導(dǎo)桿減速裝置設(shè)計【說明書+CAD+PROE+仿真】,說明書+CAD+PROE+仿真,導(dǎo)桿減速裝置設(shè)計【說明書+CAD+PROE+仿真】,減速,裝置,設(shè)計,說明書,仿單,cad,proe,仿真
本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 37 頁 共 37 頁
1 引言
原動機、傳動機構(gòu)和工作機（執(zhí)行機構(gòu)）是機械系統(tǒng)的三大基本構(gòu)成。原動機提供基本的運動和動力，是一種把其它形式的能量轉(zhuǎn)化為機械能的機械，常見的有蒸汽機、內(nèi)燃機和電動機等。工作機是指利用原動機提供的動力實現(xiàn)物料或信息的傳遞，克服外載荷而作有用機械功的機械，隨機械功能的不同，工作機的運動方式和結(jié)構(gòu)形式也千差萬別。由于原動機的單一性、簡單性與工作機的多樣性、復(fù)雜性之間的矛盾，需用傳動機構(gòu)將原動機的運動和動力如加速度、力或力矩的大小和方向等進行轉(zhuǎn)換后傳遞給工作機的要求，傳動機構(gòu)的存在就是必然的。隨著機械向高效、高速、精密和多功能方向發(fā)展，對傳動機構(gòu)的功能和性能的要求也越來越高。在實踐生產(chǎn)中，常常需要傳動裝置輸出較低的轉(zhuǎn)速及較大的扭矩。但是作為動力輸出裝置的電機輸出的轉(zhuǎn)速卻很高，而扭矩很小，因此需要傳動裝置大幅度降低電機轉(zhuǎn)速，增加輸出轉(zhuǎn)矩。目前往往通過采用多級行星輪系或少齒差星輪系來達到這個目的。這兩種類型的減速裝置，雖然可以提供大減速比，但機構(gòu)所需要的零件數(shù)量相對較多，提高了裝置的成本，降低了齒輪減速機構(gòu)的可靠性。導(dǎo)桿減速裝置不同于普通的齒輪減速裝置，它結(jié)合導(dǎo)桿機構(gòu)的優(yōu)點，具有結(jié)構(gòu)簡單，構(gòu)思巧妙，在許多運用場合具有特殊的優(yōu)越性。例如印刷機的推板機構(gòu)、柴油機配氣機構(gòu)中的控速橫臂導(dǎo)桿裝置、導(dǎo)彈發(fā)射器中的移動導(dǎo)桿裝置等，都利用導(dǎo)桿裝置來降低速度，以滿足工作機械的需要。
本文以導(dǎo)桿減速裝置的工作原理、運動分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計、建立三維裝配模型和運動仿真等基本問題為研究目標。
由于機械傳動機構(gòu)具有恒功率輸出、效率高和成本低等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各種機械系統(tǒng)中。因此。為了改善機械系統(tǒng)的工作性能，必須重視對機械傳動系統(tǒng)的研究和開發(fā)?？茖W技術(shù)的發(fā)展，尤其是信息技術(shù)、自動化技術(shù)與傳統(tǒng)制造業(yè)相結(jié)合，使得許多過去難以實現(xiàn)的設(shè)計要求成為可能，有力地推動了機械傳動產(chǎn)品類型的多樣化與制造向柔性化方向發(fā)展。
1.1 選題的背景及意義
1.1.1 選題的背景
導(dǎo)桿機構(gòu)在各種機械中早已獲得了廣泛應(yīng)用，導(dǎo)桿機構(gòu)是一種以面為接觸的低副傳動機構(gòu)。與齒輪傳動機構(gòu)相比，導(dǎo)桿機構(gòu)本身就具有齒輪機構(gòu)所沒有的特點。
其主要優(yōu)點有[1]：
(1) 導(dǎo)桿機構(gòu)中的運動副都是低副，組成運動副的兩構(gòu)件之間為面接觸，因而承受的壓強小、便于潤滑、磨損較輕，可以承受較大的載荷；
(2) 導(dǎo)桿構(gòu)件形狀簡單，加工方便，構(gòu)件之間的接觸是由構(gòu)件本身的幾何約束來保持的，所以構(gòu)件工作可靠；
(3) 在原動件等速連續(xù)運動的條件下，當各構(gòu)件的相對長度不同時，可使從動件實現(xiàn)多種形式的運動，滿足不同的運動規(guī)律的要求；
(4) 利用導(dǎo)桿機構(gòu)可滿足不同的運動軌跡的要求。
導(dǎo)桿機構(gòu)也存在如下的缺點：
(1) 根據(jù)從動件所需要的運動規(guī)律或軌跡來設(shè)計導(dǎo)桿機構(gòu)比較復(fù)雜，而且精度不高；
(2) 導(dǎo)桿機構(gòu)運動是產(chǎn)生的慣性力難以平衡，所以不適用于高速場合。
1.1.2 本課題研究的重點
理論上講導(dǎo)桿分為擺動導(dǎo)桿和轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿，理論上看來，導(dǎo)桿減速裝置是不能連續(xù)工作的，因為它存在不確定位置，作為減速裝置，出現(xiàn)運動不確定是不允許的。本課題研究的重點就是如何解決運動不確定的問題。
1.2 虛擬建模系統(tǒng)環(huán)境
1.2.1 概述
