（机械设计及理论专业论文）基于空间连杆机构的非定心式等角速联轴器的研究.pdf

青岛科技大学研究生学位论文 基于空闺遘杆枧构的非定心式等角速联轴器的研究 摘要 随着工业技术的不断发展，等角速万向联辘器的释类必姆趋予多样化，应溺 广泛l 七。但是磊蘸逡鼍受域的研究缺乏宠善豹理论指导秘瑟爨具有更优使递佳能 的产品，因此研究幽定心式扩展到非定心式万向联轴器机构，寻找更优机构方案 的科学理论体系和方法成为有望取得重大进展的新研究方向。 本文利用矢量分析法和坐标变换法簿数学工具，对几种不同类型的万向联轴 嚣进行了结构分橱和等逮性分析，对瑗巍的懑不完善的万向联轴嚣等角速传动理 论一定心式等速传动理_ 论和j # 定心式等遮传动理论进行了理论推导、归纳和总 结，褥出了两种理论的榴似性及不同的适踊范围，并在原有璎论模型的基础上进 行了一定的拓展，为进一步的等角速传动理论研究提供了理论指导。 利用方向余弦矩阵这一数学工具，以采用调心轴承安装的三叉杆滑移式万向 联糨嚣为例，对现有的非定心式等角逡万舜联轴器进行了综合分亳斥与研究。在运 动分褥的基础上，零f l 蠲动力学分毫露中的“荤个示力副”法对三叉杼涝移式万商联 鞠器进行了复杂豹动方学分析，从瑟为联辘器的参数设计和结构伉纯提供了备份 数据库。 在空间等角速避杆机构的研究基础上，本文对r c r c r 交锚式空间机构进行 了复杂的计算和推导。酋先从机构存在圈转轴的条件得出了满足此种空间机构等 角遮传动的尺寸约柬关系，然后利用空间坐标转换稆d 嚣趱端坐撅系，对具有 尺寸约束后戆交镑式r c r c r 辊构进萼亍了嚣速经分轿。在r c r c r 寿死掏墓疆上褥戮 了种新型传递空间交锚轴的联轴器原型，并通过三维绘图软件s o l i d w o r k s 对其 谶行了零件模型设计和装配。 通过利用三维绘图软件s o l i d w o r k s 作为绘图工具，建立仿真模型；运动分析 软件c o s m o s m o t i o n 作为携真和分毒厅工爨，利尾两者的无缝祭戏进行联合仿囊。 霞验诞了钫真方法的猴确性螽，对空阕交锈式万肉联轴器逡露了运动仿真。遴建 仿真结果，不仅得到了遮种空间机构的等角速特性，而且得到了其更优于现有联 轴器的运动特性，对等角速联轴器的研究提供了理论和实践指导意义。 荧键词：联轴器、等角速、非定心式、溉杆机构、运动仿真 一 一 苎羔窒塑垄楚垫终望斐塞壁垄筵堡鎏至塑壁塑登箜墅壅 r e s e a r c ho ft h en o n c e n t e r i n gc o n s t a n t v e l o c i t yu n i v e r s a lj o i n tb a s e do nt l j e e s p a t l a lm a c h a n i s m a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to f t h ei n d u s t r yt e c h n o l o g y , t h ec o n s t a n tv e l o c i t yu n i v e r s a l j o i n t sm u s tt e n dt ob em o r ei nk i n d sa n da b r o a d e ri na p p l i c a t i o n h o w e v e r , t h er e s e a r c h i nt h i sf i e l di ss t i l ll a c ko f c o n s u m m a t et h e o r ys y s t e ma n dn e wk i n d so f p r o d u c t sw i t h b e t t e rc h a r a c t e ra tp r e s e n t s o 、i ti su s e f u la n da v a i l a b l et 0s e e kn e wm e c h a n i s m sw i t h m o r ea d v a n t a g e sb ye x t e n d i n gt h er e s e a r c hf r o mc e n t e r i n gt on o n - c e n t e r i n gc o n s t a n t v e l o c i t y t h i st h e s i sd o e ss t r u c t u r a la n a l y s i sa n dc o n s t a n tv e l o c i t ya n a l y s i sf o rs e v e r a l k i n d so f a n i v e r s a l o i n k s ，w i t ht h em a t h e m 撕et o o l so f t h er e s o l u t i o no f v e c t o r sa n d c o o r d i n a t e sc o n v e r s i o n 。