毕业设计（论文）-谐波齿轮减速器的设计（含全套CAD图纸）.doc

全日制普通本科生毕业设计谐波齿轮减速器的设计the designofharmonicgear reducer由于部分原因，说明书已删除大部分，完整版说明书，cad图纸等，联系153893706学生姓名： 学 号：年级专业及班级：2008级机制（7）班指导老师及职称：学 部：理工学部提交日期：2012年5月全日制普通本科生毕业设计诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。同时，本论文的著作权由本人与湖南农业大学东方科技学院、指导教师共同拥有。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业设计作者签名： 年 月 日目 录摘 要31 前言32 传动装置的总体32.1 确定传动方案32.2 传动比的计算及钢轮柔轮的齿数32.3柔轮和刚轮的材料32.3.1 柔轮材料32.3.2 刚轮材料32.3.3 凸轮轮材料32.4波发生器的形式及几何参数，确定原始曲线方程32.5 传动模数的我初步确定33 谐波齿轮减速器的几何计算33.1 选定主要啮合参数（，）33.1.1 基准齿形角33.1.2 变位系数33.1.3 径向变形量系数33.1.4 齿廓工作段高度33.2 柔轮和刚轮的主要几何尺寸33.3 齿廓啮合干涉验算33.4 保证传动正常工作性能的条件34 柔轮，刚轮和波发生器的结构设计34.1 柔轮和刚轮34.2波发生器34.2.1 柔性轴承的结构34.2.2 保持器35 柔轮的疲劳强度验算与稳定性校核36 柔性轴承的寿命计算37 传动效率估算38 低速轴的设计39 结论3参考文献3致谢3谐波齿轮减速器的设计摘 要：谐波传动是五十年代中期出现的一种新型传动，它随着空间技术的发展而迅速发展起来。由于谐波传动具有传动比大、体积小、传动精度高的特点，一开始就被运用在火箭、导弹、卫星等飞行器中，实现了他的优越性。目前这种传动技术已由航天飞行器，飞机中的应用迅速推广到原子能、雷达、通讯、造船、冶金、汽车、坦克、机床、仪表、防止、建筑、起重运输、医疗器械等各个部门。无论是作为数据传递的高精度传动，还是作为传递大转矩的动力传动，都得到了比较满意的效果。特别是，这种传动通过密封壁来传递机械运动，因而它用于操纵高温，高压的管路以及用来驱动工作在高真空，有原子辐射或其他有害介质空间的机构，是现有的其他一切传动所不能比拟的。关键词：谐波传动，齿轮，减速器the designofharmonicgear reducerstudent: chen dingtutor: yang wen-min(orient science&technology college of hunan agricultural university,changsha 410128,china)abstract：harmonic drive is a newly established drive firstly appeared in the mid 1950s, with the rapid development space technology. with the attributes of high drive ratio, small volume and high transmission accuracy, harmonic drive was largely applied in aerocrafts such as rocket, missile and satellite. nowadays, this drive technology has already been expanded from aerocraft to various aspects such as atomic energy, radar, communication, metallurgy, automobile, tank, machine