虛擬設(shè)計是以“虛擬現(xiàn)實”(Virtual Reality)技術(shù)為基礎(chǔ)，以機械產(chǎn)品為對象的先進設(shè)計手段，是利用計算機建造虛擬樣機，并對其進行分析、仿真，以得到最優(yōu)設(shè)計結(jié)果的一種行之有效的方法。虛擬設(shè)計系統(tǒng)的三個功能:3D用戶界面；選擇參數(shù)；數(shù)據(jù)表達和雙向數(shù)據(jù)傳輸。就“虛擬設(shè)計”而言，所有的設(shè)計工作都是圍繞虛擬原型而展開的，只要虛擬原型能達到要求，則實際產(chǎn)品也能達到設(shè)計要求。而傳統(tǒng)的設(shè)計則是針對物理原型，虛擬設(shè)計給物理原型的設(shè)計和制造，提出了重要的依據(jù)和參考。
虛擬設(shè)計優(yōu)點:虛擬設(shè)計繼承了傳統(tǒng)CAD設(shè)計的優(yōu)點，便于借鑒和利用前人的成果和經(jīng)驗；可視化特點，便于改進和修正原有設(shè)計:比較傳統(tǒng)的現(xiàn)實制造，它不需要反復(fù)制造與實驗物理樣機，從試制階段起就需要投入大量原料；節(jié)省大量人員、廠房，成本低，效率高，風險??；彌補了傳統(tǒng)現(xiàn)實設(shè)計制造的缺點。
目前，伴隨著CAD/CAM/CAE技術(shù)的日趨成熟，建立在軟件集成基礎(chǔ)上的虛擬樣機技術(shù)及其應(yīng)用也獲得了迅速發(fā)展。它已經(jīng)由分析專用研究工具轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ處熞子谡莆盏墓こ碳夹g(shù)手段。虛擬樣機己經(jīng)具備處理日益復(fù)雜的工程問題的能力，其應(yīng)用領(lǐng)域包括：汽車制造業(yè)、越野車輛和工程機械、航空業(yè)、鐵道車輛及設(shè)備、國防工業(yè)、通用機械制造業(yè)、造船業(yè)、機械電子工業(yè)、人機工程學、工程咨詢業(yè)、運動器械及娛樂設(shè)備等。
傳統(tǒng)的物理樣機制造方法是零部件設(shè)計方法。設(shè)計人員首先進行零件設(shè)計，然后將零件組裝成物理樣機，并通過試驗，研究系統(tǒng)的運動。物理樣機制造和試驗，大大增加了產(chǎn)品開發(fā)周期和成本。盡管如此，由于無法在相互作用的零件中確定故障原因，因此，選用的往往不是最優(yōu)設(shè)計方案。整個設(shè)計過程，耗費了大量的人力、物力，產(chǎn)品的開發(fā)周期比較長，整體效率較低。
在虛擬樣機技術(shù)中，設(shè)計人員從系統(tǒng)角度出發(fā)對產(chǎn)品進行優(yōu)化。通過在計算機平臺上對機械系統(tǒng)進行建模和仿真，工程師就可以確定子系統(tǒng)和零件的技術(shù)要求。在虛擬樣機技術(shù)的幫助下，工程師們可以應(yīng)用機械系統(tǒng)仿真軟件，在各種虛擬環(huán)境下模擬機械系統(tǒng)的運動，快速分析多種設(shè)計方案，直至獲得最優(yōu)設(shè)計。
虛擬樣機技木是優(yōu)化復(fù)雜機械系統(tǒng)的強有力的工具。通過建立虛擬樣機，可以檢查零件的運動干涉，評價系統(tǒng)的振動水平，預(yù)測零件的變形，確定作用在零件上的載荷譜。載荷譜是有限元軟件包預(yù)測關(guān)鍵部位零部件應(yīng)變水平的重要輸入?yún)?shù)。通過反復(fù)修改系統(tǒng)動力學模型，仿真試驗不同的設(shè)計方案，設(shè)計人員不必浪費制造、試驗物理樣機所需時間，就可以獲得最優(yōu)設(shè)計方案。因此不但減少了昂貴的物理樣機制造費用和試驗成本，而且提高了產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量，大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。
1.2.2 國內(nèi)虛擬樣機技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用前景
目前國際上對虛擬樣機的研究已趨于成熟，商品化的軟件系統(tǒng)正逐漸在工程設(shè)計實踐中得以推廣、利用。但這項技術(shù)在國內(nèi)仍存在著許多問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面:①目前國內(nèi)的研究范圍較窄，僅局限在多體系統(tǒng)動力學的領(lǐng)域內(nèi)，且停留在實驗室階段，尚難以在工程實踐中應(yīng)用。一般來說，對于剛體組成的復(fù)雜系統(tǒng)，借助計算機虛擬樣機技術(shù)進行分析和設(shè)計，可以實現(xiàn)產(chǎn)品的最優(yōu)化。②對相關(guān)技術(shù)研究不足。目前國外已開始將面向技術(shù)應(yīng)用到虛擬樣機技術(shù)中。機械系統(tǒng)虛擬樣機技術(shù)涉及到大量描述機械系統(tǒng)機構(gòu)及組成的多樣性和復(fù)雜性，必須考慮所存數(shù)據(jù)的一致性，如何對各種相關(guān)信息進行添加、修改、刪除、查找等操作，如何使數(shù)據(jù)與面向?qū)ο蠹夹g(shù)的要求和諧一致等，都要有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來解決，而國內(nèi)學者很少進行這方面的研究。③國內(nèi)學者在機械系統(tǒng)虛擬樣機技術(shù)軟件系統(tǒng)的開發(fā)和商業(yè)化工作方面所做的工作遠遠不夠，至今尚未開發(fā)出成熟的商業(yè)化軟件，而國外早已開發(fā)出比較先進的、商業(yè)化的虛擬樣機技術(shù)軟件，都具有良好的圖形用戶界面，具有直觀、自然、友好、方便等優(yōu)點。
