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超环面行星蜗杆传动数控转台的设计—机械部分.doc
50-超环面行星蜗杆传动数控转台的设计—机械部分【开题报告+任务书+毕业论文+cad图纸】【全套资料】
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湘潭 大学 机械工程学院 毕业设计工作中期检查表 系 机电系 专业 机械设计制造及其自动化 班级 06 兴湘机二 班 姓 名 陶柳 学 号 2006183910 指导教师 胡自化 指导教师职称 教授 题目名称 超环面行星蜗杆 传动数控转台的设计 题目来源 科研 企业 其它 课题名称 超环面行星蜗杆传动数控转台的设计 题目性质 工程设计 理论研究 科学实验 软件开发 综合应用 其它 资料情况 1、选题是否有变化 有 否 2、设计任务书 有 否 3、 文献综述是否完成 完成 未完成 4、外文翻译 完成 未完成 由 学 生 填 写 目前研究设计到何阶段、进度状况： 通过对资料的查询，已经能够对超环面行星蜗杆传动机构的传动比计算，传动的几何关系，传动中各传动轮齿数与喉径螺旋升角的关系，传动的力分析等一些参数进行分析计算和设计选取。现阶段着力对各个构件的廓面方程进行计算推导和总体方案的设计。 与 此同时还通过对一些复杂的装配图形的装配和仿真 熟悉和了解三维制图软件 由 老 师 填 写 工作进度预测（按照任务书中时间计划） 提前完成 按计划完成 拖后完成 无法完成 工作态度（学生对毕业论文的认真程度、纪律及出勤情况）： 认真 较认真 一般 不认真 质量评价（学生前期已完成的工作的质量情况） 优 良 中 差 指导教师（签名）： 年 月 日 建议检查结果 ： 通过 限期整改 缓答辩 系意见： 签名： 年 月 日 注： 1、该表由指导教师 和学生 填写。 2、此表作为附件装入毕业设计（论文）资料袋存档。 湘潭大学 兴湘学院 毕业设计任务书 设计题目： 超环面行星蜗杆传动数控转台的设计 机械部分 学号： 2006183910 姓名： 陶 柳 专业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 胡自化 系主任： 一、主 要内容及基本要求 1、 熟悉和掌握超环面行星蜗杆传动的工作原理 ； 2、 熟悉和掌握超环面行星蜗杆传动的结构参数 ； 3、 总结和撰写设计说明书一份（附光盘） ； 4、 图 ，一张 配图纸及其零件图 ，共计 2 张 量； 5、 翻译相关外文资料一份 ； 二、重点研究的问题 1、 熟悉和掌握超环面行星蜗杆传动数控转台相关性能方面的知识 ； 2、 熟悉和理解超环面行星蜗杆传动的结构参数； 三、进度安排 序号 各阶段完成的内容 完成时间 1 熟悉课题及基础资料 第一周 2 调研及收集资料 第二周 3 方案设计与讨论 第三四周 4 超环面行星蜗杆减速器各零件的 设计 与计算 第五八周 5 件的学习 第九周 6 图 第十周 7 撰写说明书 第十一周 8 英文文献翻译，答辩 第十二周 四、应收集的资料及主要参考文献 1秦大同 北京：清华大学出版社， 2003. 2齿轮手册编委会齿轮手册 (上册 )北京：机械工业出版社， 1990 3付则绍新型蜗杆传动北京：石油工业出版社， 1992 4姚立纲 ,李尚信 J 2001, 25(4): 17 5姚立纲 D哈尔滨工业大学 , 1996 6许立忠 ,曲继方 ,赵永生 J 1998, 34(5):20 7张跃明 学位论文 8张春丽 ,徐晓俊 ,董申 动的工艺改进方案及其齿面研究 J 2000, 11(7): 749湘潭大学兴湘学院 毕业设计说明书 题 目： 超环面行星 蜗杆传动数控转台的设计 机械部分 学 院： 兴湘学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 2006183910 姓 名： 陶柳 指导教师： 胡自化 (教授 ) 完成日期： 2010 年 6 月 7 号 1 超环面行星蜗杆传动数控转台的设计 摘要 ： 多年以来 国产 的 数控转台都有着 刚性不足，在旋转过程中承载能力差的弱点 。 主要是因为传动链的最后一环的蜗杆蜗轮机构品质低劣，与国际上高品质的蜗杆蜗轮副相去甚远。 本文以超环面行星蜗杆传动 作为传动的最后一环，它的传动比大，传动效率高，结构紧凑。从而在输出相同扭矩和传动比的情况下体积小，同时通过大的传动比来提高数控转台的刚度和承载能力。通过此设计我们发现数控转台所能承载的扭矩大大提高。 关键词 ： 超环面行星蜗杆传动，廓面方程，传动效率， C C of of of of of of In as of of C to we C be 湘 潭 大 学 兴湘学院 本科毕业设计 开题报告 题 目 超环面行星蜗杆 传动数控转台的设计 机械部分 姓 名 陶柳 学号 2006183910 专 业 机械设计制造及其自动化 班级 兴湘学院机械二班 指导教师 胡自化 职称 教授 填写时间 2010 年 4 月 22 日 2010 年 4 月 说 明 1根据 湘潭大学 毕业设计 (论文 )工作管理规定 ，学生必须撰写 毕业设计（论文）开题报告 ，由指导教师签署意见， 系主任批准后实施。 