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湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計工作中期檢查表
系 機(jī)電系 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 班級 06興湘機(jī)二班
姓 名
陶柳
學(xué) 號
2006183910
指導(dǎo)教師
胡自化
指導(dǎo)教師職稱
教授
題目名稱
超環(huán)面行星蝸桿傳動數(shù)控轉(zhuǎn)臺的設(shè)計-機(jī)械部分
題目來源
■科研 企業(yè) 其它
課題名稱
超環(huán)面行星蝸桿傳動數(shù)控轉(zhuǎn)臺的設(shè)計-機(jī)械部分
題目性質(zhì)
工程設(shè)計 ■ 理論研究 科學(xué)實(shí)驗(yàn) 軟件開發(fā) 綜合應(yīng)用 其它
資料情況
1、選題是否有變化 有 ■否
2、設(shè)計任務(wù)書 ■有 否
3、文獻(xiàn)綜述是否完成 ■完成 未完成
4、外文翻譯 ■完成 未完成
由
學(xué)
生
填
寫
目前研究設(shè)計到何階段、進(jìn)度狀況：
通過對資料的查詢，已經(jīng)能夠?qū)Τh(huán)面行星蝸桿傳動機(jī)構(gòu)的傳動比計算，傳動的幾何關(guān)系，傳動中各傳動輪齒數(shù)與喉徑螺旋升角的關(guān)系，傳動的力分析等一些參數(shù)進(jìn)行分析計算和設(shè)計選取?，F(xiàn)階段著力對各個構(gòu)件的廓面方程進(jìn)行計算推導(dǎo)和總體方案的設(shè)計。與此同時還通過對一些復(fù)雜的裝配圖形的裝配和仿真熟悉和了解三維制圖軟件
由
老
師
填
寫
工作進(jìn)度預(yù)測（按照任務(wù)書中時間計劃）
提前完成
按計劃完成
拖后完成
無法完成
工作態(tài)度（學(xué)生對畢業(yè)論文的認(rèn)真程度、紀(jì)律及出勤情況）：
認(rèn)真
較認(rèn)真
一般
不認(rèn)真
質(zhì)量評價（學(xué)生前期已完成的工作的質(zhì)量情況）
優(yōu)
良
中
差
指導(dǎo)教師（簽名）：
年 月 日
建議檢查結(jié)果：
通過
限期整改
緩答辯
系意見：
簽名：
年 月 日
注：1、該表由指導(dǎo)教師和學(xué)生填寫。
2、此表作為附件裝入畢業(yè)設(shè)計（論文）資料袋存檔。
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書
設(shè)計題目： 超環(huán)面行星蝸桿傳動數(shù)控轉(zhuǎn)臺的設(shè)計—機(jī)械部分
學(xué)號： 2006183910 姓名： 陶 柳 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
指導(dǎo)教師： 胡自化 系主任：
一、主要內(nèi)容及基本要求
1、熟悉和掌握超環(huán)面行星蝸桿傳動的工作原理；
2、熟悉和掌握超環(huán)面行星蝸桿傳動的結(jié)構(gòu)參數(shù)；
3、總結(jié)和撰寫設(shè)計說明書一份（附光盤）；
4、CAD制圖，一張A0裝配圖紙及其零件圖，共計2張A0圖量；
5、翻譯相關(guān)外文資料一份；
二、重點(diǎn)研究的問題
1、熟悉和掌握超環(huán)面行星蝸桿傳動數(shù)控轉(zhuǎn)臺相關(guān)性能方面的知識；
2、熟悉和理解超環(huán)面行星蝸桿傳動的結(jié)構(gòu)參數(shù)；
三、進(jìn)度安排
序號
各階段完成的內(nèi)容
完成時間
1
熟悉課題及基礎(chǔ)資料
第一周
2
調(diào)研及收集資料
第二周
3
方案設(shè)計與討論
第三～四周
4
超環(huán)面行星蝸桿減速器各零件的設(shè)計與計算
第五～八周
5
CAD軟件的學(xué)習(xí)
第九周
6
CAD制圖
第十周
7
撰寫說明書
第十一周
8
英文文獻(xiàn)翻譯，答辯
第十二周
四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)
[1]秦大同.機(jī)械傳動科學(xué)與技術(shù).北京：清華大學(xué)出版社，2003.
[2]齒輪手冊編委會．齒輪手冊(上冊)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990
[3]付則紹．新型蝸桿傳動．北京：石油工業(yè)出版社，1992
[4]姚立綱,李尚信.超環(huán)面行星減速器的設(shè)計與制造研究[J].機(jī)械傳動, 2001, 25(4): 17-20.
[5]姚立綱.超環(huán)面行星蝸桿傳動的嚙合分析和加工研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué), 1996
[6]許立忠,曲繼方,趙永生.超環(huán)面行星蝸桿傳動效率研究[J].機(jī)械工程學(xué)報, 1998, 34(5):20
[7]張躍明.超環(huán)面行星蝸桿傳動的嚙合理論研究.學(xué)位論文.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程系,1993.7
[8]張春麗,徐曉俊,董申.超環(huán)面?zhèn)鲃拥墓に嚫倪M(jìn)方案及其齒面研究[J].中國機(jī)械工程, 2000, 11(7): 749-752.
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計說明書
題 目：超環(huán)面行星蝸桿傳動數(shù)控轉(zhuǎn)臺的設(shè)計—
機(jī)械部分
學(xué) 院：興湘學(xué)院
專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
學(xué) 號：2006183910
姓 名：陶柳
指導(dǎo)教師：胡自化 (教授)
完成日期： 2010年6月7號
超環(huán)面行星蝸桿傳動數(shù)控轉(zhuǎn)臺的設(shè)計
摘要：多年以來國產(chǎn)的數(shù)控轉(zhuǎn)臺都有著剛性不足，在旋轉(zhuǎn)過程中承載能力差的弱點(diǎn)。主要是因?yàn)閭鲃渔湹淖詈笠画h(huán)的蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)品質(zhì)低劣，與國際上高品質(zhì)的蝸桿蝸輪副相去甚遠(yuǎn)。本文以超環(huán)面行星蝸桿傳動作為傳動的最后一環(huán)，它的傳動比大，傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊湊。從而在輸出相同扭矩和傳動比的情況下體積小，同時通過大的傳動比來提高數(shù)控轉(zhuǎn)臺的剛度和承載能力。通過此設(shè)計我們發(fā)現(xiàn)數(shù)控轉(zhuǎn)臺所能承載的扭矩大大提高。
關(guān)鍵詞：超環(huán)面行星蝸桿傳動，廓面方程，傳動效率，
The design of Super-toroidal drive NC rotary table
Abstract：Over the years, the NC rotary table has insufficient rigidity of the bearing during rotation of the weakness of poor. Mainly because the transmission chain of the last part of the worm gear institutions of inferior quality, and high-quality international vice far cry from the Worm..In this paper, super-toroidal drive as part of the final drive, and its transmission ratio, transmission efficiency, compact structure. Thus the output torque and gear ratio the same case of small size, while driving through the large NC rotary table than to increase the stiffness and load capacity. With this design we found that the NC rotary table bearing torque can be greatly increased.
