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南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文
1 前 言
§1.1模擬轉(zhuǎn)臺的簡介
微型飛行器（Micro Aerial Vehicles 或Micro Air Vehicles,簡稱MAVs）的概念最初是美國科學(xué)家布魯諾 ?W?奧根斯坦在1992年美國國防高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency簡稱DARPA）主持的一次未來軍事會議上提出的?，F(xiàn)代的微型飛行器具有尺寸小、重量輕、隱身性能好、自主飛行，實(shí)時傳輸圖象等突出優(yōu)點(diǎn)，因而在軍事、消防、交通等領(lǐng)域有獨(dú)特的應(yīng)用。
隨著社會的發(fā)展，工業(yè)水平的提高，逐步的由大型化轉(zhuǎn)向小型化，轉(zhuǎn)化成微型化。在此發(fā)展的過程中，機(jī)械制造技術(shù)的水平與制造業(yè)也得到了有個較快的發(fā)展，它反映的是一個國家的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平。新技術(shù)的推廣和應(yīng)用，使得新產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)，與原有的事物相比，其體積是越來越小。機(jī)械工業(yè)歷來都是發(fā)達(dá)國家的重要支柱產(chǎn)業(yè)，是一個國家的工業(yè)基礎(chǔ)。從70年代開始，由于各國政府重視和發(fā)展高新技術(shù)，特別是微電子技術(shù)，微機(jī)技術(shù)的引入，使傳統(tǒng)的機(jī)械工業(yè)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面發(fā)生了質(zhì)的變化，使其煥發(fā)了新的生命，形成了一個嶄新的現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)。
一個國家需安全、穩(wěn)定，其國防技術(shù)就不能落后于其它國家。目前，各國在國防建設(shè)的投入是越來越多，逐年增加，為的就是研制出新的產(chǎn)品，使自己有優(yōu)越于其他國家?，F(xiàn)代軍隊(duì)的裝備越來越重視其輕型化、技術(shù)化、現(xiàn)代化等。如：微型沖鋒槍、微型機(jī)器人等。飛機(jī)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭是必不可少的，其發(fā)展趨勢也是向無人駕駛，微型化發(fā)展。
在微型飛行器的研制過程中，飛行仿真實(shí)驗(yàn)是必不可少的重要步驟。飛行仿真實(shí)驗(yàn)主要分為測試飛機(jī)飛行動力學(xué)性能的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和測試飛機(jī)動態(tài)控制性能以及各種機(jī)載傳感器性能的地面半實(shí)物飛行仿真實(shí)驗(yàn)。只有通過仿真實(shí)驗(yàn)，獲取足夠多的飛行器性能數(shù)據(jù)，確證飛行器的外形設(shè)計符合動力學(xué)要求，控制系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定性以及各種機(jī)載穩(wěn)定性以及各種機(jī)載儀器能夠在模擬工作環(huán)境中正常工作，才能進(jìn)行飛行器的試飛工作。
三軸搖擺臺是半實(shí)物飛行仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵設(shè)備。它可以按照實(shí)驗(yàn)要求，提供飛行器飛行時的航向角、俯仰角、橫滾角以及飛行擾動，實(shí)時模擬飛行器在空氣飛行的姿態(tài)。通過模擬飛行器的飛行姿態(tài)，測試飛行器控制系統(tǒng)能否在飛行器受到外界擾動時控制飛行器調(diào)整到安全飛行姿態(tài)。同時，還可以測試飛行器攜帶的機(jī)載傳感器在模擬飛行條件下的工作狀況。
§1.2 研究概況及發(fā)展趨勢
目前，在微型飛行器模擬實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺的研究開發(fā)方面，多采用齒輪傳動，用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。一般是三軸飛行模擬轉(zhuǎn)臺，實(shí)驗(yàn)時能提供飛行器飛行時的航向角（偏轉(zhuǎn)角）、俯仰角、橫滾角（滾轉(zhuǎn)角），即只有三個自由度。這種三軸飛行模擬轉(zhuǎn)臺，并不能完全模擬飛行器在空中的姿態(tài)。它采用三層轉(zhuǎn)臺提供三個方向的轉(zhuǎn)動。在實(shí)際使用時，由三個獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動。下層轉(zhuǎn)臺模擬飛行時的航向角，中層轉(zhuǎn)臺模擬飛行時的俯仰角，上層轉(zhuǎn)臺模擬飛行時的橫滾角。
飛行器在空中飛行時，有六自由度，所以在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)時，模擬轉(zhuǎn)臺的發(fā)展趨勢是具有五個或六個自由度，要能真實(shí)的模擬飛行器在空中受到的各種力以及影響，并且使其智能化，即由計算機(jī)控制，以增加模擬的準(zhǔn)確性。
§1.3 研究內(nèi)容
1．搜集畢業(yè)設(shè)計相關(guān)資料，包括參考圖紙、技術(shù)論文及外文資料。
2．對相關(guān)類型的模擬轉(zhuǎn)臺進(jìn)行分析比較，并確定出新的傳動方案，繪制出相應(yīng)傳動系統(tǒng)圖。
