弧面凸轮行星机构传动分析与三维建模研究

摘要

本文针对球形齿弧面凸轮行星机构，采用理论研究与样机分析验证的方法，以完善传动啮合理论、寻求复杂空间齿廓高效精确建模方法、验证机构传动形式与特性为目的，研究了机构的传动方式、啮合理论、压力角、建模新方法，并分析了其虚拟样机以及3D打印实体样机等，研究补充完善了机构传动啮合方面的理论知识，为机构的模型建立提供了新的思路，也为进一步研究做了铺垫。本文主要工作内容如下： （1）介绍了弧面凸轮行星机构的结构组成以及结合机构简图对机构可实现的两种不同传动形式进行分析，得到不同传动形式下的传动比计算公式以及各构件之间正确的啮合条件和装配条件。通过建立空间坐标系推导了行星轮与内外弧面凸轮接触时的啮合方程、接触线方程，以及内外弧面凸轮的齿面方程，为后文研究做准备。 （2）作为啮合理论方面的补充，针对球形齿的弧面凸轮行星机构，结合一般弧面凸轮的压力角计算方法，分别对内弧面凸轮作为动力输出构件时，行星轮与内外弧面凸轮啮合时的压力角，以及行星架作为动力输出构件时，行星轮与内外弧面凸轮啮合时的压力角公式进行推导，确定其压力角影响因素，采用正交试验分析了各压力角影响因素对压力角的相对影响的大小，利用统计得到的三个压力角的值进行同向对比，总结出同一因素对于整机压力角的影响规律。 （3）探索了针对具有复杂空间曲线的弧面凸轮行星机构的三维建模方法。在Creo中，采用模拟加工路径法以及模拟运动轨迹法分别建立得到弧面凸轮行星机构的整机模型，模拟装配并进行干涉检查，模拟加工法得到的模型存在一定的干涉，模拟运动法得到的模型无干涉。在此基础上验证了模拟运动法同样适用于可装配多种行星轮数目的弧面凸轮行星机构，并应用于鼠笼式新机构的模型建立。 （4）利用模拟运动法得到的各构件模型，在Creo中建立了虚拟样机，进行两种运动形式下的运动学仿真和各构件传动速度测量，通过Ansys Workbench分析了6齿和3齿不同啮合点数下，各构件应力分布的情况。利用3D打印技术分零件打印再组装得到的实体样机进行实际传动。通过对虚 拟样机和实体样机的分析和研究，验证了传动啮合特性与三维建模方法的正确性。 本文以传动啮合分析为基础，主要求解了两种传动形式下的机构压力角及变化规律，结合两种传动规律利用模拟运动法完成机构的精确建模，并通过虚拟样机和实体样机实现了两种传动演示和分析，得到的理论结论和样机将有助于后续对机构的进一步研究。

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摘 要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 引言

1.2 机构提出背景

1.2.1 弧面凸轮传动

1.2.2 行星齿轮传动

1.2.3 弧面凸轮行星机构

1.3 研究现状及分析

1.3.1 国内外研究现状

1.3.2 主要问题分析

1.4 主要研究思路和内容

2.1 机构组成

2.2 两种传动形式分析

2.2.1 传动原理

2.2.2 运动机构简图

2.3 传动比及齿啮合位移图

2.3.1 两种传动形式下传动比

2.3.2 齿啮合规律

2.4 各构件啮合条件

2.5 整机装配条件

2.6 传动啮合理论

2.6.1 坐标系设定

2.6.2 坐标系转换

2.6.3 啮合特性方程

2.7 本章小结

3.1 两种传动下压力角计算公式

3.1.1 内弧面凸轮固定，行星架动力输出

3.1.2 行星架固定，内弧面凸轮动力输出

3.2 正交试验探索压力角影响规律

3.2.1 确定影响因素水平表

3.2.2 确定参数取值

3.2.3 各水平因素影响对比

3.2.4 α1，α2，ɑ3同时受各因素影响对比

3.3 本章小结

4.1 弧面凸轮行星机构三维建模参数

4.2 模拟加工路径法建模

4.2.1 加工原理

4.2.2 内弧面凸轮建模

4.2.3 外弧面凸轮建模

4.2.4 其它零件建模与装配干涉检查

4.3 模拟运动轨迹法建模

4.3.1 建模原理

4.3.2 内弧面凸轮建模

4.3.3 外弧面凸轮建模

4.3.4 装配及干涉检查

4.3.5 验证固定齿数下多种行星轮个数装配方案

4.4 利用模拟运动轨迹法进行新式鼠笼结构的三维建模

4.4.1 鼠笼式结构的提出

4.4.2 鼠笼式结构三维建模

4.5 本章小结

5 虚拟样机分析与实体样机打印

5.1 机构运动学仿真

5.1.1 行星架动力输出下运动仿真分析

5.1.2 内弧面凸轮动力输出下运动仿真分析

5.2 不同啮合点的应力分析

5.2.1 分析过程

5.2.2 6齿应力分布图

5.2.3 3齿的应力分布图

5.2.4 应力值统计及分析

5.3 样机3D打印

5.3.2 软硬件设备

5.3.3 3D打印过程

5.3.4 整机装配

5.3.5 实体样机传动

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

致谢

参考文献

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