導桿減速器設計,減速器,設計 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 37 頁 共 37 頁 1 引言 原動機、傳動機構和工作機（執(zhí)行機構）是機械系統的三大基本構成。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化為機械能的機械，常見的有蒸汽機、內燃機和電動機等。工作機是指利用原動機提供的動力實現物料或信息的傳遞，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構形式也千差萬別。由于原動機的單一性、簡單性與工作機的多樣性、復雜性之間的矛盾，需用傳動機構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換后傳遞給工作機的要求，傳動機構的存在就是必然的。隨著機械向高效、高速、精密和多功能方向發(fā)展，對傳動機構的功能和性能的要求也越來越高。在實踐生產中，常常需要傳動裝置輸出較低的轉速及較大的扭矩。但是作為動力輸出裝置的電機輸出的轉速卻很高，而扭矩很小，因此需要傳動裝置大幅度降低電機轉速，增加輸出轉矩。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，但機構所需要的零件數量相對較多，提高了裝置的成本，降低了齒輪減速機構的可靠性。導桿減速裝置不同于普通的齒輪減速裝置，它結合導桿機構的優(yōu)點，具有結構簡單，構思巧妙，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、柴油機配氣機構中的控速橫臂導桿裝置、導彈發(fā)射器中的移動導桿裝置等，都利用導桿裝置來降低速度，以滿足工作機械的需要。 本文以導桿減速裝置的工作原理、運動分析、結構設計、建立三維裝配模型和運動仿真等基本問題為研究目標。 由于機械傳動機構具有恒功率輸出、效率高和成本低等優(yōu)點，被廣泛應用于各種機械系統中。因此。為了改善機械系統的工作性能，必須重視對機械傳動系統的研究和開發(fā)?？茖W技術的發(fā)展，尤其是信息技術、自動化技術與傳統制造業(yè)相結合，使得許多過去難以實現的設計要求成為可能，有力地推動了機械傳動產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 導桿機構在各種機械中早已獲得了廣泛應用，導桿機構是一種以面為接觸的低副傳動機構。與齒輪傳動機構相比，導桿機構本身就具有齒輪機構所沒有的特點。 其主要優(yōu)點有[1]： (1) 導桿機構中的運動副都是低副，組成運動副的兩構件之間為面接觸，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) 導桿構件形狀簡單，加工方便，構件之間的接觸是由構件本身的幾何約束來保持的，所以構件工作可靠； (3) 在原動件等速連續(xù)運動的條件下，當各構件的相對長度不同時，可使從動件實現多種形式的運動，滿足不同的運動規(guī)律的要求； (4) 利用導桿機構可滿足不同的運動軌跡的要求。 導桿機構也存在如下的缺點： (1) 根據從動件所需要的運動規(guī)律或軌跡來設計導桿機構比較復雜，而且精度不高； (2) 導桿機構運動是產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 理論上講導桿分為擺動導桿和轉動導桿，理論上看來，導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 虛擬建模系統環(huán)境 1.2.1 概述 虛擬設計是以“虛擬現實”(Virtual Reality)技術為基礎，以機械產品為對象的先進設計手段，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)設計結果的一種行之有效的方法。虛擬設計系統的三個功能:3D用戶界面；選擇參數；數據表達和雙向數據傳輸。就“虛擬設計”而言，所有的設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，則實際產品也能達到設計要求。而傳統的設計則是針對物理原型，虛擬設計給物理原型的設計和制造，提出了重要的依據和參考。 虛擬設計優(yōu)點:虛擬設計繼承了傳統CAD設計的優(yōu)點，便于借鑒和利用前人的成果和經驗；可視化特點，便于改進和修正原有設計:比較傳統的現實制造，它不需要反復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??；彌補了傳統現實設計制造的缺點。 目前，伴隨著CAD/CAM/CAE技術的日趨成熟，建立在軟件集成基礎上的虛擬樣機技術及其應用也獲得了迅速發(fā)展。它已經由分析專用研究工具轉變?yōu)楣こ處熞子谡莆盏墓こ碳夹g手段。虛擬樣機己經具備處理日益復雜的工程問題的能力，其應用領域包括：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)、運動器械及娛樂設備等。 傳統的物理樣機制造方法是零部件設計方法。