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本科毕业设计说明书（论文） 第 37 页 共 37 页1 引言原动机、传动机构和工作机（执行机构）是机械系统的三大基本构成。原动机提供基本的运动和动力，是一种把其它形式的能量转化为机械能的机械，常见的有蒸汽机、内燃机和电动机等。工作机是指利用原动机提供的动力实现物料或信息的传递，克服外载荷而作有用机械功的机械，随机械功能的不同，工作机的运动方式和结构形式也千差万别。由于原动机的单一性、简单性与工作机的多样性、复杂性之间的矛盾，需用传动机构将原动机的运动和动力如加速度、力或力矩的大小和方向等进行转换后传递给工作机的要求，传动机构的存在就是必然的。随着机械向高效、高速、精密和多功能方向发展，对传动机构的功能和性能的要求也越来越高。在实践生产中，常常需要传动装置输出较低的转速及较大的扭矩。但是作为动力输出装置的电机输出的转速却很高，而扭矩很小，因此需要传动装置大幅度降低电机转速，增加输出转矩。目前往往通过采用多级行星轮系或少齿差星轮系来达到这个目的。这两种类型的减速装置，虽然可以提供大减速比，但机构所需要的零件数量相对较多，提高了装置的成本，降低了齿轮减速机构的可靠性。导杆减速装置不同于普通的齿轮减速装置，它结合导杆机构的优点，具有结构简单，构思巧妙，在许多运用场合具有特殊的优越性。例如印刷机的推板机构、柴油机配气机构中的控速横臂导杆装置、导弹发射器中的移动导杆装置等，都利用导杆装置来降低速度，以满足工作机械的需要。本文以导杆减速装置的工作原理、运动分析、结构设计、建立三维装配模型和运动仿真等基本问题为研究目标。由于机械传动机构具有恒功率输出、效率高和成本低等优点，被广泛应用于各种机械系统中。因此。为了改善机械系统的工作性能，必须重视对机械传动系统的研究和开发。科学技术的发展，尤其是信息技术、自动化技术与传统制造业相结合，使得许多过去难以实现的设计要求成为可能，有力地推动了机械传动产品类型的多样化与制造向柔性化方向发展。1.1 选题的背景及意义1.1.1 选题的背景导杆机构在各种机械中早已获得了广泛应用，导杆机构是一种以面为接触的低副传动机构。与齿轮传动机构相比，导杆机构本身就具有齿轮机构所没有的特点。其主要优点有1：(1) 导杆机构中的运动副都是低副，组成运动副的两构件之间为面接触，因而承受的压强小、便于润滑、磨损较轻，可以承受较大的载荷；(2) 导杆构件形状简单，加工方便，构件之间的接触是由构件本身的几何约束来保持的，所以构件工作可靠；(3) 在原动件等速连续运动的条件下，当各构件的相对长度不同时，可使从动件实现多种形式的运动，满足不同的运动规律的要求；(4) 利用导杆机构可满足不同的运动轨迹的要求。导杆机构也存在如下的缺点：(1) 根据从动件所需要的运动规律或轨迹来设计导杆机构比较复杂，而且精度不高；(2) 导杆机构运动是产生的惯性力难以平衡，所以不适用于高速场合。1.1.2 本课题研究的重点 理论上讲导杆分为摆动导杆和转动导杆，理论上看来，导杆减速装置是不能连续工作的，因为它存在不确定位置，作为减速装置，出现运动不确定是不允许的。本课题研究的重点就是如何解决运动不确定的问题。1.2 虚拟建模系统环境1.2.1 概述虚拟设计是以“虚拟现实”(Virtual Reality)技术为基础，以机械产品为对象的先进设计手段，是利用计算机建造虚拟样机，并对其进行分析、仿真，以得到最优设计结果的一种行之有效的方法。虚拟设计系统的三个功能:3D用户界面；选择参数；数据表达和双向数据传输。就“虚拟设计”而言，所有的设计工作都是围绕虚拟原型而展开的，只要虚拟原型能达到要求，则实际产品也能达到设计要求。而传统的设计则是针对物理原型，虚拟设计给物理原型的设计和制造，提出了重要的依据和参考。虚拟设计优点:虚拟设计继承了传统CAD设计的优点，便于借鉴和利用前人的成果和经验；可视化特点，便于改进和修正原有设计:比较传统的现实制造，它不需要反复制造与实验物理样机，从试制阶段起就需要投入大量原料；节省大量人员、厂房，成本低，效率高，风险小；弥补了传统现实设计制造的缺点。目前，伴随着CAD/CAM/CAE技术的日趋成熟，建立在软件集成基础上的虚拟样机技术及其应用也获得了迅速发展。它已经由分析专用研究工具转变为工程师易于掌握的工程技术手段。虚拟样机己经具备处理日益复杂的工程问题的能力，其应用领域包括：汽车制造业、越野车辆和工程机械、航空业、铁道车辆及设备、国防工业、通用机械制造业、造船业、机械电子工业、人机工程学、工程咨询业、运动器械及娱乐设备等。