精密传动及系统大作业

1.对比摆线针轮行星传动和RV行星传动结构方面的主要区别，试分析RV行星传动结构相对于摆线针轮行星传动的改进所对其性能有哪些影响。答：摆线针轮行星传动结构如图所示，主要由转臂H、摆线行星轮g、针轮、输出机构四部分组成。图1摆线针轮行星传动结构RV型行星传动结构如图所示。它是由第一级的直齿轮减速部分和第二级的摆线针轮减速部分组合而成的两级行星传动机构。在具体的结构上，它是由如下几个构件所组成的。图2RV型行星传动结构通过对比可以发现RV型行星传动结构比摆线针轮行星传动多了一级直齿轮减速传动。由于摆线针轮行星传动转臂轴承承受力较大，且位于高速轴端，所以，转臂轴承是该传动的薄弱环节，使高速轴的转速和传递的功率受到限制，而RV传动增加了一级直齿轮减速传动从而克服了这一缺点，增大承受力与传动功率。2.精密减速器中常见的输出机构形式有那些，各有什么优缺点。答：精密减速器中常见的输出机构形式有：万向联轴式机构、平行四边形机构、销轴式机构和十字滑块式输出机构。其优缺点为：（1）万向联轴式输出机构：万向联轴器式输出机构的平面视图如图3所示。万向联轴器式输出机构就是用万向联轴器将行星轮与输出构件V连接起来。万向联轴器式输出机构的轴向尺寸较大，且不能同时联接两个行星齿轮，因此在少齿差行星传动中很少采用。图3联轴器式输出机构（2）平行四边形输出机构：允许有一定数量的径向位移，又能等速比地传动。如图4所示。图4平行四边形输出机构（3）销轴式输出机构：前两种机构或因其摩擦损失较大，或因其纵向尺寸较大等原因，因而很少采用。销轴式输出机构，由于其结构简单、制造方便，且能同时连接两个行星轮，故目前应用较广泛。图5所示是采用这种输出机构的摆线针轮行星减速器的结构示意图。图5销轴式输出机构（4）十字滑块式输出机构：如图6所示，这种结构是由两个端面具有矩形棒的联接盘和两个端面具有凹槽的行星轮，以及一根带凹槽的输出轴所组成。它的优点是结构简单、制造容易，成本较低，且可以补偿由于装配或零件制造的误差。但其承载能力和传动效率均较销轴式输出机构低，故适用于传递小功率，低速和不连续运转的条件下工作；或只有一个行星齿轮的少齿差行星传动的结构中。图6十字滑块输出机构3.一谐波减速器柔轮的齿数为100，内齿轮的齿数为102，试画出机构简图并计算其传动比。答：如图7所示为如图所示，为两个自由度（2W）的差动谐波齿轮机构。该机构含有三个基本构件：波发生器H、柔轮g和刚轮b。当其中的一个基本构件被固定时，则上述差动谐波机构将变成为具有一个自由度（1W）的行星谐波齿轮机构；而差动机构中的每一个基本构件均可以成为固定件，或输入件、或输出件。由于上述谐波减速器没有对给基本构件进行指明，故分为以下三种情况计算：图7谐波减速器机构简图(1)当波发生器H固定(0H)，（如图8）其传动比：图8波发生器固定的谐波传动简图a)柔轮g输入，刚轮b输出时1021.02100gHbgbbgzizb)刚轮b输入，柔轮g输出时1000.9804102gHbbggbziz（2）当刚轮b固定（0b），(如图9)其传动比为：图9刚轮b固定的谐波传动简图a)波发生器H输入和柔轮g输出时10050102100gbHgbgzizzb)柔轮g输入和波发生器H输出时102100110050bgbgHgzziz（3）当柔轮g固定（0g），（如图10)其传动比为图10柔轮g固定的谐波传动简图a)波发生器H输入和刚轮b输出时10251102100gbHbbgzizzb)刚轮b输入和波发生器H输出时102100110251bggbHbzziz4.分析谐波减速器的结构特点，试论述谐波减速器作为精密减速器在哪些方面可以做出改进？答：谐波传动是一种靠波发生器使柔性齿轮产生可控的弹性变形波实现运动和动力传递的传动。