基于UG的擺線針輪行星減速器的設(shè)計(jì)
基于UG的擺線針輪行星減速器的設(shè)計(jì),基于,ug,擺線,行星減速器,設(shè)計(jì)
基于UG的擺線針輪減速器設(shè)計(jì)
摘要
擺線針輪行星減速器作為重要的機(jī)械傳動(dòng)部件具有體積小、重量輕、傳動(dòng)效率高的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)在全面考慮多齒嚙合、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、輪齒均載等運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的要求，實(shí)現(xiàn)高承載能力、高傳遞效率、高可靠性和優(yōu)良動(dòng)力學(xué)性能等指標(biāo)，而且要便于制造、裝配和檢修，設(shè)計(jì)了該具有合理結(jié)構(gòu)的擺線針輪行星減速器。
本設(shè)計(jì)建立了合理的動(dòng)力分析數(shù)學(xué)模型，對(duì)擺線針輪傳動(dòng)中的擺線輪、轉(zhuǎn)臂軸承、柱銷及軸進(jìn)行準(zhǔn)確的受力分析，并用MATLAB語(yǔ)言編制計(jì)算機(jī)程序?qū)ζ淝蠼?。?jì)算并校核主要件的強(qiáng)度及轉(zhuǎn)臂軸承、各支承軸承的壽命，分析結(jié)果可以看到，各軸承性能指標(biāo)均符合要求。
利用UG軟件對(duì)擺線針輪減速器各零件建立幾何三維模型、擺線針輪減速器虛擬裝配及工程圖生成。用本文的方法設(shè)計(jì)擺線針輪減速器，具有設(shè)計(jì)快捷、方便等特點(diǎn)。研究結(jié)果對(duì)提高設(shè)計(jì)的速度、質(zhì)量具有重要意義。
關(guān)鍵詞：擺線傳動(dòng) 擺線輪 UG
Abstract
The cycloid—gear reducer is one of the most important transmission components of the pumping unit by its smaller volume，lighter weight and effective transmission. In order to realize four targets which include high transmission efficiency, high reliability and the excellent dynamics performance and guarantee credible lubricate ability, receive high efficiency of transmission, and make it easy for manufacture, assembly and inspection, we thought over all the requests in the round and design the rational structure cycloid—gear reducer.
In this design，we built the exact force analysis mathematical model of the cycloid—gear reducer, analyzed the forces born by the cycloid-gear, the bearings and the shaft, and produce the Matlab language software analyze of the forces analysis. We analyzed the forces of parts in the cycloid—gear reducer and calculated the intensity and the life of parts. From analyzed the results, we found the parts are our requests.
When we establish the three—dimensional structure of the Planet—cycloid Reducer model with the software UG，Carry on visual design and virtual assemble and drawing paper．The result of study have the guide meaning to accelerate design speed and quantities of the Planet—cycloid Reducer．
Keywords：Planet—cycloid Reducer; Cycloid ; UG
第一章 緒論
在科技飛速發(fā)展的今天,產(chǎn)品設(shè)計(jì)已經(jīng)進(jìn)入了一種全新的三維虛擬現(xiàn)實(shí)的設(shè)計(jì)環(huán)境中,以往的那種以二維平面設(shè)計(jì)模式為代表的設(shè)計(jì)方式已經(jīng)逐漸退出“歷史舞臺(tái)”,取而代之的是各種先進(jìn)數(shù)字化的三維設(shè)計(jì)技術(shù)。它的應(yīng)用和發(fā)展引起全了社會(huì)和生產(chǎn)的巨大變革。
減速器是各種機(jī)械設(shè)備中最常見(jiàn)的部件,它的作用是將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速減少或增加到機(jī)械設(shè)備所需要的轉(zhuǎn)速, 擺線針輪行星減速器由于具有減速比大、體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在許多情況下可代替二級(jí)、三級(jí)的普通齒輪減速器和渦輪減速器，所以使用越來(lái)越普及，為世界各國(guó)所重視。
本文運(yùn)用 UG NX軟件建立擺線針輪減速器結(jié)構(gòu)三維模型 ，研究了擺線針輪減速器可視化設(shè)計(jì)方法和虛擬裝配，研究的結(jié)果對(duì)提高擺線針輪減速器設(shè)計(jì)的速度和質(zhì)量具有指導(dǎo)意義。
1.1基本概念
計(jì)算輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design,CAD),是指工程技術(shù)人員在人和計(jì)算機(jī)組成的系統(tǒng)中以計(jì)算機(jī)為工具,輔助人類完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì),分析,繪圖等工作,并達(dá)到提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量,縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期,降低產(chǎn)品成本的目的。一般認(rèn)為CAD系統(tǒng)的功能包括:(1)概念設(shè)計(jì)；(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；(3)裝配設(shè)計(jì)；(4)復(fù)雜曲面設(shè)計(jì)；(5)工程圖樣繪制；(6)工程分析；(7)真實(shí)感染及渲染；(8)數(shù)據(jù)交換接口等。
擺線針輪行星傳動(dòng),簡(jiǎn)稱擺線針輪傳動(dòng)。它與漸開(kāi)線少齒差行星傳動(dòng)一樣，同屬于K-H-V型行星齒輪傳動(dòng)。擺線針輪傳動(dòng)的主要特征是：行星輪齒廓為變幅外擺線的內(nèi)側(cè)等距曲線，中心輪齒廓為圓形。
擺線針輪減速器,利用擺線針輪行星傳動(dòng)原理制成的一種減速器,它的優(yōu)點(diǎn)是減速比大、體積小、重量輕、效率高等。
1.2 UG的發(fā)展
UG(Unigraphics)軟件是EDS公司(Unigraphics Solutions公司,后成為其中的UGS部門(mén))推出的集CAD/CAE/CAM為一體的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件之一,也是當(dāng)今世界先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),分析和制造軟件中的一員,成為了UGS產(chǎn)品家族中應(yīng)用最為廣泛的設(shè)計(jì)軟件。其最新版本的UG NX不但繼承了原有UG軟件的各種強(qiáng)大功能,而且與該公司的另一拳頭產(chǎn)品I-deas軟件的功能相互結(jié)合,共同構(gòu)建了功能更加全面的輔助設(shè)計(jì)應(yīng)用環(huán)境。