Key words：Super-toroidal drive；Profile equation；Transmission efficiency；
1
湘 潭 大 學(xué)
興湘學(xué)院
本科畢業(yè)設(shè)計開題報告
題 目
超環(huán)面行星蝸桿傳動數(shù)控轉(zhuǎn)臺的設(shè)計 —機(jī)械部分
姓 名
陶柳
學(xué)號
2006183910
專 業(yè)
機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
班級
興湘學(xué)院機(jī)械二班
指導(dǎo)教師
胡自化
職稱
教授
填寫時間
2010年4月22 日
2010年4月
說 明
1．根據(jù)湘潭大學(xué)《畢業(yè)設(shè)計(論文)工作管理規(guī)定》，學(xué)生必須撰寫《畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告》，由指導(dǎo)教師簽署意見，系主任批準(zhǔn)后實(shí)施。
2．開題報告是畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。學(xué)生應(yīng)當(dāng)在畢業(yè)設(shè)計（論文）工作前期內(nèi)完成，開題報告不合格者不得參加答辯。
3．畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告各項(xiàng)內(nèi)容要實(shí)事求是，逐條認(rèn)真填寫。其中的文字表達(dá)要明確、嚴(yán)謹(jǐn)，語言通順，外來語要同時用原文和中文表達(dá)。第一次出現(xiàn)縮寫詞，須注出全稱。
4．本報告中，由學(xué)生本人撰寫的對課題和研究工作的分析及描述，應(yīng)不少于2000字。
5．開題報告檢查原則上在第2～4周完成，各系完成畢業(yè)設(shè)計開題檢查后，應(yīng)寫一份開題情況總結(jié)報告。
6. 填寫說明：
(1) 課題性質(zhì)：可填寫A．工程設(shè)計；B．論文；C. 工程技術(shù)研究；E.其它。
(2) 課題來源：可填寫A．自然科學(xué)基金與部、省、市級以上科研課題；B．企、事業(yè)單位委托課題；C．校級基金課題；D．自擬課題。
(3) 除自擬課題外，其它課題必須要填寫課題的名稱。
(4) 參考文獻(xiàn)不能少于10篇。
(5) 填寫內(nèi)容的字體大小為小四，表格所留空不夠可增頁。
本科畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告
學(xué)生姓名
陶柳
學(xué) 號
2006183910
專 業(yè)
機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
指導(dǎo)教師
胡自化
職 稱
教授
所在系
機(jī)電系
課題來源
科研
課題性質(zhì)
工程技術(shù)研究
課題名稱
超環(huán)面行星蝸桿傳動數(shù)控轉(zhuǎn)臺的設(shè)計—機(jī)械部分
一、選題的依據(jù)、課題的意義及國內(nèi)外基本研究情況
隨著我國制造業(yè)的發(fā)展，加工中心的需求也在增加，特別是四軸、五軸聯(lián)動的加工中心。作為數(shù)控機(jī)床的主要功能部件，數(shù)控轉(zhuǎn)臺在整個機(jī)床工具行業(yè)中的作用越來越重要。我湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院近期夠買的一臺國產(chǎn)4軸4聯(lián)動數(shù)控銑床配置的作為機(jī)床第四軸的數(shù)控轉(zhuǎn)臺就是TK13系列中的TK13250型號。在使用中已經(jīng)充分暴露其剛性不足，在旋轉(zhuǎn)過程中承載能力差的弱點(diǎn)。這幾乎是國產(chǎn)數(shù)控轉(zhuǎn)臺的通病。生產(chǎn)廠家在其說明書已經(jīng)明確的規(guī)定，轉(zhuǎn)臺處于非剎緊狀態(tài)時只能承受較低的切削扭矩的零件加工。因此，數(shù)控機(jī)床雖有多軸聯(lián)動的功能，卻很難再轉(zhuǎn)臺參與聯(lián)動的過程中進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的切削加工，極大地限制了數(shù)控機(jī)床的使用范圍。
上述弊端的存在，主要是因?yàn)閭鲃渔湹淖詈笠画h(huán)的蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)品質(zhì)低劣，與國際上高品質(zhì)的蝸桿蝸輪副相去甚遠(yuǎn)。精度、強(qiáng)度、壽命等均不在一個檔次，所以要突破傳統(tǒng)的蝸桿蝸輪傳動模式，以環(huán)面蝸桿、行星滾子齒輪為傳動鏈來改進(jìn)，從而增大數(shù)控轉(zhuǎn)臺的切削能力，這我們選擇此題的重要依據(jù)及其意義所在。
國內(nèi)外基本研究狀況：超環(huán)面行星蝸桿傳動機(jī)構(gòu)一經(jīng)出現(xiàn),立即引起國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的高度重視。迄今為止,對于超環(huán)面行星蝸桿傳動的研究主要有以下幾個方面:1，嚙合理論研究;2,關(guān)鍵零件定子加工制造技術(shù)研究;3，承載能力研究;4,其它問題研究。其中前兩方面的研究相對較多,而后兩方面的研究則很少。
在嚙合理論研究方面,國內(nèi)研究相對較多,國外尚未見資料報道。文獻(xiàn)中給出了超環(huán)面行星蝸桿傳動定子齒面方程、蝸桿齒面方程、接觸線方程和螺旋線方程等。在該種傳動嚙合理論的研究方面有很大突破,文中不僅求解并比較了在三種不同行星輪齒形時行星輪與定子及蝸桿的接觸線,而且討論了根切界限點(diǎn),并依據(jù)定子法截面內(nèi)齒形設(shè)計定子飛刀,把超環(huán)面行星蝸桿傳動的嚙合理論與實(shí)際加工過程聯(lián)系起來。綜合而言,對于該種傳動的嚙合特尚需進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。
二、研究內(nèi)容、預(yù)計達(dá)到的目標(biāo)、關(guān)鍵理論和技術(shù)、技術(shù)指標(biāo)、完成課題的方案和主要措施
本課題對超環(huán)面行星蝸桿傳動的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計和嚙合理論分析研究，中心蝸桿和超環(huán)面內(nèi)齒輪復(fù)雜齒面建模，傳動系統(tǒng)的運(yùn)動、動力仿真以及數(shù)控轉(zhuǎn)臺的設(shè)計,主要完成以下研究內(nèi)容：
1．研究超環(huán)面行星蝸桿傳動嚙合理論、關(guān)鍵零件的廓面方程、傳動效率以及一些重要零件的校核計算。
2．超環(huán)面行星蝸桿傳動減速器進(jìn)行運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)分析和數(shù)字仿真研究分析。
預(yù)計達(dá)到的目標(biāo)：通過此次畢業(yè)設(shè)計今后自己能夠?qū)σ恍?fù)雜曲面的廓面方程進(jìn)行很好的計算和分析，并能夠熟練的利用三維建模軟件對一些機(jī)構(gòu)及復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行計算機(jī)模擬和仿真來解決一些困難的問題，同時開發(fā)這產(chǎn)品，提高在制造設(shè)計技能為今后的工作崗位打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
關(guān)鍵理論和技術(shù)指標(biāo)：主要是對中心蝸桿，行星蝸輪以及內(nèi)超環(huán)面齒輪廓面方程的計算分析和機(jī)構(gòu)的動態(tài)仿真.
完成課題的方案和主要措施：先在導(dǎo)師的幫助下查閱相關(guān)的資料，對課題進(jìn)行初步的了解，然后通過對傳動比，廓面方程的分析計算對它做前面的了解，先通過三維軟件對之進(jìn)行動態(tài)仿真，看所設(shè)計的參數(shù)是否合理，最后將此產(chǎn)品研發(fā)出來
三、主要特色及工作進(jìn)度
主要特色：
利用計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)，基于UG、等軟件對理論設(shè)計的進(jìn)行參數(shù)化建模，動態(tài)仿真。
工作進(jìn)度：
收集查閱了有關(guān)超環(huán)面行星蝸桿傳動設(shè)計資料，現(xiàn)已經(jīng)對它的傳動比計算，傳動中各傳動輪齒數(shù)與喉徑螺旋升角的關(guān)系，傳動的裝配關(guān)系，行星蝸輪與中心蝸桿之間的力關(guān)系以及廓面方程有了足夠的理解，現(xiàn)已能過對其進(jìn)行設(shè)計分析，并制定了設(shè)計提綱方案和計劃。
四、主要參考文獻(xiàn)（按作者、文章名、刊物名、刊期及頁碼列出）
[1]秦大同．機(jī)械傳動科學(xué)與技術(shù)．．北京：清華大學(xué)出版社，2003．
[2]齒輪手冊編委會．齒輪手冊(上冊)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990
[3]付則紹．新型蝸桿傳動．北京：石油工業(yè)出版社，1992.