传统的物理样机制造方法是零部件设计方法。设计人员首先进行零件设计，然后将零件组装成物理样机，并通过试验，研究系统的运动。物理样机制造和试验，大大增加了产品开发周期和成本。尽管如此，由于无法在相互作用的零件中确定故障原因，因此，选用的往往不是最优设计方案。整个设计过程，耗费了大量的人力、物力，产品的开发周期比较长，整体效率较低。在虚拟样机技术中，设计人员从系统角度出发对产品进行优化。通过在计算机平台上对机械系统进行建模和仿真，工程师就可以确定子系统和零件的技术要求。在虚拟样机技术的帮助下，工程师们可以应用机械系统仿真软件，在各种虚拟环境下模拟机械系统的运动，快速分析多种设计方案，直至获得最优设计。虚拟样机技木是优化复杂机械系统的强有力的工具。通过建立虚拟样机，可以检查零件的运动干涉，评价系统的振动水平，预测零件的变形，确定作用在零件上的载荷谱。载荷谱是有限元软件包预测关键部位零部件应变水平的重要输入参数。通过反复修改系统动力学模型，仿真试验不同的设计方案，设计人员不必浪费制造、试验物理样机所需时间，就可以获得最优设计方案。因此不但减少了昂贵的物理样机制造费用和试验成本，而且提高了产品设计质量，大大缩短了产品的开发周期。1.2.2 国内虚拟样机技术现状及应用前景目前国际上对虚拟样机的研究已趋于成熟，商品化的软件系统正逐渐在工程设计实践中得以推广、利用。但这项技术在国内仍存在着许多问题，主要表现在以下几个方面:目前国内的研究范围较窄，仅局限在多体系统动力学的领域内，且停留在实验室阶段，尚难以在工程实践中应用。一般来说，对于刚体组成的复杂系统，借助计算机虚拟样机技术进行分析和设计，可以实现产品的最优化。对相关技术研究不足。目前国外已开始将面向技术应用到虚拟样机技术中。机械系统虚拟样机技术涉及到大量描述机械系统机构及组成的多样性和复杂性，必须考虑所存数据的一致性，如何对各种相关信息进行添加、修改、删除、查找等操作，如何使数据与面向对象技术的要求和谐一致等，都要有数据结构来解决，而国内学者很少进行这方面的研究。国内学者在机械系统虚拟样机技术软件系统的开发和商业化工作方面所做的工作远远不够，至今尚未开发出成熟的商业化软件，而国外早已开发出比较先进的、商业化的虚拟样机技术软件，都具有良好的图形用户界面，具有直观、自然、友好、方便等优点。虚拟样机技术的作用是以信息技术、仿真技术、现代设计技术为支持，在产品设计和物理样机实现之前，就可以了解到未来产品的性能或机械系统的状态，从而使人们做出前瞻性的决策，和相应的优化方案。1.2.3 应用软件简介CAXA电子图板软件简介CAXA电子图板是我国自主版权的CAD软件系统，它是为满足国内企业界对计算机辅助设计不断增长的需求，由CAXA郑重推出的。CAXA电子图板是在广大CAXA用户的热切关心下精心开发出来的。自CAXA电子图板DOS版软件发布以来，已经有数万正版用户在不断地使用它，利用它来为社会创造价值和财富。这些热心用户在使用软件的同时，不断地提出合理化的改进建议和功能需求，促进系统的不断完善，使其更好地符合我国工程设计人员的使用习惯，也促使CAXA始终跟踪国内外先进技术，尽力体现科技的最新成果，为用户提供更为全面的软件系统。CAXA电子图板是功能齐全的通用CAD系统。它以交互图形方式，对几何模型进行实时的构造、编辑和修改，并能够存储各类拓扑信息。CAXA电子图板提供形象化的设计手段，帮助设计人员发挥创造性，提高工作效率，缩短新产品的设计周期，把设计人员从繁重的设计绘图工作中解脱出来，并有助于促进产品设计的标准化、系列化、通用化，使得整个设计规范化。CAXA电子图板已经在机械、电子、航空、航天、汽车、船舶、轻工、纺织、建筑及工程建设等领域得到广泛的应用。随着CAXA电子图板的不断完善，它将是设计工作中不可缺少的工具。CAXA电子图板适合于所有需要二维绘图的场合。利用它可以进行零件图设计、装配图设计、零件图组装装配图、装配图拆画零件图、工艺图表设计、平面包装设计、电气图纸设计等。 CAXA电子图板具有以下特点：（1）自主版权、易学易用 本系统是自主版权的中文计算机辅助设计绘图系统，具有友好的用户界面，灵活方便的操作方式。其设计功能和绘图步骤均是从实用角度出发，功能强劲，操作步骤简炼，易于掌握，是您充分发挥创造性思维的有力工具。 系统在绘图过程中提供多种辅助工具，对您进行全方位的支持和帮助，从而对使用者的要求降至最低。