车用三轴五档机械式变速器设计毕业论文.docx

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车用三轴五档机械式变速器设计毕业论文

大连大学

本科毕业论文（设计）开题报告

论文题目：

某车用三轴五档机械式变速器设计

学院：

机械工程学院

专业、班级：

汽车111班

学生姓名：

卢恺

指导教师（职称）：

王邦国

2015年3月2日填

毕业论文（设计）开题报告要求

开题报告既是规范本科生毕业论文工作的重要环节，又是完成高质量毕业论文（设计）的有效保证。

为了使这项工作规范化和制度化，特制定本要求。

一、选题依据

1.论文（设计）题目及研究领域；

2.论文（设计）工作的理论意义和应用价值；

3.目前研究的概况和发展趋势。

二、论文（设计）研究的内容

1.重点解决的问题；

2.拟开展研究的几个主要方面（论文写作大纲或设计思路）；

3.本论文（设计）预期取得的成果。

三、论文（设计）工作安排

1.拟采用的主要研究方法（技术路线或设计参数）；

2.论文（设计）进度计划。

四、文献查阅及文献综述

学生应根据所在学院及指导教师的要求阅读一定量的文献资料，并在此基础上通过分析、研究、综合，形成文献综述。

必要时应在调研、实验或实习的基础上递交相关的报告。

综述或报告作为开题报告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通顺，较全面地反映出本课题的研究背景或前期工作基础。

五、其他要求

1.开题报告应在毕业论文（设计）工作开始后的前四周内完成；

2.开题报告必须经学院教学指导委员会审查通过；

3.开题报告不合格或没有做开题报告的学生，须重做或补做合格后，方能继续论文（设计）工作，否则不允许参加答辩；

4.开题报告通过后，原则上不允许更换论文题目或指导教师；

5.开题报告的内容，要求打印并装订成册（部分专业可根据需要手写在统一纸张上，但封面需按统一格式打印）。

二、论文（设计）研究的内容

1.重点解决的问题

变速器是汽车传动系中最主要的部件之一。

汽车变速器是通过改变传动比，改变发动机曲轴的扭力，适应在起步、加速、行驶以及克服各种道路阻碍等不同行驶条件下对驱动车轮牵引力及车速不同要求的需要。

通俗上分为手动变速器（MT），自动变速器（AT），手动/自动变速器，无级式变速器。

汽车变速器一般由前箱体和后箱体组成。

现在市场上不同车型所配置的变速器来看，主要分为：

手动变速器（MT）、自动变速器（AT）、手动/自动变速器（AMT）、无级变速器（CVT）。

变速器的传动机构又分为三轴传动变速器和两轴传动变速器。

根据轿车的外形、轮距、轴距、最小离地间隙、最小转弯半径、车辆重量、装载重量以及最高车速等参数结合自己选择的适合于该轿车的发动机型号可以得出发动机的最大功率、最大扭矩、排量等重要的参数。

再结合某些轿车的基本参数，选择适当的主减速比。

根据上述参数，再结合汽车设计、汽车理论、机械设计等相关知识，计算出相关的变速器参数并论证设计的合理性。

通过对各个部分的参数计算及三维图绘制完成对该驱动桥的设计。

2.拟开展研究的几个主要方面（论文写作大纲或设计思路）

（1）主要设计路线

⑴三轴五档汽车变速器的概述及其方案的确定

a.变速器的功用和要求

b.变速器结构方案的确定

c.变速器主要零件结构的方案分析

⑵变速器主要参数的选择与主要零件的设计

a.变速器主要参数的选择

b.各档传动比及其齿轮齿数的确定

c.齿轮变位系数的选择

⑶变速器齿轮的强度计算与材料的选择

a.齿轮的损坏原因及形式

b.齿轮强度计算与校核

⑷变速器轴的强度计算与校核

a.变速器轴的结构和尺寸

b.轴的校核

⑸变速器同步器的设计

⑹变速器的操纵机构

3.本论文（设计）预期取得的成果

通过学习及查阅有关资料掌握机械式变速器的的工作原理以及其机构的设计,了解现在链式变速器的发展趋势、相关技术的对比及市场前景。

通过自主设计并选择最合理的方案设计能够得到以下结果：

（1）机械式变速器的工作原理及总体方案设计；

（2）主要部件的结构设计（装配图、零件图）

（3）设计说明书；

（4）与排屑机相关的一篇外文翻译（3000字以上）。

机器手上的梯形齿减速器设计

Jiqi机器手上的Won-KiNamandSe-HoonOh*

KINAM和李树庭*DepartmentofMechanicalEngineering,Chung-AngUniversity,Seoul156-756,Korea