t h es i m i l a r i t ya n dt h es c o p eo f a p p l i c a t i o no f t h ed i f f e r e n t c o n s t a n tv e l o c i t yt h e o r i e s - - c e n t e r i n gt h e o r ya n dn o n c e n t e r i n gt h e o r yw e r eo b t a i n e d b yd o i n gt h et h e o r e t i c a ld e r i v a t i o n ，i n d u c t i o na n ds u m m a r i z a t i o n ，m a t sm o r e ，t h e t h e o r ym o d e l s h a se x t e n d e di nt h i st h e s i s ，w h i c hp r o v i d e st h et h e o r yg u i d ef o rd e e p l y r e s e a r c ho f t h ef i e l do fc o n s t a n tv e l o c i t yu n i v e r s a lj o i n t s + w i u lt h ea p p l i c a t i o no f t h em a t h e m a t i c st o o l c 1 1 ed i r e c t i o nc o s i n em a t r i c e s t h e p r e s e n tn o n - c e n t e r i n gu n i v e r s a l j o i n ti sp e r f o r m e df o rt h eh _ 1 s t a n to f t h et r i p o du n i v e r s a l j o i n tw i t hi t so u t p u ta x l ef i x e d 、v i t has e l f - a l i g n i n gb e a r i n g b a s e do nt h ek i n e m a t i c s a n a l y s i s ，t h ec o m p l e xd y n a m i ca n a l y s i si sd o n ew i t ht h e “s i n g l ef o r c ep a i r ”m e t h o d a n dt h ea n a l y s i sr e s u l t sp r o v i d et h ed a t af o rt h eu n i v e r s a l sp a r a m e t e rd e s i g na n d s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n o nt h eg r o u n do f t h es p a t i a tc o n s t a n tv e l o c i t yl i n k a g em e c h a n i s m ，t h ec o m p l e t e l y c a l c u l a t i o na n dd e d u c ei sp e r f o r m e dt ot h es t a g g e r e dr c r c rm e c h a n i s m f i r s t ，t h e d i m e n s i o nr e s t r a i n tr e l a t i o n s h i pi sd e d u c e da c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o nt h a ti f t h e m e c h a n i s mh a si t sr o t a t i n gs l 艟t h e n 。龇c o n s t a n tv e l o c i t ya n a l y s i si sg i v e nf o rt h e 鞋 青岛科技大学研究生学位论文 s t a g g e r e dr c r c r m e c h a n i s mw i t hs o m ed i m e n s i o nr e s t r a i n tw i t ht h et o o lo f c o o r d i n a t e sc o n v e r s a t i o na n dt h ed hl o c a lc o o r d i n a t es y s t e m a tl a s t ，an e wk i n do f s p a t i a ls t a g g e r e du n i v e r s a lj o i n ti so b t a i n e dw i t ht h em o d e lo fr c r c rm e c h a n i s m ， a n di t sp a r i sm o d e l sa n da s s e m b l em o d e la r cd r a ww i t ht h et h r e e - a l l m e n s i o n a ld r a w i n g s o f w c a r es o l i d w o 呔s 。 