2001年9月,EDS公司宣布成立其第五業(yè)務(wù)部---PLM Solutions 由EDS公司先前收購(gòu)的SDRC公司與UGS部門(mén)合并組成,來(lái)自原SDRC公司的I_DEAS軟件和原UGS公司的Unigeaphics軟件都有著廣泛的用戶基礎(chǔ),它們是技術(shù)先進(jìn),功能全面,且有很強(qiáng)互補(bǔ)產(chǎn)品.作為對(duì)廣大用戶的承諾,EDS公司宣布將推出結(jié)合兩產(chǎn)品優(yōu)勢(shì),具有業(yè)界領(lǐng)先水平的開(kāi)放式,基于標(biāo)準(zhǔn)框架的CAD/CAE/CAM解快方案平臺(tái),現(xiàn)有的用戶,不論是I-Deas用戶還是Unigeaphics用戶,都可以通過(guò)升級(jí)轉(zhuǎn)移到新的解快方案平臺(tái)。2002年9月份,全新版本的UG NX在美國(guó)上市。從2002年10月開(kāi)始,EDS公司在世界各地舉辦專題研討會(huì),介紹UG NX 的開(kāi)發(fā)方針和內(nèi)容。
UG系列軟件在發(fā)展過(guò)程中不斷推出新版本,但是設(shè)計(jì),繪圖,加工部分仍是UG軟件的核心,基本功能變化不大,僅是用戶界面有一定的改變,以及功能上有一些擴(kuò)充,改進(jìn)和細(xì)化。
1.3 擺線針輪減速器的發(fā)展
1926年德國(guó)人L．Braren發(fā)明了擺線針輪減速器，他是在少齒差行星傳動(dòng)結(jié)構(gòu)上，首先將變幅外擺線的內(nèi)側(cè)等距曲線用作行星輪齒廓曲線而把圓形作為中心輪齒廓曲線，和漸開(kāi)線少齒差行星傳動(dòng)模式一樣，保留z—X—F類N型行星齒輪傳動(dòng)。擺線針輪傳動(dòng)較之普通漸開(kāi)線齒輪或蝸輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是：高傳動(dòng)比和高效率；同軸輸出，結(jié)構(gòu)體積小和重量輕；傳動(dòng)平穩(wěn)和噪聲低。由于擺線針輪傳動(dòng)同時(shí)嚙合的齒數(shù)要比漸開(kāi)線外齒輪傳動(dòng)同時(shí)嚙合的齒數(shù)多，因而承載能力較大，嚙合效率要高；還由于擺線輪和針輪的輪齒均可淬硬、精磨，較漸開(kāi)線少齒差傳動(dòng)中內(nèi)齒輪的被加工性能要好，齒面硬度更高，因而使用壽命要長(zhǎng)；加上擺線輪的加工技術(shù)已經(jīng)過(guò)關(guān)，專業(yè)加工設(shè)備齊全，擺線輪已納入專業(yè)通用件，在國(guó)內(nèi)已做到通用化批量生產(chǎn)，生產(chǎn)成本下降，因此擺線針輪傳動(dòng)的減速器當(dāng)前廣為應(yīng)用。擺線針輪減速技術(shù)至今，雖在品種、規(guī)格等方面做了不少改進(jìn)，但再?zèng)]有作本質(zhì)、原理上的創(chuàng)新?，F(xiàn)今擺線針輪減速器，其原理和結(jié)構(gòu)還是1926年德國(guó)的原型。
目前，擺線針輪的研究在國(guó)內(nèi)外都在積極發(fā)展，日本住友重機(jī)械株式會(huì)社的“80系列”極大提高了性能，從1990年開(kāi)始，住友機(jī)械株式會(huì)社在“80系列”的基礎(chǔ)上推出最新“90樣本”的擺線針輪減速器，它的機(jī)型由15種擴(kuò)大為21種，傳動(dòng)比由8種擴(kuò)大為16種。我國(guó)對(duì)日本提高擺線針輪減速器性能的主要技術(shù)措施已進(jìn)行較深入的分析，而且在趕超世界水平方面也有自己的創(chuàng)新成果，如符合工程實(shí)際的對(duì)擺線輪與輸出機(jī)構(gòu)受力進(jìn)行分析及擺線輪齒形的優(yōu)化設(shè)計(jì)等。
擺線針輪減速器所傳遞的最大功率為132KW，輸入軸最高轉(zhuǎn)速為1800r/min。美國(guó)在研究直升飛機(jī)傳動(dòng)裝置時(shí)所做的擺線針輪傳動(dòng)試驗(yàn)樣機(jī)，采用四片擺線輪，可以保證輸入軸動(dòng)平衡的新結(jié)構(gòu)，輸入轉(zhuǎn)速達(dá)2000r/min，傳動(dòng)功率達(dá)205KW。
第二章 UG的功能與特點(diǎn)分析
2.1 參數(shù)化與模塊化設(shè)計(jì)
2.1.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)和變量化設(shè)計(jì)
早期的CAD系統(tǒng)中其設(shè)計(jì)結(jié)果僅僅實(shí)現(xiàn)了用計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備出圖,就產(chǎn)品圖形而言,不過(guò)是幾何圖素(點(diǎn),線,圓,弧)的拼接,是產(chǎn)品的可視形狀,并不包含產(chǎn)品圖開(kāi)有內(nèi)在的拓?fù)潢P(guān)系和尺寸約束.因此,當(dāng)需要改變圖形中哪怕任一微小的部分,都要擦除重畫(huà).這不僅使設(shè)計(jì)者投入相當(dāng)?shù)木τ糜谥刂貏趧?dòng),而且,這種重復(fù)勞動(dòng)的結(jié)果并不能充分反映設(shè)計(jì)者對(duì)產(chǎn)品的本質(zhì)構(gòu)思和意圖.一個(gè)機(jī)械產(chǎn)品,從設(shè)計(jì)到定型 ,其間經(jīng)歷了反復(fù)的修改和優(yōu)化;定型之后,還要針對(duì)用戶不同的規(guī)格系列的變而自動(dòng)生成.如何將只有幾何圖素的“死圖”變?yōu)楹性O(shè)計(jì)構(gòu)思,設(shè)計(jì)信息的產(chǎn)品幾何模型,這是研究參數(shù)化設(shè)計(jì)和變量化設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。
參數(shù)化和變量化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是尺寸驅(qū)動(dòng)幾何模型。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)不同,尺寸驅(qū)動(dòng)的幾何模型可以通過(guò)改變尺寸達(dá)到更改設(shè)計(jì)的目的。這意味著,設(shè)計(jì)人員一開(kāi)始可以設(shè)計(jì)一個(gè)草圖,稍后再通過(guò)精確的尺寸完成設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)。
參數(shù)化設(shè)計(jì)一般指圖形的拓?fù)潢P(guān)系不變,尺寸形狀由一組參數(shù)進(jìn)行約束。參數(shù)與圖形的控制尺寸有顯式的對(duì)應(yīng),不同的參數(shù)值驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生不同大小的幾何圖形?？梢?jiàn),參數(shù)化設(shè)計(jì)的規(guī)格化,系列化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一簡(jiǎn)單,高效,優(yōu)質(zhì)的設(shè)計(jì)方法。
變量化設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)圖開(kāi)有修改自由度不僅是尺寸形狀參數(shù),而且包括拜年結(jié)構(gòu)關(guān)系,甚至工程計(jì)算條件,修改余地大,可變?cè)囟?設(shè)計(jì)結(jié)果受到一組約束方程的控制和驅(qū)動(dòng).這種方法為設(shè)計(jì)方法為設(shè)計(jì)者提供了更加靈活的修改空間。
無(wú)論參數(shù)化設(shè)計(jì)還是變量化設(shè)計(jì),其本質(zhì)是相同的,即在約束的基礎(chǔ)上驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生新的設(shè)計(jì)結(jié)果,所不同的是約束自由度的范圍,在參數(shù)化設(shè)計(jì)方法中要嚴(yán)格的逐個(gè)連續(xù)求解參數(shù)；而在變量設(shè)計(jì)方法中則是方程聯(lián)立求解。
