【正文】 對象結(jié)構(gòu)特征，選用適當(dāng)?shù)膯卧愋秃蛥?shù)進(jìn)行劃分。本課題所設(shè)計(jì)的一對嚙合圓錐齒輪選用單元類型為3D四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格參數(shù)大小為10mm。劃分結(jié)果如圖51。所有有限元模型都必須有指定的材料，每一種材料均有相應(yīng)的材料特性和數(shù)值定義。各種材料己經(jīng)按照基本特性(各向同性、正交各向同性、各向異性等)進(jìn)行分類，在相應(yīng)類別材料庫附有大部分常用材料。也可以通過指定材料各種參數(shù)，生成一種新的材料供使用。 本課題定義的錐齒輪材料類型為20Cr。圖51 網(wǎng)格劃分結(jié)果 圖52 仿真對象添加的邊界條件載荷、約束和仿真對象都被認(rèn)為是邊界條件。本課題所仿真的一對嚙合錐齒輪所設(shè)定的邊界條件是：位于懸臂梁上的齒輪添加固定約束，位于簡支梁上的齒輪在其齒的一側(cè)添加圓柱形約束，在齒輪根部一側(cè)添加的載荷類型為扭矩，具體數(shù)值為2578Nm。 而兩齒輪的其中一對嚙合輪齒則是仿真對象，類型是曲面與曲面接觸。如圖52。保持其原來的一些關(guān)鍵特征，從而得到關(guān)鍵特征的詳細(xì)分析結(jié)果。有限元分析過程中既有大量的初始信息需要加工，同時也產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的結(jié)果信息。這些信息要被分析者理解并加以利用，必須進(jìn)行進(jìn)一步的加工處理。后處理就是應(yīng)用可視化技術(shù)，將分析結(jié)果以顏色、密度、透明度等手段，變不可見為可見，使應(yīng)力、應(yīng)變、位移等物理量直觀顯現(xiàn)出來。齒輪嚙合工作的過程中，可能會出現(xiàn)輪齒折斷的現(xiàn)象，在正常工況下，主要是齒根彎曲折斷。因?yàn)樵谳嘄X受載時，齒根處產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力最大，再加上齒根過度部分的截面突變及加工刀痕等引起的應(yīng)力集中作用，當(dāng)輪齒重復(fù)受載后，齒根處就會產(chǎn)生疲勞裂紋，并逐步擴(kuò)展，致使輪齒疲勞折斷。 圖53是兩嚙合齒所反應(yīng)出的基本應(yīng)力情況。根據(jù)下圖顯示，應(yīng)力基本都是在齒根部分最集中，即在正常工作過程中，斷齒都是出現(xiàn)在齒根部。應(yīng)力圖基本反映情況跟上述理論分析相符合，即在第三章理論計(jì)算出齒根彎曲應(yīng)力為，而應(yīng)力分析顯示齒根彎曲最大的應(yīng)力為，理論值與分析值相當(dāng)。因而，為了提高輪齒的抗折斷能力，可采取以下措施：⑴用增大齒根過渡圓角半徑來減小齒根應(yīng)力集中；⑵增大軸及支撐的剛度，使輪齒接觸線上受載較為均勻。圖53 嚙合輪齒的基本應(yīng)力第六章 用于換向器的新型齒輪—球齒輪（拓展思路） 引言自然界中大多數(shù)的生物肢體關(guān)節(jié)具有自由度運(yùn)動特性。隨著仿生機(jī)械電子工程技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人的機(jī)械運(yùn)動關(guān)節(jié)也逐漸被要求具有仿生運(yùn)動特性，眾所周知，現(xiàn)有的各類齒輪傳動都只具備一個自由度，無論其回轉(zhuǎn)軸是處在何種位置，都只能傳遞兩軸線相對位置固定不變的一維回轉(zhuǎn)運(yùn)動，難以滿足這中要求。