1、1 绪论1.1 前言近代工业技术日新月异的迅猛发展，迫使机械传动技术推陈出新，以适应现代社会的需求，特别是对其技术经济性能要求越来越高。常用的圆柱齿轮传动一级传动比小、体积大、结构笨重；普通蜗杆传动在大功率传递时效率较低，而少齿差行星传动由定轴传动改为动轴传动，采用功率分流并合理应用内啮合，以及采用合理的均载装置，使其具有许多显著的优点，主要体现在重量轻、体积小、结构紧凑、传动比范围大、承载能力高、效率高。因此，少齿差行星传动技术的应用日渐广泛，本设计研究的新型少齿差行星齿轮减速机是在综合分析研究了现有减速机技术发展的基础上进行改进，为了适应对机械传动技术提出的新要求而改进设计的一种传动装置，
2、具有新的特点。1.2 关于少齿差行星传动技术的发展4 1436齿轮传动是机械传动中最重要的，也是应用最广泛的一种机械传动型式。齿轮和齿轮装置的质量，直接影响着机械产品的质量，寿命和性能。齿轮传动可以实现平行轴，相交轴和交错轴之间的传动等多种空间传动方式。齿轮技术在一定程度上标志着机械工程技术的水平，被公认为是工业和工业化的象征。少齿差行星传动是一类特殊形式的行星传动方式，它由一个行星外齿轮和一个内齿轮组成一对内啮合齿轮副，其内外齿轮齿数差很小，现在已开发出多种形式的少齿差行星传动装置，若按行星轮齿区分：其一是摆线针轮行星传动，它以外摆线为齿廓曲线，其中的一个齿轮采用针轮形式，摆线针轮行星齿轮传
3、动由于其主要零件皆采用轴承钢并且经过磨削加工制成，传动时又是多齿啮合，故其承载能力高、运转平稳、效率高、寿命长，但其加工精度要求高，结构复杂。20 世纪 30 年代后期在日本开始了此种齿轮的研制生产，60 年代摆线磨床的出现，更加促进了这种传动的发展。中国从 1958 年开始研究摆线针轮减速机，60 年代投入工业化生产，目前已形成系列，制订了相应的标准，并被广泛应用于各类机械设备中；其二是渐开线少齿差传动，其原1太原工业学院毕业设计理与摆线针轮少齿差传动的原理基本相同，区别在于：渐开线少齿差传动的内外齿轮的齿廓曲线采用渐开线，轮齿结构简单，啮合接触应力小，可采用软齿面，避免了复杂的热处理及精加
4、工工艺，制造成本较低，但传动效率没有摆线少齿差行星传动高。1949 年，前苏联学者 Skvolzova 从理论上解决了实现一齿差传动的几何计算问题，60 年代以后，随着计算机的普及应用，渐开线少齿差传动得到了迅速的发展。中国 50 年代开始在太原等地研制渐开线少齿差传动，并于 1960 年制成第一台二齿差渐开线行星齿轮减速机，传动比为 37.5，输入功率为 16KW，用于桥式起重机的提升机构中。1963 年，太原工学院朱景梓教授发表题为齿数差 的渐开线 K-H-V 型行星齿轮减速机及其设计的论文,详细论述了这种减速机的啮合原理和设计方法。1979 年出版的张展主编的渐开线少齿差行星齿轮减速机一
5、书，促进了这一种传动形式的发展。近十几年来，相继出现了一些新的少齿差传动形式，其中发展较快的有活齿少齿差传动、锥齿少齿差传动、双曲柄输入式少齿差传动和谐波传动。实践表明：少齿差传动具有体积小、质量轻、结构紧凑、传动比大、效率高等优点，广泛应用于矿山、冶金、飞机、轮船、汽车、机床、起重运输、电工机械、仪表、化工、轻工业、医药、农业机械等许多领域，少齿差减速机有着广泛的发展前景。1.3 模糊可靠性优化概述5在机械设计过程中，模糊性现象是普遍存在的，诸如舒适、美观、安全等一些在多方案评价过程中经常使用的评价标准均无法量化，而只能用好、一般或差来描述。对这些含义不确切，边界不清楚的模糊概念，可以采用评