您无需具备精深的计算机知识，经过短暂的学习使用即可独立操作，进入实际设计阶段，从而使您的投资能在最短的时间内获得回报。 （2）智能设计、操作简便 系统提供强大的智能化工程标注方式，包括尺寸标注、坐标标注、文字标注、尺寸公差标注、形位公差标注、粗糙度标注等。标注的过程中处处体现“所见即所得”的智能化思想，您只需选择需要标注的方式，系统自动捕捉您的设计意图，具体标注的所有细节均由系统自动完成。系统提供强大的智能化图形绘制和编辑功能，包括基本的点、直线、圆弧、矩形等以及样条线、等距线、椭圆、公式曲线等的绘制，提供裁剪、变换、拉伸、阵列、过渡、粘贴、文字和尺寸的修改等。绘制和编辑过程“所见即所得”。系统采用全面的动态拖画设计，支持动态导航、自动捕捉特征点、自动消隐，具备全程undo/redo功能。（3）体系开放、符合标准 系统全面支持最新国家标准，通过国家机械CAD标准化审查。系统既备有符合国家标准的图框、标题栏等样式供选用，也可制作自己的图框、标题栏。在绘制装配图的零件序号、明细表时，系统自动实现零件序号与明细表联动。明细表还支持Access和Excel数据库接口。系统为使用过其它CAD系统的用户提供了标准的数据接口，可以有效地继承您以前的工作成果以及与其它系统进行数据交换。系统支持对象链接与嵌入，您可以在绘制的图形中插入其它Windows应用程序如Microsoft Word的文档、Microsoft Excel的电子表格等，也可以将绘制的图形嵌入到其它应用程序中。系统支持Truetype矢量字库和Shx形文件，您可以利用中文平台的汉字输入方法输入汉字，方便地在图纸上输入各种字体的文字。（4）参量设计、方便实用 系统提供方便高效的参数化图库，您可以方便地调出预先定义好的标准图形或相似图形进行参数化设计，从而极大地减轻了您的绘图负担。对图形的参量化过程既直观又简便，凡标有尺寸的图形均可参量化入库供以后的调用，未标有尺寸的图形则可作为用户自定义图符来使用。本系统在原有基础上增加了大量国标图库，覆盖了机械设计、电气设计等各个行业。（5）运行环境 系统要求：windows98/2000/xp；P3以上；内存256M以上。推荐配置：windows2000/xp；2Ghz以上CPU；内存512M以上；NVADIA显卡。PRO/ENGINEER软件简介Pro/E是美国参数技术公司（PTC）开发的三维造型设计系统。PTC提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念己成为当今世界机械CAD/CAM/CAE领域的新标准。该软件集零件设计、装配设计、模具设计、钣金设计、运动分析、NC加工等功能于一体，给设计者提供了从未有过的简易、灵活和高效的工具软件。其核心技术特点如下：（1）基于特征建模：特征是一种集成对象，用于在更高层次上表达产品的功能和形状信息。在Pro/E中，特征是指所有的实体和对象，如孔、筋、圆角、倒角、抽壳等，特征是由参数驱动的。也就是说，Pro/E中的所有模型都是由若干个特征组成的，特征是组成模型的最基本要素。如果改变了与特征相关的各种数据信息，则就直接改变了模型的外观等。（2）参数化设计：所谓参数化是指特征之间具有一定的关联关系，这种关系可通过一定的参数（既可以是变量，也可以是关系式）来表示。当外部变量发生改变时，受其影响的参数也会自动发生相应变化。这就决定了由这些参数定义的特征以及相关特征模型也要发生相应变化，而不需要一一修改或重新绘制。参数化设计实际上是通过尺寸驱动来实现的。所谓尺寸驱动就是以模型的尺寸来决定模型的形状。一个模型是由一组具有一定关联关系的尺寸进行定义的。Pro/E中定义的参数包括几何形状参数和定位尺寸参数两种。（3）全数据相关性：Pro/E的所有模块都是全相关的，这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括零件模型、装配体、工程图、制造数据等。全相关性鼓励在开发周期的任一时刻进行设计修改，且不会产生任何损失，使并行工程成为可能。（4）单一集成数据库：与一些传统的CAD/CAM系统所不同的是，Pro/E是建立在单一数据库基础之上。所谓单一数据库，就是工程中所使用的数据信息全部来自一个数据库，整个系统实现全数据相关，从而可使每个独立用户同时开发同一件产品，实现协同工作。近年来，Pro/E在我国的东莞、深圳、广东以及苏、浙等地区被广泛应用于航空航天、机械、电子、模具、工业设计、家用电器等行业。