[4]姚立綱,鄭建祥,李尚信,徐曉俊,李華敏.超環(huán)面行星蝸桿傳動的嚙合分析
大慶石油學(xué)院學(xué)報, 1996.
[5]姚立綱,李尚信.超環(huán)面行星減速器的設(shè)計與制造研究[J].機(jī)械傳動, 2001.
[6]姚立綱.超環(huán)面行星蝸桿傳動的嚙合分析和加工研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)
大學(xué), 1996
[7]許立忠,曲繼方,趙永生.超環(huán)面行星蝸桿傳動效率研究[J].機(jī)械工程學(xué)報, 1998.
[8]張躍明.超環(huán)面行星蝸桿傳動的嚙合理論研究.學(xué)位論文.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)械
工程系,1993.
[9]張春麗,徐曉俊,董申.超環(huán)面?zhèn)鲃拥墓に嚫倪M(jìn)方案及其齒面研究[J].中國機(jī)械工
程, 2000.
[10]徐曉俊,張春麗,董申.新型超環(huán)面?zhèn)鲃拥膬?nèi)齒輪齒面展成原理.機(jī)械傳
動,1999.
指導(dǎo)教師
意 見
指導(dǎo)教師簽名：
年 月 日
系意見
系主任簽名：
年 月 日
院意見
教學(xué)院長簽名：
年 月 日
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)論文（設(shè)計）鑒定意見
學(xué)號： 2006183910 姓名： 陶柳 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 頁 圖 表 張
論文（設(shè)計）題目： 超環(huán)面行星蝸桿傳動數(shù)控轉(zhuǎn)臺的設(shè)計—機(jī)械部分
內(nèi)容提要：本文以超環(huán)面行星蝸桿傳動的傳動效率、廓面方程、運(yùn)動仿真、零件的校核
以及數(shù)控轉(zhuǎn)臺的定位精度和回零機(jī)構(gòu)為主要研究方向。主要完成了一下研究內(nèi)容：通過
計算得出了超環(huán)面行星我桿傳動效率方程，建立了超環(huán)面行星蝸桿傳動的嚙合方程、中
心蝸桿和內(nèi)超環(huán)面齒輪的齒面和齒廓螺旋線的方程表達(dá)式，提出了基于三維方程的中心
蝸桿和內(nèi)超環(huán)面齒輪三維實(shí)體精確建模的原理和方法，對超環(huán)面行星蝸桿減速器的傳，
動效率進(jìn)行了計算以及對一次而關(guān)鍵零件行了校核，同時對數(shù)控轉(zhuǎn)臺的定位精度和回零
裝置進(jìn)行了研究設(shè)計。
指導(dǎo)教師評語
陶柳同學(xué)在畢業(yè)設(shè)計期間，能努力學(xué)習(xí)，刻苦鉆研，作風(fēng)踏實(shí)，行動積極，面對難題敢于鉆研。能認(rèn)真完成畢業(yè)設(shè)計任務(wù)，論文撰寫基本流暢、工作量較飽滿、論文格式符合規(guī)范，圖標(biāo)較清楚，鑒于其本科畢業(yè)設(shè)計已達(dá)到學(xué)士學(xué)位論文的要求，同意其進(jìn)行畢業(yè)論文答辯。
指導(dǎo)教師：
年 月 日
答辯簡要情況及評語
答辯小組組長：
年 月 日
答辯委員會意見
答辯委員會主任：
年 月 日
目錄
摘要 1
Abstract 1
第一章 引言 2
1.1概述 2
1.2超環(huán)面行星蝸桿傳動的發(fā)展概況 2
1.3本文主要研究的內(nèi)容 3
第二章 減速器的方案設(shè)計 4
2.1三級齒輪傳動 4
2.2蝸桿傳動 4
2.3行星齒輪傳動 4
2.4超環(huán)面行星蝸桿傳動 5
2.5 電動機(jī)的選擇 5
第三章 超環(huán)面行星蝸桿傳動的基本原理、結(jié)構(gòu)分析與計算 9
3.1超環(huán)面行星蝸桿傳動機(jī)構(gòu)的傳動比計算 9
3.2超環(huán)面行星蝸桿傳動各計算圓直徑的確定 9
3.3超環(huán)面行星蝸桿傳動中各傳動輪齒數(shù)與喉徑螺旋升角的確定 10
3.4超環(huán)面行星蝸桿傳動的行星個數(shù)的確定 11
3.5與設(shè)計相關(guān)的技術(shù)參數(shù) 13
第四章 超環(huán)面行星蝸桿傳動傳動效率的研究計算 15
4.1概述 15
4.2嚙合效率 15
4.3 摩擦系數(shù)的計算 16
第五章超環(huán)面行星蝸桿傳動的嚙合原理研究 19
5.1坐標(biāo)系的建立 19
5.2坐標(biāo)變換 20
5.21 滾動體與行星蝸輪 20
5.22行星蝸輪與中心蝸桿嚙合 20
5.23行星蝸輪與內(nèi)超環(huán)面齒輪嚙合 21
5.3嚙合方程 22
5.31行星蝸輪齒面方程 22
5.32嚙合方程 22
5.33 行星蝸輪齒面Σ(2)（母面）上的瞬時接觸線方程 24
5.34中心蝸桿齒面Σ(1)和內(nèi)超環(huán)面齒輪齒面Σ(3)方程 25
5.4 中心蝸桿和內(nèi)超環(huán)面齒輪的螺旋線方程 25
第六章 滾動軸承壽命的校核 27
6.1基本概念 27
6.2壽命的計算方法 27
6.21軸向力的計算 28
6.3超環(huán)面行星蝸桿傳動力的分析 28
6.31輸入與輸出的力矩關(guān)系 29
6.32行星蝸輪與中心蝸桿里的關(guān)系 29
6.33行星蝸輪與內(nèi)超環(huán)面齒輪之間的力的關(guān)系 30
6.4角接觸軸承的壽命計算： 31
6.5圓柱滾子軸承壽命的計算 32
6.6軸及其滾子的校核 32
6.61中心蝸桿剛度條件 32
6.62中心蝸桿軸許用應(yīng)力條件 32
6.63滾動體的接觸強(qiáng)度條件 33
結(jié)論與展望 34
參考文獻(xiàn)： 35
致謝： 36
附錄一：英文翻譯 37
附錄二: 英文翻譯原文 47
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計評閱表
學(xué)號 2006183910 姓名 陶柳 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
畢業(yè)論文（設(shè)計）題目： 超環(huán)面行星蝸桿傳動數(shù)控轉(zhuǎn)臺的設(shè)計—機(jī)械部分
評價項(xiàng)目
評 價 內(nèi) 容
選題
1.是否符合培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點(diǎn)和教學(xué)計劃的基本要求，達(dá)到綜合訓(xùn)練的目的；
2.難度、份量是否適當(dāng)；
3.是否與生產(chǎn)、科研、社會等實(shí)際相結(jié)合。
能力
1.是否有查閱文獻(xiàn)、綜合歸納資料的能力；
2.是否有綜合運(yùn)用知識的能力；
3.是否具備研究方案的設(shè)計能力、研究方法和手段的運(yùn)用能力；
4.是否具備一定的外文與計算機(jī)應(yīng)用能力；
5.工科是否有經(jīng)濟(jì)分析能力。
論文
（設(shè)計）質(zhì)量