2 开题报告是毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。学生应当在毕业设计（论文）工作前期内完成，开题报告不合格者不得参加答辩。 3毕业设计 (论文 )开题报告各项内容要实事求是，逐条认真填写。其中的文字表达要明确、严谨，语言通顺，外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现缩写词，须注出全称。 4本报告中，由学生本人撰写的对课题和研究工作的分析及描述，应不少于 2000 字。 5开题报告检查原则上在第 2 4 周完成，各系完成毕业设计开题检查后，应写一份开题情况总结报告。 6. 填写说明： (1) 课 题性质 ：可填写 A工程设计； B 论文； C. 工程技术研究； (2) 课题来源： 可填写 A自然科学基金与部、省、市级以上科研课题；B企、事业单位委托课题； C 校 级基金课题； D自拟课题。 (3) 除自拟课题外，其它课题必须要填写课题的名称。 (4) 参考文献不能少于 10 篇。 (5) 填写内容的字体大小为小四 ，表格所留空不够可增页 。 本科毕业设计 (论文 )开题报告 学生姓名 陶柳 学 号 2006183910 专 业 机械设计制造及其 自动化 指导教师 胡自 化 职 称 教授 所在系 机电系 课题来源 科研 课题性 质 工程技术研究 课题名称 超环面行星蜗杆 传动 数控转台的设计 机械部分 一、选题的依据 、 课题的意义 及国内外基本研究情况 随着我国制造业的发展，加工中心的需求也在增加，特别是四轴、五轴联动的加工中心。作为数控机床的主要功能部件，数控转台在整个机床工具行业中的作用越来越重要。我湘潭大学机械工程学院近期够买的一台国产 4轴 4联动数控铣床配置的作为机床第四轴的数控转台就是 使用中已经充分暴露其刚性不足，在旋转过程中承载能力差的弱点。这几乎是国产数控转台 的通病。生产厂家在其说明书 已经明确的规定，转台处于非刹紧状态时只能承受较低的切削扭矩的零件加工。因此，数控机床虽有多轴联动的功能，却很难再转台参与联动的过程中进行实质性的切削加工，极大地限制了数控机床的使用范围。 上述弊端的存在，主要是因为传动链的最后一环的蜗杆蜗轮机构品质低劣，与国际上高品质的蜗杆蜗轮副相去甚远。精度、强度、寿命等均不在一个档次 ，所以要突破传统的蜗杆蜗轮传动模式，以环面蜗杆、行星滚子齿轮为传动链来改进， 从而增大数控转台的切削能力， 这我们选择此题的重要依据 及其意义所在。 国内外基本研究状况： 超环面行星蜗杆传动机构一经出现 ,立即引起国内外学术界和企业界的高度重视。 迄今为止 ,对于超环面行星蜗杆传动的研究主要有以下几个方面 :1， 啮合理论研究 ;2,关键零件定子加工制造技术研究 ;3， 承载能力研究 ;4,其它问题研究。其中前两方面的研究相对较多 ,而后两方面的研究则很少。 在啮合理论研究方面 ,国内研究相对较多 ,国外尚未见资料报道。文献 中 给出了超环面行星蜗杆传动定子齿面方程、蜗杆齿面方程、接触线方程和螺旋线方程等。在该种传动啮合理论的研究方面有很大突破 ,文中不仅求解并比较了在三种不同行星轮齿形时行星轮与定子及蜗杆的接触线 ,而且讨论了根切界限点 ,并依据定子法截面内齿形设计定子飞刀 ,把超环面行星蜗杆传动的啮合理论与实际加工过程联系起来。综合而言 ,对于该种传动的啮合特尚需进行深入系统的研究。 二、 研究内容 、 预计达到的目标、关键理论和技术、技术指标、完成课题的方案和主要措施 本课题对超环面行星蜗杆传动 的结构参数设计和 啮合理论分析研究，中心蜗杆 和超环面内齿轮复杂齿面建模，传动系统的运动、 动力仿真以及数控 转台的设计 ,主要完成以下研究内容： 1研究 超环面行星蜗杆传动啮合理论、关键零件的廓面方程、传动效率以及一些重要零件的校核计算。 2超环面行星蜗杆传动减速器进行运动学、动力学分析和数字仿真研究 分 析。 预计达到的目标 ： 通过此次毕业设计今后自己能够对一些复杂曲面的廓面方程进行很好的计算和分析，并能够熟练的利用三维建模 软件对一些机构及复杂的系统进行计算机模拟和仿真来解决一些 困难 的问题 ，同时开发这产品，提高在制造设计技能为今后的工作岗位打下坚实的基础 。 关键理论和技术指标：主要是对中心蜗杆，行星蜗轮以及内超环面齿轮廓面方程的计算分析和 机构的动态仿真 . 完成课题的方案和主要措施： 先在导师的帮助下查阅相关的资料，对课题进行初步的了解，然后通过对传动比，廓面方程的分析计算对它做前面的了解， 先通过三维软件对之进行动态仿真，看所设计的参数是否合理，最后 将此产品研发出来 三、主要特色及工作进度 主要特色： 利用计算机辅助设计技术，基于 等软件对理论设计的进行参数化建模，动态仿真 。 工作进度： 收集查阅了有关 超环面行星蜗杆传动设计 资料， 现已经 对它的传动比计算，传动中各传动轮齿数与喉径螺旋升角的关系，传动的装配关系， 行星蜗轮与中心蜗杆之间的力关系以及廓面方程有了足够的理解，现已能过对其进行设计分析，并 制定了设计提纲方案和 计划 。 