機械系統(tǒng)設(shè)計3齒輪撓性間歇性部件

機械系統(tǒng)設(shè)計3齒輪撓性間歇性部件第1頁/共52頁2）行星齒輪傳動輪系

主要由傳動齒輪、定位齒輪、行星齒輪和行星架等組成。行星齒輪傳動輪系的組成

第2頁/共52頁若輪系中，至少有一個齒輪的幾何軸線不固定，而繞其它齒輪的固定幾何軸線回轉(zhuǎn)，則稱為行星輪系。如圖所示的輪系中，齒輪2除繞自身軸線回轉(zhuǎn)外，還隨同構(gòu)件H一起繞齒輪1的固定幾何軸線回轉(zhuǎn)，該輪系即為行星輪系。齒輪2稱為行星輪，H稱為行星架或系桿，齒輪1、3稱為太陽輪。第3頁/共52頁第4頁/共52頁第5頁/共52頁3）諧波齒輪傳動工作原理主要組成元件工作過程實用產(chǎn)品第6頁/共52頁內(nèi)容提要

齒輪傳動形式及其傳動比的最佳匹配選擇各級傳動比的最佳分配原則

諧波齒輪傳動齒輪傳動間隙的調(diào)整方法第7頁/共52頁

首先把傳動系統(tǒng)中的工作負載、慣性負載和摩擦負載綜合為系統(tǒng)的總負載，方法有：

(a)

峰值綜合：若各種負載為非隨機性負載，將各負載的峰值取代數(shù)和。

(b)

均方根綜合：若各種負載為隨機性負載，取各負載的均方根。負載綜合時，要轉(zhuǎn)化到電機軸上，成為等效峰值綜合負載轉(zhuǎn)矩或等效均方根綜合負載轉(zhuǎn)矩。

使等效負載轉(zhuǎn)矩最小或負載加速度最大的總傳動比，即為最佳總傳動比。1齒輪傳動形式及其傳動比的最佳匹配選擇第8頁/共52頁配置傳動比的目的：齒輪傳動比i應(yīng)滿足驅(qū)動部件與負載之間的位移及轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、傳動精度（誤差）的匹配要求。

要求齒輪傳動系統(tǒng)傳遞轉(zhuǎn)矩時，要有足夠的剛度，還要求其轉(zhuǎn)動慣量盡量小，以便在獲得同一加速度時所需轉(zhuǎn)矩小，即在同一驅(qū)動功率時，其加速度響應(yīng)為最大。第9頁/共52頁

此外，齒輪的嚙合間隙會造成傳動死區(qū)(失動量)，若該死區(qū)是在閉環(huán)系統(tǒng)中，則可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，常會使系統(tǒng)產(chǎn)生以1～5倍的間隙而進行的低頻振蕩。為此盡量采用齒側(cè)間隙較小、精度較高的齒輪傳動副。但為了降低制造成本，則多采用各種調(diào)整齒側(cè)間隙的方法來消除或減小嚙合間隙，以提高傳動精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

第10頁/共52頁

由于，機電一體化系統(tǒng)的傳動負載、傳動特性、傳動精度、工作條件差異很大，齒輪傳動部件傳動比的配置應(yīng)主要依據(jù)不同系統(tǒng)的實際工作情況與要求進行配置。在一般情況下，可重點考慮如下幾方面內(nèi)容：運動參量匹配——

