《RV减速器设计》doc版.doc

CAD/CAE/CAM理论与应用一、初步设计11.设计任务书12.原始数据13.传动系统方案的拟定1二、电动机的选择21.电动机容量的选择22.电动机转速的选择23.电动机型号的选择2三、计算传动装置的运动和动力参数31.传动比的分配32.各轴转速计算33.各轴功率计算34.各轴转矩计算35.将上述计算结果汇总于下表，以备查用:4四、传动系统的总体设计41.一级直齿轮传动的设计计算42.摆线齿轮传动的设计计算73.摆线齿轮三维建模8五、轴的设计131.曲柄轴的设计132.输入轴的设计14六、减速箱的润滑方式、润滑剂及密封方式的设计151、齿轮的润滑方式及润滑剂的选择152、密封方式的选择15七、其他附件设计15八、运动仿真15九、设计心得19十、附图及附表20参考文献2829一、 初步设计1. 设计任务书（1） 功率P：约4.3kW；（2） 减速比i：81；（3） 输出轴转速n：5r/min；（4） 正反转输出回差：60arcsec；（5） 设计寿命：3000 小时；（6） 结构尺寸不超过：380mm200mm；（7） 效率：大于85%；2. 原始数据表1-1 原始数据题号参数RV减速器设计功率P/kW4.3输出轴转速n/( r/min )5减速比i813. 传动系统方案的拟定图1-1 RV传动简图1渐开线中心轮 2渐开线行星轮 3曲柄轴4摆线轮 5针齿 6输出盘 7针齿壳（机架）二、 电动机的选择按照设计任务书要求选用Y系列一般用途的三相异步电动机，额定电压380V1. 电动机容量的选择根据给定条件可知工作计划所需有效功率： （2-1）电动机输出功率公式为： （2-2）式中的为电动机到工作机轴的传动装置总功率。，根据机械综合课程设计附表A-5，取各效率分别为：（8级闭式齿轮传动）、（滚子轴承）、（摆线齿轮单级传动）。则传动装置的总效率为： （2-3）电动机输出功率为 （2-4）因载荷平稳，电动机额定功率只需大于即可，查表可选择电动机的额定功率2. 电动机转速的选择根据给定条件可知减速器输出转速为 （2-5）由于给定RV减速器总传动比为，因此计算得电动机所需转速应为 （2-6）综合考虑电动机和传动装置的尺寸，质量及价格因素，为使传动装置紧凑，决定采用同步转速为的Y系列三向异步电动机Y160M2-8，满载转速为。3. 电动机型号的选择根据机械设计课程设计电动机类型、容量和转速，由电机产品目录或有关手册选定电动机型号为Y160M2-8。其主要性能如表2-1所示。表2-1 Y160M2-8型电动机的主要性能型号额定功率/kw满载转速/(rmin-1)同步转速(rmin-1)电动机中心高 H/mm外伸轴直径和长度 D/mmE/mmY160M2-85.572075016042110三、 计算传动装置的运动和动力参数1. 传动比的分配RV减速器的总传动比为：分配传动装置各级传动比为：，为使针齿壳（机架）外形尺寸不至于过大，初选一级行星齿轮传动比，则摆线齿轮传动比2. 各轴转速计算根据给定条件可知输出轴转速：，则：摆线齿轮转速：；曲柄轴转速：； 输入轴转速：； 3. 各轴功率计算由机械设计课程设计查得滚子轴承传动效率，8级斜齿轮传动效率，摆线齿轮单级传动，则总效率：； 曲柄轴功率：； 摆线齿轮功率：； 输出轴功率：。4. 各轴转矩计算电机的输出转矩：；曲柄轴转矩：； 摆线齿轮转矩：； 输出轴转矩：； 5. 将上述计算结果汇总于下表，以备查用:表3-1 各轴的相关参数电动机轴曲柄轴摆线齿轮输出轴转速40516255功率P/kw4.8594.7134.5274.3转矩114.5277.88646.58213传动比2.532.41四、 传动系统的总体设计1. 一级直齿轮传动的设计计算（1） 选择齿轮材料和热处理、精度等级、齿轮齿数考虑到一级小齿轮与输入轴为一体结构，则选大、小齿轮材料均用38CrMoAIA，调质后氮化，255321HBS，8级精度，软齿面。