SMC2-187型摆线针轮行星传动的设计

目 录第一章 绪论 .11.1 概述 .11.2 国内外发展现状 .11.3 课题研究内容 .2第二章 设计方案 .32.1 结构简介 .32.2 机构分析 .32.3 总体方案设计 .6第三章 参数设计 .83.1 引言 .83.2 原始依据 .83.3 参数设计 .83.3.1 电动机的选择 .83.3.1 一级传动参数设计 .83.3.2 二级传动参数设计 .12第四章 受力分析及强度校核 .164.1 引言 .164.2 受力分析.164.2.1 计算初始啮合间隙 .164.2.2 判定摆线轮与针轮同时啮合的齿数 .174.2.3 修正齿形摆线轮与针齿啮合时的受力分析 .174.2.4 输出机构的柱销作用于摆线轮上的力 .184.2.5 转臂轴承的作用力 .184.3 强度校核.194.3.1 齿面接触强度计算 .194.3.2 输出机构圆柱销的强度计算 .204.3.3 转臂轴承寿命计算 .204.4 计算结果分析.20第五章 三维造型设计 .235.1 引言.235.2 Pro/E 简介 .235.3 Pro/ENGINEER 参数式设计的特征.235.4 三维实体造型.24结论 .29谢 辞 .30参考文献 .31附 录 .321第一章 绪论1.1 概述近几年，小型及微型机械作为一种节能、低耗和技术密集型的高新技术，已成为人们在小型及微型范围内认识和改造普通机械传动的一种新型工具，由于小型及微型机械具有超小外形、操作尺度极小和传动精度高的特点，所以，小型及微型机械现已被列入”今后十年工业科技大改观的关键技术之一” ，现今已收到工业发达国家及发展中国家科技界、产业界及政府部门的广泛重视，并已投入了大量的人力和财力进行研究开发，并取得了很好的经济效益。1.2 国内外发展现状欧美等工业发达国家政府为了满足未来经济和社会发展的需要，利用军事技术等方面的优势，已将小型及微型机电系统作为战略性的研究领域之一，纷纷投入巨资进行专项研究。美国国家自然科学基金。先进研究计划中心。国防部等投资 1.4 亿美元进行小型及微型机电系统（MEMS）技术研究，美国国家自然科学基金会预言：小型及微型机械将成为新兴的大规模产业，将能引起一场新的产业革命。美国的大学、国家实验室和公司已有大量的 MEMS 研究小组，并有几种实用化的 MEMS 产品进入市场。欧共体为了加强各国之间的组织和合作，成立了多功能小型及微型系统研究合作机构（NEXUS）组织。德国制定微机械系统技术计划，并发展了一种用于小型及细微加工的 LIGA 技术。我国小型及微型系统研究起步也不晚，已经建立了一些较为先进的基础实验设施，并在基础研究和相关技术方面取得了一些有特色的成果，有些已经达到国际先进水平。2002 年，国家投入数亿元人民币进行 MEMS 研究与开发，逐步建立起我国 MEMS 研发体系和产业化基地，提高我国在 MEMS 领域的核心竞争力，为推动 MEMS 的可持续发展和产业化打下良好的基础，并在某些方面进入国际领先水平，随着中国经济的高速发展，在航天小型及微型技术、生物医学工程等领域，比如：微型传感器、小型及微型执行机构、超小动力传递系统、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、高级玩具等自动化、智能化等方面的要求也日趋提高，功率为几瓦到几十瓦的减速器应用场合越来越多。在日本，住友重机株式会社每年生产大量的小型摆线针轮减速器用于如复印机、银幕卷动机、窗帘自2动收放机以及高级电动玩具等小型及微型场合。可以预见，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。小型摆线针轮行星传动减速器，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，而且具有重量轻、震动噪声低、价格低廉以及外表美观等特点，可以把小型摆线针轮行星传动减速器的使用空间拓宽到家用和商用的广阔领域。目前已获得日益广泛使用的行星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。近几年，随着细微加工技术的出现和发展，这方面的研制工作已取得了长足的进步。1.3 课题研究内容本课题以研究超小型摆线针型行星传动减速器为主要目标，了解国内外的行星传动技术，以及发展方向。