四、主要参考文献 （按作者、文章名、刊物名、刊期及页码列出） 1秦大同机械传动科学与技术北京：清华大学出版社， 2003 2齿轮手册编委会齿轮手册 (上册 )北京：机械工业出版社， 1990 3付则绍新型蜗杆传动北京：石油工业出版社， 1992. 4姚立纲 ,郑建祥 ,李尚信 ,徐晓俊 ,李华敏 杆传动的啮合分析 大庆石油学院学报 , 1996. 5姚立纲 ,李尚信 J 2001. 6姚立纲 D哈尔滨工业 大学 , 1996 7许立忠 ,曲继方 ,赵永生 J 1998. 8张跃明 学位论文 工程系 ,1993. 9张春丽 ,徐晓俊 ,董申 J程 , 2000. 10徐晓俊 ,张春丽 ,董申 机械传 动 ,1999. 指导教师 意 见 指导教师签名： 年 月 日 系 意见 系 主任签名： 年 月 日 院 意见 教学 院长 签名： 年 月 日 湘潭大学兴湘学院 毕业论文（设计）鉴定意见 学号： 2006183910 姓名： 陶柳 专业： 机械设计制造及其自动化 毕业论文（设计说明书） 页 图 表 张 论文（设计）题目： 超环面行星蜗杆传动 数控转台 的设计 机械部分 内容提要： 本文以超环面行星蜗杆传动的传动效率、廓面方程、运动仿真、零件的校核 以及数控转台的定位精度和回零机构为主要研究方向。主要完成了一下研究内容：通过 计算得出了超环面行星我杆传动效率方程，建立了超环面行星蜗杆传动的啮合方程、中 心蜗杆和内超环面齿轮的齿面和齿廓螺旋线的 方程表达式 ，提出了基于三维方程的中心 蜗杆和内超环面齿轮三维实体精确建模的原理和方法 ，对超环面行星蜗杆减速器的传 ， 动效率进行了计算以及对一次而关键零件 行了校核，同时对数控转台的定位精度和回零 装置进行了研究设计 。 指导教师评语 陶柳同学在毕业设计期间，能努力学习，刻苦钻研，作风踏实，行动积极，面对难题敢于钻研。能认真完成毕业设计任务，论文撰写基本流畅、工作量较饱满、论文格式符合规范，图标较清楚，鉴于其本科毕业设计已达到学士学位论文的要求，同意其进行毕业论文答辩。 指导教师： 年 月 日 答辩简要情况及评语 答辩小组组长： 年 月 日 答辩委员会意见 答辩委员会主任： 年 月 日 目录 摘要 . 1 . 1 第一章 引言 . 2 述 . 2 环面行星蜗杆传动的发展概况 . 2 文主要研究的内容 . 3 第二章 减速器的方案设计 . 4 级齿轮传动 . 4 杆传动 . 4 星齿轮传动 . 4 环面行星蜗杆传动 . 5 动机的选择 . 5 第 三 章 超环面行星蜗杆传动的基本原理、结构分析与计算 . 9 环面行星蜗杆传动机构的传动比计算 . 9 环面行星蜗杆传动各计算圆直径的确定 . 9 环面行星蜗杆传动中各传动轮齿数与喉径螺旋升角的确定 . 10 环面行星蜗杆传动的行星个数的确定 . 11 设计相关的技术参数 . 13 第 四 章 超环面行星蜗杆传动传动效 率的研究计算 . 15 述 . 15 合效率 . 15 擦系数的 计 算 . 16 第 五 章超环面行星蜗杆传动的啮合原理研究 . 19 标系的建立 . 19 标变换 . 20 动体与行星蜗轮 . 20 星蜗轮与中心蜗杆啮合 . 20 星蜗轮与内超环面齿轮啮合 . 21 合方程 . 22 星蜗轮齿面方程 . 22 合方程 . 22 星蜗轮齿面 (2)（母面）上的瞬时接触线方程 . 24 心蜗杆齿面 (1)和内超环面齿轮齿面 (3)方程 . 25 心蜗杆和内超环面齿轮的螺旋线方程 . 25 第 六 章 滚动轴承寿命的校核 . 27 本概念 . 27 命的计算方法 . 27 向力的计算 . 28 环面行星蜗杆 传动力的分析 . 28 入与输出的力矩关系 . 29 星蜗轮与中心蜗杆里的关系 . 29 星蜗轮与内超环面齿轮之间的力的关系 . 30 接触轴承的寿命计算： . 31 柱滚子轴承寿命的计算 . 32 及其滚子的校核 . 32 心蜗杆刚度条件 . 32 心蜗杆轴许用应力条件 . 32 动体的接触强度条件 . 33 结论与展望 . 34 参考文献： . 35 致谢： . 36 附录一： 英文翻译 . 37 附录二 : 英文翻译原文 . 47 湘潭大学 兴湘学院 毕业设计评阅表 学号 2006183910 姓名 陶柳 专业 机械设计制造及其自动化 毕业 论文（设计）题目： 超环面行星蜗杆传动 数控转台 的设计 机械部分 评价项目 评 价 内 容 选题 现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的； 量是否适当 ； 生产、科研、 社会 等实际 相 结合 。 能力 有查阅文献、综合归纳资料的能力； 究方法和手段的运用能力； 论文 （设计）质量 述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表图纸 是否完备、整洁、正确，引文是否规范； 无观点提炼，综合概括能力如何； 无创新之处。 