虛擬樣機技術(shù)的作用是以信息技術(shù)、仿真技術(shù)、現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)為支持，在產(chǎn)品設(shè)計和物理樣機實現(xiàn)之前，就可以了解到未來產(chǎn)品的性能或機械系統(tǒng)的狀態(tài)，從而使人們做出前瞻性的決策，和相應(yīng)的優(yōu)化方案。
1.2.3 應(yīng)用軟件簡介
CAXA電子圖板軟件簡介
CAXA電子圖板是我國自主版權(quán)的CAD軟件系統(tǒng)，它是為滿足國內(nèi)企業(yè)界對計算機輔助設(shè)計不斷增長的需求，由CAXA鄭重推出的。CAXA電子圖板是在廣大CAXA用戶的熱切關(guān)心下精心開發(fā)出來的。自CAXA電子圖板DOS版軟件發(fā)布以來，已經(jīng)有數(shù)萬正版用戶在不斷地使用它，利用它來為社會創(chuàng)造價值和財富。這些熱心用戶在使用軟件的同時，不斷地提出合理化的改進建議和功能需求，促進系統(tǒng)的不斷完善，使其更好地符合我國工程設(shè)計人員的使用習慣，也促使CAXA始終跟蹤國內(nèi)外先進技術(shù)，盡力體現(xiàn)科技的最新成果，為用戶提供更為全面的軟件系統(tǒng)。
CAXA電子圖板是功能齊全的通用CAD系統(tǒng)。它以交互圖形方式，對幾何模型進行實時的構(gòu)造、編輯和修改，并能夠存儲各類拓撲信息。CAXA電子圖板提供形象化的設(shè)計手段，幫助設(shè)計人員發(fā)揮創(chuàng)造性，提高工作效率，縮短新產(chǎn)品的設(shè)計周期，把設(shè)計人員從繁重的設(shè)計繪圖工作中解脫出來，并有助于促進產(chǎn)品設(shè)計的標準化、系列化、通用化，使得整個設(shè)計規(guī)范化。
CAXA電子圖板已經(jīng)在機械、電子、航空、航天、汽車、船舶、輕工、紡織、建筑及工程建設(shè)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。隨著CAXA電子圖板的不斷完善，它將是設(shè)計工作中不可缺少的工具。
CAXA電子圖板適合于所有需要二維繪圖的場合。利用它可以進行零件圖設(shè)計、裝配圖設(shè)計、零件圖組裝裝配圖、裝配圖拆畫零件圖、工藝圖表設(shè)計、平面包裝設(shè)計、電氣圖紙設(shè)計等。
CAXA電子圖板具有以下特點：
（1）自主版權(quán)、易學易用
本系統(tǒng)是自主版權(quán)的中文計算機輔助設(shè)計繪圖系統(tǒng)，具有友好的用戶界面，靈活方便的操作方式。其設(shè)計功能和繪圖步驟均是從實用角度出發(fā)，功能強勁，操作步驟簡煉，易于掌握，是您充分發(fā)揮創(chuàng)造性思維的有力工具。
系統(tǒng)在繪圖過程中提供多種輔助工具，對您進行全方位的支持和幫助，從而對使用者的要求降至最低。您無需具備精深的計算機知識，經(jīng)過短暫的學習使用即可獨立操作，進入實際設(shè)計階段，從而使您的投資能在最短的時間內(nèi)獲得回報。
（2）智能設(shè)計、操作簡便
系統(tǒng)提供強大的智能化工程標注方式，包括尺寸標注、坐標標注、文字標注、尺寸公差標注、形位公差標注、粗糙度標注等。標注的過程中處處體現(xiàn)“所見即所得”的智能化思想，您只需選擇需要標注的方式，系統(tǒng)自動捕捉您的設(shè)計意圖，具體標注的所有細節(jié)均由系統(tǒng)自動完成。
系統(tǒng)提供強大的智能化圖形繪制和編輯功能，包括基本的點、直線、圓弧、矩形等以及樣條線、等距線、橢圓、公式曲線等的繪制，提供裁剪、變換、拉伸、陣列、過渡、粘貼、文字和尺寸的修改等。繪制和編輯過程“所見即所得”。
系統(tǒng)采用全面的動態(tài)拖畫設(shè)計，支持動態(tài)導(dǎo)航、自動捕捉特征點、自動消隱，具備全程undo/redo功能。
（3）體系開放、符合標準
系統(tǒng)全面支持最新國家標準，通過國家機械CAD標準化審查。系統(tǒng)既備有符合國家標準的圖框、標題欄等樣式供選用，也可制作自己的圖框、標題欄。在繪制裝配圖的零件序號、明細表時，系統(tǒng)自動實現(xiàn)零件序號與明細表聯(lián)動。明細表還支持Access和Excel數(shù)據(jù)庫接口。
系統(tǒng)為使用過其它CAD系統(tǒng)的用戶提供了標準的數(shù)據(jù)接口，可以有效地繼承您以前的工作成果以及與其它系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。
