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1、功能原理设计随着现代设计方法的发展及应用越来越广泛，人们对系统原理设计时常采用一种“抽象化”的方法-“黑箱法”。之所以称为“黑箱法”是因为对于待设计产品来说，在求解之前，犹如一个看不见内部结构的“黑箱子”。这种“黑箱”只能用来描述系统的功能目标，“黑箱”的内部结构需要设计人员进一步构思的设计。由此可知，“黑箱法”是根据系统的输入、输出关系来研究实现系统功能目标的一种方法，即根据系统的某输入及要求获得某种输出要求，从中寻找某种原理来实现输入-输出之间的转化，得到相应的解决办法，从而推求出“黑箱”的功能结构，使“黑箱”变成“白箱”的一种方法。1、 黑箱法寻找总功能的转化关系物料流包括材料、毛坯半成
2、品、成品，液体、气体等各物体；能量流包括电能、光能、机械能、热能、核能等；信号流包括数据、测量值、控制信号、波形等。通过对Y38滚齿机的综合分析，可得以下“黑箱”示意图 通过黑箱法分析，滚齿机是将轮坯通过一定的加工过程，最终得到所需产品齿轮的机器。该过程有各种能量的交换、损失，同时还与外界的环境密切相关。2、滚齿加工原理齿轮是现代机械传动中的重要组成部分。从国防机械到民用机械，从重工业机械到轻工业机械，无不广泛的采用齿轮传动。随着汽车、机械、航天等工业领域的高速发展，对齿轮的需求量日益增加，对齿轮加工的效率、质量及加工成本的要求愈来愈高，滚齿机是齿轮加工加床中的一种，由于滚齿机既适合高效率的齿
3、形粗加工，又适合中等精度齿轮的精加工，因此受到广泛的应用。为此滚齿机的研究仍是大家努力的方向齿轮加工机床的种类繁多，构造各异，加工方法也不相同，齿形加工可按在加工中有无切屑而区分为无屑加工和切削加工两大类。无屑加工包括热轧、冷轧、压铸和粉末冶金等，无屑加工生产率高，材料消耗少，故成本低，但加工精度不高。（1） 冷轧冷轧是能在圆柱形零件上生产出齿轮的齿、花键、细齿、油槽或螺纹的一种很简单的方法。生产率很高，用此方法扎制一个齿轮仅需35秒钟，但它受轧制形状和材料的限制较大。密西根RoTo-Flo冷轧机是应用较早的齿轮冷轧机之一。它用齿条作轧制工具。其原理如2-1所示。其中俩轧辊齿条被弄成斜面，最开
4、始的轧制量小，当齿条运动时，轧制量逐渐增加，金属开始流动。这种轧制方法，齿轮受到的弯曲负荷大，因而仅适用于轧制压力角大和齿形短的齿轮。（压力角25度或25度以上）。因此，RoTo-Flo设备通常用于轧制SAE型压力角30度的齿深50%的和渐开线花键型的零件。 图2-1 密西根齿条轧制原理（2） 热轧所谓热轧是在轧制之前将毛坯加热，使之较易轧制，是冷轧的补充。对加工要求精度要求不高以及要求表面质量光洁度为68级的齿轮，可以用热轧法而不再经过机械加工。热轧加工出来的齿轮与铣削出来的比较，除加工方法简易外，齿形的金属材质未被切断，质量较好，硬度较高，沿齿形有一层0.50.6公厘的压实金属层，硬度较高
5、，疲劳极限也较高，寿命较长，此外，还大大节约了被铣削掉的金属。图2-2为热轧齿轮示意图。图2-3热轧与铣削所的齿轮比较。图2-2 热轧示意图 图2-3热轧齿轮与铣削齿轮材质比较（3） 粉末冶金粉末冶金齿轮是各种汽车发动机中普遍使用的粉末冶金零件，通过一次成形和精整工艺，需要其他后处理工艺，可以完全达到尺寸精度要求，尤其是齿形精度。因此，与用传统机械加工方法制造相比，在材料投入和制造上都大大减少，它是体现粉末冶金特点的典型产品。粉末冶金齿轮在整个粉末冶金零件中难以单独统计，但无论是按重量还是按零件数量，粉末冶金齿轮在汽车、摩托车中所占的比例都远远大于其他领域中的粉末冶金零件。因此，从汽车、摩托车
