精密传动及系统——结课作业

硕士学位课程考试试卷硕士学位课程考试试卷 考试科目 精密传动及系统精密传动及系统 考生姓名 王瑶 考生学号 20120702088 学 院 机械工程学院 专 业 机械设计及理论 考 生 成 绩 任课老师 签名 考试日期 2013 年 4 月 17 日 一 简述谐波齿轮的原理及特点 1 谐波齿轮的原理 谐波齿轮传动的运动转换 是依靠挠性构件的弹性变形来实现的 这种运动转 换原理为变形原理 主要由波发生器 柔性齿轮和刚性齿轮三个基本构件组成 是 一种靠波发生器使柔性齿轮产生可控弹性变形 并与刚性齿轮相啮合来传递运动和 动力的齿轮传动 柔轮是一个薄壁外齿圈 刚轮有内齿圈 刚轮比柔轮多 2 4 个 齿 这又因波形发生器上触轮的多少而异 双波型的为 2 波发生器的一对滚子 将柔轮撑成椭圆形 当波发生器为主动轮时 柔轮和刚轮为从动轮 柔轮上的外轮 齿与刚轮上的内轮齿在椭圆形柔轮的长轴方向完全啮合 则柔轮的短轴方向完全脱 开 而中间区域为过渡状态 波发生器在柔轮内转动时 迫使柔轮产生连续的弹性 变形 此时波发生器的连续转动 就使柔轮齿的啮入 啮合 啮出 脱开这四种状 态循环往复不断地改变各自原来的啮合状态 这种现象称之错齿运动 正是这一错 齿运动 作为减速器就可将输入的高速转动变为输出的低速转动 当波发生器顺时 针旋转一周时 柔轮相对固定的刚轮逆时针旋转 2 个齿 这样就把波发生器的快速 转动变为刚轮的慢速转动 这时在柔轮的节圆的任一点 随着波发生器角位移的过 程 形成一个上下左右相对称的和谐波 故称之为 谐波 1 谐波发生器 简称波发生器 2 柔性齿轮 简称柔轮 3 刚性齿轮 简称刚轮 图一 谐波齿轮 2 谐波齿轮特点 一 优点 1 结构简单 体积小 重量轻 主要构件只有三个 与传动比相当的普通减 速器比较 其零件减少 50 体积和重量均减少 1 3 左右或更多 2 传动比范围大 一般单级传动比可在 50 500 范围内变化 当采用行星式波 发生器时为 150 4000 若采用双级传动或复式传动则可达 2 106 3 同时啮合齿数多 在承载情况下 双波传动的啮合齿数一般可达总齿数的 30 40 左右 三波传动则更多 而普通渐开线圆柱齿轮同时啮合的齿数一般为两 对左右 即重叠系数小于 2 4 运动精度高 由于多齿啮合 误差有相互补偿和消减的作用 因此传动装 置的运动误差小于刚轮 或柔轮 的运动误差 一般情况下 其运动精度比同等精度 等级的普通齿轮元件所组成的减速器高 4 倍左右 5 承载能力大 谐波齿轮传动同时啮合齿数多 即承受载荷的齿数多 在材 料和速比相同的情况下 受载能力要大大超过其它传动 其传递的功率范围可为几 瓦至几十千瓦 6 传动效率高 与相同速比的其它传动相比 谐波传动由于运动部件数量少 而且啮合齿面的相对滑动速度很低 再加上轮齿接近面接触 因此齿面的磨损很小 而且均匀 效率很高 随速比的不同 u 60 250 效率约在 65 96 左右 7 齿侧间隙可以调整 齿侧间隙可由对波发生器的调整而得到 甚至获得零 侧隙 8 运动平稳 无冲击 噪声小 齿的啮入和啮出是随柔轮的变形逐步进入和 退出刚轮齿间的 因而运动平稳 无冲击现象 9 同轴性好 输出轴和输入轴位于同一轴心线上 可以使传动装置的结构简 化 外形尺寸缩小 10 可实现向密闭空间传递运动及动力 