摆线针轮行星减速机的设计

摘要摆线针轮行星减速器作为重要的机械传动部件具有体积小、重量轻、传动效率高的特点。本设计在全面考虑多齿啮合、运转平稳、轮齿均载等运动学和动力学的要求，实现高承载能力、高传递效率、高可靠性和优良动力学性能等指标，而且要便于制造、装配和检修，设计了该具有合理结构的摆线针轮行星减速器。本设计建立了合理的动力分析数学模型，对摆线针轮传动中的摆线轮、转臂轴承、柱销及轴进行准确的受力分析，并用MATLAB语言编制计算机程序对其求解。计算并校核主要件的强度及转臂轴承、各支承轴承的寿命，分析结果可以看到，各轴承性能指标均符合要求。利用UG软件对摆线针轮减速器各零件建立几何三维模型、摆线针轮减速器虚拟装配及工程图生成。用本文的方法设计摆线针轮减速器，具有设计快捷、方便等特点。研究结果对提高设计的速度、质量具有重要意义。关键词：摆线传动摆线轮UGAbstractThecycloid—gearreducerisoneofthemostimportanttransmissioncomponentsofthepumpingunitbyitssmallervolume，lighterweightandeffectivetransmission.Inordertorealizefourtargetswhichincludehightransmissionefficiency,highreliabilityandtheexcellentdynamicsperformanceandguaranteecrediblelubricateability,receivehighefficiencyoftransmission,andmakeiteasyformanufacture,assemblyandinspection,wethoughtoveralltherequestsintheroundanddesigntherationalstructurecycloid—gearreducer.Inthisdesign，webuilttheexactforceanalysismathematicalmodelofthecycloid—gearreducer,analyzedtheforcesbornbythecycloid-gear,thebearingsandtheshaft,andproducetheMatlablanguagesoftwareanalyzeoftheforcesanalysis.Weanalyzedtheforcesofpartsinthecycloid—gearreducerandcalculatedtheintensityandthelifeofparts.Fromanalyzedtheresults,wefoundthepartsareourrequests.Whenweestablishthethree—dimensionalstructureofthePlanet—cycloidReducermodelwiththesoftwareUG，Carryonvisualdesignandvirtualassembleanddrawingpaper．TheresultofstudyhavetheguidemeaningtoacceleratedesignspeedandquantitiesofthePlanet—cycloidReducer．Keywords：Planet—cycloidReducer;Cycloid;UG第一章绪论在科技飞速发展的今天,产品设计已经进入了一种全新的三维虚拟现实的设计环境中,以往的那种以二维平面设计模式为代表的设计方式已经逐渐退出“历史舞台”,取而代之的是各种先进数字化的三维设计技术。它的应用和发展引起全了社会和生产的巨大变革。