（机械设计及理论专业论文）摆动液压缸虚拟样机技术实现及系列化设计.pdf

原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名瑾盈筮日期：年一月一日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可以根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名蛐师签名：鳖盘日期：年_ 月一日 一 i “：。 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 摆动液压缸是一种通过螺旋传动把直线运动转变成旋转运动并 因此做功的液压元件，其结构简单，传动效率高，能够在较小的结构 尺寸下输出大扭矩，适用于大扭矩、短力臂的工况。本文对摆动液压 缸进行了数字化设计、动力学仿真及关键零部件的有限元分析，研究 了满足不同结构要求、输出要求的摆动液压缸的虚拟样机技术的实现 问题。主要包括以下几个方面的工作： 进行了零部件的参数化建模和虚拟装配，建立了含两级渐开线螺 旋副的摆动液压缸数字样机。利用该数字样机进行了多体动力学仿真 分析，分析结果表明：系统液压力与输出扭矩成正比关系；在3 0 0 6 0 0 的螺旋角区间，4 5 0 附近的渐开线螺旋副传递效率最高。 对摆动液压缸的关键零部件进行了受力分析，对其两级渐开线螺 旋副进行了有限元分析。运用n xn a s t r a n ，建立了两级渐开线螺旋副 在两种极限工况下的静力分析有限元模型，分析得到了各零件在极限 工况下的最大应力、应变，进行了零件的刚度、强度校核；分别建立 了两级螺旋副的内外齿轮接触对的非线性面面接触有限元模型，分 析了接触面的应力分布，结果表明齿面应力和齿根应力分布较均匀。 对摆动液压缸输出端旋转角度进行了系列化设计，设计了输出端 旋转角度为9 0 0 、1 8 0 0 、2 7 0 0 、3 6 0 0 的系列；选取1 1 ：5 - 优先数列，对输 出扭矩进行了系列化设计。对系列内的摆动液压缸可进行零部件的虚 拟装配、两级螺旋副的动力学仿真、关键零部件的有限元分析。 应用摆动液压缸实验测试平台，进行了低转速输出扭矩与输入压 力的关系实验，验证了仿真结果的正确性。 关键词：摆动液压缸；虚拟样机技术；两级渐开线螺旋副；有限 元：系列化设计 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t h y d r a u l i cr o t a r ya c t u a t o ri sas c r e wd r i v e ，m a k e sl i n e a rm o t i o ni n t o t h er o t a r ym o t i o na n dt h e r e f o r et h ew o r ki sd o n e ，i th a sas i m p l es t r u c t u r e ， h i g ht r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y , as m a l ls t r u c t u r e s i z eo u t p u t i n gal a r g e t o r q u e ，u s e di nt h ew o r k i n gc o n d i t i o n sf o rh i g h - t o r q u e ，s h o r ta n n i nt h i s p a p e r , ad i g i t a ld e s i g nf o r t h er o t a r ya c t u a t o r , m b da n df e a f o rt h ek e y c o m p o n e n t sw e r ed o n e ，ar e s e a r c hw a sd o n ef o rt h ed i f f e r e n ts t r u c t u r e s a n dd i f f e r e n to u t p u t sw i t h i nv i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y t h em a i n w o r ki sb e l o w ： t h r o u g hp a r a m e t r i cm o d e l i n gt e c h n i c a ，a l lt h ep a r t so f t h eh y d r a u l i c r o t a r ya c t u a t o rw e r ee s t a b l i s h e d ，t h e nm a d e av i r t u a la