机械工程系，中央大学，汉城156-756，韩国

（ManuscriptReceivedMarch3,2010;RevisedSeptember14,2010;AcceptedNovember11,2010）

（手稿收到2010年3月3日；2010年9月14日修订；2010年11月11日接受）

摘要Robotsareincreasinglyperforminghumanworkasmanufacturingisautomated.Accordingly,theuseofprecisionspeedreducershas

自动化就是机器人逐渐地取代人来制造生产。

因此，使用精密减速器来实现对机器人手臂的位置的精确控制是必需的。

曲线齿廓，如摆线或渐开线齿廓，普遍使用于精密减速器中。

减速器的摆线齿廓，使控制精度高，被广泛usedtomanipulaterobotsystems.Thisstudyproposesaspeedreducerthathasatrapezoidaltoothprofilewithstraightlines.Inthis用于机器人的操作系统。

本研究提出了一种具有直线梯形齿廓的减速器。

在这work,wemechanicallyanalyzedtrapezoidaltoothprofiles,andthenmeasuredperformancewasbyvarioustestsusingaprototypemanufactured工作中，我们分析了机械的梯形齿廓，然后specificallyforthisstudy.专门为这项研究制造了测量性能的各种试验用样机。

Keywords:

Robotmanipulator;Trapezoidaltoothprofile;Speedreducer;Trajectory

关键词：

机器人；梯形齿；减速器；轨迹

1．简介Planocentricgearsreducersandharmonicdriversaregenerally

在许多类型的减速器中行星齿轮减速器与谐波驱动程序普遍适用于机器人中。

摆线针轮减速机（RV减速机）是行星行星齿轮减速器中最常见的类型。

Cycloiddriveshavebeenpopularreducersfromthe1930s摆线针轮行星传动由于其和行星齿轮减速器相比有结构紧凑、重量轻和传动比高等优点已从上世纪30年代流行untilthepresenttimeduetotheircompact,light-weight,high到现在，并其还有有机械传动效率高的优点[1]。

However,thereisbacklashinthecycloiddriveduetovariations然而，由于inmachining,whichwillreducestabilityandinherent在机械加工的过程中传动间隙发生了变化，降低稳定性和并且产生了内在noiseandvibration,particularlyathighspeeds[2].噪声和振动，特别是在高速的情况下[2]。

大多数用于自动化制造的机器人采用两个或三个关节以上的谐波和摆线驱动器作reducersforthebasejoints.Infull-sizerobots,cycloidreducers为基础的关节。

对于正常尺寸的机器人来说，六个关节全都areusedforallsixjoints[3,4].Harmonicandcycloid用摆线针轮减速机[3，4]。

即使在很小的一个很小的很小的阶段，谐波和摆线reducerscanexhibitsignificantspeedreductionratesevenat减速器也可以表现出显着的减速率，甚至由于其齿轮啮合率好，其能够在大的转矩下传递很小的smallsizesbecauseoftheirmuchtoothgearingrates;thus,很小尺寸；因此，theyarepredominantlyusedforrobotsthatrequireacompact它们主要用于机器人上structure,largeloadcapacity,andhigh-precisioncontrolof结构需求紧凑，承载能力大，控制精度高的position[5].Thesereducersarebecomingincreasinglyspecialized位置[5]。

这些减速器的应用越来越专业化forapplicationssuchasmeasurementoftoothprofile如齿廓manufacturingtechniquesandassemblyskills.Withincreasing制造技术的测量与装配技能等。

随着demandforhighfunctionsinareassuchassemiconductor在诸如半导体manufacturingandthespaceindustry,continueddevelopment制造业和航天工业高功能的需求，只有持续发展ofcycloidandharmonicreducerscanbeexpectedfromthe摆线谐波减速器才可以从viewpointofsatisfyinguserrequirements.满足用户预期的需求。

齿廓设计考虑用户的要求，geometryofconjugatesurfacesisofmajorconcernindesigning共轭曲面的几何设计中主要关注的是thegearsandgeneratingtheconjugatemeshingelements,齿轮和生成共轭啮合元件，和一直研究的齿轮和齿轮啮合与代共轭surfaceshavebeenpreviouslystudied[6-10].面的[6-10]。

在这项研究中，我们设计了一个机器人的减速器，通过引入一种新的梯形齿形的概念，并进行了齿形设计的程序，我们制造出样机并对其性能进行了测试。

2．方法2.1Structureofspeedredu

2.1减速器的结构

该减速器主要由一个内齿功能统称为外壳的内齿轮，进行偏心运动的外齿轮，和一个降扭的输出部分。

通常，摆线针轮减速器可分为普通摆线针轮减速器或thatcontainsaplanetarygear.Fig.1showsthestructureofa包含行星齿轮的摆线针轮减速器。

