【正文】 %以上，而且，嚙合效率的高低與結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取有直接關(guān)系，這也和德國學(xué)者研制的減速器的效率相一致，同時他們也對超環(huán)面蝸桿傳動的摩擦理論以及接觸應(yīng)力進(jìn)行了研究，使得該傳動在理論上不斷完善。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的徐曉俊和張春麗等人在重慶大學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室的資助下提出了用內(nèi)斜齒輪近似代替螺旋超環(huán)面內(nèi)齒輪的方法，通過優(yōu)化設(shè)計和計算機(jī)代數(shù)系統(tǒng)計算，證明傳動機(jī)構(gòu)連續(xù)接觸，并制造出減速器樣機(jī)，但實(shí)驗結(jié)果表明“樣機(jī)傳動平穩(wěn)，載荷不大時噪音較低，而當(dāng)載荷逐漸增大時溫升較快、噪音較大。這導(dǎo)致齒面磨損加重 ，并在加載至實(shí)際承載能力的 70%以上時，超環(huán)面行星蝸桿傳動的關(guān)鍵技術(shù)研究噪音加劇，不得不中斷實(shí)驗的繼續(xù)進(jìn)行”。超環(huán)面行星蝸桿傳動在國內(nèi)的研究尚未成熟，因此在不少領(lǐng)域存在理論和實(shí)踐空白，本文力爭在已有研究的基礎(chǔ)上解決一些關(guān)鍵技術(shù)問題。 在給定的設(shè)計要求的前提下，設(shè)計一個高精度數(shù)控轉(zhuǎn)臺的減速器，重點(diǎn)是解決其蝸輪蝸桿的廓面方程、關(guān)鍵零件的廓面方程求解以及傳動效率的研究，并對其滾動軸承和其它零件進(jìn)行壽命和強(qiáng)度的校核。 6 第二章 減速器的方案設(shè)計 根據(jù)題目的設(shè)計要求，我們知道要實(shí)現(xiàn)較大的減 速比，而一般的形式有多級齒輪傳動，蝸桿傳動以及行星齒輪傳動，另外還有近幾年被研究較多的超環(huán)面行星蝸桿傳動。下面對這幾種傳動方式一一介紹。 由于題目的設(shè)計要求傳動比較大，而圓柱齒輪傳動每級的傳動比閉式的為 35，開式的為 47，故使用齒輪傳動的話就要涉及成三級傳動。齒輪傳動雖然結(jié)構(gòu)簡單，但齒輪相對于軸的結(jié)構(gòu)不對稱，因此要求軸要有較大的剛度。同時采用多級齒輪傳動時，會使結(jié)構(gòu)的尺寸變大，相互尺寸不協(xié)調(diào)，成本高，制造和安裝不方便。而且不能兼顧到每一個齒輪的強(qiáng)度，不能很好的發(fā)揮每 一個齒輪的全部承受 能力，這樣就極大地浪費(fèi)材料。特別是多級齒輪傳動的結(jié)構(gòu)尺寸大，這樣就給潤滑帶來了麻煩，不能集中潤滑；而且大的結(jié)構(gòu)尺寸帶來的直接后果是重量很大，這樣運(yùn)輸和裝卸都很不方便。 蝸桿傳動是在空間交錯的兩軸間傳遞運(yùn)動和動力的一種傳動機(jī)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)較大的傳動比，一般為 580 。由于傳動比大，零件數(shù)目又少，因而結(jié)構(gòu)很緊湊。在蝸桿傳動中，由于蝸桿齒是連續(xù)不斷的螺旋齒，它的蝸輪齒是不斷進(jìn)入嚙合有逐漸退出嚙合的，同時嚙合的齒數(shù)又較多，顧沖擊載荷小，傳動平穩(wěn)，噪聲低。但蝸桿傳動在嚙合處有相對滑動，當(dāng)速度很大時，工作 條件不夠良好時候會產(chǎn)生較嚴(yán)重的摩擦與磨損，從而引起過分發(fā)熱，使?jié)櫥闆r惡化。因此摩擦損失大，效率低；當(dāng)蝸桿的螺旋線升角小于嚙合面的當(dāng)量摩擦角時候，蝸桿傳動便具有自鎖性，此時效率只有 。同時由于摩擦與磨損嚴(yán)重，常需要有色金屬制造蝸輪。