s s e m b l y , a nm b d s i m u l a t i o nw a sm a d eo nt h ed o u b l ei n v o l u t e s p i r a l p a i r so ft h ed i g i t a l p r o t o t y p e ，ac o n c l u s i o nc a nb ed r a w nt h a tt h es y s t e mp r e s s u r epa n dt h e o u t p u tt o r q u et i si nal i n e a r l yp r o p o r t i o n a lr e l a t i o n s h i p ；w h e nt h eh e l i x a n g l ei si nt h ez o n ef r o m30 0t o6 0 0 ，i ti si nt h ev i c i n i t yo f4 5 0t h a tt h e s p i r a l p a i r sd e l i v e r yam a x i m u me f f i c i e n c y a f t e raf o r c ea n a l y s i so ft h ek e yc o m p o n e n t so ft h eh y d r a u l i cr o t a r y a c t u a t o r , f e a sw e r em a d eo nt h ed o u b l ei n v o l u t e s p i r a l p a i r s o ft h e h y d r a u l i cr o t a r ya c t u a t o r w i t h i nn xn a s t r a n ，ao v e r a l lf e a w a sd o n eo n t h ed o u b l ei n v o l u t e - s p i r a l - p a i r so ft h eh y d r a u l i cr o t a r ya c t u a t o ri nt w o e x t r e m ec o n d i t i o n sb yu s i n gt h el i n e a rs t a t i ca n a l y s i s ，a f t e ra n a l y s i s i n g t h er e s u l t so fm a xs t r e s sa n dm a xs t r a i n ，i th a sg o o ds t i f f n e s sa n ds t r e n g t h ； e x t e n s i o n ，u s i n gn o n l i n e a rf a c et of a c ec o n t a c t ，a na n a l y s i sw a s c a r r i e do n t h ec o n t a c tw i t h i nt o o t hf a c e s ，o b t a i n e dam o r eu n i f o r ms t r e s sd i s t r i b u t i o n o ft o o t hs u r f a c e ，t o o t hr o o ts t r e s sd i s t r i b u t i o ni sm o r eu n i f o r m as e r i e sd e s i g nw a sm a d eo nt h eo u t p u to ft h eh y d r a u l i cr o t a r y a c t u a t o rf o rr o t a t i o na n g l e si n9 0 0 ，18 0 0 ，2 7 0 0a n d3 6 0 0 ；a n dt h e nb y s e l e c t i n gt h er 5s e r i e so fp r e f e r r e ds e r i e s ，t h eo u t p u tt o r q u e o ft h e h y d r a u l i cr o t a r y a c t u a t o ri sm a d ea n o t h e rs e r i e sd e s i g n a l lo ft h e h y d r a u l i cr o t a r ya c t u a t o r si ns e r i e sc a nb em a d e av i r t u a la s s e m b l y , 田d o nd o u b l ei n v o l u t e s p i r a l - p a i r