1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴(yán)謹(jǐn)合理；實(shí)驗(yàn)是否正確，設(shè)計、計算、分析處理是否科學(xué)；技術(shù)用語是否準(zhǔn)確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；
2.文字是否通順，有無觀點(diǎn)提煉，綜合概括能力如何；
3.有無理論價值或?qū)嶋H應(yīng)用價值，有無創(chuàng)新之處。
綜
合
評
價
評閱人：
2010年6月 日
第一章 引言
1.1概述
隨著我國制造業(yè)的發(fā)展，加工中心的需求也在增加，特別是四軸、五軸聯(lián)動的加工中心。作為數(shù)控機(jī)床的主要功能部件，數(shù)控轉(zhuǎn)臺在整個機(jī)床工具行業(yè)中的作用越來越重要。我湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院近期夠買的一臺國產(chǎn)4軸4聯(lián)動數(shù)控銑床配置的作為機(jī)床第四軸的數(shù)控轉(zhuǎn)臺就是TK13系列中的TK13250型號。在使用中已經(jīng)充分暴露其剛性不足，在旋轉(zhuǎn)過程中承載能力差的弱點(diǎn)。這幾乎是國產(chǎn)數(shù)控轉(zhuǎn)臺的通病。生產(chǎn)廠家在其說明書已經(jīng)明確的規(guī)定，轉(zhuǎn)臺處于非剎緊狀態(tài)時只能承受較低的切削扭矩的零件加工。因此，數(shù)控機(jī)床雖有多軸聯(lián)動的功能，卻很難再轉(zhuǎn)臺參與聯(lián)動的過程中進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的切削加工，極大地限制了數(shù)控機(jī)床的使用范圍。
上述弊端的存在，主要是因?yàn)閭鲃渔湹淖詈笠画h(huán)的蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)品質(zhì)低劣，與國際上高品質(zhì)的蝸桿蝸輪副相去甚遠(yuǎn)。精度、強(qiáng)度、壽命等均不在一個檔次，所以要突破傳統(tǒng)的蝸桿蝸輪傳動模式，以環(huán)面蝸桿、行星滾子齒輪為傳動鏈來改進(jìn)
1.2超環(huán)面行星蝸桿傳動的發(fā)展概況
超環(huán)面行星蝸桿傳動(Tropical Drive)，是1966年由美國later系統(tǒng)公司的M .R .Kushner提出的發(fā)明專利，它由中心蝸桿、行星蝸輪、面內(nèi)齒輪、行星架以及滾動體等組成。該機(jī)構(gòu)工作時，動由中心蝸桿軸并帶動行星蝸輪旋轉(zhuǎn)，當(dāng)超環(huán)面內(nèi)齒輪不動時，行星蝸輪作環(huán)狀的螺旋運(yùn)動的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、承載能力、嚙合強(qiáng)度和加工工藝等，并成功地制造出這種傳動的減速器，傳動效率為90%左右，最高時可達(dá)95%。對這種傳動的關(guān)鍵技術(shù)，即傳動結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部件內(nèi)齒蝸輪（超環(huán)面內(nèi)齒輪）的加工方法與加工工藝，亞琛工業(yè)大學(xué)的學(xué)者們提出了采用燒結(jié)、電塑、精鑄和旋風(fēng)銑削等方法來實(shí)現(xiàn)。但結(jié)果表明，除了旋風(fēng)銑削比較容易實(shí)現(xiàn)外，其它幾種方法費(fèi)用昂貴而且工藝性較差。
我國從八十年代中期也陸續(xù)出現(xiàn)了對超環(huán)面行星蝸桿傳動的研究報告，主要研究工作可分為兩個方面，一是對這種傳動的嚙合理論研究，另一方面是對傳動的結(jié)構(gòu)、加工工藝、效率、載荷計算和實(shí)驗(yàn)等的研究。早期的嚙合理論研究只停留在繁雜的公式上，沒有從理論上探討各個嚙合參數(shù)對超環(huán)面行星蝸桿傳動特性的影響，也沒有進(jìn)行數(shù)值計算和分析。20世紀(jì)末，福州大學(xué)姚立綱對傳動的嚙合理論進(jìn)行了比較深入的研究，通過在轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)中的嚙合分析，論證了當(dāng)行星輪輪齒為球體時，行星輪與超環(huán)面內(nèi)齒輪、行星輪與蝸桿的接觸線是過球面頂點(diǎn)的大圓，齒面沒有根切界線，二界曲線退化為滾珠的頂點(diǎn)。同時還探討了不同滾動體形狀對超環(huán)面行星蝸桿傳動嚙合特性的影響。對超環(huán)面行星蝸桿傳動的設(shè)計、制造和載荷計算等方面的研究，一般都集中在對超環(huán)面內(nèi)齒輪的加工方法與加工工藝的研究。陳定方等人通過對滾齒機(jī)的改裝，加工出了這種傳動的超環(huán)面內(nèi)齒輪并完成了樣機(jī)的制造，但由于加工精度等原因，樣機(jī)“工作原理無誤，惜于制造精度不高，而未進(jìn)行任何臺架實(shí)驗(yàn)”。姚立綱提出了采用飛刀粗切超環(huán)面內(nèi)齒輪齒形，然后再精確磨削的包絡(luò)加工方法，采用兩片超環(huán)面內(nèi)齒輪同時切齒，保證了加工與裝配精度，并成功地制造出了樣機(jī)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)，傳動效率可達(dá)85%。姚立綱還對這種傳動結(jié)構(gòu)參數(shù)選法，經(jīng)實(shí)際安裝和運(yùn)行表明均載效果良好。燕山大學(xué)的許立忠等人在國家自然科學(xué)基金的資助下對超環(huán)面行星蝸桿傳動的效率和承載情況進(jìn)行了研究，證明了這種傳動的嚙合由于以滾動摩擦為主而具有較高的嚙合效率，一般可達(dá)97%以上，而且，嚙合效率的高低與結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取有直接關(guān)系，這也和德國學(xué)者研制的減速器的效率相一致，同時他們也對超環(huán)面蝸桿傳動的摩擦理論以及接觸應(yīng)力進(jìn)行了研究，使得該傳動在理論上不斷完善。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)的徐曉俊和張春麗等人在重慶大學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助下提出了用內(nèi)斜齒輪近似代替螺旋超環(huán)面內(nèi)齒輪的方法，通過優(yōu)化設(shè)計和計算機(jī)代數(shù)系統(tǒng)計算，證明傳動機(jī)構(gòu)連續(xù)接觸，并制造出減速器樣機(jī)，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明“樣機(jī)傳動平穩(wěn)，載荷不大時噪音較低，而當(dāng)載荷逐漸增大時溫升較快、噪音較大。這導(dǎo)致齒面磨損加重，并在加載至實(shí)際承載能力的70%以上時，超環(huán)面行星蝸桿傳動的關(guān)鍵技術(shù)研究噪音加劇，不得不中斷實(shí)驗(yàn)的繼續(xù)進(jìn)行”。超環(huán)面行星蝸桿傳動在國內(nèi)的研究尚未成熟，因此在不少領(lǐng)域存在理論和實(shí)踐空白，本文力爭在已有研究的基礎(chǔ)上解決一些關(guān)鍵技術(shù)問題。
