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1、 第 2 章 Y315 滚齿机的方案设计2.1 黑箱法功能分析概念:利用对未知系统的外部观测，分析该系统与环境之间的输入与输出，通过输入与输出的转换关系确定系统的功能、特性，进一步寻找能实现该功能、特性所需具备的工作原理与内部结构，这种方法称为黑箱法。引用参考文献【1】 Y315待 设 计 系 统图 -： 功 能 分 析 黑 箱 图控 制 信 息齿 轮 毛 坯能 量 输 入 机 械 动 作齿 轮 零 件 、 切 削切 削 功 率在黑箱图上可以看出：通过把能量转换成切削功率，把齿轮毛坯转换成齿轮零件和切削，把控制信息转换成机械动作；所以得到机床的总功能是在一定动力驱动下，通过控制信息的操作，将齿
2、轮毛坯加工成我们需要的齿轮。2.2 功能原理的选择齿轮加工机床的种类繁多，构造各异，加工方法也各不相同，按齿面加工原理来分，有范成法和成形法。2.2.1 成形法成形法利用与被加工齿轮齿槽截形相一致的刀具齿形，在齿坯上加工齿面。在铣床上用盘形或指形齿轮铣刀铣削齿轮，在刨床或插床上用成形刀具刨削或插削齿轮。加工时，刀具作快速的切削运动（旋转运动或直线运动） ，并沿齿槽作进给运动，就可切出齿槽。加工完一个齿槽后，工件分度转动一个齿距，再加工另一齿槽，直至切出全部齿槽。2.2.2 范成法范成法是利用一对齿轮互相啮合时，共轭齿廓互为包络线的原理来加工的，加工时其中一轮为刀具，另一轮为轮坯，由机床的传动链
3、迫使它们保持固定的角速比旋转，完全和一对真正的齿轮互相啮合传动一样，同时刀具还沿轮坯的轴向作切削运动，这样所得齿轮的齿廓就是刀具刀刃在各个位置的包络线。用范成法加工齿轮时，刀具与工件模拟一对齿轮（或齿轮与齿条）作啮合运动（范成运动） ，在运动过程中，刀具齿形的运动轨迹逐步包络出工件的齿形。通过两种方法的介绍，我们能够看出：采用成形法加工齿轮，所用机床较简单，并可以利用通用机床加工。缺点是加工精度较低，生产率不高。范成法切齿刀具的齿形可以和工件齿形不同，只要模数和压力角相同，一把刀具可以加工任意齿数的齿轮，加工时连续分度，具有较高的加工精度和生产率。在满足滚齿机的适用性，加工齿轮精度可靠性和经济
4、性的的条件下，我们优先选择范成法加工齿轮。2.3 范成法切齿功能分解图范成法切齿总功能分齿定比传动差动进给定传动比进给动力差动合成 电机动力内燃机差动传动变传动比其它动力变传动比进给图 3-1： Y315 滚齿机总功能分解图主传动定传动比传动 变传动比传动定轴轮系复合轮系周转轮系无级变速 有级变速钢球锥轮式无级变速 分齿挂轮塔齿轮变速带传动塔轮变速三轴滑移齿轮分齿图 3-2：主传动功能分解图分齿定比传动 变传动比定轴轮系周转轮系电机机械传动挂轮分齿数控分齿光电液综合分齿三轴滑移齿轮分齿滚子平盘式无级变速器图 3-3：分齿传动功能分解图差动差动传动 差动合成挂轮传动数控传动无级变速器连杆差动合成
5、数控差动传动圆柱齿轮差动轮系圆锥齿轮差动传动图 3-4：差动传动功能分解图进给定比传动进给 变比传动进给定轴轮系周转轮系挂轮进给数控进给液压进给图 3-5：进给传动功能分解图动力内燃机 电动机 其它直流电机交流电机风能动力水能动力生物能动力化学能动力太阳能图 3-6：动力功能分解图2.4 各功能元求解分析通过前面进行的各个工作步骤，已经弄清机械系统的总功能、分功能、功能元之间的关系。这种功能关系说明系统的输入和输出以及内部的转换。怎样才能实现这些功能呢？这就是功能元求解的问题。分功能求解是方案设计中重要的“发散” “搜索”阶段，它就是要寻求实现分功能实现的技术实体功能载体。国外学者认为：“一切