sa n df e a o nk e yc o m p o n e n t s at e s tp l a t f o r mf o rh y d r a u l i cr o t a r ya c t u a t o rw a ss e tu p ，ae x p e r i m e n t w a sb u i l to nt h eo u t p u tt o r q u eb e t w e e nt h es y s t e mp r e s s u r ei nal o w e r r o t a t i o ns p e e df o rt l l eh y d r a u l i cr o t a r ya c t u a t o r , t h ee x p e r i m e n tm a k e st h e s i m u l a t i o nr e s u l t si nar e l i a b l ep o s i t i o n k e y w o r d s ：h y d r a u l i cr o t a r y a c t u a t o r ； v i r t u a lp r o t o t y p e ； d o u b l ei n v o l u t e s p i r a l p a i r s ； f e a ：s e r i e sd e s i g n 1 1 1 中南大学硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目勇乏 第一章绪论1 1 1 论文研究背景和项目来源1 1 2 国内外研究的现状4 1 3 论文研究内容和意义6 第二章摆动液压缸参数化模型及动力学( m b d ) 分析7 2 1 摆动液压缸的组成及工作原理7 2 2 摆动液压缸参数化模型的建立。8 2 2 1n x7 5m o d e l i n g 对摆动液压缸三维实体建模11 2 2 2n x7 5m o d e l i n g 摆动液压缸三维模型装配过程1 3 2 3 摆动液压缸动力学( m b d ) 分析1 4 2 3 1r e c u r d y n 软件。1 4 2 3 2 多刚体动力学分析( m b d ) 1 4 2 3 3 仿真计算及结果1 6 2 4 本章小结2 0 第三章摆动液压缸关键零部的有限元分析( f e a ) 2 1 3 1a d v a n c e ds i m u l a t i o n 模块简介2 1 3 2 摆动液压缸关键零部受力模型的建立2 5 3 3 摆动液压缸整体结构受力有限元仿真计算及结果2 7 3 3 1 活塞齿轮轴极限扭转工况2 7 3 3 1 1 摆动液压缸关键零部件网格划分及赋材2 8 3 3 1 2 摆动液压缸关键零部件边界条件的加载3 0 3 3 1 3 摆动液压缸关键零部件有限元仿真计算及结果3 2 3 3 2 输出右旋齿轮轴极限扭转工况3 6 3 3 2 1 摆动液压缸关键零部件网格划分及赋材3 6 3 3 2 2 摆动液压缸关键零部件边界条件的加载3 6 3 3 2 3 摆动液压缸关键零部件有限元仿真计算及结果3 7 3 4 摆动液压缸局部结构接触有限元仿真计算及结果4 0 3 4 1 右旋螺旋副接触有限元分析。4 0 i v 中南大学硕士学位论文目录 3 4 1 1 右旋螺旋副模型准备4 0 3 4 1 2 右旋螺旋副网格划分及赋材4 2 3 4 1 3 右旋螺旋副边界条件的加载4 4 3 - 4 1 4 右旋螺旋副接触有限元仿真计算及结果4 6 3 4 2 左旋螺旋副接触有限元分析。4 9 3 4 2 1 左旋螺旋副模型准备5 0 3 4 2 2 左旋螺旋副网格划分及赋材5 0 3 4 2 3 左旋螺旋副边界条件的加载5 1 3 4 2 4 左旋螺旋副接触有限元仿真计算及结果5 2 3 5 本章小结5 5 第四章摆动液压缸的系列化设计5 6 4 1 系列化设计的简介5 6 4 2n x7 5 系列化设计技术实现5 7 4 3 摆动液压缸系列化设计过程5 9 4 3 1 摆动液压缸输出端旋转角度系列化设计。6 3 4 3 2 摆动液压缸输出扭矩系列化设计。6 4 4 3 3 摆动液压缸系列化设计结果6 8 4 4 本章小结6 9 第五章摆动液压缸的实验验证7 0 5 1 摆动液压缸实验设计7 0 5 1 1 摆动液压缸实验原理7 0 5 1 2 摆动液压缸实验过程。7 1 5 2 摆动液压缸实验数据及结果7 2 5 3 本章小结7 3 第六章全文总结与展望7 4 6 1 全文总结7 4 6 2 全文展望7 5 参考文献7 6 致谢81 攻读学位期间主要的研究成果8 2 v 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 随着中国市场经济的发展，中国的制造业得到了迅猛的发展，世界各地遍布 了“m a d ei nc h i n a 的产品。