（机械设计及理论专业论文）行星分度凸轮机构的创新设计与研究.pdf

摘要 凸轮型间歇机构具有结构简单，能自动定位，动静比可任意选择的特点，更 适用于要求高速、高分度精度的场合，因而成为现代间歇机构发展的主要方向。 但由于结构上的限制，现有分度凸轮机构的主要问题之一是难以用紧凑的结构实 现大分度数。 本文首次提出了行星分度凸轮机构的型结构和型结构，新机构具有结构 简单、体积小、分度数大及承载能力大等特点，且不需要输出机构，因而具有广 阔的应用前景。 首先，本文根据共轭齿廓形成原理推导了行星分度凸轮机构型结构和型 结构凸轮廓线的方程，利用m a t l a b 软件对两种结构的传动过程进行了计算机仿 真，讨论了型结构凸轮廓线的性质以及机构的主要设计参数的选取原则，此外， 还对小分度数的型结构做了探讨，总结出了行星分度凸轮机构的创新思路。 其次，本文对行星分度凸轮机构m 型结构和型结构的结构设计进行了研 究，分析了型结构的正反转问题及克服型结构和型结构死点位置的方法， 并从分度方式、克服死点位置的方法及凸轮一针轮副的啮合情况等方面，分析了 型结构和型结构的区别。此外，还讨论了针齿销的支承结构。 此外，本文针对行星分度凸轮机构型结构凸轮一针轮副的受力这一过约束 问题，建立了变形协调条件，计算了机构单环和双环结构的压力角，并给出了凸 轮与针齿之间作用力的计算方法，并对凸轮与针齿啮合齿面的接触强度及针齿销 的弯曲强度进行了计算，同时，不考虑加工误差产生的间隙，分析了因针齿受力 方向的不同而产生的啮合间隙问题。 本文还采用微分法计算行星分度凸轮机构凸轮一针轮副的输出转角误差与构 件几何尺寸误差之间的关系，推导出了行星分度凸轮机构凸轮一针轮副输出转角 误差通用计算公式，并据此求出了i 型结构和型结构各几何参数的误差影响系 数，以i 型结构为例进行了具体分析。 最后，本文对双环式行星分度凸轮机构实验样机进行研制，所有零件均为全 新设计，样机的试运行成功证明了新机构运动的可行性。还对样机安装平衡配重 前后的振动信号和噪声信号进行了分析，验证了平衡对于机构减振和降噪是必要 的。 关键词：间歇机构，分度凸轮机构，环板式传动，机构创新 a b s t r a c t t h ei n d e x i n gc a m m e c h a n i s m sa l em o r es u i t a b l et ot h ew o r kc o n d i t i o n sw h e r eh i g h s p e e da n da c c u r a t eo u t p u tp r e c i s i o na r en e e d e d , a n dh a v eb e c o m et h ed e v e l o p i n g d i r e c t i o no fm o d e r ni n t e r m i t t e n tm e c h a n i s m sd u et ot h e i ra d v a n t a g e so fs i m p l e s t r u c t u r e ，a u t o m a t i cp o s i t i o n i n gc o m p a r e dw i t ho t h e ri n t e r m i t t e n tm e c h a n i s m s h o w e v e r , e x i s t i n gi n d e x i n gc a mm e c h a n i s m sc a l l tr e a l i z el a r g ei n d e xn u m b e rb y u s i n gc o m p a c ts t r u c t u r eb e c a u s eo f t h e i rs t r u c t u r el i m i t a t i o n t w os u b c r i r e s ( t y p e a n dt y p e1 v 、o f p l a n e t a r yi n d e x i n gc 黜m e c h a n i s ma r e p r e s e n t e x l i nt h i sd i s s e r t a t i o n n e w $ t r u c t u r e sy i e l ds e v e r a la d v a n t a g e s ，i n c l u d i n g s i m p l es t r u c t u r e ，s m a l l e rv o l u m e ，l a r g ei n d e x i n gn u m b e r , s t r o n gc a r r y i n gc a p a c i t ya n d h a v i n gn oo m p u tm e c h a n i s m , 8 0 t h e i ra p p l i c a f i o np r o s p e c ti se x t e n s i v e i nt h i sd i s s e r t a t i o