采用密封柔轮谐波传动减速装置 可 以驱动工作在高真空 有腐蚀性及其它有害介质空间的机构 谐波传动这一独特优 点是其它传动机构难于达到的 11 可实现高增速运动 由于谐波齿轮传动的效率高及机构本身的特点 加之 体积小 重量轻的优点 因此是理想的高增速装置 对于手摇发电机 风力发电机 等需要高增速的设备有广阔的应用前景 12 方便的实现差速传动 由于谐波齿轮传动的三个基本构件中 可以任意两 个主动 第三个从动 那么如果让波发生器 刚轮主动 柔轮从动 就可以构成一 个差动传动机构 从而方便的实现快慢速工作状况 这一点对许多机床的走刀机构 很有实用价值 经适当设计 可以大大改变机床走刀部分的结构性能 二 缺点 1 柔轮周期性变形 工作情况恶劣 易于疲劳损坏 2 起动力矩大 且速比越小越严重 3 波发生器 柔轮等元件的工艺复杂 4 传动比的下限值高 齿数不能太少 5 谐波齿轮传动没有中间轴 因而不能获得中间速度 6 如果结构参数选择不当或结构时机不良 发热过大 降低传动承载能力 二 一谐波减速器柔轮的齿数为 120 内轮的齿数为 122 试画出机构简图并计算 其传动比 图二 谐波减速器机构简图 解 如图所示 为两个自由度 的差动谐波齿轮机构 该机构含有三2 W 个基本构件 波发生器 H 柔轮和刚轮 当其中的一个基本构件被固定时 则gb 上述差动谐波机构将变成为具有一个自由度 的行星谐波齿轮机构 而差1 W 动机构中的每一个基本构件均可以成为固定件 或输入件 或输出件 由于上述谐波减速器没有对给基本构件进行指明 故分为以下三种情况计算 1 当波发生器固定 如图二 a 其传动比为 H0 H a 柔轮输入 刚轮输出时 gb 0167 1 120 122 g b b g H gb z z i 图二 a b 刚轮输入 柔轮输出bg 时 9836 0 122 120 b g g bH bg z z i 2 当刚轮固定 如图二 b 其传动比为 b0 b a 波发生器输入和柔轮输出时 Hg 60 120122 120 gb g b Hg zz z i 图二 b b 柔轮输入和波发生器g 输出时 H 60 1 120 120122 g gb b gH z zz i 3 当柔轮固定 如图二 c 其传动比为 g0 g a 波发生器输入和刚轮输出时 Hb 61 120122 122 gb bg Hb zz z i b 刚轮输入和波发生器输出时 bH 图二 c 61 1 122 120122 b gb g bH z zz i 三 画出 RV 摆线针轮行星传动简图 简述其传动原理及特点并计算自由度 1 RV 摆线针轮行星传动简图 图三 RV 摆线针轮行星传动简图 2 RV 摆线针轮行星传动原理及特点 执行电机的旋转运动由中心轮传递给 n 个行星轮 且进行第一级减速 1 1 a 1 g 行星轮的旋转运动传给转臂 曲轴 H 致使摆线轮产生偏心运动 当针轮 1 g 2 g 固定 与机架连成一体 时 摆线轮一边随转臂 H 产生公转 一边饶着轴 2 b 2 g 产生自转 通过支撑圆盘上的轴承 将摆线轮的角速度传递给输出轴 且有 2g O 2 g 即使输出圆盘与摆线轮组成传动比 i 等于 1 的双曲柄式输出机构 2Vg 2 g RV 传动是在摆线针轮传动基础上发展起来的一种封闭式行星传动 RV Rotary Vector 传动是日本 