往复运动偏心齿条齿轮复合机构设计.docx

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往复运动偏心齿条齿轮复合机构设计

第1章概述

1.1引言

针对现有各种抽油机难以同时满足可靠性高和节能效果好两种要求的现状,开发了带有往复运动齿轮齿条复合机构的抽油机。

这种抽油机采用了往复运动齿轮齿条齿条复合机构,由小齿轮的单向旋转驱动长环形齿条上下运动,并带动滑块做上下往复运动,从而实现基本的抽油动作。

通过简单的结构和尺寸改变,能实现不同冲程和冲次,并可设计成重型抽油机。

这种抽油机具有节能效果好、可靠性高、运行平稳、维护方便等特点,具有较高的推广应用价值。

本往复运动偏心齿轮齿条运动机构的驱动与换向机构，包括电机、部分齿齿轮、齿条，电机通过传动机构和部分齿齿轮连接，在部分齿齿轮两侧分别设置有与部分齿齿轮啮合的齿条，两根齿条相对位置固定的连接在齿条架上，齿条架与导轨组成滑块结构。

通过部分齿齿轮分别和两侧的齿条啮合，带动齿条架在导轨上往复运动。

这种直线往复式运动的驱动与换向机构，通过部分齿齿轮分别与两边的齿条啮合，从而带动齿条架往复运动，在往复运动中，无需限位开关，电动机也无需换向，即以无换向停留达到运动机械全动程的等速往复运动，还具有动程范围大、速度均匀、传动精度高、震动小、结构简洁等特点。

1.2往复运动偏心齿条-齿轮复合机构的认识

复合运动偏心齿轮齿条机构在传动的过程中是相当稳定的，所以在相似的技术当中算是比较稳定的一种，它自身也拥有自身的特点。

一、齿轮传动的特点：

齿轮传动是应用最为广泛的一种传动形式，与其它传动相比，具有传递的功率大、速度范围广、效率高、工作可靠、寿命长、结构紧凑、能保证恒定传动比；缺点是制造及安装精度要求高，成本高，不适于两轴中心距过大的传动。

其中，齿轮传动分类：

1、按轴线相互位置：

平面齿轮传动和空间齿轮传动。

平面齿轮传动：

按轮齿方向：

直齿轮传动，斜齿轮传动和人字齿轮传动；按啮合方式：

外啮合、内啮合和齿轮齿条传动；空间齿轮传动：

锥齿轮传动、交错轴斜齿轮传动和蜗杆蜗轮传动。

2、按齿轮是否封闭：

开式和闭式齿轮传动。

1.3往复运动偏心齿条-齿轮复合机构运用

运用复合运动偏心齿轮齿条机构的抽油机是油田采油所用的抽油机技术领域中的抽油机，它以运用了复合运动偏心齿轮齿条机构和传统机构组合成，复合运动偏心齿轮齿条机构，可以节省能量为２５－３０％，节省成本为８０％。

另外在海洋石油勘探开发中,自升式海洋平台是使用数量最多的平台。

自升式平台主要采用复合运动偏心齿轮齿条机构系统。

自升式平台齿轮齿条强度是我国自主研发自升式平台升降系统的关键技术之一。

复合运动偏心齿轮齿条机构在内燃机中也发挥了重要作用。

它可以延长往复的行程以此来提高内燃机的做功。

其好处是：

1降低了内燃机的转速，2增大了缸体的空间，3更多的空气可以进入缸体，4燃油可以充分燃烧，5排出的高温废气不存在压力，6增大了缸体的散热面积，7活塞的惯性力可以完全转换到动力轴上，8材料的磨损和要求的强度都可以减少。

因本机构基本不做无用功发动机的怠速可以减少到现在的十分之一以下。

1.4本章小节

通过对复合运动偏心齿轮齿条机构的学习研究，我们明白了复合运动偏心齿轮齿条机构在工业生产中的重要地位。

比如在抽油机，内燃机，送料机及一些重型机械中都得到了广泛的应用。

复合运动偏心齿轮齿条机构在传动的过程中是相当稳定的，具有极高的可靠性。

在实际生产工作中，复合运动偏心齿轮齿条机构具有节能效果好、可靠性高、运行平稳、维护方便、速度均匀、传动精度高、震动小、结构简洁等特点,具有较高的推广应用价值。

所以，研究复合运动偏心齿轮齿条机构是油田生产中必不可少的项目。

在如今石油资源日渐减少的大背景下，对复合运动偏心齿轮齿条机构的研究及应用也是日渐重要，应该向节能化，高效化，环保化发展，在发展经济生产的同时，注意将环境保护与生产效益相得益彰。

