機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)(第九章)

如圖1所示的K-H-V漸開(kāi)線少齒差行星齒輪傳動(dòng)是一種將連桿（行星齒輪）作為輸出構(gòu)件的較新型機(jī)械傳動(dòng)。這種機(jī)構(gòu)因傳動(dòng)比大，一級(jí)可達(dá)135，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，加工方便，維修容易，效率較高，而得到人們的應(yīng)用。少齒差行星齒輪傳動(dòng)主要由基本構(gòu)件行星輪、內(nèi)齒中心輪，轉(zhuǎn)臂和輸出軸組成。第九章機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)例分析

第一節(jié)平動(dòng)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一、平動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)原理1．平動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)的基本型平動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)的基本型由外平動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)和內(nèi)平動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)兩種基本型組成。外平動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)的基本型：外平動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)是指一個(gè)齒輪在另一個(gè)齒輪的外部作平動(dòng)，驅(qū)動(dòng)另一個(gè)齒輪作定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。圖9-1a所示為內(nèi)嚙合平動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)；圖9-1b所示為外嚙合平動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)。可以演化成圖9-2所示的二環(huán)減速器和三環(huán)減速器。2．傳動(dòng)原理運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力輸入時(shí)，支承在兩高速軸上的內(nèi)齒輪G作平面平動(dòng)，并驅(qū)動(dòng)與之嚙合的定軸外齒中心輪K，使運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力從與其固聯(lián)的從動(dòng)軸輸出，從而實(shí)現(xiàn)了大速比減速。當(dāng)單軸輸入時(shí)，每一片行星輪在0°和180°位置時(shí)，是不能傳遞運(yùn)動(dòng)和扭矩的，所以必須要用三片以上的內(nèi)齒輪才能正常地工作。3．運(yùn)動(dòng)學(xué)分析4．外平動(dòng)齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)（1）傳動(dòng)比大、分級(jí)密集，單級(jí)傳動(dòng)比在11~99之間，雙級(jí)傳動(dòng)比可達(dá)9801。（2）承載能力大嚙合時(shí)幾乎是面接觸，齒面赫茲應(yīng)力小。單個(gè)轉(zhuǎn)臂軸承變換為多個(gè)轉(zhuǎn)臂軸承分擔(dān)載荷，轉(zhuǎn)臂軸承的壽命可達(dá)兩萬(wàn)小時(shí)，且轉(zhuǎn)臂軸承等基本構(gòu)件不受內(nèi)齒輪尺寸的限制，可以按強(qiáng)度要求確定，利于按強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。（3）傳動(dòng)效率高同K-H-V型少齒差行星傳動(dòng)相比，因省去了W輸出機(jī)構(gòu)，單級(jí)傳動(dòng)效率可達(dá)92%~96%。（4）結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕（5）制造簡(jiǎn)單、維修拆裝方便（6）能單軸或多軸傳輸動(dòng)力5．外平動(dòng)齒輪傳動(dòng)存在的問(wèn)題：1）為避免傳動(dòng)發(fā)生漸開(kāi)線齒廓重迭干涉，內(nèi)齒輪副應(yīng)采用角變位齒輪傳動(dòng)中的正傳動(dòng)（x1+x2>0），并降低齒高，形成非標(biāo)準(zhǔn)的短齒。嚙合角α′增加，使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能變差。2）必須滿足一定的裝配條件能裝配起來(lái)。同時(shí)也為精度設(shè)計(jì)增加了限制條件。3）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)大、噪聲高，并隨著轉(zhuǎn)速的提高迅速增加。上述存在的問(wèn)題是這種傳動(dòng)的基本原理所決定的，改進(jìn)傳動(dòng)原理，開(kāi)發(fā)新的傳動(dòng)類型是平動(dòng)齒行星輪傳動(dòng)發(fā)展的重要途徑。外平動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)的A、D兩軸之距離受結(jié)構(gòu)的限制式中d0——內(nèi)齒輪根圓直徑；d2e——偏心軸距。外平動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)的尺寸難以縮小，而且提供內(nèi)齒輪作平動(dòng)的曲柄軸只能有兩個(gè)，限制了輸入功率的分流，不利于傳遞過(guò)大的功率。6．內(nèi)平動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)的基本型及其演化圖9-4所示為內(nèi)平動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)的基本型。圖9-5所示的內(nèi)二環(huán)減速器和內(nèi)三環(huán)減速器。內(nèi)平動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)可獲得較小尺寸和重量，其整機(jī)性能優(yōu)于外平動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)。二、平動(dòng)齒輪傳動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)使齒輪實(shí)現(xiàn)圓平動(dòng)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)為圓平動(dòng)機(jī)構(gòu)。常用的圓平動(dòng)機(jī)構(gòu)有：1．用平行四邊形機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)齒輪圓平動(dòng)應(yīng)用“機(jī)構(gòu)同性異形變換原理”，以平行四邊形機(jī)構(gòu)為原始機(jī)構(gòu)，可以演化出多種性能相同而結(jié)構(gòu)不同的圓平動(dòng)機(jī)構(gòu)。