傳遞形式與類型功率/力/力矩匹配——

結(jié)構(gòu)強度與剛度轉(zhuǎn)動慣量——

系統(tǒng)響應(yīng)特性（靜態(tài)/動態(tài)）傳遞精度——傳遞間隙、平穩(wěn)性、低速震蕩（爬行現(xiàn)象）

第11頁/共52頁總原則：盡量采用較大傳動比的單級傳動

齒輪系統(tǒng)的總傳動比確定后，根據(jù)對傳動鏈的技術(shù)要求，選擇傳動方案，使驅(qū)動部件和負載之間的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速達到合理匹配。若總傳動比較大，又不準備采用諧波、少齒差等傳動，需要確定傳動級數(shù)，并在各級之間分配傳動比。單級傳動比增大使傳動系統(tǒng)簡化，但大齒輪的尺寸增大會使整個傳動系統(tǒng)的輪廓尺寸變大?？砂聪率鋈N原則適當分級，并在各級之間分配傳動比。2各級傳動比的最佳分配原則第12頁/共52頁(1)重量最輕原則

小功率傳動時，i的分配各級相等；大功率傳動時，i

的分配先大后小。對于小功率傳動系統(tǒng)，使各級傳動比滿足，即可使傳動裝置的重量最輕。上述結(jié)論對于大功率傳動系統(tǒng)是不適用的，因其傳遞扭矩大，故要考慮齒輪模數(shù)、齒輪齒寬等參數(shù)要逐級增加的情況，此時應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗、類比方法以及結(jié)構(gòu)緊湊之要求進行綜合考慮。各級傳動比一般應(yīng)以“先大后小”原則處理。第13頁/共52頁(2)輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則為了提高機電一體化系統(tǒng)中齒輪傳動系統(tǒng)傳遞運動的精度，各級傳動比應(yīng)按“先小后大”原則分配，以便降低齒輪的加工誤差、安裝誤差以及回轉(zhuǎn)誤差對輸出轉(zhuǎn)角精度的影響，使輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小。設(shè)齒輪傳動系統(tǒng)中各級齒輪的轉(zhuǎn)角誤差換算到末級輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為，則式中：—第個齒輪所具有的轉(zhuǎn)角誤差；

—第個齒輪的轉(zhuǎn)軸至第級輸出軸的傳動比。第14頁/共52頁(3)最小等效轉(zhuǎn)動慣量原則利用該原則所設(shè)計的齒輪傳動系統(tǒng)，換算到電機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量為最小。傳動比i的分配先小后大，級數(shù)越多等效轉(zhuǎn)動慣量越小，但級數(shù)太多時，結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，并且等效轉(zhuǎn)動慣量降低不明顯。

如右圖，若不計軸和軸承的轉(zhuǎn)動慣量，則根據(jù)系統(tǒng)動能不變的原則，等效到電機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量為：第15頁/共52頁具體來講有以下幾點：①對于要求體積小、重量輕的齒輪傳動系統(tǒng)可用重量最輕原則。②對于要求運動平穩(wěn)、起停頻繁和動態(tài)性能好的伺服系統(tǒng)的減速齒輪系，可按最小等效轉(zhuǎn)動慣量和總轉(zhuǎn)角誤差最小的原則來處理。對于變負載的傳動齒輪系統(tǒng)的各級傳動比最好采用不可約的比數(shù)，避免同期嚙合以降低噪聲和振動。第16頁/共52頁③對于提高傳動精度和減小回程誤差為于的傳動齒輪系，可按總轉(zhuǎn)角誤差最小原則。對于增速傳動，由于增速時容易破壞傳動齒輪系工作的平穩(wěn)性，應(yīng)在開始幾級就增度，并且要求每級增速比最好大于1：3，以有利于增加輪系剛度、減小傳動誤差。④對較大傳動比傳動的齒輪系，往往需要將定軸輪系和行星輪系巧妙結(jié)合為混合輪系。對于相當大的傳動比、并且要求傳動精度與傳動效率高、傳動平穩(wěn)、體積小重量輕時．可選用新型的諧波齒輪傳動。第17頁/共52頁3諧波齒輪傳動基本組成構(gòu)件：波發(fā)生器、柔輪、剛輪選用：廣泛應(yīng)用于機電一體化產(chǎn)品中，如機器人、機器儀表、雷達中用作運動傳遞；在冶金、化工、起重運輸設(shè)備中傳遞運動和轉(zhuǎn)矩。有標準系列規(guī)格可供選擇。第18頁/共52頁原理：利用行星輪系傳動原理，波發(fā)生器轉(zhuǎn)動，迫使柔性齒輪產(chǎn)生可控制的變形波（近似諧波），并和剛輪作用引起齒間相對位移，傳遞運動和動力。波發(fā)生器是行星輪系的轉(zhuǎn)臂剛輪是中心輪柔輪是行星輪第19頁/共52頁第20頁/共52頁優(yōu)點：1、傳動比大：1.002～1.02或50～500；2、承載能力高；3、傳動平穩(wěn)，精度高；4、體積小，噪聲低缺點：1、柔輪周期性變形，易疲勞破壞；2、轉(zhuǎn)動慣量和啟動力矩大，不適宜于小功率傳動；3、不能用于傳動比較小場合（i