系統(tǒng)支持對象鏈接與嵌入，您可以在繪制的圖形中插入其它Windows應(yīng)用程序如Microsoft Word的文檔、Microsoft Excel的電子表格等，也可以將繪制的圖形嵌入到其它應(yīng)用程序中。
系統(tǒng)支持Truetype矢量字庫和Shx形文件，您可以利用中文平臺的漢字輸入方法輸入漢字，方便地在圖紙上輸入各種字體的文字。
（4）參量設(shè)計、方便實用
系統(tǒng)提供方便高效的參數(shù)化圖庫，您可以方便地調(diào)出預(yù)先定義好的標準圖形或相似圖形進行參數(shù)化設(shè)計，從而極大地減輕了您的繪圖負擔。對圖形的參量化過程既直觀又簡便，凡標有尺寸的圖形均可參量化入庫供以后的調(diào)用，未標有尺寸的圖形則可作為用戶自定義圖符來使用。
本系統(tǒng)在原有基礎(chǔ)上增加了大量國標圖庫，覆蓋了機械設(shè)計、電氣設(shè)計等各個行業(yè)。
（5）運行環(huán)境
系統(tǒng)要求：windows98/2000/xp；P3以上；內(nèi)存256M以上。
推薦配置：windows2000/xp；2Ghz以上CPU；內(nèi)存512M以上；NVADIA顯卡。
PRO/ENGINEER軟件簡介
Pro/E是美國參數(shù)技術(shù)公司（PTC）開發(fā)的三維造型設(shè)計系統(tǒng)。PTC提出的單一數(shù)據(jù)庫、參數(shù)化、基于特征、全相關(guān)的概念己成為當今世界機械CAD/CAM/CAE領(lǐng)域的新標準。該軟件集零件設(shè)計、裝配設(shè)計、模具設(shè)計、鈑金設(shè)計、運動分析、NC加工等功能于一體，給設(shè)計者提供了從未有過的簡易、靈活和高效的工具軟件。
其核心技術(shù)特點如下：
（1）基于特征建模：特征是一種集成對象，用于在更高層次上表達產(chǎn)品的功能和形狀信息。在Pro/E中，特征是指所有的實體和對象，如孔、筋、圓角、倒角、抽殼等，特征是由參數(shù)驅(qū)動的。也就是說，Pro/E中的所有模型都是由若干個特征組成的，特征是組成模型的最基本要素。如果改變了與特征相關(guān)的各種數(shù)據(jù)信息，則就直接改變了模型的外觀等。
（2）參數(shù)化設(shè)計：所謂參數(shù)化是指特征之間具有一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，這種關(guān)系可通過一定的參數(shù)（既可以是變量，也可以是關(guān)系式）來表示。當外部變量發(fā)生改變時，受其影響的參數(shù)也會自動發(fā)生相應(yīng)變化。這就決定了由這些參數(shù)定義的特征以及相關(guān)特征模型也要發(fā)生相應(yīng)變化，而不需要一一修改或重新繪制。參數(shù)化設(shè)計實際上是通過尺寸驅(qū)動來實現(xiàn)的。所謂尺寸驅(qū)動就是以模型的尺寸來決定模型的形狀。一個模型是由一組具有一定關(guān)聯(lián)關(guān)系的尺寸進行定義的。Pro/E中定義的參數(shù)包括幾何形狀參數(shù)和定位尺寸參數(shù)兩種。
（3）全數(shù)據(jù)相關(guān)性：Pro/E的所有模塊都是全相關(guān)的，這就意味著在產(chǎn)品開發(fā)過程中某一處進行的修改，能夠擴展到整個設(shè)計中，同時自動更新所有的工程文檔，包括零件模型、裝配體、工程圖、制造數(shù)據(jù)等。全相關(guān)性鼓勵在開發(fā)周期的任一時刻進行設(shè)計修改，且不會產(chǎn)生任何損失，使并行工程成為可能。
（4）單一集成數(shù)據(jù)庫：與一些傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)所不同的是，Pro/E是建立在單一數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)之上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中所使用的數(shù)據(jù)信息全部來自一個數(shù)據(jù)庫，整個系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)據(jù)相關(guān)，從而可使每個獨立用戶同時開發(fā)同一件產(chǎn)品，實現(xiàn)協(xié)同工作。
近年來，Pro/E在我國的東莞、深圳、廣東以及蘇、浙等地區(qū)被廣泛應(yīng)用于航空航天、機械、電子、模具、工業(yè)設(shè)計、家用電器等行業(yè)。實踐證明，采用Pro/E軟件進行產(chǎn)品的設(shè)計與開發(fā)，可有效地提高產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和合格率，縮短開發(fā)周期，提升產(chǎn)品的市場競爭力，并為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益和社會效益，因此，Pro/E是工程技術(shù)人員從事現(xiàn)代設(shè)計的最佳選擇。
在本課題中，本人選擇了Pro/E三維參數(shù)化實體設(shè)計軟件，完成了導(dǎo)桿減速裝置的三維實體造型和虛擬裝配。