2．用正弦機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)齒輪圓平動(dòng)3．用孔銷機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)齒輪圓平動(dòng)應(yīng)用“機(jī)構(gòu)同性異形變換原理”，還可以演化出多種圓平動(dòng)機(jī)構(gòu)。它的性能決定了平動(dòng)齒輪傳動(dòng)的性能，所以每綜合出一種圓平動(dòng)機(jī)構(gòu)，就得到一種新型平動(dòng)齒輪傳動(dòng)。三、平動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)的演化

平動(dòng)發(fā)生器是平動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)。不同的平動(dòng)發(fā)生器，會(huì)演化出結(jié)構(gòu)不同的平動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)，相同的平動(dòng)發(fā)生器，結(jié)構(gòu)不同，也會(huì)演化出性能差異很大的平動(dòng)齒輪傳動(dòng)裝置。1．浮動(dòng)盤(pán)式平動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)

根據(jù)“機(jī)構(gòu)同性異形變換原理”，用浮動(dòng)盤(pán)式W機(jī)構(gòu)去替代孔銷式W機(jī)構(gòu)，就形成了圖9-9所示圓平動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。2．平動(dòng)齒輪減速滾筒圖9-10所示為平動(dòng)齒輪減速滾筒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，由電動(dòng)機(jī)1、滾筒2和孔銷式平動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)3串聯(lián)組成。電動(dòng)機(jī)1、平動(dòng)發(fā)生器銷軸與機(jī)架固聯(lián)，內(nèi)齒中心輪與卷筒固聯(lián)為輸出件，形成卷?yè)P(yáng)機(jī)型減速裝置。平動(dòng)齒輪減速滾筒具有：傳動(dòng)比大、機(jī)械效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸和重量輕、均載性能好等優(yōu)點(diǎn)。3．雙曲柄平動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)多曲柄平動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)。如圖9-11所示。多曲柄平動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)原理：輸入軸的轉(zhuǎn)速經(jīng)第一級(jí)減速后，由平動(dòng)發(fā)生器傳遞給平動(dòng)齒輪ZG，同時(shí)限制了平動(dòng)齒輪ZG的自轉(zhuǎn)，再經(jīng)第二級(jí)減速后，由內(nèi)齒中心輪Zb輸出。其傳動(dòng)比統(tǒng)一表達(dá)式為式中i1——第一級(jí)減速傳動(dòng)比；

i2——第二級(jí)傳動(dòng)比。第二節(jié)活齒減速帶輪機(jī)構(gòu)一、概述

將帶傳動(dòng)和行星傳動(dòng)組合起來(lái)，在不增加帶輪外廓尺寸的條件下，研制出具有兩種傳動(dòng)綜合優(yōu)良性能的行星減速帶輪。如：擺線針齒減速帶輪、2K-H行星減速帶輪、變速傳動(dòng)軸承減速帶輪、鋼球行星摩擦減速帶輪等。研制出傳動(dòng)性能優(yōu)越的行星減速帶輪主要取決于兩個(gè)方面：1）選擇好原始機(jī)構(gòu)——帶傳動(dòng)和行星傳動(dòng)的類型；2）解決好帶輪與行星傳動(dòng)的結(jié)合。行星減速帶輪機(jī)構(gòu)以全滾動(dòng)擺動(dòng)活齒傳動(dòng)為基礎(chǔ)，利用外激波活齒傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使帶輪與外激波器合二為一，擺動(dòng)活齒減速帶輪。二、原始機(jī)構(gòu)選擇1．行星傳動(dòng)的選擇——外激波擺動(dòng)活齒傳動(dòng)（1）組成結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)原理圖9-12所示外激波擺動(dòng)活齒傳動(dòng)的傳動(dòng)原理；當(dāng)驅(qū)動(dòng)力輸入后，輸入軸以等角速度帶動(dòng)外激波器H繞固定主軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，由于外激波器內(nèi)輪廓徑向尺寸的變化，產(chǎn)生向心的推力，推動(dòng)擺動(dòng)活齒繞其在活齒架上的鉸鏈點(diǎn)擺動(dòng)，通過(guò)擺動(dòng)活齒中心輪高副嚙合運(yùn)動(dòng)，擺動(dòng)活齒推動(dòng)外齒中心輪K以等角速度繞主軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，使與其固聯(lián)的輸出軸獲得輸出轉(zhuǎn)速，于是外激波擺動(dòng)活齒傳動(dòng)完成了轉(zhuǎn)速變換運(yùn)動(dòng)。（2）傳動(dòng)比的計(jì)算活齒傳動(dòng)傳動(dòng)比通用方程式為式中，下角標(biāo)A、B、C代表活齒傳動(dòng)中的三個(gè)基本構(gòu)件。第一種類型：擺動(dòng)活齒輪G固定第二種類型：外齒中心輪K固定，擺動(dòng)活齒輪G從動(dòng)，外激器H主動(dòng)。（3）外齒中心輪的齒形綜合（4）外激波擺動(dòng)活齒傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)