綜上所述，蝸桿傳動雖然有傳動平穩(wěn)和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，但它傳動效率低，摩擦與磨損嚴(yán)重，發(fā)熱量大，特別是在功率大的情況下不利于潤滑，會使工作環(huán)境更加惡化 行星齒輪傳動與普通定軸齒輪傳動比較，具有質(zhì)量小，體積小，傳動比大，承載能力強(qiáng)以及傳動平穩(wěn)和傳動效率高等優(yōu) 點(diǎn)；這些已被我國越來越多的機(jī)械工程技術(shù)人員所了解和重視。由于在行星齒輪傳動中有效地利用了功率分流的特點(diǎn)和輸入輸出的同軸性以及合理的采用了內(nèi)嚙合，才使得其具有上述諸多優(yōu)點(diǎn)。行星齒輪傳動不僅適用于高速，大功率，而且適用于低速，大轉(zhuǎn)矩的機(jī)械傳動裝置上，可以用來減速，增速和變速傳動，運(yùn)動的分解和合成，以及一些特殊的應(yīng)用中。行星齒輪的特性要求行星齒輪使用有色金屬的貴重材料，結(jié)構(gòu)設(shè)計乜比較復(fù)雜，制造和安裝角困難，對裝配的精度要求較高， 7 樣就要求素質(zhì)較高的人員來安裝和維修，增加了成本。 超環(huán)面行 星蝸桿傳動 (Tropical Drive)的結(jié)構(gòu)如圖 1所示 ,它由中心桿、行星蝸輪、內(nèi)超環(huán)面齒輪、行星架和行星蝸輪齒 (滾動體 )組成。該機(jī)構(gòu)運(yùn)動時 ,運(yùn)動由中心蝸桿輸入帶動行星蝸輪旋轉(zhuǎn) ,當(dāng)內(nèi)超環(huán)面齒輪固定不動時 ,行星蝸輪作環(huán)狀的螺旋運(yùn)動 ,并通過行星架實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的輸出 ,超環(huán)面行星蝸桿傳動減速器與其他類型傳動的減速器比較 ,在輸入功率 ,材料相同和傳動比不變的情況下 ,重量減少 50%以上 ,而且最多嚙合點(diǎn)可達(dá)到30以上 ,是其它齒輪傳動 (擺線針輪傳動、行星傳動、蝸桿傳動和圓柱齒輪傳動 )的 320倍。 圖 21 超環(huán)面行星蝸桿傳動減速器結(jié)構(gòu)圖 綜上所述，雖然每種傳動裝置都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，也都可以用來完成設(shè)計任務(wù)，但是超環(huán)面行星蝸桿傳動較好的綜合了其他傳動方案的優(yōu)點(diǎn)，使其傳動性能更加優(yōu)越，能夠狠好的滿足設(shè)計的要求，故在本次畢業(yè)設(shè)計中我們采用超環(huán)面行星蝸桿傳動來做減速器 由設(shè)計條件可知： M2=3000Nm 又由公式 21M M i??，已知 i =180 得到 1M = 由減速器的要求，選用交流 伺服電機(jī)，選用韓國 邁克彼恩 Mecapion 品牌的交流伺服電機(jī)。由圖 21得到型號為 AMPSB40GDK1G2180. 8 圖 22 型號選擇圖 轉(zhuǎn)速 扭矩特性 ： 圖 23 轉(zhuǎn)速 扭矩特性 圖 9 外形尺寸 由圖 24： 圖 24 外形尺寸 參數(shù)如下表 21 表 21 電動機(jī)參數(shù) 伺服電機(jī)型號（ APM） SB40G 伺服驅(qū)動器型號（ APD） VS35 法蘭規(guī)格（ □ ） □220 額定功率 [KW] 4 額定扭矩 [] [] 最大扭矩 [] [] 額定轉(zhuǎn)速 [r/min] 1500 最大轉(zhuǎn)速 [r/min] 3,000 慣量 [㎏ ㎡ 10 4] [gf cm s2] 允許負(fù)載慣量 5倍電機(jī)慣量 10 額定功率響應(yīng)率 [KW/s] 速度、位置、檢測型號 標(biāo)準(zhǔn)型號（注 1） 增量型 3000(P/R) 選擇型號 絕對值 ,曼切斯特通信 速度、位置、檢測型號 標(biāo)準(zhǔn)型號（注 1） 增量型 3000(P/R) 選擇型號 絕對值 ,曼切斯特通信 重量 [kg] 11 第三章 超環(huán)面行星蝸桿傳動的基本原理、結(jié)構(gòu)分析 超環(huán)面行星蝸桿傳動中，中心蝸桿軸為運(yùn)動輸入軸，其上有于行星輪輪齒想嚙合的滾道，滾道是由行星輪上的輪齒包絡(luò)而形成的。