谐波减速器诞生于上世纪美苏月球探测时期，主要是为了解决航天运动机构对结构紧凑、质量轻、体积小而减速比大、传动效率高、传动精度高的减速器的迫切需求。谐波机械传动原理是前苏联工程师A.摩察尤唯金于1947年首次提出，而美国的C.WaltonMusseer根据空间应用需求于1953年发明了谐波减速器，并于1955年获得美国专利，1960年在纽约展出谐波减速器实物。1961年谐波减速引入中国，国内开始在谐波减速器的设计、制造和应用方面展开了研究。如图11为谐波减速器，主要构件为波发生器、柔轮、刚轮。与一般传动相区别，谐波齿轮传动中存在着可通过波发生器使之产生可控的弹性变形波的挠性构件，其运动转换，是依靠挠性构件的弹性变形来实现的，这种运动转换原理称为变形原理。图11谐波减速器波发生器通常成椭圆形的凸轮，将凸轮装入薄壁轴承内，再将它们装入柔轮内。当波发生器为主动时，凸轮在柔轮内转动，就迫使柔轮及薄壁轴承发生变形（可控的弹性变形），这时柔轮的齿就在变形的过程中进入（啮合）或退出（啮离）刚轮的齿间，在波发生器的长轴处处于完全啮合，而短轴方向的齿就处在完全的脱开。一、谐波传动的特点：a）结构简单，体积小，重量轻。b）传动比范围大。单级谐波减速器传动比可在50～300之间，优选在75～250之间；双级谐波减速器传动比可在3000～60000之间；复波谐波减速器传动比可在200～140000之间。c）同时啮合的齿数多。双波谐波减速器同时啮合的齿数可达30%，甚至更多些。正是由于同时啮合齿数多这一独特的优点，使谐波传动的精度高，齿的承载能力大，进而实现大速比、小体积。d）承载能力大。谐波齿轮传动同时啮合齿数多，即承受载荷的齿数多，在材料和速比相同的情况下，受载能力要大大超过其它传动。其传递的功率范围可为几瓦至几十千瓦。e）运动精度高。由于多齿啮合，一般情况下，谐波齿轮与相同精度的普通齿轮相比，其运动精度能提高四倍左右。f）运动平稳，无冲击，噪声小。齿的啮入、啮出是随着柔轮的变形，逐渐进入和逐渐退出刚轮齿间的，啮合过程中齿面接触，滑移速度小，且无突然变化。g）齿侧间隙可以调整。谐波齿轮传动在啮合中，柔轮和刚轮齿之间主要取决于波发生器外形的最大尺寸，及两齿轮的齿形尺寸，因此可以使传动的回差很小，某些情况甚至可以是零侧间隙。h）传动效率高。与相同速比的其它传动相比，谐波传动由于运动部件数量少，而且啮合齿面的速度很低，因此效率很高，随速比的不同（u=60~250），效率约在65~96%左右（谐波复波传动效率较低），齿面的磨损很小。i）同轴性好。谐波齿轮减速器的高速轴、低速轴位于同一轴线上。j）可实现向密闭空间传递运动及动力。采用密封柔轮谐波传动减速装置，可以驱动工作在高真空、有腐蚀性及其它有害介质空间的机构，谐波传动这一独特优点是其它传动机构难于达到的。k）可实现高增速运动。由于谐波齿轮传动的效率高及机构本身的特点，加之体积小、重量轻的优点，因此是理想的高增速装置。l）方便的实现差速传动。由于谐波齿轮传动的三个基本构件中，可以任意两个主动，第三个从动，那么如果让波发生器、刚轮主动，柔轮从动，就可以构成一个差动传动机构，从而方便的实现快慢速工作状况。二、谐波减速器改进谐波齿轮传动虽然优点众多,但仍有不足之处:a）容易疲劳损坏。柔轮在传动运动过程中始终处于周期性变形状态，不断循环的弹性变形增加了疲劳损坏的几率。所以应寻找更合适的材料制作柔轮，来增加谐波齿轮的寿命。b）柔轮和波发生器制造需要严格的工艺，制造难度较大。因为材料和形状的局限,对柔轮的加工和维修需要专门设备才能完成,制造成本加大。所以应重点研究谐波减速器柔轮的高效率高精度加工工艺，优选工艺参数，制定工艺规范，并通过精密加工设备的合理增置和工装改进，形成谐波减速器批量化生产的工艺技术能力。