n , f i r s t l y , b a s e do nt h ef o r m i n gp r i n c i p l eo fc o n j u g a t et o o t h o o l l t o r r , t h ee q u a t i o n so ft h et w os t n l c t i f f e s c r i b p i t c hc u r v ea r cd e r i v e d t h e a n i m a t i o no ft h em e c h a n i s mi sa l s od e s c r i b e du s i n gm 砒l a bs o t t w a r e t h ep r o p e r t yo f t h ec a mc u r v ea n dt h ed e s i g np a r a m e t e r sa r ed i s c u s s e d t y p ei vo fs m a l li n d e x i n g n u m b e ra r ea l s os t u d i e d , a n dt h ec r e a t i v em e t h o di ss u m m a r i z e d s e c o n d l y , t h es t r u c t u r ed e s i g no ft y p e1 i ia n dt y p e i ss t u d i e d t h er o t a t i o n d i r e c t i o na n dt h em e t h o dt h a tc o n f i r m sd e a dp o i n tu s i n gt h r e e - r i n gs t r u c t u r eo r a s y m m e t r i ct w o - r i n gs t r u c t u r ea 地a n a l y z e d t h ed i s c r i m i n a t i o no ft y p em a n dt y p e i sd e s c r i b e dt h r o u g hi n d e x i n gm o d e ，t h em e t h o dt oc o n f md e a dp o na n dt h e m e s h i n go ft h ec 眦a n dt h ep i ng e a r t h es u p p o r t i n gs i n l c 血】o ft h ep i ni sa l s o d i s c u s s e d t h i r d l y , t h es t r e s sb e t w e e nt h ec a l na n dt h ep i ng e a ri so v e rc o n s t r a i n tp r o b l e m , a i m i n ga tw h i c ht h ed e f o r m a t i o nc o m p a t i b i l i t yc o n d i t i o ni se s t a b l i s h e d t h ep r e s s u r e a n g l e so fo n e r i n ga n dt w o - r i n gs t r u c t u r ea r ec a l c u l a t e d t h ea c t i n gf o r c ea n dt h e c o n t a c ts t r e n g t hb e t w e e nt h ec a ma n dt h er o l l e r sa n dt h ef l e x u r a ls t r e n g t ha 糟 c a l c u l a t e d t h e r e f o r e ，w i t h o mr e g a r df o r t h em i s m a t c h i n gt o l e r a n c et h em e s h i n gg a p c a u s e db yt h ed i f f e r e n c eo fs t r e s sd i r e c t i o ni sa n a l y z e d f o u r t h l y , d i f f e r e n t i a lm e t h o di su s e dt oc a l c u l a t et h eo u t p u te r r o ro fp l a n e t a r y i n d e x i n gc a i nm e c h a n i s m , a n dt h eg e n e r a le q u a t i o ni sa l s od e r i v e d ，a c c o r d i n gw h i c h t h ei n f l u e n c eo f p a r a m e t e r so no u