行星輪上均勻的分布著滾動體，這些滾動體可以自由轉(zhuǎn)動并分別與中心蝸桿和內(nèi)超環(huán)面齒輪上的滾道相嚙合。滾動體有圓錐體，圓柱體，球形體和鼓行齒等，本文以球形滾動體為研究對象。內(nèi)超環(huán)面齒輪相當(dāng)于一般行星傳動的內(nèi)齒輪， 其齒形為均勻分布在內(nèi)圓環(huán)面上的螺旋齒，乜是由行星輪上的輪齒包絡(luò)形成。行星架上裝有行星輪，與該機(jī)構(gòu)的輸出軸相固連。嚙合過程中，行星輪分別為內(nèi)超環(huán)面齒輪和中心蝸桿的環(huán)面所包圍，工作時同時接觸點(diǎn)數(shù)多，是一種新型的傳動形式。 超環(huán)面行星蝸桿傳動的主要優(yōu)點(diǎn)之一是傳動比范圍廣且能實(shí)現(xiàn)較大傳動比，該傳動的傳動比計算同一般行星傳動相類似。假設(shè)中心蝸桿的旋轉(zhuǎn)角速度為ω 1，頭數(shù)為 z1；行星蝸輪的角速度為ω 2，齒數(shù)為 z2；內(nèi)超環(huán)面齒輪的角速度 為ω 3(實(shí)際工作時ω 3=0)，齒數(shù)為 3z；行 星架的角速度為ω h。應(yīng)用轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)的方法，給整個輪系加上一公共角速度 ω h，則該機(jī)構(gòu)變?yōu)槎ㄝS輪系，此時傳動比為： 當(dāng)中心蝸桿和內(nèi)超環(huán)面齒輪的螺旋方向相同時，取“ +”號，反之取“ ”。 由上式得： 上式為超環(huán)面行星蝸桿傳動的傳動比計算公式，由于 1z 通常較小，而 z3 較大固可以實(shí)現(xiàn)較大的傳動比。 由設(shè)計要求的傳動比為 1/180，且由上述公式得可以取 Z1的頭數(shù)為 1 Z2的滾子數(shù)目為 10 Z3的齒數(shù)為 179 超環(huán)面行星蝸桿傳動各傳動輪之間的幾何關(guān)系如右圖所示： 121221HHH zi z???? 2323 32HHH zi z??? ??13111HHzi z??? ? ? 12 圖 31 鄰接關(guān)系 圖中 d1—— 中心蝸桿喉部節(jié)圓直徑 d2—— 行星蝸輪輪齒滾動體幾何中心所在圓周直徑 d3—— 內(nèi)超環(huán)面齒輪節(jié)圓直徑 由圖可知， d1， d2， d3 之間應(yīng)有如下關(guān)系式： d3=d1+2d2 所 以由分析計算得取 d1=114， d2=130， d3=374 將中心蝸桿和內(nèi)超環(huán)面齒輪分 別以喉部節(jié)圓和節(jié)圓為直徑的圓柱體展開， 如圖下圖所示： 圖 32 各零件升角關(guān)系 圖中， λ 1—— 中心蝸桿喉部計算圓螺旋升角 λ 3—— 內(nèi)超環(huán)面齒輪計算圓螺旋升角 t1—— 中心蝸桿端面周節(jié) t2—— 行星蝸輪周節(jié) 13 t3—— 內(nèi)超環(huán)面齒輪端面周節(jié) 設(shè)中心蝸桿、內(nèi)超環(huán)面齒輪均為右旋，由上圖可得： 又由于： 同理： 所以由上面式子有： 此即為為超環(huán)面行星蝸桿傳動中各傳動輪齒數(shù)與螺旋升角之間的關(guān)系。 應(yīng)為 z1=1， Z2=10， Z3=179 且有： 所 以 得各螺旋升角如下表二中。 為使行星傳動功率分流的優(yōu)點(diǎn)充分體現(xiàn)，除了采用環(huán)面蝸桿與內(nèi)超環(huán)面齒輪包容行星蝸輪而增加多點(diǎn)嚙合外，應(yīng)盡量采用多個行星蝸輪。