作為線代運(yùn)動和傳動技術(shù)的基礎(chǔ)產(chǎn)品，工程上迫切需要多自由度新型齒輪機(jī)構(gòu)的出現(xiàn)，而自上世紀(jì)80年代以來球齒輪的出現(xiàn)徹底改變了這一現(xiàn)象。與普通齒輪傳動不同，球齒輪傳動具有兩個運(yùn)動自由度，可以傳遞二維回轉(zhuǎn)運(yùn)動，符合自然界中絕大多數(shù)生物關(guān)節(jié)的運(yùn)動特性，因此，國內(nèi)外許多學(xué)者開始對球形齒輪傳動進(jìn)行了研究。目前的研究主要集中在國外提出的“球冠齒輪”以及我國提出的“漸開線環(huán)形齒球齒輪”兩大類。本機(jī)構(gòu)初步的設(shè)想是采用漸開線球齒輪實(shí)現(xiàn)在一個范圍內(nèi)的任何角度換向，因此，對于漸開線球齒輪的形成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行簡單的闡述。 漸開線齒廓球齒輪的形成與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)漸開線能滿足定傳動比傳動要求，而且齒廓之間正壓力方向始終不變，同時還具有兩齒輪中心距誤差不影響傳動比大小的運(yùn)動可分特性、切削加工容易等許多優(yōu)點(diǎn)。因此，盡管漸開線齒廓曲線從問世到如今已有200多年的歷史，它目前仍然是工程界應(yīng)用最主要的齒輪齒廓曲線，還沒有哪種曲線能夠取而代之。與國內(nèi)外已有的離散齒球齒輪相比，本文提出的球齒輪最大的不同點(diǎn)在于：一是齒廓曲線采用了漸開線，于是該球齒輪具有普通漸開線傳動的所有優(yōu)點(diǎn)；二是其輪齒在球面上呈連續(xù)分布，因而實(shí)現(xiàn)了任意方向的定傳動比球面運(yùn)動。 球齒輪的形成如圖61陰影所示為一對圓柱直齒輪的端面，O1O2為兩輪中心連線，在圖示位置時該中心線正好通過一個齒輪的齒頂中點(diǎn)和另一個齒輪的齒間中點(diǎn)，將這一對平面嚙合齒輪繞中心線O1O2旋轉(zhuǎn)360176。便得到一對球齒輪。則平面齒輪中有關(guān)的圓，此時全都演變成為相應(yīng)的球，如齒頂球、齒根球、分度球等等。若將齒輪1和齒輪2分別安裝在一組二自由度的萬向框架上，保持齒輪1和齒輪2分別繞球心O1和O2作定點(diǎn)運(yùn)動，就可實(shí)現(xiàn)一對節(jié)球作純滾運(yùn)動。圖61球齒輪的形成 漸開線齒廓曲面的生成如圖62所示，KK為發(fā)生線，C為基圓，N、S為基圓與極軸的兩個交點(diǎn)，NS為極軸，發(fā)生線KK與極軸始終在基圓平面內(nèi)P內(nèi)。當(dāng)發(fā)生線KK在基圓上作純滾動，并隨基圓平面P一起繞極軸作回轉(zhuǎn)運(yùn)動時，發(fā)生線上任一點(diǎn)的軌跡便形成了球齒輪的齒廓曲面?；鶊A上所有點(diǎn)的軌跡的集合稱為基球。顯然，在過極軸的任意剖面內(nèi)的齒廓曲線均為漸開線，所有漸開線的集合構(gòu)成為一個環(huán)狀曲面。因此，該球面的齒廓曲面為一個環(huán)形漸開線曲面。圖62 環(huán)形漸開線齒面的生成 球齒輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與安裝從極軸的一端觀察球齒輪，可看到輪齒在球面上分布成一組同心齒環(huán)。單個齒環(huán)的外形如同月球表面上的環(huán)形山。一個球齒輪的極軸正好通過該齒輪的齒間中心，于是在球體上形成了一個以極軸為中心線的環(huán)形凹坑，其母線為漸開線。