机电装备设计5

1,第三章机电装备传动部件设计TransmissionPartDesignforElectro-mechanicalEquipment,3.1同步带传动3.3谐波齿轮传动,本次课内容,2,机械传动系统（传动链）类型：连杆传动、凸轮传动、齿轮传动、带传动、链传动、同步带传动、谐波齿轮传动和螺旋传动。只介绍后三部分内容，包括工作特性、选择和设计。,3,3.1同步带传动（Synchro-beltDrive),是一种综合了带、链传动优点的新型传动。1900年，申请了专利；1940年美国尤尼罗尔（Uniroyal)橡胶公司开始研发；1946年将同步带用于缝纫机上。,4,3.1.1特点,1）传动比准确，工作时无滑动；2）传动效率达98以上；3）传动平稳，动态特性好，吸振；4）线速度高，可达50m/s；5）安装平行度高，中心距要求严格；6）制造工艺复杂、成本高。,5,6,3.1.2分类,1、按齿形尺寸规格分1）模数制：带的基本参数是模数m；与齿轮相似，不便于国际交流，已逐渐为节距制所代替。2）节距制：主参数是节距，类似于链条。节距制”已列为ISO标准，为世界各国所采用，我国在1989年拟定的国家标准中，采用了节距制。3）DIN节距制：基本参数是公制带齿节距。为德国国家标准。,7,2、按用途分1）一般用途同步带:齿形呈梯形，适用于中、小功率传动，如复印机、各种仪器、办公机械和医疗机械等。2）高转矩同步带：齿形呈圆弧状，国外亦称为HTD(HighTorqueDrive)，STPD(SuperTorquePositiveDrive)传动，适用于大功率的场合。如运输机械、石油机械和数控机床等传动中。3）特殊用途同步带：用于耐温、耐油、低噪声和特殊尺寸等场合。,8,同步带在缝纫机中的应用,9,同步带在数票机及包卷机中的应用,10,3.1.3结构和规格,1、结构同步带的结构一般它由强力层和基体两部分组成。,11,传递动力并保持同步带在工作时节距不变。材料抗拉强度、抗疲劳强度较高、伸长率较小。常用材料有：(1)钢丝与基体材料粘结性较差，柔韧性和耐腐蚀性较差，主要用于以聚氨酯为基体的同步带。(2)玻璃纤维与基体材料的粘结性好，柔韧性和耐腐蚀性较好。多用于以氯丁橡胶为基体的同步带中。(3)芳香族聚酸胺纤维韧性远高于钢丝和玻璃纤维，抗拉强度与钢丝相同，耐腐蚀和高温稳定性好，价格较高。,1）强力层,12,2）基体,同步带的基体包括带齿和带背，在氯丁橡胶为基体的同步带中增设用尼龙或锦纶丝织成布层，以增加耐磨性。基体材料应具有良好的柔韧性、耐磨性、耐热性、抗弯强度高、抗老化以及与强力层的粘合性好。常用的材料有聚氯酯橡胶和氯丁橡胶。,13,2、型号、主要参数和标注方法,1）型号同步带型号如表所示。,14,双面齿同步带可用于多轴传动，如S形传动中。,按带齿的排列，同步带分为单面齿同步带和双面齿同步带两种形式。双面齿同步带又有对称双面齿(DA型)和交错双面齿(DB型)两种。,15,2）主要参数,主要参数为节距、节线长度Lp和带宽。(1)节距tp：相邻两齿对应齿间沿节线度量方向所测得的间距。tp，带的各部分尺寸，承载力。(2)节线长度LP：同步带上通过强力层中心、长度不发生变化的中心线称为节线，节线长度为带的公称带长。(3)宽度b：b，带中承载绳数，圆周力。,16,(4)带的齿根宽度s:s,带齿剪切、抗弯能力,传递载荷。(5)带的齿根圆半径rr:与带齿根部的应力集中有关。rr，应力集中，承载力；当rr时，带齿与轮齿啮合时的有效接触面积。(6)带的齿顶圆半径ra:影响带齿与带轮啮合时是否产生干涉。带齿与带轮啮合属于非共轭齿廓的一种嵌合。带齿进入或退出啮合时，带齿与轮齿顶部拐角重叠引起磨损。ra，磨损；当ra时，带齿与轮齿有效接触面积。,(7)带齿形角:影响带齿与带轮的啮合。近似矩形，传动时嵌入齿槽困难。带齿易从齿槽中滑出带齿在轮齿中跳跃。日本学者小山富士试验分析：2030.(8)带齿高hs:hs承载力，hs，带的柔韧性。,18,3）标号,19,3.1.4结构与主要参数,1、常用同步带轮结构,同步带轮由齿圈、挡圈和轮毂组成。结构形式分无边和有边两种。为防止工作时带脱落，要在带轮端面制有挡边。挡边的布置形式是：当传动中心距小于8倍小带轮的直径时，在小带轮两端面均制有挡边；当传动中心距大于8倍小带轮的直径时，两带轮均需要有挡边。