第四章第四章 机械系统设计机械系统设计1PPT学习交流 4.3 精密齿轮传动4.3.1 齿轮传动比的最佳匹配选择4.3.2 齿轮传动间隙的调整方法4.3.3 谐波齿轮传动2PPT学习交流 最佳总传动比的确定首先把传动系统中的工作负载、惯性负载和摩擦负载综合为系统的总负载，方法有峰值综合和均方根综合2种方法负载综合时，要转化到电机轴上，成为等效峰值综合负载转矩或等效均方根综合负载转矩使等效负载转矩最小或负载加速度最大的总传动比，即为最佳总传动比4.3.1 4.3.1 齿轮传动比的最佳匹配选择齿轮传动比的最佳匹配选择3PPT学习交流 齿轮系统的总传动比确定后，根据对传动链的技术要求，选择传动方案，使驱动部件和负载之间的转矩、转速达到合理匹配单级传动比增大使传动系统简化，但大齿轮的尺寸增大会使整个传动系统的轮廓尺寸变大若总传动比较大，又不准备采用谐波、少齿差等传动，需要确定传动级数，并在各级之间分配传动比可按下述三种原则适当分级，并在各级之间分配传动比各级传动比的最佳分配原则各级传动比的最佳分配原则4PPT学习交流 利用该原则所设计的齿轮传动系统，换算到电机轴上的等效转动惯量为最小。
如右图，若不计轴和轴承的转如右图，若不计轴和轴承的转动惯量，则根据系统动能不变的原动惯量，则根据系统动能不变的原则，等效到电机轴上的等效转动惯则，等效到电机轴上的等效转动惯量为：量为：因为：所以：（（1）最小等效转动惯量原则）最小等效转动惯量原则5PPT学习交流 即：即：令令 当当时，， 对于对于 级齿轮传动系作同类分析可得：级齿轮传动系作同类分析可得：6PPT学习交流 例 设有i =80,传动级数n=4的小功率传动,试按等效转动惯量最小原则分配传动比•解 •验算I= i 1 i 2 i 3 i 4≈80 7PPT学习交流 小结按折算转动惯量小的原则确定级数和各级传动比时：Ø由高速级到低速级，各级传动比应逐级递增；而且级数越多，总折算惯量越小；Ø级数增加到一定数值后，总折算惯量减小并不显著；Ø再从结构紧凑、传动精度和经济性等方面考虑，级数太多是不合理的8PPT学习交流 (2)体积重量最小的原则体积重量最小的原则Ø对于对于小功率传动系统小功率传动系统，因为受力不大，假若各级小齿轮，因为受力不大，假若各级小齿轮的模数、齿数、齿宽相等，的模数、齿数、齿宽相等，各级传动比应该相等各级传动比应该相等；；Ø对于对于大功率传动系统大功率传动系统，按，按“先大后小先大后小”的原则处理，从的原则处理，从高速级到低速级高速级到低速级各级传动比应递减各级传动比应递减，因为高速级传递的力，因为高速级传递的力矩小、模数小、传动比大，体积重量不会大；矩小、模数小、传动比大，体积重量不会大；Ø体积重量常常是精密机械设计的一个重要指标，特别是体积重量常常是精密机械设计的一个重要指标，特别是航天、航空设备航天、航空设备上的传动装置，应采用上的传动装置，应采用体积重量小体积重量小的原则的原则来分配各级传动比。