选小齿轮齿数,则大齿轮齿数，实际传动比。（2） 按齿面接触疲劳强度设计闭式软齿面齿轮传动，承载能力一般取决于齿面接触强度，故按接触强度设计，校核齿根弯曲疲劳强度。 （4-1）确定式中各项数值：因载荷平稳，可初选载荷系数；已知： （4-2）由机械设计表6-6，选取；由机械设计表6-5，查得锻钢弹性系数；由机械设计图6-14，查得；由式 （4-3）计算得；由机械设计图6-13，查得；由式 （4-4） （4-5）计算得小、大齿轮工作应力循环次数、；由机械设计图6-15查得，由机械设计图6-16d，按小齿轮齿面硬度255321HBS均值288HBS，在MQ线和ML线中间查得小齿轮接触疲劳极限；同理，由图6-16d查得大齿轮接触疲劳极限，；取失效概率，则 （4-6） （4-7）取设计齿轮参数。将确定厚的各项数值代入设计公式，求得修正： （4-8）由机械设计表6-3查得；由机械设计图6-7查得；由机械设计表6-4查得；由机械设计图6-10查得；则 （4-9） （4-10）由于需要保证齿轮分布均匀，因此由机械设计表6-1，选取第一系列标准模数齿轮主要几何尺寸： （4-11）则小齿轮分度圆直径为： （4-12）大齿轮分度圆直径为： （4-13） 根据计算出来的最小可用直径来计算齿宽为 （4-14）取， （3） 校核齿根弯曲疲劳强度 （4-15）计算当量齿轮端面重合度由机械设计可知：由机械设计式6-13，得： （4-16）由机械设计图6-19、图6-20按查得：，；，；由机械设计图6-21查得，由机械设计图6-22c，按小齿轮齿面硬度255321HBS均值288HBS，在MQ线上查得；同理，由图6-22c查得，；取； （4-17） （4-18）将确定出的各项数值代入弯曲强度检核公式，得 （4-19） （4-20）齿根弯曲疲劳强度足够。2. 摆线齿轮传动的设计计算（1） 选择齿轮材料和热处理、精度等级、齿轮齿数为了提高承载能力，并使结构紧凑，摆线轮、针齿销、针齿套、柱销、柱销套均选用轴承钢GCr15，热处理硬度取5862HRC。由于本设计里输入端为输入齿轮，输出端为轴， RV减速器减速比为,因此减速器速比值，根据公式 （4-21）可计算出针轮齿数，即摆线轮齿齿数为。（2） 摆线针轮传动的基本参数摆线针轮传动是以、作为基本参数，将其他各参数尽可能化为、及的函数，在此引用一下两个参数： 短幅系数 （4-22）的取值不同，摆线轮的齿形就不同，会影响传动的性能指标，所以这是一个很重要的系数。值既不宜取得过大，也不能取得过小。比较合理的值应通过整机优化设计来确定，其推荐用值列于表4-1：表4-1 短幅系数推荐用值根据摆线轮齿齿数，初选。 针径系数 （4-23）时，针齿间没有间隙，为保证针齿与针齿壳的强度，针径系数一般不小于1.251.4。考虑到针齿弯曲强度，的最佳范围为，最大不超过4。针径系数的推荐值列于表4-2：表4-2针径系数推荐用值根据针轮齿数，初选根据经验公式 （4-24）可计算得；则根据公式（4-22）和（4-23），可计算得中心距，取，由齿轮传动设计手册表7-53可查得，由于， 因此该尺寸合理，不会发生顶切。再根据圆整后的，可计算出，均符合要求。由可得摆线齿轮齿宽，由于需要安装轴承，因此齿宽需不小于轴承宽度，最终得。3. 摆线齿轮三维建模本设计里的其中一个难点是用CATIA绘制出RV减速器的摆线齿轮。由于CATIA没有自带的齿轮库和齿轮生成器，因此只能利用零件模块绘制齿轮，若利用绘制渐开线齿轮的方法来画摆线齿轮，将会需要几十个点和样条线才能画出比较规范的轮廓，这样计算量及操作量很大，修改麻烦，不予以考虑，因此在这里我利用CATIA的宏命令来绘制摆线齿轮。首先确定好摆线齿轮短幅外摆线的参数方程，即式（4-25）和式（4-26）： （4-25） （4-26）在这里可以知道需要前面计算的、这几个参数由上述计算可知：、；则代入式（4-25）和式（4-26）可得 （4-27） （4-28）在CATIA安装文件夹B20win_b64codecommand中找到GSD_PointSplineLoftFromExcel.xsl文件，如图4-1可以看到有A、B、C三列数据，分别为X、Y、Z的坐标。