tool, meter, architecture, medical mechanics and so on. no matter working as high-precision drive transmitting statistics, or as power transmission transmitting high torque, harmonic drive received satisfactory outcomes. this drive use sealed chamber to transmit mechanical movement, so that it has great merits over other drives when it is ustilized in controlling pipelines with high pressure and temperature, as well as driving mechanisms functioning in space environment which is high vacuum, and with atomic radiation and harmful media.key words: harmonic drive; gear; reducer1 前言谐波齿轮传动是50年代末随着空间科学、宇航尖端技术的发展而产生的。在谐波出现后的短短几十年中，世界各工业比较发达的国家都集中了一批研究力量致力于这类新型技术的研究。它是建立在弹性变形理论基础上的一种新型传动技术。1959年美国学者cw麦塞尔（musser）取得该项技术的发明专利后，于1960年正式展出了实物1。 谐波齿轮传动技术于1961年由上海纺织科学研究院的孙伟工程师引入我国。此后，我国也积极引进并研究发展该项技术，1983年成立了谐波传动研究室，1984年“谐波减速器标准系列产品”在北京通过鉴定，1993年制定了gb/t 14118-93谐波传动减速器标准，并且在理论研究、试制和应用方面取得了较大的成绩，成为掌握该项技术的国家之一2。到目前为止，我国已有北京谐波传动技术研究所、北京中技克美有限责任公司、燕山大学、郑州机械研究所、北方精密机械研究所等几十家单位从事这方面的研究和生产，为我国谐波传动技术的研究和推广应用打下了较坚实的基础谐波齿轮传动是利用柔性构件的弹性变形波进行运动或动力传递的一种新型传动装置，谐波齿轮减速器一般是由波发生器、柔轮和刚轮所组成的4。其优点有: (1) 结构简单，零件少，体积小，重量轻。与传动比相当的普通减速器比较，其零件约减少50%，体积和重量均减少1/3. （2) 传动比大，传动比范围广。单级谐波减速器传动比可在50300之间，双级谐波减速器传动比可在300060000之间，复波谐波减速器传动比可在100140000之间。 （3）由于同时啮合的齿数多，齿面相对滑动速度低，使其承载能力高，传动平稳且精度高，噪声低。 （4）谐波齿轮传动的回差较小，齿侧间隙可以调整，甚至可以实现零侧隙传动。 （5）在采用如电磁波发生器或圆盘波发生器等结构型式时，可获得较小的转动惯量。 （6）谐波齿轮传动还可以向密封空间传递运动和动力，采用密封柔轮谐波传动减速装置，可以驱动工作在高真空、有腐蚀性及其它有害介质空间的机构。 （7）传动效率较高，且在传动比很大的情况下，仍具有较高的效率。目前，国外小模数精密谐波齿轮减速器多采用短筒柔轮、其体积小、重量轻、承载能力高；我国采用的还是普通杯型柔轮，还没有生产短筒柔轮谐波齿轮减速器4。我国谐波齿轮减速器尺寸大，承载能力反而小。国外短筒柔轮谐波齿轮减速器的体积仅是我国相同外径产品的30%左右，而承载能力（转矩）却是我国相同外径产品的1.392倍6。我国杯形柔轮的轴向尺寸比国外短筒柔轮的轴向尺寸要大得多。要在承载能力不变的情况下减小装置的体积，就应该下功夫研究短筒柔轮及其传动装置。另外，国外小模数谐波齿轮传动装置中的齿轮精度一般比我国的齿轮精度高2级，运动精度和回差精度能够小于3，而我国产品的回差一般都在6以上7。