另一個球齒輪的極軸則通過該輪齒的齒頂中心，該輪齒實(shí)際上是一個以漸開線為母線，以極軸為中心線的回轉(zhuǎn)體。由此可知，球齒輪必須配對使用，兩個輪齒分布完全一樣的球齒輪是不能安裝在一起的，因而也談不上實(shí)現(xiàn)嚙合傳動了。由于一對球齒輪在嚙合傳動過程中僅兩球心位置保持相對固定不動，而球體可繞笛卡爾坐標(biāo)中的X、Y、Z軸作回轉(zhuǎn)擺動，因此，球齒輪又必須安裝在一個二自由度的十字架上，如圖63所示。輸入、輸出軸位于各自框架平面的外側(cè)，只有框架內(nèi)側(cè)的輪齒才有可能進(jìn)入嚙合。這種結(jié)構(gòu)限制了單個球齒輪偏擺角的大小。使其運(yùn)動被限制在小于90176。范圍內(nèi)。由此可知，單個球齒輪的輪齒只需要做在一個球冠上，而非整個球面上都有齒輪。球齒輪的安裝也是有條件的，只有當(dāng)初始位置處在兩個球齒輪的極軸共線時，兩個配對的球齒輪才能裝入并正確嚙合。另一方面，由于球齒輪的齒廓曲面是以漸開線為母線的回轉(zhuǎn)面，它具有漸開線齒廓的傳動特點(diǎn)，因此，該球齒輪傳動機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動可分性，即兩輪球心距離安裝稍有誤差時，仍能滿足嚙合基本定律。 圖63 球齒輪安裝簡圖 漸開線球齒輪的模型與簡單安裝圖64 球齒輪傳動的簡單裝配圖總 結(jié)本文結(jié)合傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對傘齒換向器的各個零部件進(jìn)行了參數(shù)化建模、強(qiáng)度校核和裝配等過程，同時對該模型進(jìn)行了有限元分析。在此過程中，認(rèn)真學(xué)習(xí)和研究了傘齒換向器的結(jié)構(gòu)和功能，特別是對于錐齒輪傳動有了更深入的理解。隨著齒輪工業(yè)的發(fā)展，一些新的功能需要不斷地加入到系統(tǒng)中去，因此，為了達(dá)到系統(tǒng)的專業(yè)化和實(shí)用化，今后的工作會更加艱巨和繁重。實(shí)現(xiàn)換向器功能的錐齒輪種類繁多，在本論文中，只圍繞直齒錐齒輪進(jìn)行參數(shù)化的三維建模和有限元分析的介紹。為了實(shí)現(xiàn)在實(shí)際生產(chǎn)和具體工程中的應(yīng)用，完善和加強(qiáng)傘齒換向器系統(tǒng)，還需要嘗試其它功能的機(jī)構(gòu)去實(shí)現(xiàn)。幾個月的畢業(yè)設(shè)計(jì)至此即將結(jié)束，在此期間我學(xué)到了很多新的知識，同時鍛煉了我對問題的分析思考能力和解決問題的能力。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅將以前所學(xué)的知識進(jìn)行了一次系統(tǒng)的復(fù)習(xí)與鞏固，更是將這些知識的內(nèi)容應(yīng)用到了實(shí)際之中，是一次很好的理論與實(shí)際相結(jié)合的設(shè)計(jì)，這為我將來的工作奠定了一個基礎(chǔ)。相信我今后的生活與工作都將受益于本設(shè)計(jì)！參考文獻(xiàn)[1] 孫恒，陳作模，葛文杰. 機(jī)械原理. 第七版. 北京. 高等教育出版社. 2006[2] 濮良貴，紀(jì)名剛. 機(jī)械設(shè)計(jì). 第八版. 北京. 高等教育出版社. 2006[3] . 第四版. 北京. 高等教育出版社. 2004[4] 肖陽，孫東明,姜雷,等. 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