1）省掉了少齒差傳動(dòng)中的W輸出機(jī)構(gòu)2）提高了擺動(dòng)活齒與激波器高副的接觸強(qiáng)度3）外齒中心輪K的特點(diǎn)4）外激波器的尺寸大，動(dòng)平衡性能差2．帶傳動(dòng)的選擇圖9-14a所示為帶傳動(dòng)的一種從動(dòng)帶輪結(jié)構(gòu)。如圖9-14b所示，齒輪副合狀態(tài)和軸承4的受力狀態(tài)都得到改善，取得極好效果。稱這種結(jié)構(gòu)的帶輪為卸荷帶輪。帶傳動(dòng)的從動(dòng)帶輪仍采用卸荷結(jié)構(gòu)。三、活齒減速帶輪的形成1．帶輪與外激波器的組合（1）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ne是通過(guò)一級(jí)帶傳動(dòng)減速后才輸送給帶輪激波器的，所以外激波擺動(dòng)活齒傳動(dòng)的輸入轉(zhuǎn)速大幅度降低，外激波擺動(dòng)活齒輪的轉(zhuǎn)速nH為：

式中id——帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比。（2）帶輪激波器使繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的帶輪成為外激波器的一部分，這就為外激波器調(diào)整質(zhì)量布置創(chuàng)造了極好條件，使帶輪激波器靠自身質(zhì)量分布即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)平衡。2．卸荷帶輪設(shè)計(jì)3．帶輪外激波器的平衡設(shè)計(jì)四、應(yīng)用實(shí)例——游梁式抽油機(jī)減速器的改進(jìn)設(shè)計(jì)第三節(jié)變速凸輪機(jī)構(gòu)變凸輪機(jī)構(gòu)的“等速驅(qū)動(dòng)”為“變速驅(qū)動(dòng)”，形成變速凸輪機(jī)構(gòu)。其效果是提高了凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力性能，為凸輪機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化創(chuàng)造了條件。一、機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)函數(shù)機(jī)構(gòu)的輸入輸出特性。如圖9-16所示。用函數(shù)表示為傳動(dòng)函數(shù)：根據(jù)傳動(dòng)函數(shù)的數(shù)學(xué)性質(zhì)，將機(jī)構(gòu)劃分為“線性機(jī)構(gòu)”與“非線性機(jī)構(gòu)”兩種類型。線性機(jī)構(gòu)和非線性機(jī)構(gòu)分別對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)概念中的定傳動(dòng)比機(jī)構(gòu)和變傳動(dòng)比機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)的類型如表9-1所示。表9-1根據(jù)傳動(dòng)函數(shù)的數(shù)學(xué)性質(zhì)劃分機(jī)構(gòu)的類型機(jī)構(gòu)類型傳動(dòng)函數(shù)機(jī)構(gòu)舉例線性機(jī)構(gòu)線性函數(shù)齒輪機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)、帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)非線性機(jī)構(gòu)非線性函數(shù)凸輪傳動(dòng)、連桿機(jī)構(gòu)、槽輪機(jī)構(gòu)、非圓齒輪機(jī)構(gòu)“機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式”用于描述機(jī)構(gòu)原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括“等速驅(qū)動(dòng)”和“變速驅(qū)動(dòng)”兩種類型?！暗人衮?qū)動(dòng)”指機(jī)構(gòu)輸入運(yùn)動(dòng)的位移是以時(shí)間為自變量的線性函數(shù)；“變速驅(qū)動(dòng)”指機(jī)構(gòu)輸入運(yùn)動(dòng)的位移是以時(shí)間為自變量的非線性函數(shù)。如表9-2所示。表9-2根據(jù)輸入運(yùn)動(dòng)函數(shù)的數(shù)學(xué)性質(zhì)劃分機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式輸入運(yùn)動(dòng)的位移函數(shù)等速驅(qū)動(dòng)非線性函數(shù)變速驅(qū)動(dòng)非線性函數(shù)原動(dòng)機(jī)是把某種形式的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的裝置，如圖9-17所示。根據(jù)輸出運(yùn)動(dòng)函數(shù)的數(shù)學(xué)性質(zhì)可將原動(dòng)機(jī)劃分為“線性原動(dòng)機(jī)”與“非線性原動(dòng)機(jī)”兩種類型：如表9-3所示：表9-3根據(jù)輸出運(yùn)動(dòng)函數(shù)的數(shù)學(xué)性質(zhì)劃分原動(dòng)機(jī)的類型原動(dòng)機(jī)類型輸出運(yùn)動(dòng)的位移函數(shù)舉例線性原動(dòng)機(jī)線性函數(shù)普通直流馬達(dá)，普通交流馬達(dá)非線性原動(dòng)機(jī)非線性函數(shù)步進(jìn)馬達(dá)，伺服馬達(dá)二、凸輪機(jī)構(gòu)的主動(dòng)控制