掌握传统型针摆传动的工作原理，根据当前掌握知识及学习分析并确定 SMC2-187 型摆线针轮行星传动的整体设计。1）分析并确定 SMC2-187 型摆线针轮行星传动减速器的总体结构，完成方案设计和结构分析。2）通过进行理论分析和设计计算，合理选择 SMC2-187 超小型摆线针轮行星传动减速器结构参数及几何参数。3）编程进行受力分析及强度校核。4）采用 Pro/E 工程软件，绘制该机型摆线针轮行星减速器的三维造型。5）将 Pro/E 三维图转化为二维工程图，并通过 AUTOCAD 完善工程图。3第二章 设计方案2.1 结构简介摆线针轮行星传动，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。摆线针轮行星传动与其他传动相比较具有如下特点：1）传动比范围大，单级摆线针轮行星传动传动比为 11-119，这要比普通机械传动的传动比范围大的多，两级摆线针轮行星传动的传动比为 121-14161，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总齿数的二分之一，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他传动要高一些。4）结构紧凑，体积小，重量轻。2.2 机构分析通用摆线针轮行星传动结构中，常采用两片相同的摆线轮，布置成偏心相差结构，输出采用传动的销轴式 W 机构股体积明显偏大。与通用摆线针轮行星传动180相比，小型摆线针轮行星传动由于其使用场合的特殊性，要求他体积小、重量轻，并具有较强扭矩传递能力。本课题研究的超小型两级摆线针轮行星传动减速器，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，本课题结合通用摆线针轮行星传动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，决定采用两级摆线针轮行星传动。根据超小型两级摆线针轮行星传动减速器的特殊要求，重新进行了结构设计，具体技术措施如下：1）单级摆线针轮由两片减少到一片，从而达到减小减速器体积的目的。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动到摆线轮上，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。4超小型摆线针轮行星传动减速器结构如图 2-1 所示图 2-1 二级超小型摆线针轮行星传动减速器的结构图3）内齿针齿轮取消针齿结构形式，采用圆弧齿廓，这样可以保证细微加工精度，减少零件累计误差，便于一次成型。由于和通用的摆线针轮行星传动减速器相比，采用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，可以避免摆线针轮齿廓的干涉。针齿轮结构如图 2-2 所示图 2-2 二级超小型摆线针轮行星传动减速器针齿轮的结构图54）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连的壳体，壳体内安装齿轮和其他部分。5）超小型摆线针轮行星传动减速器其他主要零件三维造型图如图 2-3 至图 2-5 所示图 2-3 二级超小型摆线针轮行星传动减速器摆线轮的结构图图2-4 二级超小型摆线针轮行星传动减速器法兰的结构图6图 2-5 二级超小型摆线针轮行星传动减速器摆线轮的结构图2.3 总体方案设计根据上述对超小型两级传动摆线针轮行星传动减速器的结构分析，初步绘制出超小型两级摆线针轮行星传动减速器的传动简图，如图 2-6 所示图 2-6 二级超小型摆线针轮行星传动减速器传动简图二维装配图参见图 2-7，主要由下面 13 个部分7图 2-7 二级超小型摆线针轮行星传动减速器二维装配图1、输出法兰 II 2、端盖 3、微型轴承 4、微型轴承 5、微型轴承 6、偏心体7、外壳 8、摆线轮 II 9、针齿 II 10、中间支撑 11、摆线轮 I、12、针齿 I13 摆线轮 I三维装配图如图 2-8 所示图 2-5 二级超小型摆线针轮行星传动减速器三维装配图8第三章 参数设计3.1 引言一级摆线针轮行星传动可以实现传动比范围为 11 至 119。当传动比小于 17 时，可以根据要求采用二齿差结构，传动比大于等于 43 时，针齿可以采用抽齿结构。两级小型摆线针轮行星传动减速器的外形尺寸和一级传动相比较体积并没有增加多少，而输出转速又可以达到用户的需要，减速比从 121 到 14161 之间均可以实现。