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ZGW4-12擺桿減速器的試制

在前面理論分析的基礎上，我們設計了一臺擺桿減速器，并進行了樣機試制，制造出的樣機運轉狀態(tài)良好，表明機構設計是合理的，理論分析是正確的。由于條件限制，目前還沒有進行效率等試驗。

8.1 2GW4-12擺桿減速器的設計
8.1.1設計要求
設計一擺桿減速器，已知條件是：傳動功率為4KW，輸入軸轉速為1500轉／分，傳動比為12，臥式，單機（不帶電機）。
代號“2GW4-12”的含義：
“2”表示機座號，使用推桿減速器中2號機座；
“G”為擺桿的代號；
“W”表明是臥式，有別于立式“L”；
“4”表示傳動功率為4KW；
“12”表示傳動比（輸入與輸出轉速比）為12。
設計的指導思想：
盡量利用目前正在生產(chǎn)的2TW4-12推桿減速器的機座及有關零件毛坯，將內(nèi)部的推桿傳動結構改成擺桿傳動結構。通過首次樣機試制，以驗證機構傳動原理及前面理論分析的正確性。

8.1.2 結構形式的確定
本次設計確定該機構為激波器主動、內(nèi)齒圈固定、傳動圈輸出的正向結構形式。根據(jù)已知條件，可知內(nèi)齒圈齒數(shù)應為Z_N=11，理論擺動機構數(shù)目為Z_C=12。為了達到靜平衡，采用雙排結構。實際機構采用抽齒，每隔一個擺動機構抽掉一個，實際擺動機構數(shù)目為 ，兩排合起來共有12個擺動機構。

8.1.3基本設計參數(shù)的確定

擺桿減速器的基本設計參數(shù)是：激波器半徑T_b；激波器偏心距e；滾子半徑T_z；桿擺動中心至機構傳動中心的距離R₀，以及擺桿本身的尺寸參數(shù)W₁、W₂、h₁、h₂。為了使擺桿便于加工和裝配時的通用性，取W₁=W₂，h₁=h₂。參數(shù)的確定步驟如下：
①參照推桿減速器來選取部分參數(shù)
在前面進行推桿減速器的優(yōu)化設計中已指出，激波器半徑T_b的選取，應結合軸承的標準來進行。此外，從經(jīng)濟和加工方便考慮，滾子也應以采購現(xiàn)成的為宜。根據(jù)本次設計的指導思想，T_b、e、T_z，這三個參數(shù)的取值完全參照同規(guī)格推桿減速器（2TW4-12）的取值，即：
T_b=50mm，          e=3.5mm，              T_z=7mm
為了利用現(xiàn)有的機座，使用與2TW4-12推桿減速器相同的傳動圈及內(nèi)齒圈毛坯，選W₁=W₂=12.25mm
②初選軸銷半徑T_P

擺動軸銷在傳動過程中需要用來傳遞動力，根據(jù)擺動機構的結構形式，T_P的選取主要應根據(jù)剪應力的計算來進行。軸銷選用標準圓柱銷（GBI119-76)，其許用剪應力為[τ]=34(N/mm²）
由驅動功率及輸入轉速，可近似（忽略摩擦損失）求得輸出扭矩T₂為：

在采用雙排結構的情況下，假定同時處于受力狀態(tài)的圓柱銷有5個，則每個圓柱銷平均受到的作用力F近似為：

將R_o以概略估計值70mm代入上式后可得

                             T_P≥3.5mm

根據(jù)圓柱銷規(guī)格，初選T_P=4mm

③通過優(yōu)化確定參數(shù)R₀及h₁（h₂）

優(yōu)化目標函數(shù)：

以理論嚙合效率極大為優(yōu)化的目標，目標函數(shù)為：

嚙合定位角 的取值范圍是[0， ]，將其平均分成20等分，η_j表示 取第j個分點（從O開始）的值時，機構的嚙合效率

上式中摩察角及摩擦系數(shù)的選擇是：θ₁=0.003弧度，θ₂=0.012弧度，f_a=0.011。同時工作的擺動機構數(shù)目n_g，可按式（7.33）計算。

約束條件主要考慮了強度約束和齒全高限制。

強度約束主要應滿足內(nèi)圈與外滾子之間的接觸應力條件，以及激波器與內(nèi)滾子之間的接觸應力條件，條件式中b取25mm。

內(nèi)齒圈、滾子、激波器都使用GG_T15材料制造，經(jīng)熱處理后硬度可達HRC=58～62，許用接觸應力在850～1200N/mm²范圍之內(nèi)，取[τ]_HJ =[τ]_HN=850(N/mm²）代入式中進行計算。

