机械创新设计(第九章)

如图1所示的K-H-V渐开线少齿差行星齿轮传动是一种将连杆（行星齿轮）作为输出构件的较新型机械传动。这种机构因传动比大，一级可达135，结构紧凑，重量轻，加工方便，维修容易，效率较高，而得到人们的应用。少齿差行星齿轮传动主要由基本构件行星轮、内齿中心轮，转臂和输出轴组成。211221zznnnniiHHHHV2121zznnH2122121zzzzziH212122221zzzzzziiiHHVH第九章机械创新设计实例分析第一节平动齿轮传动机构一、平动齿轮机构的结构及传动原理1．平动齿轮机构的基本型平动齿轮机构的基本型由外平动齿轮机构和内平动齿轮机构两种基本型组成。外平动齿轮机构的基本型：外平动齿轮机构是指一个齿轮在另一个齿轮的外部作平动，驱动另一个齿轮作定轴转动。图9-1a所示为内啮合平动齿轮机构；图9-1b所示为外啮合平动齿轮机构。可以演化成图9-2所示的二环减速器和三环减速器。2．传动原理运动和动力输入时，支承在两高速轴上的内齿轮G作平面平动，并驱动与之啮合的定轴外齿中心轮K，使运动和动力从与其固联的从动轴输出，从而实现了大速比减速。当单轴输入时，每一片行星轮在0°和180°位置时，是不能传递运动和扭矩的，所以必须要用三片以上的内齿轮才能正常地工作。3．运动学分析4．外平动齿轮传动的特点（1）传动比大、分级密集，单级传动比在11~99之间，双级传动比可达9801。（2）承载能力大啮合时几乎是面接触，齿面赫兹应力小。单个转臂轴承变换为多个转臂轴承分担载荷，转臂轴承的寿命可达两万小时，且转臂轴承等基本构件不受内齿轮尺寸的限制，可以按强度要求确定，利于按强度进行优化设计。KGKGHKzzzi（3）传动效率高同K-H-V型少齿差行星传动相比，因省去了W输出机构，单级传动效率可达92%~96%。（4）结构紧凑，体积小，重量轻（5）制造简单、维修拆装方便（6）能单轴或多轴传输动力5．外平动齿轮传动存在的问题：1）为避免传动发生渐开线齿廓重迭干涉，内齿轮副应采用角变位齿轮传动中的正传动（x1+x20），并降低齿高，形成非标准的短齿。啮合角α′增加，使传动机构的动力学性能变差。2）必须满足一定的装配条件能装配起来。同时也为精度设计增加了限制条件。3）传动机构的振动大、噪声高，并随着转速的提高迅速增加。上述存在的问题是这种传动的基本原理所决定的，改进传动原理，开发新的传动类型是平动齿行星轮传动发展的重要途径。外平动齿轮机构的A、D两轴之距离受结构的限制eADddL20式中d0——内齿轮根圆直径；d2e——偏心轴距。外平动齿轮机构的尺寸难以缩小，而且提供内齿轮作平动的曲柄轴只能有两个，限制了输入功率的分流，不利于传递过大的功率。6．内平动齿轮机构的基本型及其演化图9-4所示为内平动齿轮机构的基本型。图9-5所示的内二环减速器和内三环减速器。内平动齿轮机构可获得较小尺寸和重量，其整机性能优于外平动齿轮机构。二、平动齿轮传动的关键技术使齿轮实现圆平动运动的机构为圆平动机构。常用的圆平动机构有：1．用平行四边形机构实现齿轮圆平动应用“机构同性异形变换原理”，以平行四边形机构为原始机构，可以演化出多种性能相同而结构不同的圆平动机构。2．用正弦机构实现齿轮圆平动3．用孔销机构实现齿轮圆平动应用“机构同性异形变换原理”，还可以演化出多种圆平动机构。它的性能决定了平动齿轮传动的性能，所以每综合出一种圆平动机构，就得到一种新型平动齿轮传动。三、平动齿轮机构的演化平动发生器是平动齿轮机构的关键技术。不同的平动发生器，会演化出结构不同的平动齿轮机构，相同的平动发生器，结构不同，也会演化出性能差异很大的平动齿轮传动装置。1．浮动盘式平动齿轮机构根据“机构同性异形变换原理”，用浮动盘式W机构去替代孔销式W机构，就形成了图9-9所示圆平动齿轮机构运动简图。2．平动齿轮减速滚筒图9-10所示为平动齿轮减速滚筒结构简图，由电动机1、滚筒2和孔销式平动齿轮机构3串联组成。