設計人員首先進行零件設計，然后將零件組裝成物理樣機，并通過試驗，研究系統的運動。物理樣機制造和試驗，大大增加了產品開發(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)設計方案。整個設計過程，耗費了大量的人力、物力，產品的開發(fā)周期比較長，整體效率較低。 在虛擬樣機技術中，設計人員從系統角度出發(fā)對產品進行優(yōu)化。通過在計算機平臺上對機械系統進行建模和仿真，工程師就可以確定子系統和零件的技術要求。在虛擬樣機技術的幫助下，工程師們可以應用機械系統仿真軟件，在各種虛擬環(huán)境下模擬機械系統的運動，快速分析多種設計方案，直至獲得最優(yōu)設計。 虛擬樣機技木是優(yōu)化復雜機械系統的強有力的工具。通過建立虛擬樣機，可以檢查零件的運動干涉，評價系統的振動水平，預測零件的變形，確定作用在零件上的載荷譜。載荷譜是有限元軟件包預測關鍵部位零部件應變水平的重要輸入參數。通過反復修改系統動力學模型，仿真試驗不同的設計方案，設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，而且提高了產品設計質量，大大縮短了產品的開發(fā)周期。 1.2.2 國內虛擬樣機技術現狀及應用前景 目前國際上對虛擬樣機的研究已趨于成熟，商品化的軟件系統正逐漸在工程設計實踐中得以推廣、利用。但這項技術在國內仍存在著許多問題，主要表現在以下幾個方面:①目前國內的研究范圍較窄，僅局限在多體系統動力學的領域內，且停留在實驗室階段，尚難以在工程實踐中應用。一般來說，對于剛體組成的復雜系統，借助計算機虛擬樣機技術進行分析和設計，可以實現產品的最優(yōu)化。②對相關技術研究不足。目前國外已開始將面向技術應用到虛擬樣機技術中。機械系統虛擬樣機技術涉及到大量描述機械系統機構及組成的多樣性和復雜性，必須考慮所存數據的一致性，如何對各種相關信息進行添加、修改、刪除、查找等操作，如何使數據與面向對象技術的要求和諧一致等，都要有數據結構來解決，而國內學者很少進行這方面的研究。③國內學者在機械系統虛擬樣機技術軟件系統的開發(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。 虛擬樣機技術的作用是以信息技術、仿真技術、現代設計技術為支持，在產品設計和物理樣機實現之前，就可以了解到未來產品的性能或機械系統的狀態(tài)，從而使人們做出前瞻性的決策，和相應的優(yōu)化方案。 1.2.3 應用軟件簡介 CAXA電子圖板軟件簡介 CAXA電子圖板是我國自主版權的CAD軟件系統，它是為滿足國內企業(yè)界對計算機輔助設計不斷增長的需求，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，已經有數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，促進系統的不斷完善，使其更好地符合我國工程設計人員的使用習慣，也促使CAXA始終跟蹤國內外先進技術，盡力體現科技的最新成果，為用戶提供更為全面的軟件系統。 CAXA電子圖板是功能齊全的通用CAD系統。它以交互圖形方式，對幾何模型進行實時的構造、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計手段，幫助設計人員發(fā)揮創(chuàng)造性，提高工作效率，縮短新產品的設計周期，把設計人員從繁重的設計繪圖工作中解脫出來，并有助于促進產品設計的標準化、系列化、通用化，使得整個設計規(guī)范化。 CAXA電子圖板已經在機械、電子、航空、航天、汽車、船舶、輕工、紡織、建筑及工程建設等領域得到廣泛的應用。隨著CAXA電子圖板的不斷完善，它將是設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計、裝配圖設計、零件圖組裝裝配圖、裝配圖拆畫零件圖、工藝圖表設計、平面包裝設計、電氣圖紙設計等。 CAXA電子圖板具有以下特點： （1）自主版權、易學易用 本系統是自主版權的中文計算機輔助設計繪圖系統，具有友好的用戶界面，靈活方便的操作方式。其設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，經過短暫的學習使用即可獨立操作，進入實際設計階段，從而使您的投資能在最短的時間內獲得回報。 （2）智能設計、操作簡便 系統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“所見即所得”的智能化思想，您只需選擇需要標注的方式，系統自動捕捉您的設計意圖，具體標注的所有細節(jié)均由系統自動完成。 系統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”。 系統采用全面的動態(tài)拖畫設計，支持動態(tài)導航、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 系統全面支持最新國家標準，通過國家機械CAD標準化審查。系統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，系統自動實現零件序號與明細表聯動。