齒全高限制：

與推桿減速器不同的是，桿減速器內(nèi)齒圈理論齒廓的齒高可以不等于偏心距e的2倍，當齒高較小時，傳動效率降低，當齒高較大時，機構受力狀態(tài)不好，所以應限制齒全高在2倍的偏心距范圍之內(nèi)。

齒廓上的點到傳動中心o的距離d為：

                                                         （8.6）

上式中的x_N，y_N是由式（7.9）表示的齒廓上的點的坐標值，當 時，點（x_N，y_N）對應齒頂，這時d有最小值偏d_min，當 時，點（x_N，y_N）對應齒根，這時d偏，齒全高等于己的最大與最小值之差。齒全高限制條件可寫為：

                                                （8.7）

經(jīng)上述數(shù)學模型優(yōu)化后，得：

，     h₁=h₂=19mm，     η_P=0.976（正向轉動）     

④ 軸銷的校核

所有基本設計參數(shù)確定后，應按軸銷所擔負的最大載荷來校核上面初選的軸銷半徑T_P是否合適，根據(jù)最大剪應力計算公式有：

                                                   （8.8）

將上述所得基本設計參數(shù)的值代入式（7.70）并求最大值可得 =1082.5（N），將其代入式（8.8）得 ，小于所選軸銷的許用接觸應力,故滿足設計要求。

為了使擺桿在傳動過程中不發(fā)生運動干涉，將擺桿進行相應的修削處理。所用傳動圈基本上采用推桿減速器中的形式，將基槽的寬度加寬，避免與擺桿相碰。圖8.1是2GW4-12擺桿減速器的結構圖。

8.1.4運動仿真

根據(jù)上述基本設計參數(shù)及各零部件的結構參數(shù)，將各主要運動部件的工作過程在計算機屏幕上動態(tài)顯示出來。圖8.2是動態(tài)仿真過程中的一幀圖象。計算機仿真結果與理論分析完全一致。

8.2內(nèi)齒圈齒廓的數(shù)控加工

擺桿減速器的內(nèi)齒圈齒廓，可用數(shù)控銑，數(shù)控磨來分別進行粗、精加工。本次樣機試制選用數(shù)控插齒機進行一次成型的加工方案。由于軸承鋼GC,15不適應氮化熱處理工序，用其它方法進行熱處理變形又較大，因此使用刷鍍工藝將齒廓表面刷鍍一層鎳一鎢合金，硬度可達HRC=58～62
8.2.1刀具的校核
內(nèi)齒圈的齒廓曲線是擺動機構外滾子的包絡線。在進行數(shù)控加工時，所使用的圓插刀半徑可不等于實際外滾子的半徑，只要在加工過程中不發(fā)生切削干涉就行。因此，進行數(shù)控加工首先要進行刀具的校核。

外滾子中心軌跡的相對曲率k₂可從式（7.25）求出，對應的曲率半徑P₂為：

                                                                （8.9）

利用計算機編程，在齒根鄰域進行一維搜索，可求出曲率半徑P₂的最小值。)使 在( 90°, 270°）范圍內(nèi)搜索，解得：
P_2min=11.98mm，         對應于 =148.74°  

只要所選用的刀具半徑T_d不大于18.987mm，就不會發(fā)生切削干涉。實際使用的刀具半徑為T_d=11.03mm，符合不發(fā)生切削干涉的條件。

8.2.2加工數(shù)據(jù)的生成

使用半徑為T_d的刀具加工由方程式（7.9) 所表示的齒廓曲線時，刀具中心在與內(nèi)齒圈固聯(lián)的坐標系中的軌跡方程是

對內(nèi)齒圈齒廓采用等距修形，選取修形量△T_z=0.18mm，為加工出修形后的齒廓，刀具中心軌跡方程應為：

為了得到數(shù)控加工中所需的數(shù)據(jù)格式，將刀具中心的直角坐標（x_d，y_d）按式（4.3)化為極坐標表示。

在內(nèi)齒圈每個齒的齒廓上取360個點，即在齒廓曲線一周上取360×ll個分點，將基本設計參數(shù)及刀具半徑T_d、修形量△T_z的取值代入極坐標表示式中之后，便可得到每個分點相應的刀具中心坐標，如表8.1所示。