图1显示的结构为包括行星齿轮cycloidreducerthatcontainsaplanetarygear.Here,unlikein摆线针轮减速器。

在这里，不同于普通thegeneralcycloidreducer,theinputaxis（③）fromthemotor普通的摆线针轮减速器，其输入轴从马达（③）输入输入动力带动行星齿轮（②），当偏心axis（④）oftheplanetarygearmovesthecenterposition轴（④）的行星齿轮与摆线齿轮（⑤）齿牙相结合的时候，最后tooth-by-toothcontactwiththeinnergear（⑥）.Thiscauses通过与内齿轮的齿接触齿（⑥）。

因为轴一体式结构，这使摆线齿轮转向方向相反的方向旋转的输入自己的轴。

摆线针轮减速器内的齿轮由一个引脚或行星齿轮组成，其对减速器产生了一个两面的减速的影响，最近获得了普及机器人。

这是因为他们可以得到比相同大小的普通摆线减速器更大的减速比的减速率，从而通过降低速度将摆线齿轮运动直接输入偏心轴[11，12]。

2.2梯形齿廓的定义

Generaltoothprofilesofgearshaveshapescorrespondingto

齿轮的齿廓形状一般有相应的渐开线和摆线。

然而，在这项研究中，我们使用trapezoidaltoothprofilewasusedratherthanthepreviously梯形齿廓而不是应用以往的渐开线或摆线齿廓。

由于梯形齿廓的传动特点尚未深入研究，梯形齿廓迄今主要用于有摆线运动凸轮装置。

在我们的currentstudy,weconductedananalysistorevealtheinterference目前的研究中，我们进行了分析，揭示了梯形齿形的干扰或传动特点。

AssumingthatthetoothnumberofanexternalgearisZ1,假设一个外齿轮的齿数Z1，thatofainternalgearisZ2,andthenumberofmodulesism,一个内齿轮Z2，和模块的数量m，外齿轮和内齿轮的基本直径分别为D1=MZ1和D2=MZ2。

一个大小toothshowninFig.2isequaltothevalueofthecircumference齿如图2所示等于lengthofapitchcircledividedbythenumberofteeth.一个圆周长的长度值除以齿数。

齿形大小是πm，如图2所示。

在这一点上，假设倾斜表面与外部和内部的齿面之间的比率是不变的，outersurfaceofthetoothisequaltomπ/4.牙齿的外表面等于πm/4。

假设牙齿的中心落在起始点的外齿轮的齿形是梯形的定义，下列公式：

asshownbelow;however,theamountofeccentric如下图所示，我们可以同样的方式定义梯形齿廓；然而，偏心量movementoftheexternalgearmustalsobeconsideredatthe外齿轮的运动也必须被认为是在positionwherethetoothprofileoftheinternalgearisdefined.位置的内齿轮齿廓的定义。

在这些方程中，E代表偏心运动量。

2.3齿廓的运动学方程

Inacycloidreducer,theexternaltoothwheelexhibitseccentric

在摆线针轮减速机中，其外齿轮具有偏心cammovement.Theamountofeccentricmovementcan凸轮运动。

，如下图所示，canchangeaccordingtopredictablevalues.Fig.5showstheresultsofkinematicpintrajectorymodeling.可以根据齿廓运动的变化预测偏心运动量becontrolledasshownbelow,andthetoothprofilemovement被控制的值。