由于电机尺寸较小，电机的输出转速比较大而用户要求减速后输出的转速较小，因此在工程使用上，两级传动的应用更为普遍。本课题是设计传动比为 187 的二级超小型摆线针轮行星传动减速器。3.2 原始依据针齿中心圆半径 =12.5传动比 i=17113.3 参数设计3.3.1 电动机的选择选择 XJR-385S-16140 型电机，如表 3-1 所示表 3-1 XJR-385S-16140 型电机性能参数表电压(V) 空载 最大效率下 制动工作范围额定电压转速rpm电流A转速rpm电流A力矩g.cm功率W效率%力矩g.cm9-18 12 4720 0.071 3830 0.31 55.6 3.60 59.2 297输入轴功率 =3.60=0.0036输入轴转速 =3830/输入轴转矩=9549000 95490000.00363830 9.8993.3.1 一级传动参数设计1.设计齿形参数：传动比 =11摆线轮和针轮要实现连续正确地啮合，两轮节圆上的齿距必须相等。摆线轮的实际齿廓在其节圆上对应的弧长成为摆线轮的节圆齿距，以 表示，有：=2()=2摆线轮的齿数 为：=2 =22=针轮相应的齿数 为：=2 =22=其中 代入得：=+=+ =+1所以采用一齿差结构摆线轮齿数 =|=11针齿齿数 =+1=11+1=12计算输出轴转矩=9549000=其中 为传动效率，可取 0.94 0.96所以=95490000.00363830110.94=92.8073初选摆线短幅系数 以偏心距1 a短幅系数 荐用值见表 3-21表 3-2 短幅系数 荐用值表1 11 1323 2559 61871 0.420.55 0.480.65 0.550.74 0.540.67初取 1=0.47=12.5=1 =0.4712.512 =0.49对 取整，取 并反求a a=0 50 mm 110则1= =0.501212.5=0.48计算摆线轮节圆半径 =0.5011=5.5计算针轮节圆半径 =0.5012=6计算滚圆半径 与基圆半径 由于 +=1所以可得：=1=1 =0.500.48=1.0417=11=1=5.50.48=11.4583计算啮合齿距 =2=21=21=20.500.48=6.54确定针齿半径 首先计算摆线轮啮合曲线的最小曲率半径 0因为： 1=0.48 221= 1222121=0.43482211002002003003004004006 8 10 12 12由于 m，所以取柱销个数为 个=25 =6验算输出法兰上的销孔壁厚 ，见图 3-1 所示，保证最小壁厚不小于1 、 2 、 3=0.03=0.0312.5=0.375初选 法 兰 =121=法 兰 22=121622.52=2.752=2=85.52.52=1.253=2sin180=28sin1806 2.5=5.5图 3-1 示意图1、2、33.3.2 二级传动参数设计输入轴转矩 =92.811.设计齿形参数：传动比 =17摆线轮和针轮要实现连续正确地啮合，两轮节圆上的齿距必须相等。摆线轮的实际齿廓在其节圆上对应的弧长成为摆线轮的节圆齿距，以 表示，有：=2()=2摆线轮的齿数 为：=2 =22=针轮相应的齿数 为：=2 =22=其中 代入得：=+13=+ =+1所以采用一齿差结构摆线轮齿数 =|=17针齿齿数 =+1=17+1=18计算输出轴转矩=9549000=其中 为传动效率，可取 0.94 0.96所以 =92.81170.94=1483.1038 初选摆线短幅系数 以偏心距 a1短幅系数 荐用值见表 3-61表 3-6 短幅系数 荐用值表1 11 1323 2559 61871 0.420.55 0.480.65 0.550.74 0.540.67初取 1=0.50=12.5=1 =0.5012.518 =0.35对 取整，取 并反求a a=0.40 mm 1则1= =0.401812.5=0.58计算摆线轮节圆半径 =0.4017=6.8计算针轮节圆半径 =0.4018=7.2计算滚圆半径 与基圆半径 由于 =1所以可得：14=1=1 =0.400.58=0.6897=11=1=6.80.58=11.7241计算啮合齿距 =2=21=21=20.400.58=4.33确定针齿半径 首先计算摆线轮啮合曲线的最小曲率半径 0因为： 1=0.58 221= 