CN102938006B - 一种活齿传动减速器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种活齿传动减速器的设计方法，包括以下步骤：（1）建立活齿传动减速器的基本模型；（2）更新基本模型；（3）建立虚拟样机；（4）获取活齿传动减速器各部件的载荷、位移、速度和加速度；（5）以逆向工程方法求得各个关键参数的理想值；（6）重新确定关键参数的公差；（7）根据关键参数的基本值和公差，完成活齿传动减速器工程图纸的设计。本发明在保证减速器的传递效率、回差等关键功能的情况下，可以大幅度的缩短研发时间。本发明将分析与图纸结合，使虚拟样机技术真正结合实际生产，完成分析、计算、出图和生产的一体性设计。本发明可以更合理的进行公差分配，以最大的公差范围实现减速器功能，并可大大降低生产成本。

Description

一种活齿传动减速器的设计方法

技术领域

本发明属于减速器领域，具体涉及一种活齿传动减速器的设计方法。

背景技术

减速器是一种动力传达机构，利用齿轮的速度转换器，将电机（马达）的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩的机构。在目前用于传递动力与运动的机构中，减速器的应用范围相当广泛。几乎在各式机械的传动系统中都可以见到它的踪迹，从交通工具的船舶、汽车、机车，建筑用的重型机具，机械工业所用的加工机具及自动化生产设备，到日常生活中常见的家电，钟表等等。其应用从大动力的传输工作，到小负荷，精确的角度传输都可以见到减速器的应用，且在工业应用上，减速器具有减速及增加转矩功能。因此广泛应用在速度与扭矩的转换设备。

减速器的种类繁多，按照传动类型可分为齿轮减速器、蜗杆减速器和行星齿轮减速器等。活齿传动减速器是齿轮减速器中的一种，它是一种用来传递两同轴间回转运动的新型传动。这种传动装置利用一组中间可动件来实现刚性啮合，传递同轴线两轴间的运动和动力，具有结构紧凑、传动比范围广、承载能力大、传动效率高等优点。

以往的活齿传动减速器设计都是人工来完成，设计者通过设计目标去设计结构零部件的尺寸、公差以及工艺要求，并且需要加工制造出实物进行反复的调整尺寸及公差才能逐步逼近设计目标。这个过程对于有多年经验的工程师来说都需要好几年甚至更长时间来完成，期间的成本花费是个庞大的数目，从而导致了减速器的设计研发周期相当长，已经越来越不能满足工业化的需求。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种可大幅度的缩短研发时间的活齿传动减速器的设计方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种活齿传动减速器的设计方法，包括以下步骤：

（1）以活齿传动减速器实物为参照，建立活齿传动减速器的三维基本模型；

（2）根据所述三维基本模型建立机构简图，并将所述机构简图导入到公差管理软件中分析，在保证功能的基础上选取最大的公差；并根据所述最大的公差更新机构简图和三维基本模型；

（3）将更新后的三维基本模型导入到ADAMS软件中，根据动力学理论和减速器结构建立活齿传动减速器的虚拟样机；

（4）通过虚拟样机分析获取活齿传动减速器各部件的载荷、位移、速度和加速度；

（5）以活齿传动减速器的理想传递效率为设计目标，根据步骤（4）中的求得的结果，以逆向工程方法求得各个关键参数的理想值；其中，所述关键参数包括活齿半径、激波环半径、偏心距、销半径、活齿个数、静摩擦系数、动摩擦系数、脱扣力、碰撞刚度系数、碰撞阻尼系数、碰撞指数和碰撞穿透深度。

（6）根据步骤（5）获得的各个关键参数的理想值，更新活齿传动减速器的三维基本模型；之后通过该三维基本模型再次建立机构简图，用公差管理软件重新确定各个关键参数的公差；