然而发达资本主义国家工业发展的历史告诉我们， 随着产业的发展，我们的制造业必将迎来产业的升级，中国的制造业必将从劳动 密集型转向知本和资本密集型转变，即从“中国制造 向“中国智造”转变，以 后市场上必将更多的出现“c r e a t e db yc h i n a 。而且随着新时代市场的需求， 产品必将逐步走向小批量、多品种、差异化、个性化的设计，而不是目前同质化 的产品充斥着市场。而且中国企业做大做强，就必须走出去，与世界顶级企业竞 争，这个时候面临的国际挑战，已经不再仅仅是以降低生产成本和人力成本做出 与别的企业一模一样的产品了，而是要求我们的企业以更快速、更低开发成本开 发出新产品。在一个快鱼吃慢鱼的新时代，只有抢在别人的前头，企业才能取得 市场的制高点；只有抢在别人的前头，企业才能分享到更多的产品利润；只有抢 在别人的前头，企业才能掌控产品的核心竞争力产品的知识产权，从而从本 质上掌控和支配市场。 所有的这些转变，都是伴随着计算机的软件及硬件高速的发展和制造业必然 的产业升级，当然，更重要的人的智力投入。纵观世界各种产品与服务，所有高 附加值的产品必然伴随着高智力的投入，这也是我们现在经常提及的“一流的企 业卖标准，二流的企业卖产品，三流的企业出卖劳动力 和“2 l 世纪最宝贵的 资源是人才”。外部环境所有的这些转变对制造业的研发部门提出更高的要求， 在产品设计部门“仿造”的时代，我们的设计师的工作场地可以仅仅是在办公室， 对需要开发的产品进行测绘既可以满足市场要求。在一个“创造”产品的年代， 企业都目标都瞄准了“脱离红海，创造蓝海 ，这就需要产品工程师们需要更多 的深入市场一线，根据实时的客户的需求，快速响应，又快又好的设计并制造出 满足客户产品。只有这样，我们才能真正设计出贴近市场需求的产品。 摆动液压缸就是一个“智造 的典范，其结合了渐开线和螺旋副在传动中的 优点，将两种早已存在的成熟技术，完美的结合在一起，创造了一种新型的液压 传动设备。 i i 论文研究背景和项目来源 随着液压系统应用领域、场合的日益扩大，客观环境要求通过液压力传递， 实现旋转运动的工况也越来越多。对此，工程师们也研究了出了相当多的解决方 中南大学硕士学位论文第一章绪论 案【1 】： ( 1 ) 在低扭矩、高转速旋转领域，通过齿轮液压马达、叶片液压马达和轴 向柱塞马达可以很好的实现。 ( 2 ) 在大扭矩、低转速旋转领域，通过单作用连杆径向柱塞马达、多作用 内曲线径向柱塞马达、活塞液压缸结合多连杆结构、齿条活塞液压缸和叶片式摆 动液压缸可以很好的实现。 从以上得到的解决方案来看，要液压力实现大扭矩、低转速的工况，设备都 不可避免的出现体积庞大或其他方面的缺陷： ( 1 ) 当采用齿轮液压马达、叶片液压马达和轴向柱塞马达时，均需要配备 减速机，这样，设备就变得相当复杂，体积也不可避免的庞大了 ( 2 ) 当采用单作用连杆径向柱塞马达、多作用内曲线径向柱塞马达时，该 类油缸的径向尺寸相对过大，整体尺寸也是相当庞大，图1 1 为径向柱塞马达在 斗轮堆取料机上的应用。 ( 3 ) 当采用活塞液压缸结合多连杆结构时，整个连杆系统设计非常复杂， 且旋转时的速度控制将变得非常复杂，图1 - 2 为活塞液压缸结合多连杆结构在挖 掘机上的应用。 ( 4 ) 当采用齿条活塞液压缸方式来驱动大型机械设备运动部件在重载下的 大角度旋转时，设备会出现间隙大、响应慢和控制精度低的问题； ( 5 ) 当采用叶片式摆动液压缸来做驱动元件时，则会有结构密封件易损、 整体结构尺寸大、产品寿命短的问题，并且液压缸的旋转角度不能超过3 0 0 。 图1 - 1 径向柱塞马达在斗轮堆取料机上的应用 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 图卜2 活塞液压缸结合多连杆结构在挖掘机上的应用 某公司生产的垃圾压缩车翻斗机构，采用了四连杆机构，结合活塞液压缸实 现翻转运动，由于四连杆机构的速度控制非常困难，因而对翻转速度非常不好控 制，而且为了达到预想的运动轨迹，需要仔细的设计四连杆机构。 这个时候我们需要得到一种结构简单、整体结构尺寸小、输出扭矩大、旋转 角度可以达到3 6 0 。且旋转速度易控制、容易实现正反转且正反转输出扭矩大小 一致的液压元器件。摆动液压缸则是实现该功能的理想液压件，因而对摆动液压 缸的研究具有重要工程价值，该研究得到了“教育部重点研究项目：旋转液压缸 内动边界面参数化匹配设计研究 的支持。 摆动液压缸是一种通过螺旋传动，把直线运动转变成旋转运动并因此而做功 的液压元件，由于其结构有极高的效率，能够在较小的结构尺寸下输出大扭矩，” 在旋转的过程中，其位置都能的得到精确的控制，强劲而可靠。而且由于摆动液 压缸结构简单，便于维护，因此广泛的运用于工业各个领域中【2 】，尤其适用于大 扭矩、短力臂的工况： ( 1 ) 在建筑机械领域，摆动液压缸能使打桩机及拔桩机导杆上成吨的重物 精确定位至厘米级，可以轻易的将长达2 2 m 的板桩压入地下。