6、分法或模糊评价法来处理，评分法运算简单方便，但由于在处理过程中采用了人为的模糊信息匹配，即使采用集体评分法也不可避免存在一定的主观臆断性。而模糊评价通过模糊数学方法将模糊信息数值化后进行定量评价，充分利用了人脑对模糊现象做出的正确判断，从而使对系统综合评价的结果更加科学合理。产品的可靠性是国民经济几乎所有的领域都十分关注的问题，可靠性工程已经并仍将在国民经济各个领域中起巨大作用，狭义的可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力，广义的可靠性是指产品在其寿命期内完成规定的能力，它包括狭义可靠性和维修性。这里所说的产品是指作为单独研究和分别实验的对2太原工业学院毕业设计象,它可以
7、是元件、零件、设备或系统等。产品完成功能能力的大小是以概率来表示的。传统的可靠性理论是以普通概率论和数理统计为数学基础的，在这里我们称它为经典可靠性。随着可靠性研究的深入，人们的认识层次由单纯的随机性进入到与模糊性相互渗透的阶段。这时，经典可靠性的一些传统观念和方法已经不能满足人们对产品可靠性的要求。主要表现为：（1）经典可靠性的传统观念与人类思维方式的差异；（2）经典可靠性的传统研究方法与系统复杂化的矛盾；（3）经典可靠性的传统观念和方法与模糊系统的不相容性。经典可靠性陷入上述困境的根本原因是它将复杂的、模糊的系统可靠性问题简单地视为精确的数学问题，因此，摆脱这种困境的关键是：能否找到一种既
8、可保留系统的复杂性和模糊性，又能正确描述系统的真实状态的新的数学工具,这种数学工具就是模糊数学。1965 年，美国控制专家查德(Zadeh)创立的模糊数学理论，使人们对事物的认识从单纯的随机层次进入到随机性和模糊性并存的阶段。模糊性是由于事物的边界不清晰造成的。模糊数学理论的引入，为我们准确地描述和定义这些模糊事件提供了数学工具。基于模糊数学理论和可靠性分析的优化设计方法同时考虑设计参数所具有的随机性和模糊性，因而能得到更加科学、合理和符合客观实际的设计方案。模糊可靠性优化方法是常规可靠性设计和优化设计方法的深化，它的深入研究和推广应用对提高机械零部件的设计水平和产品质量将具有重大的意义。对少
9、齿差减速机的设计引入模糊可靠性优化设计，能够充分发挥少齿差传动的优点，提高效率，减低成本。1.4 本文研究的主要内容和方法本文对新型少齿差减速机从传动原理、力学分析、结构设计、优化处理等方面进行了相关研究。并对平行四边形偏心平动产生的的冲击和振动，高速偏心轴的动平衡，以及输出结构的均载等问题也做了部分探讨。利用工程软件 SOLIDWORKS 进行立体建模。在优化设计这部分，对其中的主要部件进行了模糊可靠性优化设计。在设计中充分利用了分析软件 MATLAB 帮助设计工作的完成，使设计的和可靠性都大大提高。3太原工业学院毕业设计2 新型少齿差减速机的传动特点2.1 概述本文进行的新型少齿差减速机的
10、研究与设计主要采纳了行星传动，双曲柄输入，偏心差动等设计思想，并在结构上合理地借鉴了三环减速机的部分设计。2.2 设计思想的形成428现有通用减速器主要指圆柱齿轮减速器，行星齿轮减速器，摆线针轮减速器和蜗轮蜗杆减速器。前两种系齿轮减速器，应用最为普遍。属于定轴传动的圆柱齿轮减速器，输入和输出轴互相平行；属于动轴传动的行星渐开线齿轮减速器和摆线针轮减速器，输入和输出轴在一轴心线上，通称同轴减速器。到 20 世纪五十年代，除蜗轮蜗杆减速器外，大多数采用平行轴圆柱齿轮减速器。六十年代，同轴传动的少齿差行星齿轮减免器和摆线针轮减速器，也随少齿差啮合原理及其输出机构的研究逐步深入而相继得到发展，至今，中