3．繪制結(jié)構(gòu)圖，包括展開圖和剖截圖，并進(jìn)行相關(guān)設(shè)計的計算。
4．綜合計算結(jié)果及圖，進(jìn)行合理性檢驗(yàn)。
5．確定方案并進(jìn)性設(shè)計記錄的修改、整理。
6．繪制總裝配圖。
7．確定驅(qū)動方式，并確定驅(qū)動動力來源。
8．撰寫技術(shù)論文及設(shè)計說明書。
9．翻譯外文資料。
2 轉(zhuǎn)臺機(jī)械系統(tǒng)方案的選擇及評價
§2.1 控制臺的功能分析：
微型飛行器模擬轉(zhuǎn)臺的有效載荷重量為300—500克，有效載荷空間為Φ150mm，能夠模擬微型飛行器飛行時的偏轉(zhuǎn)、俯仰、滾轉(zhuǎn)，以及飛行擾動，實(shí)時模擬微型飛行器在空中的姿態(tài)。通過模擬飛行器的飛行姿態(tài)，測試飛行器控制系統(tǒng)能否在飛行器受到外界擾動時控制飛行器調(diào)整到安全飛行姿態(tài)。同時還可以測試飛行器攜帶的機(jī)載傳感器在模擬飛行條件下的工作狀況。
由于在微型飛行器模擬實(shí)驗(yàn)時，模擬轉(zhuǎn)臺要根據(jù)飛行器在空中飛行的實(shí)際情況進(jìn)行模擬，所以，在傳動方面要比較精確。設(shè)計要求中，模擬轉(zhuǎn)臺具有三個自由度。要實(shí)現(xiàn)三個自由度大致把它分為三個轉(zhuǎn)臺（上、中、下）實(shí)現(xiàn)，控制飛行器的偏轉(zhuǎn)、俯仰、滾轉(zhuǎn)。由于轉(zhuǎn)動精度要較高，轉(zhuǎn)動的角位移分辨率要低，連續(xù)轉(zhuǎn)動速度范圍要較大，運(yùn)動角度范圍要符合設(shè)計要求。所以要求轉(zhuǎn)動的三軸必須共點(diǎn)，同時要求中層轉(zhuǎn)臺和上層轉(zhuǎn)臺有較高的同軸度、等高度。對要求轉(zhuǎn)動的在以各種速度轉(zhuǎn)動的過程中，轉(zhuǎn)臺運(yùn)動要平穩(wěn)，過渡過程要較迅速。直線運(yùn)動的速度范圍要較大，運(yùn)動要平穩(wěn)。直線運(yùn)動與轉(zhuǎn)動過渡過程要迅速、平穩(wěn)。
§2.2 方案的選擇及評價：
§2.2.1執(zhí)行部分
由于在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，模擬轉(zhuǎn)臺要載著微型飛行器在風(fēng)洞中模擬空中姿態(tài)，所以，轉(zhuǎn)臺的執(zhí)行部分只需一平臺即可， 工作平臺要能提供三個自由度的需要。有效載荷空間為Φ25mm（設(shè)計要求）。模擬轉(zhuǎn)臺設(shè)計要平穩(wěn)，水平度要好。
（1） 原動部分
電動機(jī)種類的選擇的原則是在滿足生產(chǎn)機(jī)械對穩(wěn)定和動態(tài)特性要求的前提下，優(yōu)先選用結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、價格便宜的電動機(jī)。電動機(jī)種類選擇時應(yīng)考慮的主要內(nèi)容：
(a) 電動機(jī)的機(jī)械特性。它應(yīng)與所拖動生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)械特性相匹配。
(b) 電動機(jī)的調(diào)速性能。它包括調(diào)速范圍、調(diào)速的平滑性、調(diào)速系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性等幾個方面，它們都應(yīng)滿足生產(chǎn)機(jī)械的要求。
(c) 電動機(jī)的啟動性能。不同的生產(chǎn)機(jī)械對電動機(jī)啟動性能有不同的要求，電動機(jī)的啟動性能主要是轉(zhuǎn)矩的大小，同時還應(yīng)注意電網(wǎng)容量對電動機(jī)啟動電流的限量。
(d) 電動機(jī)的電源種類。采用交流電源比較方便，而直流電源一般需要有整流設(shè)備將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，所以交流電動機(jī)在這方面比直流電動機(jī)要優(yōu)越。
(e) 電動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。一是電動機(jī)及相關(guān)設(shè)備（如：啟動設(shè)備、調(diào)速設(shè)備等）的經(jīng)濟(jì)性，也就是要考慮電動機(jī)及其拖動系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)該滿足生產(chǎn)機(jī)械對電動機(jī)各個方面運(yùn)行性要求的前提下，優(yōu)選價格便宜、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便的電動機(jī)拖動系統(tǒng)；二是電動機(jī)拖動系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，主要是效率高，節(jié)省電能。目前，各種形式的電動機(jī)在我國應(yīng)用非常廣泛。
由于在實(shí)驗(yàn)時，轉(zhuǎn)臺要用計算機(jī)進(jìn)行控制，轉(zhuǎn)臺工作精度要求較高，控制要簡單，所以要選擇工作精度高，控制方便的電機(jī)?？刂品奖愕碾姍C(jī)有控制電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。