实践证明，采用Pro/E软件进行产品的设计与开发，可有效地提高产品的性能、质量和合格率，缩短开发周期，提升产品的市场竞争力，并为企业带来可观的经济效益和社会效益，因此，Pro/E是工程技术人员从事现代设计的最佳选择。在本课题中，本人选择了Pro/E三维参数化实体设计软件，完成了导杆减速装置的三维实体造型和虚拟装配。2 导杆机构的概念及其设计方法的主导思想2.1 导杆机构的概念导杆是机构中与另一运动构件组成移动副的构件。连架杆中至少有一个构件为导杆的平面四杆机构称为导杆机构。导杆机构可以看成是改变曲柄滑块机构中固定件的位置演化而成。如图2-1a所示的曲柄滑块机构，当取杆1为固定件时，即可得到如图2-1b所示的导杆机构。在该导杆机构中，与构件3组成移动副的构件4称为导杆。构件3称为滑块，可相对导杆滑动，并可随导杆一起绕A点回转。在导杆机构中，通常取杆2为主动件。a b c d图2-1 导杆机构导杆机构分转动导杆机构与摆动导杆机构两种，当机架1的长度l1小于杆2的长度l2时，主动件杆2与从动件（导杆）A均可作整周回转，即为转动导杆机构；当l1l2时，主动件杆作整周回转时，从动件只能作往复摆动，即为摆动导杆机构。图2-2所示的牛头刨床中摆动导杆机构的应用实例。杆BC为主动件，作等速回转运动。当杆BC从BC1回转到BC2时，从动件导杆AD由左极限位置AD1摆动到右极限位置AD2，牛头刨床滑枕的行程D1D2即为工作行程；当杆BC继续由BC2回转到BC1时，导杆AD从AD2摆回AD1，滑枕行程D2D1即为空回行程。显然摆动导杆机构具有急回特性。为了实现滑枕作往复直线运动，在机架A处导杆的导槽中设置了一个滑块，使导杆在摆动时能上下移动。杆BC为传动丝杠，在C点出与铰链（螺母）连接，杆BC的长度可调节，从而实现滑枕行程的调节。图2-2 牛头刨床中的摆动导杆机构当取杆2为固定件（机架）时，即可得到图2-1c所示的曲柄摇块机构。此机构以杆1（或杆4）为主动件。l1l2时，杆1只能作摆动。当杆1作整周回转或摆动时，导杆4相对滑块3滑动，并一起绕C点摆动。滑块3只能绕机架C点摆动，称为摇块。当杆4为主动件在摇块3中移动时，杆1则绕B点回转或摆动。图2-3所示为应用曲柄摇块机构的自翻卸料装置。车厢2可绕车架3上的B点摆动，活塞杆（导杆1）、液压缸（摇块4）可绕车架上的C点摆动，当液压缸中的活塞杆运动时，车厢绕着B点转动，转到一定角度时，货物自动卸下。图2-3 自翻卸料装置中的曲柄摇块机构1-活塞杆 2-车厢 3-车架 4-液压缸当取构件3为固定件时，即可得到图2-1d所示的移动导杆机构。此机构通常以杆1为主动件，杆1回转时，杆2绕C点摆动，杆4仅相对固定滑块作往复移动。图2-4所示的抽水机即采用了移动导杆机构。摆动手柄2，在杆3的支承下，活塞杆1在固定滑块（筒4，即机架）内上下往复移动，实现抽水的动作2。图2-4 抽水机中的移动导杆1-活塞杆 2-手柄 3-杆 4-筒2.2 导杆机构设计的基本问题导杆机构设计的基本问题是根据给定的要求选定机构的型式，确定各构件的尺寸，同时还要满足结构条件（如杆长比恰当等）、动力条件（如适当的传动角等）和运动连续条件等。根据机械的用途和性能要求的不同，对导杆机构设计的要求是多种多样的，但是这些设计要求可归纳为以下三类问题：（1）满足预定的导杆位置要求：即要求导杆能占据一有序系列的预定位置。故这类设计问题要求机构能引导导杆按一定方位通过预定位置，因而又称为刚体引导问题。（2）满足预定的运动规律要求：如要求连杆的转角能够满足预定的对应位移关系；或要求在原动件运动规律一定的条件下，从动件能准确或近似地满足预定的运动规律要求（又称函数生成问题）。（3）满足预定的轨迹要求：即要求在机构运动过程中，导杆上的某些点的轨迹能符合预定的轨迹要求（简称为轨迹生成问题）。导杆机构设计的主要方法：有解析法和作图法。2.3 机械传动系统的方案设计2.3.1 传动系统的作用及其设计过程传动系统位于原动机和执行机构系统之间，其主要作用是将原动机的运动和动力传递给执行机构，使其完成特定的作业要求。在此过程中实现运动速度、运动方向或运动形式的改变，进行运动的合成和分解，实现分路传动和距离传动，实现某些操纵控制功能以及吸振、减振等。传动系统方案设计是机械系统方案设计的重要组成部分。当完成了执行系统的方案设计和原动机的预选型后，即可根据执行机构所需要的运动和动力条件及原动机的类型和性能参数，进行传动系统的方案设计。一般设计过程如下3：（1）确定传动系统的总传动比。