摘 要 為了提高機(jī)器人的傳動(dòng)精度 ,滿足實(shí)際工作需要 ,本課題對(duì)其腰部傳動(dòng)進(jìn)行了消隙設(shè)計(jì)。根據(jù)機(jī)器人的工作要求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行了機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)，確定了機(jī)器人的外形尺寸和工作空間，擬定了機(jī)器人各關(guān)節(jié)的總體傳動(dòng)方案，對(duì)機(jī)器人腰關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，合理布置了電機(jī)和齒輪，確定了各級(jí)傳動(dòng)參數(shù)，分別對(duì)齒輪和軸進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算并進(jìn)行了校核。最后用 雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)隙法對(duì)其腰部傳動(dòng)進(jìn)行了消隙設(shè)計(jì)，保證傳動(dòng)的精確性。其在結(jié)構(gòu)上的簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)性也為其在以后的推廣和應(yīng)用中提供了便利條件。 關(guān)鍵詞： 機(jī)器人，總體設(shè)計(jì)，腰部結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)，消隙設(shè)計(jì) 1 The waist structural design of articulated robot Abstract In order to increase robots transmission precision, meets the practical work needs, this topic carried on to his/her the waist transmission has disappeared the crack design. According to robots work requirement and the unique feature, have carried on robots system design, had determined robots external dimensions and the working space, have drawn up the robot various joints overall transmission plan, has carried on the detailed design to the robot waist joint structure, has arranged the electrical machinery and the gear reasonably, had determined all levels of transmission parameter, distinguished the counter gear and the axis has carried on the detailed design calculation and has carried on the examination. Finally used the biplate thin gear wrong tooth to adjust the crack law to carry on to his/her the waist transmission has disappeared the crack design, the guarantee transmission accuracy. It in the structure simple, the efficiency also has provided the convenient condition for it in the later promotion and the application. Key word: robot, system design, waist structural design, disappears the crack to design 目錄 1 緒論 . 1 2機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 1 2.1 確定基本技術(shù)參數(shù) . 1 2.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)類型的選擇 . 1 2.1.2 額定負(fù)載 . 2 2.1.3 工作范圍 . 2 2.1.4 操作機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 3 2.2 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 4 3 機(jī)器人 腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 6 3.1 電機(jī)的選擇 . 7 3.2 計(jì)算傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比和分配各級(jí)傳動(dòng)比 . 8 3.3 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 . 