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1、第二节传动机构设计 本节学习以下几个内容 一 传动机构的要求及其类型二 齿轮传动消除反向间隙方法三 滚珠丝杠的应用四 锥环无键连轴器五 其它传动机构六 最佳传动比和传动比最佳匹配 第二节传动机构设计 一 传动机构的要求及其类型1 对传动机构的要求传动机构是机电一体化系统的机械系统中主要组成部分 对机械系统的要求也是对传动机构的要求 即高精度 快速响应 稳定性三要求 要达到三要求也需采用前面提到的六措施 具体可归纳为 1 消除传动间隙2 摩擦小3 传动比最佳匹配4 刚度大 传动链短等 5 阻尼适中6 转动惯量小且和驱动元件 如电机 惯量匹配 2 传动机构的类型 1 齿轮传动 直齿 斜齿 锥齿 蜗
2、轮蜗杆 齿轮齿条 谐波齿轮 2 丝杆螺母传动 T型罗纹 滚珠丝杠 3 带轮传动 同步齿形带 三角带 平带等 4 链轮传动 5 非线性杆件传动 曲柄连杆 凸轮挺杆等 齿轮 滚珠丝杠 同步齿形带是最常用的传动 二 齿轮传动消除反向间隙方法1 改变中心距 a 偏心轴套消隙法转动偏心套1使电机的轴心上下调整从而改变两齿轮的中心距特点 结构简单不能自动调整间隙不能完全消除仅适合直齿轮 b 锥齿轮轴向压簧法 2 双片齿轮法 适合各种齿轮 a 双片薄齿轮错齿调整法 a 双片薄齿轮错齿调整法 续 a 双片薄齿轮错齿调整法 续 三 滚珠丝杠的应用在传动机构中需要把转动转换为直线运动时采用丝杠传动是一种精度高 功
3、率大 刚度大的好方法 传统的机械传动系统往往多采用梯形螺纹滑动摩擦副丝杠 而在机电一体化系统中为了达到 三要求 常采用滚珠丝杠副 因为滑动摩擦副丝杠摩擦系数大且静 动摩擦系数差别大 在小运动量控制时会产生爬行现象 严重影响精度和快速响应性 而滚动摩擦副丝杠摩擦系数小 静 动摩擦系数差别小 因此不会产生爬行现象 能快速跟随控制指令运行 具有良好的伺服性 滚珠丝杠副还有很多优点 是目前数控机床必不可少的传动件 两种不同摩擦副丝杠特点比较 滑动摩擦副丝杠 优点缺点结构简单摩擦阻力大加工方便传动效率低 30 40 具有自锁功能适于低速传动机构滚珠丝杠 摩擦阻力小结构复杂传动效率高 92 98 制造成本
4、高运动具有可逆性不能自锁传动精度高刚度好使用寿命长 1 滚珠丝杠的原理及结构 a 滚珠的循环运动 a 滚珠的循环运动 续 滚珠的循环路径有内循环和外循环两种 内循环 滚珠不脱离螺母的圆弧滚道 在内部循环 外循环 滚珠脱离滚道通过外部通道循环 如 通过螺母壁厚中开设的孔道循环 或在螺母壁上插入管道连接前后滚道形成滚珠循环通道 b 圆弧滚道结构 2 滚珠丝杠传递运动的两种常用形式1 丝杆仅转动 其它各自由度限制 螺母直线运动 限制转动 2 螺母固定丝杆转动并同时直线运动 3 丝杠的支承方式 3 丝杠的支承方式 续 固定 限制其各方向的自由度 仅能转动 3 丝杠的支承方式 续 3 丝杠的支承方式 续
5、 3 丝杠的支承方式 续 一端固定的作用 使丝杆在轴向位置固定 能承受轴向力 两端固定的作用 不仅固定丝杆轴的轴向位置 而且能使轴预拉伸 预紧 补偿温度和受力时的变形 从而提高定位精度 增加刚度 要根据不同的应用要求选择支承方式 4 螺母和丝杆之间的传动反向间隙消除 双螺母消除反向间隙 4 螺母和丝杆之间的传动反向间隙消除 续 双螺母消隙的三种方式 1 双螺母垫片调隙法 4 螺母和丝杆之间的传动反向间隙消除 续 2 双螺母螺纹调隙法 4 螺母和丝杆之间的传动反向间隙消除 续 3 双螺母齿差调隙法 4 螺母和丝杆之间的传动反向间隙消除 续 双螺母齿差调隙法的原理 两个螺母的法兰上各制有圆柱外齿轮