1822181=0.45712211002002003003004004006 8 10 12 12由于 ，所以取柱销个数为 个=25 =6验算输出法兰上的销孔壁厚 ，见图 3-2 所示，保证最小壁厚不小于1 、 2 、 3=0.03=0.0312.5=0.375初选 法 兰 =121=法 兰 22=121722.22=2.42=2=8.55.52.22=1.93=2sin180=28.5sin1806 2.2=6.316第四章 受力分析及强度校核4.1 引言设计超小型两级摆线针轮行星传动减速器时，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。同时设计超小型两级摆线针轮行星传动减速器时，既要保证减速器的尺寸尽量小，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。摆线针轮行星传动中标准的摆线轮和针齿啮合时没有间隙，理论上有半数针齿与摆线轮同时啮合传力，但实际上，为了补偿尺寸链误差、保持合理的侧隙便于润滑、保证拆装方便，更为了获得传动所需要的合理齿廓，对标准的摆线轮必须进行修形，修形后的实际摆线轮要比理论摆线轮少小些，本设计采用正等距+负移距的组合修形方法对摆线轮进行修形。移距修形量=1211 121等距修形量= 1 1214.2 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间、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意外，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。4.2.1 计算初始啮合间隙当摆线轮齿兼有等距修形与移距修形时，各对轮齿沿待啮合点法线方向的初始间隙，可按式（4-1）计算。17()=(11cos 121 sin)1+2121cos +(1 sin1+2121cos)式 4-1式中 为第 个针齿相对于转臂的转角 。 为短幅系数。 i 14.2.2 判定摆线轮与针轮同时啮合的齿数输出轴的最大瞬时许用转矩为 =1.6在标准齿形摆线轮与针轮处于理论上的无隙啮合时，同时啮合的齿数约为摆线轮齿数的一半。其中受力最大的齿为处于或最接近于 处的一对齿，所有受力 可0=cos1 按式（4-2 ）计算。= 41 式 4-2若摆线轮齿形经过修正，与针轮处于有隙啮合状态，并且在 处只一cos1对齿啮合时，则作用力可按式（4-3）计算。= 式 4-3利用式(4-4 4-6)，分别求出 与 作用时，受力最大的这对齿在接触点公法 线方向的总的接触变形 表示为 与 。 = 式 4-4=2(12) (23+16|2 ) 式 4-5=4.991032(12) 2|+ 式 4-6其中， 为摆线轮与针轮齿材料的泊松比，二者材料相同均为 GCr15， 。 =0.3为摆线轮与针轮齿材料的弹性模量，二者材料均为 GCr15， 。 E =2.06105 为摆线轮在 处的齿廓曲率半径，由式 =0=cos1此处 为正时表示该处齿廓内=0= (1+2121cos0)321(+1)cos0(1+21)+ =0凹，为负是表示该处齿廓外凸。按式（4-7 ） ，分别算出由 与 引起的摆线轮其他各齿沿接触点公法线或待啮合点法线方向位移 与 。 18= sin1+2121cos 式 4-74.2.3 修正齿形摆线轮与针齿啮合时的受力分析由于实际的 必须在 与 之间，故取二者之平均值，作为用迭代逐次逼 近法，求 是的初始值 ， 按式（4-8）计算 00=12(+)式 4-8以之带入式(4-4 4-6)求出 。 0再以 之值带入式（4-9）求出 。0 1= =()= 0.55=()式 4-9其中， 为输出轴上作用的转矩 。 为第 齿接触点的公法线到摆线轮中心T i的距离，可按式（4-10）计算 。 为摆线轮的节园半径， 。 为第mm = ()齿处的初始间隙，可按式（4-1）计算 。i mm=sin= sin1+2121cos 式 4-10若 ，则应继续进行迭代逼近计算。本课题的受力分析用|10|1%1计算机编程进行计算，将计算精度提高至要求 。