减速器是各种机械设备中最常见的部件,它的作用是将电动机转速减少或增加到机械设备所需要的转速,摆线针轮行星减速器由于具有减速比大、体积小、重量轻、效率高等优点，在许多情况下可代替二级、三级的普通齿轮减速器和涡轮减速器，所以使用越来越普及，为世界各国所重视。本文运用UGNX软件建立摆线针轮减速器结构三维模型，研究了摆线针轮减速器可视化设计方法和虚拟装配，研究的结果对提高摆线针轮减速器设计的速度和质量具有指导意义。1.1基本概念计算辅助设计(ComputerAidedDesign,CAD),是指工程技术人员在人和计算机组成的系统中以计算机为工具,辅助人类完成产品的设计,分析,绘图等工作,并达到提高产品设计质量,缩短产品开发周期,降低产品成本的目的。一般认为CAD系统的功能包括:(1)概念设计；(2)结构设计；(3)装配设计；(4)复杂曲面设计；(5)工程图样绘制；(6)工程分析；(7)真实感染及渲染；(8)数据交换接口等。摆线针轮行星传动,简称摆线针轮传动。它与渐开线少齿差行星传动一样，同属于K-H-V型行星齿轮传动。摆线针轮传动的主要特征是：行星轮齿廓为变幅外摆线的内侧等距曲线，中心轮齿廓为圆形。摆线针轮减速器,利用摆线针轮行星传动原理制成的一种减速器,它的优点是减速比大、体积小、重量轻、效率高等。1.2UG的发展UG(Unigraphics)软件是EDS公司(UnigraphicsSolutions公司,后成为其中的UGS部门)推出的集CAD/CAE/CAM为一体的三维参数化设计软件之一,也是当今世界先进的计算机辅助设计,分析和制造软件中的一员,成为了UGS产品家族中应用最为广泛的设计软件。其最新版本的UGNX不但继承了原有UG软件的各种强大功能,而且与该公司的另一拳头产品I-deas软件的功能相互结合,共同构建了功能更加全面的辅助设计应用环境。2001年9月,EDS公司宣布成立其第五业务部---PLMSolutions由EDS公司先前收购的SDRC公司与UGS部门合并组成,来自原SDRC公司的I_DEAS软件和原UGS公司的Unigeaphics软件都有着广泛的用户基础,它们是技术先进,功能全面,且有很强互补产品.作为对广大用户的承诺,EDS公司宣布将推出结合两产品优势,具有业界领先水平的开放式,基于标准框架的CAD/CAE/CAM解快方案平台,现有的用户,不论是I-Deas用户还是Unigeaphics用户,都可以通过升级转移到新的解快方案平台。2002年9月份,全新版本的UGNX在美国上市。从2002年10月开始,EDS公司在世界各地举办专题研讨会,介绍UGNX的开发方针和内容。UG系列软件在发展过程中不断推出新版本,但是设计,绘图,加工部分仍是UG软件的核心,基本功能变化不大,仅是用户界面有一定的改变,以及功能上有一些扩充,改进和细化。1.3摆线针轮减速器的发展1926年德国人L．Braren发明了摆线针轮减速器，他是在少齿差行星传动结构上，首先将变幅外摆线的内侧等距曲线用作行星轮齿廓曲线而把圆形作为中心轮齿廓曲线，和渐开线少齿差行星传动模式一样，保留z—X—F类N型行星齿轮传动。摆线针轮传动较之普通渐开线齿轮或蜗轮传动的优点是：高传动比和高效率；同轴输出，结构体积小和重量轻；传动平稳和噪声低。由于摆线针轮传动同时啮合的齿数要比渐开线外齿轮传动同时啮合的齿数多，因而承载能力较大，啮合效率要高；还由于摆线轮和针轮的轮齿均可淬硬、精磨，较渐开线少齿差传动中内齿轮的被加工性能要好，齿面硬度更高，因而使用寿命要长；加上摆线轮的加工技术已经过关，专业加工设备齐全，摆线轮已纳入专业通用件，在国内已做到通用化批量生产，生产成本下降，因此摆线针轮传动的减速器当前广为应用。摆线针轮减速技术至今，虽在品种、规格等方面做了不少改进，但再没有作本质、原理上的创新。现今摆线针轮减速器，其原理和结构还是1926年德国的原型。目前，摆线针轮的研究在国内外都在积极发展，日本住友重机械株式会社的“80系列”极大提高了性能，从1990年开始，住友机械株式会社在“80系列”的基础上推出最新“90样本”的摆线针轮减速器，它的机型由15种扩大为21种，传动比由8种扩大为16种。