连杆凸轮减速器的设计与动力学仿真.docx
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连杆凸轮减速器的设计与动力学仿真
连杆凸轮减速器的设计与动力学仿真
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连杆凸轮减速器的设计与动力学仿真
[摘要]基于连杆凸轮减速器成熟的理论和技术,分析与研究了连杆凸轮减速器的工作原理和结构，在搞清楚新型连杆凸轮减速器的传动原理和其零部件结构的基础上,利用CＡＤ/CＡE软件绘制该减速器的三维零件模型和仿真。
为该减速器的应用和推广进行了一些基础性的工作。
［关键词]连杆凸轮减速器；凸轮；摆线针轮;ＰRＯ／E三唯建模；参数化建模;运动仿真。
CAM-LINKAGEREDUCERMOTIONSＩMULＡTＩON
Abstrａｃt:
Baｓｅdon the matｕrityteｃｈniqｕｅsaｎdtheoriｅsoｆｔｈe caｍ-linkａgeｒeduceｒ,anaｌｙsisandreseａrchｏfthｅcaｍ-linkaｇereduｃerwoｒkｓaｎｄstrｕｃturａl ｆｅatuｒeｓ,ｏnthese bases，fiｇure ｏｕtthe neｗ cｌｅarｌｉnｋ cａｍｒｅducｅr dｒive ｐｒｉncｉpleandstｒuctｕre ofallpaｒｔs.Usethe ＣAD/ＣAＥsｏftｔo ｄraｗthrｅe－ｄiｍｅnsｉｏnａl ｍodel oｆthe aｌlreduceｒ paｒｔsandsimｕlate．Doanｕmber of ｂａｓicworｋsfｏr ｔhePromotionandusｅoftheredｕcｅｒ.
Ｋeｙ ｗords:
cam-lｉnkagereｄｕceｒ,caｍ,Ｃyｃloidaｌgeaｒ,pro/ｅ ｔhrｅediｍensioｎmodeｌbuilding, pａraｍetrｉc mｏｄeling，motｉonｓｉmｕlatｉon.
1引 言ﻩ1
1．1 概述ﻩ1
１.2.1减速器的分类2
１．２．2综合评价指标2
1.3减速器的现状及发展趋势ﻩ3
1.4计算机辅助技术在制造业中的应用和发展现状4
1．4.1计算机仿真ﻩ4
１．4.2ＣＡD/CAE研究现状及发展趋势ﻩ4
2连杆凸轮减速器的原理和结构６
2.１.1 机构的组成ﻩ6
2.2机构的传动比计算7
２．2.1运动输入构件与输出构件的转向关系7
2.3连杆凸轮减速器性能试验结果ﻩ8
2.４连杆凸轮减速器的机构设计10
2.4.2理轮廓线的数学性质ﻩ１４
2.5.１主动曲柄20
2.5．2连杆推杆（带滚子的环板）ﻩ２1
2．5.３从动曲柄2２
2．5．4凸轮ﻩ2２
2.５.5 输出轴ﻩ2３
2.5.6箱壳２３
2.5．7惯性力的自平衡结构2３
2.5.8弹性均载环节ﻩ24
3.1 Pro/ENGINＥER简介２5
3.3卡板模型的建立26
3.４闷盖模型建立ﻩ27
3.5其余基本零件模型图ﻩ27
4 减速器的装配和仿真ﻩ3０
4.1减速器的装配30
４.1.1连板组件的装配３０
４．1.2输入轴组件的装配33
4.1.3第三轴组件的装配33
4.1.4中间轴组件的装配ﻩ3４
4.1.５减速器总装36
４.2基本仿真过程ﻩ37
4.２.１运动分析工作流程3７
致谢ﻩ４２
1引 言
原动机、传动机和工作机（执行机）是机械系统的三大基本构成。
原动机提供基本的运动和动力。
工作机是机械具体功能的执行系统,随机械功能的不同,工作机的运动方式和结构形式千差万别。
由于原动机运动的单一性、简单性与工作机运动的多样性、复杂性之间的矛盾，需用传动机将原动机的运动和动力，如速度、力或力矩的大小和方向等进行转换并传递给工作机,以适应工作机的需要。