图4-1 GSD_PointSplineLoftFromExcel.xsl文件图新建一个Excel表格，将式（4-27）和式（4-28）以分别填入A1、B1中，在D列填充以0为初始值，30为最终值，差值为0.1的等差序列，再将 A1、B1中的参数替换成D1的数值，C列数值全为0，即以0.1的间隔来给摆线齿轮的短幅外摆线取点，再用样条线连接起来，形成较为精准的短幅外摆线；最后，利用填充命令，填充X、Y点数值，形成301个点坐标，如图4-2。图4-2 数据填充接下来将填充得到的301个点坐标对应复制进GSD_PointSplineLoftFromExcel.xsl文件中；图4-3 数据复制打开CATIA软件，新建一个part，进入零件设计模块；图4-4 新建零件选择GSD_PointSplineLoftFromExcel.xsl文件中的视图选项卡（微软2010版本），点击“宏”图4-5 宏在弹出的对话框中选择“Feuil1.Main”，单击“执行”后在对话框内填写“3”，单击“确定”，即可自动根据301个坐标点在CATIA中生成点和样条曲线。 图4-6 宏对话框 图4-7 选择对话框图4-8 坐标点及样条线由于宏命令能生成的坐标点有限，不能完全生成完整的短幅外摆线，只能通过生成一段短幅外摆线，再通过阵列来做出完整的短幅外摆线。将坐标点隐藏，在XY平面上过原点绘制一条与Y轴夹角为10的线段及一条过原点与 夹角为的线段，然后进入创成式外形设计，利用“分割”命令切出一个齿的短幅外摆线； 图4-9 绘制分割线 图4-10 分割短幅外摆线利用旋转命令，将切出的一个齿的短幅外摆线绕Z轴旋转，勾选“确定后重复对象”复选框，确定后在对话框输入29，勾选“相对”复选框，点击确定生成各段短幅外摆线，再用接合命令将每一段短幅外摆线接合起来，最终生成摆线齿轮的短幅外摆线。 图4-11 旋转短幅外摆线 图4-12 重复命令图4-13 接合短幅外摆线依照上述步骤生成了摆线齿轮的短幅外摆线，但是这不是我们最终需要的曲线，摆线齿轮的齿形轮廓称为齿廓线，是针齿沿着短幅外摆线移动一周时，针齿最靠近摆线齿轮圆心的那个点所生成的曲线，因此短幅外摆线与齿廓线的各个点的最小距离即为针齿半径，在CATIA里可以通过短幅外摆线来生成齿廓线。由于CATIA里的创成式外形曲线模块里的偏移命令只能用于曲面，因此我们先将短幅外摆线拉升一定的长度，形成短幅外摆面，由于前面计算得摆线齿轮齿宽，因此直接拉伸即可；图4-14 拉伸短幅外摆线然后通过“偏移”命令来生成齿廓面，由上面计算简化得针齿半径，因此将短幅外摆线像圆心偏移，即可得到齿宽为的齿廓曲面；图4-14 偏移短幅外摆线生成齿廓曲面后，进入零件设计模块，利用封闭曲面命令，将偏移出来的齿廓曲面封闭起来，再将多余的点线面隐藏起来，至此摆线齿轮大致外形建模完成。图4-15 封闭曲面图4-16 摆线齿轮模型五、 轴的设计1. 曲柄轴的设计（1） 总结以上数据：表5-1 曲柄轴的参数功率转矩转速压力角4.713277.848162（2） 选择轴的材料轴的材料选40Cr钢，调质处理。其机械性能由机械设计表8-1查得：，根据表8-3，取（3） 初步确定轴的直径由公式初步估算轴的最小直径为：轴的最小直径就是所安装轴承的内径，因此同时选取30206圆锥滚子轴承，其基本尺寸为，因此最小轴径为。