电动机1、平动发生器销轴与机架固联，内齿中心轮与卷筒固联为输出件，形成卷扬机型减速装置。平动齿轮减速滚筒具有：传动比大、机械效率高、结构紧凑、尺寸和重量轻、均载性能好等优点。3．双曲柄平动齿轮机构多曲柄平动齿轮机构。如图9-11所示。多曲柄平动齿轮机构的传动原理：输入轴的转速经第一级减速后，由平动发生器传递给平动齿轮ZG，同时限制了平动齿轮ZG的自转，再经第二级减速后，由内齿中心轮Zb输出。其传动比统一表达式为21121)(iiZZZZZiGbbHb式中i1——第一级减速传动比；i2——第二级传动比。第二节活齿减速带轮机构一、概述将带传动和行星传动组合起来，在不增加带轮外廓尺寸的条件下，研制出具有两种传动综合优良性能的行星减速带轮。如：摆线针齿减速带轮、2K-H行星减速带轮、变速传动轴承减速带轮、钢球行星摩擦减速带轮等。研制出传动性能优越的行星减速带轮主要取决于两个方面：1）选择好原始机构——带传动和行星传动的类型；2）解决好带轮与行星传动的结合。行星减速带轮机构以全滚动摆动活齿传动为基础，利用外激波活齿传动的结构特点，使带轮与外激波器合二为一，摆动活齿减速带轮。二、原始机构选择1．行星传动的选择——外激波摆动活齿传动（1）组成结构及传动原理图9-12所示外激波摆动活齿传动的传动原理；当驱动力输入后，输入轴以等角速度带动外激波器H绕固定主轴线转动，由于外激波器内轮廓径向尺寸的变化，产生向心的推力，推动摆动活齿绕其在活齿架上的铰链点摆动，通过摆动活齿中心轮高副啮合运动，摆动活齿推动外齿中心轮K以等角速度绕主轴线转动，使与其固联的输出轴获得输出转速，于是外激波摆动活齿传动完成了转速变换运动。（2）传动比的计算活齿传动传动比通用方程式为BCAACBii1式中，下角标A、B、C代表活齿传动中的三个基本构件。第一种类型：摆动活齿轮G固定GKKKGGKHGGHKzzzzzzii11第二种类型：外齿中心轮K固定，摆动活齿轮G从动，外激器H主动。GKKKGGGHKKHGzzzzzzii11（3）外齿中心轮的齿形综合（4）外激波摆动活齿传动的优缺点1）省掉了少齿差传动中的W输出机构2）提高了摆动活齿与激波器高副的接触强度3）外齿中心轮K的特点4）外激波器的尺寸大，动平衡性能差2．带传动的选择图9-14a所示为带传动的一种从动带轮结构。如图9-14b所示，齿轮副合状态和轴承4的受力状态都得到改善，取得极好效果。称这种结构的带轮为卸荷带轮。带传动的从动带轮仍采用卸荷结构。三、活齿减速带轮的形成1．带轮与外激波器的组合（1）电动机转速ne是通过一级带传动减速后才输送给带轮激波器的，所以外激波摆动活齿传动的输入转速大幅度降低，外激波摆动活齿轮的转速nH为：deHinn/式中id——带传动的传动比。（2）带轮激波器使绕固定轴转动的带轮成为外激波器的一部分，这就为外激波器调整质量布置创造了极好条件，使带轮激波器靠自身质量分布即可实现动平衡。2．卸荷带轮设计3．带轮外激波器的平衡设计四、应用实例——游梁式抽油机减速器的改进设计第三节变速凸轮机构)(XYY变凸轮机构的“等速驱动”为“变速驱动”，形成变速凸轮机构。其效果是提高了凸轮机构的运动和动力性能，为凸轮机构的标准化创造了条件。一、机构的传动函数机构的输入输出特性。如图9-16所示。用函数表示为传动函数：根据传动函数的数学性质，将机构划分为“线性机构”与“非线性机构”两种类型。线性机构和非线性机构分别对应于传统概念中的定传动比机构和变传动比机构。机构的类型如表9-1所示。表9-1根据传动函数的数学性质划分机构的类型机构类型传动函数机构举例线性机构线性函数齿轮机构、螺旋机构、带传动、链传动非线性机构非线性函数凸轮传动、连杆机构、槽轮机构、非圆齿轮机构“机构的驱动方式”用于描述机构原动件的运动状态，包括“等速驱动”和“变速驱动”两种类型。“等速驱动”指机构输入运动的位移是以时间为自变量的线性函数；“变速驱动”指机构输入运动的位移是以时间为自变量的非线性函数。