小于35）；4、散熱差

第21頁/共52頁諧波齒輪傳動的傳動比計算

式中：、、分別為剛輪、柔輪和波形發(fā)生器的角速度；、分別為剛輪和柔輪的齒數(shù)。

(1)當柔輪固定時，，則

第22頁/共52頁(2)當剛輪固定時，，則設(shè)、

當柔輪固定時當柔輪固定時第23頁/共52頁諧波齒輪減速器產(chǎn)品及選用諧波齒輪減速機選用說明(1)樣本中的圖表參數(shù)為標準產(chǎn)品，用戶選型時需確定以下三項參數(shù)：

（a）傳動比或輸出轉(zhuǎn)速（r/min)

（b）減速機輸入功率（kw)

（c）額定輸入轉(zhuǎn)速（r/min)第24頁/共52頁(2)如減速機輸入轉(zhuǎn)速是可調(diào)的，則在選用減速機型號時應(yīng)分別確定：

工作條件為“恒功率”時按最低轉(zhuǎn)速選用機型；工作條件為“恒扭矩”時，按最高轉(zhuǎn)速選用機型。訂貨時須說明是否與電機直聯(lián)，電機型號及參數(shù)。(3)選用減速機輸入功率與輸出扭矩的計算 式中：P—減速機額定輸入功率（KW）

T—減速機額定輸出扭矩（Nm)

KA—工作情況系數(shù)（見下表）第25頁/共52頁(4)減速機輸出軸裝有齒輪、鏈輪、三角皮帶輪及平皮帶輪時，需要校驗軸伸的懸臂負荷，校驗公式為式中：D—齒輪、鏈輪、皮帶輪的節(jié)圓直徑(m)

FR—懸臂負荷系數(shù)（齒輪FR=1.5；鏈輪FR=1.2；三角皮帶輪FR=2；平皮帶輪FR=2.5)

當結(jié)果安全。第26頁/共52頁(a)偏心套(軸)調(diào)整法

將相互嚙合的一對齒輪中的一個齒輪4裝在電機輸出軸上，并將電機2安裝在偏心套1(或偏心軸)上，通過轉(zhuǎn)動偏心套(偏心軸)的轉(zhuǎn)角，就可調(diào)節(jié)兩嚙合齒輪的中心距，從而消除圓柱齒輪正、反轉(zhuǎn)時的齒側(cè)間隙。特點是結(jié)構(gòu)簡單，但其側(cè)隙不能自動補償。4齒輪傳動間隙的調(diào)整方法(1)圓柱齒輪傳動齒輪傳動間隙的調(diào)整目的：提高齒輪傳動的精度和消除齒輪傳動的正反轉(zhuǎn)誤差。第27頁/共52頁

裝配時軸向墊片3的厚度應(yīng)使得齒輪1和2之間既齒側(cè)間隙小，運轉(zhuǎn)又靈活。特點同偏心套(軸)調(diào)整法。(b)軸向墊片調(diào)整法第28頁/共52頁(c)雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法