2 传动装置的总体2.1 确定传动方案谐波齿轮传动就其本质来说, 是属z-x-v 型行星齿轮传动。其工作原理如图1 所示, 它是由三个元件组成的, 即波发生器、柔轮和刚轮。其中任何一件均可固定不动, 其余两件作为输入件和输出件它可作为减速器使用, 也可作为增速器使用。通常, 刚轮为内齿轮, 固定不动; 波发生器为椭圆凸轮( 或双滚轮) , 作输入轴; 柔轮为外齿轮, 作输出轴; 而且大都采用2波传动, 即波发生器转1 转, 柔轮变形两次; 也即刚轮与柔轮的齿数差为2。若将波发生器装在柔轮中, 将使柔轮变为椭圆形, 此时, 处于长轴的齿将与刚轮齿接触啮合, 而处于短轴的齿则与刚轮齿脱开。当波发生器回转时, 将迫使柔轮齿依次同刚轮齿啮合, 由于相差2 齿, 故发生器转1 转, 将使柔轮在相反方向转过2 齿, 从而获得减速运动。图1 工作原理fig 1 working principle本设计采用钢轮固定不动，波发生器作输入轴，柔轮作输出轴。柔轮的结构型式主要有杯形、环形和钟形三种。经常采用的是杯形柔轮,本设计也采用了杯形柔轮，其结构如图2 所示。图2 柔轮结构简图fig 2 flexible wheel structure diagram杯形柔轮虽然工艺性较差，但结构简单，联接方便，刚性好，传动精度高。波发生器的结构型式主要有双滚轮式、四滚轮式、偏心盘式、柔性轴承凸轮式等。经常采用的是柔性轴承凸轮式或双滚轮式波发生器。其结构如图3所示。图3 凸轮式和双滚轮式波发生器fig3 cam and double wheel wave generator柔性轴承凸轮式波发生器能全面控制柔轮变形, 承载能力大, 刚度好, 适于标准化批量生产。双滚轮式波发生器结构简单, 制造方便, 但承载能力低, 适于单件生产。本设计采用凸轮式波发生器。本设计的主要性能指标为：传动比80、输入转速2800r/min、输入转矩40nm。单级传动的传动比为75-500，能够满足传动比要求，且结构建东效率较高，所以本设计采用单级传动。综上所述，传动方案采用双滚轮波发生器，钢轮固定，波发生器输入，柔轮输出的单级谐波齿轮传动。2.2 传动比的计算及钢轮柔轮的齿数以下所有公式与表格均出自此轮手册第9篇此处已删除 刚轮常用的刚轮结构主要有环状和带凸缘的两种。环状刚轮的结构简单，加工方便，制造成本低，故通用性广；带凸缘的刚轮可利用凸缘径向定位，因而安装定位比环状刚轮灵活、方便，但加工略较复杂。刚轮齿宽一般比柔轮齿宽大25mm，刚轮齿圈的厚度应保证有一定的径向刚度。环状刚轮和带凸缘的刚轮结构尺寸的推荐值见下表：(mm)表2 环状刚轮的结构尺寸table 2 circulardrumstructuresize机型agq2593463.5m332104363.5m340115164.5m450126264.5m460147565.5m5801810066.5m61002412069m812028150611m1016038195613m1220040240618m162555295621m18表3 带凸缘刚轮的结构尺寸table 3 flangeddrumstructure size机型bcagq32,40821250443863.5501432070605463.5601632285756764.580203261101009065.51002543313512011066.51203043817015013569160405502151951776112005066226524021861125060672330290272614本设计选择带凸缘的刚轮结构，根据之前计算的刚轮轮齿的几何尺寸，从表3中选择型号160的刚轮。图7 刚轮fig 7 rigid wheel4.2波发生器4.2.1 柔性轴承的结构实践表明，使谐波齿轮减传动的承载能力、工作性能、及寿命收到限制的又一薄弱环节是柔性轴承。谐波齿轮传动工作时，柔性轴承的外环不断反复变形，因此常出现的破换形式是是外环的疲劳断裂。而内环在装配时只是一次变形，故常出现的破坏形式是点蚀。