80 年代开发的新型减速器 特别适用于载荷大 输出 扭矩大于 200NM 过载能力高 刚度高的场合 RV 传动是由第一级的直齿轮减 速部分和第二级的摆线针轮减速部分组合而成的两级行星传动机构 RV 减速器中 采用双支撑 将两片摆线轮安装于两端轴承支撑的中空转子中 输出仍采用销形输 出 但形状为一扇形 这种设计使之结构紧凑 刚性非常大 该行星机构的主要特 点 1 传动比范围大 因为即使摆线齿数不变 只改变渐开线齿数就可以得到 很多的速度比 其传动比 i 31 171 2 可以提高输入转速 3 能减小 RV 减速器的惯性 4 传动轴的扭转刚性大 5 承载能力大 6 传动效率高 其传动效率 0 85 0 92 3 根据 RV 型行星机构的传动简图 其自由度计算如下 5 n6 L p2 H p121625323 HL ppnF 四 讨论摆线针轮行星传动连续啮合传动条件 图四 摆线针轮行星传动简图 在摆线针轮行星传动中 是用整条的短幅外摆线的等距曲线来作摆线轮的齿廓 的为了连续地啮合 摆线轮的齿数必须为整数 因此 在摆线轮上的短幅外摆 g z 线的条数也必须是整数 从上图可以看出 当滚圆绕基圆顺时针方向做纯滚 b r g r 动时 每滚过滚圆的周长时 在基圆上就形成一条完整的外摆线 或短幅外摆 b r 2 线 它在基圆上对应的弧长 称为摆线轮节圆的齿距 周节 其值为滚圆 1 PPp 的圆周长与基圆圆周长之差 即 eArrrrp gbgb 22 222 则摆线轮的齿数为 e r a r rr r rr r p r z gg gb b gb gg g 2 22 如上所述 因摆线轮的齿数 必须是整数 所以 的比值应为整数 这样才能 使摆线轮的理论齿廓是一条连续封闭的外摆线或短幅外摆线 欲保证针轮与摆线轮 的正确啮合 必须使两轮在节圆上的齿距 相等 所以要保证与摆线轮正确啮合的 针轮齿数为 1 2 22 g g bbbb b z e er e ar e r e r p r z 由上式知 为了保证两轮轮齿啮合的连续性 则针轮与摆线轮的齿数差必须等 于 1 在此 值得提出的是 摆线轮齿数一定要采用奇数 因为只有采用奇数齿才能 利用摆线轮齿高等于两倍偏心距的特点 以保证每一个摆线轮都能同时与针齿相接 触 即啮合 而两个摆线轮的中心正好相差两个偏心距 因此 两个摆线轮能够 安装在具有偏心距等于 2e 的双偏心套上 并能实现正确啮合的摆线针轮行星传动 所以 在设计摆线针轮行星传动时 应取摆线轮的齿数为奇数 当中心轮 g z 针轮 固定不动时 传动比 也必定是奇数 五 螺旋传动有哪些类型 各有何优缺点 螺旋传动主要由螺杆和螺母组成 除自锁螺旋外 一般用来把螺旋运动变成直 线运动 也可把直线运动变为螺旋运动 同时进行能量和力的传递 或者调整零件 间的相互位置 根据工作性质的不同 可分为三类 当其以传递运动为主 并要求较高传动精 度时 称传动螺旋 如金属切削机床的进给螺旋 以传动能量和力为主时 称传力 螺旋 如螺旋压力机 螺旋起重器等 以调整零件间的相互位置为主时 称调整螺 旋 如镗刀杆的差动微调螺旋等 按螺纹副的摩擦状态 螺旋传动可分为滑动传动 滚动传动 静压传动三大类 滑动螺旋的性能特点 摩擦阻力大 传动效率低 一般仅 0 3 0 7 当螺旋伸 角小于摩擦角时 反行程自锁 此时效率低于 0 5 磨损快运转较平稳 