1.3本文主要研究的內(nèi)容
在給定的設(shè)計要求的前提下，設(shè)計一個高精度數(shù)控轉(zhuǎn)臺的減速器，重點(diǎn)是解決其蝸輪蝸桿的廓面方程、關(guān)鍵零件的廓面方程求解以及傳動效率的研究，并對其滾動軸承和其它零件進(jìn)行壽命和強(qiáng)度的校核。
第二章 減速器的方案設(shè)計
根據(jù)題目的設(shè)計要求，我們知道要實(shí)現(xiàn)較大的減速比，而一般的形式有多級齒輪傳動，蝸桿傳動以及行星齒輪傳動，另外還有近幾年被研究較多的超環(huán)面行星蝸桿傳動。下面對這幾種傳動方式一一介紹。
2.1三級齒輪傳動
由于題目的設(shè)計要求傳動比較大，而圓柱齒輪傳動每級的傳動比閉式的為3-5，開式的為4-7，故使用齒輪傳動的話就要涉及成三級傳動。齒輪傳動雖然結(jié)構(gòu)簡單，但齒輪相對于軸的結(jié)構(gòu)不對稱，因此要求軸要有較大的剛度。同時采用多級齒輪傳動時，會使結(jié)構(gòu)的尺寸變大，相互尺寸不協(xié)調(diào)，成本高，制造和安裝不方便。而且不能兼顧到每一個齒輪的強(qiáng)度，不能很好的發(fā)揮每一個齒輪的全部承受能力，這樣就極大地浪費(fèi)材料。特別是多級齒輪傳動的結(jié)構(gòu)尺寸大，這樣就給潤滑帶來了麻煩，不能集中潤滑；而且大的結(jié)構(gòu)尺寸帶來的直接后果是重量很大，這樣運(yùn)輸和裝卸都很不方便。
2.2蝸桿傳動
蝸桿傳動是在空間交錯的兩軸間傳遞運(yùn)動和動力的一種傳動機(jī)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)較大的傳動比，一般為5-80 。由于傳動比大，零件數(shù)目又少，因而結(jié)構(gòu)很緊湊。在蝸桿傳動中，由于蝸桿齒是連續(xù)不斷的螺旋齒，它的蝸輪齒是不斷進(jìn)入嚙合有逐漸退出嚙合的，同時嚙合的齒數(shù)又較多，顧沖擊載荷小，傳動平穩(wěn)，噪聲低。但蝸桿傳動在嚙合處有相對滑動，當(dāng)速度很大時，工作條件不夠良好時候會產(chǎn)生較嚴(yán)重的摩擦與磨損，從而引起過分發(fā)熱，使?jié)櫥闆r惡化。因此摩擦損失大，效率低；當(dāng)蝸桿的螺旋線升角小于嚙合面的當(dāng)量摩擦角時候，蝸桿傳動便具有自鎖性，此時效率只有0.4左右。同時由于摩擦與磨損嚴(yán)重，常需要有色金屬制造蝸輪。綜上所述，蝸桿傳動雖然有傳動平穩(wěn)和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，但它傳動效率低，摩擦與磨損嚴(yán)重，發(fā)熱量大，特別是在功率大的情況下不利于潤滑，會使工作環(huán)境更加惡化
2.3行星齒輪傳動
行星齒輪傳動與普通定軸齒輪傳動比較，具有質(zhì)量小，體積小，傳動比大，承載能力強(qiáng)以及傳動平穩(wěn)和傳動效率高等優(yōu)點(diǎn)；這些已被我國越來越多的機(jī)械工程技術(shù)人員所了解和重視。由于在行星齒輪傳動中有效地利用了功率分流的特點(diǎn)和輸入輸出的同軸性以及合理的采用了內(nèi)嚙合，才使得其具有上述諸多優(yōu)點(diǎn)。行星齒輪傳動不僅適用于高速，大功率，而且適用于低速，大轉(zhuǎn)矩的機(jī)械傳動裝置上，可以用來減速，增速和變速傳動，運(yùn)動的分解和合成，以及一些特殊的應(yīng)用中。行星齒輪的特性要求行星齒輪使用有色金屬的貴重材料，結(jié)構(gòu)設(shè)計乜比較復(fù)雜，制造和安裝角困難，對裝配的精度要求較高，
樣就要求素質(zhì)較高的人員來安裝和維修，增加了成本。
2.4超環(huán)面行星蝸桿傳動
超環(huán)面行星蝸桿傳動(Tropical Drive)的結(jié)構(gòu)如圖1所示,它由中心桿、行星蝸輪、內(nèi)超環(huán)面齒輪、行星架和行星蝸輪齒(滾動體)組成。該機(jī)構(gòu)運(yùn)動時,運(yùn)動由中心蝸桿輸入帶動行星蝸輪旋轉(zhuǎn),當(dāng)內(nèi)超環(huán)面齒輪固定不動時,行星蝸輪作環(huán)狀的螺旋運(yùn)動,并通過行星架實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的輸出,超環(huán)面行星蝸桿傳動減速器與其他類型傳動的減速器比較,在輸入功率,材料相同和傳動比不變的情況下,重量減少50%以上,而且最多嚙合點(diǎn)可達(dá)到30以上,是其它齒輪傳動(擺線針輪傳動、行星傳動、蝸桿傳動和圓柱齒輪傳動)的3-20倍。
圖2-1 超環(huán)面行星蝸桿傳動減速器結(jié)構(gòu)圖
綜上所述，雖然每種傳動裝置都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，也都可以用來完成設(shè)計任務(wù)，但是超環(huán)面行星蝸桿傳動較好的綜合了其他傳動方案的優(yōu)點(diǎn)，使其傳動性能更加優(yōu)越，能夠狠好的滿足設(shè)計的要求，故在本次畢業(yè)設(shè)計中我們采用超環(huán)面行星蝸桿傳動來做減速器
2.5電動機(jī)的選擇
由設(shè)計條件可知：M2=3000Nm
又由公式，已知=180 得到=16.7Nm
由減速器的要求，選用交流伺服電機(jī)，選用韓國邁克彼恩Mecapion 品牌的交流伺服電機(jī)。由圖2-1得到型號為 AMP-SB40GDK1G2180.
圖2-2 型號選擇圖
轉(zhuǎn)速-扭矩特性：
圖2-3轉(zhuǎn)速-扭矩特性圖
外形尺寸由圖2-4：
圖2-4外形尺寸
參數(shù)如下表2-1
表2-1 電動機(jī)參數(shù)
伺服電機(jī)型號（APM-）
SB40G
伺服驅(qū)動器型號（APD-）
VS35
法蘭規(guī)格（□）
□220
額定功率
[KW]
4
額定扭矩
[N.m]
16.7
[kgf.cm]
170.5
最大扭矩
[N.m]
50.1
[kgf.cm]
511.5
額定轉(zhuǎn)速
[r/min]
1500
最大轉(zhuǎn)速
[r/min]
3,000
慣量
[㎏ · ㎡ ×10-4]
80.35
[gf · cm · s2]
81.99
允許負(fù)載慣量
5倍電機(jī)慣量
額定功率響應(yīng)率
[KW/s]
34.75
速度、位置、檢測型號
標(biāo)準(zhǔn)型號（注1）
增量型3000(P/R)
選擇型號
絕對值,曼切斯特通信
速度、位置、檢測型號
標(biāo)準(zhǔn)型號（注1）
增量型3000(P/R)
選擇型號
絕對值,曼切斯特通信
重量
[kg]
21.95
第三章 超環(huán)面行星蝸桿傳動的基本原理、結(jié)構(gòu)分析