6、 齿数为z1和z2 z2 z1 1 分别与各自的内齿圈啮合 内齿圈用螺钉固定在安装套筒上 从而使螺母和套筒固定 调整时先取下两端的内齿圈 旋转两螺母分别使滚珠紧贴在螺旋滚道的两个相反侧面上 消除间隙后 再将内齿圈复位固定好 4 螺母和丝杆之间的传动反向间隙消除 续 当两个螺母同方向转过一个齿时 所产生的相对轴向位移为 s 1 z1 1 z2 pp为丝杠导程如果z1 99 z2 100 p 6mm则计算得 s 0 6 m 5 滚珠丝杠的主要尺寸 精度等级 5 滚珠丝杠的主要尺寸 精度等级 续 JB316 2 82 滚珠丝杠副标准 规定滚珠丝杠副有六个精度等级 C D E F G H C级最高 H
7、级最低 6 滚珠丝杠的选用 滚珠丝杠副的选用要经过一定的设计计算 已知条件 工作载荷F N 或平均工作载荷Fm N 使用寿命L h h 丝杆的工作长度 或螺母的有效行程 L m 丝杠的转速n 平均转速nm或最高转速nmax r min 工作精度 滚道硬度HRC和载荷性质 运转情况 设计计算步骤如下 1 首先根据工作载荷 考虑载荷性质 滚道硬度 工作精度的影响计算获得 计算载荷Fc N Fc KFKHKAFmKF为载荷性质系数 KH为滚道硬度系数 KA为精度系数都可从列表中查找 6 滚珠丝杠的选用 续 2 根据计算载荷Fc 考虑寿命和转速计算获得额定动载荷计算值C a N C a Fc nmL
8、h 1 67x104 1 3额定动载荷计算值C a是选择滚珠丝杠的依据 3 根据额定动载荷计算值C a从滚珠丝杠的参数表中选择额定动载荷大于或等于额定动载荷计算值C a的滚珠丝杠 获得滚珠丝杠的基本参数 6 滚珠丝杠的选用 续 查表选择的滚珠丝杠参数如标称直径 导程 螺旋角等 再根据滚珠丝杠计算公式 计算出 丝杠外径 内径 滚道半径等参数 4 稳定性验算稳定性有两个方面 一为压杆稳定问题 对于支承方式为一端固定时 受轴向力大 丝杠较长时容易出现失稳现象 两端固定的丝杠不会出现失稳现象 验算条件 Fcr Fm S S 2 5 3 3Fcr是不发生失稳的临界载荷 6 滚珠丝杠的选用 续 二为高速时
9、长丝杠易发生共振验算条件 丝杠最高转速nmax ncrncr是不发生共振的最高转速 临界转速 5 刚度验算计算丝杠在载荷作用下产生的变形 也称为导程误差 这种变形直接影响丝杠传动精度 要求丝杠全长导程变形总和小于要求的传动精度值的1 2 6 效率验算 要求在90 95 之间 滚珠丝杠的应用 四 锥环无键连轴器 连轴器是传动机构中轴与轴之间连接的重要部件 传递运动 传递扭矩 如果有间隙 有变形对传动精度有较大影响 连轴器的种类很多 有刚性连轴器 弹性连轴器 万向连轴器等 1 锥环无键连轴器原理及其特点 一般在传递较大转矩时轴与连轴器毂之间是用键连接这样会使传递运动时产生传递间隙 锥环无键连轴器可
10、以实现轴与连轴器毂之间的无间隙连接传递扭矩 锥环无键连轴器原理是 利用安装在轴与连轴器毂之间的锥环对的相互鍥紧作用 使锥环产生径向弹性变形 从而靠摩擦力连接轴与连轴器毂 1 锥环无键连轴器原理及其特点 续 锥环无键连轴器的特点 无间隙传递转矩锥环对数不同可传递不同大小的转矩轴和连轴器毂的角度可调节定心性好 传递转矩大 转速高 使用寿命长具有过载保护能力能在振动冲击载荷下工作安装 使用 维修方便作用于系统的附加载荷小 噪声低 2 锥环无键连轴器结构及其计算 a 结构 2 锥环无键连轴器结构及其计算 续 b 设计计算 1 根据锥环尺寸和所需正压力计算出一对锥环传递转矩Tt 2 根据所传递转矩Ttn
