一種長距離定比傳動機構(gòu)的設計

一種長距離定比傳動機構(gòu)的設計

0珠繩傳動機構(gòu)當主動軸與動軸之間的距離較遠時，只能使用帶傳動或鏈傳動器。帶傳動的缺點是不能保持恒定的傳動比;鏈傳動由于在一個節(jié)距內(nèi)為剛性片,故嚴格說來,也不能保持恒定的傳動比,而且零件數(shù)多,結(jié)構(gòu)復雜。為此本文中我們提出了一種珠繩傳動機構(gòu),利用鋼絲繩承受縱向力,由套或鋼球作為齒,構(gòu)成一種新的柔性齒形帶。其優(yōu)點為鋼絲繩傳遞力大,零件數(shù)少,傳動比恒定;必要時還能適應主動軸和從動軸不平行的軸間傳動。1珠繩鏈節(jié)數(shù)的生成珠繩傳動機構(gòu)(圖1)包括主動輪2、從動輪3和傳動珠繩1。傳動珠繩為一根打結(jié)的珠繩,珠繩1與主從動輪基圓完全重合,傳動比保持恒定。珠繩由鋼絲繩、傳動齒組成,左齒蓋5、右齒蓋6和齒結(jié)形成傳動齒,或在鋼絲繩上穿上球形珠以形成傳動齒,并保持齒距不變,且最大齒距不超過較小傳動輪的接觸弧長。珠繩鏈節(jié)數(shù)LP為LΡ=z1+z22+2ap+(z2-z12π)2pa(1)LP=z1+z22+2ap+(z2?z12π)2pa(1)式中,z1為主動輪齒數(shù);z2為從動輪齒數(shù);a為兩輪中心距;p為珠繩節(jié)距。在傳動輪上有V形主從動輪導環(huán)4,以保證珠繩穩(wěn)定進入導向槽,并防止珠繩高速運轉(zhuǎn)時脫離鏈輪。在傳動輪上做有齒槽,工作時齒槽的槽面與齒結(jié)左右端接觸,完成圓周力的傳遞。2珍珠的固定結(jié)構(gòu)2.1繩索體牙齒結(jié)(1)齒蓋類型如圖2所示,在鋼繩上打一個結(jié),然后將兩齒蓋2和3采用靜壓配合緊壓在繩結(jié)上,由齒距p保證齒間距離的穩(wěn)定。(2)受載過大時的機械傳動如圖3所示,將鋼繩1穿入鋼球孔,縱壓鋼球以卡住鋼繩,從而形成齒結(jié)。以上兩種結(jié)構(gòu)中,方案一當受載過大時,繩結(jié)將變小,齒距p變大,從而影響機構(gòu)傳動的平穩(wěn)性,因此結(jié)構(gòu)受力大小有限。方案二結(jié)構(gòu)簡單、承載大,傳動更平穩(wěn),然而鋼繩與鋼球孔外沿端局部摩擦大,壽命較短。2.2繩索連接(1)齒蓋結(jié)構(gòu)如圖4所示,將鋼繩兩端采用盤式打結(jié),然后將兩齒蓋2和3采用靜壓配合緊壓在繩結(jié)上。(2)橫向鋼球縱向孔的未來如圖5所示,將鋼繩的兩頭1與3分別從兩端穿進鋼球3的橫向孔,然后將繩頭1伸向鋼球縱向孔的上方,繩頭3伸向鋼球縱向孔的下方,再將鋼球橫壓。以上兩種結(jié)構(gòu),方案二較方案一結(jié)構(gòu)簡單,裝配容易,且在整個鋼繩上所有繩齒的齒形和大小均保持一致,具有更好的傳動平穩(wěn)性。同樣鋼球中的鋼繩局部摩擦大,壽命較短。3繩輪齒槽設計3.1逐步打開線條的形成假設繩輪不動,珠繩便沿繩輪作純滾動,珠繩上鋼球的軌跡便是一漸開線,從而繩輪齒槽便由兩部分組成:漸開線部分和過渡曲線部分。3.2近似圓弧半徑由于齒槽嚙合齒廓的加工精度要求不高,且漸開線嚙合區(qū)域小,可采用一段圓弧代替齒廓漸開線部分(圖6)。近似圓弧半徑R1為R1=ρ″m(2)其中?ρ″=z2sin2αf4ρ′ρ′=z2√1-cos2αfz-1z+1其中?ρ′′=z2sin2αf4ρ′ρ′=z21?cos2αfz?1z+1????????????√式中,m為模數(shù);z為齒槽設計理論齒數(shù);αf為分圓壓力角。3.3過渡曲線部分由于過渡曲線部分不參與嚙合,因此可以根據(jù)需要做成任意曲線,只要不妨礙鋼球與齒槽的運轉(zhuǎn)即可,通常用直線與圓弧進行過渡。4機構(gòu)匹配動態(tài)分析4.1鋼球直徑生長的變化在嚙合過程中(圖7),鋼球依次經(jīng)過位置ˉAB、ˉCD、ˉEF和ˉEG。由漸開線性質(zhì),A點將沿齒廓AE運動至E點;同樣,鋼球另一端B點將運動到F點。在由位置ˉEF到ˉEG過程中,鋼球軌跡不再是漸開線,而是以E點為圓心,ˉEF為半徑的圓弧。由圖9知,ˉAB=ˉCD=ˉEF=ˉEG?