但低速或微 调时易出现爬行现象 螺纹间有侧向间歇 定位精度低 轴向刚度较差 结构简单 制造方便 成本低 滚动螺旋的性能特点 摩擦阻力大 传动效率在 0 9 以上 具有传动的可逆性 工作寿命长 平均约为滑动螺旋的 10 倍 运转平稳 启动时无颤动 低速时无爬 行 可得到很高的定位精度和轴向刚度 不能自锁 抗冲击和及承受径向载荷的能 力差 结构复杂 制造较困难 成本较高 静压螺旋的性能特点 摩擦阻力极小 传动效率在 0 95 以上 无自锁性 具 有传动的可逆性 磨损小 寿命长 承载能力和抗振性好 工作平稳 低速时不爬 行 反向时无空行程 具有很高的定位精度和轴向刚度 螺母油腔结构复杂 制造 较困难 成本较高 六 滚珠丝杠副选用的原则和方法是什么 滚珠丝杠副是一种新型的螺旋传动元件 在机床工业 汽车工业 自动控制系 统 航空工作 船舶工业和兵器工业等各个部门皆获得了日益广泛的应用 滚珠丝 杠副具有高效率和高精度的特点 并具有高速特性和耐磨损性及运动可逆性等特性 是普通丝杠副不可能具备的 所以滚珠丝杠副已成为非常有效的 普遍适用的螺旋 传动元件 目前选用滚柱丝杠副的方法一般是按照滚珠丝杠副的额定静载荷 其转速a C0 和额定动载荷 min 10rn 其转速 a Cmin 10rn 及传动比的要求 来确定 所需要的滚珠丝杠副的公 称直径和基本导程 0 d 0 L 从实际应用中得知 滚柱 丝杠副的螺纹滚道 在一 定的轴向载荷作用下 经 历一定的应力循环后 就 要产生疲劳点蚀现象 因 此 当滚柱丝杠副较高转 速 一般转速 min 1000rn 下工作时 应按其寿命选 择其基本尺寸 并校核其 载荷能力是否超过额定动 载荷 当滚柱丝杠副在较 低转速 一般转速 下工作时 应 min 30rn 按其寿命和额定静载荷两 种方法确定其基本尺寸 并选择其中较大的 当滚 柱丝杠副在静载荷下工作 时 则只需按额定静载荷选择其结构尺寸 七 结合实际 论述开环和闭环精密传动系统的特点 精密传动系统是能够保证双向高精度地传递运动的机械传动形式统 其具备两 个要素 精 体现高的传动精度 密 对应低的回差 反向间隙 从而保证传动过程 中任意正 反向运转均具有高的精度 这一概念可以有效地揭示精密齿轮传动的内 涵 并且更清晰地把动力传动与精密传动区分开来 广义上讲 精密传动系统通常 图五 滚珠丝杠副选用的原则 由原动机 狭义上的精密传动系统 执行机构和控制系统所组成 所谓开环和闭环 精密传动系统取决于广义传动系统的控制系统是开环还是闭环 传动系统与控制 检测系统由密切的联系 根据有没有检测装置和检测装置的位置 可将传动系统分 为开环和闭环以及半闭环系统 开环精密传动系统的控制系统只按给定输入量进行控制 而控制量在整个过 程中对给定的输入量不产生任何影响 由于开环控制系统的控制量和被控制量之间 无反馈联系 所以对干扰造成的误差无法修正 在工程实际中 当能预知被控制量 的变化规律 并能对可能出现的干扰做到有效抑制时 可采用开环控制系统 以数控机床为例 开环传动系统的数控机床没有位置测量反馈装置 数控装置 发出的指令信号的流程是单向的 系统不对移动部件的实际位移进行检测反馈 伺 服驱动电机一般采用步进电机 数控装置每发出一个进给脉冲 经过驱动线路 都 使步进电机转过一个固定的角度 如 0 75 1 等 经过减速齿轮和丝杠传动 使