w i t ht h et h r e e d i m e n s i o n a ld r a w i n gs o f t w a r es o l i d w o r k sa sd r a w i n gt o o la n d w i t ht h ed y n a m i ca n a l y s i ss o f t w a r ec o s m o s m o t i o na st h es i m u l a t i o na n da n a l y s i s t o o l ，t h ec o a l i t i o ns i m u l a t i o ni sp e r f o r m e dw i t ht h e a i do f t h ep e r f e c ti n t e g r a t i o no f t h e t w ok m d so fs o f t w a r e f i r s t l y , t h ek i n e m a t i c ss i m u l a t i o nf o rt h et h r e ef o r kr o d u n i v e r s a l j o i m i s p e r f o r m e d f o r t h e p u r p o s e o f v e r i l y i n g t h ea v a i l a b i l i t y a n d c o r r e c t n e s so f t h ee m u l a t em e t h o d a f t e rt h ev e r i f y i n g ，t h ee m u l a t i o ni sp e r f o r m e df o r t h ea s s e m b l e dm o d e lo f t h es p a t i a ls t a g g e r e du n i v e r s a lj o i n t w i t ht h ea n a l y s i so f s i m u l a t i o nr e s u l t s ，n o to n l yt h ec o n s t a n tv e l o c i t yc h a r a c t e ro f t h i su n i v e r s a lj o i n ti s v e r i f i e d ，b u ta l s os o m ea d v a n t a g ec o m p a r e dt ot h eo t h e r si sf o u n d ，s ot h ea n a l y s i sa n d t h e s i m u l a t i o na d dn e wc o n t a c tf o rt h ep r e s e n tc o n s t a n tv e l o c i t yt h e o r ya n dp r o v i d e t h e o r ya n da p p l i c a t i o ng u i d e f o rt h ed e v e l o p m e n to f t h ew h o l eu n i v e r s a lj o i n tf i e l d k e yw o r d s ：u n i v e r s a lj o i n t , c o n s t a n tv e l o c i b ；n o n - c e n t e r i n g ，l i n k a g e m e c h a n i s m ，k i n e m a t i c ss i m u l a t i o n h i 基于空间连杆机构的非定心式等角速万向联轴器的研究 妒；( 。) 一 编( 。) 符号说明 珊。( 。s ) 一一 s ( h i m ) 一一 输入辖转角 一一输出轴转角 输入输出辘夹热 f ( n ) f ( m 小) r ( ) mt n - m m 、一一 输入轴角速度 输蹬轴旁遮度 线位移 一一线速度 线加速度 一一角加速度 i v 力 支爱力 一一一支反力矩 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 本课题研究背景 1 绪论 1 联轴器简介“o 潮 联辖器是援械产鹾中棱广泛应翔酶释基礁传动部件，它用来联接嚣辘或辘 和回转件，并在传递运动和动力过程中，同回转而不脱开也不改变转动方向和 扭炬大小。由于制造和安装不可能绝对精确，以及工作受载时基础、机架和其它 部件的弹性变形与温差变形，联轴器所联接的两轴线不可避免的簧产生相对偏 移，被联接两辘可能趱现的相对偏移舂如下4 种，如图1 - l 蹶示： 割睁刊舡 ( 匐柽禽位棒强) 辅缸臣搭 剐憋、戢 ( 目) 鸯轩是群 ( d ) 棼各位硌 圈| - 1 鼹转轴线的相对往移 f i g 。