（4） 确定轴的各段直径和长度轴段和轴段为安装轴承段，直径应与所选轴承内径一样大，则，由于轴段仅需安装轴承，因此长度与轴承内圈宽度一样，为；轴段为正齿轮安装轴，因此轴段开有花键，便于与正齿轮连接，此外还需安装轴承，在轴承和正齿轮之间还有输出轴和主轴承，也即安装轴承外圈的轴体，厚度为，轴承预留间隙为因此轴段的长度为，其中轴段前端处为卡环位置； 轴段和轴段为曲柄所在段，这两段直径长度一样，但是轴线各偏离轴段轴线，这两段也需要安装圆柱滚子轴承，为了方便轴段和轴段上的圆柱滚子轴承内圈的安装拆卸，轴段和轴段的半径不得大于，即不能超过，根据需要选取圆柱滚子轴承，其基本尺寸为，因此轴段和轴段的轴径为，长度；轴段其实就是两个曲柄之间的间距，为了不让两个摆线齿轮相互摩擦，设置轴段长度为，轴径为。轴各段直径和长度至此已初步确定，曲柄轴总长为。 图5-1 曲柄轴2. 输入轴的设计（1） 总结以上数据：表5-2 输入轴的参数功率转矩转速压力角4.859114.576405（2） 选择轴的材料轴的材料选40Cr钢，调质处理。其机械性能由机械设计表8-1查得：，根据表8-3，取（3） 初步确定轴的直径由公式初步估算轴的最小直径为：由于输入轴的内部还需有安装电动机的槽，因此还需计算上电动机输出轴的尺寸，因此初选； （4） 确定轴的直径和长度输入轴需要齿轮来将输入的动力传递给正齿轮，由于输入齿轮的分度圆直径，齿顶圆直径，因此将输入轴直接做成齿轮轴，则输入轴齿轮部分直径为，连接电机部分直径；由于输入轴几乎贯穿整个RV减速器，因此轴的长度需在曲柄轴的基础上再加上支撑法兰的厚度，主轴承为分离型角接触球轴承，型号为，其基本尺寸为，因此轴长为，其中齿轮部分长度为。 图5-2 输入轴六、 减速箱的润滑方式、润滑剂及密封方式的设计1、 齿轮的润滑方式及润滑剂的选择根据浸油齿轮的最大圆周速度，则轴承润滑方式采用脂润滑。查机械设计课程设计表14-2，选用钠基润滑脂ZN-2（GB/T492-1989）。2、 密封方式的选择机架的密封采用骨架油封密封，其基本尺寸如表6-1；表6-1 高速轴骨架油封轴径34038020七、 其他附件设计定位销：根据机械设计课程设计表12-2，选取圆柱销八、 运动仿真运动仿真是对组装好的三维模型进行仿真，以便观察其运动轨迹和运动模式。首先需要知道的是该变速器的固定件，原动件，被动件及自由度。本次仿真将变速器壳体当作固定件，以输入轴为原动件，从而带动正齿轮转动，而正齿轮通过花键与凸轮轴连接起来，带动凸轮轴转动，由于凸轮轴的两个偏心轮通过圆柱滚子轴承连接在两个摆线齿轮上，因此在凸轮轴转动的时候，两个摆线齿轮也会跟着凸轮轴进行交错运动，此时摆线齿轮上的齿和壳体壁相互啮合，由于壳体为固定件，因此摆线齿轮相对于壳体运动，从而带动凸轮轴绕摆线齿轮中心转动，最终带动通过轴承连接在凸轮轴上的输出轴转动。图8-1 结构图根据上述运动，首先在CATIA装配图里将与外壳固定的部件进行刚性接合，如骨架油封，7654B角接触球轴承的外圈。图8-2 外壳与骨架油封、轴承外圈的刚性接合接着就是输入轴与正齿轮的齿轮接合，由于正齿轮与凸轮轴之间为刚性接合，因此在这里也可以将凸轮轴代替正齿轮来进行齿轮接合。在CATIA里每创建一个齿轮接合都需要两个旋转接合，且这两个旋转接合必须是在同一个零件上创建旋转接合，纵观整个减速器，可知输入轴与输出轴之间有相对转动，凸轮轴也与输出轴有相对转动，因此在这里将输入轴和凸轮轴均与输出轴进行旋转接合，得到两个旋转接合，再通过齿轮接合将这两个旋转接合结合起来，形成一个齿轮接合，另外两条凸轮轴也需要重复以上步骤与输入轴建立齿轮接合。图8-3 输入轴、凸轮轴与输出轴的相对位置图8-4 齿轮接合设置对话框图8-5 齿轮接合与旋转接合齿轮接合创建完成后，需要将和曲柄轴连接在一起的零件利用刚性接合连接起来，使得在进行运动仿真的时候，齿轮、卡环和曲柄轴同步运动。图8-6 正齿轮、卡环与输出轴的刚性接合由于输入轴与输出轴、支撑法兰、壳体、角接触球轴承均有相对旋转，而在前面已经有创建输入轴与输出轴的旋转接合，因此若要将输入轴、输出轴与壳体连接起来，则可以创建输入轴与壳体的旋转接合，或者创建输出轴与壳体的旋转接合，以实现输入轴、输出轴与壳体三者之间的旋转。