机械传动方案创新设计指导书

机械传动方案创新设计1实验目的①理论与实验并不是同步教学，造成两者之间的脱节。为了解决这一问题，本实验增加相关的机械理论基础支撑。使学生将实验中的零件实物，与其对应理论特性关联起来，以深化理论教学。②借助于多媒体、仿真和虚拟现实等技术在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，学生可以像在真实的环境中一样完成各种实验项目，所取得的实验效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。③通过实验测试,深化理论知识，验证仿真结果。将实验-理论-仿真三者有机结合，形成一套相互印证的理论—虚拟—现实一体化机械基础实验课程，从而使学生形成科学的工程问题解决思路。实验课程关系及具体路线见图1，2。机械传动系统问题描述传动组合传动特点应用场合机械设计零件基础理论知识（相关理论）深化相关理论知识齿轮传动带传动链传动蜗杆传动螺纹及连接问题分解现有机械基础传动实验平台（现实）各零件组合性能测试零件传动特点观察理论与现实相互验证培养实验动手能力任务分解机械基础虚拟仿真实验平台（现实）系统建模分析计算各传动组合系统动力学各传动系统载荷计算培养工程设计分析能力任务分解理论—虚拟—现实一体化机械基础实验课程机械设计机械原理机械基础实验理论支撑现有实验测试平台硬件支撑MSC.ADAMS软件支撑SIMPACKRecurDynRomax图1实验课程关系图1.1各关键零件传动特点及其受力情况（机械设计部分）直齿轮传动特点及啮合力斜齿轮传动特点及啮合力带传动弹性滑动/打滑链传动多边形效应1.2定性比较各传动组合优缺点（机械设计部分）电机—带—齿轮—链—磁粉负载电机—链—齿轮—带—磁粉负载1.3典型机构关键知识（机械原理部分）曲柄滑块机构运动特点凸轮机构运动特点牛头刨床运动特点2.1观察环节直齿轮特征斜齿轮特征带传动特征链传动特征2.2传动方案搭建，定量比较测试方案1不同转速环境下测试高低速轴转速，传动比，及其噪声测试方案2不同转速环境下测试高低速轴转速，传动比，及其噪声2.3简单机构搭建测试曲柄滑块机构搭建及动力学测试凸轮机构搭建及动力学测试2.4牛头刨床机构搭建测试牛头刨床搭建及急回特性动力学测试3.1软件使用1理论环节2实验环节3仿真环节3.4牛头刨床机构仿真牛头刨床建模，急回特性动力学计算，敏感度分析，寻找最优解测试MSC.ADAMS3.2传动方案仿真仿真方案1中带的打滑和弹性滑动，链的多边形效应，计算齿轮啮合力的变化；计算动力学特性仿真方案2中带的打滑和弹性滑动，链的多边形效应，计算齿轮啮合力的变化；计算动力学特性3.3简单机构仿真曲柄滑块机构建模，动力学计算，敏感度分析，寻找最优解凸轮机构建模，动力学计算，敏感度分析，寻找最优解图2机械传动方案创新设计实验具体路线2实验设备1)基础平板：其上布置由纵横交错的长槽，主要为了适应不同拼装组合时的中心距变化要求。2)电机:含齿轮减速电机、永磁直流电机部件、交流电机。3）磁粉负载：根据电磁原理和利用磁粉传递转矩的。磁粉制动器具有激磁电流和传递转矩基本成线性关系。在该实验台中作为功率测试加载（负载）使用。4）直齿圆柱齿轮：含8级精度直齿圆柱齿轮和10级精度直齿圆柱齿轮。5）轴类零件：含阶梯轴、键（光）轴、销轴。6）皮带轮：含小带轮和大带轮。7）链轮：含小链轮和大链轮。8）联轴器：含挠性爪型联轴器和套筒联轴器。9）支座类：含曲柄摇杆机构和曲柄滑块机构的支座、轴承座及轴承座支座。10）平面机构用零件：曲柄、滑块和连杆。11）特殊标准件：槽用螺栓；槽用螺栓；槽钢用方斜垫圈3仿真软件—Adams/MachineryAdams/Machinery通过几何形状创建、子系统连接等自动化动作来引导用户进行预处理，使用户能够更加高效地创建一些通用的机械部件。同时还为通常所需的输出通道提供自动绘制和报告，从而帮助用户进行后处理。