8 3.3.1 計(jì)算各軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和輸入功率 . 9 3.3.2 確定三根軸的具體尺寸 . 9 3.4 確定齒輪的參數(shù) . 14 3.4.1 選擇材料 . 14 3.4.2 壓力角 的選擇 . 14 3.4.3 齒數(shù)和模數(shù)的選擇 . 14 3.4.4 齒寬系數(shù)d. 14 3.4.5 確定齒輪傳動(dòng)的精度 . 15 3.4.6 齒輪的校核 . 16 4 拉簧消隙設(shè)計(jì) . 19 4.1 消隙拉簧設(shè)計(jì)原則 . 20 4.2 設(shè)計(jì)步驟 . 20 5 結(jié)論 . 23 致謝 . 24 參考文獻(xiàn) . 25 1 1 緒論 機(jī)器人是現(xiàn)代一種典型的光機(jī)電一 體化產(chǎn)品，機(jī)器人學(xué)也是當(dāng)今世界極為活躍的研究領(lǐng)域之一，它涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、自動(dòng)控制、人工智能、等多個(gè)學(xué)科。 機(jī)器人從出現(xiàn)到現(xiàn)在的短短幾十年中，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)器人已經(jīng)人類不可缺少的好幫手；在航空航天、海底探險(xiǎn)中，機(jī)器人更是能完成人類難以完成的工作。隨著計(jì)算機(jī)、人工智能和光機(jī)電一體化技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)器人已不僅僅局限于工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，它還將發(fā)展成具有人類智能的智能型機(jī)器人，具有一定的感覺思維能力和自主決策能力。 在機(jī)器人要腰部傳動(dòng)中，理論上一對(duì)齒輪在嚙合時(shí)應(yīng) 該無側(cè)隙，但實(shí)際上為了補(bǔ)償由于制造、安裝誤差及溫度變化而引起的尺寸變化，以防止被卡死，在輪齒非工作面間必須有一定的齒側(cè)間隙，此間隙在進(jìn)給系統(tǒng)反向時(shí)就會(huì)產(chǎn)生空程誤差 .因此通過對(duì)彈簧消隙方法的分析，明確了齒輪消隙機(jī)構(gòu)的本質(zhì)，即給嚙合齒輪加載力矩?；谶@一原理下從而減小或消除空程誤差，提高機(jī)器人傳動(dòng)精度。 2 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 確定基本技術(shù)參數(shù) 2.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)類型的選擇 為實(shí)現(xiàn)總體機(jī)構(gòu)在空間的位置提供的 6個(gè)自由度，可以有不同的運(yùn)動(dòng)組合，根據(jù)本課題可以將其設(shè)計(jì)成以下五種方案： a.圓柱坐標(biāo)型 這種 運(yùn)動(dòng)形式是通過一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)移動(dòng)，共三個(gè)自由度組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，工作空間圖形為圓柱型。它與直角坐標(biāo)型比較，在相同的工作空間條件下，機(jī)體所占體積小，而運(yùn)動(dòng)范圍大。 b.直角坐標(biāo)型 直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，其運(yùn)動(dòng)部分由三個(gè)相互垂直的直線移動(dòng)組成，其工作空間圖形為長方體。它在各個(gè)軸向的移動(dòng)距離，可在各坐標(biāo)軸上直接讀出，直觀性強(qiáng)，易于位置和姿態(tài)的編程計(jì)算，定位精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但機(jī)體所占空間體積大、靈活性較差。 c.球坐標(biāo)型 又稱極坐標(biāo)型，它由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)直線移動(dòng)所組成，即一個(gè)回轉(zhuǎn)，一個(gè)俯仰和一個(gè)伸縮運(yùn)動(dòng)組成，其 工作空間圖形為一個(gè)球形，它可以作上下俯仰運(yùn)動(dòng)并能夠抓取地面上或較低位置的工件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作空間范圍大的特點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 d.關(guān)節(jié)型 關(guān)節(jié)型又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，這種機(jī)器人的手臂與人體上肢類似，其前三個(gè)關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機(jī)器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂間2 形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和使大臂作俯仰擺動(dòng)，小臂作俯仰擺動(dòng)。