可见，只要原动机的运动和动力输出不能满足工作机的要求,传动机的存在就是必然的。
目前在工程实际中，广泛使用的传动装置有齿轮传动机构,链传动、皮带传动、蜗轮蜗杆传动等。
在普通齿轮传动中,单级传动比小，且由于重合度的限制,其承载能力受到一定的影响，因此研究一种新型，高性能的传动装置显得十分必要。
在传动装置中,国内外大多采用的是齿轮传动及其变形，同时摆线针轮减速器等相继研制成功并推广使用。
与齿轮减速器相比,连杆凸轮减速器的单级传动比大;借助一齿差原理大幅度提高了重合度，因而承载能力提高;高副处为滚动摩擦因而摩擦力小,机械效率高。
采用的是一齿差原理，是一种传动比大，承载能力大,机械效率高的传动装置。
在摆线针轮减速器中转臂轴承受力较大,其转速又高于高速轴的转速，而且转臂轴承的尺寸又受到限制,故转臂轴承成为薄弱环节。
为克服上述减速传动的缺点并保留其优点,实现机械传动装置的高性能、低成本和小型轻量化,从传动原理上创新了一种新型的连杆凸轮减速器，该减速器与近年来成功研制的双曲柄环板针摆行星减速器类似，不仅保留了环板式传动可省去输出机构而输出轴刚性好；转臂轴承由行星轮内移至行星轮外，尺寸不再受限制,从而传递的转矩可以较现有的摆线针轮减速器更大等优点,而且又保留了原摆线针轮行星减速器同时啮合齿数多，总法向力与总圆周力间夹角小、摆线轮与针轮齿均为硬齿面等本质上的优点,克服了现有以渐开线为齿形的诸种环板式减速器难以避免的缺点。
因此,连杆凸轮减速器是一种体积小、重量轻、传动比范围大、传动效率高、传动平稳、输出轴刚性大、传动转矩范围更大、并具有很高实用价值的新型减速器。
1.１概述
减速器是指原动机与工作机之间独立的闭式传动装置,用来降低转速并相应的增大转矩，它是机械系统的重要组成部分，并直接影响机械系统的性能。
由齿轮、轴、轴承及箱体组成的齿轮减速器,用在原动机和工作机或执行机构之间，起匹配转速和传递扭矩的作用,在现代机械中应用极为广泛,是一种不可缺少的机械传动装置此外;在某些场合,也有作增速的装置，并称为增速器。
减速器是工程实际应用中常用的传动装置。
就目前现有的机械系统发展情况来看,一般的机械系统通常包括三部分:
原动机部分，执行部分，传动部分，其中传动部分位于原动机与执行部分之间。
由于机械的功能是各式各样的，所以要求的运动形式也是各式各样的。
同时，所要克服的阻力也会随着工作情况而异。
但是原动机的运动形式、运动及动力参数却是有限的，而且是确定的，这就提出了必须把原动机的运动形式、运动及动力参数转变为执行部分所需的运动形式、运动部分及运动参数问题，而这个任务就是传动部分来完成的，因此,传动系统是机械系统中不可缺少的重要部分。
另外,我们使用机械时，所用的原动机（电动机）其输出转速是一定的，如果要达到需要的转速时,只需选用足够大的传动比即可，相反，如果采用低速电动机,经济上不划算，且低速电机体积庞大。
因此，在机械系统中，最主要的是传动部分,其传动装置以减速器为代表。
１．2 减速器的类型及综合评价指标
1．2.１减速器的分类
减速器的种类很多，常见的减速器按其传动和结构特点可划分为以下几种：
（1）齿轮减速器主要有圆柱齿轮减速器,圆锥齿轮减速器和圆锥—圆柱齿轮减速器。
（２）蜗杆齿轮减速器 主要有圆柱蜗杆减速器，环面蜗杆减速器和锥蜗杆减速器
（３）蜗杆—齿轮减速器及齿轮—蜗杆减速器
（4）行星齿轮减速器
（５）摆线针轮减速器
（6）谐波齿轮减速器
上述六种减速器已有标准系列产品，使用时只需结合传动功率,转速，传动比，工作条件和机器的总体布置等具体要求,从产品目录或有关手册中选择便可。
新型减速器的研发将为用户提供更大的选择范围，并为现有减速器增添一种新传动理论。
1．２.2综合评价指标