1）齿轮模块通过选择正齿轮（内部/外部）、螺旋齿轮（内部/外部）、伞形齿轮（直线和螺旋）、双曲线齿轮、蜗轮齿轮及齿条齿轮来选择齿轮类型，见图3；根据实际工作中心距和齿厚，采用接触建模方法来研究齿间隙；通过行星齿轮向导创建行星齿轮组；在后处理器中生成与齿轮有关的输出；采用自动模型参数化作为参考来进行设计探查。图3齿轮传动模拟图4带传动模拟2）皮带模块通过选择Poly–V型槽皮带、梯形带齿皮带及平滑带来选择皮带类型，见图4；采用二维联结建模方法来计算当旋转轴与球形轴之一平行时段节与皮带轮之间的接触力；采用几何形状设置值来定义皮带轮的位置和几何参数；将张紧滑轮应用到皮带系统上，以便张紧额外的松弛度并控制皮带的走行；使用作用向导将作用力或者运动施加到皮带系统的任意皮带轮上。3）链模块通过选择滚子链和无声链来选择链类型，见图5；采用二维联结建模方法来计算当旋转轴与球形轴之一平行时链节与链轮之间的接触力；将线性、非线性或高级合规性应用到滚子链上；将枢轴、平移或固定导板应用到链系统上；使用作用向导将作用力或者运动施加到链系统的任意链轮上。图5链传动模拟4）轴承模块从14种不同的滚动元件轴承类型中进行选择；从24,000多种成品轴承和/或输入值的库中直接查找轴承参数值；计算轴承反作用力，可选择采用由MSC软件合作伙伴KISSsoft提供的非线性刚性响应嵌入式技术；从超过120种油基和油脂基轴承润滑剂中进行选择；根据对加载、润滑、速度及轴承几何形状敏感的行业标准来预测轴承使用寿命（在指定的仿真条件下）。4实验原理从实现系统功能角度来看，机械系统主要包括下列一些子系统：动力系统、传动系统、执行系统、操纵系统及测试、控制系统，如图6所示。图6机械系统构成图5实验内容5.1多轴传动包含计算传动比、转速、转矩；旋向的判定；多轴传动的安装及调整；在相同传动比的动力系统传动系统执行系统操纵系统与控制系统情况下，不同传动类型的对比；多轴传动结构尺寸的测量；针对具体的多轴传动作对比测试；噪声测量。5.1.1理论部分—机械传动系统方案设计1合理选择传动形式选择传动形式常根据一些指标来进行如：传动效率、输入输出轴的布置、外廓尺寸、质量、工作寿命、可靠性、价格以及结构工艺性。1）对于小功率的传动，在满足工作性能的前提下，选用结构简单、初始费用低的传动，如带传动、链传动、普通精度的齿轮传动。2）对于大功率的传动，尤其是需要长期连续运行的传动，应优先选用传动效率高的传动形式如高精度齿轮传动3）要求传动尺寸紧凑时，应优先选用齿轮传动、蜗杆传动、行星齿轮传动。蜗杆传动结构紧凑的优点只有在大传动比时显著。硬齿面齿轮减速器，承载能力大的新型蜗杆减速器和谐波传动都具有传动比大、结构紧凑等特点。4）当传动的噪音受到严格限制时，应优先选用带传动、蜗杆传动、摩擦传动或螺旋传动。5）当运动有同步要求和精确的传动比要求时，只能采用齿轮传动、蜗杆传动、同步带传动、链传动。2安排好各级传动或机构的先后顺序带传动：一般安排在运动链的高速级斜齿—直齿圆柱齿轮：斜齿圆柱齿轮在高速级直齿圆柱齿轮在低速级圆锥—圆柱齿轮传动：圆锥齿轮在高速级（尺寸较小易于制造）圆柱齿轮在低速级闭式—开式齿轮传动：闭式齿轮在高速级开式齿轮在低速级对转变运动形式的传动或机构，如螺旋传动、连杆机构和凸轮机构，通常安排在运动链的末端，靠近执行构件，这样安排运动链最为简单。3合理分配传动比1）各种传动均有一个合理使用的传动比范围2）一级传动的传动比如果过大，其外廓尺寸将会很大，宜分成两级或多级传动3）对于减速的多级传动，按照“前小后大”的原则分配传动比。5.1.2实验内容1.带传动与齿轮传动组合1）实验内容首先搭接带传动（高速）+齿轮传动(低)的传动方案。分析系统能够传递的最大扭矩。测量观察系统的运转情况，并给出初步的结论。然后搭接齿轮传动（高速）+带传动（低速）的传动方案。分析系统能够传递的最大扭矩。测量观察系统的运转情况，并给出初步的结论。2.实验过程与步骤首先搭接带传动（高速）+齿轮传动(低速)的传动方案。