ANSYS电动双直线输出变幅驱动机构的设计研究(2)
5 差速器部分零件的设计 14
5.1差速器原理结构 14
5.2行星齿轮与半轴齿轮的选择 15
5.3差速器齿轮的强度计算 16
5.4行星架大锥齿轮和电机输入轴锥齿轮的选择 17
5.5差速器齿轮材料选择 17
5.6 同步螺杆间联轴器的选择和轴强度校核 18
6万向轴传动的设计与计算 19
6.1万向传动轴的结构特点 19
6.2传动轴和伸缩花键的选择 19
6.3万向传动轴计算及强度校核 20
6.4变幅机构驱动功率和效率的计算 22
7 结构设计优化 25
7.1变幅螺杆部分结构设计 25
7.2 差速器部分的结构 25
7.3 万向节传动轴 26
结论 27
致谢 28
主要参考文献 29
绪论
变幅驱动机构广泛应用于各种起重机、挖掘机和装载机等工程机械及工业机器人中用于驱动工作臂的摆动，以改变工作臂的作业高度和作业半径高低，在火炮及火箭发射架的发射角度调节中也有广泛应用。变幅机构以实现工作机的水平转动，高低角度的变化来达到在预定作业范围内能够灵活、准确的运动。传统的变幅机构以液压驱动为主，液压驱动可以承受很大的载荷，在带载运作机械中应用广泛，如起重机，吊机，铲车，挖掘机等。变幅机构新的研究是用电液来驱动，电液驱动较以往纯电动或者纯液动有一定的优势，它可以对角度、行程有精确的控制，可以产生较大驱动力，具有过载保护，可以带负荷启动，且在推力和速度相同的情况下，电液驱动变幅机构消耗的能量还要更少，但设计上更为复杂。本课题主要是研究用电机驱动变幅机构进行角度的变幅。
类似于挖掘机、铲车，本课题也是对双支承的形式变幅机构的设计，为了达到同步驱动的目的，拟用一个电动机将动力输出到两个变幅杆，然后支承工作臂进行变幅。已有的变幅机构的设计，是由电机输出动力，通过传动轴和锥齿轮驱动变幅杆的直线运动，两根螺杆轴得到的转矩大小相同，理论上也可以由此得到同步驱动的工作要求，但是考虑到两根变幅推杆在制造和安装上都会有些许的误差，因而这些误差在实际的运动当中会使变幅机构产生额外的附加动载荷，可能由于某一推杆的卡死而导致另一推杆的力矩增大，以致对变幅机构的运动产生影响，甚至造成机构的损坏破坏。所以要设计一种新的方案能够解决这种误差带来的影响。
为了平衡变幅机构内的力矩，考虑用汽车差速器的原理进行优化，汽车差速器是一个差速传动机构，用来保证各驱动轮在各种运动条件下的动力传递，避免轮胎与地面间打滑[1]。当汽车转弯行驶时，外侧车轮比内侧车轮所走过的路程长，即使路面非常平直，但由于轮胎制造尺寸误差，磨损程度不同，承载的载荷不同或充气压力不等，各个轮胎的滚动半径实际上不可能相等，若两侧车轮都固定在同一刚性转轴上，两轮角速度相等，则必然出现某一车轮边滚边滑的现象。汽车基本都采用了对称式锥齿轮普通差速器。对称式锥齿轮差速器由行星齿轮、半轴齿轮、行星齿轮轴（十字轴或一根直销轴）和差速器壳等组成。当两侧阻力相同时行星齿轮拨动两侧的半轴齿轮转动，当两侧车轮所受阻力不同时，行星齿轮还要绕自身轴线转动—自转，实现两车轮的差速驱动。差速器的这种调整是自动的，这里涉及到“最小能耗原理”[2]，也就是地球上所有物体都倾向于耗能最小的状态。例如把一粒豆子放进一个碗内，豆子会自动停留在碗底而绝不会停留在碗壁，因为碗底是能量最低的位置（位能），它自动选择静止（动能最小）而不会不断运动[3]。同样的道理，车轮在转弯时也会自动趋向能耗最低的状态，自动地按照转弯半径调整左右轮的转速。因此在变幅机构也可能得到同样的调整，当某一变幅杆的力矩增大时，转速降低，差速器自动分配力矩，使另一杆的转速增大，在变幅推杆逐渐伸长时，力矩也慢慢增大，当两边的力矩平衡时，梯形丝杠又可以一起转动，变幅推杆也能同步的伸长，来达到变幅的目的。普通差速器还存在打滑的现象，譬如说当车辆一轮掉入水坑中或者处于冰面之上，此车轮就毫无任何摩擦力可言，另一着地车轮相对却有着极大的阻力，此时差速器的作用会让所有动力回馈到低摩擦的轮子。掉入水坑或者在冰面上的车轮会不停转动，而着地轮反而完全无动作，如此车轮就无法行驶，因此更专业的限滑差速器也被发明出来。而将差速器应用到变幅机构中，貌似并不会出现打滑而失去动力的情况，所以本文将该原理应用到变幅机构中。
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