控制電機(jī)一般指用于自動控制、自動調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)距離測量、隨動系統(tǒng)以及計算裝置中的微特電機(jī)。它是旋轉(zhuǎn)電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的小功率電機(jī)，就電磁過程及所遵循的基本規(guī)律而言，它與旋轉(zhuǎn)電機(jī)并無本質(zhì)區(qū)別，只是所起的作用不同。控制電機(jī)主要用來完成控制信號的傳遞和變換，它的技術(shù)性能穩(wěn)定可靠、動作靈敏、精度高、體積小、重量輕、耗電少。兩相交流伺服電機(jī)控制方法有：（1）副值控制；（2）相位控制；（3）副值—相位控制。它的輸出功率一般在：0.1W-100W, 其電源頻率有50Hz、400Hz等幾種。質(zhì)量；直流伺服電機(jī)用在功率較大的場合，它的輸出功率為1W-600W。
步進(jìn)電動機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直線位移的機(jī)電執(zhí)行元件。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)每輸出一個并經(jīng)功率驅(qū)動線路放大的電脈沖信號加于步進(jìn)電機(jī)繞組時，該電動機(jī)就轉(zhuǎn)過一相應(yīng)角度。脈沖一個一個地輸入，電動機(jī)便一步一步地轉(zhuǎn)動。由于這種電動機(jī)受控于電脈沖信號，通常又稱為脈沖電動機(jī)。
電動機(jī)具有以下幾個特點(diǎn)：
（a） 行轉(zhuǎn)速與控制脈沖的頻率成正比，有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，且在負(fù)載能力范圍不受電壓波動、電流波形及環(huán)境溫度變化的影響，
（b） 位移量取決于輸入脈沖數(shù)，步距誤差不會長期累積，在不失步的情況下，每轉(zhuǎn)一周積累誤差等于零。
（c） 具有靈活的控制性能，在脈沖數(shù)字信號控制下，能方便的實(shí)現(xiàn)啟動、減速、停止、反轉(zhuǎn)、定位等運(yùn)行方式。
步進(jìn)電動機(jī)的位移量與輸入的脈沖數(shù)嚴(yán)格成比例，這就不會引起誤差的積累，其轉(zhuǎn)速與脈沖頻率和步距角有關(guān)?？刂戚斎朊}沖數(shù)量、頻率及電動機(jī)各先相繞組的接通次序，可以得到各種需要的運(yùn)動特性。尤其是當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)與數(shù)字系統(tǒng)配套時，它將體現(xiàn)出更大的優(yōu)越性，因而，廣泛應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，如數(shù)控機(jī)床、自動化儀表、通信設(shè)備、計算機(jī)外圍設(shè)備及自動化生產(chǎn)線中，在定量、定長、定位、對中、糾偏、測距等控制方面得到了很廣泛的應(yīng)用。
步進(jìn)電動機(jī)的種類很多，主要有反應(yīng)式、永磁式、永磁感應(yīng)子式、機(jī)械諧波式、電感諧波式以及混合式等。由于反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、步距角小、工作可靠、運(yùn)行頻率高，應(yīng)用最為廣泛。
反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的定轉(zhuǎn)子磁路均由軟磁材料制成。定子上有多相勵磁繞組，按一定順序通電后產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)按其結(jié)構(gòu)分為軸向分相、圓周分相和混合分相三種類型，按其磁路結(jié)構(gòu)可分為軸向氣隙和徑向氣隙兩種類型。
反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)可以按特定的指令進(jìn)行角度控制，也可以進(jìn)行速度控制。角度控制時，每輸入一個脈沖，定子繞組換接一次，輸出軸就轉(zhuǎn)過一個角度，其步數(shù)與脈沖數(shù)一致，輸出軸轉(zhuǎn)動的角位移與脈沖數(shù)成正比。速度控制時，各相繞組不斷輪流通電，步進(jìn)電動機(jī)就連續(xù)轉(zhuǎn)動。反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速只取決于脈沖頻率、轉(zhuǎn)子齒數(shù)和拍數(shù)。而與電壓、負(fù)載、溫度等因素?zé)o關(guān)。當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)的通電方式選定后，其轉(zhuǎn)速只與輸入脈沖頻率成正比，改變脈沖頻率就可以改變轉(zhuǎn)速，故可進(jìn)行無級調(diào)速，調(diào)速范圍很寬。同時步進(jìn)電動機(jī)具有自鎖能力，當(dāng)控制電脈沖停止輸入，而讓最后一個脈沖控制的繞組繼續(xù)通入直流時，則電動機(jī)可以保持在固定的位置上，這樣，步進(jìn)電動機(jī)可以實(shí)現(xiàn)停車時轉(zhuǎn)子的定位。
綜上所述，步進(jìn)電動機(jī)的步數(shù)或轉(zhuǎn)速既不受電壓波動和負(fù)載變化的影響，也不受環(huán)境條件變化的影響，只與控制脈沖同步，同時，它又能按照控制的要求進(jìn)行啟動、停止、反轉(zhuǎn)或改變速度，這就是步進(jìn)電動機(jī)被廣泛地應(yīng)用于各種數(shù)字控制系統(tǒng)中的原因。
對比兩種電機(jī)可見，在控制方面，步進(jìn)電機(jī)比控制電機(jī)控制簡單、方便，更易于數(shù)字化。在精度方面，步進(jìn)電機(jī)的傳動精度高于控制電機(jī)，性能比控制電機(jī)更優(yōu)越。
所以，在微型飛行器模擬轉(zhuǎn)臺的設(shè)計中，采用步進(jìn)電機(jī)。
（2）傳動部分 由控制臺的性能分析可知，系統(tǒng)需要三個自由度：