t p u te r r o ri sa n a l y z e d f i n a l l y , t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r i n go fap r o t o t y p en a m e dt w o r i n gp l a n e t a r y i n d e x i n gc a mm e c h a n i s mi sp e r f o r m e d a l lt h ep a r t sa r en e w l yd e s i g n e d t h e p e r f o r m a n c eo ft h ep r o t o t y p ei n d i c a t e st h a tt h en e wm e c h a n i s mi sf e a s i b l e t h e v i b r a t i o na n dn o i s eo ft h ep r o t o t y p ea r em e a s u r e da n da n a l y z e dw h e nt h eb a l a n c e w e i g h ti sm o u n t e do rn o t t h ee x p e r i m e n tr e s u l tp r o v e st h a tb a l a n c ei sn e c e s s a r yt o n o i s ea n dv i b r a t i o nr e d u c t i o n k e y w o r d s ：i n t e r m i t t e n tm e c h a n i s m , i n d e x i n gc a l nm e c h a n i s m ，r i n g - p l a t e t r a n s m i s s i o n , m e c h a n i s mc r e a t i v ed e s i g n 1 1 1 独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨垄盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：参1 峭涛签字日期：2 佃s 年1 月i 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 剀明清 签字日期：抛j 年1 月i o 日 导师签名： 多隆莽 签字日期易扣移耷7 月，驴日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着当前机械产品向自动化方向的发展，各种各样的自动机械在机械产品中 的地位日益显著。由于生产工艺的要求，往往需要机构来实现周期性的转位、分 度动作，实现这种运动的机构称为间歇机构。它可以将连续运动转化为间歇移动 或转动，从而使系统能在停歇段完成预定的工艺动作。自动机械向高速化、精密 化、轻量化的方向发展，对间歇机构运动学与动力学性能的要求越来越高。 常用的间歇机构主要包括棘轮机构、槽轮机构、针轮机构、不完全齿轮机构 及各种凸轮型间歇机构，其中前四种间歇机构运动不够稳定，高速时有较大冲击， 只适用于低速、轻载的场合。凸轮型间歇机构结构简单，能自动定位，动静比可 任意选择，与传统的几种间歇机构相比，更适用于要求高速、高分度精度的场合， 因而成为现代间歇机构发展的主要方向。 现有的分度凸轮机构包括三种类型，即平行分度凸轮机构、弧面分度凸轮机 构和圆柱分度凸轮机构。外啮合平行分度凸轮机构受结构上的限制，其分度数难 以超过8 1 2 。弧面分度凸轮机构采用空间凸轮，加之需使用专用设备加工，因 而制造成本较高：而且由于结构上的限制，其分度数一般不超过1 2 。圆柱分度 凸轮机构可实现的分度数虽然较大，但分度数大时从动盘转动惯量大，不宜用于 高速运转，因而该类机构的应用范围仍受到一定的限制。现有分度凸轮机构的主 要问题之一是难以用紧凑的结构实现大分度数。 天津大学的张策、杨玉虎等【l 】从摆线针轮行星传动的原理中得到启发，首次 提出了行星分度凸轮机构这一创新设计构想，并一直在进行研究，取得了一些研 究成果，本论文研究工作正是据此展开的。 一 本章将对凸轮型间歇机构的发展概况、本文所采用的相关研究方法等问题进 行综述。最后，将给出本文的主要研究内容。 1 2 凸轮型间歇机构的发展概况 凸轮型间歇机构具有结构简单、可自动定位、动静比可任意选择的特点，因 而成为现代间歇机构发展的主要方向。凸轮型间歇机构的工业生产和应用已有五 天津大学博士学位论文 十多年的历史。目前，得到广泛应用的凸轮型间歇机构有三种类型，即平行分度 凸轮机构、弧面分度凸轮机构和圆柱分度凸轮机构，如图1 1 所示。 a 平行分度凸轮机构b 弧面分度凸轮机构c 圆柱分度凸轮机构 图1 - 1 分度凸轮机构的基本类型 1 平行分度凸轮机构 平行分度凸轮机构( p a r a l l e li n d e x i n gd r i v e r s ) 最早诞生于美国，1 9 6 1 年美 国第一次公布了外接式平行分度凸轮机构的专利，随后由美国的商业凸轮制造公 司( c a m c o ) 和菲固索公司( f e g u s o nm a c h i n ec o ) 试制。