综 合 评 价 评阅人： 2010年 6月 日 2 第一章 引言 随着我国制造业的发展，加工中心的需求也在增加，特别是四轴、五轴联动的加工中心。作为数控机床的主要功能部件，数控转台在整个机床工具行业中的作用越来越重要。 我湘潭大学机械工程学院近期够买的一台国产 4轴 4联动数控铣床配置的作为机床第四轴的数控转台就是 在使用中已经充分暴露其刚性不足，在旋转过程中承载能力差的弱点。这几乎是国产数控转台的通病。生产厂家在其说明书已经明确的规定，转台处于非刹紧状态时只能承受较低的切削扭矩的零件加工。因此，数控机床虽有多轴联动 的功能，却很难再转台参与联动的过程中进行实质性的切削加工，极大地限制了数控机床的使用范围。 上述弊端的存在，主要是因为传动链的最后一环的蜗杆蜗轮机构品质低劣，与国际上高品质的蜗杆蜗轮副相去甚远。精度 、强度、寿命等均不在一个档次 ，所以要突破传统的蜗杆蜗轮传动模式，以环面蜗杆、 行星 滚子齿轮为传动链来改进 传动的发展 概况 超环面行星蜗杆传动 ( 是 1966年由美国 R 由中心蜗杆 、行星蜗轮、面内齿轮、行星架以 及滚动体等组成。该机构工作时， 动由中心蜗杆轴并带动行星蜗轮旋转，当超环面内齿轮不动时，行星蜗轮作环状的螺旋运 动的结构优化设计、承载能力、啮合强度和加工工艺等，并成功地制造出这种传动的减速器，传动效率为 90%左右，最高时可达 95%。对这种传动的关键技术，即传动结构中的关键部件内齿蜗轮（超环面内齿轮）的加工方法与加工工艺，亚琛工业大学的学者们提出了采用烧结、电塑、精铸和旋风铣削等方法来实现。但结果表明，除了旋风铣削比较容易实现外，其它几种方法费用昂贵而且工艺性较差。 我国从八十年代中期也陆续出现了对超环面行星蜗 杆传动的研究报告，主要研究工作可分为两个方面，一是对这种传动的啮合理论研究，另一方面是对传动的结构、加工工艺、效率、载荷计算和实验等的研究。早期的啮合理论研究只停留在繁杂的公式上，没有从理论上探讨各个啮合参数对超环面行星蜗杆传动特性的影响，也没有进行数值计算和分析。 20世纪末，福州大学姚立纲对传动的啮合理论进行了比较深入的研究，通过在转化机构中的啮合分析，论证了当行星轮轮齿为球体时，行星轮与超环面内齿轮、行星轮与蜗杆的接触线是过球面顶点的大圆，齿面没有根切界线，二界曲线退化为滚珠的顶点。同时还探讨了不同滚动 体形状对超环面行星蜗杆传动啮合特性的影响。对超环面行星蜗杆传动的设计、制造和载荷计算等方面的研究，一般都集中在对超环面内齿轮的加工方法与加工工艺的研究。陈定方等人通过对滚齿机的改装，加工出了这种传动的超 3 环面内齿轮并完成了样机的制造，但由于加工精度等原因，样机“工作原理无误，惜于制造精度不高，而未进行任何台架实验”。姚立纲提出了采用飞刀粗切超环面内齿轮齿形，然后再精确磨削的包络加工方法，采用两片超环面内齿轮同时切齿，保证了加工与装配精度，并成功地制造出了样机，经实验，传动效率可达 85%。姚立纲还对这种传动结构 参数选法，经实际安装和运行表明均载效果良好。燕山大学的许立忠等人在国家自然科学基金的资助下对超环面行星蜗杆传动的效率和承载情况进行了研究，证明了这种传动的啮合由于以滚动摩擦为主而具有较高的啮合效率，一般可达 97%以上，而且，啮合效率的高低与结构参数的选取有直接关系，这也和德国学者研制的减速器的效率相一致，同时他们也对超环面蜗杆传动的摩擦理论以及接触应力进行了研究，使得该传动在理论上不断完善。 哈尔滨工业大学的徐晓俊和张春丽等人在重庆大学国家重点实验室的资助下提出了用内斜齿轮近似代替螺旋超环面内齿轮的方法，通 过优化设计和计算机代数系统计算，证明传动机构连续接触，并制造出减速器样机，但实验结果表明“样机传动平稳，载荷不大时噪音较低，而当载荷逐渐增大时温升较快、噪音较大。这导致齿面磨损加重，并在加载至实际承载能力的 70%以上时，超环面行星蜗杆传动的关键技术研究 噪 音加剧，不得不中断实验的继续进行”。超环面行星蜗杆传动在国内的研究尚未成熟，因此在不少领域存在理论和实践空白，本文力争在已有研究的基础上解决一些关键技术问题 。 要研究的内容 在给定的设计要求的 前提下，设计一个 高精度数控转台的减速器，重点是解决其蜗轮蜗杆的廓面方程、关键零件的廓面方程求解 以及传动效率的研究， 并对其滚动轴承 和其它零件 进行寿命 和强度的 校核 。 4 第 二 章 减速器的方案设计 根据题目的设计要求，我们知道要实现较大的减速比，而一般的形式有多级齿轮传动，蜗杆传动以及行星齿轮传动，另外还有近几年被研究较多的超环面行星蜗杆传动。下面对这几种传动方式一一介绍。 由于题目的设计要求传动比较大，而圆柱齿轮传动每级的传动比闭式的为 3式的为 4使用齿轮传动的话就要涉及成三级传动。齿轮传动虽然结构简单，但齿轮相对于轴的结构不对称 ，因此要求轴要有较大的刚度。同时采用多级齿轮传动时，会使结构的尺寸变大，相互尺寸不协调，成本高，制造和安装不方便。而且不能兼顾到每一个齿轮的强度，不能很好的发挥每 一 个齿轮的全部 承受能力，这样就极大地浪费材料。特别是多级齿轮传动的结构尺寸大， 这样就给润滑带来了麻烦，不能集中润滑；而且大的结构尺寸带来的直接后果是重量很大，这样运输和装卸都很不方便 。 蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动机构，能实现较大的传动比，一般为 5由于传动比大，零件数目又少，因而结构很紧凑。在蜗杆传 动中，由于蜗杆 齿是连续不断的螺旋齿，它的蜗轮齿是不断进入啮合有逐渐退出啮合的， 同时啮合的齿数又较多，顾冲击载荷小，传动平稳，噪声低。但蜗杆传动在啮合处有相对滑动，当速度很大时，工作条件不够良好时候会产生较严重的摩擦与磨损，从而引起过分发热 ，使润滑情况恶化。因此摩擦损失大，效率低；当蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量摩擦角时候，蜗杆传动便具有自锁性，此时效率只有 时由于摩擦与磨损严重，常需要有色金属制造蜗轮。综上所述，蜗杆传动虽然有传动平稳和结构紧凑等优点，但它传动效率低，摩擦与磨损严重，发热量大， 特别是在功率大的情况下不利于润滑，会使工作环境更加恶化 行星齿轮传动与普通定轴齿轮传动比较，具有质量小，体积小，传动比大，承载能力强以及传动平稳和传动效率高等优点；这些已被我国越来越多的机械工程技术人员所了解和重视。由于在行星齿轮传动中有效地利用了功率分流的特点和输入输出的同轴性以及合理的采用了内啮合，才使得其具有上述诸多优点。行星齿轮传动不仅适用于 高速，大功率，而且适用于低速，大转矩的机械传动装置上，可以用来减速，增速和变速传动，运动的分解和合成，以及一些特殊的应用中。行星齿轮的特性要 求行星齿轮使用有色金属的贵重材料，结构设计乜比较复杂，制造和安装角困难，对装配的精度要求较高， 5 样就要求素质较高的人员来安装和维修，增加了成本 。 超环面行星蜗杆传动 (结构如图 1所示 ,它由中心杆、行星蜗轮、内超环面齿轮、行星架和行星蜗轮齿 (滚动体 )组成。该机构运动时 ,运动由中心蜗杆输入带动行星蜗轮旋转 ,当内超环面齿轮固定不动时 ,行星蜗轮作环状的螺旋运动 ,并通过行星架实现运动的输出 ,超环面行星蜗杆传动减速器与其他类型传动的减速器比较 ,在输入功率 ,材料相同 和传动比不变的情况下 ,重量减少 50%以上 ,而且最多啮合点可达到30以上 ,是其它齿轮传动 (摆线针轮传动、行星传动、蜗杆传动和圆柱齿轮传动 )的 3 图 2环面行星蜗杆传动减速器结构图 综上所述，虽然每种传动装置都有自己的优点和缺点，也 都可以用来完成设计任务，但是超环面行星蜗杆传动较好的综合了其他传动方案的优点，使其传动性能更加优越，能够狠好的满足设计的要求，故在本次毕业设计中我们采用超环面行星蜗杆传动来做减速器 由 设计条件可知 ： 000由公式21M M i，已知 i =180 得到1M=减速器的要求，选用交流 伺服电机， 选用韩国 迈克彼恩 牌的交流伺服电机。由 图 2号为 6 图 2号选择图 转速 图 2扭矩特性 图 7 外形尺寸 由图 2 图 2参数如下表 2 2动机参数 伺服电机型号（ 服驱动器型号（ 兰规格（ ） 220 额定功率 4 额定扭矩 大扭矩 定转速 r/1500 最大转速 r/3,000 惯量 10 许负载惯量 5倍电机惯量 8 额定功率响应率 KW/s 度、位置、检测型号 标准型号（注 1） 增量型 3000(P/R) 选择型号 绝对值 ,曼切斯特通信 速度、位置、检测型号 标准型号（注 1） 增量型 3000(P/R) 选择型号 绝对值 ,曼切斯特通信 重量 9 第 三 章 超环面行星蜗杆传动的基本原理 、 结构分析 超环面行星蜗杆传动中，中心蜗杆轴为运动输入轴，其上有于行星轮轮齿想啮合的滚道，滚道是由行星轮上的轮齿包络而形成的。行星轮上均匀的分布着滚动体 ，这些滚动体可以自由转动并分别与中心蜗杆和内超环面齿轮上的滚道相啮合。滚动体有圆锥体，圆柱体，球形体和鼓行齿等，本文以球形滚动体为研究对象。内超环面齿轮相当于一般行星传动的内齿轮 ，其齿形为均匀分布在内圆环面上的螺旋齿，乜是由行星轮上的轮齿包络形成。行星架上装有行星轮，与该机构的输出轴相固连。啮合过程中，行星轮分别为内超环面齿轮和中心蜗杆的环面所包围，工作时同时接触点数多，是一种新型的传动形式。 超环面行星蜗杆传动的主要优点之一是传动比范围广且能实现较大传动比，该传动的传动比计算同一般行星传动相类似。假设中心蜗杆的旋转角速度为 1，头数为 星蜗轮的角速度为 2，齿数为 超环面齿轮的角速度 为 3(实际工作时 3=0)，齿数为 3z；行星架的角速度为 h。应用转化机构的方法，给整个轮系加上一公共角速度 - h，则该机构变为定轴轮系，此时传动比为 ： 当中心蜗杆和内超环面齿轮的螺旋方向相同时，取“ +”号，反之取“ -”。 由上式 得 ： 上式 为超环面行星蜗杆传动的传动比计算公式，由于1 大固可以实现较大的传动比。 