能實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)有：嚙合傳動機(jī)構(gòu)、摩擦傳動機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)。
嚙合轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)，包括齒輪傳動、蝸桿傳動、鏈傳動等。
齒輪傳動可用來傳遞空間任意兩軸間的運(yùn)動和動力，并且有功率范圍大，傳動效率高，傳動比準(zhǔn)確、穩(wěn)定，使用壽命長,工作安全可靠,結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。
蝸桿傳動是用來傳遞空間交錯兩軸之間的運(yùn)動和動力，它傳動平穩(wěn)，振動、沖擊和噪音很小，能以單級傳動獲得較大的傳動比，結(jié)構(gòu)緊湊，蝸輪蝸桿嚙合輪齒間相對滑動速度大，摩擦損耗較大，傳動效率較低，易出現(xiàn)發(fā)熱和溫升過高的現(xiàn)象，磨損較嚴(yán)重，有些蝸桿傳動具有自鎖性。
鏈傳動由鏈條和主、從動鏈輪所組成。鏈輪上制有特殊齒形的齒，依靠鏈輪輪齒與鏈節(jié)的嚙合來傳遞運(yùn)動和動力。鏈傳動是屬于帶有中間撓性件的嚙合傳動，鏈傳動無彈性滑動和打滑現(xiàn)象，因而能保證準(zhǔn)確的傳動比，傳動效率較高；結(jié)構(gòu)較為緊湊，安裝要求較底，成本低廉。鏈傳動的主要的缺點(diǎn)是：在兩根平行軸只能用于同向回轉(zhuǎn)的傳動；運(yùn)轉(zhuǎn)時不能保持恒定的瞬時傳動比；磨損后易發(fā)生跳齒；工作時有噪音；不宜在載荷變化很大和急速反向的傳動中應(yīng)用。
鏈傳動通常用在工作可靠，且兩軸相距較遠(yuǎn)，以及其它不宜采用齒輪傳動的地方，還用在對傳動要求不高而工作條件惡劣的地方。
摩擦傳動機(jī)構(gòu)，包括帶傳動、摩擦輪傳動等。其優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單，傳動平穩(wěn)，易于實(shí)現(xiàn)無級變速，造價低廉以及緩沖吸振、有過載保護(hù)作用等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)動比不準(zhǔn)確，傳遞效率低等。
連桿傳動，如雙曲柄機(jī)構(gòu)和平行四邊形機(jī)構(gòu)等。 連桿傳動機(jī)構(gòu)應(yīng)用十分廣泛，人造衛(wèi)星太陽能板的展開機(jī)構(gòu)，機(jī)械手的傳動機(jī)構(gòu)，折疊傘的收放機(jī)構(gòu)以及人體假肢等等，都是連桿機(jī)構(gòu)。其傳動特點(diǎn)如下：
(a)連桿機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動副一般均為低副，低副兩元素為面接觸，可在傳遞同樣載荷的條件下，兩元素間的壓強(qiáng)較小，可以承受較大的載荷。低副兩元素間便于潤滑，所以兩元素間不易產(chǎn)生磨損。此外，低副兩元素的幾何形狀比較簡單，便于加工制造。
(b)在連桿機(jī)構(gòu)中，當(dāng)原動件以同樣的運(yùn)動規(guī)律運(yùn)動時，如果改變各構(gòu)件的相對長度關(guān)系，便可使從動件得到不同的運(yùn)動規(guī)律。
(c)在連桿機(jī)構(gòu)中，連桿上不同點(diǎn)的軌跡是各種不同形狀的曲線（連桿曲線），而且隨著各構(gòu)件相對長度關(guān)系的改變，這些連桿曲線的形狀也將改變，從而可以得到各種不同形狀的曲線，我們就可以利用這些曲線來滿足不同軌跡的要求。
(d)連桿機(jī)構(gòu)還可以很方便地用來達(dá)到增力、擴(kuò)大行程和實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的傳動等目的。
連桿傳動的缺點(diǎn)：
(a)由于在連桿機(jī)構(gòu)中運(yùn)動必須經(jīng)過中間構(gòu)件進(jìn)行傳遞，因而連桿機(jī)構(gòu)一般具有較長的運(yùn)動鏈(即較多的構(gòu)件和較多的運(yùn)動副)，所以各構(gòu)件的尺寸誤差和運(yùn)動副中的間隙將使機(jī)構(gòu)產(chǎn)生較大的積累誤差，同時也會使機(jī)械效率降低。
(b)在連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程中，連桿及滑塊的質(zhì)心都在作變速運(yùn)動，它們所產(chǎn)生的慣性力難于用一般的平衡方法加以消除，因而會增加機(jī)構(gòu)的動載荷，所以連桿機(jī)構(gòu)一般不宜用于高速運(yùn)動。
(c)雖然利用連桿機(jī)構(gòu)可以滿足各種運(yùn)動規(guī)律和運(yùn)動軌跡的設(shè)計要求，但設(shè)計一種能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)這種要求的連桿機(jī)構(gòu)卻是十分繁難的，而且在多數(shù)情況下一般只能近似地滿足運(yùn)動要求。
所以，連桿機(jī)構(gòu)多用于有特殊需要的地方。
綜上所述，在回轉(zhuǎn)運(yùn)動可以用齒輪傳動和連桿傳動，連桿傳動的特點(diǎn)如上所述。齒輪機(jī)構(gòu)它具有：
（a）效率高：在常用的機(jī)械傳動中，它的傳動效率為最高，如一級圓柱齒輪傳動的效率可達(dá)99%。
（b）結(jié)構(gòu)緊湊：在同樣的條件下，齒輪傳動所需的空間尺寸一般較小。
（c）工作可靠、壽命長：設(shè)計制造正確合理、使用維護(hù)良好的齒輪傳動，工作十分可靠，壽命可長達(dá)一、二十年，這是其它機(jī)械傳動所不能比擬的。
（d）傳動比穩(wěn)定：傳動比穩(wěn)定往往是對傳動性能的基本要求。齒輪傳動獲得廣泛應(yīng)用，也就是由于這一點(diǎn)。
但齒輪傳動的制造及安裝精度要求高，價格較貴，不宜用于傳動距離過大的場合。