（2）选择传动类型，即根据设计任务书中所规定的功能要求，执行系统对动力、传动比或速度变化的要求，以及原动机的工作特性，选择合适的传动装置类型。（3）拟定传动链的布置方案，即根据空间位置、运动和动力传递路线及所选传动装置特点和适用条件，合理拟定传动路线，安排各传动机构的先后顺序，以完成从原动机到各执行机构之间的传动系统的总体布置方案。（4）分配传动比，即根据传动系统的组成方案，将总传动比合理分配至各级传动机构。（5）确定各级传动机构的基本参数和主要几何尺寸，计算传动系统的各项运动学和动力学参数，为各级传动机构的结构设计、强度计算和传动系统方案评价提供依据和指标。（6）绘制传动系统运动简图。2.3.2 传动的类型及其选择传动装置的类型很多，按工作原理的不同，可分为机械传动、液压传动、气压传动、电气传动。根据本课程设计要求，仅说明机械传动。利用机构所实现的传动称为机械传动，其优点是工作稳定、可靠，对环境的干扰不敏感。缺点是响应速度较慢，控制欠灵活。机械传动按传动原理又可分为啮合传动和摩擦传动两大类。此外，连杆机构、凸轮机构、槽轮机构、组合机构等即是执行机构，同时也是传动机构，在传动中起着改变运动形式的作用。选择传动类型时要考虑以下几个方面的因素：（1）符合执行系统的工况要求并与原动机的机械特性相匹配。当原动机的性能完全适应执行机构的工况要求时，可采用无滑动的传动装置使两者同步。当传动机构要求正反向工作或停车反向（如提升机械）或快速反向（如磨床、刨床）时，若选用的原动机不具备此特性，则应在传动系统中设置反向机构。（2）考虑工作要求传递的功率和运动速度。选择传动类型时应优先考虑技术指标中的传递功率和运转速度两项指标。（3）有利于提高传动效率。效率是评定传动质量的一个重要参数，大功率传动时尤其要优先考虑传动效率。原则是：在满足系统功能要求的前提下，优先选用效率高的传动类型；在满足传动比、功率等技术指标的条件下，尽可能选用单级传动，以缩短传动链，提高传动效率。（4）考虑结构布置。应根据原动机输出轴线与执行系统输入轴的相对位置和距离来考虑系统的结构布置，并选择传动类型。（5）考虑经济性。首先考虑选择寿命长的传动类型，其次考虑费用问题，包括初始费用（即制造、安装费用）、运行费用和维护费用。（6）考虑机械安全运转和环境条件。要根据现场条件，包括场地大小、能源条件、工作环境（包括是否多尘、高温、易燃、易爆等），来选择传动类型。3 导杆减速装置的设计原理及参数的确定3.1 导杆减速装置的设计原理3.1.1 导杆机构尺寸图3-1是导杆机构的示意图，根据曲柄和机架的长度关系导杆机构ABC可以分为两种类型：当曲柄AB小于机架AC长（即LABLAC）时，为转动导杆机构，但没有讨论曲柄AB长等于机架AC的长，即LAB=LAC的情况。 图3-1a 图3-1b图3-1 导杆机构图3-1b所示的是曲柄AB与机架AC等长的导杆机构，并分析了它的构态转换。分析了导杆机构的传动函数=（），当LAB=LAC时，则导杆BC的转动中心C位于曲柄AC的活动铰链B的轨迹圆上，BC是轨迹圆的一个弦，设BC弦的弦切角为，BC弦的圆心角为，则该导杆机构的运动函数为： =（） =（）以解析的方式描述了主动件曲柄AB的转角参数和从动件导杆BC的转角参数与机构各构件运动学尺寸之间的关系，即只要机构构件能认为是刚性的，那么传动函数就仅与机构各构件的运动学尺寸有关。下面求解导杆机构ABC在LAB=LAC的情况下的运动函数=（）。设：图3-1b所示为曲柄AB与机架AC等长的导杆机构的任意位置；为曲柄AB在任意位置的转角，为导杆BC在任意位置的转角。由图示可知：导杆BC为半径AC圆上的一个弦，为弦切角；BC弦所对圆心角为曲柄AB的转角。根据几何定理：弦切角等于圆心角的一半，可以写出该导杆机构的传动函数为=/2。由此得到曲柄AB和导杆BC的传动比为 i=/=23.1.2 导杆减速装置的形成将曲柄AB与机架AC等长的导杆机构的曲柄设为输入轴，将导杆BC设为输出轴就形成了传动比为i=2的导杆减速装置。但这种减速装置是不能连续工作的，因为它存在不确定位置。作为减速装置，出现运动不确定状态是不允许的。在=0，=0位置机构发生重叠，为机构运动不确定位置。采用并联机构的方法是解决运动不确定问题的可靠方法。我们采用两个相同的导杆减速机构，180度布置，成功地解决了机构的运动不确定问题，如图3-2a所示。 图3-2a 图3-2b图3-2 导杆减速装置求得的导杆减速装置在运动的过程中，曲柄AB每转动一周，移动副B和移动副B都要通过C点一次，但图3-2a所示移动副结构是不通过C点的。