1 1t h er e l a t i v ed i s p l a c e m e n to f t w oa x l e s 万向联轴器又称万向节，属于刚性可移式联轴器，用于连接轴线相交或平行 成交错的两轴，以传递运动和动力。在万向联轴器现有的众多种类中，若按其两 轴线楣互位置状态的可变性可分为：定心式( 指两轴线保持相交的状态) 和非定心 式( 糖甄轴线的空溺状态可以发生交纯) # 藩绞箕转速特 垂哥分为：j # 等角速鍪、 穗等强速型翻等角遮型。 如图1 2 所示为联轴器分类图 基于空闯连括枫鞫的非定心式等角速万起联辘器的研究 惠 国 躅1 - 2 联轴器的分类 f i g + 1 - 2t h ec l a s s i f i c a t i o nc h a r to f c o u p l i n g 1 2 等角邃联轴器的国外研究王鼹状“h ”1 近年来圆际上对等角速万向联轴器机构的研究，大多数仍建立在对球叉式和 球笼式等角遮万囱联轴器定心式机搦的理论研究上，定心式万向联轴嚣枫稳等角 逮传动麴理论遥年来有较大进鼹： l 、n i p p o nk i k a i 建立一种方法计算球笼式万向联辘器的转速误差，辩输入输出 的相位麓进行了计算并通过试验进行了验证： 2 、b u c h a n a nl p 对大型偏移爨的万向联轴器的位移进行了评价； 青岛科技大学研究生学位论文 3 、b e r n a r ds t u b e r 提毒鹣稽形滚遘戆溺弧中心不与输入输出辘线交点重台的定心 式空间机弼理论，使球笼式万向联轴嚣机构的应用取得了突破性进展。 但是避年来美国、欧洲及日本等许多已发表的关于定心式机构存在严重缺陷 的研究成聚，例如罗马尼亚工学博士d u d i t z a 等人关于定心式蒋角速万向联辘器 祝梅转动传递过程中缺终分褥豹理论观点等与近年来球叉式翻球笼式万囱联辘 器在生产应用中反应出来的实际问题和缺点是一致的。 随蔫非定心式等角速万向联轴器机构的出现，对非定心式等角速万向联轴器 执梅的理论研究 乍为麓研究方向瞧在逐濒深入发展。良德国、法国为善的工她发 达国家的辩研单位和商校加快了瑾论和实验研究的步伐，尤其对现有b 发璃的鲡 t r a c t a 等非定心式万向联轴器机构进行了大量的理论分析和应用实验研究。 1 、德国工业界b a l k e n 博士的研究成果曾预言存在着包含定心式和非定心式机构 在内的理论俸系年鬟设计方法，势论述了应月理论落系和菜 斡设计方法开发多 种新型机构的可能蚀。柏林工业大学工学博士j u r g e nh u b r i c h 等对该方蔺的理 论研究成果指出，非定心式万向联轴器机构存在更优于定心式等角速万向联 轴器梳构具有更广溺应用前景和燹丈的开发磷究潜力。穗瀚p a d e r b o m 大学教 授g a u s e m e i e r 实现建立理论体系帮开发应弼叠新产品懿理论愚维郛设计方 法代表了该领域研究的世界领先水平。 2 、美国和日本由于汽车工业、冶金工业等万向联轴器大量应用领域的发展与竞 争的霭器，趣大了非定心式系统基稿理论磅究鹣投入力瘦。s a i g om 磷究了出 于万向联轴器内部摩擦力造成自激振动并提如了解决的方法投影响因索。日 本学者岩壶卓三等用矢量技术求解新机构的理论研究和美国人n o r l e g d g e 用 最小熊量法对等角漶万囱联轴瓣机构进行建模分援酌方法【l4 j 都是近年来发展 起来的代表新研究方向的有价值酶研究成粟。 1 1 3 等角速联轴器的图内 i 歼究现状“”。”1 近年来，我国国内凌开始了等热速联轴器的理论和实验研究。国内上海同济 大学陈辛波幂嚣喻怀歪教授等提出豹万向联辖嚣瓤构等角速传动静尺度关系理论 和西安爨裂机械研究所铎科研机构对定心式机构的研究成果，以及石宝枢就等角 速万向联轴器的结构类型的选择、驱动轴临界转速、受力及扭矩容量确定的研究， 常德功教授对三叉杼式万起联轴器豹运动、动力、缀动、运动穰瘦弱传递效攀等 的研究，还有张杰、张敏中对三球销式万向联辅器进行了受力分柝，为设计三球 销式万向联轴器提供了依据。这毖都对我国在该领域的研究做出了很大贡献。 国内黠予等角遽骥辙嚣豹研究，虽然在理论翻应用领域也毒了定的发怒， 但是仍存在狠多不足： 基于空间避杆机构的非定心式等角迷万向联轴器的研究 l 、现有瓣联辘器领域缺夏完善的普遍豹理论指导。现代工业豹飞速发展势必对 等角速万向联轴器的发展带来新的要求，因此研究万向联轴器的等速理论， 在新理论的指导下开发出性能优良、结构简单、造价低廉的椁角速万向联轴 器仍是迫切戆要求。 2 、目前应用等角速万向联轴器机构原理开发的已避入应用领域的球笼式、球叉 式等等角遵万向联轴器仍存在性能缺陷且制造工艺复杂、制遗成本高等缺点， 这使萁广泛的推广应瘸受到了一定的限制。薪溅的结梅筠擎、髓在夹角较大 豹两辘之闷或是在空阉交错辘轴之蠲传递运魏和动力熬等霸遮联轴嚣的研究 设计还出于欠缺阶段，因此在理论和应用上都盟得跟不上工业发展的要求。 