2 導(dǎo)桿機構(gòu)的概念及其設(shè)計方法的主導(dǎo)思想
2.1 導(dǎo)桿機構(gòu)的概念
導(dǎo)桿是機構(gòu)中與另一運動構(gòu)件組成移動副的構(gòu)件。
連架桿中至少有一個構(gòu)件為導(dǎo)桿的平面四桿機構(gòu)稱為導(dǎo)桿機構(gòu)。
導(dǎo)桿機構(gòu)可以看成是改變曲柄滑塊機構(gòu)中固定件的位置演化而成。如圖2-1a所示的曲柄滑塊機構(gòu)，當取桿1為固定件時，即可得到如圖2-1b所示的導(dǎo)桿機構(gòu)。在該導(dǎo)桿機構(gòu)中，與構(gòu)件3組成移動副的構(gòu)件4稱為導(dǎo)桿。構(gòu)件3稱為滑塊，可相對導(dǎo)桿滑動，并可隨導(dǎo)桿一起繞A點回轉(zhuǎn)。在導(dǎo)桿機構(gòu)中，通常取桿2為主動件。
a b c d
圖2-1 導(dǎo)桿機構(gòu)
導(dǎo)桿機構(gòu)分轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)與擺動導(dǎo)桿機構(gòu)兩種，當機架1的長度l1小于桿2的長度l2時，主動件桿2與從動件（導(dǎo)桿）A均可作整周回轉(zhuǎn)，即為轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)；當l1>l2時，主動件桿作整周回轉(zhuǎn)時，從動件只能作往復(fù)擺動，即為擺動導(dǎo)桿機構(gòu)。圖2-2所示的牛頭刨床中擺動導(dǎo)桿機構(gòu)的應(yīng)用實例。桿BC為主動件，作等速回轉(zhuǎn)運動。當桿BC從BC1回轉(zhuǎn)到BC2時，從動件導(dǎo)桿AD由左極限位置AD1擺動到右極限位置AD2，牛頭刨床滑枕的行程D1D2即為工作行程；當桿BC繼續(xù)由BC2回轉(zhuǎn)到BC1時，導(dǎo)桿AD從AD2擺回AD1，滑枕行程D2D1即為空回行程。顯然擺動導(dǎo)桿機構(gòu)具有急回特性。為了實現(xiàn)滑枕作往復(fù)直線運動，在機架A處導(dǎo)桿的導(dǎo)槽中設(shè)置了一個滑塊，使導(dǎo)桿在擺動時能上下移動。桿BC為傳動絲杠，在C點出與鉸鏈（螺母）連接，桿BC的長度可調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)滑枕行程的調(diào)節(jié)。
圖2-2 牛頭刨床中的擺動導(dǎo)桿機構(gòu)
當取桿2為固定件（機架）時，即可得到圖2-1c所示的曲柄搖塊機構(gòu)。此機構(gòu)以桿1（或桿4）為主動件。l1
l2時，桿1只能作擺動。當桿1作整周回轉(zhuǎn)或擺動時，導(dǎo)桿4相對滑塊3滑動，并一起繞C點擺動。滑塊3只能繞機架C點擺動，稱為搖塊。當桿4為主動件在搖塊3中移動時，桿1則繞B點回轉(zhuǎn)或擺動。圖2-3所示為應(yīng)用曲柄搖塊機構(gòu)的自翻卸料裝置。車廂2可繞車架3上的B點擺動，活塞桿（導(dǎo)桿1）、液壓缸（搖塊4）可繞車架上的C點擺動，當液壓缸中的活塞桿運動時，車廂繞著B點轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)到一定角度時，貨物自動卸下。
圖2-3 自翻卸料裝置中的曲柄搖塊機構(gòu)
1-活塞桿 2-車廂 3-車架 4-液壓缸
當取構(gòu)件3為固定件時，即可得到圖2-1d所示的移動導(dǎo)桿機構(gòu)。此機構(gòu)通常以桿1為主動件，桿1回轉(zhuǎn)時，桿2繞C點擺動，桿4僅相對固定滑塊作往復(fù)移動。圖2-4所示的抽水機即采用了移動導(dǎo)桿機構(gòu)。擺動手柄2，在桿3的支承下，活塞桿1在固定滑塊（筒4，即機架）內(nèi)上下往復(fù)移動，實現(xiàn)抽水的動作[2]。
圖2-4 抽水機中的移動導(dǎo)桿
1-活塞桿 2-手柄 3-桿 4-筒
2.2 導(dǎo)桿機構(gòu)設(shè)計的基本問題
導(dǎo)桿機構(gòu)設(shè)計的基本問題是根據(jù)給定的要求選定機構(gòu)的型式，確定各構(gòu)件的尺寸，同時還要滿足結(jié)構(gòu)條件（如桿長比恰當?shù)龋恿l件（如適當?shù)膫鲃咏堑龋┖瓦\動連續(xù)條件等。
根據(jù)機械的用途和性能要求的不同，對導(dǎo)桿機構(gòu)設(shè)計的要求是多種多樣的，但是這些設(shè)計要求可歸納為以下三類問題：
（1）滿足預(yù)定的導(dǎo)桿位置要求：即要求導(dǎo)桿能占據(jù)一有序系列的預(yù)定位置。故這類設(shè)計問題要求機構(gòu)能引導(dǎo)導(dǎo)桿按一定方位通過預(yù)定位置，因而又稱為剛體引導(dǎo)問題。
（2）滿足預(yù)定的運動規(guī)律要求：如要求連桿的轉(zhuǎn)角能夠滿足預(yù)定的對應(yīng)位移關(guān)系；或要求在原動件運動規(guī)律一定的條件下，從動件能準確或近似地滿足預(yù)定的運動規(guī)律要求（又稱函數(shù)生成問題）。
