。 k w 制造及安装误差对柱销载荷的影响系数，一般情况下取k w = 1 3 5 1 5 ，精度低时取大值，反之取小值，由于两级小型摆线齿轮减速器对制造和安装精 度要求都很高，因此本文巾取k w = 1 3 5 。 盯” 许用接触应力 本课题选_ j | 钛合金t i 5 m o 5 v 8 c r - 3 a i 作为制造摆线轮和内齿轮的材料。 取 盯 】_ 2 0 0m p a 。 柱销与柱销孔的接触强度计算 柱销与柱销孔的接触应力根据下式计算1 1 ： 盯= 0 4 1 8 【盯 ( m p a ) ( 4 - 1 3 ) 式中：o m a x 一柱销与柱销孔之间的最大作用力，前面已求出a e d 当量弹性模量 日= 器 因摆线轮与输出法兰材料都属刚性材料 e d = e l = e 22 2 0 6 1 0 5 ( m p a ) 肪柱销与柱销孔接触点的当量曲率半径，由下式计算 n = 盟监a ( r n m l ( 4 一1 4 )1【q 一 根据实际校核的结果，柱销的接触强度大于弯曲强度，所以柱销的直径应以满 早弯曲强度为丰。 第2 0 负 簪 三堡堡主堂堡堡苎尘型堡垡堂丝堑星堡塾堕塑盐兰堕塞 4 4 计算结果分析 根据以上分析及计算，得到满足各个强度指标、工作寿命指标的小型两级摆线 齿轮减速器的基本参数( 如表4 1 所示) 。 表4 1 小型两级摆线齿轮减速器的摹本参数( 单位m m ) 根据上文的受力分析和强度校核公式，专门编制计算程序见附录l ，经计算可 以得到受力分析与强度计算结果如下： 1 ) 第一级传动受力分析结果 i 司时啮合的齿数为两对： 第三对齿之间啮合作用力为p = 8 9 0 5 3 n ； 第四对齿之问啮合作用力为p = 4 2 0 4 3 n i 同时传力各齿中受力最大齿所受之力为p m a x = 8 9 0 9 3 n ； 摆线轮对销轴的最大作用力为q m a x = 8 3 9 1 2 n ； 摆线轮对转臂轴承的作用力为r _ 1 5 6 0 0 8 n ； 转臂轴承的寿命是1 5 0 4 7 7 小时； 摆线轮与内齿轮齿面的接触应力为盯= 4 2 9 8 5 4 4 m p a s 盯”j ， 核摆线轮与内齿轮齿面的接触疲劳强度足够。 在q m a x 作用下圆柱销的弯曲应力为盯w = 1 6 ，7 8 2 3 m p a s 盯。pj ， 表明圆柱销弯曲强度足够。 因此经强度校 因此经过计算 圆柱销与输h 法兰接触应力为盯一= 1 8 6 6 7 8 6 m p a 盯”j ；圆柱销与输出法兰 接触疲劳强度合格。 2 ) 第二级传动受力分析结果 同时啮合的齿数为三对 第二对齿之间啮合作用力为p = 2 0 7 1 9 2 n ： 第三对齿之间啮合作用力为p = 4 6 9 6 0 7 n ： 第州对齿之间啮合作用力为p = 3 8 2 4 5 0 n ； 同时传力各齿中受力最大齿所受之力为p m a x = 4 6 9 7 4 9 n ； 摆线轮对销轴的最大作用力为q m a x = 6 4 6 11 9 n ； 第2 1 页 一 程磋士学位论文枣溅摆线蕊轮行星传动熬波裁与磷究 摆线埝澍鬃。黪辍承黪终焉力为r = 1 2 6 ，0 3 3 4 n 。 第二级传动为滑动轴承，为蕊接触，不存在强度问题。 摆线耱与痰搬轮齿露接触应力为o h 一9 8 7 。0 3 5 8 m p a t l t t l p ；摆线轮与内齿轮泼 丽接触疲游强度合格。 在q m a x 作爝下圆挂销豹弯姻盛力为d ”= 1 2 9 。2 2 3 7 m p a _ 仃 】；圆撞销弯曲强 度合格。 圆柱销与输出法兰按触瘟力为仃h = 5 1 8 。0 1 2 2 m p a _ 0 时，平行于y 轴进行公法线测量，跨齿数为偶数( 2 ， 4 ，6 ) ；在y 0 一侧的取值是0 妒 r - 。 由啮合原理可知，每个圆弧齿所对应的妒角为妒，：塾f z p 王程瑗圭学位论文 ，l 、燧摆线鸯轮行星传动兹没诗与磷究 墨5 2 公法线解豹分攀特点 图5 2 为c o s o 与k le o s ( z 。秭在伊一0 1 8 0 。时分都情况。两条线的交点即方 程( 5 2 ) 的根。令z = c o s ，五= 彪ic o s ( z 。咖，z 的极大值为l ，五的极 大篷为鬈。，式( 1 2 ) 磋；霹怒在0 蠢，b i t 之阉骞瓣。 投限情况是交点在a 翻b 。此时纯= = c o s k l ，级= z - p o 。即在妒 帮一时也不可自存在公法线a 测薰辩要保证溅量点在夕 凸部分。畿群攒点簸： 一11 + z p k l 移，= c o s 一“ k i ( 1 + z 。) e 。s 舻。一s 妒，；二二l 盟 伊，鄹圾投点在携点上。 下面分两种情况讨论： z 与五在a 帮b 点秘交： 纯= = s k 纨= 石一c o s k 1 最小跨齿数为： i 。