6、在整个粉末冶金零件中所占比例的上升可以看出，粉末冶金齿轮在整个粉末冶金零件中处于飞速发展的地位。图2-4为粉末冶金齿轮加工。 图2-4 粉末冶金齿轮加工(4)电火花加工齿轮下面介绍用电火花线切割加工直齿锥齿轮机床的基本结构和机床参数首先将机械加工齿轮毛坯安装在数控转台回转中心。倾斜调整回转中心轴（大型机床调整丝线），使丝线与数控转台轴线夹角为直齿锥齿轮锥度角。调整丝线位置，使丝线（钼丝或铜丝）一端以直齿锥齿轮的顶尖为定点（即锥齿轮回转球心），另一端以直齿锥齿轮齿面大端上基圆为进给基点，这时丝线在两水咀间跨度为直齿锥齿轮回转球心半径，启动伺服电机将回转台和丝线进给丝杠锁定。启动数控系统，使数控转
7、台转动角度与直齿锥齿轮齿面大端丝线进退，按直齿锥齿轮设计当量模数编制程序执行旋转与进退联动。当电极丝处在齿顶时，数控转台转动，电极丝线不动，这是加工出的轨迹是直齿锥齿轮的齿顶；转过齿顶圆心角后，大端处电极丝线随工件转动进行相应进给即加工齿型部分，当到达齿根时电极丝线停止进给，工件继续转动，此时加工的是齿根部分；当转过齿根圆心角时电极丝线回退加工同齿的另半个齿型，到达齿顶时完成一个齿的加工。下面依次加工出全部齿。在数控系统的控制下电极丝线按大端当量齿轮的标准渐开线生成齿型。丝线经高频放电产生电火花蚀除工件生成缝隙，加工出标准直齿锥齿轮。当丝线与数控转台中心线平行即夹角为零度时，电极丝线沿齿轮中心
8、方向平行进退，数控合成加工出的齿轮为标准直齿轮。下图为电火花加工加床。 图2-5 电火花加工齿轮数控机床齿形切削加工按其加工原理可分为仿形法和展成法加工。（1）成形法 成形法加工齿轮所采用的刀具为成形刀具，其切削刃形状与被切齿轮齿槽的截面形状相同。成形刀具有单齿廓和多齿廓两种。成形法加工齿轮齿形的原理是利用与被加工齿轮齿槽法向截面形状相符的成形刀具，在齿坯上加工出齿形的方法。成形法加工齿轮的方法有铣齿、拉齿、插齿及磨齿等，其中最常用的方法是在普通铣床上用成形铣刀铣削齿形。当齿轮模数m8时，一般在卧式铣床上用盘状铣刀铣削，见图2-1a；当齿轮模数m8时，在立式铣床上用指 状铣刀铣削，见图2-1b
9、 (2)展成法 展成法加工齿轮齿形是利用一对齿轮啮合的原理来实现的。即把其中一个转化为具有切削能力的齿轮刀具，另一个转化为被切工件，通过专用齿轮加工机床，强制刀具和工件作严格的啮合运动（展成运动），在运动过程中，刀具切削刃的运动轨迹逐渐包络出工件的齿形（图2-2）。展成法加工齿轮，一种模数和压力角的刀具，可以加工出相同模数和压力角而齿数不同的齿轮，其加工过程是连续的，具有较高的加工精度和生产效率，是齿轮齿形主要的加工方法。滚齿和插齿是展成法中最常见的两种加工方法。 图2-2展成法滚齿加工成形法与展成法的差异成形法适用于单件小批生产，加工精度和生产效率低。用展成法加工齿轮，可以用一把刀具加工同一
10、模数不同齿数的齿轮，且加工精度和生产率也较高，因此各种齿轮加工机床广泛应用这种加工方法，如滚齿机、插齿机、剃齿机等。此外，多数磨齿机及锥齿轮加工机床也是按展成法原理进行加工的。本次设计的Y38滚齿机采用展成原理加工。常见齿形加工的一些方法如下表一表一 齿轮加工的方法3、功能分解图：（针对机械传动的滚齿机作功能分解） 2、功能元求解方案1方案2方案3方案4方案5备 注主传动齿轮传动蜗杆传动带传动链传动螺旋传动机械无级变速器、液力偶合器、液力变矩器等也可实现分齿数控挂轮蜗轮蜗杆平行四边形机构行星轮减速器进给齿轮齿条凸轮机构曲柄滑块机构液压缸螺旋机构差动齿轮齿条直线差动双螺母丝杠螺母差动机构2K-H