我国从上世纪8 0 年 代开始研制，并在各种自动机械中得到了广泛应用 9 2 1 。 该机构中的凸轮为平板型，用于两平行轴之间的传动，在分度数、中心距等 相同的条件下，可以完全代替槽轮、不完全齿轮等传统间歇机构，而且运动性能 好、高速运转振动与噪声小。平行分度凸轮机构可以施加一定的预载，以消除凸 轮与从动滚子之间的间隙。 该机构有外接式、内接式和直线式三种结构，常用的外接式平行分度凸轮机 构只能用于分度数小于8 的场合，在分度数大于8 的场合需采用内接式平行分度 凸轮机构【2 】。 辩猡 a 外接式b 赢线式c 内接式 图1 2 平行分度凸轮的三种结构形式 2 第一章绪论 由于平行分度凸轮机构能够实现小分度( 一分度、二分度) ，大步距输出， 特别适合于要求在一个周期内停歇次数较少的场合，如各种纸盒模切机、果冻罐 装成形机，因而在印刷、包装机械中应用较广。北京人民印刷集团，上海亚华、 日本s a n w a 等印刷机械公司的全自动模切机均采用三片式一分度平行分度凸 轮机构；对开双色胶印机，香皂、透明皂冷冻打印机，陶瓷翻坯机等采用二分度 平行分度凸轮机构。 平行分度凸轮机构在小分度数场合应用比较广泛，目前对其研究主要集中在 几何学与参数优化设计等方面【雏轧1 1 1 5 】，有关其他方面研究公开发表的文献 较少。 2 弧面分度凸轮机构 弧面分度凸轮机构是二十世纪2 0 年代美国工程师c n n e k l u t i n 发明的，当 时n e l d u t i n 称此机构为滚子齿形凸轮分度机构( r o l l e rg e a rd r i v e ) ，国外又有称 之为g l o b o i d a li n d e x i n gc a mm e c h a n i s m 。我国于1 9 8 8 年将其正式命名为弧面分 度凸轮机构。二十世纪5 0 年代该机构由c n n e k l u t i n 所创办的f e r g u s o n 公司首 先进行了标准化系列化生产。之后，英国、德国、苏联等国也相继进行了研制。 日本从二十世纪七十年代初开始研究，目前在品种和分度精度上已处于领先位 置。我国从二十世纪七十年代末对该机构也开始了研制工作，天津大学、合肥工 业大学、大连轻工业学院、陕西科技大学、山东诸城锻压机床厂等院校和厂家在 弧面分度凸轮机构的理论研究、设计制造等方面做了大量的工作。弧面分度凸轮 机构从5 0 年代开始投产以来，经过不断改进，已成为应用最广泛、产量最大的 凸轮分度机构产品【9 l 】。 弧面分度凸轮机构是空间凸轮机构的一种，输入轴和输出轴呈空间垂直交错 布置。它与平行分度凸轮机构一样，可以通过预载消除啮合间隙，适用于高速、 重载、高精度的场合，是目前工作性能最好的一种间歇机构。由于采用空间凸轮， 加工较难，需用专用设备加工，所以制造成本较高。弧面分度凸轮机构的分度数 一般在2 1 2 之间选择【2 】，目前也有工厂用多头弧面分度凸轮机构实现大分度数， 但未查到相关文献资料。 弧面分度凸轮机构目前主要应用于以下一些工业领域：c m c o 型取置器、 f e r g u s o n 型取置器、加工中心换刀机构以及需要精确定位的装配线、检测线等， 如：高速自动包装机、印刷机械、火柴设备及制灯设备的自动生产线；重工业中 的自动机、高速自动生产线；军工行业、机器人行业等。近几年，进一步扩展到 电子加工行业、电光源制作行业、压力加工领域和医疗器械中的高精度机械手等 行业。 天津大学博士学位论文 a 转位工作台b 直线送料机构 图1 - 3 弧面分度凸轮机构的应用实例 因其良好的工作性能，近年来国内外对弧面分度凸轮的研究日趋深入，各国 学者主要从几何学、运动学、结构设计及加工检测等方面进行了探讨和研究。英 国的c j b a c h k h o u s e l 3 , 4 1 首次采用微分几何与包络原理方法对其几何学进行了深 入研究。颜洪森等 基于微分几何、空间机构的啮合理论，推导了与圆柱滚予、 圆锥滚予及双曲面滚子啮合传动的弧面凸轮的通用曲面方程，研究了凸轮廓面的 几何性质；d m t s a y s , 9 】提出了在弧面分度凸轮的设计中，要考虑间隙及预紧力 等因素的影响，并对b 样条曲线在凸轮设计中的应用进行了深入的研究。梁锦 华【lo j 和石则昌i l l l 曾对弧面分度凸轮机构的预紧与干涉以及凸轮的修形在理论上 进行了探讨。针对圆柱滚子弧面分度凸轮机构磨损不均匀的缺点，文献 1 2 1 4 1 提出了点啮合弧面分度凸轮机构的设想。天津大学杨玉虎等对弧面分度凸轮机构 的研究也比较深入，在参数设计1 1 6 】、精度分析 3 6 1 以及动力学理论与实验研究1 1 4 1 上做了大量工作。 3 圆柱分度凸轮机构 圆柱分度凸轮机构的输入轴和输出轴也呈空间垂直交错布置，从动滚子轴线 与输出轴轴线平行。该机构分度盘上布置的滚子数较多，适用于要求分度数较多 的场合( 6 6 0 分度) 。