其特點(diǎn)使工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，通用性強(qiáng)、能抓取靠進(jìn)機(jī)座的物體。 e.平面關(guān)節(jié)型 采用兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)；兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右運(yùn)動(dòng)， 而移動(dòng)關(guān)節(jié)則實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，其工作空間的軌跡圖形，它的縱截面為矩形的同轉(zhuǎn)體，縱截面高為移動(dòng)關(guān)節(jié)的行程長，兩回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的大小決定回轉(zhuǎn)體橫截面的大小、形狀。在水平方向有柔順性，在垂直方向有較大的剛性。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配。 對(duì)以上五種方案進(jìn)行比較：方案一不能夠完全實(shí)現(xiàn)本課題所要求的動(dòng)作；方案二體積大，靈活性差；方案三結(jié)構(gòu)復(fù)雜；方案五無法實(shí)現(xiàn)本課題的動(dòng)作。結(jié)合本課題綜合考慮決定采用方案四：關(guān)節(jié)型機(jī)器人。此方案所占空間少，工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，工藝操作精度高。 2.1.2 額定負(fù)載 目前 ,國內(nèi)外使用的工業(yè)機(jī)器人中 ,其負(fù)載能力的范圍很大 ,最小的額定負(fù)載在 5N 以下 ,最大可達(dá) 9000N。負(fù)載大小的確定主要是考慮沿機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)方向作用于機(jī)械接口處的力和扭矩。其中應(yīng)包括機(jī)器人末端執(zhí)行器的重量、抓取工件或作業(yè)對(duì)象的重量和在規(guī)定速度和加速度條件下，產(chǎn)生的慣性力矩。本課題的任務(wù)要求是保證手腕部能承受的最大載荷是 6kg。 2.1.3 工作范圍 工業(yè)機(jī)器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機(jī)器人作業(yè)過程中的操作范圍和運(yùn)動(dòng)的軌跡來確定的 ,用工作空間來表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響機(jī)器人的機(jī)械結(jié) 構(gòu)坐標(biāo)型式、自由度數(shù)和操作機(jī)各手臂關(guān)節(jié)軸線間的長度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動(dòng)范圍的選擇。 3 圖 1 運(yùn)動(dòng)范圍圖 2.1.4 操作機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 關(guān)節(jié)型機(jī)器人本體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它們常和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)成一體，驅(qū)動(dòng)臂桿和載荷完成指定的運(yùn)動(dòng)。通常的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式有以下四種 : a.步進(jìn)電機(jī) ：可直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制性能好， 而且成本低廉；通常不需要反饋就能對(duì)位置和速度進(jìn)行控制。 但是由于采用開環(huán)控制，沒有誤差校正能力，運(yùn)動(dòng)精度較差，負(fù)載和沖擊震動(dòng)過大時(shí)會(huì)造成“失步”現(xiàn)象。 b.直流伺服電機(jī)： 直流伺服電機(jī)具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動(dòng)力矩，相對(duì)功率大及快速響應(yīng)等特點(diǎn)，并且控制技術(shù)成熟。其安裝維修方便，成本低。 c.交流伺服電機(jī)： 交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，使用維修方便，與步進(jìn)電機(jī)相比價(jià)格要貴一些。隨著可關(guān)斷晶閘管 GTO，大功率晶閘管 GTR 和場(chǎng)效應(yīng)管 MOSFET 等電力電子器件、脈沖調(diào)寬技術(shù) (PWM)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，使交流伺服電機(jī)在調(diào)速性能方面可以與直流電機(jī)媲美。采用 16 位 CPU+32 位 DSP 三環(huán)(位置、速度、電流 )全數(shù)字控制，增量式碼盤的反饋可達(dá)到很高的精度。三倍 過載輸出扭矩可以實(shí)現(xiàn)很大的啟動(dòng)功率，提供很高的響應(yīng)速度。 d.