确保系统安装好后，手动运转良好后，调整制动器的制动力，记录系统能够稳定传动的最大扭矩时，制动器上施加的制动带的张力。然后搭接齿轮传动（高速）+带传动（低速）的传动方案。确保系统安装好后，手动运转良好后，调整制动器的制动力，记录系统能够稳定传动的最大扭矩时，制动器上施加的制动带的张力，见图7。图7带传动与齿轮传动组合系统实物图2.链传动与齿轮传动组合1）实验内容首先搭接链传动（高速）+齿轮传动（低速）的传动方案。观察测量系统在不同转速下的噪声情况，并给出初步的结论。然后搭接齿轮传动（高速）+链传动（低速）的传动方案。观察测量系统在不同转速下的噪声情况，并给出初步的结论。2）实验过程与步骤首先搭接链传动（高速）+齿轮传动（低速）的传动方案。确保系统安装好后，手动运转良好后，通电运行，测量不同转速下的噪声（噪声测量位置需根据系统特点，确定出几个测量点），记录系统在电机转速为50rpm、100rpm、200rpm、300rpm下的噪声。然后搭接齿轮传动（高速）+链传动（低速）的传动方案。确保系统安装好后，手动运转良好后，通电运行，测量不同转速下的噪声（噪声测量位置需根据系统特点，确定出几个测量点），记录系统在电机转速为50rpm、100rpm、200rpm、300rpm下的噪声，见图8。图8链传动与齿轮传动组合系统实物图5.1.3齿轮、带、链仿真1．计算机仿真1）打开计算机，在桌面上找到相应软件，双击鼠标左键打开软件，出现仿真教学软件界面。在文件菜单中选择新建，建立一个新文件图9所示；图9仿真软件界面2）在machinery工具栏点齿轮模型，输入大小齿轮参数并生成模型,建立完成的大小齿轮,添加并修改驱动,然后仿真。如图10所示；图10齿轮传动仿真3）在machinery工具栏点带传动模型，输入大小带轮轮参数并生成模型，建立完成的大小带轮，输入参数建立皮带模型，添加并修改驱动，仿真，查看计算结果。如图11所示；图11带轮传动仿真3）在machinery工具栏点链传动模型，输入大小链轮轮参数并生成模型，输入参数建立链条模型，添加并修改驱动，仿真，查看计算结果，见图12。图12链轮传动仿真5.1.4实验要求1）对机械传动方案的特点，及各零件在传动中的特点；2）简述所搭建传动方案的作用、功能、特点及所能完成的运动；3）仿真齿轮、带、链传动；4）将理论、实验、仿真相结合，深化理解传动零件的特点。5.1.5思考题1）带传动的特点，及应用场合？2）链传动的特点，及应用场合？3）带链传动的运动比较？4）直齿轮的特点，及应用场合？5）斜齿轮的特点，及应用场合？5.2机构传动包含曲柄滑块、曲柄摇杆和凸轮机构。5.2.1理论部分—机构理论急回特性：两个连架杆中，一为曲柄，一为摇杆。通常曲柄主动，摇杆从动，但也有摇杆主动的情况。应用例：牛头刨床进给机构、雷达调整机构、缝纫机脚踏机构、复摆式腭式破碎机、钢材输送机等。图13急回特性当曲柄匀速转动时，摇杆作变速摆动，而且往复摆动的平均速度是不同的。若将平均速度小的行程作为工作行程（正行程），将平均速度大的行程作为非工作行程（反行程），那么，我们把曲柄摇杆机构这种正、反行程平均速度不等的特性称为急回特性。急回特性很有用，牛头刨床、往复式运输机等机械就常常利用急回特性来缩短非生产时间，提高生产率。急回特性常用行程速比系数K（摇杆反、正行程平均速度之比）来度量。死点：摇杆为主动件的曲柄摇杆机构，当曲柄与连杆两次共线时，忽略连杆质量的情况下，连杆是二力杆，因此连杆对曲柄的作用力通过曲柄铰链中心A，给曲柄的驱动力矩为０，机构就会出现卡死或运动不确定的现象。这种机构出现卡死或运动不确定的位置点称为死点。死点通常有害，应设法消除。消除方法有：①对从动曲柄施加附加力矩。②利用构件自身或飞轮的惯性。③多组相同机构错开一定角度布置。图14死点5.2.2实验内容1.曲柄滑块机构1）实验内容①通过安装理解安装过程如何保证精度满足设计要求。②通过测量运动副中的间隙，体会间隙的存在对于系统的振动影响。并初步设计运动副的间隙测量方法。③观察不同系统在不同速度下的运动情况，分