为使移动副B和B能顺利通过点C，需要对副B和B的结构进行创新设计，改移动副为钢球/导槽副，如图3-2b所示。将导杆减速装置运动简图3-2b“物化”，即可设计出导杆减速装置的结构简图。3.2 导杆减速装置的参数确定输入、输出轴材料的选择由于所设计的导杆减速器所传递功率比较小，轴所承受的载荷也比较小，所以材料可以选用45#，调质处理就能满足要求。 输入、输出轴尺寸的确定（1）输入轴4的设计（a）轴的计算：导杆减速器的最大输入功率5为kw,转速800rpm.主要承受扭矩，根据公式：d0A0 （3-1）式中，A0与材料和载荷情况有关的系数，在这里取A0为120d0轴的截面直径（mm）P轴的传递功率（kW） n轴的转速(r/min) 轴材料的需用扭转应力（MPa）输入轴材料取45钢，取 =30 MPa，所以由公式（3-1），d 120 =22.1mm。由于输入轴要通过联轴器与电动机连接，查联轴器尺寸确定输入轴最小直径为30mm，轴的具体结构尺寸如下表：表3-1 输入轴尺寸（mm）轴段IIIIIIIVVVIVII直径25303431404660长度553812238718需要说明的是输入轴是悬臂支承5，采用了两个角接触球轴承反装，以减少悬臂的长度，以尽可能的减少轴的弯曲变形。输入轴与输入圆盘之间是用螺钉来连接的，之所以采用这样的结构是出于加工制造的方便和节约材料来考虑的。输入轴的轴向定位是用锁紧螺母和锁紧垫圈实现的。（b）连接螺钉的校核：输入轴和圆盘选用3个紧定螺钉连接，采用开槽紧定螺钉M56, 根据剪切力公式： （3-2）式中：F受到的横向载荷，Nd螺钉直径，mmZ螺钉数目螺钉材料的许用剪切应力，MPa。螺钉的屈服极限，MPa。n螺钉的安全系数螺钉与转动中心的距离是D=30mm,输入功率P=5KW，转速n=800r/min,其所受的力：F= N MPa= MPa所以，螺钉满足强度要求。（c）输入轴键槽：输入轴键槽6采用平键，选用b=8725。校核键和键槽工作面的挤压和磨损：= （3-3）式中：D轴直径，mmT扭矩，Nmmk键与轮毂的接触高度，mm。 平键k=l键的工作长度，l=L-b则，=80.2MPa，为6090 MPa ,所以，满足挤压校核。剪切应力校核： （3-4）式中：b键的宽度,mmD轴的直径,mmT扭矩,Nmml键的工作长度,mm所以，( MPa)=60 Mpa，满足剪切应力校核，输入轴键选择合适。（2）输出轴（a）轴的计算在这里我们忽略导杆减速器传递功率的损耗，即认为其输出功率等于输入功率是不变的，故P=5kw d0A0 （3-5）输出轴材料选用45钢，=30MPa, 其他参数选取和输入轴一样的数值。所以，d120=27.8mm,圆整为30mm，向外伸出60mm。输出轴的具体机构尺寸如下表：表3-2 输出轴尺寸(mm)轴段IIIIIIIVVVI直径303540455170长度603812401015与输入轴一样为了减少轴的弯曲变形，输出轴也采用两个角接触球轴承反装，以减少轴的悬臂长度，从而减少轴的弯曲变形。输出轴的轴向定位也是用锁紧螺母和锁紧垫圈实现的。（b）连接螺钉的校核输出轴和输出圆盘选用3个螺钉连接，采用开槽紧定螺钉7GB/T M68, 根据剪切力公式： （3-6）式中：F受到的横向载荷，Nd螺钉直径，mmZ螺钉数目螺钉材料的许用剪切应力，MPa。螺钉的屈服极限，MPa。n螺钉的安全系数螺钉与转动中心的距离是D=35mm,输入功率P=5KW，转速n=800r/min,其所受的力：F= N MPa= MPa所以，连接螺钉满足强度要求。（c）输出轴键槽输出轴键槽采用平键，选用b=1010。校核键和键槽工作面的挤压和磨损：= (3-7)式中：D轴直径，mmT扭矩，Nmmk键与轮毂的接触高度，mm。 平键k=l键的工作长度，l=L-b则，= MPa，为6090 MPa所以，满足挤压校核。剪切应力校核： (3-8)式中：b键的宽度,mmD轴的直径,mmT扭矩,Nmml键的工作长度,mm所以，代入数值，得( MPa)=60 MPa（3）轴承的计算和校核输入轴的一端与输入圆盘通过螺钉固定，一端用一对角接触球轴承和箱体固定。输出轴的一端与输出圆盘通过螺钉固定，一端用一对角接触球轴承和箱体固定。轴承只承受径向力，几乎不承受轴向力，而径向力来自于输入输出轴和箱体的自重，径向力为F。Cr= （3-9）式中： Cr基本额定动载荷计算值，NP当量动载荷。按式：P=XF+YF计算F径向载荷，N X-径向动载荷系数F轴向载荷，N Y轴向动载荷系数f寿命系数。f速度系数。