由设计要求的传动比为 1/180，且由上述公式得可以取 0 79 计算圆直径的确定 超环面行星蜗杆传动各传动轮之间的几何关系如右图所示： 121221 2323 32 13111 10 图 3接关系 图中 中心蜗杆喉部节圆直径 行星蜗轮轮齿滚动体几何中心所在圆周直径 内超环面齿轮节圆直径 由图可知， 下关系式： d3= 以由分析计算得取 14， 30， 74 定 将中心蜗杆和内超环面齿轮分别以喉部节圆和节圆为直径的圆柱体展开， 如图 下图所示： 图 3零件 升角关系 图中， 1 中心蜗杆喉部计算圆螺旋升角 3 内超环面齿轮计算圆螺旋升角 中心蜗杆端面周节 行星蜗轮周节 11 内超环面齿轮端面周节 设中心蜗杆、内超环面齿轮均为右旋，由 上 图可得： 又由于 ： 同理 ： 所以由上面式子有： 此即为为超环面行星蜗杆传动中各传动轮齿数与螺旋升角之间的关系。 应为 ， 0， 79 且有： 所 以 得 各螺旋升角如下表二中 。 星个数的确定 为使行星传动功率分流的优点充分体现，除了采用环面蜗杆与内超环面齿轮包容行星蜗轮而增加多点啮合外，应尽量采用多个行星蜗轮。因此，在装配这些行星蜗轮时，应考虑它们必须满足一定的条件 即超环面行星蜗杆传动的装配条件。 如图 下图 所示，设 各 行星蜗轮齿辐平面间的中心角 3 2 3/ 1 2 1/ 2111ta 1 1 1d t z 3 3 2 3( t a n ) /d z t 222 3 3 1 1 2t a n / t a n 2z z z 0 1 11t a nc o sH 12 图 3配关系 为 2 /k，设行星蜗轮 位置能与内超环面齿轮啮合，同时也与中心蜗杆啮合，如果行星蜗轮的齿数 在 心蜗杆的凹槽与内超环面齿轮的凹槽相对应。如果行星轮的齿数 中心轮在 装上第一个行星蜗轮后，它们之间的运动关系即被确定 而不能随意调整。设内超环面齿轮不动，将行星架沿顺时针方向转过 为： 2/H k,则行星架上放置行星轮的 - 位置，此时中心蜗杆转过1角度，中心蜗杆端面原来在 时旋转到 D，1可由 下式 算得 ： 式中符号的意义同前 现空出的 行星蜗轮 B 的齿数为 要求蜗杆转过的角度1刚好使凹齿与内超环面齿轮凹齿相对应，即应为 行星蜗轮的齿数 奇数，则必有中心蜗杆的凸齿与内超环面齿轮凹齿相对应，在行星蜗轮转过 2 /k 角度后，空出的 此中心蜗杆转过1角，也应满足其对应的弧长为 ： 其中 于1112z t r所以有： 由上两式 可得： 有向右移动的趋势，使轴承 压紧 ，轴的右端将通过轴承 受一平衡反力 由此可求出轴承 的轴向力为 ： A 因轴承 只受附加轴向力，故 ： 果 A有向左移动的趋势，使轴承 压紧 ，此时轴的左端将通过轴承 受一平衡反力 由此可求出两轴承上的轴向力分别为 ： 计算角接触轴承轴向力的方法可归纳如下： 1）判明轴上全部轴向力（包括外载荷和轴承的附加轴向力）合力的指向，确定 压紧 端轴承； 2） 压紧 端轴承的轴向力等于除本身的附加轴向力外其他所有轴向力的代数和； 3）另一端轴承的轴向力等于它本身的附加轴向力。 环面行星蜗杆传动力的分析 本节引用符号表示的意义如下： 输入轴扭矩 输出轴扭矩 m 行星蜗轮与中心蜗杆间的啮合点数 n 行星蜗轮与内超环面齿轮间的啮合点数 不考虑摩擦时，输出扭矩为输入扭矩乘以机构的传动比： 21M M i 28 考虑摩擦时，则还应乘以机构的传动效率： 由设计条件和前面设计计算可知 2M=3000 =而计算出 假设中心蜗杆驱动行星蜗轮上各啮合点的驱动力 P 径 下图所示： 图 6力分析图 不考虑传动效率和摩擦，而且各行星轮上的载荷均匀分配时，有下列关系 存在 : 即 ： 从上图可知 ： 蜗杆的圆周力 9 k=4 21M M i 1 1 1tM p r k m 1 11 tM pr k m 111 29 m=120/360据功率和扭矩的 关系，有 550P/n P：是输入轴的功率 n：是输入轴转速 已知 而可以得出 从前图可知 ： 1 为喉部计算圆螺旋角， =入数据 得 杆的径向力 取 标准值 a=20 代入数据得 蜗轮与内超环面齿轮之间的力的关系 由前图可知 ： 1 3 3t a m p n 即 ： n=110/360*10 3为内超环面螺旋角， =入数据得 ： 超环面轴向力 标准值 a=20 带入数据得 ： tn 133ta n 30 由蜗杆和超环面齿轮对行星架施加的受力图可知由于力的方向相反，则 ： 轴向载荷 向载荷 入数据得 ： 于行星轮围绕蜗杆对称分布，顾径向载荷全部抵消，而轴向载荷 当 r e， r 当 r e， e=上面的分析可知，蜗杆上的轴承所受的 径向力为 所受的轴向力很小 由于输出轴上有 2对轴承，顾角接触轴承的径向力 轴向力 r e， r 代入计算的 据轴承寿命的计算公式 轴承的寿命，单位为（ h） n=带入计算，得 2120h， 转化成以年为单位为 柱滚子轴承寿命的计算 设计说明： 量动负载 r 012系列 当 0 r r+ r 圆柱滚子轴承承受轴向载荷，顾 r 同角接触轴承一样，径向力为 ，得 寿命 计算公式 得 225400 转化为年可知，此寿命远远大于十年 依据设计计算，轴承的寿命一般都在十年左右，这样就为集中保养与更换轴承提供 )(6010 6 )(6010 6 31 了方便。 