图5显示的是运动针轨迹的建模结果。

Thepitchcirclesoftheexternalgearandtheinternalgear外齿轮的节圆与内齿轮的的的定义如下[13]：

在齿形模块，M等于节圆直径D除以齿数Z，单位为毫米。

Z1和Z2分别表示内、外齿轮的齿数。

如果旋转的节圆较大，两节点必须同时同向旋转，然而两旋转角速度的常数不同。

r1⎫1=r2⎫2

φ1和φ2分别表示内、外齿轮转动角速度。

方程（13）的，显示在公式的变化（12）1φ的下方

同时，公式（14）可以被用来计算的绝对角速度时，外齿轮的转动和传动齿轮与内侧相固定。

外齿轮的齿轮位置坐标可以利用以下的那些计算方程计算：

andtheexternaltoothwheelsrotate,respectively.Eq.（13）

在上述方程FM，M1，FP和MP2分别表示1φ角速度旋转变换矩阵，对平移速度−E翻译转换矩阵，和旋转变换矩阵为2φ角速度，

rotationconversionmatrixforanangularspeedof1

绝对坐标系统的数据分析是仿真程序必要的。

因此，在绝对坐标系统中，R1和R2（分别得出从外齿轮与内齿轮R1和R2）计算如下：

上述为根据梯形齿移动的那些运动方程。

2.4衰落系数的定义

使用下列方程轨迹确定在外齿轮中心的轨迹，设齿中心坐标我（XC，YC）：

在这里，定义如下：

齿形衰落系数λ的运动轨迹是一个功能变化如表1所示

其中

表1显示的为相对于衰落系数λ价值变化梯形齿形的轨迹的评估结果

当λ=1，齿面的端遇到干扰由于其位置的运动（如表1所示的红圈（B））

由于牙齿的摆线运动时λ＜1这种干扰越来越大（如表1所示的红圈

（一））

然而，当λ小于1时，因为牙齿接触发生在相反的方向的齿轮运动，因而没有干扰

3.实验的结果

3.1机器人减速器的原型

图7中所示为减水剂的原型机器人，是基于我们以前制造的结果分析的

图7

图8

已知刚度为 609 nm/ min和电弧负载力矩测量为1131 nm。

最大弧垂弯矩荷载为2262nm，而应用点的大小范围从83.71毫米到8.14毫米，轴向载荷为3408N和径向载荷为12180N。

测定为50毫米沿半径方向的标准距离。

额定输出扭矩为500nm，与额定输出频率为每分钟15转。

允许的最大平均输出力矩为700nm，容许速度增加/减少扭矩为1250nm，和允许的最大瞬时扭矩为2500nm。

允许的最大输出频率为27 rpm，测量低于1分钟的旋转精度，和扭转刚度为206nm /弧分钟。

3.2无效行程

Toconfirmtheeffectivenessofthedevelopedtoothprofile

确定了齿廓设计的有效性，我们制造一个模型具有以下规格。

制造模型（hdxd050s-b148-s-s2）有148:

1减速比，无效行程的测定（使用专门制造的测量了试验台的运动，如图8所示）是平均为0.12弧分，从而满足机器人的要求（小于1分钟）。

3.3Momentstiffness

3.3刚度的需求Whendesigningrobots,ahighvalueofmomentstiffness

设计机器人时，价值高的刚度的时刻mustbeused,becauseifthestiffnessisnothighenough,the必须使用，因为如果刚度不够高，这resultingloweigenfrequencydecreasestheprecisionofthe从而减少低频率的精度robots,andtheysagunderadditionalloads.Thestiffnessof机器人，他们陷在附加载荷。

刚度currentlyavailablerobotsamountstoabout600Nm/arcmin.目前现有的机器人达600nm/弧分。

Inthisstudy,basedonexperimentsperformedwiththe在这项研究中，基于进行实验manufacturedtestbed（seeFig.9）tomeasurethebending制造的试验台（见图9）测量的弯曲moment,themomentstiffnessofrobotreducerswithatrapezoidal一刻，有梯形的机器人减速力矩刚度toothprofilewasfoundtobegreaterthan600Nm/arc齿廓是大于600纳米/弧min,whichisastandardvalueofstiffnessforrobots（seeTable分钟，这是机器人的刚度标准值（见表2）.2）。

Note:

Distancetotheforcedpoint:

1000mm;distance

注：

被迫点的距离：

1000毫米；距离

measured:

300mm

测量：

300毫米

3.4测量噪声

Table3liststhemeasuredvaluesofnoisewhenasinglereducer

表3列出了测量值的噪声时，一个单一的减速器wasoperatedunderNyquistcontrolandnoisewas在奈奎斯特控制和噪声条件下操作measuredatadistanceof1mfromthesource.Giventhatthe在距离1米的源测量。

鉴于averagenoiseofindustrialrobotreducersis85dB,ourprototype工业机器人减速平均噪音是85分贝，我们的原型hasaconsiderableadvantageintermsofnoise.在噪音方面具有相当的优势。

4.结论

Thetoothprofileofrobotscanbecategorizedascycloid,involute,

机器人可分为摆线齿廓渐开线，ortrapezoidal.Ourstudyevaluatedthegearingfeatures或梯形。

我们的研究评估的传动特点ofthetrapezoidaltoothprofile.Inaddition,theapplicability的梯形齿廓。

此外，适用性oftheprofiletorobotswasverifiedviaprototypemanufacture轮廓中的机器人是通过试制验证andlaboratoryexperiments.Basedontheresultsofour和实验室实验。

根据我们的结果study,weproposedanewrobotreducertoothprofilewitha研究中，我们提出了一个新的机器人减速器齿形带numberofimprovementswithregardtogearing.Insummary,以齿轮传动的改进数。

在总结，

（1）Greatimprovementsingearing,stress,andstiffnessby

（1）在齿轮传动中，