2.1.2 模塊化設(shè)計(jì)
模塊化的概念由來(lái)已久，人類的語(yǔ)言無(wú)論其表達(dá)能力多么豐富,都是由有限的音節(jié)構(gòu)成的；再用有限的字符刻錄下來(lái)就構(gòu)成了描述不同對(duì)象的文字系統(tǒng)。這里音節(jié)和字符就是基本?？欤ㄟ^(guò)基本模型的排列組合就構(gòu)成了豐富萬(wàn)千的不同系統(tǒng)；26個(gè)英文字母可以表達(dá)任何意思；10個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字字符可以表達(dá)任何數(shù)字；一組兒童積木可以拼搭不同的玩具造型；相同的建筑材料可以蓋成不同式樣的樓宇。到20世紀(jì)50年代,歐美一些國(guó)家正式提 出“模塊化設(shè)計(jì)”概念,把模塊化設(shè)計(jì)提到理論高度來(lái)分。目前,模塊化設(shè)計(jì)的思想已涌到許多領(lǐng)域,例如機(jī)床,減速器,家電,計(jì)算機(jī)等等.在每個(gè)領(lǐng)域,模塊及模塊化化設(shè)計(jì)都其特定的含義。
所謂模塊化設(shè)計(jì),即在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上,劃分并設(shè)計(jì)出一系列相對(duì)通用的功能模快,通過(guò)模塊的選擇和組合可以構(gòu)成不同功能或相同功能不同性能,不同規(guī)格的產(chǎn)品,以滿足市場(chǎng)的不同需求。
2.2 UG的功能與特點(diǎn)
目前,隨著信息技術(shù)的發(fā)展,市場(chǎng)上已出現(xiàn)了許多不同的CAD/CAPP/CAM軟件,如CAD、 UG 、PRO/E、 CAXA、Solidworks等等,其中,猶以PRO/E和UG為典型代表。PRO/E是基于參數(shù)化設(shè)計(jì)的典型軟件,UG是基于模塊化設(shè)計(jì)的典型軟件。
UG NX主要應(yīng)用于數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、數(shù)字化仿真和數(shù)字化產(chǎn)品制造等3大領(lǐng)域。
（1） 數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)
數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)又稱全面設(shè)計(jì)技術(shù)。作為通向整個(gè)產(chǎn)品工程的一個(gè)主要的部分，Unigraphics產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)涉及了絕大部分設(shè)計(jì)方法，使概念設(shè)計(jì)與詳細(xì)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)無(wú)縫組合。裝配設(shè)計(jì)被提升為基于系統(tǒng)的建模，它提高了工程師對(duì)整個(gè)產(chǎn)品和生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行評(píng)估的能力。評(píng)估過(guò)程中，工程師可以無(wú)限制地修改設(shè)計(jì)尺寸、零件或者整個(gè)部件。UG NX附加的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工具還可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量，并且促進(jìn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)協(xié)作。
（2） 數(shù)字化仿真
UG NX 軟件具有強(qiáng)大的根據(jù)產(chǎn)品特性進(jìn)行虛擬仿真的功能。傳統(tǒng)的虛擬仿真往往意味著需要專門(mén)訓(xùn)練的工程師和昂貴的物理原型，盡管隨著高級(jí)仿真工具的出現(xiàn)省掉了一些物理原型，但對(duì)產(chǎn)品而言，這些工具往往顯得笨拙而不易操作，而且還要求操作人員經(jīng)過(guò)高級(jí)的專門(mén)培訓(xùn)。而UG NX 軟件提供了專業(yè)的產(chǎn)品仿真應(yīng)用模塊，能夠進(jìn)行產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)仿真、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和產(chǎn)品模態(tài)分析。隨著更多現(xiàn)代化的仿真工具的嵌如，UG NX的虛擬仿真更便于非專業(yè)的設(shè)計(jì)師和工程師使用，并且在最大程度上確保了產(chǎn)品的物理特性。
（3） 數(shù)字化產(chǎn)品制造
UG NX的數(shù)字化制造應(yīng)用模塊為生成、模擬和驗(yàn)證數(shù)控加工路徑提供了一套全面、易用的方法，以應(yīng)對(duì)制造業(yè)越來(lái)越昂貴的費(fèi)用開(kāi)支，它是一個(gè)可擴(kuò)展的解決方案，可以在單機(jī)和多CDA或集成環(huán)境下有效地實(shí)施。在與機(jī)床和傳感器產(chǎn)品的結(jié)合方面，UG NX 倡導(dǎo)抓住和再利用加工過(guò)程中面向知識(shí)驅(qū)動(dòng)的解決方案，以提高精密加工的技術(shù)和含量。
UG每次升級(jí)的最新版本都代表了最先進(jìn)的制造技術(shù)，很多現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和理論都能較快地在其新版本中找到。例如在并行工程中強(qiáng)調(diào)的幾何關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，參數(shù)化設(shè)計(jì)等都是這些先進(jìn)方法的體現(xiàn)。
UG NX 的主要特點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)了知識(shí)驅(qū)動(dòng)型自動(dòng)化和利用知識(shí)庫(kù)進(jìn)行建模，同時(shí)能自上而下進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確定子系統(tǒng)和接口，實(shí)現(xiàn)完整的系統(tǒng)庫(kù)建模。知識(shí)驅(qū)動(dòng)型自動(dòng)化就是終端用戶能夠利用系統(tǒng)向?qū)нM(jìn)行操作，由于有制作向?qū)У墓ぞ撸虼擞脩艨梢蕴砑釉O(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)庫(kù)建模使用的是先前版本中被稱為“WAVE”的設(shè)計(jì)技術(shù)。
同時(shí)UG NX還是Unigraqhics與I-deas進(jìn)行整合的版本，實(shí)現(xiàn)了它們之間的互操作性。在一個(gè)系統(tǒng)中進(jìn)行設(shè)計(jì)，而在另一個(gè)系統(tǒng)中可以對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行分析或加工。用戶可以充分利用兩套軟件的優(yōu)勢(shì)來(lái)優(yōu)化產(chǎn)品的研發(fā)流程，以獲取更高價(jià)值。兩套系統(tǒng)之間保證雙向變更的相關(guān)通知及更新，實(shí)現(xiàn)對(duì)歷程樹(shù)等智能跟蹤。按照不同設(shè)計(jì)階段，兩套系統(tǒng)將逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)幾何參數(shù)，模型文件，產(chǎn)品數(shù)據(jù)的交互操作功能。比如，在繪制產(chǎn)品的二維圖形時(shí)，可以將I-deas數(shù)據(jù)自動(dòng)讀入U(xiǎn)G NX中，在草圖設(shè)計(jì)中追加約束條件。
·UG NX還具有UG系列軟件通用性
·集成的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)環(huán)境
·產(chǎn)品設(shè)計(jì)相關(guān)性
·產(chǎn)品設(shè)計(jì)并行協(xié)作