這種消除齒側(cè)間隙的方法是將其中一個做成寬齒輪，另一個用兩片薄齒輪組成。采取措施使一個薄齒輪的左齒側(cè)和另一個薄齒輪的右齒側(cè)分別緊貼在寬齒輪齒槽的左、右兩側(cè)，以消除齒側(cè)間隙，反向時不會出現(xiàn)死區(qū)。第29頁/共52頁

與錯齒調(diào)整法基本相同，只是在兩個薄片斜齒輪的中間隔開了一小段距離，這樣它的螺旋線便錯開了。(2)斜齒輪傳動第30頁/共52頁(a)軸向壓簧調(diào)整法

軸向壓簧調(diào)整法原理如圖，在錐齒輪4的傳動軸7上裝有壓簧5，其軸向力大小由螺母6調(diào)節(jié)。錐齒輪4在壓簧5的作用下可軸向移動，從而消除了其與嚙合的錐齒輪l之間的齒側(cè)間隙。(3)錐齒輪傳動第31頁/共52頁

將與錐齒輪3嚙合的齒輪做成大小兩片(1、2)，在大片錐齒輪1上制有三個周向圓弧槽8，小片錐齒輪2的端面制有三個可伸入槽8的凸爪7。彈簧5裝在槽8中，一端頂在凸爪7上，另一端頂在鑲在槽8中的鑲塊4上。止動螺釘6裝配時用，安裝完畢將其卸下，則大小片錐齒輪1、2在彈簧力作用下錯齒，從而達到消除間隙的目的。(b)周向彈簧調(diào)整法

第32頁/共52頁

當傳動負載大時，可采用雙齒輪調(diào)整法。通過預(yù)載裝置4向齒輪3上圖齒輪齒條的雙齒輪調(diào)隙機構(gòu)。預(yù)加負載，使大齒輪2、5同時向兩個相反方何轉(zhuǎn)動，從而帶動小齒輪1、6轉(zhuǎn)動，其齒面便分別緊貼在齒條7上齒槽的左、右側(cè)，消除了齒側(cè)間隙。

齒輪齒條傳動機構(gòu)第33頁/共52頁五、撓性傳動部件

在機電一體化系統(tǒng)中，除滾珠絲杠副、齒輪傳動副外，同步齒形帶傳動、綱帶傳動、鏈條傳動、鋼絲繩/尼龍繩傳動等。

特點：結(jié)構(gòu)簡單、可實現(xiàn)高速傳動、傳動功率較低、傳動效率高、傳動平穩(wěn)、吸振且噪音低、維修使用方便，但安裝精度要求高。應(yīng)用：主要應(yīng)用在高速、低載、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、低噪的環(huán)境中。第34頁/共52頁兼有鏈、齒輪、三角膠帶優(yōu)點的傳動零件，于1940年由美國尤尼羅爾(Unirayal)橡膠公司首先加以開發(fā)。1946年辛加公司把同步帶用于縫紉機針和纏線管的同步傳動上，取得顯著效益，并被逐漸引用到其他機械傳動上。一、同步帶傳動第35頁/共52頁分類同步帶的優(yōu)缺點同步帶的結(jié)構(gòu)和尺寸結(jié)構(gòu)同步帶的設(shè)計計算第36頁/共52頁(a)一般工業(yè)用同步帶傳動即梯形齒同步帶傳動。它主要用于中、小功率的同步帶傳動，如各種儀器、計算機、輕工機械中均采用這種同步帶傳動。(b)高轉(zhuǎn)矩同步帶傳動又稱HTD帶(HighTorqueDrive)或STPD帶傳動(SuperTorquePositiveDrive)。由于其齒形呈圓弧狀，在我國通稱為圓弧齒同步帶傳動。它主要用于重型機械的傳動中，如運輸機械(飛機、汽車)、石油機械和機床、發(fā)電機等的傳動。