由于在微型飛行器模擬實(shí)驗(yàn)時，模擬轉(zhuǎn)臺要根據(jù)飛行器在空中飛行的實(shí)際情況進(jìn)行模擬，所以，在傳動方面要比較精確。初步確定，用齒輪傳動。設(shè)計要求中，模擬轉(zhuǎn)臺具有三個自由度。轉(zhuǎn)動精度要較高，轉(zhuǎn)動的角位移分辨率要低，連續(xù)轉(zhuǎn)動速度范圍要較大，運(yùn)動角度范圍要符合設(shè)計要求。在以各種速度轉(zhuǎn)動的過程中，轉(zhuǎn)臺運(yùn)動要平穩(wěn)，過渡過程要較迅速。直線運(yùn)動的速度范圍要較大，運(yùn)動要平穩(wěn)。直線運(yùn)動與轉(zhuǎn)動過渡過程要迅速、平穩(wěn)。
現(xiàn)代的眾多的結(jié)構(gòu)中使用鋼絲軟軸。鋼絲軟軸主要用于兩個傳動件的軸線不在同一直線上，或工作時彼此要求有相對運(yùn)動的空間傳動。鋼絲軟軸是由多組鋼絲分層卷繞而成的，具有良好的撓性，可以把回轉(zhuǎn)運(yùn)動靈活地傳到不開的空間位置。
微型飛行器模擬轉(zhuǎn)臺實(shí)驗(yàn)時要求，轉(zhuǎn)動的三軸共點(diǎn)，這是為了是實(shí)驗(yàn)時，飛行器能在較小的范圍內(nèi)（風(fēng)洞中）模擬空中的姿態(tài)。
§1.2.2傳動機(jī)構(gòu)的選擇及評價
能用在轉(zhuǎn)動中的機(jī)構(gòu)簡圖如下：
齒輪機(jī)構(gòu)簡圖如下：
圖1.1
大齒輪做成半個圓弧狀的。當(dāng)小齒輪來回轉(zhuǎn)動時，帶動半弧齒輪來回轉(zhuǎn)動，由于工作臺的中心是從動件的圓心，半弧齒輪來回轉(zhuǎn)動時，是繞圓心轉(zhuǎn)動，從而帶動工作臺繞從動件的圓心來回擺動。從而能模擬俯仰運(yùn)動。
蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動，它的簡圖如下圖：
圖1.2
蝸桿的轉(zhuǎn)動帶動蝸輪的轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動。
連桿機(jī)構(gòu)如下圖所示：
1.3圖
連桿機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動，來回擺動，帶動飛行器的運(yùn)動。但是連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動鏈較長，機(jī)械效率較低，不能作為高速傳動。
回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)簡圖如下：
圖1.4
小齒輪為主動輪，大齒輪為從動輪。小齒輪的轉(zhuǎn)動帶動大齒輪的轉(zhuǎn)動，大齒輪的轉(zhuǎn)動帶動安裝在大齒輪上的其它構(gòu)件的水平轉(zhuǎn)動，從而帶動工作平臺水平轉(zhuǎn)動，模擬微型飛行器的偏航角。
凸輪可以實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動，其運(yùn)動簡圖如下：
圖1.5
凸輪通常作等速轉(zhuǎn)動,也可做往復(fù)擺動或往復(fù)直線移動。在這里主要是利用凸輪的往復(fù)擺動運(yùn)動。
帶傳動的機(jī)構(gòu)簡圖如下：
圖1.6
帶傳動時，是由于帶和帶輪間的摩擦（或嚙合）拖動從動輪一起轉(zhuǎn)動，并傳遞一定的動力。它的結(jié)構(gòu)簡單，傳動平穩(wěn)，價格低，緩沖吸振。但所占的空間較大，傳動不夠精確。
軟軸結(jié)構(gòu)如下圖所示：
圖1.7
軟軸主要用于兩個傳動件的軸線不在同一直線上，或工作時彼此要求有相對運(yùn)動的空間傳動。
軟軸的一端可直接接電動機(jī)，另一端可以直接接工作轉(zhuǎn)臺。軟軸還可以在軟管之內(nèi)任意的旋轉(zhuǎn)，可以產(chǎn)生扭矩作用于構(gòu)件上，帶動工作臺直接轉(zhuǎn)動。
綜上所訴，初步可選運(yùn)動方案如下：
運(yùn)動名稱
偏航運(yùn)動
俯仰運(yùn)動
橫滾運(yùn)動
運(yùn)動機(jī)構(gòu)1
齒輪機(jī)構(gòu)1.4
齒輪機(jī)構(gòu)1.1
軟軸機(jī)構(gòu)1.7
運(yùn)動機(jī)構(gòu)2
齒輪機(jī)構(gòu)1.4
蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)1.2
軟軸機(jī)構(gòu)1.7
運(yùn)動機(jī)構(gòu)3
齒輪機(jī)構(gòu)1.4
軟軸機(jī)構(gòu)1.7
軟軸機(jī)構(gòu)1.7
下一章對所選的運(yùn)動方案的原理進(jìn)行分析。
3原理設(shè)計及評價
§3.1原理一：
原理如圖所示：
注：（1）各軸的驅(qū)動源均是步進(jìn)電極
（2）微型飛行器的俯仰遠(yuǎn)動由軟軸來實(shí)現(xiàn)，軟軸直接連接工作臺，在此圖未表達(dá)出來。
（3）一些元件的固定裝置未表現(xiàn)出來。
（4）步進(jìn)電機(jī)的安裝在上圖未表示出來。
根據(jù)設(shè)計要求，第一層轉(zhuǎn)臺由大小齒輪聯(lián)合作用，使其轉(zhuǎn)動，模擬微型飛行器的航向角。小齒輪直接由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，小齒輪帶動大齒輪轉(zhuǎn)動，使整個轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動。第二層轉(zhuǎn)臺中，采用電機(jī)與軸的聯(lián)合作用，電動機(jī)經(jīng)過聯(lián)軸器與軸相聯(lián)，電動機(jī)的轉(zhuǎn)動帶動軸的轉(zhuǎn)動，軸由兩個軸承座支撐，使軸能夠順利的轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)第二層轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動。第二層轉(zhuǎn)臺通過兩根固定架與軸相連，固定架上支撐著第二層轉(zhuǎn)臺，軸轉(zhuǎn)第二層轉(zhuǎn)臺同時轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)微型器的翻滾運(yùn)動。第三層轉(zhuǎn)臺是實(shí)現(xiàn)微型飛行器的俯仰角，由軟軸帶動。第三層轉(zhuǎn)臺是固定在第二層轉(zhuǎn)臺上的，也是通過固定架支撐，第三層轉(zhuǎn)臺同時也是模擬飛行器的工作臺，通過軟軸的聯(lián)接、轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)微型飛行器的俯仰角。