·基于知識(shí)的工程管理
·設(shè)計(jì)客戶化
2.3 UG NX 產(chǎn)品設(shè)計(jì)概述
2.3.1 UG NX的工作流程
UG NX 軟件在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，體現(xiàn)了并行工程的思想，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的早期，它的下游應(yīng)用部門(mén)（如工藝部門(mén)、加工部門(mén)、分析部門(mén)等）就已經(jīng)介入設(shè)計(jì)階段，所以設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)可反饋、修改的過(guò)程。UG NX 強(qiáng)大的參數(shù)化功能能夠支持模型的實(shí)時(shí)修改，系統(tǒng)能自動(dòng)刷新模型，以滿足設(shè)計(jì)要求。由此，這種設(shè)計(jì)過(guò)程不必等產(chǎn)品全部設(shè)計(jì)完，才進(jìn)行下游工作，而是在產(chǎn)品初步設(shè)計(jì)后，進(jìn)可進(jìn)行方案評(píng)審，并不斷修改設(shè)計(jì)，直到達(dá)到設(shè)計(jì)要求。應(yīng)用UG NX 軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工作流程如圖2-1所示。
圖2-1 UG NX 的工作流程
2.3.2 UG產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一般過(guò)程
（1） 先做準(zhǔn)備工作
·閱讀有關(guān)設(shè)計(jì)的初始文檔，了解設(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)資源。
·收集可重復(fù)使用的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)
·定義關(guān)鍵參數(shù)的結(jié)構(gòu)草圖
·了解產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)的定義
·編寫(xiě)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)說(shuō)明書(shū)
·建立文件目錄
（2） 再應(yīng)用UG進(jìn)行設(shè)計(jì)
·建立主要的產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)
·在裝配設(shè)計(jì)的頂層定義產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主要控制參數(shù)和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)描述
·將這些參數(shù)和結(jié)構(gòu)描述數(shù)據(jù)
·保存整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)
·對(duì)不同了部件和零件進(jìn)行細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)
·隨時(shí)進(jìn)行裝配層上的檢查
2.3.3 三維造型的步驟
（1）理想模型的設(shè)計(jì)
這里應(yīng)該了解主要的設(shè)計(jì)參數(shù)、關(guān)鍵的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)約束等設(shè)計(jì)情況。
（2）主體結(jié)構(gòu)造型
找出模型的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，如主要輪廓和關(guān)鍵定位孔等結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的確定會(huì)對(duì)造型過(guò)程起到關(guān)鍵性作用。
對(duì)于復(fù)雜模型而言，模型的分解是造型的關(guān)鍵。如果一個(gè)結(jié)構(gòu)不能直接用三維特征造型來(lái)完成，就需要找到該結(jié)構(gòu)的某個(gè)二維輪廓特征。然后用拉伸、旋轉(zhuǎn)或掃描的方法，還可以用曲面造型的方法來(lái)建立該模型。
UG 允許用戶在一個(gè)實(shí)體設(shè)計(jì)上使用多個(gè)特征，這樣就可以分別建立多個(gè)主結(jié)構(gòu)，然后在設(shè)計(jì)后期將它們用布爾運(yùn)算連接在一起。對(duì)于能夠確定的設(shè)計(jì)模型，應(yīng)該先造型，而那些不能確定的設(shè)計(jì)部分應(yīng)該放在造型后期來(lái)完成。
在進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)造型時(shí)，要注意設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的確定。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)常將決定設(shè)計(jì)的思路，好的基準(zhǔn)會(huì)幫助簡(jiǎn)化造型過(guò)程，并方便后期的設(shè)計(jì)工作。
（3）零件的相關(guān)性設(shè)計(jì)
UG 允許用戶在建模完成之后，再建立零件之間的參數(shù)關(guān)系。但更直接的方法是在造型中就直接引用相關(guān)參數(shù)。
（4）細(xì)節(jié)特征設(shè)計(jì)
細(xì)節(jié)特征設(shè)計(jì)一般放在造型的后期階段，一般不要在早期階段進(jìn)行這些細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，這樣會(huì)大大加長(zhǎng)設(shè)計(jì)周期。
2.3.4 UG NX 基本操作流程
UG NX 的功能操作都是在零部件文件的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，UG的文件是以“xxxxx.prt”格式保存的。下面介紹UG NX 基本的操作流程。
（1） 啟動(dòng)UG NX 。
（2） 如果是新的設(shè)計(jì)，應(yīng)該先建立一個(gè)新的文件名。如果是修改一個(gè)已有的零件，可以打開(kāi)已經(jīng)存在的文件。
（3） 根據(jù)設(shè)計(jì)需要，進(jìn)入相應(yīng)的設(shè)計(jì)功能模塊，如建模、制圖、裝配和結(jié)構(gòu)分析等模塊。
（4） 進(jìn)行相關(guān)的準(zhǔn)備工作：如坐標(biāo)系、層和參數(shù)的預(yù)設(shè)置，為具體的設(shè)計(jì)指定相應(yīng)的參數(shù)，它們會(huì)影響用戶的后續(xù)操作。
（5） 開(kāi)始做具體的設(shè)計(jì)操作。
（6） 檢查零部件模型的正確性，如果有必要，對(duì)模型進(jìn)行相應(yīng)的修改。
（7） 保存需要保存文件后，退出系統(tǒng)。
第三章 擺線針輪減速器傳動(dòng)理論與設(shè)計(jì)方法
3.1 擺線針輪減速器的傳動(dòng)原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
3.1.1 擺線針輪行星傳動(dòng)的傳動(dòng)原理
圖所示為擺線針輪行星傳動(dòng)示意圖。其中為針輪，為擺線行星輪，H為系桿，V為輸出軸。運(yùn)動(dòng)由系桿H輸入，通過(guò)W機(jī)構(gòu)由V軸輸出。同漸開(kāi)線一齒差行星傳動(dòng)一樣，擺線針輪傳動(dòng)也是一種K－H－V型一齒差行星傳動(dòng)。兩者的區(qū)別在于：擺線針輪傳動(dòng)中，行星輪的齒廓曲線不是漸開(kāi)線，而是變態(tài)擺線，中心內(nèi)齒采用了針齒，以稱針輪，擺線針輪傳動(dòng)因此而得名。
同漸開(kāi)線少齒差行星傳動(dòng)一樣，其傳動(dòng)比為
.
圖3－1 擺線針輪減速器原理圖
由于＝1，故＝－，“－”表示輸出與輸入轉(zhuǎn)向相反，即利用擺線針輪行星傳動(dòng)可獲得大傳動(dòng)比。