液壓伺服馬達(dá)： 液壓伺服馬達(dá)具有較大的功率 /體積比，運(yùn)動(dòng)比較平穩(wěn)，定位精度較高，負(fù)載能力也比較大，能夠抓住重負(fù)載而不產(chǎn)生滑動(dòng)，從體積、重量及要求的驅(qū)動(dòng)功率這幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)考慮，不失為一個(gè)合適的選擇方案。但是，其費(fèi)用較高，其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。為避免本系統(tǒng)也出現(xiàn)同類問題，在可能的前提下，本系統(tǒng)將盡量避免使用該種驅(qū)動(dòng)方式。 常用的驅(qū)動(dòng)器有電機(jī)和液壓、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置等。其中采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)是最常用的驅(qū)動(dòng)方式。電極驅(qū)動(dòng)具有精度高，可靠性好，能以較大的變速范圍 滿足機(jī)器人應(yīng)用要求 等特點(diǎn)。所以在這次設(shè)計(jì)中我選擇了直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器。因?yàn)樗哂畜w積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應(yīng)快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。本課題的機(jī)器人將采用直流伺服電動(dòng)機(jī)。 4 2.2 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5 圖 2是整個(gè)機(jī)器人本體機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)共有 30 個(gè)齒輪，為了實(shí)現(xiàn)在同一平面改變傳遞方向 90 ,有 10個(gè)齒輪為圓錐齒輪 ,有利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式的結(jié)構(gòu)形式。如果采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu) ,則必然以空間交叉方 變向 ,就不利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式的結(jié)構(gòu)形式。 機(jī)器人主要由 立柱與基座組成的回轉(zhuǎn)基座以及大臂、小臂、手腕組成。 基座是一個(gè)鋁制的整體鑄件，其上裝有關(guān)節(jié) 1 的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在基座內(nèi)安置了關(guān)節(jié) 1的回轉(zhuǎn)軸及其軸承、軸承座等。 大臂和小臂的結(jié)構(gòu)形式相似，都由內(nèi)部鋁制的整體鑄件骨架與外表面很薄的鋁板殼相互膠接而成。內(nèi)部鑄件既作臂的承力骨架，又作內(nèi)部齒輪組的輪殼與軸的支承座。 大臂上裝有關(guān)節(jié) 2， 3 的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，內(nèi)部裝有對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)齒輪組。關(guān)節(jié) 2， 3都采用了三級(jí)齒輪減速，其中第一級(jí)采用錐齒輪，以改變傳動(dòng)方向 90。第二、三級(jí)均采用圓柱直齒輪進(jìn)行減速。關(guān)節(jié) 2 傳動(dòng)的最末一個(gè)大齒輪固定在立柱上；關(guān)節(jié) 3傳動(dòng)的最末一個(gè)大齒輪固定在小臂上。 小臂端部連接具有 3R 手腕，在臂的根部裝有關(guān)節(jié) 4， 5的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在小臂的中部，靠近手腕處，裝有關(guān)節(jié) 6 的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。關(guān)節(jié) 4， 5 均采用兩級(jí)齒輪傳動(dòng)，不同的是關(guān)節(jié) 4 采用兩級(jí)圓柱直齒輪，而關(guān)節(jié) 5采用第一級(jí)圓柱直齒輪，第二級(jí)錐齒輪，使傳動(dòng)軸線改變方向 90。關(guān)節(jié) 6采用三級(jí)齒輪傳動(dòng)，第一級(jí)與第二級(jí)為錐齒輪，第三級(jí)為圓柱直齒輪，關(guān)節(jié) 4， 5， 6 的齒輪組除關(guān)節(jié) 4 第一級(jí)齒輪裝在小臂內(nèi)以外，其余的均裝在手腕內(nèi)部。 所設(shè)計(jì)的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下： a.內(nèi)部鋁鑄件形狀復(fù)雜，既用作內(nèi)部齒輪安裝殼 體與軸的支承座，又兼作承力骨架，傳遞集中載荷。這樣不僅節(jié)省材料，減少加工量，又使整體質(zhì)量減輕。手臂外壁與鑄件骨架采用膠接，使連接件減少，工藝簡(jiǎn)單，減輕了質(zhì)量。 b.軸承外形環(huán)定位簡(jiǎn)單。