總體上講，此方案能基本實(shí)現(xiàn)微型飛行器的三個自由度，航向、俯仰、翻滾，但由于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不夠緊湊，在外觀方面不夠美觀。最為關(guān)鍵的是實(shí)現(xiàn)飛行器三個自由度的運(yùn)動中心必須在飛行器的中心，上述方案中，由于第二層轉(zhuǎn)臺是由軸的轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)的，其運(yùn)動中心難以確定在飛行器的中心，故飛行器的轉(zhuǎn)動不合理，同時對設(shè)計與制造也會造成很大的難度，所以此方案不能選擇。
§3.2原理二：
原理圖2
注：（1）第一層轉(zhuǎn)臺、蝸輪蝸桿驅(qū)動是由步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)。
（2）軟軸在圖上不便表達(dá)。軟軸直接接到工作臺上，由電動機(jī)直接驅(qū)動。
（3）步進(jìn)電機(jī)的安裝在上圖上未表示出來。
方案2是在方案1的基礎(chǔ)之上把第二層轉(zhuǎn)臺的驅(qū)動改用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，由于蝸輪蝸桿在運(yùn)動中其運(yùn)動的中心較為好確定，故考慮到用這種機(jī)構(gòu)，但是采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)模擬的是微型飛行器的俯仰運(yùn)動。
第一層轉(zhuǎn)臺利用軸與齒輪的配合作用。小齒輪直接由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，通過嚙合使大齒輪轉(zhuǎn)動，軸通過大齒輪的轉(zhuǎn)動從而實(shí)現(xiàn)軸本身的運(yùn)動，軸的運(yùn)動也就帶動了整個工作轉(zhuǎn)臺的運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)模擬飛行器的航向角。
在第二層轉(zhuǎn)臺中采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動。蝸輪兩邊固定在兩板之上的，保證其中心在蝸桿蝸輪的運(yùn)動中心上，也就是飛行器的運(yùn)動中心上，在蝸輪上安裝一根支桿，直接與工作臺連接，也是通過這根支桿使工作臺運(yùn)動。為了能確保蝸輪和擺幅軌跡的準(zhǔn)確性，利用螺桿來定其運(yùn)動軌跡和定位，使其能準(zhǔn)確的傳動來實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動。蝸桿轉(zhuǎn)動使蝸輪做來回運(yùn)動實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動。為了確保飛行器在風(fēng)洞中的運(yùn)動不受影響，蝸輪蝸桿的安裝應(yīng)該偏離飛行器的運(yùn)動中心，然后利用一根支桿伸出確保三個自由度的中心在飛行器運(yùn)動的中心。
第三層轉(zhuǎn)臺由軟軸直接與工作臺連接（在原理圖上未能表示出來），軟軸直接由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，來實(shí)現(xiàn)微型飛行器的橫滾運(yùn)動。驅(qū)動軟軸的電機(jī)安裝在下層大齒輪之上。
在此方案中，能夠?qū)崿F(xiàn)飛行器的三個自由度，也能保證實(shí)現(xiàn)三個自由度的運(yùn)動中心均在飛行器的中心，能夠滿足模擬飛行器飛行的要求。在此方案中主要是利用了蝸輪蝸桿的中心就是工作臺的運(yùn)動中心，這樣便于共心，第二就是利用了軟軸的特性，可以直接的與工作臺、電動機(jī)連接，軟軸還可以任意旋轉(zhuǎn)。故此方案較第一種方案結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，同時也便于運(yùn)動中心的確定。
§3.3原理三：
原理圖：
注：（1）電動機(jī)在圖示中未表示出來。
（2）軟軸由電動機(jī)直接驅(qū)動，小齒輪也由電動機(jī)直接驅(qū)動。
方案三的原理是：
（1） 兩個齒輪同時由底座來支撐，小齒輪直接由步進(jìn)電機(jī)帶動。在步進(jìn)電機(jī)的直接作用下，通過嚙合帶動大齒輪轉(zhuǎn)動，軸通過鍵與大齒輪作用，使軸轉(zhuǎn)動，從而帶動轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動，模擬微型飛行器的航向角。
（2） 軟軸1直接與轉(zhuǎn)臺連接。軟軸具有國際標(biāo)準(zhǔn)，通過軟軸的接頭直接作用于轉(zhuǎn)臺，可以帶動轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動。軟軸1可以實(shí)現(xiàn)微型飛行器的俯仰運(yùn)動。軟軸直接與步進(jìn)電機(jī)連接，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動。步進(jìn)電機(jī)的固定未在原理圖中表示出來。