3.1.2 擺線針輪減速器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
它主要由四部分組成：
（1） 行星架H，又稱轉(zhuǎn)臂，由輸入軸10和偏心輪9組成，偏心輪在兩個(gè)偏心方向互成。
（2） 行星輪C，即擺線輪6，其齒廓通常為短幅外擺線的內(nèi)側(cè)等距曲線.為使輸入軸達(dá)到靜平衡和提高承載能力,通采用兩個(gè)相同的奇數(shù)齒擺線輪,裝在雙偏心套上,兩位置錯(cuò)開(kāi),擺線輪和偏心套之間裝有滾動(dòng)軸承,稱為轉(zhuǎn)臂軸承,通常采用無(wú)外座圈的滾子軸承,而以擺線輪的內(nèi)表面直接作為滾道。近幾年來(lái),優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)常將偏心套與軸承做成一個(gè)整體,稱為整體式雙偏心軸承。
(3) 中心輪b,又稱針輪,由針齒殼3上沿針齒中心圓圓周上均布一組針齒銷5(通常針齒銷上還裝有針套7)組成。
(4)輸出機(jī)構(gòu)W, 與漸開(kāi)線少齒差行星齒輪傳動(dòng)一樣,通常采用銷軸式輸出機(jī)構(gòu)。
圖3－2 擺線針輪減速器基本結(jié)構(gòu)圖
1.輸出軸 2.機(jī)座 3.針齒殼 4.針齒套 5.針齒銷 6.擺線輪
7.銷軸套 8.銷軸 9.偏心輪 10.主動(dòng)軸
圖3－2為擺線針輪傳動(dòng)的典型結(jié)構(gòu)
3.1.3 擺線針輪傳動(dòng)的嚙合原理
為了準(zhǔn)確描述擺線形成及其分類,我們引進(jìn)圓的內(nèi)域和圓的外域這一概念。所謂圓的內(nèi)域是指圓弧線包容的內(nèi)部范圍,而圓的外域是包容區(qū)域以外的范圍。
按照上述對(duì)內(nèi)域外域的劃分,則外擺線的定義如下:
外擺線:滾圓在基圓外域與基圓相切并沿基圓作純滾動(dòng),滾圓上定點(diǎn)的軌跡是外擺線。
外切外擺線:滾圓在基圓外域與基圓外切形成的外擺線(此時(shí)基圓也在滾圓的外域)。
內(nèi)切外擺線:滾圓在基圓外域與基圓內(nèi)切形成的外擺線(此時(shí)基圓在滾圓的內(nèi)域)。
短幅外擺線:外切外擺線形成過(guò)程中,滾圓內(nèi)域上與滾圓相對(duì)固定的某點(diǎn)的軌跡;或內(nèi)切外擺線形成過(guò)程中,滾圓外域上與滾圓相對(duì)固定的某點(diǎn)的軌跡。
長(zhǎng)幅外擺線:與短幅外擺線相反,對(duì)外切外擺線而言相對(duì)固定的某點(diǎn)在滾圓的外域;對(duì)內(nèi)切外擺線而言相對(duì)固定的某點(diǎn)在滾圓的內(nèi)域。
短幅外擺線與長(zhǎng)幅外擺線通稱為變幅外擺線。變幅外擺線變幅的程度用變幅系數(shù)來(lái)描述,分別稱之為短幅系數(shù)或長(zhǎng)幅系數(shù)。
外切外擺線的變幅系數(shù)定義為擺桿長(zhǎng)度與滾圓半徑的比值。所謂擺桿長(zhǎng)度是指滾圓內(nèi)域或滾圓外域上某相對(duì)固定的定點(diǎn)至滾圓圓心的距離。
（3.1——1）
式中 ——變幅系數(shù)。
a———外切外擺線擺桿長(zhǎng)度
———外切外擺線滾圓半徑
對(duì)于內(nèi)切外擺線而言,變幅系數(shù)則相反,它表示為滾圓半徑與擺桿長(zhǎng)度的比值。
（3.1——2）
式中 K1———變幅系數(shù)
r2′———內(nèi)切外擺線滾圓半徑
A———內(nèi)切外擺線擺桿長(zhǎng)度
根據(jù)變幅系數(shù)K1值的不同范圍,將外擺線劃分為3類:
短幅外擺線01。
變幅外切外擺線與變幅內(nèi)切外擺線在一定的條件下完全等同。這個(gè)等同的條件是,內(nèi)切外擺線滾圓與基圓的中心距等于外切外擺線的擺桿長(zhǎng)度a,相應(yīng)地外切外擺線滾圓與基圓的中心距等于內(nèi)切外擺線的擺桿長(zhǎng)度A。根據(jù)這一等同條件,就可以由外切外擺線的有關(guān)參數(shù)推算出等同的內(nèi)切外擺線的對(duì)應(yīng)參數(shù)。它們的參數(shù)關(guān)系參看圖3－3。令短幅外切外擺線基圓半徑代號(hào)為r1,滾圓半徑為r2,短幅系數(shù)為K1,則外切外擺線的擺桿長(zhǎng)度和中心距可分別表示如下(長(zhǎng)幅外擺線的表示形式完全相同):
根據(jù)式(1),擺桿長(zhǎng)度a=K1r2;
根據(jù)等同條件,中心距A=r1+r2。
按等同條件,上述A又是內(nèi)切外擺線的擺桿長(zhǎng)度,故推算出內(nèi)外擺線的滾圓半徑為r2′=k1A;內(nèi)切外擺線的基圓半徑為
兩種外擺線的參數(shù)換算關(guān)系歸納如表3－1
表3－1
參 數(shù) 名 稱
主 要 參 數(shù) 代 號(hào)
變幅外切外擺線
變幅內(nèi)切外擺線
基圓半徑
滾圓半徑
滾圓與基圓中心距
A
a
擺桿長(zhǎng)度
a
A
根據(jù)上述結(jié)果,很容易推導(dǎo)出等同的兩種外擺線基圓半徑的相互關(guān)系為 （3.1——3）
短幅外擺線以基圓圓心為原點(diǎn),以兩種外擺線的中心距和短幅系數(shù)為已知參數(shù),以滾圓轉(zhuǎn)角為變量的參數(shù)方程建立如下：
在以后的敘述中將滾圓轉(zhuǎn)角律記為,并稱之為相位角。
（1）直角坐標(biāo)參數(shù)方程
根據(jù)圖1,擺線上任意點(diǎn)的坐標(biāo)為
圖3－3 短幅外擺線原理圖
根據(jù)純滾動(dòng)原理可知，故，又，于是有， ， 將與γ的結(jié)果代入上述方程,
（3.1——4）
（3.1——5）
式(3.1——4)與式(3.1——5)是變幅外擺線通用直角坐標(biāo)參數(shù)方程。
若令上兩式中的K1=1,即可得標(biāo)準(zhǔn)外擺線的參數(shù)方程。對(duì)于外切外擺線,式中的A=r1+r2,a=r2。
對(duì)于內(nèi)切外擺線,式中的A=r2′,A=r2′-r1′。
為了與直角坐標(biāo)表示的曲線相一致,將Y軸規(guī)定為極軸,將極角沿順時(shí)針?lè)较虻慕嵌纫?guī)定為正方向,方程表述如下(參看圖3—3)：
（3.1——6）
（3.1——7）
同理,K1=1時(shí),變幅外擺線通用極坐標(biāo)參數(shù)方程變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)外擺線極坐標(biāo)方程,參數(shù)a和A的變換同上。
當(dāng)動(dòng)圓繞基圓順時(shí)針?lè)较蜃骷儩L動(dòng)時(shí)，每滾過(guò)動(dòng)圓的周長(zhǎng)2時(shí)，動(dòng)圓上的一點(diǎn)B在基圓上就形成一整條外擺線。動(dòng)圓的周長(zhǎng)比基圓的周長(zhǎng)長(zhǎng)p=2-＝，當(dāng)圓上的B點(diǎn)在動(dòng)圓滾過(guò)周長(zhǎng)再次與圓接觸時(shí)，應(yīng)是在圓上的另一點(diǎn)，而＝，這也就是擺線輪基圓上的一個(gè)基節(jié)p，即 （3.1——8）
由此可得擺線輪的齒數(shù)為
（3.1——9）
針輪齒數(shù)為 （3.1——10）
3.1.4 擺線輪的齒廓曲線與齒廓方程
由上一節(jié)分析，選擇擺線輪的幾何中心作為原點(diǎn)，通過(guò)原點(diǎn)并與擺線輪齒槽對(duì)稱軸重合的軸線作為軸，見(jiàn)圖3-4，針齒中心圓半徑為，針齒套外圓半徑為 。
圖3-4 擺線輪參數(shù)方程圖
則擺線輪的直角坐標(biāo)參數(shù)方程式如下：
（3.1——11）
實(shí)際齒廓方程
（3.1——12）
——針齒中心圓半徑 ——針齒套外圓半徑 ——轉(zhuǎn)臂相對(duì)某一中心矢徑的轉(zhuǎn)角，即嚙合相位角（） ——針齒數(shù)目
3.1.5 擺線輪齒廓曲率半徑
變幅外擺線曲率半徑參數(shù)方程的一般表達(dá)式為
（3.1——13）
式中 ———變幅外擺線的曲率半徑
———x對(duì)的一階導(dǎo)數(shù),
———y對(duì)的一階導(dǎo)數(shù),
———x對(duì)的二階導(dǎo)數(shù),
———y對(duì)的二階導(dǎo)數(shù),
將式(3.1——4)和式(3.1——5)中x和y分別對(duì)取一階和二階
導(dǎo)數(shù)后代入的表達(dá)式得
（3.1——14）
以K1=1代入式(3.1——14),得標(biāo)準(zhǔn)外擺線的曲率半徑為=-[4A·a/(A+a)]sin(/2)
式中 A=r1+r2或A=r2′
a=r2或a=r2′-r1′