明細表還支持Access和Excel數據庫接口。 系統為使用過其它CAD系統的用戶提供了標準的數據接口，可以有效地繼承您以前的工作成果以及與其它系統進行數據交換。 系統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用程序中。 系統支持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）參量設計、方便實用 系統提供方便高效的參數化圖庫，您可以方便地調出預先定義好的標準圖形或相似圖形進行參數化設計，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。 本系統在原有基礎上增加了大量國標圖庫，覆蓋了機械設計、電氣設計等各個行業(yè)。 （5）運行環(huán)境 系統要求：windows98/2000/xp；P3以上；內存256M以上。 推薦配置：windows2000/xp；2Ghz以上CPU；內存512M以上；NVADIA顯卡。 PRO/ENGINEER軟件簡介 Pro/E是美國參數技術公司（PTC）開發(fā)的三維造型設計系統。PTC提出的單一數據庫、參數化、基于特征、全相關的概念己成為當今世界機械CAD/CAM/CAE領域的新標準。該軟件集零件設計、裝配設計、模具設計、鈑金設計、運動分析、NC加工等功能于一體，給設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，特征是由參數驅動的。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的各種數據信息，則就直接改變了模型的外觀等。 （2）參數化設計：所謂參數化是指特征之間具有一定的關聯關系，這種關系可通過一定的參數（既可以是變量，也可以是關系式）來表示。當外部變量發(fā)生改變時，受其影響的參數也會自動發(fā)生相應變化。這就決定了由這些參數定義的特征以及相關特征模型也要發(fā)生相應變化，而不需要一一修改或重新繪制。參數化設計實際上是通過尺寸驅動來實現的。所謂尺寸驅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聯關系的尺寸進行定義的。Pro/E中定義的參數包括幾何形狀參數和定位尺寸參數兩種。 （3）全數據相關性：Pro/E的所有模塊都是全相關的，這就意味著在產品開發(fā)過程中某一處進行的修改，能夠擴展到整個設計中，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、制造數據等。全相關性鼓勵在開發(fā)周期的任一時刻進行設計修改，且不會產生任何損失，使并行工程成為可能。 （4）單一集成數據庫：與一些傳統的CAD/CAM系統所不同的是，Pro/E是建立在單一數據庫基礎之上。所謂單一數據庫，就是工程中所使用的數據信息全部來自一個數據庫，整個系統實現全數據相關，從而可使每個獨立用戶同時開發(fā)同一件產品，實現協同工作。 近年來，Pro/E在我國的東莞、深圳、廣東以及蘇、浙等地區(qū)被廣泛應用于航空航天、機械、電子、模具、工業(yè)設計、家用電器等行業(yè)。實踐證明，采用Pro/E軟件進行產品的設計與開發(fā)，可有效地提高產品的性能、質量和合格率，縮短開發(fā)周期，提升產品的市場競爭力，并為企業(yè)帶來可觀的經濟效益和社會效益，因此，Pro/E是工程技術人員從事現代設計的最佳選擇。 在本課題中，本人選擇了Pro/E三維參數化實體設計軟件，完成了導桿減速裝置的三維實體造型和虛擬裝配。 2 導桿機構的概念及其設計方法的主導思想 2.1 導桿機構的概念 導桿是機構中與另一運動構件組成移動副的構件。 連架桿中至少有一個構件為導桿的平面四桿機構稱為導桿機構。 導桿機構可以看成是改變曲柄滑塊機構中固定件的位置演化而成。如圖2-1a所示的曲柄滑塊機構，當取桿1為固定件時，即可得到如圖2-1b所示的導桿機構。在該導桿機構中，與構件3組成移動副的構件4稱為導桿。構件3稱為滑塊，可相對導桿滑動，并可隨導桿一起繞A點回轉。在導桿機構中，通常取桿2為主動件。 a b c d 圖2-1 導桿機構 導桿機構分轉動導桿機構與擺動導桿機構兩種，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（導桿）A均可作整周回轉，即為轉動導桿機構；當l1>l2時，主動件桿作整周回轉時，從動件只能作往復擺動，即為擺動導桿機構。圖2-2所示的牛頭刨床中擺動導桿機構的應用實例。桿BC為主動件，作等速回轉運動。當桿BC從BC1回轉到BC2時，從動件導桿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回轉到BC1時，導桿AD從AD2擺回AD1，滑枕行程D2D1即為空回行程。顯然擺動導桿機構具有急回特性。為了實現滑枕作往復直線運動，在機架A處導桿的導槽中設置了一個滑塊，使導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的長度可調節(jié)，從而實現滑枕行程的調節(jié)。 