减速器性能的综合评价指标体系是减速器的一项重要的技术要求，一台减速器性能的优劣完全是由其综合评价指标体系来体现的。
往往产品在设计过程中必须遵循一定的指标，当设计完成后,又必须建立相应的评价体系看产品的实际情况可以达到多少。
目前,减速器的评价体系包括以下几方面:
1．传动比 传动比是减速器的重要指标，从而以满足减速要求,目前减速器的传动比种类很多,最小可是1，如果用三级圆柱齿轮减速器传动比可达到５00。
2.效率效率反映的是传动系统传递动力的能力大小的指标。
3.承载能力与效率相似,承载能力亦是传动系统的一个重要指标,它反映装置在额定条件下装置单位重量所传递扭矩的多少,。
４.制造成本 按照通俗的看法对产品的要求就物美价廉,制造成本反映的是指价廉，一台产品必须在满足传动比、效率、承载能力、抗振、噪声以外,力求节约成本，这样才能在同类产品中具有竞争力。
5.振动、噪声振动、噪声也是机械系统的重要指标，降低噪声和振动不但可以延长机器寿命而且可以体现机器在结构上的紧凑性。
1．3减速器的现状及发展趋势
当前所用原动机大都是电动机。
在调速电机还没完全普及时，减速器仍有较大潜力可挖,应用前景广阔。
减速器主要应用于机械制造、轻工、化工、冶金、矿山机械、运输机械等行业,减速器的应用仍很广。
从生产方面来看，减速器的生产大部分由专门减速器厂生产。
所以在供需方面减速器并不是主导经济产品市场的，但它的市场前景是乐观的。
就目前的工作过程应用中的减速器来分析，作为机械系统中起着重要作用的传动部件来，减速器的局限性也非常明显。
首先,从传动比方面来说,作为一个重要的性能评价指标，传动比并不是任意设定的，它的变化给减速器的设计带来了数字变化的设计重复性。
其次，从效率方面来说，它是机械系统的重要评价指标,直接反映系统传递动力的能力大小,而传递的动力除受其输出系统的影响外，就受减速器本身的影响,而目前采用的减速器均为传动的机械传动，例如,连杆凸轮减速器装置在同类产品中应当算比较高的效率了，可以达99%以上,这在目前是一个极限数字。
最后，目前采用的减速器均使用机械传动。
其接触副均为点、线接触。
这将导致摩擦、误差产生,从而使传动效率降低。
因此，常见的齿轮、蜗杆、滚子等减速器均是从传统的设计思路来的,它们可以归结为同一类型。
所以减速器在其设计思路上有一定局限性。
当前齿轮减速器普遍存在着体积大、重量大,或者传动比大而机械效率过低的问题。
当前各国齿轮和齿轮减速器向着高承载能力、高齿面硬度、高转速、高精度、高可靠性、高效率、低成本、低噪声、标准化和多样化方向发展,即六高、二低、二化发展的总趋势。
减速器和齿轮的设计与制造技术的发展,在一定程度上标志着一个国家的工业水平。
总之,随着科技的进步，减速器领域将会有一次大的突破。
然而，任何产品的发展都是以整个行业为背景的,受各行业现有水平的限制，这也就是说减速器的发展仍会有较大的潜力可挖。
1.4计算机辅助技术在制造业中的应用和发展现状
1.4.1计算机仿真
在工程技术界，系统仿真是通过对系统模型实验，去研究一个存在或设计中的系统。
计算机仿真已成为系统仿真的一个重要分支,系统仿真很大程度上指的就是计算机仿真。
计算机仿真技术的发展与控制工程、系统工程及计算机工程的发展有着密切的联系。
一方面,控制工程、系统工程的发展,促进了仿真技术的广泛应用；另一方面，计算机的出现以及计算机技术的发展,又为仿真技术的发展提供了强大的支撑。
计算机仿真作为必不可少的工具,在减少损失、节约经费、缩短周期、提高质量等方面发挥着重要作用。
1.4.2ＣAD／ＣAE研究现状及发展趋势
1. 国内本领域的现状
用CＡD技术进行产品设计不但可以使设计人员“甩掉图板”,更新传统的设计思想，实现设计自动化,降低产品的成本,提高企业及其产品在市场上的竞争能力;还可以使企业由原来的串行式作业转变为并行作业,建立一种全新的设计和生产技术管理体制,缩短产品的开发周期，提高劳动生产率。