(c)特種規(guī)格的同步帶傳動這是根據(jù)某種機器特殊需要而采用的特種規(guī)格同步帶傳動，如工業(yè)縫紉機用的、汽車發(fā)動機用的同步帶傳動。(d)特殊用途的同步帶傳動即為適應(yīng)特殊工作環(huán)境制造的同步帶。(1)按用途分類1分類第37頁/共52頁(a)模數(shù)制同步帶主要參數(shù)是模數(shù)m(與齒輪相同)，根據(jù)不同的模數(shù)數(shù)值來確定帶的型號及結(jié)構(gòu)參數(shù)。在60年代該種規(guī)格制度曾應(yīng)用于日、意、蘇等國，后隨國際交流的需要，各國同步帶規(guī)格制度逐漸統(tǒng)一到節(jié)距制。目前僅前蘇聯(lián)及東歐各國仍采用模數(shù)制。

(b)節(jié)距制即同步帶的主要參數(shù)是帶齒節(jié)距，按節(jié)距大小不同，相應(yīng)帶、輪有不同的結(jié)構(gòu)尺寸。該種規(guī)格制度目前被列為國際標準。由于節(jié)距制來源于英、美，其計量單位為英制或經(jīng)換算的公制單位。

(c)DIN米制節(jié)距DIN米制節(jié)距是德國同步帶傳動國家標準制定的規(guī)格制度。其主要參數(shù)為齒節(jié)距，但標準節(jié)距數(shù)值不同于ISO節(jié)距制，計量單位為公制。在我國，由于德國進口設(shè)備較多，故DIN米制節(jié)距同步帶在我國也有應(yīng)用。(2)按規(guī)格制度分類第38頁/共52頁a)b)c)圖6-3同步帶齒形的變遷a—梯形齒b—圓弧齒c—近似漸開線齒第39頁/共52頁(1)工作時無滑動，有準確的傳動比

(2)傳動效率高，節(jié)能效果好

(3)傳動比范圍大，結(jié)構(gòu)緊湊

(4)維護保養(yǎng)方便，運轉(zhuǎn)費用低

(5)惡劣環(huán)境條件下仍能正常工作2.同步帶傳動的優(yōu)缺點第40頁/共52頁(1)同步帶結(jié)構(gòu)同步帶一般由承載繩、帶齒、帶背和包布層組成。工業(yè)用同步帶帶輪形狀如下右圖所示。3.同步帶的結(jié)構(gòu)和尺寸規(guī)格第41頁/共52頁第42頁/共52頁

(1)失效形式和計算準則同步帶傳動主要失效形式有：

(a)承載繩斷裂原因是帶型號過小和小帶輪直徑過小等。

(b)爬齒和跳齒原因是同步帶傳遞的圓周力過大、帶與帶輪間的節(jié)距差值過大、帶的初拉力過小等。

(c)帶齒的磨損原因是帶齒與輪齒的嚙合干涉、帶的張緊力過大等。

4.同步帶的設(shè)計計算第43頁/共52頁

(d)其他失效方式帶和帶輪的制造安裝誤差引起的帶輪棱邊磨損、帶與帶輪的節(jié)距差值太大和嚙合齒數(shù)過少引起的帶齒剪切破壞、同步帶背的龜裂、承載繩抽出和包布層脫落等。在正常的工作條件下，同步帶傳動的設(shè)計準則是在不打滑的條件下，保證同步帶的抗拉強度。在灰塵雜質(zhì)較多的條件下，則應(yīng)保證帶齒的一定耐磨性。第44頁/共52頁型號名稱節(jié)距mminMXL(MinimaExtraLight)XXL(ExtraExtraLight)XL(ExtraLight)L(Light)H(Heavy)XH(ExtraHeavy)XXH(DoubleExtraHeavy)最輕型超輕型特輕型輕型重型特重型最重型2.0323.1755.0809.52512.70022.22531.7500.080.125(1/8)0.200(1