（3） 軟軸2也是直接與轉(zhuǎn)臺連接，通過電機(jī)的驅(qū)動帶動軟軸轉(zhuǎn)動，從而使轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動。軟軸2模擬的是微型飛行器的橫滾運(yùn)動。其電動源在原理圖上也未表示出來。
總結(jié)方案三，整個模擬微型飛行器的轉(zhuǎn)臺設(shè)計比較緊湊，結(jié)構(gòu)也比較的簡潔，能夠很好的實(shí)現(xiàn)微型飛行器的三個方向的自由度，航向、橫滾、俯仰。在此方案中主要是充分利用了軟軸的特性，可以任意的旋轉(zhuǎn)，同時也可以直接的與電機(jī)作用，無需配合聯(lián)軸器，這也就大大的降低了模擬飛行器轉(zhuǎn)臺的重量，兩根軟軸對稱的分布在軸的兩側(cè)，這也就降低了轉(zhuǎn)動慣量，有利于真實(shí)的模擬，準(zhǔn)確度、精確度都較高。
§3.4總述方案：
綜合評價方案一、方案二、方案三：
方案一中，主要采用的是齒輪、軸機(jī)構(gòu)。把實(shí)現(xiàn)其功能分為三層轉(zhuǎn)臺實(shí)現(xiàn)，各層轉(zhuǎn)臺采用步進(jìn)電機(jī)帶動。方案一中存在較多的缺陷：一是機(jī)構(gòu)不夠緊湊，實(shí)現(xiàn)第二層轉(zhuǎn)臺功能是靠的是支架，這樣不但不好定位而且使整個機(jī)構(gòu)處于不穩(wěn)定狀態(tài)；二是實(shí)驗(yàn)時，三層轉(zhuǎn)臺的運(yùn)動中心必須是在飛行器的運(yùn)動中心上的，而此機(jī)構(gòu)較難以保證。第二層轉(zhuǎn)臺的運(yùn)動中心較難控制，難以保證三軸同心。所以此運(yùn)動機(jī)構(gòu)在設(shè)計上是不合理的，不能在實(shí)踐中得到運(yùn)用。
方案二中，采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)。這是利用了蝸輪蝸桿的運(yùn)動中心較容易控制，設(shè)計過程中當(dāng)中，應(yīng)使飛行器的工作轉(zhuǎn)臺位于蝸輪蝸桿的運(yùn)動中心，這樣就可以確保同心的要求。在第一層轉(zhuǎn)臺當(dāng)中，采用嚙合作用，使整個上層轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動，其運(yùn)動中心同樣也是在飛行器的運(yùn)動中心之上的。在此機(jī)構(gòu)當(dāng)中還采用了軟軸機(jī)構(gòu)，充分利用了軟軸的旋轉(zhuǎn)特性。利用軟軸來模擬飛行器的橫滾，軟軸直接連接于工作臺之上的，同時也可以直接的與步進(jìn)電機(jī)連接，使整個機(jī)構(gòu)較為緊湊。驅(qū)動軟軸的電機(jī)與驅(qū)動蝸輪蝸桿的電機(jī)列于運(yùn)動中心兩側(cè)，這樣有利于整個工作轉(zhuǎn)臺的平衡，減少轉(zhuǎn)動慣量，提高精度，同時也便于三軸的同心。此方案總結(jié)來說比較合理，在實(shí)現(xiàn)三個自由度的同時，也確保了其運(yùn)動中心在同一軸線上。能較好的確保運(yùn)動精度和準(zhǔn)確度。
方案三第一層轉(zhuǎn)臺采用齒輪嚙合，保證工作臺的運(yùn)動中心在齒輪的運(yùn)動中心，再利用兩根軟軸來實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰和橫滾運(yùn)動，與兩根軟軸連接的步進(jìn)電機(jī)分布于軸的兩端，便于平衡，降低轉(zhuǎn)動慣量，其精確度較高。
總述三種方案，方案三較為方便、緊湊。設(shè)計過程中也較為簡單。在本書中就不予于設(shè)計與介紹。在本書中主要介紹方案二。對方案二的零件進(jìn)行設(shè)計與計算。
§3.5 方案二的介紹
方案二在原理圖二上把螺桿改成軸與套筒。
由于模擬微型飛行器實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺具有較高的精度要求和準(zhǔn)確性要求，整個實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺裝置必須結(jié)果緊湊，合理布置。在實(shí)現(xiàn)三個自由度的同時要能保證設(shè)計合理。
方案二中，把三個自由度的實(shí)現(xiàn)分別利用三個不同的轉(zhuǎn)臺，分為上、中、下三層。第一層轉(zhuǎn)臺模擬微型飛行器的航向運(yùn)動，第二層轉(zhuǎn)臺模擬微型飛行器的俯仰運(yùn)動，第三層轉(zhuǎn)臺是利用軟軸來模擬微型飛行器的橫滾運(yùn)動。
第一層轉(zhuǎn)臺是利用齒輪機(jī)構(gòu)。因?yàn)辇X輪機(jī)構(gòu)的傳動精度高，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠、壽命長，傳動比穩(wěn)定。由于第一層轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)矩較高，要求的同軸度也較高，應(yīng)采用齒輪嚙合。通過齒輪的轉(zhuǎn)動帶動第二、第三層同時旋轉(zhuǎn)，故精度較高。驅(qū)動小齒輪旋轉(zhuǎn)的步進(jìn)電機(jī)直接與小齒輪連接并固定在蓋板之上的，由于傳動的精度要高，摩擦要較小，所以采用推力球軸承支承起小齒輪，保證傳動要求。第一層轉(zhuǎn)臺固定在底座之上的，底座用地腳螺釘固定在地面上，使其穩(wěn)定?？偟膩碚f第一層轉(zhuǎn)臺能夠?qū)崿F(xiàn)微型飛行器的航向運(yùn)動，也能保證較高的精度。