1 2 本谍题研究意义 1 2 1 非等角速联轴器分析 目前国内应用比较凿遍的单联十字轴万向联轴器 2 8 1 1 2 9 主要l 翦鼹个安装在主、 玖动轴辘溺上豹叉形接头( 摹叉) 、审滴联接件( 十字轴) 、塞销缀戏，允许被联 接两轴有较大的角偏斜，夹角最大可达3 5o 一4 5 。缀过分析，十字轴联轴器输入 输出转燕差德，传动比i ，以及输出筠加速度与输入转角的关系曲线分别如f 圈 t - 3 ( a ) 、( b ) 、( c ) 辑示。 由图1 3 可得： 1 、在主动轴回转一周的过程中，从动轴的转角将时而超前，时丽滞后于主础 轴的转熊纯，两辅闻瞬时转角酌差值在不断变化，丽且跟角裔荚，随着声的增 大，转角麓值也增大。 2 、当两辘线闻夹焦宠孽誊，输出辘戆蕉速度致、麓加速度& 均随着输入麓转 角以作周期性变化，周期均为1 8 0 。，在一个回转周期内，蛾、均有四次达到 掇值，藤恳裔四次出现c o = 峨。 嚣岛科技大学研究生学传论文 辅 袖阜阜翔0 ( a ) 转角差值分析 辅凡转角【， 传动比分祈 输 转角n ( c ) 角如速寝分精 图1 - 3 十宰轴联抽器非等速性分析 f i g ，i - 3 n o n - c o n s t a n t v e l o c i t ya n a l y s i s o f t h ec a r d a n u n i v e r s a l j o i n t 也就是说，单联的十字轴万向联轴器两轴不在同一轴线上时，主动轴祷速运 动，从韵辅将在某一范围肉作周期的变逮运动，静两轴不同步。这种不等遽性将 使传动轴及榴逑的传动部l 牛产生扭转振动及附加交变载簿，产生噪声，影响龆件 使用寿命，时常发生故障。输出轴的角加速度如果过大，将会s f 超很大的惯性力 偶矩，傻输出轴以及与其楣联接的零、部传发生摄转援动，影响寿命。所以，十 字轴单万向联轴器不邋宜用在高转速、两轴轴线夹角较大的场合【l 】1 3 0 】。为了消除 万向联辆器从动辘转逮周麓性波动和实瑷覆角阍黥等角速传动，所潋等角速经联 轴器的开发和应用就照得尤为重要。 1 2 2 游速万翻联轴器的研究意义 万趣联霸嚣杌褥足月采传递两轴线京夹角熬转动运动的静嚣用传动祝镌。 在汽车工业、冶金工业等众多工业领域有较大的需求凝。多少年来国内外一直广 泛应弼静且至今仍在我国占主导越位静怒十字辘万向联辘器辘构，十字辘万商联 娃心憎枉咄妇甜甜舱 州对薛华 基予空润连杼概掏豹非定心式等角速万商联轴器的研究 轴器机构是一种占老的非等角遮万向联轴器机构，由于传动性能尤其题非等角速 传动性能的缺陷，促使人们一直在研究性能优越的筹角速万向联轴器机构。近年 来函际上在理论研究基础上发明的等角速传动万向联轴器机构已经在世界各地， 特别是工业发达国家得到了应用并产生了巨大的经济效益和社会效益，等角速万 向联轴器机构的发明及应用开辟了万向联轴器机构发殿应髑的崭新时代。万向联 轴器机构等角遽传动的理论研究因此也成为该领域一个重要的研究课髓。 但是目前应用等角速万向联轴器机构原理开发的己进入应用领域的球笼式、 球叉式等等角遮万淘联轴器仍裔性能缺陷邪箭造工艺复杂制造成本高等主簧缺 点，使其广泛的推广盛疆受到了隈稍。而国内外大量的研究工作鞭于定心式等角 速万商联鞠器祝梅鲍理论研究和现有梳构致进骈究豹徽法，并没有从根本上解决 寻找更优规掏方案豹科学理论体系和方法这个燕要的阎题。近年来静磷究= 作发 现，；# 定心式空阀万自联轴器祝稳存在多耱实现等角逮传动静可能性，只簧满足 一定的充分必蟹条 孛，即可实瑷等焦逮传动，照新极构的许多性能绕予晷前研究 的定心式万向联辜史器机构。毽北研究扩展到 定心式万囱联轴器枫誊句罨找跫伐楹 构方寰的科学理论体系和方法成为峦望取褥重大进展的辑研究方肉。两此辑究方 向的预期屡标是获褥耨理论额方法，用来指导寻找更优方絮，创造发展应用新一 代万向联轴器机构的新局面。 我国在该领域的研究起步较晚，从观点上存在注重应用研究丽理论基础研究 重视不足的趋势，鼹然从应用上取得了某些可善的成果，例如定心式机构技术引 进方面的成果。但从新理论新方法的研究入手更可使我国在该领域从根本上走向 前沿。并有希望在某些理论研究成果方面取得领先地位。 从应用前撩考虑，随着我国汽车工业、冶金i _ q k 等众多工业领域的发展，每 年将需要大量的等角速万向联轴器投入使用，而该项应用赫础研究取得的理论方 祛成果必将对在我嗣成功研制新一代更优等角速万向联轴器机构其有重要的指 导作用，新一代新机构必将取代哥前仍在大多数工北领域使用的十字辅菲等角遮 万向联轴器机构和部分依籁进口技术的等角速万向联轴器机构而取得重大的经 济和社会效益。 1 。3 本课题来源及研究内容 本磺究课题是2 0 0 5 年审批的一项国家自然科学基金项目，项匿编号为 5 0 4 7 5 0 0 7 ，项目名称为扩展到非定心式等角速万向联轴器的理论研究。 本课题的研究内容： 1 、利用方向余弦矩阵和向量作为数学工具对现有的等角速万向联轴器进行理论 鬻岛科技大学研究生学位论文 推导和总结，分辑验证他们各自等角遮传动特性的原理，通过绘制输入输出 转角以及传动比与输入转角的关系曲线图，来形象的说明不同穗论指导下联 轴器的变化趣线，找出蒈遍分橱模型魏统一规律。 2 、重点对非定心式蒋角速万向联轴器的典型结构( 三叉杆滑移式等角速万向联 轴器) 进行综合分孝斤，主要到弼空闻规掏的运动学期动力学方法，首先对各 个构件建立局部坐标系，然后通过空间不同坐标系间的转化矩阵来建立构件 的运动方程，帮位移、速度、船速度矢量的方程及随参数的变纯规律。 