一般在無軸向載荷處，載荷外環(huán)采用端面打沖定位的方法。 c. 采用薄壁軸承與滑動(dòng)銅襯套，以減少結(jié)構(gòu)尺寸，減輕質(zhì)量。 d. 有些小尺寸齒輪與軸加工成一體，減少連接件，增加了傳遞剛度。 e. 大、小臂，手腕部結(jié)構(gòu)密度大，很少有多余空隙。如電機(jī)與臂的外壁僅有 0.5mm 間隙，手腕內(nèi)部齒輪傳動(dòng)安排亦是緊密無間。這樣使總的尺寸減少，質(zhì)量減少 。 f. 工作范圍大，適應(yīng)性廣。 PUMA 除了自身立柱所占空間以外，它的工作空間幾乎是他的長臂所能達(dá)到的全球空間。再加之其手腕軸的活動(dòng)角度大，因此使它工作時(shí)位姿的適應(yīng)性強(qiáng)。譬如用手腕擰螺釘，手腕關(guān)節(jié) 4， 6配合，一次就能轉(zhuǎn) 1112。 6 g. 由于結(jié)構(gòu)上采用了剛性齒輪傳動(dòng)，調(diào)整齒輪間隙機(jī)構(gòu)，彈性萬向聯(lián)軸器，工藝上加工精密，多用整體鑄件，使得重復(fù)定位精度高。 關(guān)節(jié)型機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。 圖 3 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu) 3 機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 通過總體分析后 ,確定了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。所設(shè)計(jì)的腰關(guān)節(jié)部分采用二 級(jí)齒輪減速傳動(dòng)。 7 圖 4 機(jī)器人腰關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器和齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 3.1 電機(jī)的選擇 設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為 JG1、 JG2、 JG3，根據(jù)平行軸定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 : 2333222221111 lmJlmJlmJJ GGG （ 1） 1m 、2m、3m分別為 10kg、 5kg、 12kg。1l、 2l 、3l分別為重心到第一關(guān)節(jié)軸的距離，其值分別為 300mm、 700mm、 1500mm，在式（ 3-1）中 2111 lmJ G 、 2222 lmJ G 、2333 lmJG 故 1GJ 、2GJ、2GJ可忽略不計(jì)。所以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： 2332222111 lmlmlmJ （ 2） = 222 5.1127.053.010 = 225.30 mkg 同理可得小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 : 2532422 lmlmJ = 22 8.0124.05 = 248.8 mkg 式中： 4l 小臂重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 mm 。 5l 腕部重心距第二 關(guān)節(jié)軸的水平距離 mm 。 設(shè)主軸速度為 219 /s，則旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下 8 JT （ 3） 式中： T 旋轉(zhuǎn)開始的轉(zhuǎn)矩 mN w 角加速度 2/srad 使機(jī)器人 主軸從 00w到0 219w /s所需時(shí)間為 : 1ts 則： 01 1 1 1 . 2 23 0 . 2 5 1 1 5 . 61wwT J w J N mt 若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn) 開始時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為 120Nm 電動(dòng)機(jī)的功率可按下式估算 LPLPmP M)5.25.1( （ 4） 式中：mP 電動(dòng)機(jī)功率 W ； LPM 負(fù)載力矩 mN ； LP 負(fù)載轉(zhuǎn)速 srad/ ； 傳動(dòng)裝置的效率，初步估算取 0.9； 系數(shù) 1.5 2.5為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取 1.5 1 2 0 3 . 8 21 . 50 . 9mP 764Nm 估算mP后就可選取電機(jī)，使其額定功率 rP 滿足下式 rP mP （ 5） 選擇 QZD-08串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī) 表 1 QZD-08串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù) 功率（ W） 額定電壓 （ V） 額定電流 （ A） 額定轉(zhuǎn)速 （ r/min） 濾磁方式 絕緣等級(jí) 工作制 （ min） 800 24 46.2 1750 串勵(lì) B 60 3.2 計(jì)算傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比和分配各級(jí)傳動(dòng)比 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取主軸的轉(zhuǎn)速 4rad/s。傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比總i取 32，分二級(jí)傳動(dòng)，第一級(jí)是加工在軸上的齒輪與小齒輪嚙合， 傳動(dòng)比 1i =4；第二級(jí)傳動(dòng)比為： 2i = 4321ii總 =8 (6) 3.3 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 9 3.3.1 計(jì)算各軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和輸入功率 A.各軸轉(zhuǎn)速 軸 min/1750 rn （ 7） 軸 m in/5.43 7417 50 rn (8) 軸 n = m in/46.3612 5.43 7 r（ 9) B.各軸輸入功率 軸 WPPz 7 6 898.08 0 00 (10) z 制動(dòng)器效率 軸 WPPba 9.7 4 89 9 5.098.07 6 8 (11) a 齒輪嚙合的效率 b 角接觸球軸承的效率 軸 P =aP =748.9 0.98=733.9W (12) C.各軸輸入扭矩 軸 mNnpT 4.41 7 5 08.09 5 5 09 5 5 01(13) 軸 mNnPT 76.165.437 768.09 5 5 09 5 5 02(14) 軸 T3=9550 mNnP 23.19246.36 7339.0(15) 3.3.2 確定三根軸的具體尺寸 兩實(shí)心軸的材料均選用 45號(hào)鋼，查表知軸的許用扭剪應(yīng)力 = 30MPa，由許用應(yīng)力確定的系數(shù)為 C=120. 10 A. 第一根軸設(shè)計(jì)及校核 a.此軸傳遞扭矩 mNT 4.41min/1750 rn WP 768mmnPCd 12.91 7 5 07 6 8.01 2 0 33 （ 16） 因?yàn)檩S是齒輪軸 ,所以可以將軸的軸徑加工的大一點(diǎn) ,以滿足齒輪嚙合時(shí)強(qiáng)度的要求。 齒輪的分度圓直徑為 50mm,齒輪兩端裝有軸承 ,加工一段軸肩來定位軸承 .齒輪軸上裝型號(hào)為 滾動(dòng)軸承 7206AC,內(nèi)徑為 30mm。具體尺寸如圖 5。所示 圖 5 第一級(jí)齒輪軸結(jié)構(gòu)圖 b.軸 在初步完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，進(jìn)行校核計(jì)算。計(jì)算準(zhǔn)則是滿足軸的強(qiáng)度或剛度要求。進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的方法，并恰當(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力，對(duì)于用于傳遞轉(zhuǎn)矩的軸應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算，對(duì)于只受彎矩的軸（心軸）應(yīng)按彎曲強(qiáng)度條件計(jì)算，兩者都具備的按疲勞強(qiáng)度條件進(jìn)行精確校核等 11 圖 6 軸的受力分析和彎扭矩圖 求作用在齒輪上的力：)17)(07.8020t a n220t a n)(22040440022)(50252NFFNdTFmmzmdtrtt畫軸的受力簡(jiǎn)圖 見圖 6 計(jì)算軸的支承反力 在水平面上 NllF r lFHR 72.4030293007.803231 （ 18) NFFrF HRHR 35.3972.40-8 0 . 0 7- 12 (19) 在垂直面上 NFFF tVRVR 1 1 0212 (20) 畫彎矩圖 見圖 6 在水平面上， aa 剖面左側(cè) 12 mmNlFMHRaH 9.1 1 8 02972.4011(21) aa 剖面右側(cè) mmNlFMHRaH 15.1 1 4 12935.39 22在垂直面上 mmNlFMMVRavaV 3 1 9 02911011(22) 合成彎矩， aa 剖面左側(cè) mmNMMMa aVaH 7.3 4 043 1 909.1 1 89 2222 （ 23） aa 剖面右側(cè) mmNMMaM aVaH 9.3387319015.1141 2222 (24) 畫轉(zhuǎn)矩圖 見圖 6 mmNdFTt 5 5 002502202(25) 判斷危險(xiǎn)截面 aa 截面左右的合成彎矩左側(cè)相對(duì)右側(cè)大些，扭矩為 T，則判斷左側(cè)為危險(xiǎn)截面，只要左側(cè)滿足強(qiáng)度校核就行了。 軸的彎扭合成強(qiáng)度校核 許用彎曲應(yīng)力 M pab 601 ， Mpab 1000 ， 6.01 006001 bbaa 截面左側(cè) 333 1 2 5 0 0105010 mmdW (26) M paW TMe 379.012500 )55006.0(7.3404)( 2222 （ 27） c.軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核 查得抗拉強(qiáng)度 MpaB 650 ，彎曲疲勞強(qiáng)度 Mpa3001 ，剪切疲勞極限Mpa1551 ，等效系數(shù) 2.0 ， 1.0 aa 截面左側(cè) 333 2 5 0 0 05505 mmdW T (28) 查得 1=K ， 8.1=K ；查得絕對(duì)尺寸系數(shù) 95.0， 92.0；軸經(jīng)磨削加工，表面質(zhì)量系數(shù) 0.1= 。