11、和一对锥环传递转矩Tt计算锥环对数 或查表获得锥环对数 2 锥环无键连轴器结构及其计算 续 五 其它传动机构 随着机电一体化技术的发展 多种高性能传动机构被采用 典型的传动机构有同步齿形带传动 谐波齿轮传动 1 同步齿形带传动特点同步齿形带传动利用齿形带的齿和带轮的轮齿啮合传递运动和动力 兼有齿轮传动 带传动 链传动的优点 实现较远距离传动 传动精度高 齿形带强度高重量轻 适合高低速传动 传动效率高 无需张紧 作用于轴和轴承的附加载荷小 2 谐波齿轮传动 采用谐波齿轮传动可以缩短传动链 实现一级传动获得较大传动比 还有很多其它优点 1 谐波齿轮的工作原理由波形发生器H 转速nH 柔轮2 nr
12、刚轮1 ng 组成 柔 刚轮为从动件 刚轮内齿圈齿数Zg 柔轮外齿圈齿数Zr 齿形 渐开线或三角形 周节t相同 齿数不同 Zg Zr柔轮结构为薄壁圆筒 波形发生器长径比柔轮内径略大 柔轮为椭圆 波形发生器有三头 两头 双波发生器 具有双波发生器时Zg Zr 2 当波形发生器转动一周 r轮和g轮相对转过两个齿 1 谐波齿轮的工作原理 续 谐波齿轮靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相当错齿来传递动力和运动的 谐波齿轮传动的传动比计算基于下式 实际谐波齿轮把谐波发生器作为输入轴柔轮和刚轮中的一个作为输出轴 而另一个则固定 下面来看一看一个具有双波的谐波齿轮传动的输入输出传动比的计算 2 谐波齿轮的
13、传动比 a 当柔轮固定Wr 0则H轮主动 刚轮输出 求iHg 因为Zg Zr 则为iHg正 转向相同 1 谐波齿轮的传动比 续 b 刚轮固定时Wg 0则H轮主动 刚轮输出 求iHr 如果刚轮齿数100 柔轮齿数98则iHg 50 iHr 49 3 谐波齿轮传动机构的特点 传动链短 传动比大侧隙小 空程小 传动精度高体积小 噪声低下图为一谐波发生器实际结构 六 最佳传动比和传动比最佳匹配 1 传动比的作用匹配速度 匹配转矩 匹配惯量 匹配精度 i 2 最佳总传动比 有针对各种目标的最佳传动比 1 折算负载峰值力矩最小 的最佳总传动比 实现力的最佳传递 2 折算负载均方根力矩最小 的最佳总传动比
14、实现了功率的最佳传递 3 加速度最大 的最佳传动比能够提高负载的快速响应性 上述几种最佳总传动比均是针对某一方面要求而言 故其结果是不一样的 在具体选择时 除考虑伺服电机与负载的最佳匹配外 还要考虑总传动比对系统的稳定性 精确性 快速性的影响 3 各级传动比的最佳匹配原则 1 折算转动惯量最小 原则 使系统具有良好的动态性能 2 最小重量 原则 3 有利于 提高传动精度 原则 1 折算转动惯量最小 原则 折算到电机轴上的总惯量为 1 折算转动惯量最小 原则 续 式中JA JB JC JD 分别为各齿轮的转动惯量 it i1 i2 分别为总传动比和两级减速的传动比 令 可得具有最小惯量的条件 因
15、为i 1 故可得各级传动比 2 最小重量 原则 使各级传动比相等 可得最小重量的齿轮传动系统 同时 按此原则还可使传动系统中齿轮尺寸减至两种 并且使各级齿轮的中心距彼此相等 有利于加工 如三级传动 对大功率传动机构不合适 要考虑逐级扭矩增加 模数要改变 3 有利于 提高传动精度 原则 在精密齿轮传动系统中 传动比相当于误差传递系数 因此 总传动比合理分级与分配对系统的传动精度将产生十分重要影响 折算到电动机轴上的总转角误差为 式中 折算到电动机轴上的总转角误差 第k级齿轮副在从动轴上的转角误差 从电动机轴到第k级齿轮副从动齿轮的传动比 3 有利于 提高传动精度 原则 续 各级传动比逐级递减时的总转角误差要比递增时大 因此各级传动比应按前级小后级大匹配 在总转角误差中 低速级的误差占的比重较大 因此末级采用精度等级较高的齿轮副 可显著地减小总折算转角误差