其他常见的建筑 机械应用有挖掘机斗铲按斜坡的坡度转动、起重机舱体的驱动、压土机中附件的 定位等。 ( 2 ) 摆动液压缸在社区服务领域的应用使得工人工作更加轻松，安装有摆 动液压缸的设备既易于移动又能准确定位，使装填作业完成更为有效；清洗刷的 准确定位使防护栏的清洗更为便利可行；扫路机也能扫到路面的每一个角落。 ( 3 ) 摆动液压缸应用于井下作业时，它能使混凝土喷枪更加灵活，将混凝 土喷射到难以接近的角度；借助于摆动液压缸，深孔锤的钻杆可以转向任何位置， 并且能承受钻孔时的震动和冲击。 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( 4 ) 摆动液压缸在高危作业场合具有机动性和安全性，其能使2 0 吨重的钢 卷能准确定位，从而使轧钢场的夹钳可以方便的夹住钢卷的料头；加工中心的刀 具可以快捷而精确的更换；操作员可以利用装有摆动液压缸的机械手把热的铸件 精确移动到位。 ( 5 ) 摆动液压缸在石油化工领域是最为可靠的液压缸之一，它们几乎不用 维修、几乎无磨损，在有爆炸危险的区域使用也无问题。它们可以承受恶劣的天 气，防腐型摆动液压缸还可以承受腐蚀性气体的侵蚀。 图1 3 即为摆动液压缸在挖掘机上的一个典型运用，摆动液压缸能使挖掘机 的挖斗灵活的调节角度，以适应不同的挖掘工况。 图1 - 3 摆动液压缸在挖掘机上的运用 1 2 国内外研究的现状 国内在摆动液压缸方面的研究与发达国家之间还是有一定的差距，进口的工 程机器设备较广泛的采用了技术更先进、性能更优越的摆动液压缸，该类液压缸 均是在缸内采用螺旋副传动【3 1 0 1 。与叶片式摆动液压缸和齿条式液压缸相比较， 其驱动平稳，承载能力高，传动精度高，寿命长，而且传动效率不低。目前仅有 美国、德国、日本和挪威等少数几个国家可以生产，如美国h e l a c 公司的l i o 、 2 0 、3 0 系列摆动液压缸，挪威s c a n as k a r p e n o r da s 公司、德国h k s 公司和日 本t a k e d a 公司生产的摆动液压缸【l 卜1 2 】。从目前掌握的资料来看，该产品的专利 和生产技术基本被国外公司所掌握，其中德国的h k s 公司通过与多特蒙德技术 大学的技术合作，产品的可靠性得到了很好的保证。 由于摆动液压缸具有体积小、回转精度高等显著特点，国内外学者在摆动液 压缸很多方面都做过相关研究。 李利君【1 3 j 介绍了对中式摆动液压缸的作用及应用领域，根据阻力矩的性质 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 将摆动液压缸分成两类，探讨了阻力矩恒定情况下机构的优化设计问题，建立了 对中式摆动液压缸机构的数学模型，并结合铰接式转向机构的设计方法，得到一 组优化公式，将它们应用于设计，达到优化设计的目的。 陈德刚【1 4 】介绍了宝钢用于s m s d 1 型飞剪的d z l 4 0 2 1 4 0 1 0 s o 型旋转油 缸损坏频繁，使用寿命低。总结了油缸主要破坏形式：油缸缓冲节流阀断裂、破 损；滚动体内外圈破裂，输出轴的轴承损坏；挡圈磨损严重，容易断裂；缸体内 表面拉伤，活塞头部破损等。针对影响油缸寿命的原因，提出了相应的对策，并 指出要消除油缸的薄弱环节，需设计出新型的旋转油缸。 石延平【l 孓1 6 】等人提出了螺旋回转变幅机构的摆动液压缸设计思想，国内其它 类似于“摆动液压缸 的构思都只做了理论性的描述，并没有具体实际的设计， 国内目前也没有设计和生产摆动液压缸类似产品的制造商。可以说，旋转角度超 过3 6 0 度的摆动液压缸的研究在我国还处于空白阶段。 m u t o ，t 【1 7 】介绍了一种采用脉冲宽度调节摆动液压缸的数字化控制系统，该 系统有两个三路电磁阀，通过电磁阀将信号转换为液压脉冲，进而实现对液压缸 的准确控制，并通过仿真分析控制系统，最后，采用实验验证的方法，得到控制 系统具有良好的动态特性。 m i k i ，m 【1 8 】介绍了最新研制的摆动液压缸的特点和性能，具有体积小、重量 轻、无粘滑、稳定性好等特点，比普通的液压缸的性能更加优越。摆动液压缸具 有良好的伺服系统，在使用过程中能精准控制。作为执行机构，广泛应用于驾驶 设备、工作环境恶劣的机器设备、室外施工机械、装载机械、高空作业及机器人 世 号手o s i n d r e y , r 【1 9 】介绍了微型摆动液压缸的潜在价值，包括高刚度、高位置精度 以及良好的机械性能。通过调研发现由于目前大部分设备采用先进的智能材料制 备、半导体芯片技术以及高效的计算机处理能力，摆动液压缸现在向微型化发展。 但由于现有的比例阀和位置控制无法满足要求，直径1 0 m m 以下的液压缸没有研 究过。