由本式可知,標(biāo)準(zhǔn)外擺線≤0,曲線永遠(yuǎn)呈外凸形狀,故它不適于作傳動(dòng)曲線。以K1>1代入式(3.1——14)進(jìn)行運(yùn)算表明,<0,故長(zhǎng)幅外擺線也永遠(yuǎn)呈外凸形狀,故它也不適合于用作傳動(dòng)曲線。以K1<1代入式(3.1——14)進(jìn)行運(yùn)算表明,曲率半徑呈現(xiàn)出由正值經(jīng)過(guò)拐點(diǎn)到負(fù)值的多樣性變化。
擺線輪實(shí)際齒廓曲線的曲率半徑為
＝+ （3.1——15）
對(duì)于外凸的理論齒廓（<0），當(dāng)>時(shí)，理論齒廓在該處的等距曲線就不能實(shí)現(xiàn)，這種情況稱為擺線齒廓的“頂切”，嚴(yán)重的頂切會(huì)破壞連續(xù)平穩(wěn)的嚙合，顯然是不允許的。當(dāng)＝時(shí)，＝0，即擺線輪在該處出現(xiàn)尖角，也應(yīng)防止，若為正值，不論取多大的值，都不會(huì)發(fā)生類似現(xiàn)象。
擺線輪是否發(fā)生頂切，不僅取決于理論外凸齒廓的最小曲率半徑，而且與針齒齒形半徑（帶針齒套的為套的半徑）有關(guān)。擺線輪齒廓不產(chǎn)生頂切或尖角的條件可表示為
（3.1——16）
3.2 擺線針輪傳動(dòng)的受力分析
擺線輪在工作過(guò)程中主要受三種力：針輪與擺線輪嚙合時(shí)的作用力;輸出機(jī)構(gòu)柱銷對(duì)擺線輪的作用力，轉(zhuǎn)臂軸承對(duì)擺線輪作用力。
3.2.1 針齒與擺線輪齒嚙合時(shí)的作用力
（1）確定初始嚙合側(cè)隙
標(biāo)準(zhǔn)的擺線輪以及只經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)角修形的擺線輪與標(biāo)準(zhǔn)針輪嚙合，在理論上都可達(dá)到同時(shí)嚙合的齒數(shù)約為針輪齒數(shù)的一半，但擺線輪齒形只要經(jīng)過(guò)等距，移距或等距加移距修形，如果不考慮零件變形補(bǔ)償作用，則多齒同時(shí)嚙合的條件便不存在，而變?yōu)楫?dāng)某一個(gè)擺線輪齒和針輪齒接觸時(shí)，其余的擺線輪齒與針輪齒之間都
圖3—5 修形引起的初始嚙合側(cè)隙
圖3—6 輪齒嚙合力
存在大小不等的初始側(cè)隙，見(jiàn)圖3—5。對(duì)第i對(duì)輪齒嚙合點(diǎn)法線方向的初始側(cè)隙可按下式表計(jì)算：
（3.2—1）
式中，為第i個(gè)針齒相對(duì)轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)角，為短幅系數(shù)。
令，由上式解得，即
這個(gè)解是使初始側(cè)隙為零的角度，空載時(shí)，只有在處的一對(duì)嚙合。從到的初始側(cè)隙分布曲線如圖3—7所示
圖3—7 與的分布曲線
（2）判定擺線輪與針輪同時(shí)嚙合齒數(shù)的基本原理
設(shè)傳遞載荷時(shí)，對(duì)擺線輪所加的力矩為，在的作用下由于擺線輪與針齒輪的接觸變形W及針齒銷的彎曲變形f，擺線輪轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角，若擺線輪體、安裝針齒銷的針齒殼和轉(zhuǎn)臂的變形影響較小，可以忽略不計(jì)，則在擺線輪各嚙合點(diǎn)公法線方向的總變形W+f或在待嚙合點(diǎn)法線方向的位移為
（i=1，2，……）
式中 ——加載后，由于傳力零件變形所引起的擺線輪的轉(zhuǎn)角； ——第i個(gè)齒嚙合點(diǎn)公法線或待嚙合點(diǎn)的法線至擺線輪中心的距離
——擺線輪節(jié)圓半徑 ——第i個(gè)齒嚙合點(diǎn)的公法線或待嚙合點(diǎn)的法線與轉(zhuǎn)臂之間的夾角。
（3） 針齒與擺線輪齒嚙合的作用力
假設(shè)第i對(duì)輪齒嚙合的作用力正比于該嚙合點(diǎn)處擺線輪齒實(shí)際彈性變形。由于這一假設(shè)科學(xué)考慮了初始側(cè)隙及受力零件彈性變形的影響，已被實(shí)踐證明有足夠的準(zhǔn)確性。
按此假設(shè)，在同時(shí)嚙合傳力的個(gè)齒中的第對(duì)齒受力可表示為
式中——在處亦即在或接近于的針齒處最先受力，顯然在同時(shí)受力的諸齒中， 這對(duì)齒受力最大，故以表示該對(duì)齒的受力。
設(shè)擺線輪上的轉(zhuǎn)矩為由i＝m至i=n的個(gè)齒傳遞，由力矩平衡條件可得
得最大所受力（N）為
＝
T——輸出軸上作用的轉(zhuǎn)矩; ——一片擺線輪上作用的轉(zhuǎn)矩，由于制造誤差和結(jié)構(gòu)原因，建議?。?.55T；——受力最大的一對(duì)嚙合齒在最大力的作用下接觸點(diǎn)方向的總接觸變形，
——針齒銷在最大力作用下，在力作用點(diǎn)處的彎曲變形。
當(dāng)針齒銷為兩支點(diǎn)時(shí)，
當(dāng)針齒銷為三支點(diǎn)時(shí)，
3.2.2 輸出機(jī)構(gòu)的柱銷（套）作用于擺線輪上的力
若柱銷孔與柱銷套之間沒(méi)有間隙，根據(jù)理論推導(dǎo)，各柱銷對(duì)擺線輪作用力總和為
式中，——輸出機(jī)構(gòu)柱銷數(shù)目
（1） 判斷同時(shí)傳遞轉(zhuǎn)矩的柱銷數(shù)目
考慮到分配不均勻，設(shè)每片擺線輪傳遞的轉(zhuǎn)矩為，（T——為擺線輪上輸出轉(zhuǎn)矩）傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)，＝處力臂最大，必先接觸，受力最大，彈性變形也最大，設(shè)處于某任意位置的柱銷受力后彈性變形為，則因變形與力臂成正比，可得下述關(guān)系：
，
又因
故
柱銷是否傳遞轉(zhuǎn)矩應(yīng)按下述原則判定：
如果，則此處柱銷不可能傳遞轉(zhuǎn)矩；
如果，則此處柱銷傳遞轉(zhuǎn)矩。
（2）輸出機(jī)構(gòu)的柱銷作用于擺線輪上的力
由于柱銷要參與傳力，必須先消除初始間隙；因此柱銷與柱銷孔之間的作用力大小應(yīng)與成正比。
設(shè)最大受力為，按上述原則可得
由擺線輪力矩平衡條件，整理得
3.2.3 轉(zhuǎn)臂軸承的作用力
轉(zhuǎn)臂軸承對(duì)擺線輪的作用力必須與嚙合的作用力及輸出機(jī)構(gòu)柱銷數(shù)目的作用力平衡。將各嚙合的作用力沿作用線移到節(jié)點(diǎn)P，則可得
方向的分力總和為
Y方向的分力總和為 ＝
轉(zhuǎn)臂軸承對(duì)擺線輪的作用力為
3.3 擺線針輪行星減速器主要強(qiáng)度件的計(jì)算
為了提高承載能力，并使結(jié)構(gòu)緊湊，擺線輪常用軸承鋼GCr15、GCr15siMn,針齒銷、針齒套、柱銷、套采用GCr15。熱處理硬度常取58～62HRC。
3.3.1 齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算
為防止點(diǎn)蝕和減少產(chǎn)生膠合的可能性，應(yīng)進(jìn)行擺線輪齒與針齒間的接觸強(qiáng)度計(jì)算。
根據(jù)赫茲公式，齒面接觸強(qiáng)度按下式計(jì)算
式中 －針齒與擺線輪嚙合的作用力，
－當(dāng)量彈性模量，因擺線輪與針齒為軸承鋼，＝2.06105MPa
－擺線輪寬度，＝（0.1～0.15），－當(dāng)量曲率半徑。
3.3.2 針齒抗彎曲強(qiáng)度計(jì)算及剛度計(jì)算
針齒銷承受擺線輪齒的壓力后，產(chǎn)生彎曲變形，彎曲變形過(guò)大，易引起針齒銷與針齒套接觸不好，轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活，易引起針齒銷與針齒套接觸面發(fā)生膠合，并導(dǎo)致擺線輪與針齒膠合。因此，要進(jìn)行針齒銷的風(fēng)度計(jì)算，即校核其轉(zhuǎn)角值。另外，還必須滿足強(qiáng)度的要求。
針齒中心圓直徑<390mm時(shí)，通常采用二支點(diǎn)的針齒；時(shí)，為提高針齒銷的彎曲應(yīng)力及剛度，改善銷、套之間的潤(rùn)滑，必須采用三支點(diǎn)針齒。
二支點(diǎn)針齒計(jì)算簡(jiǎn)圖，假定在針齒銷跨距的一半受均布載荷，則針齒銷的彎曲強(qiáng)應(yīng)力（Mpa）和轉(zhuǎn)角（rad）為
三支點(diǎn)的針齒計(jì)算，針齒銷的彎曲應(yīng)力和支點(diǎn)處的轉(zhuǎn)角為
式中
——針齒上作用之最大壓力，按式計(jì)算（N）；
L——針齒銷的跨度（mm）,通常二支點(diǎn)L=3.5.若實(shí)際結(jié)構(gòu)已定，應(yīng)按實(shí)際之L值代入；