来分配各级传动比9PPT学习交流 为了提高机电一体化系统中齿轮传动系统传递运动的精度，应通过适当分配传动比，降低齿轮的加工误差、安装误差以及回转误差对输出转角精度的影响设齿轮传动系统中各级齿轮的转角误差换算到末级输出轴上的总转角误差为 ，则 式中： — 第i个齿轮所具有的转角误差； —第i个齿轮的转轴至第n级输出轴的传动比3)输出轴转角误差最小的原则输出轴转角误差最小的原则10PPT学习交流 （3）输出轴转角误差最小原则 以四级齿轮减速传动链为例，四级传动比分别为 i1、 i2、 i3、 i4,齿轮1~8 的转角误差依次为ΔΦ1~ΔΦ8传动链输出轴的传动链输出轴的总转动角误差总转动角误差ΔΦmax11PPT学习交流 传动链输出轴的总转动角误差ΔΦmax为 小结：Ø为使转角误差最小，应从输入端到输出端的各级传动比按“前小后大”原则排列Ø后级齿轮的传动精度比前级齿轮传动精度对总体精度的影响大；Ø要提高传动精度,就应减少传动级数, 并使末级齿轮的传动比尽可能大,制造精度尽可能高。
12PPT学习交流 （4）三种原则的选择•对于传动精度要求高的降速齿轮传动链,可按输出轴转角误差最小原则设计•对于要求运转平稳、启停频繁和动态性能好的降速传动链,可按等效转动惯量最小原则和输出轴转角误差最小原则设计•对于要求质量尽可能小的降速传动链,可按质量最小原则设计13PPT学习交流 l回差齿轮传动过程中，主动轮突然改变方向时，从动轮不能马上随之反转，而是有一个滞后量；l产生回差的原因齿轮副本身有间隙；加工装配误差4.3.2 齿轮传动间隙的调整方法齿轮传动间隙的调整方法14PPT学习交流 l刚性调整法调整后齿侧间隙不能自动补偿，齿轮周节及齿厚要严格控制，结构简单，传动刚度好l柔性调整法调整后齿侧间隙能自动补偿的调整法，齿轮周节及齿厚不需严格控制，结构复杂，轴向尺寸大，传动刚度差4.3.2 齿轮传动间隙的调整方法齿轮传动间隙的调整方法15PPT学习交流 将相互啮合一对齿轮中一个齿轮4装在电机输出轴上，并将电机2安装在偏心套1上，通过转动偏心套的转角，就可调节两啮合齿轮的中心距，从而消除圆柱齿轮正反转时的齿侧间隙。
一、圆柱齿轮传动间隙调整方法一、圆柱齿轮传动间隙调整方法刚性调整法刚性调整法a)偏心套偏心套(轴轴)调整法调整法16PPT学习交流 将齿轮设计成一定锥度，齿轮1和2相啮合，其分度圆弧齿厚沿轴线方向略有锥度，这样就可以用轴向垫片3使齿轮1沿轴向移动，从而消除两齿轮的齿侧间隙装配时轴向垫片3的厚度应使得齿轮1和2之间既齿侧间隙小，运转又灵活刚性调整法刚性调整法b)轴向垫片调整法轴向垫片调整法17PPT学习交流 这种消除齿侧间隙的方法是将其中一个做成宽齿轮，另一个用两片薄齿轮组成采取措施使一个薄齿轮的左齿侧和另一个薄齿轮的右齿侧分别紧贴在宽齿轮齿槽的左、右两侧，以消除齿侧间隙，反向时不会出现死区 周向弹簧式周向弹簧式1、2-薄片齿轮4-弹簧c)双片薄齿轮错齿调整法双片薄齿轮错齿调整法 实际上每个转向是单片实际上每个转向是单片齿轮接触，磨损较大齿轮接触，磨损较大18PPT学习交流 可调拉簧式：在两个薄片齿轮1和2上装有凸耳3，弹簧的一端钩在凸耳3上，另一端钩在螺钉7上弹簧4的拉力大小可用螺母5调节螺钉7的伸出长度，调整好后再用螺母6锁紧柔性调整法柔性调整法c)双片薄齿轮错齿调整法双片薄齿轮错齿调整法 19PPT学习交流 消除斜齿轮传动齿轮侧隙的方法与上述错齿调整法基本相同，也是用两个薄片齿轮与一个宽齿轮啮合，只是在两个薄片斜齿轮的中间隔开了一小段距离，这样它的螺旋线便错开。