將控制系統(tǒng)與凸輪機(jī)構(gòu)結(jié)合起來(lái)，融合其優(yōu)點(diǎn)，改善凸輪機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，并使凸輪機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化，為凸輪機(jī)構(gòu)的發(fā)展開(kāi)辟出新的途徑。

因此，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制，可以在不改變凸輪廓線的前提下，根據(jù)要求改變從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能，從而使凸輪機(jī)構(gòu)具有了一定程度的通用性，為凸輪機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化提出了一個(gè)可能的實(shí)現(xiàn)途徑。進(jìn)而，通過(guò)振動(dòng)控制的研究，有望改善凸輪機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能，并使之具有一定程度的自適應(yīng)性及智能性。三、反凸輪機(jī)構(gòu)的主動(dòng)控制以基本凸輪機(jī)構(gòu)為原始機(jī)構(gòu)，應(yīng)用“機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)變換原理”，將其主動(dòng)件和從動(dòng)件對(duì)換，即推桿為主動(dòng)件，凸輪為從動(dòng)件，所形成的新機(jī)構(gòu)是原始機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)，通常稱其為倒置凸輪機(jī)構(gòu)或反凸輪機(jī)構(gòu)。以主動(dòng)件推桿為刀具，以從動(dòng)件凸輪為毛坯，用來(lái)形成凸輪輪廓線的方法，是一種成熟的凸輪制造技術(shù)。凸輪機(jī)構(gòu)主動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用到其轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)——反凸輪機(jī)構(gòu)中來(lái)，就可以形成反凸輪機(jī)構(gòu)主動(dòng)控制技術(shù)，由此可獲得一種高精度的加工技術(shù)。四、變速凸輪機(jī)構(gòu)的性能1）對(duì)于具有固定凸輪廓線的凸輪——從動(dòng)件系統(tǒng)，可以通過(guò)控制凸輪轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律來(lái)改變從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，如降低從動(dòng)件的理論最大速度與理論最大加速度。2）可以使具有對(duì)稱凸輪廓線的凸輪系統(tǒng)，生成非對(duì)稱的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律。為凸輪機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化創(chuàng)造了條件。3）通過(guò)控制凸輪轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，可以顯著地降低凸輪系統(tǒng)中的殘余振動(dòng)，提高了凸輪機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能。第四節(jié)同軌跡連桿機(jī)構(gòu)同軌跡連桿機(jī)構(gòu)是指機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)F相同、輸入構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同、輸出構(gòu)件上的一點(diǎn)軌跡相同的一組連桿機(jī)構(gòu)，但這組連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)尺寸不同，所以其受力狀態(tài)、動(dòng)態(tài)性能有巨大差異。羅伯特——契貝謝夫定理：由一個(gè)四桿鉸鏈機(jī)構(gòu)發(fā)生的一條連桿曲線，還可以由另外兩個(gè)四桿鉸鏈機(jī)構(gòu)發(fā)生出來(lái)。或表達(dá)為同一連桿曲線，可以用三個(gè)不同的四桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。一、連桿點(diǎn)K位于連桿兩鉸鏈連線上的同跡連桿機(jī)構(gòu)圖形縮放原理：圖9-18a所示為一平行四邊形導(dǎo)引機(jī)構(gòu)，當(dāng)A點(diǎn)沿任意給定軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)，C點(diǎn)將繪出與A點(diǎn)相似但縮小了的軌跡。1）A在直線KB的任何位置都有：2）當(dāng)此四邊形作為一剛體繞O轉(zhuǎn)動(dòng)一角度φ時(shí)，A點(diǎn)轉(zhuǎn)到A′，按射線定理：第一個(gè)同跡連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：曲線搖桿機(jī)構(gòu)C0CDO為所求的第一個(gè)同跡連桿機(jī)構(gòu)，K為連桿CD延長(zhǎng)線上的點(diǎn)。所求曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的尺寸：

第二個(gè)同跡連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：A0EFC0