（7）根据步骤（5）获得的各个关键参数的基本值，以及步骤（6）获得的各个关键参数的公差，完成活齿传动减速器工程图纸的设计。

本发明所述的活齿传动减速器设计方法以虚拟样机参数化的方式结合多体运动学仿真和公差分析制定关键尺寸和公差，在保证减速器的传递效率、回差等关键功能的情况下，可以大幅度的缩短研发时间。本发明将分析与图纸结合，使虚拟样机技术真正结合实际生产，完成分析、计算、出图和生产的一体性设计。本发明可以更合理的进行公差分配，以最大的公差范围实现减速器功能，并可大大降低生产成本。

附图说明

图1为滚柱活齿传动减速器的局部结构图；

图2为滚柱活齿传动减速器的整体结构图；

图3为活齿传动减速器设计方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

本实施例以滚柱活齿传动减速器为例进行说明，并基于ADAMS动力学仿真分析软件实现设计过程。

滚柱活齿传动减速器的结构如图1-2所示，滚柱活齿传动由中心轮K、活齿轮G和激波器H三个基本构件组成。激波器H几何中心为B，转动中心为0。活齿轮G由活齿架及其径向导槽中的一组滚柱活齿(轴承滚柱)所组成。中心轮如果与机座固联，则运动的输出最终由活齿架完成，活齿架与输出轴的联接可以是整体的，也可以是装配的。滚柱活齿传动原理为：当驱动力输入后，输入轴以等角速度顺时针转动，它带动激波器使其几何中心B绕固定中心O转动，激波器半径变化的轮廓曲线产生径向推力，迫使与中心轮工作齿形接触的滚柱1至滚柱8在沿活齿架径向导槽移动的同时沿着中心轮工作齿廓滑滚，并通过活齿架的径向导槽推动活齿轮G以等角速度逆时针转动，于是滚柱活齿传动完成了转速变换运动。而与中心轮非工作齿廓接触的诸滚柱活齿，在活齿架径向导槽的推动下，顺序地返回工作起始位置。

本发明提供了一种活齿传动减速器的设计方法，总体设计思想为：先在PRO/E等建模软件中建立三维模型，再根据三维模型建立机构简图导入到TM等公差管理软件中分析，在保证功能的基础上取合理的公差。以最大的公差去满足产品功能，分析完后得到新的机构简图从动三维模型更新，将更新好的三维模型导入到ADAMS中进行动态分析，以效率为最终优化目标得到新的关键尺寸，同时将新的关键尺寸导回到PRO/E三维中再一次进行TM分析满足功能，将TM得到的公差和ADAMS优化后得到的最新尺寸对图纸进行更新。从而整个系统形成闭环系统，在得到产品优化性能的基础上取到合理的公差，形成功能和成本的双盈。

具体实现包括以下步骤：

（1）以一种现有的活齿传动减速器（比如滚柱活齿传动减速器等）实物为参照，利用PRO/E、UG等CAD建模软件，建立活齿传动减速器的三维基本模型；

（2）根据所述三维基本模型建立机构简图，并将所述机构简图导入到公差管理软件（比如Tolerance Manager软件，简称TM软件）中分析，在保证功能的基础上选取最大的公差；并根据所述最大的公差更新机构简图和三维基本模型；

（3）将更新后的三维基本模型导入到ADAMS软件中，根据动力学理论和减速器结构建立活齿传动减速器的虚拟样机；

虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术揉合在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该产品的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计，提高产品性能的一种新技术。如何建立活齿传动减速器的虚拟样机为本领域的公知技术，本发明中不再赘述。

建立虚拟样机过程中需要的运动副如表1所示。

表1

运动副名称	构件1	构件2	驱动
				铰链副	齿圈	大地	-
固定副	活齿架	大地	-
				铰链副	传递齿轮1	大地	-
铰链副	传递齿轮2	大地	-
				铰链副	传递齿轮3	大地	-
齿轮副	传递齿轮1	主轴	-
				齿轮副	传递齿轮2	主轴	-
齿轮副	传递齿轮3	主轴	-