超環(huán)面行星蝸桿傳動中，中心蝸桿軸為運(yùn)動輸入軸，其上有于行星輪輪齒想嚙合的滾道，滾道是由行星輪上的輪齒包絡(luò)而形成的。行星輪上均勻的分布著滾動體，這些滾動體可以自由轉(zhuǎn)動并分別與中心蝸桿和內(nèi)超環(huán)面齒輪上的滾道相嚙合。滾動體有圓錐體，圓柱體，球形體和鼓行齒等，本文以球形滾動體為研究對象。內(nèi)超環(huán)面齒輪相當(dāng)于一般行星傳動的內(nèi)齒輪，其齒形為均勻分布在內(nèi)圓環(huán)面上的螺旋齒，乜是由行星輪上的輪齒包絡(luò)形成。行星架上裝有行星輪，與該機(jī)構(gòu)的輸出軸相固連。嚙合過程中，行星輪分別為內(nèi)超環(huán)面齒輪和中心蝸桿的環(huán)面所包圍，工作時同時接觸點(diǎn)數(shù)多，是一種新型的傳動形式。
3.1超環(huán)面行星蝸桿傳動機(jī)構(gòu)的傳動比計算
超環(huán)面行星蝸桿傳動的主要優(yōu)點(diǎn)之一是傳動比范圍廣且能實(shí)現(xiàn)較大傳動比，該傳動的傳動比計算同一般行星傳動相類似。假設(shè)中心蝸桿的旋轉(zhuǎn)角速度為ω1，頭數(shù)為z1；行星蝸輪的角速度為ω2，齒數(shù)為z2；內(nèi)超環(huán)面齒輪的角速度
為ω3(實(shí)際工作時ω3=0)，齒數(shù)為3z；行星架的角速度為ωh。應(yīng)用轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)的方法，給整個輪系加上一公共角速度-ωh，則該機(jī)構(gòu)變?yōu)槎ㄝS輪系，此時傳動比為：
當(dāng)中心蝸桿和內(nèi)超環(huán)面齒輪的螺旋方向相同時，取“+”號，反之取“-”。
由上式得：
上式為超環(huán)面行星蝸桿傳動的傳動比計算公式，由于通常較小，而z3較大固可以實(shí)現(xiàn)較大的傳動比。
由設(shè)計要求的傳動比為1/180，且由上述公式得可以取
Z1的頭數(shù)為1
Z2的滾子數(shù)目為10
Z3的齒數(shù)為179
3.2超環(huán)面行星蝸桿傳動各計算圓直徑的確定
超環(huán)面行星蝸桿傳動各傳動輪之間的幾何關(guān)系如右圖所示：
圖3-1 鄰接關(guān)系
圖中
d1——中心蝸桿喉部節(jié)圓直徑
d2——行星蝸輪輪齒滾動體幾何中心所在圓周直徑
d3——內(nèi)超環(huán)面齒輪節(jié)圓直徑
由圖可知，
d1，d2，d3之間應(yīng)有如下關(guān)系式：
d3=d1+2d2
所以由分析計算得取d1=114，d2=130，d3=374
3.3超環(huán)面行星蝸桿傳動中各傳動輪齒數(shù)與喉徑螺旋升角的確定
將中心蝸桿和內(nèi)超環(huán)面齒輪分別以喉部節(jié)圓和節(jié)圓為直徑的圓柱體展開，
如圖下圖所示：
圖3-2 各零件升角關(guān)系
圖中，
λ1——中心蝸桿喉部計算圓螺旋升角
λ3——內(nèi)超環(huán)面齒輪計算圓螺旋升角
t1——中心蝸桿端面周節(jié)
t2——行星蝸輪周節(jié)
t3——內(nèi)超環(huán)面齒輪端面周節(jié)
設(shè)中心蝸桿、內(nèi)超環(huán)面齒輪均為右旋，由上圖可得：
又由于：
同理：
所以由上面式子有：
此即為為超環(huán)面行星蝸桿傳動中各傳動輪齒數(shù)與螺旋升角之間的關(guān)系。
應(yīng)為z1=1， Z2=10，Z3=179 且有：
所以得各螺旋升角如下表二中。
3.4超環(huán)面行星蝸桿傳動的行星個數(shù)的確定
為使行星傳動功率分流的優(yōu)點(diǎn)充分體現(xiàn)，除了采用環(huán)面蝸桿與內(nèi)超環(huán)面齒輪包容行星蝸輪而增加多點(diǎn)嚙合外，應(yīng)盡量采用多個行星蝸輪。因此，在裝配這些行星蝸輪時，應(yīng)考慮它們必須滿足一定的條件——即超環(huán)面行星蝸桿傳動的裝配條件。
如圖下圖所示，設(shè)k為均勻分布的行星蝸輪個數(shù)，則各行星蝸輪齒輻平面間的中心角
圖3-3 裝配關(guān)系
為2π/k，設(shè)行星蝸輪A在Ι-Ι位置能與內(nèi)超環(huán)面齒輪嚙合，同時也與中心蝸桿嚙合，如果行星蝸輪的齒數(shù)Z2為偶數(shù)，則在Ι-Ι位置時，中心蝸桿的凹槽與內(nèi)超環(huán)面齒輪的凹槽相對應(yīng)。如果行星輪的齒數(shù)Z2為奇數(shù)，兩中心輪在Ι-Ι位置其齒為一凸一凹對應(yīng)。在裝上第一個行星蝸輪后，它們之間的運(yùn)動關(guān)系即被確定而不能隨意調(diào)整。設(shè)內(nèi)超環(huán)面齒輪不動，將行星架沿順時針方向轉(zhuǎn)過為：,則行星架上放置行星輪的Ι-Ι位置轉(zhuǎn)到了Ⅱ-Ⅱ位置，此時中心蝸桿轉(zhuǎn)過角度，中心蝸桿端面原來在Ι-Ι位置時的D點(diǎn)，此時旋轉(zhuǎn)到D'，可由下式算得：
式中符號的意義同前
現(xiàn)空出的Ι-Ι位置即可將第二個行星蝸輪裝入。設(shè)行星蝸輪B的齒數(shù)為Z2偶數(shù)，則要求蝸桿轉(zhuǎn)過的角度剛好使凹齒與內(nèi)超環(huán)面齒輪凹齒相對應(yīng)，即應(yīng)為t1的整數(shù)倍。若行星蝸輪的齒數(shù)Z2為奇數(shù)，則必有中心蝸桿的凸齒與內(nèi)超環(huán)面齒輪凹齒相對應(yīng)，在行星蝸輪轉(zhuǎn)過2π/k角度后，空出的Ι-Ι位置也同樣是凸齒與內(nèi)超環(huán)面齒輪的凹齒對應(yīng)，因此中心蝸桿轉(zhuǎn)過角，也應(yīng)滿足其對應(yīng)的弧長為t1的整數(shù)倍，有：
其中i為正整數(shù)，為中心蝸桿喉部計算圓半徑。由于 所以有：
由上兩式可得：
k<0表示中心蝸桿與內(nèi)超環(huán)面齒輪螺旋線方向相反。上式中表示行星蝸輪個數(shù)k與兩個中心蝸桿和內(nèi)超環(huán)面齒輪齒數(shù)之間的關(guān)系,即為超環(huán)面行星蝸桿傳動機(jī)構(gòu)的裝配條件。跟據(jù)多方面的考慮 取K=4
3.5與設(shè)計相關(guān)的技術(shù)參數(shù)
1.本設(shè)計進(jìn)行的工作以煙臺機(jī)床附件廠TK13400數(shù)控轉(zhuǎn)臺的技術(shù)參數(shù)為依據(jù)，數(shù)據(jù)如下：
表3-1 設(shè)計約束參數(shù)
參數(shù)名稱
數(shù)值
工作臺面直徑
400mm
工作臺面垂直式中心高
260mm
工作臺總厚度
250mm
中心定位孔尺寸
50H6x20
定位鍵寬度 18
18mm
總傳動比
1:/180
工作臺面限最高轉(zhuǎn)速
8.3r/min
交流伺服電動機(jī)
4kw
可匹配功率
4kw
分度定位精度
15秒
重復(fù)定位精度
5秒
最大允許驅(qū)動力矩
3000Nm
2.計算參數(shù)由給定參數(shù)得出的設(shè)計參數(shù)如下：
表3-2 設(shè)計得出數(shù)據(jù)
參數(shù)名稱
數(shù)值
中心距a
122mm
中心蝸桿頭數(shù)Z2
1
行星輪輪齒個Z1
10
內(nèi)超環(huán)面齒輪齒數(shù)Z0
179
行星輪上滾珠體半徑r
8mm
行星輪計算圓直徑d1
130mm
中心蝸桿喉部計算圓直徑d2