——針齒銷的直徑
——針齒銷許用彎曲應(yīng)力，針齒銷材料為GCr15時(shí)，＝150～200MPa
——許用轉(zhuǎn)角，＝（0.001～0.003）
3.3.3 轉(zhuǎn)臂軸承選擇
因?yàn)閿[線輪作用于轉(zhuǎn)臂軸承的較大，轉(zhuǎn)臂軸承內(nèi)外座圈相對(duì)轉(zhuǎn)速要高于入軸轉(zhuǎn)速，所以它是擺線針輪傳動(dòng)的薄弱環(huán)節(jié)。>650mm時(shí)，可選用帶外座圈的單列向心短圓柱滾子軸承。軸承外徑=（0.4～0.5），軸承寬度B應(yīng)大于擺線輪的寬度。
3.3.4 輸出機(jī)構(gòu)柱銷強(qiáng)度計(jì)算
輸出機(jī)構(gòu)柱銷的受力情況（見(jiàn)圖2.7-31），相當(dāng)一懸臂梁，在作用下，柱銷的彎曲應(yīng)力為
設(shè)計(jì)時(shí)，上式可化為
式中 ——間隔環(huán)的厚度，針齒為二支點(diǎn)時(shí)，，三支點(diǎn)時(shí)，若實(shí)際結(jié)構(gòu)已定，按實(shí)際結(jié)構(gòu)確定。
B——轉(zhuǎn)臂軸承寬度
——制造和安裝誤差對(duì)柱銷載荷影響系數(shù)，一般情況下?。?.35～1.5
第四章 擺線針輪減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算
4.1擺線輪、針齒、柱銷的計(jì)算
設(shè)計(jì)計(jì)算如下：
項(xiàng)目
代號(hào)
單位
計(jì)算、結(jié)果及說(shuō)明
功率
22
跟據(jù)使用條件,確定為針輪固定的臥式減速器,不帶電機(jī)
輸入轉(zhuǎn)速
r/min
1450
傳動(dòng)比
11
擺線輪齒數(shù)的確定
＝11
為使擺線輪齒廓和銷軸孔能正好重疊加工,以提高生產(chǎn)率和精度,齒數(shù)盡可能取奇數(shù),即也應(yīng)盡可能取奇數(shù),在平穩(wěn)載荷下選材料為GCr15,硬度為60HRC以上
針輪齒數(shù)
選材為GCr15,硬度為60HRC以上
輸出轉(zhuǎn)矩
T
由文獻(xiàn)[1]表2.7-8,取=0.92
初選短幅系數(shù)
＝0.5
由文獻(xiàn)[1]表2.7-2, =0.42~0.55
初選針徑系數(shù)
，由文獻(xiàn)[1]表2.7-3,
針齒中心圓半徑
mm
取
取
材料為軸承鋼58~62HRC時(shí),=1000~1200MPa
擺線輪齒寬
bc
mm
取
偏心距
a
mm
由文獻(xiàn)[3]表2.7-5查得＝6mm取＝6mm
實(shí)際短幅系數(shù)
針徑套半徑
mm
，取＝12mm
驗(yàn)證齒廓不產(chǎn)生頂切或尖角
＝47.32
由文獻(xiàn)[3]表2.7-1及公式2.7-17算得，由計(jì)算結(jié)果知，擺線齒廓不產(chǎn)生頂切或尖角。
針齒銷半徑
mm
取＝7mm
針齒套壁厚一般為2～6mm。
實(shí)際針徑系數(shù)
若針徑系數(shù)小于1.3，則考慮抽齒一半。
齒形修正
mm
＝0.35， ＝0.2
考慮合理修形，建立優(yōu)化模型，由計(jì)算機(jī)求出。
齒面最大接觸壓力
N
其中整個(gè)結(jié)果由計(jì)算機(jī)求出。
傳力齒號(hào)
m
n
m=2， n=4
參看上一章介紹，由計(jì)算機(jī)求出。
擺線輪嚙與針齒最大接觸應(yīng)力
MPa
＝1416.7MPa
__m~n齒中的最大值。
轉(zhuǎn)臂軸承徑向負(fù)載
N
＝＝16988
轉(zhuǎn)臂軸承當(dāng)量負(fù)載
P
N
＝1.0516988＝17837
時(shí)，=1.05
時(shí)，＝1.1。
選擇圓柱滾子軸承
mm
＝260（0.4～0.5）＝104～130
由文獻(xiàn)[13］GB/T283-94，選N2213軸承，d=65,B=31,=142,D=108.5。
轉(zhuǎn)臂軸承內(nèi)外圈相對(duì)轉(zhuǎn)速
n
r/min
＝1582
轉(zhuǎn)臂軸承壽命
h
＝＝10613
—壽命指數(shù)，球軸承＝3，滾子軸承＝10/3。
針齒銷跨距
L
mm
由結(jié)構(gòu)及前面的擺線輪寬度，得L＝70
采用三支點(diǎn)型式。
針齒銷抗彎強(qiáng)度
MPa
<
選用三支點(diǎn)，材料為軸承鋼時(shí)＝150～200MPa
針齒銷轉(zhuǎn)角
rad
＝
＝0.000618<，材料為軸承鋼時(shí)＝0.01～0.03rad。
擺線輪齒跟圓直徑
mm
擺線輪齒頂圓直徑
mm
擺線輪齒高
mm
銷孔中心圓直徑
mm
取，選取時(shí)考慮了同一機(jī)型輸出機(jī)構(gòu)的通用性。
間隔環(huán)
mm
＝15
柱銷直徑
mm
＝21.8
?。?2 由文獻(xiàn)[1]表2.7—7，?。?2。
柱銷套直徑
mm
＝32 由文獻(xiàn)[1]表2.7—7，知＝32
擺線輪柱銷孔直徑
mm
為使柱銷孔與柱銷套之間有適當(dāng)間隙，值應(yīng)增加值：＝0.15；>550mm時(shí)，＝0.2～0.3。
4.2 輸出軸的計(jì)算
結(jié)構(gòu)圖如圖4-1，
圖4-1 輸出軸結(jié)構(gòu)裝配圖
設(shè)計(jì)計(jì)算如下：
項(xiàng)目
代號(hào)
單位
設(shè)計(jì)計(jì)算、結(jié)果及說(shuō)明
轉(zhuǎn)矩
T
N·mm
前面已經(jīng)算出，T＝1466353
輸出轉(zhuǎn)速
r/min
初步確定軸的最小直徑
mm
選材為鋼，調(diào)質(zhì)處理，由文獻(xiàn)[12]表15-3，取A0＝110，mm
輸出軸最小直徑顯然安裝聯(lián)軸器與其配合的部分，為了使所選直徑與聯(lián)軸器的孔徑相適應(yīng)，須選取聯(lián)軸器，聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩＝，由文獻(xiàn)[12］表14-1，＝1.3，
＝
由文獻(xiàn)[13]表8-7，選HL5彈性柱銷聯(lián)軸器，軸孔徑為d=60,半聯(lián)軸器L＝142mm，?。?12mm。
軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
其裝配結(jié)構(gòu)圖如圖4-1，上選用滾動(dòng)深溝球軸承6214，由文獻(xiàn)[13]表6—1查得，d=70,D=125,B=24,=79，則可知=70，=65；上選用深溝球軸承6215，，D=130，B=25， =84，所以，=75，所以，=22，=30，=120，套筒長(zhǎng)93，外圈直徑84。軸承端蓋由減速器結(jié)構(gòu)定，總寬度為33mm。軸上聯(lián)軸器定位采用平鍵聯(lián)接，由文獻(xiàn)[13]GB/T1095-1979，選用平鍵＝，鍵槽用鍵槽銑刀加工，同時(shí)為了保證聯(lián)軸器與軸的配合，選擇配合為H7/k6，滾動(dòng)軸承與軸的周向定位借過(guò)渡配合來(lái)保證，安裝軸承處選軸的尺寸公差為m6。由文獻(xiàn)[12]，表15-2，取軸端倒角為，各軸肩圓角半徑為.5 。
求軸上載荷
N
由前面的軸的結(jié)構(gòu)知， 、受力中心距離為116mm,、受力中心距離為50mm,因＝5600N，故
得＝8014N ， ＝2414N 。
按彎扭合成應(yīng)力校核
進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險(xiǎn)截面4）的強(qiáng)度。根據(jù)下式及上表中的數(shù)值，并取=0.6，軸的計(jì)算應(yīng)力
28.29Mpa，
前已選定軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由文獻(xiàn)[12]表15—1查得=60MPa，因此〈，故安全。
精確校核軸的疲勞強(qiáng)度
1）判斷危險(xiǎn)截面
截面2、3、5、9只受扭矩作用，雖然鍵槽，軸肩及過(guò)渡配合所引起的應(yīng)力集中均將削弱軸的疲勞強(qiáng)度，但由于軸的最小直徑是按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度較為寬裕地確定的，所以截面2、3、5、9 均無(wú)需校核。從應(yīng)力集中對(duì)軸的疲勞強(qiáng)度的影響來(lái)看，截面 4 和5 處過(guò)渡配合引起的應(yīng)力集中較為嚴(yán)重；從受載的情況來(lái)看，截面4、5上的應(yīng)力最大。由于5軸徑也較大，故不必做強(qiáng)度校核。截面4上應(yīng)力最大，，因而該軸只需校核截面4左側(cè)即可。