滚子表面一般为圆柱形，为了使滚子的接触表面磨损均 匀，并且便于调整滚子与凸轮槽两侧面的间隙，也可采用圆锥形滚子。但当分度 数增大时，分度盘转动惯量较大，机构中滚予与凸轮轮廓间的间隙较难补偿，容 易产生横越冲击，刚度和啮合性能均不及弧面分度凸轮机构。 圆柱分度凸轮机构能够实现大分度输出，特别适合于中、低速情况下要求在 一个周期内停歇次数较多的场合，如灯泡机械、烟草机械和大输液罐装机械【1 5 】。 4 第一章绪论 a 钻孔攻丝机转位机构 b3 6 位高压钠灯排气机 图1 _ 4 圆柱分度凸轮机构的应用 1 3 几种新型分度凸轮机构 1 球面分度凸轮机构 球面分度凸轮机构是一种空间分度凸轮机构，其设计思想与圆柱分度凸轮机 构相同。最早是由d i t t r i c h 1 6 1 于1 9 6 6 年提出，并给出了输入轴与输出轴垂直相交 的球面分度凸轮机构的综合方法。 g o n z a l e z - p a l a c i o s 和j a n g e l e s 7 】于1 9 9 0 年提出了输入、输出轴相交成任意 角度的球面分度凸轮机构，在文献 1 8 】中，他们进一步推导了含滚子的球面分度 凸轮机构凸轮轮廓的曲面方程，给出了几个摆动凸轮机构的设计实例和一个球面 空间分度凸轮机构的原型机。在文献 1 9 】中，他们提出了一种新的输入轴与输出 轴平行和相交的分度凸轮机构统一设计方法。在文献 2 0 】中，他们推导了按规定 传动比运动的两刚体接触面的方程，并建立了平面、球面及空间分度凸轮机构凸 轮轮廓的统一模型，并且分析了机构的压力角，同时给出了多个设计实例。 天津大学博士学位论文 图1 - 6 内凸轮内接式平行分度凸轮机构 3 包络蜗杆分度凸轮机构 借鉴了包络蜗轮蜗杆传动原理，陶学恒等同将弧面分度凸轮机构看成是变速 比的蜗轮蜗杆传动副，提出了一种新型的包络蜗杆分度凸轮机构的设计思想，把 成熟的齿轮传动技术引入到分度凸轮机构的设计和制造中。文献【2 3 】建立了平面 包络蜗杆分度凸轮机构共轭的基本方程。文献【2 4 】分析了圆柱面包络蜗杆分度凸 轮机构的啮合原理。文献 2 5 1 采用钢球代替滚子，提出了球面包络蜗杆分度凸轮 机构。文献【2 6 】提出了具有滚动齿的新型锥面包络蜗杆分度凸轮机构，推导了滚 6 第一章绪论 动齿廓面及凸轮廓面方程，给出了滚动齿的结构设计方案。文献 2 7 1 提出了一种 弧面球包络凸轮分度机构，推导了啮合方程和凸轮廓面方程，并研制出了样机， 该机构简化了凸轮分度机构的结构， 图l - 7 球面包络分度凸轮机构 4 对称内啮合平行分度凸轮机构 张玉华 2 8 1 提出了一种内啮合平行分度凸轮机构，并申报了国家发明专利 2 9 j 。 该机构的分度凸轮具有自共轭的凸轮齿，从而在分度期具有连续的工作表面，能 够提高机构的动态性能。文献 3 0 】开发了对称内啮合平行分度凸轮机构的设计与 运动仿真系统。 图1 - 8 对称式内啮合平行分度凸轮机构 5 行星分度凸轮机构 张策等【l 】从摆线针齿行星传动的原理得到启发，提出了行星分度凸轮机构这 一创新设计构想。文献【3 1 ，3 2 】沿着这一创新思路，提出了行星分度凸轮机构的 两种结构形式，并系统地对其结构学、运动学、几何学、静力学和平衡问题进行 了深入的研究。 7 天津大学博士学位论文 h b v 图1 - 9 摆线针轮行星传动简图 前述文献中提出的行星分度凸轮机构与摆线针轮传动的结构类似，只是把摆 线轮一针轮副换为凸轮一针轮副，机构的传动简图如图1 9 所示。在传动的过程中， 当输入轴h 等速回转时，行星轮g 随之回转，并在固定的中心轮b 的作用下绕 自身轴线反向转动，在这一转动中按一定的运动规律完成分度和停歇运动，采用 与摆线针轮传动中完全一样的输出机构w 将这一间歇转动引出到输出轴v 。 行星分度凸轮机构分为i 型和i i 型两种结构，如图1 1 0 所示。在i 型结构 中，行星轮为凸轮，是从动件，中心轮b 为针轮；而i i 型结构正好相反，行星轮 为针轮，是从动件，中心轮为凸轮。 a i 型结构bi i 型结构 图1 1 0 行星分度凸轮机构的两种结构 与已有的间歇机构比较，行星分度凸轮机构具有结构紧凑、分度数大( 可达 3 0 5 0 甚至更大) 、体积小、重量轻、同时啮合滚子数多、承载能力大的特点。 尤其是能以紧凑的结构实现大分度数的分度运动的优点，使它在要求大分度、大 承载、小体积的轻工自动机械中有潜在的应用前景。行星分度凸轮机构可以替代 8 一 一辑 l 能、， 第一章绪论 圆柱分度凸轮机构和内啮合平行分度凸轮机构，还可以在一定程度上替代外啮合 平行分度凸轮机构，有可能成为间歇分度和步进输送机构的新一代产品，具有广 阔的市场前景，能带来较大的经济效益。 1 4 本课题组已完成的工作总结 本课题是国家自然科学基金资助项目间歇机构创新行星分度凸轮机构 研究( 编号：5 0 1 7 5 0 7 7 ) ，王皓的博士论文【3 1 1 和本人的硕士论文口2 1 对行星分度 凸轮机构进行了研究，已经完成的工作有： 1 结构学 研究了行星分度凸轮机构i 型结构和型结构的传动原理和传动结构。 2 几何学 推导了i 型结构凸轮的廓线方程，研究了廓线的几何性质，并分析了机构的 设计参数对机构啮合过程的影响。 