三维CAD造型技术也称建模技术，它是ＣAD技术的核心。
建模技术的研究、发展和应用,代表了CAＤ技术的研究、发展和应用。
从20世纪60年代至今，三维建模技术的发展经历了线框建模、曲面建模、实体建模、特征建模、参数化建模、变量化建模，以及正在研究的产品集成建模、行为建模等发展过程。
三维ＣAD/CAＥ技术主要包括以下内容:
三维造型/三维设计、计算机辅助工程分析、机构运动分析/仿真、装配干涉检验、三维转二维、图样档案管理等。
利用这种全过程的三维CAＤ/CAE系统完成设计以后,不仅使设计对象的几何形状和性能满足要求，而且使各方面的指标（强度、刚度、重量和成本等）都达到最佳状态，这是计算机辅助设计和辅助工程分析的根本目的。
三维CAD/CＡE符合设计者的思维习惯,可以充分发挥设计者创造力和想象力。
三维CAD／CAE技术不仅解决了产品设计和工程图绘制的问题，更重要的是利用三维ＣAD/CAE技术实现产品的虚拟设计、运动仿真和优化设计，所生产的三维零件可以直接与CAE／ＣAM/CAPP等CＩMS技术进行数据交换和衔接，是将来实现无图样生产的关键技术之一，是实现虚拟制造的重要手段。
掌握三维CAD/CAＥ技术的使用,已经逐步同使用计算机进行文字处理一样,成为产品开发、设计人员的一种基本技能。
目前在我国ＣAＤ、ＣＡＥ已经得到了广泛的应用，在大多数的大型制造企业已经相当的成熟。
但很多企业,也只是做到用手工出图转变为计算机出图的现状,当然计算机出图是有很多优点的,漂亮、规范、修改容易、存档方便等。
但是如果只是停留在这个阶段，就失去了CAD的作用,因为CＡＤ是辅助设计,不是辅助绘图。
既然是设计就不但想到产品的机械模型，还应想到产品的结构分析、运动机构分析和生产加工处理等,只有这样才能真正发挥CAD的作用。
要真正做到这一点,单凭二维设计是不够的，虽传统制图方法是通过二维视图描述三维实体,但它做不到进一步的结构、运动机构分析和数控加工，不能真正做到生产的自动化,甚至二维视图描述会出现二意性和理解错误，于是必须找到更先进合理的三维设计手段，使CAＤ、CAM、CAＥ以及PDM容为一体。
为此，CAD/CＡE方法作为能缩短产品开发周期的得力工具,被越来越频繁地引入产品设计与生产的各个环节，以提高竞争力。
从设计产品和对性能的简单校核，逐步发展到性能的准确预测,再到工作过程的精确模拟，使人们对ＣAＤ/ＣＡE方法充满信赖。
然而，提高产品竞争力不但需要提高产品的性能与质量,而且要降低产品的成本，因此人们需要找到最合理和最经济的设计方案。
虽然分析人员可以不厌其烦地在屏幕前一次次修改设计参数以寻找最理想方案，但缩短开发周期的压力通常要求分秒必争,人们可能没有更多的时间对数据参数进行手工调整。
于是，对CAD/CAE技术及其应用的研究也达到一个新高度。
2.CAD/ＣAE技术发展趋势
现代产品设计力求高效率、高质量、低成本，这对CAE分析工具也提出了更高的要求:
有足够技术手段来真实地模拟产品工作行为。
即真实模拟,它涉及到许多高难问题：
高度非线性、多物理场耦合及产品系统级复杂装配体模型等。
把设计工作的实际经验和计算机技术结合起来,将提高系统的实用性和先进性。
因此,分析面广、分析程度深、分析对象复杂及应用便捷是现代CAE应用的发展方向,只有在这样的分析手段配置下，才能真正解决“真实模拟”的问题。
2连杆凸轮减速器的原理和结构
2.1机构的传动原理分析
２.1．1 机构的组成
图２.１所示为一特殊的摆动推杆盘形凸轮机构，构件1为凸轮，２为摆动推杆,３为与凸轮１在B处铰接的曲柄,３和2在A处分别与机架4形成转动副。