2）截面4左側(cè)
抗彎截面系數(shù) ＝421875
抗扭截面系數(shù) ＝84375
彎矩 ＝560050＝280000
扭矩 T＝1466353
截面上的彎曲應(yīng)力 ＝6.637 MPa
截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力＝17.38MPa
軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由文獻(xiàn)［12］表15-1，得＝640MPa，＝275MPa，＝155MPa。
截面上由于軸肩而形成的理論應(yīng)力集中系數(shù)及，按文獻(xiàn)［12］表3-2查取，因，，經(jīng)插值后可查得
＝2.0，＝1.3；又由[12]附圖3-1，可得材料敏性系數(shù)為，＝0.85。
故有效應(yīng)力集中系數(shù)為
＝1.82
＝1.26
由文獻(xiàn)［12］附圖3-2得尺寸系數(shù)=0.67 ；由文獻(xiàn)［12］附圖3-3的扭轉(zhuǎn)尺寸系數(shù)= 0.82 。
軸按磨削加工，又附圖的表面質(zhì)量系數(shù)為＝0.92
軸未經(jīng)表面強(qiáng)化處理，即，則按式得綜合系數(shù)值為
＝2.8
＝1.62
又由文獻(xiàn)［12］及3-2得碳鋼的特性系數(shù)＝0.1，＝0.05
于是，計(jì)算安全系數(shù)值，則得
＝20.21
10.62
＝9.40S＝0.05
故可知其安全。
4.3輸入軸的計(jì)算
其結(jié)構(gòu)裝配圖如圖4-2
圖4-2 輸入軸結(jié)構(gòu)裝配圖
項(xiàng)目
代號(hào)
單位
計(jì)算、結(jié)果、說(shuō)明
轉(zhuǎn)矩
T
N·mm
由前面已經(jīng)算出，T＝144897
公稱轉(zhuǎn)矩
N·mm
由文獻(xiàn)[12］表14-1，?。?.3，
＝
初步確定軸的最小直徑
mm
選材為鋼，調(diào)質(zhì)處理，由文獻(xiàn)［12］表15-3，取A0＝110，mm
輸出軸最小直徑顯然是安裝軸承的部分，為了使所選直徑與軸承孔徑相適應(yīng)，須選取軸承，由文獻(xiàn)[13]GB/T ，選取圓柱滾子軸承N406，d=30 mm,D=90 mm,B=23 mm, =57.2 KN。
校核該軸承：
該軸承符合壽命要求，所以，＝30mm, =25mm
軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
其裝配結(jié)構(gòu)圖如圖4-2，上選用滾動(dòng)深溝球軸承6408，由文獻(xiàn)[13]表6—1查得，d=40,D=110,B=27,= ，則可知=40，=40mm；=24mm,由減速器的結(jié)構(gòu)知，＝75mm，＝18mm。軸上第4-5段與聯(lián)軸器相配合,由文獻(xiàn)[13]表8-7，選HL3彈性柱銷聯(lián)軸器，軸孔徑為d=35,半聯(lián)軸器＝70mm，取＝60mm。軸承端蓋由減速器結(jié)構(gòu)定，總寬度為57mm。軸上偏心輪和聯(lián)軸器周向定位采用平鍵聯(lián)接，由文獻(xiàn)[13]GB/T1095-1979，分別選用平鍵＝和=,鍵槽用鍵槽銑刀加工，同時(shí)為了保證聯(lián)軸器與軸的配合及偏心輪與軸的配合，選擇配合為H7/k6和H7/h6，滾動(dòng)軸承與軸的周向定位借過(guò)渡配合來(lái)保證，安裝軸承處選軸的尺寸公差為m6。由文獻(xiàn)[12]，表15-2，取軸端倒角為，各軸肩圓角半徑為.
力的計(jì)算
由前面知， 作用點(diǎn)到、作用點(diǎn)的距離相等，都為54mm，
得，＝8494N，＝8494N。
按彎扭合成強(qiáng)度校核
進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險(xiǎn)截面2）的強(qiáng)度。根據(jù)下式及上表中的數(shù)值，并取=0.6，軸的計(jì)算應(yīng)力
21.49 Mpa，
前已選定軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由文獻(xiàn)[12]表15－1查得=60MPa，因此〈，故安全。
精確校核軸的疲勞強(qiáng)度
1）判斷危險(xiǎn)截面
截面4、5只受扭矩作用，雖然鍵槽，軸肩及過(guò)渡配合所引起的應(yīng)力集中均將削弱軸的疲勞強(qiáng)度，但由于軸的最小直徑是按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度較為寬裕地確定的，所以截面4 、均無(wú)需校核。從應(yīng)力集中對(duì)軸的疲勞強(qiáng)度的影響來(lái)看，截面 2、3、4 處過(guò)渡配合引起的應(yīng)力集中較為嚴(yán)重；從受載的情況來(lái)看，截面2、3上的應(yīng)力最大。所以只需校核2截面，顯然左側(cè)比右側(cè)直徑小，因而該軸只需校核截面2左側(cè)即可。
2）截面2左側(cè)
抗彎截面系數(shù) ＝42875
抗扭截面系數(shù) ＝85750
彎矩 ＝917352
扭矩 T＝144897
截面上的彎曲應(yīng)力 ＝11.89 MPa
截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力＝1.69 MPa
軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由文獻(xiàn)[12]表15-1，得＝640MPa，＝275MPa，＝155MPa。
截面上由于軸肩而形成的理論應(yīng)力集中系數(shù)及，按文獻(xiàn)[12]表3-2查取，因，，經(jīng)插值后可查得
＝1.34，＝1.66；又由文獻(xiàn)[12]附圖3-1，可得材料敏性系數(shù)為，＝0.85。
故有效應(yīng)力集中系數(shù)為
＝1.2788
＝1.561
由文獻(xiàn)［12］附圖3-2得尺寸系數(shù)=0.95 ；由文獻(xiàn)［12］附圖3-3的扭轉(zhuǎn)尺寸系數(shù)= 0.9 。
軸按磨削加工，又附圖的表面質(zhì)量系數(shù)為＝0.92
軸未經(jīng)表面強(qiáng)化處理，即，則按式得綜合系數(shù)值為
＝2.8
＝1.62
又由文獻(xiàn)［12］及3-2得碳鋼的特性系數(shù)＝0.1，＝0.05
于是，計(jì)算安全系數(shù)值，則得
＝20.21
10.62
＝9.40S＝0.05
故可知其安全。
4.4 其它零件的設(shè)計(jì)
其它零件的設(shè)計(jì)見(jiàn)草圖，在此不作說(shuō)明。
4.5 潤(rùn)滑與密封
本減速機(jī)采用油浴潤(rùn)滑，潤(rùn)滑油選擇中極齒輪油。若在低溫或高溫環(huán)境以及在啟動(dòng)頻煩的場(chǎng)合，須跟據(jù)情況重新選擇適宜潤(rùn)滑油。對(duì)于本減速器，在嚴(yán)重惡劣負(fù)荷條件中工作時(shí)，推薦采用雙曲線齒輪油。
密封件選擇J型無(wú)骨架油封。
針齒殼上開(kāi)有溝槽，油浸深度為20～40mm。
第五章 基于UG的擺線針輪減速器設(shè)計(jì)
5．1建模
5.1.1 擺線輪
擺線輪是一個(gè)盤(pán)式結(jié)構(gòu)，其上均勻分布孔的零件，它最大的特征是擺線輪廓；此零件三維建模的難點(diǎn)也在于擺線輪廓的繪制。由于UG沒(méi)有直接用于繪制擺線的命令，要生成符合要求的擺線輪廓，必須借助于相應(yīng)的程序和方程，生成符合要求的擺線輪齒廓。擺線輪廓直角坐標(biāo)參數(shù)方程前面已經(jīng)給出，現(xiàn)有兩種方法生成擺線輪齒廓曲線：
其一是，根據(jù)擺線輪參數(shù)方程，用C語(yǔ)言編制一個(gè)生成擺線輪齒廓曲線的程序，將其保存為擴(kuò)展名為．txt文件。用描點(diǎn)法得到擺線上一系列坐標(biāo)點(diǎn)，然后運(yùn)用樣條曲線命令，連接所有坐標(biāo)點(diǎn)，得到擺線輪齒廓曲線，拉伸，然后打中心孔，作柱銷孔及陣列得到擺線輪。
其二是，借助UG的規(guī)律曲線命令，在“工具”菜單下“表達(dá)式”命令對(duì)話框中按UG的語(yǔ)法格式輸入擺線輪曲線的參數(shù)方程，點(diǎn)擊“
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