及其滚子的校核 心蜗杆刚度条件 式中： Y=蜗杆的分度圆直径 ( F 中心蜗杆所受的圆周力 F，中心蜗杆所受的径向力， 蜗杆的跨距， 行星蜗轮的分度圆直径， E 为中心蜗杆材料的弹性 模量， 为中心蜗杆危险部分的转动惯量， 由前面计算知 1430从而得出 Y=17表的 E=645入数据可知中心蜗杆刚度符合。 心蜗杆轴许用应力条件 式中： 心 蜗杆轴的直径 ，查表得 许用应力为 25入计算可知所设计的中心蜗杆符合条件 。 动体的接触强度条件 式中： H为材料许用接触应力，c为接触半角系数， 个行星蜗轮与中心蜗杆同时啮合点数 由前面计算数据 可知0，差表知 H25c=入可知滚动体满足接触强度要求 。 6441 12 2 31148t L 22331 ()0 . 1 22 1 22e r c 32 结论与展望 本文对超环面行星蜗杆传动一些关键技术问题进行了研究， 获得了一些成果与结论 。 我们求出 了超环面行星蜗杆传动系统中环面蜗杆、内超环面齿轮的廓面方程利用制图软件胜利的将超环面行星蜗杆传动减速器的装配图和零件图绘出 ，现已经能够熟练的操作制图软件。 同时 我们得出 影响 超环面行星蜗杆传动系统 的传动 效率 包括行星轮的转角、系统的润滑状态、行星轮的齿形、传动比以及 a/ 超环面行星蜗杆传动减速器与其他类型传动的减速器比较 ,在输入功率 ,材料相同和传动比不变的情况下 ,重量减少 50%以上 ,而且最多啮合点可达到 30以上 ,是其它齿轮传动 (摆线针轮传动、行星传动、蜗杆传动和圆柱齿轮传动 )的 3这对减小数控转台系统的体积和重量有很大的意义 。 通过将超环面行星蜗杆传动作为数控转台传动的最后一级大大提高了数控转台的定位精度和重复定位精度以及工作中的切削和承受扭矩的能力 。 随着我国制造业的发展，加工中心的需求也在增加，特别是四轴、五轴联动的加工中心。作为数控机床的主要功能部件，数控转台在整个机床工具行业中的作用越来越重要。 这样就对数空转台各方面的性能要求越来越高，通过本文的研究分析得出的结论我们有理由相信：在不久的将来超环面行星蜗杆传动传统将会广泛运用于数控转台中，数控转台的性能进而数控是数 控机床的性能将大大提高。 33 参考文献 1 杨贺来 M清华大学出版社 ,2009. 2 罗学科 M中央广播电视大学出版社 ,2008. 3 张龙 M防工业出版社 , 4胡宗武等 . 非标准机械设备设计手册 M机械工业出版社 ,2005. 5方建军，刘仕良 M化学工业出版社 ,2004 6王建江，胡仁喜 M机械工业出版社 ,2008. 7秦大同机械传动科学与技术 M北京：清华大学出版社， 2003 8齿轮手册编委会齿轮手册 M北京：机械工业出版社， 1990. 9付则绍新型蜗杆传动 M北京：石油工业出版社， 1992. 10濮良贵，纪名刚 M高等教育出版社， 2002. 11姚立纲 ,郑建祥 ,李尚信 ,徐晓俊 ,李华敏 大庆石油学院学报 ,1996， 20（ 3） 12姚立纲 ,李尚信 J , 2001. 13姚立纲 D哈尔滨工业大学 ,1996. 14许立忠 ,曲继方 ,赵永生 J 1998. 34 致谢 这次毕业设计历时 4个月时间 , 虽然每学期都安排了课程设计或者实习，但是没有一次像这样的课程设计能与此次相比，设计时间长，而且是一人一个课题要求更为严格，任务更加繁多、细致、要求更加严格、设计要求的独立性更加高。要我们充分利用在校期间所学的课程的专业知识理解、掌握和实 际运用的灵活度。在对设计的态度上的态度上是认真的积极的。通过近一学期毕业设计的学习，给我最深的感受就是我的设计思维得到了很大的锻炼与提高。作为一名设计人员要设计出有创意而功能齐全的产品，就必须做一个生活的有心人。多留心观察思考我们身边的每一个机械产品，只有这样感性认识丰富了，才能使我们的设计思路具有创造性。通过本次设计我学到的不仅仅是 超环面行星蜗杆传动 这单一方面的了解，让我熟悉了设计的各个方面的流程，学会了把自己大学四年所学的知识运用到实际工作中的方法。从以前感觉学的许多科目没有实际意义，到现在觉得以前的专 业知识不够扎实，给自己的设计过程带来了很大的麻烦。 这次毕业设计 培养了自己的综合能力、自学能力，从而适应未来社会的需要与科学技术的发展需要。培养了自己综合的、灵活的运用的发挥所学的知识。 特别感谢我的导师 胡自化 老师给我的悉心指导， 我觉得通过这次设计， 让我懂的怎样去设计一个产品 ， 培养了我的一种设计思维 ,让我在以后的学习和工作中做的更好 。 35 附录一 ： 英文 翻译 对于不同的环形滚 子 的啮合 传动特 性的分析 （姚立纲，戴建绅，魏国武，蔡英杰） 摘要： 本文研究了不同形态特征 滚动体的啮合特性 ，考察了影响 滚动体 的形状特 征 的因素 ，并 进行一个全面的比较研究。 基于坐标转移 介绍了啮合特性的一般模式和特点的同时介绍 啮合 方程 和 啮合曲线 。该文件进一步 研究 滚动体的 啮合 功能 以及 不同的 滚动体 类型。 这 要求 对每个 不同 的 滚动体 功能的 全面的 分析研究 。 此文 比较研究的重点是接触曲线，齿，削弱， 接触 曲线和啮合的诱导法曲率。这有助于 研究中心蜗杆的齿面方程 ， 蜗杆传动啮合限制曲线特征 ,不同形状和识别 滚子 形状 以及 最小的面诱导法曲率 。