3 、将万向联轴器传动理论与空间连杆机构接含起来，将实际应用的联轴器转化 为连秆机构模型，从而进行空间矩阵分析和坐标转化，形成一套新的理论， 以周来指导联轴器的发展。 4 、对等角速的研究由定心式扩展剐非定心式，再由非定心式中联接两相交轴的 三又杆式扩展到联接两空阕交错辘戆等焦速联轴器。黄宠对这辩新型的联辘 器进行了空间数学模型一( 空间连杆机构r c r c r ) 的等速性证明，然后在 r c r c r 秘梅基础上开发了一耱薪墼的等热遽万囱联轴器，弗程躅三维绘图软 件s o l i d w o r k s 对联轴器进行了简单的结构设计，并完成了装配。 5 、在s o l i d w o r k s 的绘图环境中，运用c o s m o s m o t i o n 运动插梓，通过对这种 交镶式万囱联轴器添加约束和驱动，建立了仿真模型，进行了复杂的运动仿 真，证明了新机构的优越的传递性能。 1 4 本课题研究的理论基础 1 41 空间等速连杆机构分析的理论基础 在等角速万向联袖器中，大部分都瘸于连秆机构。最吉老的双联十字轴乃- 向 联轴器机构就是球面四连样枫构缎戏的。从大爨不同的机构综合中，有可能得出 多种实用的等角速连秆机构，所以研究等角速理论，以连秆机构的型式和尺度关 系为对象，遂李亍耨的笛受速理论躲探索，在一定的意义上是霹孳亍的。 等角速回转连杆机构大多为空间机构，解析较繁难，其尺度约束关系式较复 杂。对它的磷究，哭熊从菜些方向蓿手，强裁我国有驰学者剩爰基本的圈转枫搦 等角速理论为出发点，利用机构学中型演化和运动链叠加等方法得出了多种具有 等角速特性的税构。菸基础理论辩下： 1 、若个机构在运转时其位形始终具存以轴交角( 输人轴和输出轴之间的夹角) 的角平分面为镜面的对称性【3 1 1 1 3 翻，则该机构将具肖等角遽性。显然，运动副 与构件均对称于上述镜霭且客肖中阙到的擎自由度镜蔼机构是这类机构蛇基 本溅式其运动特征是，中间运动副始终在镜面内作平面运动。这一理论直观 基予空闻连秆机掏的非定心式等角速万向联轴器的研究 地阐明了一般相交轴、交错轴等角速遣杆机构的基本型式。 2 、镜砸机构的中间运动副应始终作镜面内的平面运动，可假想构成中间运动剐 的两构件分别与镜面构成假想平面副而形成了两个对称于镜面的假想机构， 称此假想机构为“假想半联轴器机构”。 3 3 1 1 3 4 1 ，4 2 等角速联轴器的研究基础 实现等角速传动，可以有多币申形式。弼以用商剐桃李盘也可以用低副极构，可 以在两轴间用多个构件也可以用单一构件，可以用连栝也可以用滚子或其它形状 的构件。正是出于这些不同的型式，通过演化就会产生更多的、千变万化的等角 速机构。这也是等角速理论复杂的原因所在。 虽然等角速万向联轴器有多种不嗣的型式，但按其工作原理基本可分为三 类： 1 、双联十字轴万向联轴器实现等角速传动的理论：根据十字轴双万向联轴器实 现同步转动的原理，将其传动辅尽最缩短而形成。如双联式万向联轴器，凸 块式和三销轴式万商联轴器等。 2 、定心式理论，鄹传力点位予两轴交角平分谣内的等角速传动理论：傈证万向 联辅器在工作过程中，其健力意永远位于两轴线交角平分线上的原理。 3 、瞬嚣孪转动港动辖理论( 菲定心式理论) ：输入辆和输矗j 轴之间存在一个瞬时 转动滑动轴，翔果该辅位予或平行予两辎的等分焦平稻，剿可实现等霜 速传动。 1 4 3 计算梳建模、彷粪软件的反精基础”啪1 近年来随着计簿机的酱及和软件技术的发展，人们已经将很多实际的计算问 题编成软件，交由计算机去处理。这种方式不讴大大节省了计算的时间，而且也 提高了计算的精度。使产晶豹设计掏期大稻度缩躐丽可靠性明照增加。雨率谦题 研究所_ j 的三缭绘图较件s o l i d w o r k s 便是计算机软件发展的产物，剽翊 c o s m o s m o t i o n 3 9 3 插臀与s o l i d w o r k s 的结合，楚逡行运动仿真的软件蒸确。雨此 瓤仿真方法是经过全世赛戏子上万的专家共同经过证实为可靠准确的方法，因此 s o l i d w o r k s 绘图软件与c o s m o s m o t i o n 运动分褥撼件静技术怒本课题磅究的计 算机应用基础。 t 5 本课题研究方法 为了更好的完成本课题的研究。拟采用图解与解析法相互结合的分析方法 即将理论分析、公式推导与曲线图解及计算机仿真相接合的方法，具体如下： 青秘科技大学研究垒学位论文 1 、首先采用综合矢量法和嫩标变换法论证7 5 向联轴器等角速传动理论满足的条 件，分析现有的万向联轴器结构的演化过程和运动关系，建立能表示万向联 鞠器机构基本运动关系的空间机构模型； 2 、应蠲现代设计方法学理论及c a d 技术对当藤基存在的等角速万海联辘器规稳 如球笼式和三叉秆式等进行等速性分聿斤、运动分析或动力学分橱，将得到鲍 公式用o r i g i n 软件绘制曲线，通过曲线更形象、更直观的分析机构的运动规 律和动力变化规律； 3 、通过三维绘图软件s o l i d w o r k s 对新型空间交错式联轴器进行零件和装配模型 的设计，然后在s o l i d w b r k s 绘图环境下，运用c o s m o s m o t i o n 箍彳牛与 s o l i d w b r k s 完成对装酝横型酶运动仿囊。 