挡边的厚度取13mm，按带的厚度和长度选定。有整体式和组合式两种。,20,(1)梯形齿形：直线齿形与带轮接触面积较大，但是要用特制成形铣刀加工。(2)渐开线齿形：这种齿形的带轮可用标准滚刀按范成法加工，但轮齿形状随带轮齿数而变，轮齿与带齿的啮合接触状况较差。,常用同步带轮齿形有两种：,21,1）带轮齿数Z和带轮直径d2）带轮宽度3）带轮的齿形角4）带轮的材料及制造精度带轮材料：铸铁或钢，高速、小功率时用塑料或轻合金。带轮制造精度：外圆直径公差h8；轴孔直径公差H9；齿形角公差+2；外圆和齿面粗糙度1.6。,同步带轮一般与同步带一起购买，可选用厂家提供的标准带轮，也可单独定购。,2、同步带轮主要参数,22,3.1.5设计计算,1、失效形式同步带的传动主要失效形式：同步带疲劳断裂，带齿的剪切和挤压破坏及带两侧边和带齿磨损等。,在正常的工作条件下，带传动设计准则主要是在不打滑的条件下限制其单位宽度拉力，以保证同步带的抗拉强度，保证同步带具有一定的疲劳强度和使用寿命。,2、设计步骤设计同步带传动时，给定原始数据有：传递的功率P，主、从轮的转速n1,n2，传动系统的位置和工作条件等。,例：一设备采用型号为MB40-Y3-4P无级变速器驱动,负载功率3.0kw,变速器输出转速为2001000r/min，平稳运转工况，试选择同步带规格？,23,设计步骤如下：,1、确定带的计算功率Pj式中KA-工况系数,选取KA1.4P-传动功率，P=3.0kw所以，2、确定带型和节距tb,3、计算带轮节圆直径d,根据带轮的最小允许齿数，当n=9001200r/min时，z16,取同步传动的速比i=1,故大小带轮尺寸一致。齿数都为Z1=Z2=Z=40，带轮节圆直径为,24,根据变速器输出的最低转速，若选择H带型，则在200r/min转速下的带载功率为2.2kw左右；1000r/min下的带载功率约为7.5kw左右。若选择XH带型，则在2001000r/min范围内，功率储备太大。选择H带型，限定最低转速不得低于360r/min。,25,带轮速度为,因为，vmax=3540(m/s)，vvmax,故速度合格。,4、确定同步带传动的中心距C,根据上图的几何关系，可得，,26,因为，传动比i=1,故d1=d2=d,=0,选择H型标准带的节线长度Lp=1270.00(500规格)即,所以,满足，C0.7(d1+d2)=0.72161.78226.49(mm),同时，C2(d1+d2)=22161.78647.12(mm)中心距合格。所选同步带轮及带型为：,40-H-200-AF,宁波伏龙同步带有限公司,27,3.2高速带传动,特点：高速带传动又称高速平型带传动，指带速v30m/s，高速轴转速n11000050000rmin的传动。采用重量轻、厚度薄、挠曲性好的环形平带作为中间挠性件传递运动和动力。高速带传动通常是增速传动，其增速比为26。当采用张紧轮装置时，增速比与普通V带相比，有如下特点。优点：带体薄软，挠曲性好，强度高；运动平衡，吸振性好；带轮直径小，结构紧凑。缺点：带的寿命短，有的情况仅为几小时；传动效率较低；高速带传动的使用功率范围P60kw，速度v50m/s，传动比u8。,28,谐波齿轮传动是一种新型传动，利用机械波使柔性齿轮产生可控制的弹性变形波，引起刚轮与柔轮的齿间相对错齿来传递动力和运动。或称，柔轮与刚轮两条共轭的原始特征曲线作无滑动的贴展运动。,3.3谐波齿轮传动（HarmonicGearDrive),29,谐波齿轮传动动画演示,30,波发生器,刚轮,柔轮,3.3.1工作原理,波发生器H高速旋转时，迫使柔轮2弹性变形椭圆形，其椭圆的长轴柔轮轮齿与刚轮轮齿的两个局部啮合区。椭圆的短轴两端的两轮齿完全脱离啮合离开区。,波发生器连续旋转时，啮合区和离开区随椭圆长短轴相位的变化而变化刚轮与柔轮产生相对位移传递运动。,31,由于柔轮的长轴和短轴相位是连续变化的使柔轮产生了对称的变形波谐波。,注；机构中可任一构件为主动件，其余两构件为从动件（固定件）；可做增速亦可作减速机构；可为单级，也可作为双级使用。目前，常用波发生器为主动件，其余为从动件。,32,双波谐波传动啮合情况变化示意,刚轮1固定件，波发生器H为主动件，柔轮2为从动件。刚轮与柔轮的齿数差为2。,波发生器旋360，柔轮与刚轮相对位移了两个齿距2t减速。