本文提出了基于模型的非线性控制，采用两节4 m m 钻孔直径气瓶，通过 阀门协调方案等效比例阀门，定位精度达n 士o 0 7 ，并借助实验测试得到结果的 可靠性。 y eq i a n l 2 0 】根据偏心载荷对摆动液压缸动态特性的影响，提出了采用转轴连 接圆筒的两个工作室以提高速度的稳定性的方案，建立考虑了连接孔影响的数学 模型，运用遗传算法优化了连接孔的参数，得到稳定性指数口，并通过实验方法 对其进行验证，通过仿真与实验结果表明，该方法能有效的解决摆动液压缸速度 不稳定的缺陷。 y u m i k i l 2 1 】发明了一种分离和连接摆动液压缸的方法。这种液压缸中有个间隙 中南大学硕士学位论文第一章绪论 是由轴表面末端和推力盘形成的，在这个间隙中插入一个强度较高的对立装置。 在这种状态下，分离和连接摆动液压缸的所需的力不会传到推力盘和轴表面末端 上。 p h i l i pd a n 2 2 发明了一种利用摆动液压缸作为自锁装置的工具，提出了将液 压缸作为一种机器工具的设想，该自锁装置在设备损失液动或气动的条件下，自 动进行检测，并通过液压缸的作用锁住机床上的工件，防止工件的伸缩造成影响， 同时还可以提供安全保护和互锁功能。 t o s h i h i k o 2 3 】发明了一种利用摆动液压缸对谷物进行分离的设备。该设备在圆 筒里固定有栅格，给料机将谷物和杂质送入，通过在水平方向安装一组摆动液压 缸，对谷物和杂质进行筛分，完成谷物的分离。 综合以上关于摆动液压缸的研究及应用可知：国内对摆动液压缸的研究还非 常的少；国外对摆动液压缸也仅仅是在局部做了一些研究。国内外尚未有公开发 表的对摆动液压缸总体介绍、设计方面的文献资料。 1 3 论文研究内容和意义 由于摆动液压缸具有结构简单、整体结构尺寸小、输出扭矩大、旋转角度可 以达到3 6 0 。且旋转速度易控制、容易实现正反转且正反转输出扭矩大小一致等 显著的优点，而且运用的范围非常宽广，但核心技术均被国外厂商所掌握，为了 打破技术壁垒，因此对摆动液压缸的研究势在必行。本文通过虚拟样机技术 ( v i m i a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y ) 1 2 4 。3 1 】和实验，主要从以下几个方面对摆动液压缸进 行研究： ( 1 ) 通过n x7 5 建立起摆动液压缸的3 d 数字模型，根据摆动液压缸的核 心部件两级渐开线螺旋副的研究：同样螺旋角工况下，输入压力尸和输出扭矩丁 的关系；同样输入压力尸工况下，螺旋角夕与输出扭矩丁的关系。 ( 2 ) 对摆动液压缸关键零部件进行受力分析，运用n xn a s t r a n 对摆动液压 缸的两级渐开线螺旋副做了两类f e a 分析：采用线性静力学分析类型，对摆动 液压缸两级渐开线螺旋副做了整体结构有限元分析；采用非线性面面接触分析 类型，对摆动液压缸的两对螺旋副做了接触分析。 ( 3 ) 通过n x7 5 工具p t s ( p r o d u c tt e m p l a t es t u d i o ) ，对摆动液压缸进行 系列化设计； ( 4 ) 对摆动液压缸低转速下的正反转输出扭矩r 与系统液压力尸进行实验 研究。 6 中南大学硕士学位论文第二章摆动液压缸参数化模型及动力学( m b d ) 分析 第二章摆动液压缸参数化模型及动力学( m b d ) 分析 2 1 摆动液压缸的组成及工作原理 本文研究的摆动液压缸输出端旋转角度为3 6 0 。，主要由输出右旋齿轮轴、 密封端盖、止推滚针轴承、活塞齿轮轴、油缸缸体、内左旋齿轮、尾部端盖组成。 其中活塞齿轮轴由一个内右旋齿轮和一个外左旋空心齿轮轴刚性连接而成，故其 内右旋齿轮与输出右旋齿轮轴组成一组渐开线螺旋副，其外左旋空心齿轮轴与内 左旋齿轮组成另一组渐开线螺旋副。通过这两级螺旋副，将液压力转换成扭矩输 出，调整p 1 口和p 2 口得压差，即可实现输出右旋齿轮轴正、反转运动。摆动 液压缸整体结构如图2 1 所示t 1 输出右旋齿轮轴2 密封端盖3 止推滚针轴承4 活塞齿轮轴 5 油缸缸体6 内左旋齿轮7 内六角螺栓8 尾郝端盖 图2 - 1 摆动液压缸整体结构示意图 在摆动液压缸缸体内部，活塞齿轮轴和其外部安装的密封环将油缸缸体分割 成前后两个独立的腔室，该两腔室分别与进油p 1 、p 2 口连接。当p l 口为进油 口，p 2 口为出油口的时候，左腔室的压力大于右腔室压力，活塞齿轮轴将在液 压力的作用下从左向右运动，由于其外左旋螺纹副的作用，活塞齿轮轴还产生逆 时针旋转运动( 从左向右看) 。而此时活塞齿轮轴与输出右旋齿轮轴组成的右旋 螺旋副，将使输出右旋齿轮轴也产生逆时针旋转运动( 从左向右看) ，通过两级 螺旋副的放大作用，只要较小的工作行程，就可以得到较大的输出旋转角度，因 而整个油缸尺寸非常紧凑。反之，当摆动液压缸右腔室的压力大于左腔室压力时， 7 中南大学硕士学位论文第二章摆动液压缸参数化模型及动力学( m b d ) 分析 将产生反向旋转。