11、小型传动同轴与平行轴减速器用量相近。平行轴减速器历史悠久，优点在于结构简单，适应性强。不足之处是单级传动比小，一般不超过 6.3，而且是一对齿啮合，欲加大传动比，就得加级，相应体积增大。单位体积和重量的承载能力较低。同轴行星减速器，尤其是少齿差渐开线齿轮和摆线针轮减速器，远比平行轴圆柱齿轮的传动比大，单位体积和重量的承载能力强。其中摆线针轮减速器用量最大。为提高性能，已开发出新的系列。然而，同轴行星传动中有行星架，均载机构或输出机构，而且材质要求高，还需使用硬齿面，这就增加了制造难度和成本。同轴行星传动主要零件都得包容在齿圈内，结构受到严格限制，因此不可能设计出合理尺寸，造成寿命短，耐冲击载荷
12、性差等缺点。更新型的谐波，活齿等减速器，由于目前还没有很好满足机构要求的材质，所以使用还不普遍。平行轴圆柱齿轮减速器，不受同轴减速器机构限制，传动均可用双点支承，装修简便，互换性好，大中小均适用。为提高单位体积和重量的承载能力以及扩大传动比,正在推广中硬齿面或硬齿面多级传动，我国已有相应产品。4太原工业学院毕业设计如上所述，齿轮都要高硬度，高精度，对材质，制造工艺，检验措施都有高要求，造价比软齿面高数倍。行星齿轮和摆线针轮减速器受结构限制，互换性差，往往一个零件损坏，迫使全部传动件报废。由于制造原因，这类传动不适合非标设备要求。蜗轮蜗杆传动，弧齿，双弧齿和双包络蜗杆，比阿基米德蜗杆优越。蜗杆传
13、动单级传动比也较大可达 70，但随传动比增大效率明显下降。20 世纪七十年代后期出现了一种新型减速器(P2731486912.CN85106692.5)：如图2-1 所示：两根各有三个互成 120 度偏心的高速轴，三片带内齿的环板和输出轴的外齿轮啮合，各轴均通过轴承支承在机体上。三环减速器以少齿差原理工作，具有传动比大(一级可达 99)结构简单，重量轻，传动效率高（可达 )等优点。图 2-1 三环减速器结构示意图动力由一根或两根高速轴输 3 入，高速轴 3 转动时，其上的三个偏心各带动一块传动板 2，传动板 2 上的内齿轮中心线绕低速轴 2 的中心线旋转与高速轴 3 相反方向转动。三环减速器在
14、结构上有很大突破,但是由于高速轴 3 上的三个偏心互成 ，三个传动板 1 上的齿的中心线必须互错 个齿，如图 2-2 所示。5太原工业学院毕业设计图 2-2 三环减速器传动示意图当 齿侧间隙时，三块环板上的齿就会和低速轴上齿轮的齿相互干涉不能传动。当 齿侧间隙时，三块环板上的内齿不能和低速轴上齿轮的齿同等工作。只有当 时,才能达到理论上的三块环板同等受力，实现功率分流，由于制造误差 不可能绝对等于 0，因此实现功率分流难度极大。当一块传动板的 减去其他传动板的变形小于 0 时，该传动板才参与工作，要达到此条件就必须提高加工精度，给制造带来很大困难，成本也会大幅度上升。受其机构限制，互换性极差，
15、当一个零件损坏，几乎整个机芯都要报废，制造、使用、维修都不方便。中国专利 CN89213292.2 两曲柄单环板少齿差行星减速器如图 2-3 所示：输入轴 1、输入附轴 5、少齿差啮合的传动外齿轮 3、输出轴 4、内齿环板 2 构成主传动机构；由两个齿轮 6 和一个惰轮 7 构成克服曲柄机构死点的机构。1、2、3、4、5 的工作原理和三环减速器相同，由于只有一个内齿环板 2 和外齿轮 3 啮合，不存在 的问题，也就不存在齿的受力不均问题。虽然传动合理了，但是由于只有一块内齿环板2 参与工作，在偏心力作用下产生严重振动，不适应于一般机械传动。6太原工业学院毕业设计图 2-3 两曲柄单环板少齿差行星减速器示意图为了解决严重振动问题，中国专利 CN91230087.6，如图 2-4 所示：在专利CN89213292.2 的基础上，改成内齿环板互成 同时和外齿轮啮合，振动解决了，但又出现了 制造误差，即 不等于 O，其实质与专利 CN85106692.5 存在相似问题。图 2-4 内齿环板互成 行星减速机示意图在综合分析研究了现有