铰链副	激波环	大地	-
				铰链副	主轴	大地	驱动马达
共面	销	指定面	-

建立虚拟样机过程中所用的动力学方程建立方法如下：

选取系统内每个刚体质心在惯性参考系中的三个直角坐标和确定刚体方位的三个欧拉角作为笛卡尔广义坐标，用带乘子的拉格朗日第一类方程处理具有多余坐标的完整约束系统或非完整约束系统，导出以笛卡尔广义坐标为变量的动力学方程，以这些动力学方程来建立运动副约束各部件的自由度。其动力学集成方程为：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{.}{P}-\∂T/\∂q+{{\mathrm{\Φ}}_q}^T\mathrm{\λ}+H^{T}F=0\\ P=\∂T/\∂\stackrel{.}{q}\\ u=\stackrel{.}{q}\\ \mathrm{\Φ}(q,t)=0\\ F=f(u,q,t)\end{array}\right.$

其中，q为建立的广义坐标，T为系统广义坐标表达的动能，P为系统的广义动量；H为外力的坐标转换矩阵，F为外力，Φ(q，t)为约束方程，Φq为雅克比矩阵，λ为拉格朗日乘子，u为运动学关系方程。

（4）通过虚拟样机分析获取活齿传动减速器各部件的载荷、位移、速度和加速度；其中，需要向ADAMS软件中输入初始条件，包括初始位移、速度、加速度等，再利用求解器求得需要的载荷、位移、速度、加速度完成计算。

（5）以活齿传动减速器的理想传递效率为设计目标，根据步骤（4）中的求得的结果，以逆向工程方法求得各个关键参数的理想值；

其中，所述关键参数包括活齿半径、激波环半径、偏心距、销半径、活齿个数、静摩擦系数、动摩擦系数、脱扣力、碰撞刚度系数、碰撞阻尼系数、碰撞指数和碰撞穿透深度等。所述理想传递效率为根据实际需求设定的一个数值。

逆向工程方法可以采用如下方法计算：

首先求取minJ(x，μ)，μ为关键参数，J为理想传递效率；

由上式可得：

g(x，μ)≤0

获取设计目标的导数函数，g(x,u)为约束限制条件，当J的导数函数取得0时得到最优值，由于J函数为非线性方程，使用迭代方式计算。

u⁽ⁱ⁺¹⁾←u⁽ⁱ⁾-αS

S＝HΔJ

ΔJ为J的梯度，H为通过牛顿方法建立J的海森矩阵，α为步长大小，S为搜索方向。通过确定一维搜索方向和步长不断的重复寻找使得J的导数趋向0，得到最优解。

（6）根据步骤（5）获得的各个关键参数的理想值，更新活齿传动减速器的三维基本模型；之后通过该三维基本模型再次建立机构简图，用TM软件重新确定各个关键参数的公差；

（7）根据步骤（5）获得的各个关键参数的基本值，以及步骤（6）获得的各个关键参数的公差，完成待设计活齿传动减速器工程图纸的设计。

以上所述为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的等同变化，皆应属本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种活齿传动减速器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)以活齿传动减速器实物为参照，建立活齿传动减速器的三维基本模型；

(2)根据所述三维基本模型建立机构简图，并将所述机构简图导入到公差管理软件中分析，在保证功能的基础上选取最大的公差；并根据所述最大的公差更新机构简图和三维基本模型；

(3)将更新后的三维基本模型导入到ADAMS软件中，根据动力学理论和减速器结构建立活齿传动减速器的虚拟样机；

(4)通过虚拟样机分析获取活齿传动减速器各部件的载荷、位移、速度和加速度；

(5)以活齿传动减速器的理想传递效率为设计目标，根据步骤(4)中的求得的结果，以逆向工程方法求得各个关键参数的理想值；其中，所述关键参数包括活齿半径、激波环半径、偏心距、销半径、活齿个数、静摩擦系数、动摩擦系数、脱扣力、碰撞刚度系数、碰撞阻尼系数、碰撞指数和碰撞穿透深度；

(6)根据步骤(5)获得的各个关键参数的理想值，更新活齿传动减速器的三维基本模型；之后通过该三维基本模型再次建立机构简图，用公差管理软件重新确定各个关键参数的公差；

(7)根据步骤(5)获得的各个关键参数的基本值，以及步骤(6)获得的各个关键参数的公差，完成活齿传动减速器工程图纸的设计。