1、2—薄片斜齿轮；3—垫片4—宽齿轮二、斜齿轮传动间隙调整方法二、斜齿轮传动间隙调整方法a)轴向垫片调整法轴向垫片调整法20PPT学习交流 斜齿轮轴向压簧错齿消隙结构斜齿轮轴向压簧错齿消隙结构1、2—薄片斜齿轮；3—弹簧；4—宽齿轮；5—螺母b)轴向压簧调整法轴向压簧调整法21PPT学习交流 轴向压簧调整法原理如图，在锥齿轮4的传动轴7上装有压簧5，其轴向力大小由螺母6调节锥齿轮4在压簧5的作用下可轴向移动，从而消除了其与啮合的锥齿轮l之间的齿侧间隙三、锥齿轮传动间隙调整方法三、锥齿轮传动间隙调整方法1、4—锥齿轮；2、3—键；5—压簧；6—螺母；7—轴 锥齿轮轴向压簧调隙锥齿轮轴向压簧调隙a)轴向压簧调整法轴向压簧调整法22PPT学习交流 将与锥齿轮3啮合的齿轮做成大小两片(1、2)，在大片锥齿轮1上制有三个周向圆弧槽8，小片锥齿轮2的端面制有三个可伸入槽8的凸爪7弹簧5装在槽8中，一端顶在凸爪7上，另一端顶在镶在槽8中的镶块4上止动螺钉6装配时用，安装完毕将其卸下，则大小片锥齿轮1、2在弹簧力作用下错齿，从而达到消除间隙的目的1—大片锥齿轮；2—小片锥齿轮；3—锥齿轮4—镶块；5—弹簧；6—止动螺钉；7—凸爪；8—槽b)周向弹簧调整法周向弹簧调整法23PPT学习交流 Ø在机电一体化产品中对于大行程传动机构往往采用齿轮齿条传动，因为其刚度、精度和工作性能不会因行程增大而明显降低，但它与其它齿轮传动一样也存在齿侧间隙，应采取消隙措施。
Ø当传动负载小时，可采用双片薄齿轮错齿调整法，使两片薄齿轮的齿侧分别紧贴齿条的齿槽两相应侧面，以消除齿侧间隙四、齿轮齿条传动间隙调整方法四、齿轮齿条传动间隙调整方法24PPT学习交流 Ø当传动负载大时，可采用双齿轮调整法通过预载装置4向齿轮3上齿轮齿条的双齿轮调隙机构预加负载，使大齿轮2、5同时向两个相反方何转动，从而带动小齿轮1、6转动，其齿面便分别紧贴在齿条7上齿槽的左、右侧，消除了齿侧间隙四、齿轮齿条传动间隙调整方法四、齿轮齿条传动间隙调整方法25PPT学习交流 五、提高齿轮传动精度的措施Ø齿轮误差的综合•提高齿轮的制造精度•提高齿轮副的安装精度Ø合理布置传动链•缩短传动链•各级传动比安装前小后大分配，尤其是最后级传动比越大越好，因为其对前面误差均有缩小作用；例如：普通滚齿机末级采用蜗轮蜗杆传动，传动比72•各级传动副的精度应“前低后高”，后级用来缩放误差的系数越来越小，最后级误差将直接反应到输出轴上•增加齿轮的啮合齿数，以增加重合度，增加精度26PPT学习交流 •Walt Musser•多产的发明家•HDG Patent 1957•谐波齿轮传动具有谐波齿轮传动具有结构简单结构简单、、传动比大传动比大(几十几十~几百几百)、、传动精度高传动精度高、、回程误差小回程误差小、、噪声低噪声低、、传动平稳传动平稳、、承载能力承载能力强强、、效率高效率高等优点，故在工业机器人、航空、火箭等机电等优点，故在工业机器人、航空、火箭等机电一体化系统中日益得到广泛的应用。
一体化系统中日益得到广泛的应用谐波传动是建立在弹性变形理论基础上的一种新型传动，它的出现为机械传动技术带来了重大突破 4.3.3 4.3.3 谐波齿轮传动谐波齿轮传动27PPT学习交流 u谐波齿轮传动工作原理Ø谐波传动由三个主要构件所组成，即具有内齿的刚轮l、具有外齿的柔轮2和波发生器3通常波发生器为主动件，而刚轮和柔轮之一为从动件，另一个为固定件波发生器波发生器28PPT学习交流 