3 静力学 根据摆线针轮减速机的受力分析假设，对机构进行了受力分析。同时还对机 构的平衡问题进行了分析。 a 针齿与凸轮的啮合状态 图1 1 1i 型结构样机 b 整机外形图 4 研制了实验样机 以普通单级摆线针轮减速机为改装原型机，用自行设计制造的凸轮替换减速 机中原有的摆线轮，并进行相应的结构改造，制成行星分度凸轮机构i 型结构样 机，如图1 1 1 所示。 9 天津大学博士学位论文 虽然已经对行星分度凸轮机构i 型结构进行了较为深入的研究，其理论研究 尚有一些不完善之处，还需进行的研究工作有： 1 定位精度是间歇机构最重要的性能指标，对于行星分度凸轮机构的精度 分析工作还未进行。 2 已经完成的受力分析是根据摆线针轮减速机的受力分析假设进行的，而 且仅给出了分析的基本方法，其中尚存在需要改进和深入研究的地方。 3 己做工作中有需要修正的方法，如压力角的计算等。 4 行星分度凸轮机构作为一种全新的间歇机构，在样机设计、制造、试验 和今后的产品开发、推广过程中，更需要作大量的工作。 1 5 分度凸轮机构精度分析研究概况 对于任何一种机构的设计而言，精度研究是其中的一项重要内容，精度好坏 是决定机构性能好坏的一个重要指标。机构精确度的发展历史不长，关于机构运 动精度较为系统的分析与研究，可追朔到1 9 6 6 年h p 勃鲁也维奇等人的工作。 分析机构精度的方法很多，有微分法，转换机构法、作用线增量法等1 3 3 蚓 杨玉虎等较早对分度凸轮机构的传动精度和误差分析进行了系统的研究，在 文献【3 5 】提出用作用线增量法进行空间凸轮机构精确度分析的一般方法，并以弧 面分度凸轮机构为例进行了实例分析，在此基础上进一步提出确定该机构各构件 尺寸公差的基本方法。此外，还在文献【3 6 】中运用微分几何法对空间凸轮分度机 构进行了输出分度精度分析，利用工程概率优化方法对弧面凸轮机构进行了精度 设计。在文献 3 7 ，3 8 中，基于作用线增量法的基本原理，提出了误差分析的一 般数学模型，建立了适用于各类机构位置误差分析的传递矩阵。李为民等【3 9 】用概 率统计法推导了平行分度凸轮机构误差分析与综合的通用公式，给出了计算机构 各参数的误差影响系数的一般方法，并分析了机构各参数对输出精度的影响。杨 荚莲等 4 0 “”中建立了三种分度凸轮机构精度分析的统一随机模型，导出了通用 计算公式，并开发了分度凸轮机构精度分析与综合的通用软件。赵竹青等【4 2 】将各 种原始误差均视为随机变量，应用微小位移的线性迭加原理计算机构输出总误 差，并建立了机构运动精度可靠性分析模型。熊晓航等 4 3 1 采用作用线增量法，对 影响圆柱分度凸轮机构分度误差的各影响因素进行了分析求解，并进行了误差合 成。 l o 第一章绪论 1 6 少齿差行星齿轮传动受力分析研究概况 摆线针齿行星齿轮传动属于多齿啮合，目前较多采用的是文献 “】的受力分 析方法，将摆线轮及针齿壳看作刚体，且不考虑摩擦的影响。文献 4 5 】利用解析 法对三片摆线轮减速机的受力进行分析。文献 4 6 】以此为基础，建立了r v 减速 机摆线针轮传动副的动力学模型，文献 4 7 】考虑了摆线轮修形引起的初始间隙的 影响，建立了各接触齿的力分析模型。文献【4 8 】应用解析法计算了修形后的摆线 轮和针齿啮合的初始间隙，给出了二齿差针摆传动的有隙受力分析方法。 对于其他少齿差行星齿轮传动，根据机构传动的实际状况，目前分析一般均 注意到了机构的过约束特性，考虑了啮合间隙及轮齿的弹性变形，并应用有限元 分析方法，对机构的应力及变形进行了研究1 4 9 - 5 4 。 1 7 本论文的研究内容 本论文在文献 3 1 1 研究的基础上，对行星分度凸轮机构i 型结构的输出转角 误差问题进行了研究。同时，根据少齿差行星齿轮传动中的环板式传动原理，首 次提出了行星分度凸轮机构的i i i 型结构和型结构，对这两种结构的几何学、运 动学、静力学及精度问题进行了深入的理论研究，并对型结构进行了样机研制， 主要研究内容有： 第一章绪论 简述了间歇机构的发展概况，综述了本文所采用的相关研究方法，最后给出 了本文的主要研究内容。 第二章行星分度凸轮机构的传动原理和凸轮廓线设计 主要对行星分度凸轮机构型结构和型结构的凸轮廓线进行了研究，推导 了型结构和型结构凸轮廓线的方程，对机构的传动过程进行了计算机仿真， 并详细讨论了型结构凸轮廓线的性质以及机构的主要设计参数k 和丘的选取 原则，此外，还对小分度数的行星分度凸轮机构型结构做了探讨。最后，总结 出了行星分度凸轮机构的创新思路。 第三章行星分度凸轮机构的结构设计 本章对行星分度凸轮机构型结构和型结构的结构设计进行了研究，分析 了型结构的正反转问题及用三环式或不对称双环式克服型结构和型结构 死点位置的方法，并从分度方式、克服死点位置的方法及凸轮一针轮副的啮合情 况等方面，分析了型结构和型结构的区别。此外，本章还讨论了针齿销的支 天津大学博士学位论文 承结构。 第四章行星分度凸轮机构的受力分析与强度计算 本章针对行星分度凸轮机构型结构凸轮一针轮副的受力这一过约束问题， 建立了变形协调条件，计算了机构单环和双环结构的压力角，并给出了凸轮与针 齿之间作用力的计算方法，并对凸轮与针齿啮合齿面的接触强度及针齿销的弯曲 强度进行了计算，同时，不考虑加工误差产生的间隙，分析了因针齿受力方向的 不同而产生的啮合间隙问题。 