則 13 彎曲應(yīng)力 MPaWM Tb 54.02 5 0 0 0 7.3 4 0 4 (29) 應(yīng)力幅 Mpaba 66.1 平均應(yīng)力 0m切應(yīng)力 M p aWT TT 22.02 5 0 0 05 5 0 0 (30) M paTma 11.02 安全系數(shù) 7.18002.066.195.00.1 13001 maKS (31) 10073.01.073.092.00.1 8.11551 maKS (32) 15.881007.180 1007.180 2222 SSSSS (33) 查許用安全系數(shù) 5.13.1 =S ，顯然 SS ，則 aa 剖面安全。其它軸用相同方法計(jì)算，結(jié)果都滿足要求。 B.中間軸設(shè)計(jì) 此軸傳遞扭矩 mNT 76.162 ,轉(zhuǎn)速 min/5.437 rn ,傳遞功率為WP 9.748 ,則 mmnPCd 35.145.4 3 77 4 8 9.01 2 0 33 （ 34） 安裝軸承部分軸徑最小 ,由于整個(gè)軸上零件較復(fù)雜 ,在兩軸承之間有車在軸上的齒輪 ,還有安裝在軸上的小齒輪 ,以及軸套和軸承 ,所以 d 可取大一點(diǎn) ,這里取mmd 30 ,軸承部分 mm30 ,軸承選為單列角接觸球軸承 ,軸承型號(hào)為 滾動(dòng)軸承 7206AC,其余根據(jù)結(jié)構(gòu)確定 .由于載荷不大 ,軸承選的 較大 ,強(qiáng)度足夠 ,這里不再詳算。中間軸大體結(jié)構(gòu)及尺寸如圖 3-4 所示。 14 圖 7 中間軸結(jié)構(gòu)圖 3.4 確定齒輪的參數(shù) 3.4.1 選擇材料 根據(jù)表 7-1,選擇齒輪的材料為 45 鋼 ,經(jīng)調(diào)質(zhì)硬度 HBS 可達(dá) 229 286。 3.4.2 壓力角 的選擇 由機(jī)械原理知識(shí)可知 ,增大壓力角 ,能使輪齒的齒厚和節(jié)點(diǎn)處的齒廓曲率半徑增大 ,可提高齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度。此處，壓力角 可取 20。 3.4.3 齒數(shù)和模數(shù)的選擇 對(duì)軟齒面的 閉式齒輪傳動(dòng) ,其承載能力主要取決于齒面接觸疲勞強(qiáng)度。而齒面接觸應(yīng)力的大小與小齒輪的分度圓直徑有關(guān) ,即與齒數(shù)和模數(shù)的積有關(guān)。因此在滿足彎曲疲勞強(qiáng)度的前提下 ,宜選擇較小的模數(shù)和較多的齒數(shù)。這樣除能增大重合度 ,改善傳動(dòng)的平穩(wěn)性外 ,還因模數(shù)的減小而降低齒高 ,從而減小金屬的切削量 ,減少滑動(dòng)速度 ,減少磨損 ,提高抗膠合能力。軸上齒輪齒數(shù) 1z 取 25,小齒輪齒數(shù) 2z 取 100, 軸上軸齒輪齒數(shù)3z取 25,大齒輪齒數(shù) 4z 取 300,模數(shù) m取 2。 3.4.4 齒寬系數(shù)d由強(qiáng)度公式可知 ,當(dāng)載荷一定時(shí) ,增大齒寬可以減小齒輪直徑 ,降低齒輪圓周速度。但增大齒寬 ,齒面上的載荷分布不均勻性也將增大。查表 7-7,中間軸上的齒輪與大齒輪嚙合時(shí)取齒寬系數(shù)d為 1.0；懸臂上的齒輪與小齒輪嚙合時(shí)取 d為0.5。根據(jù) 公式1db d,計(jì)算結(jié)果圓整為 5的整數(shù)倍 ,作為大齒輪的齒寬 2b ,小齒輪齒寬取 mmbb )105(21 ,以補(bǔ)償加工裝配誤差。 所以 軸上齒輪 mmb 301 與之嚙合的小齒輪齒寬 mmb 252 15 軸上的齒輪齒寬 mmb 551 ,與之嚙合的大齒輪齒寬 mmb 452 3.4.5 確定齒輪傳動(dòng)的精度 表 2 第一級(jí)嚙合齒輪的幾何尺寸 名稱 符號(hào) 公式 分度圓直徑 d mmmzd 5025211 mmmzd 2 0 01 0 0222 齒頂高 ah mmmhah a 221 齒根高 fh mmmchah f 5.22)25.01()( 齒全高 h mmhhhfa 5.45.22 齒頂圓直徑 1ad mmhdd aa 54211 mmhdd aa 2 0 4222 齒根圓直徑 1fdmmhddff 45211 mmhdd ff 1 9 5222 基圓直徑 1bd mmdd b 98.46c o s11 mmdd b 94.187c o s22 齒距 p mmmp 28.6214.3 齒厚 s mmms 14.32/ 齒槽寬 e mmme 14.32/ 中心距 a mmdda 1252/)(21 頂隙 c mmmcc 5.0225.0 表 3 第二級(jí)嚙合齒輪的幾何尺寸 名稱 符號(hào) 公式 分度圓直徑 d mmmzd 5025211 mmmzd 4 0 02 0 0222 16 齒頂高 ahmmmhaha 221 齒根高 fhmmmchahf 5.22)25.01()( 齒全高 h mmhhhfa 5.45.22 齒頂圓直徑 1admmhddaa 54211 mmhdd aa 4 0 4222 齒根圓直徑 1fdmmhddff 45211 mmhdd ff 395222 基圓直徑 1bdmmddb 98.46c o s11 mmdd b 87.3 7 5c o s22 齒距 p mmmp 28.6214.3 齒厚 s mmms 14.32/ 齒槽寬 e mmme 14.32/ 中心距 a mmdda 2 2 52/)(21 頂隙 c mmmcc 5.0225.0 3.4.6 齒輪的校核 已選定齒輪采用 45 鋼，鍛造毛坯，軟齒面，齒輪滲碳淬火 HRC56 62，齒輪精度用 7 級(jí)，軟齒表面粗糙度為 6.1aR，對(duì)于需校核的一對(duì)的齒輪，齒數(shù)分別為 253 z， 2004 z ，模數(shù)為 2，傳動(dòng)比 8i ，扭矩 T=16.76N m。 