11、差动机构锥齿轮差动机构动力液压马达气动马达电动机内燃机三相交流异步电动机电机3、各功能元求解方案分析1）主传动：方 案 简 图方 案 说 明方案1齿轮传动齿轮传动平稳，传动比精确，工作可靠、效率高、寿命长，使用的功率、速度和尺寸范围大。例如传递功率可以从很小至几十万千瓦；速度最高可达300m/s；齿轮直径可以从几毫米至二十多米。但是制造齿轮需要有专门的设备，啮合传动会产生噪声。方案2蜗杆传动交错轴传动的主要形式，轴线交错角一般为90。蜗杆传动可获得很大的传动比，通常单级为880,用于传递运动时可达1500；传递功率可达4500千瓦;蜗杆的转速可到3万转/分；圆周速度可到70米/秒。蜗杆传动工作
12、平稳，传动比准确，可以自锁，但自锁时传动效率低于0.5。蜗杆传动齿面间滑动较大,发热量较多，传动效率低，通常为0.450.97。方案3带传动优点：传动平稳、结构简单、成本低、使用维护方便、 有良好的挠性和弹性、过载打滑。 缺点：传动比不准确、带寿命低、轴上载荷较大、传动装置外部尺寸大、效率低。因此，带传动常适用于大中心距、中小功率、带速v =525m/s， i7的情况。方案4链传动链传动有许多优点，与带传动相比，无弹性滑动和打滑现象，平均传动比准确，工作可靠，效率高；传递功率大，过载能力强，相同工况下的传动尺寸小；所需张紧力小，作用于轴上的压力小；能在高温、潮湿、多尘、有污染等恶劣环境中工作。
13、 链传动的缺点主要有：仅能用于两平行轴间的传动；成本高，易磨损，易伸长，传动平稳性差，运转时会产生附加动载荷、振动、冲击和噪声，不宜用在急速反向的传动中。方案5螺旋传动用于交错间的传动，传动比可到5，承载能力较低，磨损严重，应用很少2）进给： 方 案 简 图方 案 说 明方案1齿轮齿条传动特点：传递动力大、效率高；寿命长，工作平稳，可靠性高；能保证恒定的传动比，能传递任意夹角倆轴间的运动；但是制造、安装精度要求要求较高因而成本也较高，且不易做远距离传动方案2凸轮机构原理：由凸轮的回转运动或往复运动推动从动件作规定往复移动或摆动的机构。特点：结构简单、紧凑、设计方便，可实现从动件任意预期运动点、
14、线接触易磨损；但凸轮轮廓加工困难；行程不大方案3曲柄滑块机构运动机构简单，制造方便、可实现较远距离的传送，属于面接触低副，压强小，便于润滑，磨损轻，寿命长，传递功力大方案4液压缸液压缸结构简单，工作可靠，实现往复运动时，可免去去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳。方案5螺旋机构该机构用于传递运动，它常要求具有高的运动精度或工作速度，且能在较长时间内连续工作。3）差动： 方 案 简 图方 案 说 明方案1齿轮齿条直线差动该图示为一个双联齿轮和两个齿条组成的直线差动机构，假设齿条1为固定齿条，齿条2为从动齿条，双联齿轮一的分度圆直径D1大于齿轮2的分度圆直径D2，当滚动的双联齿轮的齿轮1沿着固定齿条1滚动时，有双联齿轮2驱动的从动齿条2将以双联齿轮的中心运动相反的方向水平移动方案2螺旋差动机构一般机床工作台的直线进给运动采用丝杠、螺母副传动来实现。工作台的进给直线运动方案3丝杠螺母差动机构丝杠螺母差动传动机构仅用俩对圆柱直齿轮和一对丝杠螺母就可获得较大传动比。且受力情况好使用寿命长，传动效率也高，且比用蜗轮蜗杆副要简单紧凑得多。方案4 2K-H差动机构双排齿轮啮合，机构轴向尺寸小，但是需保证相同的传动比与中心距，齿轮齿数选择不灵活方案5锥齿轮差动机构结构简单，传动比准确，受力状状好，回转惯性小，但是其啮合有轴向力。锥齿轮制造精度低，成本高。4）： 分齿方 案 简 图方 案