除此之外，保持器设计制造不合理也会产生断裂或运动干涉。因此，正确的设计及确定柔性轴承的结构尺寸，严格保证材料的性能质量（我国制造柔性轴承的材料选用zgcr15军用甲级钢。严格按军用技术条件检验其化学成分和控制碳化物偏析等级）、合理的制造工艺，是保证柔性轴承寿命及其性能的关键。柔性轴承外环与柔轮内孔的配合为；柔性轴承的内环的内环与凸轮的配合取。如果柔性轴承装入柔轮内孔过紧，竟会引起远见内应力增加，发热，使轴承效率降低，最后导致破坏。柔性轴承外环的硬度为5560hrc,内环的硬度为6165hrc。本设计采用内、外环为等壁厚的柔性轴承，这种柔性轴承的外环两端可倒角，以改善柔轮齿圈的应力集中。同时在承载时柔轮内壁不会因为扭转变形翘曲使轴承划伤柔轮内壁。其几何尺寸： 常取 柔性周琛外径 钢球直径 钢球数 滚道深度 外环滚道半径 内环滚道半径 b柔性轴承宽度 柔性轴承内径 我国生产的谐波齿轮减速器用柔性球轴承规格以标准化，在齿轮手册列出供选择，本设计根据柔轮尺寸选择型号2000921akt2的柔性求轴承。其外形尺寸（mm）和额定值如下： 外径d=145 内径d=105 宽度b/c=24 最大径向变形1.1 输入转速3000r/min 输出力矩800nm通过给出的数据求得其他结构尺寸： =2.9 =21 0.79 4.2.2 保持器保持器多采用尼龙整体式保持器，我国在一些大功率动力谐波传动中，还有用黄铜的分离块式保持器。概括说来，在设计保持器时，应注意当柔性套在凸轮上变形时后，要求保持器内径不应与柔性轴承内环变形后处于长轴处的外表面相碰（或只允许在长轴处两端表面各一点接触）。而保持器的外径不应与柔性轴承外环变形后短轴处的内表面相碰（或只允许在短轴处两端各一点接触，即四点定位）。此时，保持器的孔径应不干涉柔性轴承球的运动轨迹，且应有一定间隙。常见的保持器结构：a型保持器，此种保持器结构简单，制造容易，装拆方便，但径向无法定位，有游动摩擦现象。b型柱面定位保持器，此种结构简单，加工方便，为国内外通用结构之一。c型球面定位保持器，此种结构效率高、强度好。但保持器的制造复杂（模具的设计制造要求精度高）。目前我国通用谐波齿轮减速器标准系列中柔性轴承的保持器采用了此种。d型保持器四点定位保持器，此种结构采用四点（长、短轴各两点）定位，消除了保持器径向游动，减小内外环的摩擦，因此提高了和运动精度。本设计采用c型球面定位保持器。4.2.2 凸轮图8 凸轮fig 8 cam凸轮的结构形式和集合尺寸已在章节2.4中说明。5 柔轮的疲劳强度验算与稳定性校核计算柔轮强度时，由于联接端的边界效应、参与啮合的实际齿对数、齿间的载荷分布规律、以及轮齿对柔轮体内应力分布的影响比较复杂，加之柔轮受载时的畸变影响等，柔轮的应力状态很难精确估计，为了简化强度计算，往往把柔轮简化为一个光滑圆柱壳体进行应力分析，然后在根据实验结果进行适当的修正。柔轮的应力分析是以四力作用形式的数学模型为出发点的。根据圆柱壳体理论，可求得：轴向应力 (24)周向应力 (25)切应力 (26)由作用在柔轮上的转矩所产生的剪应力为： (27)式中 最大径向变形量 s柔轮齿圈处的壁厚 柔轮中性圆半径 l柔轮体的计算长度 e材料的弹性模量 泊松比，取=0.3 、正应力和切应力系数，其计算式为： (28) (29)谐波齿轮触动工作时，柔轮处在变应力状态下工作。由分析可知，正应力基本上呈对称变化，而切应力呈脉动变化。若以分别正应力和切应力的应力幅和平均应力，则： (30)于是，安全系数可按下式计算： (31)其中： (32) (33)式中：、正应力和切应力作用时的安全系数 、材料在对称循环时的弯曲和剪切疲劳极限（n/） 由材料的特性查表得 考虑轮齿影响正应力有效应力的集中系数，按下式确定 (34)上式试用于； 切应力的有效应力集中系数，取。 为防止承载过大时柔轮筒体失稳，故需对柔轮筒体的稳定性机型校核。表征筒体不失稳时扭转力的临界值为 (35)柔轮筒体不失稳的条件为 (36)式中 将数据带入式（5.1）(5.13),求得s=1.72，均满足式（5.8）和（5.13）。