圖2-2 牛頭刨床中的擺動導桿機構 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。此機構以桿1（或桿4）為主動件。l1l2時，桿1只能作擺動。當桿1作整周回轉或擺動時，導桿4相對滑塊3滑動，并一起繞C點擺動?；瑝K3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點回轉或擺動。圖2-3所示為應用曲柄搖塊機構的自翻卸料裝置。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點轉動，轉到一定角度時，貨物自動卸下。 圖2-3 自翻卸料裝置中的曲柄搖塊機構 1-活塞桿 2-車廂 3-車架 4-液壓缸 當取構件3為固定件時，即可得到圖2-1d所示的移動導桿機構。此機構通常以桿1為主動件，桿1回轉時，桿2繞C點擺動，桿4僅相對固定滑塊作往復移動。圖2-4所示的抽水機即采用了移動導桿機構。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）內上下往復移動，實現抽水的動作[2]。 圖2-4 抽水機中的移動導桿 1-活塞桿 2-手柄 3-桿 4-筒 2.2 導桿機構設計的基本問題 導桿機構設計的基本問題是根據給定的要求選定機構的型式，確定各構件的尺寸，同時還要滿足結構條件（如桿長比恰當等）、動力條件（如適當的傳動角等）和運動連續(xù)條件等。 根據機械的用途和性能要求的不同，對導桿機構設計的要求是多種多樣的，但是這些設計要求可歸納為以下三類問題： （1）滿足預定的導桿位置要求：即要求導桿能占據一有序系列的預定位置。故這類設計問題要求機構能引導導桿按一定方位通過預定位置，因而又稱為剛體引導問題。 （2）滿足預定的運動規(guī)律要求：如要求連桿的轉角能夠滿足預定的對應位移關系；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定的運動規(guī)律要求（又稱函數生成問題）。 （3）滿足預定的軌跡要求：即要求在機構運動過程中，導桿上的某些點的軌跡能符合預定的軌跡要求（簡稱為軌跡生成問題）。 導桿機構設計的主要方法：有解析法和作圖法。 2.3 機械傳動系統的方案設計 2.3.1 傳動系統的作用及其設計過程 傳動系統位于原動機和執(zhí)行機構系統之間，其主要作用是將原動機的運動和動力傳遞給執(zhí)行機構，使其完成特定的作業(yè)要求。在此過程中實現運動速度、運動方向或運動形式的改變，進行運動的合成和分解，實現分路傳動和距離傳動，實現某些操縱控制功能以及吸振、減振等。 傳動系統方案設計是機械系統方案設計的重要組成部分。當完成了執(zhí)行系統的方案設計和原動機的預選型后，即可根據執(zhí)行機構所需要的運動和動力條件及原動機的類型和性能參數，進行傳動系統的方案設計。一般設計過程如下[3]： （1）確定傳動系統的總傳動比。 （2）選擇傳動類型，即根據設計任務書中所規(guī)定的功能要求，執(zhí)行系統對動力、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，安排各傳動機構的先后順序，以完成從原動機到各執(zhí)行機構之間的傳動系統的總體布置方案。 （4）分配傳動比，即根據傳動系統的組成方案，將總傳動比合理分配至各級傳動機構。 （5）確定各級傳動機構的基本參數和主要幾何尺寸，計算傳動系統的各項運動學和動力學參數，為各級傳動機構的結構設計、強度計算和傳動系統方案評價提供依據和指標。 （6）繪制傳動系統運動簡圖。 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。根據本課程設計要求，僅說明機械傳動。 利用機構所實現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、凸輪機構、槽輪機構、組合機構等即是執(zhí)行機構，同時也是傳動機構，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執(zhí)行機構的工況要求時，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，則應在傳動系統中設置反向機構。 （2）考慮工作要求傳遞的功率和運動速度。 選擇傳動類型時應優(yōu)先考慮技術指標中的傳遞功率和運轉速度兩項指標。 （3）有利于提高傳動效率。 效率是評定傳動質量的一個重要參數，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）考慮結構布置。 應根據原動機輸出軸線與執(zhí)行系統輸入軸的相對位置和距離來考慮系統的結構布置，并選擇傳動類型。 （5）考慮經濟性。 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）考慮機械安全運轉和環(huán)境條件。 