表8.1  加工內(nèi)齒圈齒廓曲線時刀具中心極坐標

提供給數(shù)控驅動程序的數(shù)據(jù)必須是一組脈沖數(shù)，因而還應將表8.1所示的刀具中心坐標值轉換成每兩個點之間所需的脈沖數(shù)。
在數(shù)控加工過程中，表8.1中極徑P_d的變化是由刀具在x軸上的移動來實現(xiàn)的，而極角θ_d的變化是由丙齒圈隨工作臺的轉動來實現(xiàn)的，設某兩點間極徑P_d的變化量為△P_d，相應的極角變化量為△θ_d，則應向x軸發(fā)的脈沖數(shù)n_x可按式（4.4）計算，向C軸發(fā)的脈沖數(shù)n_c按式（4.5）計算。
從形成齒廓曲線的原理上來說，圓插刀本身不需要轉動。為了使其磨損均勻，可以令圓插刀在加工過程中也連續(xù)地轉動。通常使它按與工作臺2～4倍的轉速旋轉。故向d軸發(fā)的脈沖數(shù)為：n_d=（2～4）n_c
用式（4.4）及式（4.5）計算n_x和n_c時，得到的不可能恰好是整數(shù)，為了消除累積誤差，每段中應把上一段的誤差考慮進去。例如對n_x的計算，假定表8.1中P_d的360×11個數(shù)已存在數(shù)組A中，計算后的360×11-l個脈沖數(shù)n_x存在數(shù)組x中，則計算過程如圖8.3所示。

最后得到提供給數(shù)控驅動程序的脈沖數(shù)據(jù)如表8.2所示。

表8.2   加工內(nèi)齒圈齒廓時的最終脈沖數(shù)據(jù)

表8.2中數(shù)字前面的符號表示運動方向，對工作臺回轉中心C軸及刀具回轉中心D軸來說，正號表示順時針方向旋轉，貧號表示逆時針方向旋轉。對X軸來說，正號表示刀具軸心向右移動，負號為向左移動。由于在加工內(nèi)齒圈時使刀具位于內(nèi)齒圈中心（C軸）的左側，所以向X軸發(fā)負脈沖相當于進刀（中心距加大）。

由表8.1可知，在初始位置，刀具中心離工作臺回轉中心應為最小距離P_d＝73.597987mm，而在開始對刀時必須留出一定量的對刀量，定為10mm，因而在程序執(zhí)行過程中應加入進刀2500個脈沖（10mm）的進刀量。加工的初始點選擇在內(nèi)齒圈齒廓的齒頂，表8.2中第一行數(shù)據(jù)是為了使按定位槽基準定位好的工作臺轉至齒頂位置所發(fā)的脈沖數(shù)。

8.2.3數(shù)據(jù)加工仿真

為了驗證所得加工數(shù)據(jù)的正確性，在正式加工之前，先用計算機進行圖形仿真。仿真主要是顯示一下刀具中心軌跡是否正確。因而可讓內(nèi)齒圈固定不動，使刀具根據(jù)上述數(shù)據(jù)作平面運動的圖形仿真。確定數(shù)據(jù)正確后再開始正式加工，圖8.4為正在用數(shù)控插齒機加工內(nèi)齒圈的齒廓。圖8.5為刷鍍以后的內(nèi)齒圈及擺桿。

8.2.4公法線的計算及測量
將2GW4-12擺桿減速器的設計參數(shù)代入公法線條件式（7.79）中，并給外滾子半徑T_z以增量0.18mm代入，可得到三條不同長度的公法線，如圖8.6所示。

當跨槽數(shù)K=5時，可解得一條凸齒及一條凹齒公法線：

凸齒公法線長度為W₅₁=167.8764mm，對應于 1.401155°處。

凹齒公法線長度為W₅₂=171.5823mm，對應于對應于 =12.4463°處。

當跨槽數(shù)K=6時，只有一條凹齒公法線，長度為W₆₃=182.1875mm，對應于 =15.16821°處。經(jīng)實際測量，結果與理論計算相符合。

8.5  刷鍍后的內(nèi)齒圈及擺桿（圖略）

8.3 裝配

擺桿減速器的其它零部件都是在解放軍7435工廠進行加工的，并在該廠完成裝配。圖8.7為2GW4-12擺桿減速器正在裝配之中，圖8.8是該機外型。裝配后，運轉2個小時左右，機器噪音小，運轉平穩(wěn)，工作狀態(tài)良好。

8.7 2GW4-12擺桿減速器在裝配中（圖略）

8.8 2GW4-12 擺桿減速器外型（圖略）