（3）滿足預(yù)定的軌跡要求：即要求在機構(gòu)運動過程中，導(dǎo)桿上的某些點的軌跡能符合預(yù)定的軌跡要求（簡稱為軌跡生成問題）。
導(dǎo)桿機構(gòu)設(shè)計的主要方法：有解析法和作圖法。
2.3 機械傳動系統(tǒng)的方案設(shè)計
2.3.1 傳動系統(tǒng)的作用及其設(shè)計過程
傳動系統(tǒng)位于原動機和執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)之間，其主要作用是將原動機的運動和動力傳遞給執(zhí)行機構(gòu)，使其完成特定的作業(yè)要求。在此過程中實現(xiàn)運動速度、運動方向或運動形式的改變，進行運動的合成和分解，實現(xiàn)分路傳動和距離傳動，實現(xiàn)某些操縱控制功能以及吸振、減振等。
傳動系統(tǒng)方案設(shè)計是機械系統(tǒng)方案設(shè)計的重要組成部分。當完成了執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計和原動機的預(yù)選型后，即可根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)所需要的運動和動力條件及原動機的類型和性能參數(shù)，進行傳動系統(tǒng)的方案設(shè)計。一般設(shè)計過程如下[3]：
（1）確定傳動系統(tǒng)的總傳動比。
（2）選擇傳動類型，即根據(jù)設(shè)計任務(wù)書中所規(guī)定的功能要求，執(zhí)行系統(tǒng)對動力、傳動比或速度變化的要求，以及原動機的工作特性，選擇合適的傳動裝置類型。
（3）擬定傳動鏈的布置方案，即根據(jù)空間位置、運動和動力傳遞路線及所選傳動裝置特點和適用條件，合理擬定傳動路線，安排各傳動機構(gòu)的先后順序，以完成從原動機到各執(zhí)行機構(gòu)之間的傳動系統(tǒng)的總體布置方案。
（4）分配傳動比，即根據(jù)傳動系統(tǒng)的組成方案，將總傳動比合理分配至各級傳動機構(gòu)。
（5）確定各級傳動機構(gòu)的基本參數(shù)和主要幾何尺寸，計算傳動系統(tǒng)的各項運動學和動力學參數(shù)，為各級傳動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、強度計算和傳動系統(tǒng)方案評價提供依據(jù)和指標。
（6）繪制傳動系統(tǒng)運動簡圖。
2.3.2 傳動的類型及其選擇
傳動裝置的類型很多，按工作原理的不同，可分為機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動、電氣傳動。根據(jù)本課程設(shè)計要求，僅說明機械傳動。
利用機構(gòu)所實現(xiàn)的傳動稱為機械傳動，其優(yōu)點是工作穩(wěn)定、可靠，對環(huán)境的干擾不敏感。缺點是響應(yīng)速度較慢，控制欠靈活。
機械傳動按傳動原理又可分為嚙合傳動和摩擦傳動兩大類。此外，連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、槽輪機構(gòu)、組合機構(gòu)等即是執(zhí)行機構(gòu)，同時也是傳動機構(gòu)，在傳動中起著改變運動形式的作用。
選擇傳動類型時要考慮以下幾個方面的因素：
（1）符合執(zhí)行系統(tǒng)的工況要求并與原動機的機械特性相匹配。
當原動機的性能完全適應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)的工況要求時，可采用無滑動的傳動裝置使兩者同步。
當傳動機構(gòu)要求正反向工作或停車反向（如提升機械）或快速反向（如磨床、刨床）時，若選用的原動機不具備此特性，則應(yīng)在傳動系統(tǒng)中設(shè)置反向機構(gòu)。
（2）考慮工作要求傳遞的功率和運動速度。
選擇傳動類型時應(yīng)優(yōu)先考慮技術(shù)指標中的傳遞功率和運轉(zhuǎn)速度兩項指標。
（3）有利于提高傳動效率。
效率是評定傳動質(zhì)量的一個重要參數(shù)，大功率傳動時尤其要優(yōu)先考慮傳動效率。原則是：在滿足系統(tǒng)功能要求的前提下，優(yōu)先選用效率高的傳動類型；在滿足傳動比、功率等技術(shù)指標的條件下，盡可能選用單級傳動，以縮短傳動鏈，提高傳動效率。
（4）考慮結(jié)構(gòu)布置。
應(yīng)根據(jù)原動機輸出軸線與執(zhí)行系統(tǒng)輸入軸的相對位置和距離來考慮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置，并選擇傳動類型。
（5）考慮經(jīng)濟性。
首先考慮選擇壽命長的傳動類型，其次考慮費用問題，包括初始費用（即制造、安裝費用）、運行費用和維護費用。
（6）考慮機械安全運轉(zhuǎn)和環(huán)境條件。
要根據(jù)現(xiàn)場條件，包括場地大小、能源條件、工作環(huán)境（包括是否多塵、高溫、易燃、易爆等），來選擇傳動類型。
3 導(dǎo)桿減速裝置的設(shè)計原理及參數(shù)的確定
3.1 導(dǎo)桿減速裝置的設(shè)計原理