第五章行星分度凸轮机构的输出转角误差分析 本章对行星分度凸轮机构的输出转角误差进行了分析，采用微分法计算该机 构凸轮一针轮副的输出转角误差与构件几何尺寸误差之间的关系，推导出了行星 分度凸轮机构凸轮一针轮副输出转角误差通用计算公式，并据此求出了i 型结构 和型结构各几何参数的误差影响系数，以i 型结构为例进行了具体分析。 第六章实验样机的研制 本章阐述了双环式行星分度凸轮机构实验样机的设计和制造过程，最后对样 机安装平衡配重前后的振动信号和噪声信号进行了分析。 第七章全文结论与展望 进行了全文总结，提出了本研究进一步工作的方向。 本论文的研究成果已经申请国家发明专利，申请号：2 0 0 4 1 0 0 2 0 2 1 6 0 ，目前 正处于公示阶段。 第二章行星分度凸轮机构的传动原理和凸轮廓线设计 第二章行星分度凸轮机构的传动原理和凸轮廓线设计 2 1引言 行星分度凸轮机构实质上是采用了行星传动结构的一种分度凸轮机构，其输 入和输出的关系与少齿差行星齿轮传动是相似的，只不过少齿差行星齿轮传动输 入与输出都是匀速转动，而行星分度凸轮机构则具有了凸轮分度机构的特点，即 输入是匀速运动，而输出则是变速运动，从动件的运动规律可以根据机构应用场 合的动力学要求而确定。文献【3 1 】所讨论的行星分度凸轮机构的i 型结构和i i 型 结构正是根据少齿差行星齿轮传动的一种摆线针轮行星传动的原理提出的。 本文根据少齿差行星齿轮传动的其它型式，又提出了两种行星分度凸轮机构，延 续原来的名称，称之为行星分度凸轮机构的型结构和型结构。这样，行星分 度凸轮机构就有了四种结构，为行星分度凸轮机构这样一种全新间歇机构的产品 开发、推广提供了更多的设计方案。 有关行星分度凸轮机构i 型结构和型结构的传动原理和凸轮廓线的设计， 文献 3 l ，3 2 】已经做了比较详细的研究，本章将对型结构和型结构凸轮廓线 的形成和性质做详细阐述。 在行星分度凸轮机构中，凸轮理论廓线有自相交现象，导致凸轮实际廓线不 再是单独由内等距或外等距曲线形成，而是由两者交替连接形成的。对于凸轮实 际廓线的形成，本章将采用布尔运算方法，对于凸轮实际廓线的尖点处，本章采 用h e r m i t e 曲线进行修缘，以避免凸轮轮齿在该点处易于磨损，这都与文献 3 1 】 中的方法相同，在此均不再详述。 型结构与型结构相比，可以实现整周式分度，即输入轴转一周，输出轴 分度停歇一次，详细内容见第三章分析。所以从应用角度考虑，应用前景更好一 些，本章将重点讨论型结构凸轮廓线的几何性质，随后将给出机构的主要设计 参数变位系数局和针齿系数恐的选取原则。 2 2 机构的设计参数 为了叙述方便，在此，将行星分度凸轮机构四种结构的基本设计参数统一规 定如下： 天津大学博士学位论文 1 针齿分布圆半径五： 针齿分布圆半径要根据机构的强度要求确定。 2 分度数一 分度数应根据机构应用场合的工艺要求确定。而机构的针齿数：等于分度 数，即 机构的分度角伪 2 x f = 一 托 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 3 变位系数蜀 针齿分布圆半径岛和分度数n 是机构的基本参数，为了建立偏心距e 与也、 以的关系，参照摆线针轮行星传动，i 型结构和i i 型结构定义了行星分度凸轮机 构的变位系数局，型结构和型结构也将沿用了这一定义。首先定义行星凸 轮的模数r n 为 埘：堡 n 定义凸轮理论廓线的变位系数为两倍偏心距与模数之比 尼。2 e e n m 足 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 以偏心距e 表示针轮与凸轮回转中心o b 和0 9 的距离，根据式( 2 - 4 ) ，在确定了 基本参数恐和n 之后，可根据下式计算偏心距e 4 针齿系数憨 e ：墨里 行 1 4 ( 2 5 ) 第二章行星分度凸轮机构的传动原理和凸轮廓线设计 在行星分度凸轮机构中，针齿半径r z 的值不能超过偏心距e ，定义针齿系数 岛为针齿半径，z 与偏心距e 的比值，即 疋= 詈 ( 2 6 ) 恐的取值范围为：丘( o ，1 ) 。 在设计过程中根据偏心距e 和针齿系数丘确定针齿半径，z 的大小。 ；疋p ：k z r , & ( 2 7 ) 疗 5 动静比d 动静比由机构应用场合的工艺要求确定。 6 从动件运动规律 与其它分度凸轮机构一样，从动件运动规律可以根据机构应用场合的动力学 要求选取。 2 3 i 型和型结构的传动原理 行星分度凸轮机构型结构和型结构是受到少齿差行星齿轮传动中三环 传动原理的启发而提出的。三环传动是我国重庆钢铁设计研究院的陈宗源高级工 程师于1 9 8 5 年提出了一种特殊形式的少齿差行星传动，后来重庆钢铁集团公司 又提出了双齿环双曲柄输入少齿差减速器一职环传动。由于三环传动和双环传 动的基本原理是一样的，所以后文统称其为环板式传动。 