因此，在裝配這些行星蝸輪時，應(yīng)考慮它們必須滿足一定的條件 —— 即超環(huán)面行星蝸桿傳動的裝配條件。 如圖下圖所示，設(shè) k為均勻分布的行星蝸輪個數(shù)，則各行星蝸輪齒輻平面間的中心角 3 2 3/ tantt ??1 2 1/ tantt ??2111tantzd ???? ?1 1 1d t z? ??3 3 2 3( ta n ) /d z t ??? ? ?222 ztd ???3 3 1 1 2ta n / ta n 2z z z??? ? ?0 1 11ta nc osH ai R??? ??????? 14 圖 33 裝配關(guān)系 為 2π /k，設(shè)行星蝸輪 A 在Ι Ι位置能與內(nèi) 超環(huán)面齒輪嚙合，同時也與中心蝸桿嚙合，如果行星蝸輪的齒數(shù) Z2 為偶數(shù)，則在Ι Ι位置時，中心蝸桿的凹槽與內(nèi)超環(huán)面齒輪的凹槽相對應(yīng)。如果行星輪的齒數(shù) Z2 為奇數(shù)，兩中心輪在Ι Ι位置其齒為一凸一凹對應(yīng)。在裝上第一個行星蝸輪后，它們之間的運(yùn)動關(guān)系即被確定而不能隨意調(diào)整。設(shè)內(nèi)超環(huán)面齒輪不動，將行星架沿順時針方向轉(zhuǎn)過為： 2/H k??? ,則行星架上放置行星輪的Ι Ι位置轉(zhuǎn)到了Ⅱ Ⅱ位置，此時中心蝸桿轉(zhuǎn)過1?角度，中心蝸桿端面原來在Ι Ι位置時的D點(diǎn)，此時旋轉(zhuǎn)到 D39。，1?可由 下式算得： 式中符號的意義同前 現(xiàn)空出的Ι Ι位置即可將第二個行星蝸輪裝入。設(shè)行星蝸輪 B的齒數(shù)為 Z2 偶數(shù)，則要求蝸桿轉(zhuǎn)過的角度1?剛好使凹齒與內(nèi)超環(huán)面齒輪凹齒相對應(yīng)，即應(yīng)為 t1 的整數(shù)倍。若行星蝸輪的齒數(shù) Z2 為奇數(shù)，則必有中心蝸桿的凸齒與內(nèi)超環(huán)面齒輪凹齒相對應(yīng)，在行星蝸輪轉(zhuǎn)過 2π /k 角度后，空出的Ι Ι位置也同樣是凸齒與內(nèi)超環(huán)面齒輪的凹齒對應(yīng)，因此中心蝸桿轉(zhuǎn)過1?角，也應(yīng)滿足其對應(yīng)的弧長為 t1的整數(shù)倍，有： 其中 i為正整數(shù)， 1r 為中心蝸桿喉部計算圓半徑。由于1112z t r?? 所以有： 由上兩式可得： k0 表示中心蝸桿與內(nèi)超環(huán)面齒輪螺旋線方向相反。上式中表示行星蝸輪個數(shù) k 與兩個中心蝸桿和內(nèi)超環(huán)面齒輪齒數(shù)之間的關(guān)系 ,即為超環(huán)面行星蝸桿傳動機(jī)構(gòu)的裝配條件。跟據(jù)多方面的考慮 取 K=4 ? ? ? ?1 3 1 3 1 21 / 1 /Hz z z z k???? ? ? ? ?1 11r i t? ? ? ?1 12i z?? ??? ?131k z z i?? 15 的工作以煙臺機(jī)床附件廠 TK13400 數(shù)控轉(zhuǎn)臺的技術(shù)參數(shù)為依據(jù)，數(shù)據(jù)如下 ： 表 31 設(shè)計約束參數(shù) 參數(shù)名稱 數(shù)值 工作臺面直徑 400mm 工作臺面垂直式中心高 260mm 工作臺總厚度 250mm 中心定位孔尺寸 50H6x20 定位鍵寬度 18 18mm 總傳動比 1:/180 工作臺面限最高轉(zhuǎn)速 交流伺服電動機(jī) 4kw 可匹配功率 4kw 分度定位精度 15秒 重復(fù)定位精度 5秒 最大允許驅(qū)動力矩 3000Nm ： 表 32 設(shè)計得出數(shù)據(jù) 參數(shù)名稱 數(shù)值 中心距 a 122mm 中心蝸桿頭數(shù) Z2 1 行星輪輪齒個 Z1 10 內(nèi)超環(huán)面齒輪齒數(shù) Z0 179 行星輪上滾珠體半徑 r 8mm 行星輪計算圓直