h = i n t ( 公法线长度为： 竺：墨：圣地弱 ( 5 。5 ) 工程硕士学位论文 小型摆线齿轮行星传动的设计与研究 k 。= 2 名而一】 ( 5 - 6 ) 与厶不在一和曰点相交： 此时，两条线的交点假定有n 个，其中大多数区域里( 同一个跨齿数中) 有两 个解。则须判断根所在的齿廓是内凹还是外凸，舍去内凹部分的根。这从图5 1 摆 线轮的齿廓特点町以看出。如果在同一跨齿区间同时有两个解。则： 当妒 0 ) ，此时跨偶数齿，从齿根向齿顶方向妒值增加，也就是 2 从内凹向外凸，因而，第一个根在内凹区，应舍去。f 确解是第二个解。 从图5 2 两条曲线在每一个波峰上的两个交点看，右边的交点为外凸交点。 当口 兰时( y = c o s l ，所以，不难判断出最小跨齿数所对应的齿廓最接近所对应的齿 廓，也就成为最佳跨齿数。 实用计算时，只需求得最小跨齿数所对应的公法线检测尺寸即可。 4 ) 公法线检测程序流程图5 3 l 输入公法线卡譬测所需参数 i 计错舄，h 鹃佑种， l _ c o 。r 口、，卜。f ：。们i l i 计算最小跨齿数时切点叩所祚区问妒l ，p 2 上 计算公法线切点的角参口 ； 博螽果 图5 3 公法线检测流程图 第2 9 页 三堡堡主堂垡堡塞尘型堡丝塑笙堑曼魁堕堡望：皇婴窒 6 三维造型设计 6 1 引言 三维实体造型可以将用户的设计思想以最真实的模型在计算机上表现出来。在 前而的设计中，已经确定了小型两级摆线齿轮行星减速器的主要构件、形状和尺寸， 为了验证零部件设计的正确性，我利用了国际上流行的工程软件p r o e n g i n e e r 2 0 0 1 对所设计的减速器零部件进行三维实体造型，并装配出整机模型，最后将三维 零什图和装配图转化成二维的c a d 图。 6 2p r o e 简介 p r o e n g i n e e r 是美国p t c 公司的标志性软件，该软件将设计和生产过程集 成在一起，让所有的用户同时进行同一产品的设计制造工作。自1 9 8 8 年问世伊始， 即引起c a d c a e c a m 界的极大震动，在短短的十几年间已经成为全世界及中国 地区最普及的3 dc a d c a m 软件。它提出的单一数据库、参数化、基于特征、全 相关及工程数据再利用等概念改变了m d a ( m e c h a n i c a ld e s i g na u t o m a t i o n ) 的传统 观念，这种全新的概念已成为当今世界m d a 领域的新标准。p r o e n g i n e e r 广泛 应用j 二电子、机械、模具、i q k 设计、汽机车、自行车、航天、家电、玩具等各行 、阮l q 谓是4 个全方位的3 d 产品开发软件，其最新版本p r o e n g i n e e r2 0 0 1 更是 集合了零件设计、产品组合、模具开发、n c 加工、钣金件设计、铸造件设计、造 型设计、逆向工程、自动测量、机构仿真、应力分析、产品数据库管理等功能于一 体，功能强大，范围广泛【9 。 6 3p r o e n g i n e e r 参数式设计的特征 p r o e n g i n e e r 独特的参数化设计概念，采用单一数据库的设计，有支持同步 设计的功能，它包括了下面几个特征。 1 ) 3 d 实体模型( s o l i d ) 3 d 实体模型除了可以将用户的思想以最真实的模型在计算机二表现出来之外， 借助于系统参数( s y s t e m p a r a m e t e r s ) ，用户还可以随时计算出产品的真实性，并补 足传统面结构、线结构( w i r e f r a m e ) 的不足。用户在产品设计过程中，可以随时掌 握以上重点，发计物理参数，并减少许多人为计算时间。 一 2 1 单一数掘库( s i n g l ed a t a b a s e ) p r o e n g i n e e r 可随时由3 d 实体模型产生2 d 工程图，而且自动标注工程图尺 第3 0 负 工程硕士学位论文小型摆线齿轮行星传动的设计与研究 寸。不论在3 d 还是在2 d 图形上作尺寸修正，其相关的2 d 图和3 d 实体模型均自 动修改，同时组合、制造等相关设计也会自动修改，这样可以确保数据库的正确性， 并避免反复修正的耗时性。由于采用单一数据库，提供了所谓双向关联性的功能， 这种功能也正符合了现代产业中所谓的同步工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 思想【4 0 】。 6 4 三维实体造型 在小掣两级摆线针轮行星传动减速器中，主要对f 述零件进行三维实体造型： 摆线轮i 、摆线轮i i 、针轮、偏心套、输出法兰i 、输出法兰i