如表9-2所示。表9-2根据输入运动函数的数学性质划分机构的驱动方式机构的驱动方式输入运动的位移函数等速驱动非线性函数变速驱动非线性函数原动机是把某种形式的能量转化为机构运动的装置，如图9-17所示。根据输出运动函数的数学性质可将原动机划分为“线性原动机”与“非线性原动机”两种类型：如表9-3所示：表9-3根据输出运动函数的数学性质划分原动机的类型原动机类型输出运动的位移函数举例线性原动机线性函数普通直流马达，普通交流马达非线性原动机非线性函数步进马达，伺服马达二、凸轮机构的主动控制将控制系统与凸轮机构结合起来，融合其优点，改善凸轮机构的动态特性，并使凸轮机构标准化，为凸轮机构的发展开辟出新的途径。因此，通过运动控制，可以在不改变凸轮廓线的前提下，根据要求改变从动件的运动学性能，从而使凸轮机构具有了一定程度的通用性，为凸轮机构的标准化提出了一个可能的实现途径。进而，通过振动控制的研究，有望改善凸轮机构的动态性能，并使之具有一定程度的自适应性及智能性。三、反凸轮机构的主动控制以基本凸轮机构为原始机构，应用“机构运动变换原理”，将其主动件和从动件对换，即推杆为主动件，凸轮为从动件，所形成的新机构是原始机构的转化机构，通常称其为倒置凸轮机构或反凸轮机构。以主动件推杆为刀具，以从动件凸轮为毛坯，用来形成凸轮轮廓线的方法，是一种成熟的凸轮制造技术。凸轮机构主动控制技术应用到其转化机构——反凸轮机构中来，就可以形成反凸轮机构主动控制技术，由此可获得一种高精度的加工技术。四、变速凸轮机构的性能1）对于具有固定凸轮廓线的凸轮——从动件系统，可以通过控制凸轮转速的变化规律来改变从动件的运动学特性，如降低从动件的理论最大速度与理论最大加速度。2）可以使具有对称凸轮廓线的凸轮系统，生成非对称的从动件运动规律。为凸轮机构的标准化创造了条件。3）通过控制凸轮转速的变化规律，可以显著地降低凸轮系统中的残余振动，提高了凸轮机构的动态性能。第四节同轨迹连杆机构同轨迹连杆机构是指机构的自由度数F相同、输入构件的运动规律相同、输出构件上的一点轨迹相同的一组连杆机构，但这组连杆机构的运动学尺寸不同，所以其受力状态、动态性能有巨大差异。罗伯特——契贝谢夫定理：由一个四杆铰链机构发生的一条连杆曲线，还可以由另外两个四杆铰链机构发生出来。或表达为同一连杆曲线，可以用三个不同的四杆机构来实现。一、连杆点K位于连杆两铰链连线上的同迹连杆机构图形缩放原理：图9-18a所示为一平行四边形导引机构，当A点沿任意给定轨迹运动时，C点将绘出与A点相似但缩小了的轨迹。1）A在直线KB的任何位置都有：)(射线定理常数mKBABCOAO2）当此四边形作为一刚体绕O转动一角度φ时，A点转到A′，按射线定理：mCOAOCCAA第一个同迹连杆机构设计：曲线摇杆机构C0CDO为所求的第一个同迹连杆机构，K为连杆CD延长线上的点。所求曲柄摇杆机构的尺寸：mAOABKBOAOC00mAAABKBAACC000mABKBDOABAKBOKCABKBBOABAKBOBOKCBOCD第二个同迹连杆机构设计：A0EFC0为所求的第二个同迹连杆机构。K为连杆EF上的点。所求双摇杆机构的尺寸：C0是两个同迹连杆机构中共同的新机架的固定铰链点，机架的三个固定铰链点A0、O、C0组成了三种可能的组合：A0与O，A0与C0，O与C0。如图9-18d所示。K点在这三个机构中描绘出同一条连杆曲线。二、任一连杆点K的同迹连杆机构平面导引机构：是一种在参考平面上引导一个物体顺序通过给定位置的装置。当采用连杆机构作导引机构时，连杆一般用作导引杆，常要求连杆相对机架作导引。第五节自适应机构在改造现有设备或设计新机构时，通过选用自位轴承、基本构件浮动、运动副合理选配及组合等方法，消除机构中存在的多余约束，使机构成为一个无多余约束的静定系统，即具有“自适应性”的系统，称为机构自适应变换。无多余约束的机构称