由于在液压力在左右腔室作用的投影面积大小一样，因而左、 右室压差绝对值一样的情况下，油缸输出的正反转扭矩将大小一致【3 2 】。 活塞齿轮轴在液压力作用下做直线旋转运动的时候，将产生很大的轴向力、 径向力和周向力，其传递给内左旋齿轮的轴向力通过与油缸缸体和尾部端盖的轴 向连接，转变成系统内力；周向力则由其两端冠状齿圈分别传递给油缸缸体与尾 部端盖，转变成系统内力；径向力则使内左旋齿轮产生周向应力，由其本身的结 构强度保证。活塞齿轮轴传递给输出右旋齿轮轴的轴向力通过止推滚针轴承传递 密封端盖和油缸缸体，转变成系统内力；径向力则使右旋齿轮轴产生径向压应力， 由其本身的结构强度保证；周向力则产生输出扭矩，因此，周向分力与输出扭矩 存在正比关系。 当油缸缸体输出端的法兰与机械设备连接好以后，如输出右旋齿轮轴上的键 没有与机械设备要求的角度一致时，松开尾部端盖与油缸缸体的连接螺栓，拔出 尾部端盖少许，顺时针调整( 从左向右看) 输出右旋齿轮轴，使轴向的键与被连 接件要求角度一致，如角度错位了，则需再次顺时针( 从左向右看) 调整，以确 保活塞齿轮轴处在初始位置。 2 2 摆动液压缸参数化模型的建立 根据客户的要求，摆动液压缸的主要技术参数要求见表2 1 。 表2 1 摆动液压缸的主要技术参数要求 主要技术参数参数值 最大输入压强p 最大输出扭矩， 输出右旋齿轮轴齿项圆直径盔1 活塞齿轮轴外左旋空心齿轮轴齿顶圆直径d 之 活塞齿轮轴直径d 输出右旋齿轮轴输出旋转角度口 2 1 肝a 3 4 0 n m 3 2 5 n 4 9 r a m 5 0 r a m 3 6 0 。 分析了摆动液压缸工作原理以后，即开始分析各个参数。摆动液压缸传动部 件为两级螺旋副，为了提高传动效率，采用多头结构设计。螺旋传动有多种牙型， 其主要牙型有梯形结构、锯齿形结构和矩形结构。而渐开线结构的螺旋传动几乎 在国内查不到相关文献，但其与渐开线花键有相似的特点，而渐开线花键结构由 于采用齿形定位，具备自动定心作用，其2 n - r 方式与齿轮加工方式一样，因此也 得到了广泛的运用，尤其在磨合平稳以后，各齿传递的力几乎可以做到相等，因 此传动平稳，在精密的传动中，均采用渐开线齿形花键。本文研究的即为采用渐 开线齿形的螺旋传动副。 8 中南大学硕士学位论文第二章摆动液压缸参数化模型及动力学( m b d ，) 分析 在此次研究中，重点研究两级渐开线螺旋副。螺旋齿轮的关键参数有齿数z 、 法向压力角口n 、法向模数m n 、螺旋角夕，齿轮厚度( 齿轮轴长度) b 、法向齿 距m 、法向齿顶高系数h 锄、法向齿顶顶隙系数和法向变位系数。其他所 有端面系数均可以从法向系数得到，因此此处不再列出端面参数。在机械设计过 程中，标准化设计是非常重要的一个环节，创新也必须基于继承的基础上，只有 这样，才能做到低成本和高收益，因此在本次设计中，均选取标准参数，根据表 1 提供的条件，外齿的齿顶圆直径磊均已经确定，因此调整法向模数m n 、螺旋 角夕和法向变位系数即可得到指定的齿顶圆直径磊。在本次研究中，首先假 定法向变位系数珩0 ，不考虑齿轮变位，法向齿顶高系数h a n 。= 1 ，法向齿顶顶隙 系数c n = 0 2 5 ，法向压力角a n l = 2 0 。 3 3 训。 剩余法向模数m n 和螺旋角夕为设计参数，即为本次研究的关键参数，通过 调整两参数来改变零部件的结构强度和结构刚度，使零部件的结构强度和结构刚 度达到设计要求，并使整个系统的传递效率最优化。 先预设活塞齿轮轴组成部分内右旋齿轮与输出右旋齿轮轴组成螺旋副的齿 轮法向模数m n l = l m m ，螺旋角夕l = - 4 5 。，输出右旋齿轮轴齿顶圆直径 d 。1 = 3 2 5 m m ，法向压力角口n 1 = 2 0 。，不考虑齿轮变位，右旋；由于活塞齿轮轴 组成部分内右旋齿轮与输出右旋齿轮轴匹配，因此活塞齿轮轴组成部分内右旋齿 轮的齿轮部分的参数与输出右旋齿轮的齿轮参数一致。 再预设活塞齿轮轴组成部分外左旋空心齿轮轴与内左旋齿轮组成螺旋副的 齿轮法向模数m r a = l m m ，螺旋角夕2 = 4 5 。，活塞齿轮轴外左旋空心齿轮轴齿顶 圆直径d a 2 = 4 9 m m ，法向压力角口n l = 2 0 。，不考虑齿轮变位，左旋；由于活塞齿 轮轴组成部分外左旋空心齿轮轴与内左旋齿轮匹配，因此活塞齿轮轴组成部分外 左旋空心齿轮轴的齿轮部分的参数与内左旋齿轮的齿轮参数一致。 根据斜齿轮各参数间的关系方程： t a l l = t a n x 。c o s p ( 2 - 1 ) 式中：口。斜齿轮法向压力角 斜齿轮螺旋角 斜齿轮端面压力角 t a n 岛= t a n f l c o s 口r ( 2 - 2 ) 式中：尻斜齿轮基圆柱螺旋角 p 2 万m n 式中：p 。斜齿轮法向齿距 聊。