该机构是自由度为2的差动机构，现用一平行四边形机构ＡBCD将凸轮机构封闭起来，可得到如图2.2所示自由度为1的连杆凸轮组合机构。
即将平行四边形机构AＢCD的连杆BC与差动凸轮机构的凸轮1（或者推杆2）制成一个构件,凸轮１（或者推杆2）的几何中心位于连杆的铰链B处，与凸轮接触的摆动推杆2（或者凸轮１）的回转中心在固定铰链A处，摆动推杆2（或者凸轮１）的回转中心与凸轮1（或者推杆2）的几何中心的距离等于主从动曲柄3、5的长度。
由于在平行四边形机构ABCD中，连杆作平动,其上各点的轨迹形状、速度、加速度均相等,所以固连于连杆BC上的凸轮１（或者推杆2）的几何中心B点的轨迹是以Ａ为圆心,以曲柄长度为半径的圆。
机构设计的目的是当曲柄３带动连杆上的凸轮1（或者推杆2）作圆平面运动,其廓线应推动摆动推杆2（或者凸轮１）匀角速转动某一给定角度，实现减速传动。
2.1.2机构的传动原理分析
在图2.2所示的机构中,当曲柄５带动与连杆BＣ固联的凸轮１作圆平面运动时,凸轮1上的廓线推动推杆2转动某一给定角度,只要凸轮廓线设计恰当,则推杆2可以实现等速转动。
为了使传动连续进行,借用一齿差原理即给凸轮基圆上一周均匀分布Z１个廓线，推杆构件２上一周均布Z2个推杆,Z2=Ｚ1+1，组成特殊的一齿差高副,从而实现连续等速传动。
２.2机构的传动比计算
2.2.１运动输入构件与输出构件的转向关系
为了使得机构结构上容易实现，将图2.２中的从动曲柄3外移至凸轮以外,布置成对称结构,得到图2．3和图2.４所示的形式。
如图2.3所示，曲柄3为输入件，凸轮1为输出件的运转方式，将机构的这种运转方式称为第一种运转方式。
取Z1=6，曲柄３以ω３顺时针匀速转动，这种情况下凸轮须制成外凸轮，推杆应与连杆制成一体，称为连杆推杆。
欲确定输入件3与输出件１的转向关系,由构件瞬心方面的知识知，只需求出机构在图示位置的相对瞬心P１3。
只要根据定传动比条件合理设计出凸轮上Ｚ１个廓线，则Z2=Z1+1个高副的公法线必汇交于一点，汇交点为高副副元素的相对瞬心,即Ｚ2个推杆的尖顶与凸轮的Z1个廓线的接触点Ｋ1、K2……K7的公法线的汇交点为构件1与构件2的相对瞬心Ｐ12。
此时A点为P14，C点为P23，Ｄ点为P3４。
根据三心定理,P13为连线P1２Ｐ２3与P1４P３4的交点。
由图可知P１３位于P14 与P34连线之间，所以构件3（输入件）与构件1（输出件）的转向相反，即ω１为逆时针。
如图２.4所示,曲柄3为运动输入构件，推杆２为运动输出构件,将机构的这种运转方式称为第二种运转方式。
取Ｚ1＝6，曲柄３以ω3顺时针等速转动，这种情况下凸轮须制成内凸轮，且应与连杆制成一体，称为连杆凸轮。
在图示位置，A为瞬心P24，C为瞬心P13，D为瞬心P34。
欲确定输入件3与输出件2的转向关系,只需求出机构在图示位置的相对瞬心P23。
只要根据定传动比条件合理设计出凸轮上Z1个廓线,则Z2=Ｚ1+1个高副的公法线必汇交于一点，汇交点为构件1和2的相对瞬心P12。
由三心定理得,P23为连线P12P１3与P24 Ｐ3４的交点。
由图可知P23位于Ｐ24 与Ｐ34的同侧，所以运动输入构件３与运动输出构件2的转向相同，即ω２为顺时针。
图4.15其余零件装配
4.1．５减速器总装
首先装入连板２7和输入轴组件,仍通过面匹配的方式进行定位。
图4．１６ 输入轴与连板装配
装入轴3组建，定位方式同上。
图4．１７ 轴3与连板装配
同理,装入其它两个连板组件。
最后装入其余零部件，基本完成后效果如下。
注意演正三个连板的错位,否则就是匹配错误。
要从偏心套开始从新进行约束定位,以正确实现装配。
优秀毕设后续全套:
儿四6一儿六零7儿9
图4.1８ 总装效果图
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