114mm
內(nèi)超環(huán)面齒輪大圓處計算圓直徑d0
374mm
中心蝸桿包圍行星輪包角
90
內(nèi)超環(huán)面齒輪包圍行星包角
110mm
a/R
1.9
R/r
8.1
第一級傳動比
10
第二級傳動比
18
行星輪個數(shù)
4
輸出軸轉(zhuǎn)速
22.22r/min
蝸桿導(dǎo)程角
7度44分15妙
定子導(dǎo)程角
45度16分45秒
定子螺旋角
10度43分12秒
第四章 超環(huán)面行星蝸桿傳動傳動效率的研究計算
4.1概述
和其他傳動類型相比,超環(huán)面行星蝸桿傳動具有體積小、傳動效率高、承載能力大等優(yōu)點(diǎn)。多年來,國內(nèi)外學(xué)者對該種傳動的嚙合原理和加工方法進(jìn)行了積極的研。然而有關(guān)其承載能力和工作效率等方面的研究卻一直未見報道。為此,筆者給出了超環(huán)面行星蝸桿傳動的載荷布并求出了共軛齒廓之間的滾滑摩擦系數(shù),進(jìn)而采用轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)法給出了超環(huán)面行星蝸桿傳動的效率計算公式,分析了傳動效率的影響因素和影響規(guī)律,為該種傳動的設(shè)計與制造提供了理論依據(jù)
4.2嚙合效率
1、超環(huán)面行星蝸桿傳動的工作效率主要與嚙合效率、軸承效率和攪油效率有關(guān),其中嚙合效率受傳動參數(shù)影響最大,筆者用轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)法來推導(dǎo)嚙合效率計算公蝸桿和行星架之間動力傳動比 計算如下式：
式中:
:轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)中定子與行星輪嚙合效率
:轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)中轉(zhuǎn)子與行星輪嚙合效率
X=±1，其取值與功率流方向有關(guān)，當(dāng)運(yùn)動傳動比與之方向相同時取正，反之取負(fù)
因此超環(huán)面行星蝸桿傳動的嚙合效率計算公式為：
2、 和 計算
定子與行星輪的嚙合效率即為不計摩擦力時行星架轉(zhuǎn)矩與計入摩擦系數(shù)時行星架的轉(zhuǎn)矩 之比：
同理得到蝸桿與行星輪的嚙合效率 的計算公式為：
式中 為不計摩擦?xí)r蝸桿傳遞的扭矩
為計摩擦?xí)r蝸桿傳遞的扭矩
為行星輪與蝸桿之間的摩擦系數(shù)
4.3 摩擦系數(shù)的計算
行星輪輪齒滾柱與定子螺旋面及轉(zhuǎn)子蝸桿齒廓曲面之間的摩擦屬于滾動與滑動混合摩
擦。下面推導(dǎo)滾柱與定子及轉(zhuǎn)子間的滾滑摩擦系數(shù)和。
設(shè)行星輪有微小轉(zhuǎn)角,則滾柱沿定子圓周方向移動弧長微量計算如下
積分上式∫得行星輪轉(zhuǎn)動一周時滾柱沿定子圓周方向移動弧長:
式中為 定子包圍行星輪包為110度
則滾柱沿螺旋線移動總弧長計算如下：
計算的=256
由上式得滾柱沿定子圓周方向移動速度變化率:
則行星輪轉(zhuǎn)一周時滾柱沿螺旋線滑動弧長計算如下：
帶入數(shù)據(jù)得=14.55
設(shè)滾柱與定子間滾動摩擦系數(shù)為,滑動摩擦系數(shù)為, 、分別為滾柱微小轉(zhuǎn)角和滑動位移,則摩擦功計算如下：
積分式上式得行星輪轉(zhuǎn)動一周時滾柱與定子間摩擦功W:
式中為滾動弧長 =241.45
r—滾子半徑
由上式得:
式中:
:行星輪輪齒與定子之間滑動摩擦系數(shù) =0.05-0.1
：行星輪齒輪與定子之間滾動摩擦系數(shù) =0.01
帶入計算 得 =0.006812032
從而可知 =0.9923
同理得行星輪齒輪與蝸桿之間滾動系數(shù)：
式中 :
為轉(zhuǎn)子包圍行輪包角
為90度
帶入計算得f21=0.0049876
從而得到=0.9987
從而 =0.9976
而齒輪箱的工作效率為嚙合效率、軸承摩擦損失的效率和攪油及其他損失的效率之積
又知：
軸承摩擦損失的效率為0.9414
攪油及其他損失的效率為0.9923
帶入計算的總效率為0.92634
通過計算我們知道嚙合效率隨著角度的變化而周期性的變化，當(dāng)嚙合的齒數(shù)最多時，嚙合效率乜最大，當(dāng)嚙合齒數(shù)最少時嚙合效率乜最小
同時嚙合效率的大小還受到潤滑狀態(tài)、行星輪齒形、傳動比以及a/R等參數(shù)的影響所以在設(shè)計計算時候應(yīng)該將這些因素都加以分析和研究
由于轉(zhuǎn)速很慢本設(shè)計中采用潤滑脂潤滑，本設(shè)計中輸出軸承受較大的的力，可選用極壓鋰基潤滑脂。
第五章超環(huán)面行星蝸桿傳動的嚙合原理研究
超環(huán)面行星蝸桿傳動中的中心蝸桿和內(nèi)超環(huán)面齒輪是由行星蝸輪在行星傳動轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)中的相對運(yùn)動而包絡(luò)形成的。為了便于對這種傳動進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、虛擬設(shè)計仿真以及加工制造，這里有必要先了解這種傳動中心蝸桿、行星蝸輪及內(nèi)超環(huán)面齒輪的幾何形狀。因此，本節(jié)對超環(huán)面行星蝸桿傳動的嚙合理論進(jìn)行了分析。
5.1坐標(biāo)系的建立
本文研究的是以球形滾珠作為滾動體的超環(huán)面行星蝸桿傳動。因此，假設(shè)行星蝸輪上
個滾珠（齒）均勻地分布在半徑為的圓周上，中心蝸桿和內(nèi)超環(huán)面齒輪到行星蝸輪的中心距均為，中心蝸桿齒面Σ(1)、內(nèi)超環(huán)面齒輪齒面Σ(3)均由行星蝸輪齒面Σ(2)的運(yùn)動包絡(luò)而成。為完成該傳動的嚙合理論分析，建立如下圖左和下圖右所示的空間坐標(biāo)系分別表示行星蝸輪與中心蝸桿和行星蝸輪與內(nèi)超環(huán)面齒輪的嚙合情況。如圖5-1 中S1(o1,i1,j1,k1)為中心蝸桿的參考坐標(biāo)系，S2(o2,i2,j2,k2)為行星蝸輪的參考坐標(biāo)系，S3(o3,i3,j3,k3) 為內(nèi)超環(huán)面齒輪的參考坐標(biāo)系,S1’(o1’,i1’,j1’,k1’) 為中心蝸桿的動坐標(biāo)系，與中心蝸桿固連，S2’(o2’,i2’,j2’,k2’)為行星蝸輪的動坐標(biāo)系，與行星蝸輪固連，S3’(o3’,i3’,j3’,k3’)為內(nèi)超環(huán)面齒輪的動坐標(biāo)系，與內(nèi)超環(huán)面齒輪固連。動坐標(biāo)系S1’,S2’,S3’分別跟隨中心蝸桿、行星蝸輪和內(nèi)超環(huán)面齒輪繞軸K1，k2，k3以ω1，ω2，ω3的角速度旋轉(zhuǎn)，, , 分別為齒面Σ(1)，Σ(2)，Σ(3)相對于它們的參考坐標(biāo)系S1，S2，S3的轉(zhuǎn)角。
圖5-1 中心蝸桿、行星蝸輪及定子坐標(biāo)系關(guān)系圖