故柔轮的结构尺寸符合要求。6 柔性轴承的寿命计算对于凸轮波发生器用的柔性球轴承，由于其钢球的直径与座圈滚道曲率半径间的集合关系与一般的滚动轴承相类似，因而柔性轴承的额定动载荷仍可按一般滚动轴承的公式计算。利用一般滚动轴承额定动载荷的计算关系，将钢球直径的值代入，并取钢球数为23及（式中取决于零件的几何关系，制造精度和材料品质的系数），参照式（63.2.3-2），可得出柔性球轴承的寿命计算式：当时 (37)当时 (38)柔轮分度圆直径输入转矩代入数据，求得6.64h7 传动效率估算 谐波齿轮传动的效率，最可靠的确定办法是实测，由于计算确定的值只可能是近似的。这是因为：减速器的具体情况，其细微差别很大；计算模型总是加以简化的；摩擦因数不易选准，等等。实际情况比简化了的计算要复杂得多，有些影响因素，难于列入计算式。但是，估算还是必要的。根据理论分析和实测表明，谐波齿轮传动的效率与如下众多的因素有关，如：1） 传动比2） 轮齿啮入深度3） 波数4） 钢、柔轮齿槽宽窄的比列5） 齿形角（或变位系数）6） 滚动和华东摩擦系数7） 回差值8） 柔轮的最大径向变形量和柔轮的弯曲刚度9） 转速10)负载大小11)减速器的结构和加工精度12）润滑剂的种类、有无搅油损失，等等。上述诸多因素中，4）、7)、9)、11）、12）在计算式中未加考虑。为了简化计算，对于常用的单级和复式谐波齿轮减速器，不论波发生器的类型和具体结构如何，其效率均统一近似的用一套公式计算。对于杯形柔轮，其变形力（滚轮式）可近似按下式计算： (39)式中 j。 齿圈段界面的惯性矩，考虑到轮齿的影响。以齿槽厚度增大6%8%作为光滑圆环段来计算，即，而=（1.061.08）s； 简体光滑部分的界面惯性矩。取光滑简体长的1/3作为圆环长来计算，即； 相当于光滑简体的圆环长度刚轮固定的减速传动 (40) (41)式中： f滑动摩擦因素，f=0.050.1（根据润滑剂的种类及齿面加工精度适当选择）； 当量滚动摩擦因素，取； r刚轮在平均齿高处的圆周半径（mm） 刚轮齿平均高度处的渐开线压力角 低速轴上的转矩（nm） i传动比的绝对值。带入数据求得传动效率8 低速轴的设计轴的结构工艺性是指轴的结构工艺形式应便于加工和装配轴上的零件，并且生产率高，成本低。一般地说，轴的结构越简单，工艺性越好。因此，在满足使用要求的前提下，轴的结构应尽量简化。为了便于装备零件并去掉毛刺，轴端应制出45的倒角；需要磨削加工的轴段，应留有砂轮越程槽，需切制螺纹的轴段，应留有退刀槽。为了减少装夹工件的时间，同一轴上不同轴段的键槽应布置在同一母线上。为了减少刀具种类和提高生产率，轴上直径相近处的圆角、倒角、键槽宽度、砂轮越程槽和退刀槽应尽可能采用相同的尺寸。本设计的轴只承受扭矩，故最小轴径的计算按扭转强度条件计算。轴的扭转强度条件为： (42)式中： 扭转应力（mpa） t轴所承受的扭矩（nmm） 轴的抗扭界面系数（ n轴的转速，r/min p轴传递的功率（kw） d计算截面处轴的直径（mm） 许用扭转切应力（mpa）本设计轴的材料采用45钢，调制处理，其材料的许用扭转切应力为2545mpa。由公式（7）求得最小轴径为60.68mm。9 结论通过这次毕业设计，我把以前没有用到的和以前比较凌乱的知识，得到了很好的、系统的整理。这让我学到了更多，也让我认识到自己的知识水平是多么的有限。由于知识水平的限制，使得该设计必然存在着许多的不足与缺陷，在以后的工作中我会更加努力的学习专业知识，使自己能够在水利水电设计方面能够不断成长。通过这次毕业设计，我认识到了作为一名机械设计人员应该有着严谨科学的工作态度和对人民负责的重大责任感。这些都成为即将毕业参加工作的我一份宝贵的经验。参考文献1 沈允文，叶庆泰.谐波齿轮传动的理论和设计m. 机械工业出版社,1985(9)：55-722 沈允文.谐波齿轮传动柔轮的实验模态分析j. 1994(1)3 辛洪兵，谢金瑞.谐波传动技术及研究动向j.北京轻工业学院学报,1999.17(1)4 乔峰丽，郑江.机械设计基础m.电子工业出版社,2011