斜齿轮法向模数 所f = 聊刀c o s p 9 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 中南大学硕士学位论文 第二章摆动液压缸参数化模型及动力学( m b d ) 分析 式中：m 斜齿轮端面模数 p f = 万= p 。c o s 式中：p t 斜齿轮端面齿距 d = z m f = z m 。c o s 式中：d 斜齿轮分度圆直径 z 斜齿轮齿数 d b5 d c o s 口f 式中：巩斜齿轮基圆直径 t = x 。c o s 式中：x t 斜齿轮端面变位系数 x 。斜齿轮法向变位系数 h 。= 聊。( 砝+ x n ) 式中：h 。斜齿轮齿顶高 砣斜齿轮法向齿顶高系数 ，= m 。( 咒+ c ：一x 。) 式中：办，斜齿轮齿根高 c ：斜齿轮法向顶隙系数 d o = d + 2 h 。 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 式中：d 。斜齿轮齿顶圆直径 d = d - 2 h ( 2 - 1 2 ) 式中：d ，斜齿轮齿根圆直径 j f = 2 + 2 x f l n n c r f ) m r ( 2 - 1 3 ) 式中：只斜齿轮端面齿厚 根据以上公式计算并圆整，输出右旋齿轮轴齿轮参数、活塞齿轮轴齿轮参数 和内左旋齿轮齿轮参数如表2 2 所示： 表2 2 摆动液压缸两级渐开线螺旋副技术参数 技术参数参数值 输出右旋齿轮轴齿顶圆直径盔- 输出右旋齿轮轴分度圆直径d 输出右旋齿轮轴齿数历 输出右旋齿轮轴模数皿 输出右旋齿轮轴法向变位系数知 输出右旋齿轮轴法向压力角口 输出右旋齿轮轴螺旋角夕。 输出右旋齿轮轴长度易 活塞齿轮轴外左旋空心齿轮轴齿顶圆直径如 1 0 4 m m o 珊m 5 5 5 m m 蛐嘶2 哦 o 。r 垦呱 3 3 2 l o 2 4 9 4 中南大学硕士学位论文 第二章摆动液压缸参数化模型及动力学( m b d ) 分析 活塞齿轮轴外左旋空心齿轮轴分度圆直径区 活塞齿轮轴外左旋空心齿轮轴齿数忍 活塞齿轮轴外左旋空心齿轮轴模数恐 活塞齿轮轴外左旋空心齿轮轴法向变位系数尬 活塞齿轮轴外左旋空心齿轮轴螺旋角夕z 活塞齿轮轴外左旋空心齿轮轴法向压力角口z 活塞齿轮轴外左旋空心齿轮轴长度易 活塞齿轮轴内右旋齿轮外圆直径盔 活塞齿轮轴内右旋齿轮长度届 内左旋齿轮外圆直径盔 内左旋齿轮长度及 4 7 r a m 3 5 l m m 0 4 1 。5 2 0 6 ” 2 0 。 9 2 r a m 5 0 r a m 3 l m m 6 0 r a m 1 5 r a m 2 2 1n x7 5m o d e l i n g 对摆动液压缸三维实体建模 进入s i e m e n sp l m 工业软件n x7 5m o d e l i n g 模块，建立摆动液压缸各个部 件的p a r t 【3 5 6 1 。n x7 5m o d e l i n g 提供强大的参数化和非参数化建模能力，由于 本次设计存在参数调整，因此整个设计采用参数化设计【3 7 。3 引。这里仅仅对斜齿轮 设计进行描述，首先根据表2 - 2 在n x7 5m o d e l i n g 参数表中建立各个参数。 依据渐开线方程： 式中：x n 渐开线x 坐标 y f l 渐开线y 坐标 呢渐开线生成基圆半径 以渐开线生成展角 进入草图模式，根据齿数，建立镜像渐开线，建立出第一个齿形，然后根据 螺旋线方程： t 2 = r b c o s ( t 0 ) y r 2 = r b s i n ( r 口) ( 2 - 1 5 ) 刁2 = r r b o t a n 孱 式中：x t 2 螺旋线x 坐标 y ，2 螺旋线y 坐标 乙2 螺旋线2 坐标 p 螺旋线端面旋转角，其值正负号控制螺旋线左右旋方向 q 黧& 以吼幺 菪咖 = = h 中南大学硕士学位论文第二章摆动液压缸参数化模型及动力学( m b d ) 分析 r 嘲7 5 内建参数，值在 0 ，1 之间连续变化 打开扫描对话框，选择齿形线为扫描断面曲线，选择螺旋线为扫描路径，调 整扫描方向为始终垂直于齿轮端面，第一个齿即形成，采取布尔运算，与齿轮圆 柱进行求差运算，即在齿轮圆柱上形成了第一个齿。进入环形阵列对话框，选择 第一个齿为阵列特征，输入阵列数列和阵列间隔角度，斜齿轮即可以生成。下图 2 2 即为摆动液压缸关键零部件三维模型： ( b ) 中南大学硕士学位论文第二章摆动液压缸参数化模型及动力学( m b d ) 分析 2 2 2n x7 5m o d e l i n g 摆动液压缸三维模型装配过程 设计出各个零件三维实体模型后，计算机虚拟装配就是模仿产品的实际装配 过程，在这个过程中，也可以进行人工检查零部件之间的干涉情况。n x7 5 m o d e l i n g 提供了强大的装配工具菜单，能够满足各种工程工况需求的装配要求。 摆动液压缸各部件采取配合定位进行装配，各零部件装配配合约束应与实际 装配过程一致，确保零件应有