行星蝸輪的球形輪齒是中心蝸桿和內(nèi)超環(huán)面齒輪齒廓的包絡(luò)母面，如圖下圖所示為其在空間坐標(biāo)系S2’的位置S0（o1，i1，j1，k1）為球形滾動體的參考坐標(biāo)系，S0’（o1’，i1’，j1’，k1’）為球形滾動體的動坐標(biāo)系，與球形滾珠固連。球形滾珠半徑為?，u、v為滾珠的球面參數(shù)。
圖5-2 滾動體坐標(biāo)系圖
5.2坐標(biāo)變換
由所建立的空間坐標(biāo)系，根據(jù)空間嚙合理論可得坐標(biāo)變換如下：
5.21 滾動體與行星蝸輪
1.由S0到S2’的坐標(biāo)變化矩陣M2’0：
5.22行星蝸輪與中心蝸桿嚙合
1、由S1到S1’的坐標(biāo)變換矩陣M1’1：
2、由S2到S1的坐標(biāo)變換矩陣M12：
3、由S2’到S2的坐標(biāo)變換矩陣M22'：
4、由S2'到S1'的坐標(biāo)變換矩陣M1'2'：
5.23行星蝸輪與內(nèi)超環(huán)面齒輪嚙合
1、由S3到S3'的坐標(biāo)變換矩陣M3'3：
2、由S2到S3的坐標(biāo)變換矩陣M32：
3、由S2'到S2的坐標(biāo)變換矩陣M22'：
4、由S2'到S3'的坐標(biāo)變換矩陣M3'2'：
5.3嚙合方程
5.31行星蝸輪齒面方程
如圖前圖所示，行星蝸輪齒面在坐標(biāo)系0S中的參數(shù)方程為：
式中，u，v為滾珠球（齒）面參數(shù)，?為滾珠的半徑。
將上式經(jīng)坐標(biāo)變換矩陣M2'0，得行星蝸輪輪齒在S2'中的方程為：
式中，r2行星蝸輪計算圓半徑，其他符號同前
5.32嚙合方程
由齒輪嚙合原理，兩共軛齒面Σ(2)，Σ(1)的嚙合方程和嚙合函數(shù)分別為：
式中， n2'為行星蝸輪與中心蝸桿嚙合點(diǎn)處的公法么矢，v(2'1')為行星蝸輪與中心蝸桿在嚙合點(diǎn)處的相對速度矢量。
1、嚙合點(diǎn)處的公法么矢n2'的求取
在坐標(biāo)系S2'中求得公法么矢為：
用其分量表示為：
2、兩共軛齒面在嚙合點(diǎn)處的相對速度
設(shè)中心蝸桿角速度為ω1，行星蝸輪角速度為ω2，中心蝸桿與行星蝸輪間的相對位置關(guān)系如前圖所示，傳動比為 ，為方便起見，ω1=1，ω2 =i21，由齒輪嚙合原理可知其相對速度的計算公式為：
在坐標(biāo)系S2'中有：
又有：
將式經(jīng)坐標(biāo)變換矩陣M12'，轉(zhuǎn)換到S2'中得：
由前式可以得到：
將多式綜合整理得：
可得共軛齒面Σ(1)，Σ(2)的嚙合方程和嚙合函數(shù)分別為：
由于行星蝸輪齒面Σ(2)與內(nèi)超環(huán)面齒輪齒面Σ(3)的嚙合和行星蝸輪齒面Σ(2)與中心蝸桿齒面Σ(1)的嚙合近似，故可直接寫出齒面Σ(2)，Σ(3)的嚙合方程和嚙合函數(shù)為：
式中， 其它符號意義同前。
5.33 行星蝸輪齒面Σ(2)（母面）上的瞬時接觸線方程
由齒輪嚙合原理，齒面Σ(a)和齒面Σ(b)在每一瞬時沿一條曲線接觸，這條曲線叫做這兩個齒面之間的接觸線。據(jù)此，可得行星蝸輪與中心蝸桿和內(nèi)超環(huán)面齒輪嚙合時的接觸線方程如下。
1、行星蝸輪與中心蝸桿嚙合時在滾動體上的瞬時接觸線方程：
2、行星蝸輪與內(nèi)超環(huán)面齒輪嚙合時在滾動體上的瞬時接觸線方程：
5.34中心蝸桿齒面Σ(1)和內(nèi)超環(huán)面齒輪齒面Σ(3)方程
將上式經(jīng)變換矩陣M1'2'變換到S1′中，可得中心蝸桿齒面Σ(1)的方程為：
同理，由上式經(jīng)變換矩陣M3'2'變換到S3′中，得內(nèi)超環(huán)面齒輪齒面Σ(3)的方程為：
5.4 中心蝸桿和內(nèi)超環(huán)面齒輪的螺旋線方程
1、中心蝸桿的螺旋線方程
中心蝸桿齒面與繞中心蝸桿軸線回轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)曲面之間的交線即為螺旋線，由齒輪嚙合原理，中心蝸桿在計算圓上的螺旋線方程為：
2、內(nèi)超環(huán)面齒輪的螺旋線方程
與中心蝸桿相似地，可求得內(nèi)超環(huán)面齒輪在其計算圓上的螺旋線方程為：
第六章 滾動軸承壽命的校核
輸入軸上的軸承是圓柱滾子軸承，型號是 N1012
輸出軸上的軸承是角接觸軸承， 型號是7012C和7016C
6.1基本概念
1、軸承壽命：
軸承中任一元件出現(xiàn)疲勞剝落擴(kuò)展跡象前運(yùn)轉(zhuǎn)的總轉(zhuǎn)數(shù)或一定轉(zhuǎn)速下的工作小時數(shù)。批量生產(chǎn)的元件，由于材料的不均勻性，導(dǎo)致軸承的壽命有很大的離散性，最長和最短的壽命可達(dá)幾十倍，必須采用統(tǒng)計的方法進(jìn)行處理。
2、基本額定壽命：
是指90%可靠度、常用材料和加工質(zhì)量、常規(guī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的壽命，以符號L10（r）或L10h（h）表示。
3、基本額定動載荷（C）：
基本額定壽命為一百萬轉(zhuǎn)（106）時軸承所能承受的恒定載荷。即在基本額定動載荷作用下，軸承可以工作106 轉(zhuǎn)而不發(fā)生點(diǎn)蝕失效，其可靠度為90%。基本額定動載荷大，軸承抗疲勞的承載能力相應(yīng)較強(qiáng)。
4、基本額定靜載荷（徑向C0r，軸向C0a）：
是指軸承最大載荷滾動體與滾道接觸中心處引起以下接觸應(yīng)力時所相當(dāng)?shù)募傧髲较蜉d荷或中心軸向靜載荷。
在設(shè)計中常用到滾動軸承的三個基本參數(shù)：滿足一定疲勞壽命要求的基本額定動載荷Cr（徑向）或Ca（軸向），滿足一定靜強(qiáng)度要求的基本額定靜強(qiáng)度C0r（徑向）或C0a（軸向）和控制軸承磨損的極限轉(zhuǎn)速N0。各種軸承性能指標(biāo)值C、C0、N0等可查有關(guān)手冊。
6.2壽命的計算方法
對于具有基本額定動載荷Cr的軸承，當(dāng)它所受的當(dāng)量動載荷為P時，其壽命的計算公式為：
式中：Ｌh的單位是h
C是基本額定動載荷，單位為KN
為指數(shù)，對于滾子軸承=10/3，對于球軸承，=3
n是軸的轉(zhuǎn)速，n=1500r/min
P是當(dāng)量動載荷，當(dāng)Fa/Fre時，P=Fr+Y1Fa 單位為kN
當(dāng)Fa/Fre時，P=0.65Fr+Y2Fa 單位為kN
上式中Fr和Fa分別為徑向在荷和軸向載荷
其中徑向載荷即為由外界作用到軸上的徑向力在各軸承上的徑向載荷。
6.21軸向力的計算
分析角接觸軸承所受的軸向載荷要同時考慮由徑向力引起的附加軸向力和作用于軸上的其他工作軸向力，根據(jù)具體情況由力的平衡關(guān)系進(jìn)行計算。
Fr和Fa分別為作用于軸上的徑向和軸向載荷，兩軸承的徑向反力為Fr1及Fr2，相應(yīng)產(chǎn)生的附加軸向力則為Fs1和Fs2。 根據(jù)軸的平衡關(guān)系按下列兩種情況分析軸承Ⅰ、Ⅱ所受的軸向力：-如果FS1+FA>Fs2，軸有向右移動的趨勢，使軸承Ⅱ"壓緊"，軸的右端將通過軸承Ⅱ受一平衡反力Fs2'，由此可求出軸承Ⅱ的軸向力為：
Fa2=Fs2+Fs2'=Fs1+FA
因軸承Ⅰ只受附加軸向力，故：
Fa1=FS1
如果FS1+FA
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