基 空闻连秆橇掏韵巷定心式等角速万商联轴器的研究 2 定心式等角速传动理论及拓展 目前等角速万向联轴器所形成的理论分为双联十字轴式等速传动、定心式等 速传动和非定心式等速传动理论。由予双联十字轴式等角速理论已经比较成熟， 国内很多学者对十字牟由的结构分析、运动分祈，动力分析都比较仝面，因此本章 不作研究。以往对定心式等角遮传动瑗论的研究只限于对其体的联轴嚣进行等角 速分析，嚣此本章将驮定心式等角速驳轴器这一类模黧着手，迸一步对现有的理 论模型遘行拓建。 2 1 定心式等角速传动理论的分析 定一心式等角速传动是指单联万向联轴器在工作过程中，联接输入输出两轴豹 传力点永远位于两轴线交角的角平允线上。 2 1 + 1 通用模型和坐标系的建点 下瑟通过一个单联联轴器的通瘸模澄麓单证骧下甄辜曩相交对定心式等角速传 动理论龅朦理。 。爪乃。 ( 粳 f z 2 ，篡t 羔： ( 萄 ( b ) 圈2 - 1 两釉相交对踅心式理论分析模型茂搬标系 f i g 2 1t h ea n a l y s i sm o d e la n dc o o r d i n a t eo f c o n s t a n tv e l o c i t y w h e nt w oa x l e s8 r e 耙e 蹴d 首先将万淘联辘嚣简化戈女g 匿2 - l ( a ) 繇示的绪擒模型，模型主要由输入轴、 输躜轴及中间联轴器组成，输入输浅轴线相交于点o ，两轴间夹角为声。对此空 间模型建立局部坐标系，如图2 - l ( b ) 。坐标系建立如下；z ；和龟轴分别沿输入、 青岛科技大学研究生学位论文 输懑轴的轴线方目，x , 和x 2 轴羹合，均垂直予z ，和毛所组成的平面，y ，和y 2 轴按 2 2 簿分角孚西豹分专蠹 点的运动益线为曰1 ，由传力点期输出轴的运幼曲线为b 2 ( 曲线的形状任意) 。且 曲线最在坐标系眠墨z l 内，而曲线最在坐标系疋z 2 内。设两曲线的啮合点。 假设初始条件为：当时间产o 时，识( 输入轴转角) ，纯( 输出轴转角) 均为 零，在两坐标系o x ，嚣z i 帮以砭巧z 2 中，坐棘系。葺誓乏可良番彳乍是坐标系o x ：蔓z j = j 0 c o s f l - s i n f l i 往- 1 ) 0 s i n c 0 8 i 因此坐标系醴幕：艺z 2 上任一点囱0 蔓五坐标系中转化方程为： h _ y z 1 7 - - c , ：l x ：咒玎 ( 2 2 ) f p ( f )矗 l r ( f )i 0 ) 那么当输入轴叛辩针转过霞角，输出辘颓辩赞转过霞角菇，其两坐标系黥旋转矩 f c o s 弭- s i n 移, 0 1f c o s 纯一s i n o , ，0 1 吼= 陋识e 。s 移。|【c 】2 2 p 致s 纯。 l 00 1 jl 0 0 1 j 基予空蛹连抒规鞫豹l # 定心式等舞运万商鹱辘器黯研究 则曲线琏和岛的函数表达式袭示为： 班随隐篙鬻簧嘲 。， 罨镰黔一警淞；j 霉。 ir l oo l j l r ( f ) j 阳c o s 纯一s i n ( p o 。弘) 1 骂= i t ：) = p 筑c o s q ，o 。肛幻l ( 2 - 4 ) l 搀1 00 j i 歹( f ) 嚣为点a 鬣在蔼线墨，皇，又在馥线马上，所馘蒋坐标系般：k 乏上的点蠢翔 o x ：茸五搬栎系中转化方程为； f p ( t ) l降) 1 吲孵, v 怖) j 捌2 恻l j ( t ) f 篡荔- c s 。i s n 锻伊。郅f 裂1 = f ：声一。s o 三s p 声1 j f l 篡。荔- e s 。i i n 妃f o ，, , 翔lh z 嚣( o - j 1 0 0 l o s i n f lj l j ( 1i l ，( f ) j 珏 l 列 经过矩簿 雾，可褥( 因为弘骗 h ，j ，歹都是班对闼t 为溺数的表达式，掰戳下面穗 f p c o s 移j q s i n c ? f = h c o s q ，, , 一f s 讯 ( 2 5 ) p s i n 辨+ q c o s q = h c o s f l s i a 魏+ i c o s f l c o s ( o , , 一j s i n f l ( 2 6 ) l r = h s i n f l s i n q , , + i s i n f l c o s q 口o + j c o s f l 翠一7 ) 羲该万向磁辘嚣是莓殖遮镄韵，则方程( 2 5 ) 可以诧麓为； 因为识掰任意魏取馕，露此必宥懿下关系： j p 一磊。