6、机械系统都是以满足某一确定目标和功能的物理现象为基础的。一切设计任务都可以说是物理信息同结构措施相结合的产物” 。原理解法是物理作用及作用件的函数：原理解法=f（物理作用，作用件）摘自参考文献【1】 。也就是说，功能元的原理解法是通过物理作用确定的。现在的任务是，寻找实现各个分功能的物理作用，就是求得功能元的原理解。表 4-1：动力来源方案方案系统方案 1 方案 2 方案 3 方案 4 方案 5 方案 6 方案 7 方案 8动力 交流电机直流电机 内燃机风能动力水能动力生物能动力化学能动力 太阳能表 4-2：各系统定传动比方案方案系统方案一 方案二 方案三 备注主传动 定轴轮系 周转轮系 复合
7、轮系分齿 定轴轮系 周转轮系 电轴机械传动进给 定轴轮系 周转轮系差动传动 定轴轮系 周转轮系表 4-3：各系统变传动比传动方案方案系统方案一 方案二 方案三 方案四 方案五 备注主传动 带传动塔 轮变速钢球锥轮式无级变速塔齿轮变速 分齿挂轮三轴滑移齿轮分齿分齿 数控分齿 挂轮分齿 光电液综 合分齿滚子平盘式无级变速器三轴滑移齿轮分齿进给 挂轮进给 数控进给 液压进给差动合成 连杆差动 合成 数控差动 传动 圆柱齿轮差动轮系 圆锥齿轮差动传动差动传动 挂轮传动 数控传动 无级变速 器2.5 各功能元求解方案分析通过表 4-2 和表 4-3 能够看出，在定传动比传动时，它们都是由定轴轮系，周转轮
8、系和复合轮系中的一种提供，这些轮系通常由圆柱齿轮传动组成，圆锥齿轮组成，涡轮蜗杆组成或由它们之间的组合构成，为了简洁，在定比传动方案时，把三种轮系放在一起介绍它们各自的特点和功能。表 5-1：定比传动方案方案简图 方案说明定轴轮系定轴轮系由两个或者两个以上的齿轮组成的系统。传动时各齿轮的几何轴线位置不变，可以使用一个主动轴带动若干个从动轴同时旋转，以带动各个部件或附件同时工作。图示为三级齿轮减速器采用的定轴轮系周转轮系周转轮系可以用很少的齿轮、紧凑的结构，得到很大的传动比。它能在尺寸小、重量轻的条件下实现大功率的传动。该机构有一固定的太阳轮，自由度为 1，其传动比计算方法与差动轮系相同复合轮系
9、复合轮系：由定轴轮系和周转轮系或者几个周转轮系组成，如图示，概轮系用于较大的传动比，适当的选配各齿轮的齿数，可以获得结构紧凑的大传动比机构。复合轮系多用于变速器。在变比传动时，主传动、分齿、差动和进给的传动方案各不相同，为了各系统内部方案的评比的方便，从容易观察出功能元实现的可能性；复杂程度；是否易于获得简答方案；是否满足特定要求，在以下的方案和说明中，分主传动、分齿、差动和进给进行分别的列表介绍，取少数较好的方案进一步具体化，直至实体解答的完全确定，从中可以明确看出差异时最后选定。表 5-2：主传动系统变传动方案方案简图 方案说明塔齿轮传动塔齿轮有级变速：在轴 I 上装有宝塔齿轮（由少到多的
10、7 个齿轮） ，通过齿轮 2，3，3驱动从动轮 4，操作手柄 M 使齿轮 2 依次与宝塔轮上的每个齿轮啮合，从动轮4 可以得到 7 种转速钢球锥轮式无级变速钢球锥轮式无级变速：将钢球 3 紧压在主、从动锥轮1、2 上，通过摩擦力传动。钢球 3 可以在轴 III 上自由转动，改变轴 III 的倾斜角，级可以改变锥齿轮 1、2 的传动半径 R1、R2 实现无级变速。该机构机构简单，传动平稳，相对滑动小，统计小，但是钢球精度要求高。 、常用机床，电影机械中。带传动塔伦变速带传动塔轮：主轴I 上的塔轮与从动轴 II 上的塔轮其装置方向恰相反，各级带轮直径的选取，都以统一带长为基准。通过改变不同带轮接触
11、，即可使从动轴获得不同的转速。该变速机构结构简单，可用于两轴间距较大的场合表 5-3：分齿系统变传动方案方案简图 方案说明滚子平盘式无级变速主、从动轴轴线垂直相交，滚子 1 与平盘 2 经弹簧 3压紧，依靠摩擦力传动，移动滚子 1 即可实现无级变速。该机构简单，但几何滑动大，磨损快，多用于仪表机构和某些轻机械中。挂轮传动此机构结构紧凑，空间占地少，传动平稳，操作简单，易实现较大范围、较多级别的变速。且易加工、易安装，所以成本低三轴滑移齿轮变速该机构多用于机床切制米制或制螺纹的基本传动时，不需改变传动路线，可省去移换机构和简化操作，也可用于按等差或等比级数跑排列的变速箱中，但设计计算较复杂表 5