3.1.1 導(dǎo)桿機構(gòu)尺寸
圖3-1是導(dǎo)桿機構(gòu)的示意圖，根據(jù)曲柄和機架的長度關(guān)系導(dǎo)桿機構(gòu)ABC可以分為兩種類型：當曲柄AB小于機架AC長（即LABLAC）時，為轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)，但沒有討論曲柄AB長等于機架AC的長，即LAB=LAC的情況。
圖3-1a 圖3-1b
圖3-1 導(dǎo)桿機構(gòu)
圖3-1b所示的是曲柄AB與機架AC等長的導(dǎo)桿機構(gòu)，并分析了它的構(gòu)態(tài)轉(zhuǎn)換。分析了導(dǎo)桿機構(gòu)的傳動函數(shù)Ψ=Ψ（φ），當LAB=LAC時，則導(dǎo)桿BC的轉(zhuǎn)動中心C位于曲柄AC的活動鉸鏈B的軌跡圓上，BC是軌跡圓的一個弦，設(shè)BC弦的弦切角為Ψ，BC弦的圓心角為φ，則該導(dǎo)桿機構(gòu)的運動函數(shù)為：
Ψ=Ψ（φ）
Ψ=Ψ（φ）以解析的方式描述了主動件曲柄AB的轉(zhuǎn)角參數(shù)Ψ和從動件導(dǎo)桿BC的轉(zhuǎn)角參數(shù)φ與機構(gòu)各構(gòu)件運動學尺寸之間的關(guān)系，即只要機構(gòu)構(gòu)件能認為是剛性的，那么傳動函數(shù)就僅與機構(gòu)各構(gòu)件的運動學尺寸有關(guān)。下面求解導(dǎo)桿機構(gòu)ABC在LAB=LAC的情況下的運動函數(shù)Ψ=Ψ（φ）。
設(shè)：圖3-1b所示為曲柄AB與機架AC等長的導(dǎo)桿機構(gòu)的任意位置；φ為曲柄AB在任意位置的轉(zhuǎn)角，Ψ為導(dǎo)桿BC在任意位置的轉(zhuǎn)角。由圖示可知：導(dǎo)桿BC為半徑AC圓上的一個弦，Ψ為弦切角；BC弦所對圓心角φ為曲柄AB的轉(zhuǎn)角。
根據(jù)幾何定理：弦切角等于圓心角的一半，可以寫出該導(dǎo)桿機構(gòu)的傳動函數(shù)為Ψ=φ/2。由此得到曲柄AB和導(dǎo)桿BC的傳動比為
i=φ/Ψ=2
3.1.2 導(dǎo)桿減速裝置的形成
將曲柄AB與機架AC等長的導(dǎo)桿機構(gòu)的曲柄設(shè)為輸入軸，將導(dǎo)桿BC設(shè)為輸出軸就形成了傳動比為i=2的導(dǎo)桿減速裝置。但這種減速裝置是不能連續(xù)工作的，因為它存在不確定位置。作為減速裝置，出現(xiàn)運動不確定狀態(tài)是不允許的。
在Ψ=0，φ=0位置機構(gòu)發(fā)生重疊，為機構(gòu)運動不確定位置。
采用并聯(lián)機構(gòu)的方法是解決運動不確定問題的可靠方法。我們采用兩個相同的導(dǎo)桿減速機構(gòu)，180度布置，成功地解決了機構(gòu)的運動不確定問題，
如圖3-2a所示。
圖3-2a 圖3-2b
圖3-2 導(dǎo)桿減速裝置
求得的導(dǎo)桿減速裝置在運動的過程中，曲柄AB每轉(zhuǎn)動一周，移動副B和移動副B都要通過C點一次，但圖3-2a所示移動副結(jié)構(gòu)是不通過C點的。為使移動副B和B能順利通過點C，需要對副B和B的結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新設(shè)計，改移動副為鋼球/導(dǎo)槽副，如圖3-2b所示。
將導(dǎo)桿減速裝置運動簡圖3-2b“物化”，即可設(shè)計出導(dǎo)桿減速裝置的結(jié)構(gòu)簡圖。
3.2 導(dǎo)桿減速裝置的參數(shù)確定
輸入、輸出軸材料的選擇
由于所設(shè)計的導(dǎo)桿減速器所傳遞功率比較小，軸所承受的載荷也比較小，所以材料可以選用45#，調(diào)質(zhì)處理就能滿足要求。
輸入、輸出軸尺寸的確定
（1）輸入軸[4]的設(shè)計
（a）軸的計算：
導(dǎo)桿減速器的最大輸入功率5為kw,轉(zhuǎn)速800rpm.主要承受扭矩，根據(jù)公式：
d0≥A0 （3-1）
式中，A0—與材料和載荷情況有關(guān)的系數(shù)，在這里取A0為120
d0—軸的截面直徑（mm）
P—軸的傳遞功率（kW）
n—軸的轉(zhuǎn)速(r/min)
—軸材料的需用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（MPa）
輸入軸材料取45鋼，取 =30 MPa，所以由公式（3-1），d ≥120× =22.1mm。
由于輸入軸要通過聯(lián)軸器與電動機連接，查聯(lián)軸器尺寸確定輸入軸最小直徑為30mm，軸的具體結(jié)構(gòu)尺寸如下表：
表3-1 輸入軸尺寸（mm）
軸段
I
II
III
IV
V
VI
VII
直徑
φ25
φ30
φ34
φ31
φ40
φ46
φ60
長度
55
38
12
2
38
7
18
需要說明的是輸入軸是懸臂支承[5]，采用了兩個角接觸球軸承反裝，以減少懸臂的長度，以盡可能的減少軸的彎曲變形。輸入軸與輸入圓盤之間是用螺釘來連接的，之所以采用這樣的結(jié)構(gòu)是出于加工制造的方便和節(jié)約材料來考慮的。輸入軸的軸向定位是用鎖緊螺母和鎖緊墊圈實現(xiàn)的。
（b）連接螺釘?shù)男：耍?