f力矩载荷因数，力矩载荷较小时f=1.5， 力矩载荷较大时f=2。f冲击载荷因数。f温度因数。（a）输入轴承的校核要求轴承工作寿命为5000小时，选用7008C轴承。d=35mm, D=68mm, B=15mm, D=8mm, Z=11 , Cr=20.0KN因为F/Fe，所以P=F。查表得，f=1， f=1， f=0.21， f=1.59， f=1 所以，Cr=7.57 P17KN，只须 P2.25KN。而该设计中输入轴承的径向力决达不到2.25KN，所以输入轴承设计合理。（b）输出轴承的校核要求轴承工作寿命为5000小时，选用7009C轴承。d=45mm, D=75mm, B=16mm, D=8mm, Z=12 , Cr=21KN因为F/Fe，所以P=F。查表得，f=1， f=1， f=0.21， f=1.59， f=1 所以，Cr=7.57 P21KN，只须 P2.77KN而该设计中输出轴承的径向力决达不到2.77KN，所以输出轴承设计合理。（4） 输入圆盘的设计和校核为了实现导杆减速装置的运动传递，同时考虑到安装和加工各方面因素，输入轴的运动输出采用圆盘机构，圆盘与轴用骑缝螺钉连接。输入圆盘和输出圆盘的运动传递我采用的“圆柱”和导轨副，“圆柱”用螺纹圆柱销8拧在输入圆盘上的，圆柱销的尺寸是10mm15mm，两个圆柱之间的距离根据设计要求定为70mm。下面对圆柱的强度进行校核：剪切强度的校核F= （N） (3-10)其中：P=5KW，n=400r/min，D=35mmF= （3-11）其中：d=10mm，l=20mm， 在60MPa90MPa之间所以圆柱满足剪切强度。4 导杆减速装置三维模型的建立4.1 Pro/E软件实现建模功能的概述零件建模是产品设计的基础，而组成零件的基本单元是特征。在所有CAD/CAM软件中，建立特征是进行三维造型最基本的操作方法。基本实体特征的建立有着极其重要的地位，它是其他放置实体特征的基体；同时，建立基本实体特征的方法，也是用于建立放置特征和曲面特征10。4.1.1 特征的分类零件的基本建模特征分为基础特征和基本特征，基础特征包括拉伸、旋转特征和扫描与混合类特征。基准特征是用于辅助建立几何特征的特征，在零件的组装或工程图的建立中也扮演着重要的角色。4.1.2 特征的来源及应用Pro/E 4.0是基于特征的参数化造型软件，特征是零件的基本结构要素，它代表零件的形状，在Pro/E中，产品的设计过程就是特征的累计过程。（1）特征“特征”和“特征添加”的概念和方法，是由美国著名的制造业软件系统供应商PTC公司较早提出来的，并将运用到了Pro/E 4.0软件中。目前，“特征”或者“基于特征”的这些术语在CAD领域中频频出现，在创建三维模型时，普遍认为是一种更直接、更有用的创建表达方法。一般来说，“特征”构成一个零件或者装配零件的单元，虽然从几何形状上看，它也包含作为一般三维模型基础的点、线、面或者实体单元，但更重要的是，它具有工程制造意义，也就是说基于特征的三维模型具有常规几何模型所没有的附加的工程制造等信息。用“特征添加”的方法创建三维模型的优点11：（a）表达更符合工程技术人员的习惯，而且三维模型的创建过程与其加工过程十分相近，软件容易上手和深入。（b）添加特征时，可附加三维模型的工程制造等信息。（c）由于在模型的创建阶段，特征结合于零件模型中，并且采用来自数据库德参数化通用特征来定义几何形状，这样在设计进行阶段就可以很容易地作出一个更为丰富的产品工艺，能够有效地支持下游活动的自动化，如模具和刀具等的准备、加工成本的早期评估等。（2）建模方法用Pro/E系统创建零件模型，其方法十分灵活，按大的方法分类，有如下3种10。（a）“积木”式的方法：这是大部分机械零件的实体三维模型的创建方法。这种方法是先创建一个反映主要形状的基础特征，然后在这个基础特征上添加其他的一些特征，如伸出、切槽、倒圆、圆角等。（b）由曲面形成零件实体三维模型的方法：这种方法是先创建零件的曲面特征，然后把曲面转换成实体模型。（c）从装配中生成零件实体三维模型的方法：这种方法是先创建装配体，然后在装配体中创建零件。4.2 用Pro/E软件制作的导杆减速装置的零件图及其总装配图以下是本次课题中完成的重要零件图图4-1 输入轴图4-2 输出轴图4-3 输入圆盘图4-4 输出圆盘图4-5 输入端箱体图4-6 输出端箱体图4-7 输入端深沟球轴承图4-8 输出端深沟球轴承图4-9 输入端端盖图4-10 输出端端盖图4-11 输入轴套杯图4-12 输出轴套杯图4-13 箱体螺母图4-14 箱体螺栓图4-15 输入端锁紧螺母图4-16 输出端锁紧螺母图4-17总装配图5 导杆减速装置的运动仿真Mechanism是Pro/ENGINEER的一个内嵌模块，该模块用于机构分析，包括进行机构设计和仿真所需的全部工具。