图8-7 输出轴与壳体的旋转接合接下来则将与凸轮轴过盈接合的圆柱滚子轴承和圆锥滚子轴承进行刚性接合，由于本装配是将轴承的内外圈、滚子、保持架先进行部分装配，然后再进行整体装配，因此导入后系统默认子装配里的零件均为刚性接合，若要将内外圈分开分别与相邻过盈部件进行刚性接合，则可在装配文件名上右键，选择“* 对象柔性/刚性子装配”来转换装配性质，然后就可以分别将内外圈与其接触零件进行刚性接合；另外一种方法则可将轴承当作一个整体，与内/外圈接触零件进行刚性接合，则与外/内接触零件进行旋转接合，也可实现轴承装配运动。本仿真里由于计算机性能有限，为了减少仿真数据计算，降低电脑负荷，则将轴承隐藏起来，不加入仿真运动里，直接在凸轮轴与两个摆线齿轮之间创建旋转接合。图8-8 转换装配性质图8-9 凸轮轴与摆线齿轮之间的旋转接合接下来创建输入轴与两个摆线齿轮之间的运动接合，由于摆线齿轮的中心点与输入轴的轴线有一个固定的偏心距，因此摆线齿轮的运动轨迹则是以偏心距为半径，绕输入轴轴线旋转的一个圆周运动，因此在输入轴轴线某一平面上作以偏心距为半径的一个圆，再在摆线齿轮中心点同一平面创建一个点，使得在装配体中点位于圆周线上；以上步骤完成后就可以创建输入轴与两个摆线齿轮之间的运动接合，选择“点曲线接合”命令，分别选择点与圆，则可创建输入轴与两个摆线齿轮之间的点线接合。图8-10 创建点与圆图8-11 输入轴与摆线齿轮之间的点曲线接合最后一步则是创建摆线齿轮与柱销的啮合运动，本减速器将柱销与壳体做成一体，因此需要创建摆线齿轮与壳体的啮合运动；由于摆线齿轮的齿廓与柱销圆周线相切，则可看成摆线齿轮与柱销进行滑动曲线接合，因此提取摆线齿轮齿廓线，再在同一平面创建一个与柱销半径一样的圆，使得两条曲线始终相切。图8-12 摆线齿轮与壳体之间的滑动曲线接合至此，该减速器运动仿真约束部分已经完成，装配体自由度为2。接下来只需要添加一个运动命令和一个固定零件，使得装配体自由度变为0，即可完成仿真，命令可以是旋转接合的命令，也可以是点曲线接合等的命令，在这里有一点需要注意的是，添加齿轮接合命令时，需要先将齿轮接合命令的两个子旋转接合的其中一个添加旋转命令，然后才能添加齿轮接合命令。图8-13 添加驱动命令及固定零件九、 设计心得十、 附图及附表图10-1 RV减速器装配图前端图10-2 RV减速器装配图后端图10-3 RV减速器装配爆炸图图10-4 摆线齿轮图10-5 减速器壳体图10-6 曲柄轴图10-7 正齿轮图10-8 输入轴图10-9 输出轴正面图10-10 输出轴反面图10-11支撑法兰图10-12卡环图10-13 RV减速器装配二维图图10-14 输出轴二维图图10-15 输入轴二维图图10-16 减速器壳体二维图图10-17 摆线齿轮1二维图图10-18 摆线齿轮2二维图图10-19 凸轮轴二维图图10-20 支撑法兰二维图图10-21 正齿轮二维图图10-22 轴承卡环二维图图10-23 正齿轮卡环二维图图10-24 定位销二维图参考文献1 朱玉.机械综合课程设计M.北京：机械工业出版社.2012.32 成大先.机械设计手册.单行本.润滑与密封M.北京：化学工业出版社.2004.13 成大先.机械设计手册.单行本.齿轮机构M.北京:化学工业出版社,2004.14 成大先.机械设计手册.单行本.轴承M.北京:化学工业出版社,2004.15 成大先.机械设计手册.单行本.联接与紧固M.北京:化学工业出版社,2004.16谭庆昌.赵洪志.机械设计M.北京:高等教育出版社,2008.37 孙恒.陈作模.葛文杰.机械原理（第八版）M.北京:高等教育出版社,2013.58 朱孝录.齿轮传动设计手册M.北京:化学工业出版社,2004.79JB/T 2982-94,摆线针轮减速机S.10滕献银 李克旺 赵新华摆线齿轮齿廓展成的CAD研究A滕献银.三叶摆线型泵用叶片廓线的计算机辅助设计及动态模拟研究 J .机械设计,2002,19(2):41-42.有效功率减速比输出轴转速效率