A.設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。 B.按齒面接觸疲 勞強(qiáng)度計(jì)算 3 12112 dHEHtKTZZZd 。 （ 35） 17 式中：HZ 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，用來考慮節(jié)點(diǎn)齒廓形狀對(duì)接觸應(yīng)力的影響，取 HZ=2.5； EZ 材料系數(shù)，單位為 MPa ，查表 7-5，取 189.8 MPa ； Z 重合度系數(shù)，取Z=0.90； d 齒寬系數(shù)，取d=1； u 齒數(shù)比，其值為大齒輪齒數(shù)與小齒輪齒數(shù)之比， u=8。 選擇材料的接觸疲勞極限應(yīng)力為： MPaH 580lim1 MPaH 560lim2 選擇齒根彎曲疲勞極限應(yīng)力為： MPaF 230lim1 MPaF 210lim2 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N計(jì)算可得 6060 11 atnN 437.5 16 300 8=10.08 810 （ 36） 則 8812 1084.012 1008.10 NN（ 37） 查得接觸疲勞壽命系數(shù)為 02.1,01.121 NN ZZ查得彎曲疲勞壽命系數(shù)為 121 NN YY查得接觸疲勞安全系數(shù) 1min HS ，彎曲疲勞安全系數(shù) 5.1min FS ，又STY為試驗(yàn)齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)，按國家標(biāo)準(zhǔn)取 2.0，試選 tK1.3， 求許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力： M P aZS NHHH 8.58501.115801m i nl i m11 （ 38） M P aZS NHHH 57102.115601m i nl i m22 （ 39） 1 l i m11m i n2 3 0 2 1 3 0 6 . 6 71 . 5F S TFNFY Y M P aS （ 40） M P aYS Y NFSTFF 28015.1 22102m i nl i m22 （ 41） 18 將有關(guān)值帶入公式（ 3-35）得： 3 122112uuTKZZZddtHEHt =328181167603.125719.08.1895.2 =16.55mm 則 smndv t /37.0100060 5.43755.16100060 111 （ 42） smvz /0 9 5.01 0 0 37.0251 0 0 13 （ 43） 查圖得 05.1vK；查得 6.1AK ， 查得 17.1K，取 2.1aK，則 359.22.117.105.16.1 aVAH KKKKK (44) 修正 ， mmKKddtHt 203.1 359.255.16 3311 8.0252031 zdmmm 取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) m=2mm，與前面選定的模數(shù)相同，所以 m=2mm 符合要求。 C.計(jì)算幾何尺寸 mmmzd 502523 ， mmmzd 4 0 02 0 024 （ 45） mmzzmA 2252 )20025(22 )( 43 （ 46） D.校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 查得 08.4,0.421 FSFS YY，取 7.0Y校核兩齒輪的彎曲強(qiáng)度 19 132321103.317.00.42251 1 6 7 6 06 5 3.122 FFsdFMPaYYmzKT (47） 21222 42.3008.4 0.403.31 FFSFSFF M P aYY (48) 所以齒輪完全達(dá)到要求。 4 拉簧消隙設(shè)計(jì) 消隙齒輪傳動(dòng)中的間隙是指 消除齒輪傳 動(dòng)中的齒側(cè)間隙，理論上一對(duì)齒輪在嚙合時(shí)應(yīng)該無側(cè)隙，但實(shí)際上為了補(bǔ)償由于制造、安裝誤差及溫度變化而引起的尺寸變化，以防止被卡死，在輪齒非工作面間必須有一定的齒側(cè)間隙，此間隙在進(jìn)給系統(tǒng)反向時(shí)就會(huì)產(chǎn)生空程誤差，為了減小或消除空程誤差，可以在結(jié)構(gòu)上采取措施。目前常用的方法有調(diào)整中心距法、軸向調(diào)整法和雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)隙法。其中雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)隙法是目前實(shí)踐中行之有效的方法。該方法將一對(duì)齒輪的從動(dòng)輪做成二個(gè)薄片（見圖 8），其中片 1 固定在軸上，另片 2 套在該齒輪的輪轂上，兩片薄齒輪上分別裝有凸耳 4 和 5，應(yīng)用拉簧 3，把拉簧的 一端鉤在凸耳4上，另一端鉤在螺釘 6上，螺母 7用來調(diào)節(jié)螺釘 6的伸出長度和鎖