机构模块的使用界面和操作风格与其他模块十分相似，所以对于Pro/ENGINEER使用者来说很容易上手。另外，由于该软件系统的参数化，并且采用了单一的数据库，当修改设计模型时，系统会自动将所做的修改更新到组件中，以便用户及时发现问题，减少研发费用，提高产品质量。在Pro/ENGINEER Wildfire 4.0中，运动仿真的结果既可以直观的动画形式表现出来，又可以通过参数（曲线图）进行输出，设置好运动环境、运动副后，可以进行分析，并获取分析结果，例如测量位置、速度、加速度等参数12。5.1 机构运动仿真的流程5.1.1 建立运动模型机构运动仿真在装配环境中创建，其基本步骤如下10。（1）创建连接选择“插入”-“元件”-“装配”命令，在“打开”对话框中选择一零件，单击“打开”按钮，出现“插入”操控面板，单击该操控面板中的“用户定义”按钮，即进入连接的设置状态，弹出十一种连接模式供用户选择（其中销钉、滑动杆、圆柱、槽是应用于Mechanism主要的连接）。（2）定义运动副Pro/ENGINEER中提供了三种运动副形式：槽、凸轮、齿轮，其中后面两个需要在Mechanism中设置。通过选择“应用程序”-“机构”命令进入Mechanism界面。（3）伺服电动机伺服电动机需要选取连接轴以施加作用，能够为机构提供驱动，可规定机构以特定的方式运动。可以实现平移、旋转运动，并且能以函数的方式定义运动轮廓。在Mechanism界面中，单击“伺服电动机定义”按钮，会弹出“伺服电动机定义”对话框。5.1.2 设置运动环境设置运动环境分为以下几个方面来介绍13。（1）初始条件 设置初始条件，主要是指定定义初始速度，包括点速度、运动周轴速度、角速度、切线槽速度等。在Mechanism界面中，单击“初始条件定义”按钮，弹出“初始条件定义”对话框。在“快照”选项组中，可以选择“当前屏幕”选项或预先创建的快照，为初始条件定义所有主体的位置。（2）重力单击“重力定义”按钮，会弹出“重力”对话框，可以在该对话框中对重力加速度的数值及方向进行设置。如果在分析的过程中，需要使组件模拟真实的重力环境，需要在“分析定义”对话框的“外部负荷”选项卡中选中“启用重力”复选框。（3）执行电机执行电机需要选取轴施加以作用，可以为运动机构施加载荷。单击“执行电动机定义”按钮，会弹出“执行电动机定义”（4）弹簧通过弹簧可以在运动中产生线性弹力。弹簧在压缩、拉伸或扭转时会产生弹力。单击“弹簧定义”按钮，弹簧设置的操控面板中有“延伸/压缩弹簧”和“扭转弹簧”两个选项。弹力可以使弹簧恢复到原来的位置，弹力的大小与距离平衡位置的位移成正比，弹力大小的公式“F=K*(x-U)”，其中K为弹簧刚度系数，U为弹簧未拉伸时的长度。具体参数可以在控制面板上设置。（5）阻尼器阻尼器是一种负荷类型，可以用来模拟机构的真实的力。阻尼器产生的力消耗运动机构的能量并阻碍其运动。单击“阻尼器定义”按钮，即可弹出阻尼器的控制面板。与弹簧的控制面板类似，有“阻尼器平移运动”和“阻尼器旋转运动”两个选项。阻尼力与应用该阻尼器的图元的速度成正比，而且与其运动方向相反。（6）力/扭矩可应用力或扭矩来模拟机构运动的外部影响。一般来讲，力/扭矩通常是表示机构与另一主体的动态相互作用。单击“力/扭矩定义”按钮，会弹出“力/扭矩定义”对话框。5.1.3 机构分析单击“机构定义分析”按钮，弹出“分析定义”对话框。在“类型”下拉列表框中提供了五种分析类型，分别为“位置”、“运动学”、“动态”、“静态”、“力平衡” 14。“位置”：位置分析可以确定机构能否在采用伺服电动机和连接要求下进行装配。“运动学”：运动分析可以在不考虑作用于系统上的外力的情况下，使机构与伺服电动机一起运动。“动态”：动态分析用于研究作用于机构中各主体上的惯性力、重力和外力之间的关系。“静态”：静态分析可以研究作用在已经达到平衡状态上的主体上的力。“力平衡”：力平衡分析可求出使特定形态中保持固定所需要的力。5.1.4 机构分析获取分析结果主要包括以下几部分内容。（1）回放使用回放功能主要可以实现运动干涉检测、创建运动包络和动态影响捕捉，并将结果以MPEG、JPEG、TIFF或BMP格式进行输出。单击“回放设置”按钮，弹出“回放”对话框。（2）测量使用测量功