但旋转方向与波发生器相反。,若柔轮固定，刚轮为从动件。刚轮与波发生器转向相同。,33,1、当刚轮固定、波发生器为主动件，柔轮为从动件时,3.3.2传动速比,34,2、当柔轮固定、波发生器为主动件，刚轮为从动件时,35,3、当波发生器固定、柔轮为主动件，刚轮为从动件时,4、当波发生器固定、刚轮为主动件，柔轮为从动件时,36,例：一谐波传动装置，Z1322,Z2320,波数n2，计算传动速比。,37,注：刚轮与柔轮正确啮合时，两轮的节距必须相等，由于两轮的齿数差，柔轮的分度圆直径D2比刚轮分度圆直径D1小，即,38,1）传动速比大,单级传动速比范围为50500，多级传动速比达30000以上；2）同时啮合的齿数多，承载能力高；3）传动精度高，谐波齿轮传动中同时啮合的齿数多，误差平均化，多齿啮合对误差有相互补偿作用；在齿轮精度等级相同的情况下，传动误差只有普通圆柱齿轮传动的14左右；4）传动效率高、运动平稳由于柔轮轮齿在传动过程中作均匀的径向移动，轮齿的相对滑移速度极低，轮齿磨损小，效率高可达6996；5）结构简单，安装方便,重量轻；,3.3.3谐波传动的特点,优点：,39,缺点：1）柔轮周期性变形，产生交变应力，易产生疲劳破坏；2）转动惯量和起动力矩大，不宜用于小功率的跟踪传动；3）不能用于传动速比小于35的场合；5）散热条件差。应用：谐波齿轮传动在航空、航天、能源、航海常用军械、机床、仪表、电子设备、矿山冶金、交通运输、起重机械、纺织机械、农业机械以及医疗器械等方面得到日益广泛的应用。在高动态性能的伺服系统中，采用谐波齿轮传动更显示出其优越性。传递功率从几十瓦到几十千瓦。,40,应用实例：,在某型火箭中采传动速比i=104引力谐波出抡马达减速器代替原液压马达传动装置，其重量和体积均降为原来的1/10。其轴线方向上可承受30kg的过载。,41,42,43,44,45,3.3.4设计计算,谐波齿轮是靠滑移的面的接触来传递运动和动力的。齿形对谐波齿轮传动的性能有着很大影响。齿形有直边梯形和渐开线形两种。直边齿形：传动中柔轮轮齿和刚轮轮齿之间为面接触，齿形合理，但直齿廓的加工工艺性差，对不同直径的齿轮必须采用不同的齿轮刀具。实际运用中仍多采用渐开线齿廓。目前，我国在谐波齿轮传动中，柔轮和刚轮均采用渐开线窄槽齿，基准齿形角有20、25、2836、30四种。为避免啮合干涉，均采用短齿。,46,1、传动承载能力计算1）失效形式（1）柔轮的疲劳断裂柔轮的疲劳断裂是常见的柔轮失效形式。裂纹起源于齿根部，主要有弯曲应力引起。（2）齿面磨损谐波齿轮传动齿面相对滑动速度较小，由滑动引起的磨损不严重。过载很大时，才有可能引起齿面的剧烈磨损。许多情况下，谐波齿轮传动的齿面磨损是由于啮合参数选择不当，齿对啮合时出现某些干涉而引起的。（3）轮齿或波发生器发生滑移当转矩过大或传动元件制造误差过大时，就可能使柔轮与刚轮间发生滑移破坏谐波齿轮传动的正常工作。措施：限制极限转矩，加大径向变形量、提高传动的径向刚度、采用可调式或自动调节式的波发生器等。,47,滚动轴承和薄壁滚动轴承的损坏原因：在变形弹力和啮合力作用下，滚动体与内、外围滚道产生疲劳点蚀轴承座圈发生疲劳断裂，或由于温升过高引起传动元件胶合或擦伤等。目前，还未建立反映齿面磨损、柔轮与波发生器间滑移、刚轮与柔轮间滑移失效机理实质的计算方法，采用限制齿面间的比压来控制齿面磨损，合理选择啮合参数。所以确定谐波齿轮传动的计算内容为：齿面比压计算；柔轮体的疲劳强度计算；波发生器滚动轴承工作能力计算。,（4）波发生器滚动轴承损坏,48,2、基本构件的材料,1）柔轮材料在传动工作过程中，柔轮反复产生弹性交形，既承受交变弯曲应力，又承受扭转应力，工作条件恶劣。应采用持久疲劳极限。-1350MPa和调质硬度280320HB的合金钢。如38CrMoAlA、40CrNlMoA等。中等载荷与轻载的柔轮，可选用较廉价的30CrMnSiA、35CrMnSiA或60Si2、40Cr等。国内主要采用35CrMnSiA。不锈钢1Cr18Ni10Ti具有很高的塑性，便于旋压，但昂贵而且稀少，密闭谐波齿轮传动的柔轮常采用这种材料。2）刚轮材料刚轮应力远低于柔轮，刚轮材料可采用普通结构钢，如45钢、40Cr等。也可以采用铸铁和箱体铸在一起。,49,3）柔性轴承为了改善柔轮内壁的磨损情况，增加柔轮的刚