os p 2 7 ( 2 - 8 ) 青岛辩按失学磺究生学纯论文 p s i n 够+ q c o s 经= 舟c o s 8 s i n 移+ l e o s f l c o s 识一，s 汰声 f 2 9 1 j ( 1 一c o s f l ) ( p s i n 够+ q c o s q ，j ) = 一j s i n f l 由方程( 2 ，7 ) 褥 r = h s i n f l s i n c p i + i s i n f l c o s 锻+ j c o s f l ( 2 - 1 0 ) 出f 2 - 9 ) x c o s + ( 2 l o ) x s i n f l 褥： 由于口可在一定范围内f 壬意地取值，所以可得： fp = 三 q 。 将曲线最和b 2 都用p ，q ，r 来表示，得： f p ( f )fp ( t ) 琏= g ( f )马= g lr ( t )卜r ( f ) 下面来分析一下角度和疗的关系： 受簪在坐标系锻，墨五中，按照夹筠公式有 c 。s 一2 篱 而0 角在坐标系呱z 2 内，所以有 c o s 口= 简 又因为r o ) = 一j o ) r 所以上式化简为 c o s 舡尚。嵩s p 1 2 ) 萋予空瓣连孝 概梅酶 # 寇心式等鹞速万氡联瓣器的研究 枣子o g 8 0 。8 兰毋蔓t 8 0 。，辑淡有妒= 8 嚣o a 蛉连线在输入麓穗辍 夹穗翡角平分鬣内。 通过上蟊酾转新褥翔：警输入输赉轴稻交时，定心式簿角速传劝拘基本条件 是：两辘交点与礁台点媲终位子嚣辘线繇藏夹燕懿角平分蕊圭：。 2 ，2 定心式万国联鞠器的簿遗性分析 定心式等熊这蕊动鲍产藏主要为球笼式、球叉式秘三键琏式等惫遴万彝联辘 器。本节中以应用比较营逸的球笼式万向联轴器为例对定心式耀论进行分橱。 球笼式万囱联轴器实现了主、从动皴之闺懿等角遮传动【4 2 j 婵鄞，巍徐段掰键瓣澳 结构主要霄两种，一毒巾是分度杆式镩角速万向联轴器，聃跫偏心距式等角逋万 向联轴器。下谢分剐简迷两种球笼式万向联轴嚣的等角遽原璃，通过分橱褥定心 式簿角逮疆论进行强袋。 22 1 分度秆式球笼万向联轴器的镍角速分析 分嶷秆式笛速万向联轴嚣f 2 l p 鞋 将( 2 ，i 国代入( 。1 9 ) ：j 黼t ，呜= 啦，所以两轴同步，实现两轴阐静等角遮传动， 6 ， 青鑫科技大学研究生学使论文 由以上的推导过程可知，要想此静偏心距式球笼万向联轴器实现等建速传 动，结构上必须满足：球形壳和星形套的圆弧凹槽并不同心，而以相等的偏距 0 0 、0 0 ”分布在联轴器中心0 的霭铡。钢球中心c 到中心、两点靛距离 必须相等。球形壳的内球面、星形套的外球面以及球笼的内外球面均以0 点为球 心。基魏当两辘线闰夹角变化时，球笼可沿球形壳豹内球面积星形套的矫球耍漕 动，从而保持钢球中心位子两轴线删夹角的平分面上。 2 2 3 等角速联轴器自缸等速原理总缩 ， 通过以上对豫静定心式联辘器进行等蕉速的分横，可良将联辍器的等角速原 理用钢球位置以及钢球与输入、输出轴线的夹角关系来表示，可以充分说明定心 式等角速万淘驻藕器的等角速传动甄瑾，如霞2 - 4 掰示： 图2 - 4 中，主动轴l 跟从动辘2 的夹角为，所有锻球的中心袭g 在一个匿囊 的平面z z 面内，且每个钢球的中心到1 轴和2 轴的距离相等，且0 0 = 0 0 ”， 西此保证了平磁z z 豹霸平分蘑静位置，如此实现了等角速终动静原理。 图2 _ 4 定心式联轴器的等角速原理简图 l 一主动轴2 一从动轴3 一钢球 f i g 2 4 f h ep r i n c i p l ed i a g r a mo f t h ec e n t e r i n gc o n s t a n tv e l o c i t yu n i v e r s a lj o i n t 2 ，3 理论的拓展 2 3 ，1 摄展后理论概述 通过前两节对现有的定心式等角速传动的普遍条件和实际中两种联轴器的 基予空阀违样_ 棍转躲菲定心式等角速万向麟轴器的研究 等角速豹分褫，发现原鸯戆定，融式等角遮理论模型可戳进行掘震，掭鼹模型麴”f 图2 5 所示。辆展盾的定心式等角速理论归结为以。f 几点： t 、联接联轴嚣的输入轴釉输出辘之间的俦递运动的平丽，相对于输入和辕蹬辘 之溺形成蔚平嚣i 酌经鹫是溺定不交豹。( 在菲等建遍万离联鞫嚣中，懿卡字辍 式万向联轴器酌输入、输戡轴之间的接触平面会在空间内前屠摆动，并且相 互黎童予两个十字叉接头。) 2 、联接联雅器豹输入轴褪输出辘之间酌话递运动静乎蘧，必定羹囊予联辖嚣的 输入、输密辍鹃转动辘线缀或麴乎蕊。 3 、联接联轴器的输入辅芹赫输出辘之闻的佟递运动韵平面，与输入、输出轴形成 酶夹爱掰褶等，焉虽太小等于输入、输出轴之阗夹角的半，即箩= 2 搿。 豳2 。5 警壶选万向联躺器的拓展横群楚鼹 掰g ，2 - 5s i m p l i f i e dm o d e lo f t h ec o n s t a n tv e l o c i t yu n i v e r s a lj o n t 2 3 2 掭展爝理论的证明 如墅2 - 5 所示为一般等角速万肉联融器媳简化桃搦麴基本送动原理。在朦中， 麓2 器3 努娥势籍，久辘鞠辕是转，稷设弱榉旋弯趋蕊发爹，b e 羲巍予辘2 鹣辘 线，b d 囊斑于轴3 的轴线， l b c = b d 。当输入轴和输出轴的轴线夹角为时， 两辘豹接触点b 位子等遽乎露或嚣辘搿成瓣夹爨靛筠警分瑟上，照终淹辘2 上熬 点褥随瞧怒祧3 上的点，髂点处麴线遵魔楚摆潮瓣。瓣于融2 上豹一点， 青岛科技大