例如，深化MEMS中LIGA工艺的研究，从而进行微型谐波减速器的制造工艺研究。5.精密传动中啮合副消隙机构有哪些，分别论述其优缺点。答：理论上一对齿轮在啮合时应该无侧隙，但实际上为了补偿由于加工、安装误差及温度变化而引起的尺寸变化，以防止被卡死，在轮齿的非工作面必须留有一定的齿侧间隙，齿轮传动机构都有侧隙存在，侧隙用来防止由于误差和热变形而使轮齿卡住，并且给齿面间的润滑油膜留有空间。但侧隙同时又给机构在反转时带来空程，使机构不能准确定位。为了减少或消除侧隙给机构带来的不利影响，需要采用消隙系统。常见的消隙机构有：一、机械消隙：1）可自动补偿式机械消隙，通过弹性原件自动补偿间隙。（1）弹簧消隙：该机构是利用弹簧连接在一起的两片齿轮同时啮合在配对齿轮上。其中一片齿轮与轴固定，另一片齿轮为空套在轴上的浮动齿轮片。当齿轮转动时，啮合齿与工作齿面间的间隙，被弹簧拉紧的的另一片浮动齿轮轮齿所填满。这种结构被广泛应用在齿轮传动副的消隙上。一些精密设备的转台就是通过这种结构进行消隙。（2）双导程蜗杆消隙：双导程蜗轮副中的蜗杆由两部分组成：蜗杆轴以及空套在其上的空心蜗杆，二者通过胀紧套连接为一体，调整间隙时，只要将胀紧套的螺钉松开（不用拆下），使蜗杆轴的右齿面及空心蜗杆的左齿面分别与蜗轮的左右齿面接触，从新拧紧胀紧套上的螺钉即可完成间隙的调整。（3）变齿厚蜗杆消隙：蜗杆左右齿面的导程及导程角不同，蜗杆沿轴向移动可以得到任意的侧隙。2）不可补偿式机械消隙（1）斜齿轮隔垫消隙：这种方式原理上与弹簧消隙相同，只不过是通过在两片斜齿轮间加上隔垫而达到充满轮齿间空隙的效果，这种方法只适用于斜齿轮传动。二、电控消隙：1）差补消隙：通过测量得到机构的返程间隙，在控制程序中对反转进行差补来减少返程定位误差。这种方法简单，但因为每次返程的返程间隙并不完全相同，所以这种消隙精度不高。2）双伺服电机消隙：原理是用相同的两台电机分别带动两套完全相同的减速机构，再由两减速机构的输出小齿轮带动主轴大齿轮传动。通过电气控制，使主轴大齿轮在启动和换向的过程中始终受到偏置力矩的作用-两个输出小齿轮分别紧贴大齿轮的两个相反的啮合面，使主轴大齿轮不能在齿轮间隙中来回摆动，从而达到消除间隙，提高系统精度的目的。这种结构精度高，但实施起来比较复杂、成本高。6.分析制约国内精密减速器产业化的主要原因，试论述我国精密减速器产品要打破国外产品的垄断可采取哪些途径。答：制约国内精密减速器产业化的主要原因：（1）企业生产规模偏小，开发能力薄弱。我国减速机行业的特点是中小企业多，生产规模总体偏小，年产值在10亿元人民币以上的企业仍然偏少，而且还是近几年才出现。而国外同类企业中规模在百亿人民币以上的企业已经很多，营销网络遍及全球。（2）缺乏知品名牌，影响产品市场拓展。我国尚缺乏在国际上有影响力的传动基础件产品知名品牌，因此限制了产品在国内外市场上的拓展及推广。（3）基础技术研究不足，制约行业技术水平提升。国内传动基础件高端产品的系统性和应用性无法满足行业的需要，一些基础机理性研究如齿面微点蚀损伤研究，高端齿轮材料及热处理技术开发，传动系统动力学研究与应用等与国外差距较大等问题，一定程度上已影响了行业的正常健康发展。针对上述原因，为打破国际垄断可采取如下措施：（1）国家重点扶持几家优秀企业，争取提高竞争力。（2）国家带头向其他发展中国家宣传出口产品，以价格战占领市场，扩大市场份额，同时积极向发达市场拓张。（3）国家牵头各相关科研单位及企业合作开发，以引进技术开始，逐步消化吸收技术，最终实现国产化。（4）积极追踪国外最新进展，及时跟进。（5）另辟蹊径，绕开专利保护，研发新型传动机构。（6）加快相关学科的发展，尤其是材料学科，应重点发展。