2 3 1 环板式传动 2 3 1 1 传动原理 1 5 天津大学博士学位论文 图2 - 1 环板式传动原理图 环板式传动是一种特殊形式的少齿差行星齿轮传动，由平行四边形机构和齿 轮机构组成，机构中有动力输入的曲柄轴称为输入轴，无动力输入的曲柄轴 称为支承轴。平行四边形机构的连杆上带有内齿轮，称为内齿板，其结构如 图2 - 1 所示。输出轴和外齿轮为一体，通过内、外齿轮的啮合，由输出轴输 出动力，平行四边形机构的曲柄一般制成偏心套的形式。在这种传动中，行 星齿轮( 内齿板) 不象普通行星齿轮传动中那样作行星运动，而是作平动，外齿 轮作定轴转动。 2 ，3 1 2 环板式传动的优点 与传统的齿轮减速器和行星减速器相比，环板式传动具有独特的优点： 1 承载能力强。 环板式传动的内、外齿轮的齿数差少( 一般为1 3 ) ，且为内啮合传动。 内啮合具有很高的接触强度，且轮齿受载后，由于弹性变形使原来没有接触 的齿也进入接触，因而承载齿数多，即存在所谓“多齿弹性啮合效应”。 2 传动比大。 只要内、外齿轮的齿数差足够小，就能得到很大的传动比。单级传动的 传动比可高达1 1 9 9 ，双级传动比可达9 8 0 1 。 3 结构简单、紧凑。 环板式减速器的三根轴平行地布置在一个平面内，其箱体结构与普通的 齿轮减速器几乎无异。与行星减速器相比，箱体结构则大大简化。另外，与 其它少齿差行星齿轮减速器相比，环板式减速器轴向尺寸小，且省略了输出 机构，因而使得其结构简单、紧凑。 4 加工制造简单、成本低。 环板式减速器的零件无需特殊材料和特殊的热处理，其各轴平行布置， 1 6 第二章行星分度凸轮机构的传动原理和凸轮廓线设计 易损件少，因而使其加工制造简单，制造成本低。 5 适应性广。 根据不同的应用场合，环扳式减速器可以制成卧式、立式、法兰联结式 等各种结构形式。还可以和普通齿轮传动组成组合传动，既可以单轴驱动， 又可以双轴驱动，可以适应各种不同的工程应用场合。 2 3 1 3 克服死点位置的方法 当平行四边形机构的连杆运动到与曲柄共线的两个位置( 0 。和1 8 0 。) 时， 机构的运动不确定，称为死点位置。为了克服机构在死点位置的运动不确定，环 板式传动常用有如下三种方法。 ( 1 ) 多相机构并列 利用多相机构并列布置，当其中某一相机构运动到死点位置时，利用与其并 列的机构与外齿轮啮合克服死点。最常用的是采用三相机构互成1 2 0 。并列布置 的形式，如图2 2 所示。这就是称这种传动型式为三环传动的原因。采取这种布 置方式，不仅可以利用多相机构共同承担载荷，克服运动不确定，还可以使机构 在运动平面内的摆动力相互平衡i 6 2 i 。 图2 - 2 三环传动结构简图 ( 2 ) 双曲柄双输入 采用在双环传动的前面串联一级普通齿轮传动，将动力分流至两个曲柄轴， 使动力由两个曲柄( 输入轴曲柄和支承轴曲柄) 同时输入，如图2 3 所示，其两 片环板的相位差为1 8 0 。这种方法的缺点是使减速机的结构复杂化或增加传动 的成本 6 2 1 。 1 7 天津大学博士学位论文 图2 3 双环传动结构示意图 ( 3 ) 双曲柄单输入 这种结构也是采用两相机构并列布置的方法，但机构相位角妒不为1 8 0 。， 而是小于1 8 0 。在输入轴和支承轴上各安装两个平衡配重，可以实现惯性力和 惯性力矩的完全平衡1 17 1 。该结构除具有环板式减速器的优点外，因其可以实 现摆动力矩的完全平衡，故振动较小，因此可以提高输入轴的转速。 2 3 2i i i 型和型结构 行星分度凸轮机构m 型和型结构均采用类似环板式传动的结构，如图2 _ 4 和图2 5 所示，该机构由平行四边形机构和凸轮一针轮副组成，平行四边形机构 的连杆上带有内针轮b ( 型) 或内凸轮b ( 型) ，当输入轴逆时针等速回转 时，带动平行四边形机构的连杆做平动，通过凸轮一针轮副推动外凸轮g ( i i i 型) 或外针轮g ( i v 型) 绕顺时针作定轴回转，在这一定轴回转中按一定的运动规律 完成分度停歇运动。 图2 - 4 型结构图2 - 5i v 型结构 在行星分度凸轮机构型和型结构中，同样存在需要克服死点位置的问 第二章行星分度凸轮机构的传动原理和凸轮廓线设计 题，具体方法将在第三章中讨论。 2 4 i i i 型结构凸轮廓线的形成 型结构凸轮廓线的形成方法与前两种结构相同，也是根据共轭齿形的形成 原理推导而得到的，下面首先建立凸轮与针轮的坐标系。 2 4 1型结构坐标系的建立 建立如图2 - 6 所示的坐标系，o b 为内针轮的几何中心，动坐标系o b x b y b 与 针轮相固连，0 9 为凸轮g 的回转中心，动坐标系o g x g y s 与凸轮g 固连，在针轮 坐标系o b x b y b 中有z 个针齿沿半径为恐的圆均布，点m ，( = - i ，力为各针齿 的几何中心，即各针齿的理论齿廓，点m ，位于坐标轴) ( b 正方向上，各针齿序列 号沿逆时针方向递增。o b o g 为偏心距e 。9 h 为机构输入轴转角，口。为机构输出 轴转角，即凸轮g 的转角，定义逆时针方向为所有转角的正方向。 图2 - 61 1 1 型结构凸轮与针轮的坐标系 2 4 2h i 型结构凸轮廓线方程的建立 如图2 - 6 所示，根据所设想的传动过程，当内针轮随着平行四边形机构