ˉEG為鋼球直徑,在以EF為半徑的圓弧FG上任取一點Q,顯然,ˉEQ=ˉEG,所以,在嚙合過程中理論上將不產(chǎn)生鋼球與齒槽廓干涉現(xiàn)象。由于鉆孔后的鋼球的實際直徑ˉEG′將小于理論值,繩齒與齒槽的嚙合沖擊將可得到有效的控制,從而很大程度上減小了實際傳動中的沖擊影響及傳動的振動噪聲。由于珠繩單位長度質(zhì)量小,珠繩上的任一點在完全進入嚙合以前,一直為恒定的速度v,不會出現(xiàn)由于速度的不均勻性導致傳動的不平穩(wěn)性和振動。直到完全進入嚙合后,繩的速度與輪的速度保持一致。4.2鋼繩應力及垂度應力鋼繩表面涂有潤滑脂,其與繩輪的摩擦可忽略。因此,機構(gòu)只靠傳動齒與齒槽的嚙合力來傳遞動力。由于珠繩每米質(zhì)量相對很小,則垂度拉力可忽略不計。因此,珠繩緊邊總拉力F為F=F1+Fc=pv+qv2(3)式中,F1為嚙合力;Fc為離心拉力;P為傳遞功率;v為帶速;q為珠繩每米的質(zhì)量。忽略離心應力,珠繩總應力σt為σt=σ1+σb=F1A+Eyr(4)式中,σ1為有效工作應力,σb為彎曲應力;E為鋼繩的彈性模量;A為鋼繩的橫截面積;r為曲率半徑;y為由繩中心層到最外層的距離。5珠繩振動的穩(wěn)定性由于珠繩采用鋼繩柔性連接,圍在繩輪上的珠繩便是一圓形,從而避免了鏈傳動中的多邊形效應,使傳動的瞬時傳動比恒定。珠繩在結(jié)構(gòu)上是連續(xù)體且不存在多邊形效應,因此可以精確地計算它的固有頻率。對珠繩振動力學模型作如下假定(圖8):(1)珠繩為一根張緊的弦,忽略鋼繩的質(zhì)量,鏈節(jié)質(zhì)量集中在鋼球上。(2)珠繩橫向振動小,繩邊張力T恒定。(3)珠繩僅在繩輪所在平面內(nèi)振動。(4)振動時無阻尼。設跨距中包含有k個繩節(jié),節(jié)距為p,繩長為l,繩節(jié)質(zhì)量為m,單位珠繩質(zhì)量為q,取鋼球橫向位移為yi(i=1,2,…,k)。設鋼球均保持平衡狀態(tài),根據(jù)力的平衡條件有md2yidt2=-[Τ(yi-yi-1)√(yi-yi-1)2+p2+Τ(yi-yi+1)√(yi-yi+1)2+p2](5)上式經(jīng)進一步簡化為d2yidt2=Τmp(yi-1-2yi+yi+1)(6)取逐個鋼球平衡,可得i=1?d2y1dt2=Τmp(2y1+y2)i=2?d2y2dt2=Τmp(y1-2y1+y3)?i=k?d2ykdt2=Τmp(yk-1-2yk+yk+1)}(7)由式(7)可求得珠繩振動的固有頻率fi為fi=1π√Τmpsinπi2(k+1)s-1(8)式中,i為振動階數(shù)。由于m=qp;k+1=lp,則式(8)為fi=1πp√Τqsinπpi2ls-1(9)由式(9)可確定系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速,進而防止系統(tǒng)產(chǎn)生共振。通過計算,珠繩傳動的臨界轉(zhuǎn)速可以達到鏈傳動的兩倍。6約束模態(tài)分析對于鋼球齒結(jié),均采用緊壓變形而成,采用ANSYS軟件對其進行應力分析。建模時在鋼球的一端施加固定約束,另一端施加載荷的邊界條件,以求解其約束模態(tài)(圖9)。由分析結(jié)果可看出,零件最大變形出現(xiàn)在鋼球孔的中部,最大綜合應力出現(xiàn)在孔的兩邊緣處。由此可以通過對鋼球孔端部倒圓角以改善其應力大的特征,同時可減小鋼繩與鋼球孔端部的局部摩擦。7繩輪小端應力及價值以機構(gòu)在自行車上的應用為例,車速v為50km/h,繩輪大端半徑為R,小端半徑為r,載重N為100kg。由手冊查出鋼絲繩的直徑所對應的抗拉能力見表1。通過計算,繩輪小端拉力F遠小于2mm鋼絲繩的抗拉力Fmin,大約是其三十分之一。按傳動力為5kN計算,選用外徑為2mm鋼絲繩及10mm鋼球的珠繩質(zhì)量約為08B套簡滾子鏈的三分之一,零件數(shù)約為其二十五分之一。因此,珠繩傳動機構(gòu)的成本可減少約95%。8創(chuàng)造發(fā)明新型傳動目前大中心距傳動仍以結(jié)構(gòu)復雜、成本高的鏈傳動及傳動比不恒定的帶傳動為主,因此,在機械傳動領域中,