12、-4：差动系统变传动方案方案简图 方案说明圆柱齿轮差动轮系圆柱齿轮差动：太阳轮 1、4分别与轴 A、B 固结，行星轮2、3 为一二联齿轮，分别与太阳轮 1、4 啮合，并可绕轴C 自传，同时随 H 绕 A、B 轴线公转，系杆 H 做成箱体形。当 A、B 轴以相同转速相同方向转动时，太阳轮 1、4 将使系杆 H 以相同转速回转，若A、B 轴转速不等，则系杆 H转度为： 42314231 znznH其中 是齿轮42z1、2、3、4、的齿数， 是Hn41太阳轮 1、4 和系杆 H 的转速圆锥齿轮差动轮系圆锥齿轮差动：太阳轮 4、5尺寸相同，与行星轮 3 和系杆H 组成差动轮系，系杆 H 与齿轮 2 固
13、结，其运动由主运动锥齿轮 1 输入。当锥齿轮 1 转速已知时太阳轮 4、5 的转度与主运动轮 1 转速的关系为：254nzn其中 齿轮 1、2 的齿数1太阳轮 1、4 和系杆 H 的54n转速弧锥环盘式无级变速器弧锥环盘式无级变速器：动弧锥环盘 1 的运动经过中间环盘2，依靠摩擦力传递给从动弧锥环盘 3.中间环盘 2 绕 O 点传动即可实现改变主、从动弧锥盘的运动半径，实现无级变速。该机构传动平稳，相对滑动小，效率高，但是制造困难。常用于机床、拉丝机械中。连杆差动合成连杆差动合成：此机构多用于刹车系统。将操纵杆 1 向右拉，通过差动连杆机构使杆4、6 上的制动块均衡的施加作用力，这样，就可以使
14、车轮轴上不会受到附加的刹车力。2.6 最佳方案解的分析、评价及确定设计具有约束性，多解性，相对性这样三个特性，尤其是它的多解性，即解答方案不是唯一的，这就要求先对某问题提出尽可能多的解决方案，然后从众多满足要求的方案中，优选出拟采用的方案。为了选出拟采用的方案，首先要对各候选方案进行评价。即对方案的质量、价值或就其某一性质做出说明。按重要程度分为功能满足度，经济性，使用性和维护性，外观的舒适性，寿命，产品环保性。按判别表法确定各评价目标的加权系数。评价结果如下表：表 6-1：加权系数判别计算表比较目标评价目标功能满足度经济性使用性和维护性寿命 外观的舒适性产品环保性得分 ik加权系数 n1ii
15、ikg功能满足度 3 3 3 3 4 16 0.267经济性 1 2 3 3 3 12 0.200使用性和维护性 1 2 2 3 4 12 0.200寿命 1 1 2 3 3 10 0.167外观的舒适性 1 1 1 1 2 6 0.100产品环保性 0 1 0 1 2 4 0.0666ik1ig经以上判别表可得，个评判目标的加权系数为：功能满足度：0.267；经济性：0.200；使用性和维护性：0.200；寿命：0.167；外观的舒适性：0.100；产品的环保性：0.066.2.6.1 最佳方案的选择在选出最佳方案过程中，下面采用分值相加法，分值相乘法和有效值法对方案进行打分比较，最后得出最
16、佳方案。表 6-2：主传动传动方案评分表评价目标功能满足度：0.267经济性：0.200使用性和维护性0.200寿命：0.167外观的舒适性：0.100产品环保性：0.066有效值法分值相加法分值相乘法定轴轮系3 4 4 4 4 3 3.667 22 2304周转轮系3 4 4 4 3 3 3.567 21 1728复合轮系4 3 4 4 3 3 3.634 21 1728塔齿轮变速3 4 4 3 4 3 3.5 21 1728带传动塔轮3 4 4 3 4 3 3.5 21 1728钢球锥轮式无级变速3 3 4 4 4 3 3.467 21 1728结论：定轴轮系的总分及有效值都最高，为 6 种方案中的最佳方案，但功能满足度和产品环保性较差，不够理想，应设法改进。主传动选择定轴轮系。表 6-3：分齿传动方案评分表评价目标功能满足度：0.267经济性：0.200使用性和维护性0.200寿命：0.167外观的舒适性：