虽然复合运动偏心齿轮齿条机构的稳定性还有待加强，但这定然不会是不可克服的。

另外，通过对复合运动偏心齿轮齿条机构的初步了解以及建立模型，我们懂得了创新设计的意义所在以及团队合作在生产工作中的重要性。

加强了我们的团队合作意识，对今后学习、工作生活具有深远意义。

第2章往复运动偏心齿条-齿轮复合机构设计

2.1机构设计

2.1.1机构设计过程

设计过程是指从明确设计任务到编制技术文件所进行的整个设计工作流程。

2.1.2机构设计过程的四个阶段

（1）产品规划——明确机械设计任务，提出设计任务书。

（2）原理方案设计——确定功能原理和机械运动方案，画出机械运动简图。

（3）技术方案设计。

（4）评估，改进与决策。

2.1.3机构及其系统运动方案设计

（1）机构及其系统运动方案设计的主要内容

功能原理方案设计：

功能原理设计和工艺动作过程设计。

（2）运动规律设计

（3）机构系统运动方案设计

根据功能原理方案中提出的工艺动作过程及各工艺动作的运动规律要求，选择相应的若干执行机构的形式，按某种方式将其组合成一个机构系统，以确保上述工艺动作过程的实现。

机构选型、组合、创新——机构系统简图。

（4）机构系统运动简图设计

机构系统简图——运动协调设计——机构运动循环图——尺度综合——

机构系统运动简图

2.1.4机构选型的基本要求

（1）满足工艺动作及其运动规律的要求。

高副机构、低副机构、注意约束在机构中的作用、适当设置调整环节。

（2）机构的运动链要短。

（3）机构的传力性能要好。

传动角（压力角）、防止自锁、惯性力平衡。

（4）动力源的选择应有利于简化机构和改善运动质量。

电机（交流电机、直流电机、伺服电机、步进电机、交流变频电机）、内燃机、液压马达、气动马达。

2.2往复运动偏心齿条-齿轮复合机构的结构设计

结构示意简图

结构组成——往复运动链轮-齿条复合机构由1主动齿轮、2从动齿轮、3连杆、4齿条、5、滚动轴承、6、齿轮组成。

工作原理——主动齿轮1通过联轴器、减速器与驱动电机相连，进行动力输入；主动齿轮1、从动齿轮2、输出齿轮3均为定轴，并一起相对固定的机架（未画出）转动；齿轮2上有一缓冲作用的孔，当从动齿轮2转动时，连杆3带动齿条4水平运动，此时齿条4便带动齿轮6运动，齿条的水平运动由轴承5支撑控制，由于齿轮2、连杆3、齿条4与机架构成四杆机构，存在极位夹角，故齿条存在急回运动。

条件——输出齿轮6上的外扭矩为20kN.m；试确定各部件尺

2.3本章小结

通过了解机构设计的过程，首先确定设计的四个阶段：

产品规划；原理方案设计；技术方案设计；评估，改进与决策。

认真分析设计的任务书，根据机械设计原理，根据任务书里的要求初步确定整个往复运动偏心齿条-齿轮复合机构的运动简图，但应该明确机构简图不代表现实机构的外形，应该考虑到选材以及将来工件的尺寸，再设计机构简图时要留有足够的余量，以防将来带来不必要的麻烦。

可见，在机构简图的设计是要考虑的问题有很多，考虑的越全面，我们的后期工作就会越顺利。

通过一天的机构设计，收获挺多，深刻明白了平时知识的积累有多么重要，同时也了解到很多相关的知识，我们初步的对我们将来从事设计工作需要做的事，相信在通过大三专业课的学习后，我们会有更进一步的认识，这次的创新设计也提高了我们对本专业的学习兴趣。