这项研究，然后扩展到接触应力的比较和 验证了最小的接触应力 形 式 ，这自然导致了 对于不同类型的 滚子 可制造性检查 。 关键字： 环面蜗杆 ;滚动体 ;啮合 ;数学建模 ;行星齿轮传动，制造 超环面行星蜗杆传动 ， 有体积小、重量轻、效率高等有利条件 。 超环面行星蜗杆传动中，中心蜗杆轴为运动输入轴，其上有与行星蜗轮轮齿相啮合的滚道，滚道是由行星蜗轮上的轮齿包络而形成的。行星蜗轮的圆周上均匀分布着数个滚动体，这些滚动体可以自由转动并分别与中心蜗杆和内超环面齿轮上的滚道相啮合 利用滚轮啮合媒体中普遍采用的作为固定螺丝 ,如球、辊辊齿的凸轮包络蜗杆驱动、摆线驱动装置 ,这个位于驱动器。经轮啮合通向滚动具有噪声低、更高的传输效率。 它 对啮合特性 有实质性影响 。虽然 滚 啮合对超环面形星蜗杆传动的影响 尚未进行研究的 ,但它 在其他类型 的机械传动 中却 不断进步 。 贡和朱 5提出了轧制锥形包络圆蜗杆传动 ，它 是由一个圆锥滚子及与 环面蜗杆组成， 他们发明了一种啮合方程和完成生产和测试的这种类型的减速机 的样机 ； 燕 ,陈 6进一步 发展 几何凸轮滚子和圆柱滚子的 齿面 表面 方程的数学表达式 ,曲率和方向及 端面 压力角。 中提出的一种方法的基础上产生一个凸轮表面之间刚体变换 ,并完成了凸轮和炮塔滚筒的分析视角 ，并施加 施加压力。,研究了 由于在沟槽凸轮和在滚动轴承间隙 影响凸轮机构的输 出 ， 以及 凸轮和滚子的几何关系 ； rn 9研究了一种圆柱滚子转盘驱动器组成的一种 蜗杆传动 ，并完成了减速器 样机 制造 ； 蔡和姚 10开发了包络环面蜗杆滚齿轮传动系统 环面蜗杆 分析和制造 ； 王等人 11研究了空间凸轮滚子齿轮机制，可以用来避免 轮齿 之间的 切根 ， 此外，赖 12共轭曲面调查具有啮合圆柱几何设计元素 环面蜗杆传动 。 可以看到， 滚子啮合 的特点 对其他 齿轮传动有着 滚子 的特点 重大的影响。 基于几何分析和数学模型 15， 此 文探讨了这些 滚子传动 对超环面传动啮合特 性的影响，与不同形状的环形 传动系统的联系和啮合表面 的啮合 曲线，数学模型，削弱和限制曲线和啮合的诱导法曲率。 本文提供了啮合， 36 包括在不同压力接触性能的影响和齿形加工的比较研究 图 1中 是一个 由中心蜗杆，行星蜗轮与固定不动的内超环面齿轮构成的减速器 ， 该机构工作时，运动由中心蜗杆轴 以 入并带动行星蜗轮旋转 它由三个部分组成，包括 中心蜗杆 ，行星蜗轮 和 内超环面齿轮 。 它们之间通过滚动体相互啮合 。 减速器通过行星架输出 ，输出的转速为 绕 行星 齿轮和 中心蜗杆 的啮合特性， 可以通过 在中心蜗杆与行星蜗轮、行星蜗轮与内超环面齿轮、内超环面齿轮与定子之间的坐标系来解释行星蜗轮与内超环面齿轮的啮合特性 在图中 为中心蜗杆的参考坐标系， 为中心蜗杆的动坐标系；并且它以 转；坐标系中 代表了 的原始位置 ， 代表旋转的角度，从坐标系 变换到 的矩阵为 相似的行星蜗轮也有一个参考坐标系 和一个动坐标系 ，此动坐标系以的角速度绕 轴旋转。坐标系 的原始位置是 。 是旋转的角度，由 变换到 的矩阵为 相似的内超环面齿轮的坐标系也在图中体现。 为其参考坐标系， 为其动坐标系且 以 的角速度绕 旋转， 是 的原始位置， 为转过的角度 从坐标系 变换到 的变换矩阵为 通过结合这些转换矩阵 ，可以得出 变换到 的变换矩阵为： 37 3、 啮合模型和啮合特点 合模型 啮合模型是啮合特性的比较研究数学的基础。 中心蜗杆齿面轮廓是有滚子的运动包络形成的，滚动体的表面方程式其它表面方程的基础。该表面方程在 旋转坐标系 其中 u和 动体表面参数 。 中心蜗杆齿面方程得出的一个 充分 必要条件为： 其中 是共同的表面法向量 ， 。 将它从 坐标系中变换到 到： 此外， ， 是相对运动速度，其计算公式为： 其中 代表向量的 中心蜗杆 和 行星轮之间的 相对角速度矢量， 为中心蜗杆的角速度 ， 为中心蜗杆到行星蜗轮的的中心距 ， 和 代表 中心蜗杆相对于行星蜗轮的速度。 和是 行星蜗杆齿轮旋转坐标系 中的矢量坐标方向 。 因此，从啮合式（ 3） 得到 啮合参数 u和 系 为： 触 曲线 曲线定义 为中心蜗杆与行星蜗轮啮合时的瞬时接触线 。 结合（ 2）和（ 5）可得 ，蜗杆接触曲线的方程为 38 限 曲线 从界限 曲线 可知 ，如果 咬合面 上 的点的接触啮合曲线参与部分研究。基于微分几何理论 可得 ： 其中 可从式啮合关系 （ 5） 中求得 和 是从 （ 3） 衍生而来的 。 从（ 3）和（ 8）中 获得啮合参数 ， 中心蜗杆和行星蜗轮之间的 界限曲线的生成都可以通过 表面的啮合参数生成 合函数 和 啮合 曲线 该 啮合函数 可以由 从 两个啮合包络面理论 中获得 。这个函数是按以下方法确定 16,17： 其中 和 可以 通过 图 2中的表面 生成 ，这个表面与参数 和 有关， 可以从图四 中 求得，可以从图五中求得，同时 、 和 可以从图三中求得 它与参数
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