啮合啮合啮合啮合啮出啮出啮入啮入脱开脱开脱开脱开刚轮刚轮柔轮柔轮波发生器波发生器Ø波波发发生生器器旋旋转转时时，，迫迫使使柔柔轮轮变变为为椭椭圆圆，，使使长长轴轴两两端端附附近近的的齿齿进进入入啮啮合合状状态态，，短短轴轴附附近近的的齿齿则则脱脱开开，，其其余余不不同同区区段段上上的的齿齿处处于于逐逐渐渐啮啮入入状状态态或或逐逐渐渐啮啮出出状状态态波波发发生生器器连连续续转转动动时时，，柔柔轮轮的的变变形形部部位位也也随随之之转转动动，，使使轮轮齿齿依依次次进进入入啮啮合合，，然然后后又又依次退出啮合，从而实现啮合传动 依次退出啮合，从而实现啮合传动 29PPT学习交流 式中：式中： 、、 、、 分别为刚轮、柔轮和波形发生器的角速度；分别为刚轮、柔轮和波形发生器的角速度； 、、 分别为刚轮和柔轮的齿数。
分别为刚轮和柔轮的齿数 (1) (1) 当柔轮固定时，当柔轮固定时， ，则，则 u谐波齿轮传动的传动比计算30PPT学习交流 当柔轮固定时，当柔轮固定时，当刚轮固定时当刚轮固定时 (2) (2) 当刚轮固定时，当刚轮固定时， ，则，则 设设 ，，31PPT学习交流 u优点Ø 高定位精度高定位精度 (30 arc-sec) (30 arc-sec)Harmonic Drive LLC 32PPT学习交流 Ø 30 arc-sec (0.5 arc-min)定位精度定位精度27.72 arc-sec1波发生器波发生器旋转旋转 = 2 个周期个周期 33PPT学习交流 Ø高传动比高传动比-100:1 的例子的例子-#柔轮齿数柔轮齿数: 200-#钢轮齿数钢轮齿数: 202 -传动比传动比 = 200 / (200 – 202) = -100–单级，配置单级，配置–30:1至至160:1单级单级–紧凑紧凑–几何是独立的齿轮比几何是独立的齿轮比34PPT学习交流 –高定位精度的平滑运动高定位精度的平滑运动•速度脉动～d/dt (位置误差)•振动～ d2/dt2 (位置误差)–扭矩分布在许多齿上扭矩分布在许多齿上–高达高达30％的齿总是接触的％的齿总是接触的–载荷传输从齿到齿是光滑的载荷传输从齿到齿是光滑的Ø平滑的运动平滑的运动35PPT学习交流 Ø +/- 5 arc-sec重复精度重复精度36PPT学习交流 –连续磨损补偿连续磨损补偿–高性能维护高性能维护远远低于远远低于1 arc-min没有齿隙爬行@2x109 Rev.Ø没有齿隙爬行没有齿隙爬行37PPT学习交流 –零齿隙零齿隙–高齿轮比（低转动惯量）高齿轮比（低转动惯量）–高精度高精度/重复定位精度重复定位精度–允许增加伺服增益允许增加伺服增益Ø谐波传动齿轮使伺服响应比直接驱动更高谐波传动齿轮使伺服响应比直接驱动更高38PPT学习交流 目前尚无谐波减速器的国家标准，不同生产厂家标准代号也不尽相同。
设计者也可根据需要单独购买不同减速比、不同输出转矩的谐波减速器中的三大构件并根据其安装尺寸与系统的机械构件相联结u谐波齿轮传动机构的选择及计算39PPT学习交流 AerospaceAutomationMilitaryMachine ToolsSemiconductorRoboticsu应用实例40PPT学习交流 火星探测漫游者四轮驱动(x6)四轮转向(x4)桅杆 (x2) 摄像头(x2)机械臂(x3)天线(x2)41PPT学习交流 工业机器人工业机器人机器人手部轴机器人手部轴42PPT学习交流 此课件下载可自行编辑修改，供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！43PPT学习交流 。