要根據現場條件，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 導桿減速裝置的設計原理及參數的確定 3.1 導桿減速裝置的設計原理 3.1.1 導桿機構尺寸 圖3-1是導桿機構的示意圖，根據曲柄和機架的長度關系導桿機構ABC可以分為兩種類型：當曲柄AB小于機架AC長（即LABLAC）時，為轉動導桿機構，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 導桿機構 圖3-1b所示的是曲柄AB與機架AC等長的導桿機構，并分析了它的構態(tài)轉換。分析了導桿機構的傳動函數Ψ=Ψ（φ），當LAB=LAC時，則導桿BC的轉動中心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BC弦的弦切角為Ψ，BC弦的圓心角為φ，則該導桿機構的運動函數為： Ψ=Ψ（φ） Ψ=Ψ（φ）以解析的方式描述了主動件曲柄AB的轉角參數Ψ和從動件導桿BC的轉角參數φ與機構各構件運動學尺寸之間的關系，即只要機構構件能認為是剛性的，那么傳動函數就僅與機構各構件的運動學尺寸有關。下面求解導桿機構ABC在LAB=LAC的情況下的運動函數Ψ=Ψ（φ）。 設：圖3-1b所示為曲柄AB與機架AC等長的導桿機構的任意位置；φ為曲柄AB在任意位置的轉角，Ψ為導桿BC在任意位置的轉角。由圖示可知：導桿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的轉角。 根據幾何定理：弦切角等于圓心角的一半，可以寫出該導桿機構的傳動函數為Ψ=φ/2。由此得到曲柄AB和導桿BC的傳動比為 i=φ/Ψ=2 3.1.2 導桿減速裝置的形成 將曲柄AB與機架AC等長的導桿機構的曲柄設為輸入軸，將導桿BC設為輸出軸就形成了傳動比為i=2的導桿減速裝置。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，出現運動不確定狀態(tài)是不允許的。 在Ψ=0，φ=0位置機構發(fā)生重疊，為機構運動不確定位置。 采用并聯機構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桿減速機構，180度布置，成功地解決了機構的運動不確定問題， 如圖3-2a所示。 圖3-2a 圖3-2b 圖3-2 導桿減速裝置 求得的導桿減速裝置在運動的過程中，曲柄AB每轉動一周，移動副B和移動副B都要通過C點一次，但圖3-2a所示移動副結構是不通過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的結構進行創(chuàng)新設計，改移動副為鋼球/導槽副，如圖3-2b所示。 將導桿減速裝置運動簡圖3-2b“物化”，即可設計出導桿減速裝置的結構簡圖。 3.2 導桿減速裝置的參數確定 輸入、輸出軸材料的選擇 由于所設計的導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#，調質處理就能滿足要求。 輸入、輸出軸尺寸的確定 （1）輸入軸[4]的設計 （a）軸的計算： 導桿減速器的最大輸入功率5為kw,轉速800rpm.主要承受扭矩，根據公式： d0≥A0 （3-1） 式中，A0—與材料和載荷情況有關的系數，在這里取A0為120 d0—軸的截面直徑（mm） P—軸的傳遞功率（kW） n—軸的轉速(r/min) —軸材料的需用扭轉應力（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軸器與電動機連接，查聯軸器尺寸確定輸入軸最小直徑為30mm，軸的具體結構尺寸如下表： 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構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的。 （b）連接螺釘的校核： 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—螺釘數目 —螺釘材料的許用剪切應力，MPa。 —螺釘的屈服極限，MPa。 n—螺釘的安全系數 螺釘與轉動中心的距離是D=30mm,輸入功率P=5KW，轉速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, 其他參數選取和輸入軸一樣的數值。 所以，d≥120×=27.8mm,圓整為30mm，向外伸出60mm。輸出軸的具體機構尺寸如下表： 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的。 （b）連接螺釘的校核 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—螺釘數目 —螺釘材料的許用剪切應力，MPa。 —螺釘的屈服極限，MPa。 n—螺釘的安全系數 螺釘與轉動中心的距離是D=35mm,輸入功率P=5KW，轉速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 F—軸向載荷，N Y—軸向動載荷系數 f—壽命系數。 f—速度系數。 f—力矩載荷因數，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。 f—溫度因數。 （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

收藏