经过 次迭|10| dtfi(imn) Then nhnum = nhnum + 1Nextn = m + nhnum - 1FirstText.Text = m & # & & 180 / (zp / 2) * m & 度LastText.Text = n & # & & 180 / (zp / 2) * n & 度nhnumText.Text = nhnumF(1)iterate(Fmax(1), 1)While (Math.Abs(Fmax(k) - Fmax(k - 1) = (Fmax(k) * 0.01)k = k + 1F(k)iterate(Fmax(k), k)End WhileFmaxText.Text = (Fmax(k) + Fmax(k - 1) / 2timeText.Text = ktem = 0For imn = m To nll(imn) = tem + (rc1 * Math.Sin(Fi(imn) * Math.PI / 180) / Math.Pow(1 + Math.Pow(K1, 2) - 2 * K1 * Math.Sin(Fi(imn) * Math.PI / 180), 0.5)37tem = tem + (ll(imn) / rc1 - dtfi(imn) / Smax0) * ll(imn)NextFm = 0.55 * T / temtem = 0For imn = m To nroi(Fi(imn), imn)If FiRe tem Then tem = FiReNextEe = 2 * 2.06 * 2.06 * 100000 / (2.06 + 2.06)stmax = 0.418 * Math.Pow(Ee / bc * tem), 0.5)stmaxText.Text = stmaxSelect Case (stmax = 5000)Case TrueLhLab.Text = 转臂轴承寿命满足!LhLab.BackColor = Color.GreenCase FalseSelect Case (Lh = 1000)Case TrueLhLab.Text = 转臂轴承寿命虽小于小时,但大于小时,基本满足工作需求!LhLab.BackColor = Color.LightSeaGreenCase FalseLhLab.Text = 转臂轴承寿命不满足!LhLab.BackColor = Color.RedEnd SelectEnd SelectEnd SubPrivate Sub Form1_Load(ByVal sender As System.Object, ByVal e As System.EventArgs) Handles MyBase.LoadEnd SubPrivate Sub Btn1st_Click(ByVal sender As System.Object, ByVal e As System.EventArgs) Handles Btn1st.ClickPText.Text = 0.0036nText.Text = 3830iText.Text = 11rpText.Text = 12.539rrpText.Text = 1.5aText.Text = 0.5RwText.Text = 8dswText.Text = 11Cr = 455PText.Enabled = FalsenText.Enabled = FalseiText.Enabled = FalserpText.Enabled = FalserrpText.Enabled = FalseaText.Enabled = FalseRwText.Enabled = FalsedswText.Enabled = FalsestmaxLab.Text = 齿面接触强度判定stmaxLab.BackColor = Color.YellowfiwLab.Text = 柱销弯曲强度判定 fiwLab.BackColor = Color.YellowLhLab.Text = 转臂轴承寿命判定LhLab.BackColor = Color.YellowEnd SubPrivate Sub Btn2st_Click(ByVal sender As System.Object, ByVal e As System.EventArgs) Handles Btn2st.ClickPText.Text = 0.003384nText.Text = 348.18iText.Text = 17rpText.Text = 12.5rrpText.Text = 1aText.Text = 0.4RwText.Text = 8.5dswT