輸入軸和圓盤選用3個緊定螺釘連接，采用開槽緊定螺釘M5×6, 根據(jù)剪切力公式： （3-2）
式中：F—受到的橫向載荷，N
d—螺釘直徑，mm
Z—螺釘數(shù)目
—螺釘材料的許用剪切應(yīng)力，MPa。
—螺釘?shù)那O限，MPa。
n—螺釘?shù)陌踩禂?shù)
螺釘與轉(zhuǎn)動中心的距離是D=30mm,輸入功率P=5KW，轉(zhuǎn)速n=800r/min,其所受的力：
F= N
MPa
= MPa
所以，，螺釘滿足強度要求。
（c）輸入軸鍵槽：
輸入軸鍵槽[6]采用平鍵，選用b=8×7×25。
校核鍵和鍵槽工作面的擠壓和磨損：
σ= （3-3）
式中：D—軸直徑，mm
T—扭矩，N·mm
k—鍵與輪轂的接觸高度，mm。 平鍵k=
l—鍵的工作長度，l=L-b
則，σ==80.2MPa ，為60—90 MPa ,所以，滿足擠壓校核。
剪切應(yīng)力校核： （3-4）
式中：b—鍵的寬度,mm
D—軸的直徑,mm
T—扭矩,Nmm
l—鍵的工作長度,mm
所以，( MPa)=60 Mpa，滿足剪切應(yīng)力校核，輸入軸鍵選擇合適。
（2）輸出軸
（a）軸的計算
在這里我們忽略導(dǎo)桿減速器傳遞功率的損耗，即認為其輸出功率等于輸入功率是不變的，故P=5kw
d0≥A0 （3-5）
輸出軸材料選用45鋼，=30MPa, 其他參數(shù)選取和輸入軸一樣的數(shù)值。
所以，d≥120×=27.8mm,圓整為30mm，向外伸出60mm。輸出軸的具體機構(gòu)尺寸如下表：
表3-2 輸出軸尺寸(mm)
軸段
I
II
III
IV
V
VI
直徑
φ30
φ35
φ40
φ45
φ51
φ70
長度
60
38
12
40
10
15
與輸入軸一樣為了減少軸的彎曲變形，輸出軸也采用兩個角接觸球軸承反裝，以減少軸的懸臂長度，從而減少軸的彎曲變形。輸出軸的軸向定位也是用鎖緊螺母和鎖緊墊圈實現(xiàn)的。
（b）連接螺釘?shù)男：?
輸出軸和輸出圓盤選用3個螺釘連接，采用開槽緊定螺釘[7]GB/T M6×8, 根據(jù)剪切力公式： （3-6）
式中：F—受到的橫向載荷，N
d—螺釘直徑，mm
Z—螺釘數(shù)目
—螺釘材料的許用剪切應(yīng)力，MPa。
—螺釘?shù)那O限，MPa。
n—螺釘?shù)陌踩禂?shù)
螺釘與轉(zhuǎn)動中心的距離是D=35mm,輸入功率P=5KW，轉(zhuǎn)速n=800r/min,其所受的力：
F= N
MPa
= MPa
所以，，連接螺釘滿足強度要求。
（c）輸出軸鍵槽
輸出軸鍵槽采用平鍵，選用b=1010。
校核鍵和鍵槽工作面的擠壓和磨損：
σ= (3-7)
式中：D—軸直徑，mm
T—扭矩，N·mm
k—鍵與輪轂的接觸高度，mm。 平鍵k=
l—鍵的工作長度，l=L-b
則，σ= MPa，為60—90 MPa所以，滿足擠壓校核。
剪切應(yīng)力校核：
(3-8)
式中：b—鍵的寬度,mm
D—軸的直徑,mm
T—扭矩,Nmm
l—鍵的工作長度,mm
所以，代入數(shù)值，得( MPa)=60 MPa
（3）軸承的計算和校核
輸入軸的一端與輸入圓盤通過螺釘固定，一端用一對角接觸球軸承和箱體固定。輸出軸的一端與輸出圓盤通過螺釘固定，一端用一對角接觸球軸承和箱體固定。軸承只承受徑向力，幾乎不承受軸向力，而徑向力來自于輸入輸出軸和箱體的自重，徑向力為F。
Cr= （3-9）
式中： Cr—基本額定動載荷計算值，N
P—當量動載荷。按式：P=XF+YF計算
F—徑向載荷，N X--徑向動載荷系數(shù)
F—軸向載荷，N Y—軸向動載荷系數(shù)
f—壽命系數(shù)。
f—速度系數(shù)。
f—力矩載荷因數(shù)，力矩載荷較小時f=1.5， 力矩載荷較大時f=2。
f—沖擊載荷因數(shù)。
f—溫度因數(shù)。
（a）輸入軸承的校核
要求軸承工作壽命為5000小時，選用7008C軸承。
d=35mm, D=68mm, B=15mm, D=8mm, Z=11 , Cr=20.0KN
因為F/F
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