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1、,第四章 机械系统设计,机电一体化系统设计,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,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 齿轮传动比的最佳匹配选择,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
2、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,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量为：,因为：,所以：,（1）最小等效转动惯量原则,即：,令,当,时，,，,对于,级齿轮传动系作同类分析可得：,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
3、 2 i 3 i 480。,小结,按折算转动惯量小的原则确定级数和各级传动比时：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；级数增加到一定数值后，总折算惯量减小并不显著；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。,(2)体积重量最小的原则,对于小功率传动系统，因为受力不大，假若各级小齿轮的模数、齿数、齿宽相等，各级传动比应该相等；对于大功率传动系统，按“先大后小”的原则处理，从高速级到低速级各级传动比应递减，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；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、航空设备上的传动装置，应采用体
4、积重量小的原则来分配各级传动比。,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,（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18 的转角误差依次为18。,传动链输出轴的总转动角误差max,传动链输出轴的总转动角误差max为 小结：为使转角误差最小，应从输入端到输出端的各级
5、传动比按“前小后大”原则排列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；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。,（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。,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；产生回差的原因 齿轮副本身有间隙；加工装配误差。,齿轮传动间隙的调整方法,刚性调整法 调整后
6、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。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。,齿轮传动间隙的调整方法,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,刚性调整法,a)偏心套(轴)调整法,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
7、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,b)轴向垫片调整法,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,1、2-薄片齿轮4-弹簧,c)双片薄齿轮错齿调整法,实际上每个转向是单片齿轮接触，磨损较大。,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,c)双片薄齿轮错齿调整法,消除斜齿轮传动齿轮侧隙
8、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,a)轴向垫片调整法,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,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,a)轴向压簧调整法,将与锥齿轮3
9、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,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。当传动负载小时，可采用双片薄齿轮错齿调整法，使两
10、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,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,五、提高齿轮传动精度的措施,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
11、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。,Walt Musser多产的发明家HDG Patent 1957,谐波齿轮传动具有结构简单、传动比大(几十几百)、传动精度高、回程误差小、噪声低、传动平稳、承载能力强、效率高等优点，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。,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 谐波齿轮传动,谐波齿轮传动工作原理,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
12、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,刚轮,柔轮,波发生器,波发生器旋转时，迫使柔轮变为椭圆，使长轴两端附近的齿进入啮合状态，短轴附近的齿则脱开，其余不同区段上的齿处于逐渐啮入状态或逐渐啮出状态。波发生器连续转动时，柔轮的变形部位也随之转动，使轮齿依次进入啮合，然后又依次退出啮合，从而实现啮合传动。,式中：、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。,(1)当柔轮固定时，则,谐波齿轮传动的传动比计算,当柔轮固定时，当刚轮固定时,(2)当刚轮固定时，则,设，,优点,高定位精度(30 arc-sec),Harmonic Drive LLC,30 arc
13、-sec(0.5 arc-min)定位精度,27.72 arc-sec,1波发生器旋转=2 个周期,高传动比,100:1 的例子#柔轮齿数:200#钢轮齿数:202 传动比=200/(200 202)=-100,单级，在线配置30:1至160:1单级紧凑几何是独立的齿轮比,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高达30的齿总是接触的载荷传输从齿到齿是光滑的,平滑的运动,+/-5 arc-sec重复精度,连续磨损补偿高性能维护,远远低于1 arc-min,没有齿隙爬行2x109 Rev.,没有齿隙爬行,零齿隙高齿轮比（低转动惯量）高精度/重复定位精度允许增加伺服增益,谐波传动齿轮使伺服响应比直接驱动更高,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。,谐波齿轮传动机构的选择及计算,Aerospace,Automation,Military,Machine Tools,Semiconductor,Robotics,应用实例,火星探测漫游者,四轮驱动(x6)四轮转向(x4),机械臂(x3),工业机器人,机器人手部轴,