我国对日本提高摆线针轮减速器性能的主要技术措施已进行较深入的分析，而且在赶超世界水平方面也有自己的创新成果，如符合工程实际的对摆线轮与输出机构受力进行分析及摆线轮齿形的优化设计等。摆线针轮减速器所传递的最大功率为132KW，输入轴最高转速为1800r/min。美国在研究直升飞机传动装置时所做的摆线针轮传动试验样机，采用四片摆线轮，可以保证输入轴动平衡的新结构，输入转速达2000r/min，传动功率达205KW。第二章UG的功能与特点分析2.1参数化与模块化设计2.1.1参数化设计和变量化设计早期的CAD系统中其设计结果仅仅实现了用计算机及其外围设备出图,就产品图形而言,不过是几何图素(点,线,圆,弧)的拼接,是产品的可视形状,并不包含产品图开有内在的拓扑关系和尺寸约束.因此,当需要改变图形中哪怕任一微小的部分,都要擦除重画.这不仅使设计者投入相当的精力用于重重劳动,而且,这种重复劳动的结果并不能充分反映设计者对产品的本质构思和意图.一个机械产品,从设计到定型,其间经历了反复的修改和优化;定型之后,还要针对用户不同的规格系列的变而自动生成.如何将只有几何图素的“死图”变为含有设计构思,设计信息的产品几何模型,这是研究参数化设计和变量化设计的出发点。参数化和变量化设计的基础是尺寸驱动几何模型。与传统的设计不同,尺寸驱动的几何模型可以通过改变尺寸达到更改设计的目的。这意味着,设计人员一开始可以设计一个草图,稍后再通过精确的尺寸完成设计的细节。参数化设计一般指图形的拓扑关系不变,尺寸形状由一组参数进行约束。参数与图形的控制尺寸有显式的对应,不同的参数值驱动产生不同大小的几何图形。可见,参数化设计的规格化,系列化产品设计的一简单,高效,优质的设计方法。变量化设计是指设计图开有修改自由度不仅是尺寸形状参数,而且包括拜年结构关系,甚至工程计算条件,修改余地大,可变元素多,设计结果受到一组约束方程的控制和驱动.这种方法为设计方法为设计者提供了更加灵活的修改空间。无论参数化设计还是变量化设计,其本质是相同的,即在约束的基础上驱动产生新的设计结果,所不同的是约束自由度的范围,在参数化设计方法中要严格的逐个连续求解参数；而在变量设计方法中则是方程联立求解。2.1.2模块化设计模块化的概念由来已久，人类的语言无论其表达能力多么丰富,都是由有限的音节构成的；再用有限的字符刻录下来就构成了描述不同对象的文字系统。这里音节和字符就是基本模快，通过基本模型的排列组合就构成了丰富万千的不同系统；26个英文字母可以表达任何意思；10个阿拉伯数字字符可以表达任何数字；一组儿童积木可以拼搭不同的玩具造型；相同的建筑材料可以盖成不同式样的楼宇。到20世纪50年代,欧美一些国家正式提出“模块化设计”概念,把模块化设计提到理论高度来分。目前,模块化设计的思想已涌到许多领域,例如机床,减速器,家电,计算机等等.在每个领域,模块及模块化化设计都其特定的含义。所谓模块化设计,即在对产品进行功能分析的基础上,划分并设计出一系列相对通用的功能模快,通过模块的选择和组合可以构成不同功能或相同功能不同性能,不同规格的产品,以满足市场的不同需求。2.2UG的功能与特点目前,随着信息技术的发展,市场上已出现了许多不同的CAD/CAPP/CAM软件,如CAD、UG、PRO/E、CAXA、Solidworks等等,其中,犹以PRO/E和UG为典型代表。PRO/E是基于参数化设计的典型软件,UG是基于模块化设计的典型软件。UGNX主要应用于数字化产品设计、数字化仿真和数字化产品制造等3大领域。（1）数字化产品设计数字化产品设计又称全面设计技术。作为通向整个产品工程的一个主要的部分，Unigraphics产品设计技术涉及了绝大部分设计方法，使概念设计与详细的产品设计无缝组合。装配设计被提升为基于系统的建模，它提高了工程师对整个产品和生产过程进行评估的能力。评估过程中，工程师可以无限制地修改设计尺寸、零件或者