第3章传动计算

3.1传动计算

3.1.1输出齿轮扭矩T=20KN•m，模数m=14，齿数Z=18，其分度圆直径D=252mm齿条受水平方向的力

F=T/（D/2）=158.73kN

经计算得连杆在齿轮最上最下是与水平方向夹角分别为9.05°和49.21°。

则可以计算连杆（二力杆）

最大力Fmax=F×cos9.05°=156.754kN

最小力Fmin=F×cos49.21°=103.696kN

在齿轮2上的两个极限位置上的水平分力分别为

F1=Fmax×cos9.05°=154.802kN

F2=Fmin×cos49.21°=67.743kN

连杆与齿轮2连接处的直径为d=690mm，故可以算出齿轮的最大扭

齿轮1（主动轮）与齿轮2传动比为19:

62，则可知齿轮1的扭矩为16.37kN•m。

根据查表得知齿轮间的传递效率为0.96。

最终算的通过减速器传给齿轮1的扭矩为17.76kN•m。

由公式9550000×P=T•n可得齿轮1的功率为P1=24kW

齿轮2的功率为P2=23.3kW,齿轮6的功率为P3=8.4kW

3.1.2齿条长度不得小于790mm,为了保证齿条在极限位置不与齿轮2接触发生碰撞，考虑齿轮2与齿轮6的水平距离，拟定齿条长1200mm，齿条行程，拟定齿条行程为790mm。

3.1.3齿轮2与齿轮6水平距离1550mm。

四杆机构中曲柄长345mm，,连杆长1150mm（由作图得出尺寸），连杆设计为方形杆,材料为45号钢。

由

得出方形杆的边长a=21mm。

3.1.4根据输出齿轮1所需的功率选定电动机的型号。

电机选:

200L1型，功率30KW，转速1000r/min,减速器减速比：

1000/13=77，选择ZXY型（低速级）。

3.2本章小结

根据上述的计算，确定相关数据后即可进行下一步的工作。

在这些计算的过程中，让我们对此机构的工作原理有了进一步的加深。

也加深了对课本知识的理解。

将理论知识与实践设计相结合，才能更好的理解设计理念。

第4章主要零部件的分析与校核

4.1电机和减速器的选择及其主要参数

电机的选择：

根据主动齿轮1所需的功率24kW

选定电动机为Y2系列三相异步电机Y2-200L1-2型号

减速器的选择：

根据所需的减速比：

1000/13=77确定减速器的类型为ZSY型齿轮减速器

其具体参数如下

4.2齿轮1和2的分析与校核

齿轮1与齿轮2啮合，模数定为14，传动比i=3.25

传递功率P=24（kW）

齿轮1转速n1=13（r/min）

齿轮2转速n2=4.00（r/min）

齿轮1齿数Z1=19

齿轮1齿宽B1=145（mm）

齿轮1齿宽系数

d1=0.545

齿轮2齿数Z2=62

齿轮2齿宽B2=130（mm）

齿轮2齿宽系数

d2=0.1509　

标准中心距A0=567.00000（mm）

实际齿数比U=3.26316

端面重合度

=1.66676

纵向重合度

=0.00000

总重合度

=1.66676

齿轮1与齿轮2强度校核（选定材料均为34CrNiMo6）

齿轮1与齿轮2：

齿轮1接触强度极限应力

=1288.0（MPa）

齿轮1抗弯疲劳基本值

=740.0（MPa）

齿轮1接触疲劳强度许用值[

]=11479.6（MPa）

齿轮1弯曲疲劳强度许用值[

]1766.2（MPa）

齿轮2接触强度极限应力

=1288.0（MPa）

齿轮2抗弯疲劳基本值

=740.0（MPa）

齿轮2接触疲劳强度许用值[

]21479.6（MPa）

接触强度用安全系数SHmin=1.00

　弯曲强度用安全系数SFmin=1.40

接触强度计算应力

=1468.3（MPa）

　接触疲劳强度校核

≤[

]满足

齿轮1弯曲疲劳强度计算应力

=556.7（MPa）

　齿轮2弯曲疲劳强度计算应力

=500.5（MPa）

齿轮1弯曲疲劳强度校核

≤[

]满足

　齿轮2弯曲疲劳强度校核

≤[

]满足

4.3花键的分析与校核

齿轮1：

矩形花键连接（静连接）校核计算结果

传递的转矩T=24000000N·mm

　键系列R=中系列

花键参数N×d×D×B=10×82×92×12mm

　倒角　c=0.6mm

　不均匀系数　ψ=0.75

　键的长度　L=145mm

使用和制造情况　PType=良好

　齿面热处理　W=齿面经热处理

　许用挤压应力范围　σpp=120～200MPa

　许用应力　[σp]=160.0MPa

　计算应力　σp=133.509MPa

　校核计算结果σp≤[σp]满足

　齿轮2：

矩形花键连接校核计算结

传递的转矩T=54000000N·mm

键系列R=中系列

　花键参数N×d×D×B=10×112×125×18mm

倒角　c=0.6mm

不均匀系数　ψ=0.75

　键的长度　L=130mm

　使用和制造情况　PType=良好

　齿面热处理　W=齿面经热处理

　许用挤压应力范围　σpp=120～200MPa

　许用应力　[σp]=180MPa

　计算应力　σp=176.370MPa

　校核计算结果：

σp≤[σp]满足

齿轮6：

矩形花键连接校核计算结果

　传递的转矩T=20000000N·mm

　键系列R=中系列

　花键参数N×d×D×B=10×82×92×12mm

　倒角　c=0.6mm

　不均匀系数　ψ=0.75

　键的长度　L=120mm

　使用和制造情况　PType=良好

　齿面热处理　W=齿面经热处理

　许用挤压应力范围　σpp=120～200MPa

　许用应力　[σp]=160MPa

　计算应力　σp=134.436MPa

校核计算结果σp≤[σp]满足。

4.4本章小结

这一章是整个设计计算部分的核心。

首先选择了电机和减速器的型号，确定了其主要参数。

接着确定了主要齿轮的参数，并对其疲劳强度和弯曲强度进行了校核。

最后选择了花键的类型，并校核了其应力。

以上分析校核结果均满足设计要求，可以放心使用。

第5章部分零件工程图与装配图

上图是齿轮1，下图是齿轮1的花键轴

上图为齿轮2，下图为齿轮2的花键轴

上图为齿轮3，下图为齿轮3的花键轴

齿条

连杆

装配体

结论

 通过这次的课程设计，使我们学会了很多东西，包括书本上的理论知识及书本上学不到的知识。

具体的收获与体会如下：

一、通过课程设计，使我加深了对所学理论知识的理解与巩固，并能将课本上的纯理论应用到实践中，进一步加深了对知识的认识。

同时，也有助于对其他知识的理解。

现在，我不但对图解法和解析法有了更深入的理解，而且熟练了应用图解法对机构进行运动分析以及力分析。

二、培养了我耐心、仔细、谨慎的工作态度。

这次课程设计的内容最多的是绘画机构简图。

在绘图过程中，对比例尺的选定以及合理的布图都要有细致的规划，这是最考验一个人的耐心与严谨态度的过程，只有这样才能使绘制的机构简图更准确、更美观。

三、通过这次课程设计，使我更充分认识了团队合作的重要性。

由于这次课设是以小组为单位对机构不同的运动位置进行运动分析和受力分析，还要查找资料，每个人都有分工。

所以在进行分析的过程中每个成员都要保证自己计算数据的准确，查找资料时都要有耐心，这样才能确保小组顺利完成任务。

在这次课设过程中，我们小组成员之间都互帮互助、共同思考，相互查漏补缺，互相给予信心，这样得以保证高速、高效率的完成任务，充分体现了团队精神。

课程设计就是简单的毕业设计，通过这次课设。

给予我们实践的机会使我积累了一定的经验，为以后的学习打下了基础，也为毕业设计铺平了道路。

参考文献

1成大先主编.机械设计手册.第5版.北京：

化学工业出版社，2008

2成大先主编.机械设计图册.北京：

化学工业出版社，2003

3濮良贵，纪名刚主编.机械设计.第8版.北京：

高等教育出版社，

2005

4刘鸿文主编.材料力学.第5版.北京：

高等教育出版社，2011

5李希诚，李弦泊主编.机械结构合理设计图册.第一版.上海：

上

海科学技术出版社，1996

6孙桓，陈作模，葛文杰主编.机械原理.第7版.北京：

高等教育出

版社，2006

致谢

在此首先感谢赵老师和组老师对我们尽心的指导，其次对在本次毕业设计中对我们进行指导的师兄、师姐表示感谢！

感谢他们在这段时间里对我的耐心指导和帮助。

在他们的关怀下，我们学到了很多知识,为本次设计取得了一定的成果。