第二層轉(zhuǎn)臺實(shí)現(xiàn)的是微型飛行器的俯仰運(yùn)動，主要是采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)（ZC蝸桿）。此類蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)較多：傳動比范圍大；蝸輪蝸桿的齒廓呈凹凸嚙合，接觸線與相對滑動速度方向間的夾角大，有利用潤滑油膜的形成；蝸桿主動時，嚙合效率可達(dá)95％以上。在此采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)主要是利于其中心距較易控制，工作臺也就是放置在蝸輪蝸桿的運(yùn)動中心，這也保證了其三軸同心的要求。但采用此機(jī)構(gòu)最大的問題就是蝸輪的安裝與定位，以及考慮到蝸輪蝸桿的潤滑問題。本機(jī)構(gòu)采用的是設(shè)計一底座固定于齒輪之上，再把支座中部掏空，安裝蝸桿，這就解決了蝸輪蝸桿的潤滑問題。蝸輪的定位主要是采用兩塊夾板與滾筒的聯(lián)合作用。兩塊夾板固定在支座上，夾住蝸輪，使蝸輪不能前后運(yùn)動，不至于產(chǎn)生偏移量，第二為了保證其中心度與軌跡要求，在蝸輪之上銑出一個圓弧槽，用來安裝軸與滾筒，軸安裝在夾板之上的，滾筒安裝在軸之上的。使蝸輪繞滾筒旋轉(zhuǎn)。這里采用滾筒機(jī)構(gòu)主要是因?yàn)闈L筒的摩擦力較小，而且傳動的精度也比較高。利用此機(jī)構(gòu)確定其蝸輪能繞著中心旋轉(zhuǎn)，使工作臺始終在一軸線上運(yùn)動?？偟膩碚f第二層轉(zhuǎn)臺能保證其運(yùn)動的中心與第一層轉(zhuǎn)臺的中心重合的同時，結(jié)構(gòu)也相對緊湊，便于控制。
第三層轉(zhuǎn)臺就是采用軟軸直接與工作臺連接，利用步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動直接帶動工作臺轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)微型飛行器的橫滾運(yùn)動，在這里考慮電機(jī)的布置問題。整個模擬機(jī)構(gòu)都是較精密的，傳動要求要較高的，考慮到這一點(diǎn)，把這個步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動第二層轉(zhuǎn)臺的步進(jìn)電機(jī)分別安置于運(yùn)動中心的兩側(cè)，這樣可以減少轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動慣量，提高精度。
綜述此套方案，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便。能同時模擬微型飛行器的三個自由度。此方案的裝配圖和零件圖附后。
4 齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計
§4.1失效形式
齒輪傳動就裝置型式來說，有開式、半開式及閉式之分；就使用情況來說，有低速、高速及輕載、重載之分；就齒輪材料的性能及熱處理工藝的不同，輪齒有較脆（如經(jīng)整體淬火、齒面硬度很高的鋼齒輪或鑄鐵齒輪）或較韌（如經(jīng)調(diào)制、?；膬?yōu)質(zhì)碳鋼及合金鋼齒輪）齒面有較硬（齒輪工作面的硬度大于350HBS或38HRC，并稱為硬齒面齒輪）或較軟（輪齒工作面的硬度小于或等于350HBS或38HRC，并稱為軟齒面齒輪）的差別等。一般來說，齒輪的失效主要是輪齒的失效，而輪齒的失效形式又是多種多樣的，較常見的輪齒折斷和工作齒面磨損、點(diǎn)蝕、膠合及塑性變形等。
§4.1.1輪齒折斷
輪齒折斷有多種，在正常工況下，主要是齒根彎曲疲勞折斷，因?yàn)檩嘄X在受載時，齒根處產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力最大，再加上齒根過度部分的截面突變及加工刀痕等引起的應(yīng)力集中作用，當(dāng)輪齒重復(fù)受載后，齒根處就會產(chǎn)生疲勞裂紋，并逐步擴(kuò)展，致使輪齒疲勞折斷。
為提高輪齒的抗折斷能力,可采取下列措施:1)用大齒根過渡圓角半徑及消除加工刀痕來減少齒根應(yīng)力集中;2)增大軸及支撐的鋼性,使輪齒上受載較為均勻;3)采用合適的熱處理方法使齒芯材料具有足夠的韌性;4)采用噴丸、滾壓等措施對齒根表層進(jìn)行強(qiáng)化加工。
§4.1.2齒面磨損
在齒輪傳動中,齒面隨著工作條件的不同會出現(xiàn)多種不同的磨損形式。當(dāng)嚙合齒面間落入磨料性物質(zhì)(如砂粒、鐵屑等)時,齒面即被逐漸磨損而報廢。這種磨損稱為磨粒磨損.它是開式齒輪傳動的主要形式之一。改用閉式齒輪傳動是避免齒面磨粒磨損最有效的方法。
§4.1.3齒面點(diǎn)蝕
點(diǎn)蝕是齒面疲勞損傷的現(xiàn)象之一。在潤滑良好的閉式吃力傳動中,常見的齒面失效形式多為點(diǎn)蝕。所謂點(diǎn)蝕就是齒面材料在變化著的接觸應(yīng)力作用下,由于疲勞而產(chǎn)生的麻點(diǎn)狀損傷現(xiàn)象。
輪齒在嚙合過程中,齒面間的相對滑動起著形成潤滑油膜的作用,而且相對滑動愈高,愈易在齒面間形成油膜,潤滑也就愈好。當(dāng)輪齒在靠近節(jié)線處嚙合時,由于相對滑動速度低,形成油膜的條件差,潤滑不良,摩擦力較大,因此點(diǎn)蝕也就首先出現(xiàn)在靠近節(jié)線的齒根面上,然后再向其他部位擴(kuò)展。從相對意義上說,也就是靠近節(jié)線樹的齒面抵抗點(diǎn)蝕的能力最差(即接觸疲勞強(qiáng)度最低)
提高齒輪材料的硬度,可以增強(qiáng)輪齒的點(diǎn)蝕能力。
§4.1.4齒面膠合
對于高速重載的齒輪傳動,齒面間壓力大瞬間溫度高,潤滑效果差,當(dāng)瞬間溫度過高時,相嚙合的兩齒面就會發(fā)生粘在一起的現(xiàn)象,由此兩齒面又在作相對滑動,想粘結(jié)的部位即被撕破,于是在齒面上沿相對滑動的方向形成傷痕,稱為膠合。
加強(qiáng)潤滑措施,采用抗膠合能力強(qiáng)的潤滑油,在潤滑油中加入極壓添加濟(jì)等,均可防止或輕齒面的膠合.
§4.1.5塑性變形
塑性變形屬于輪齒永久變形一大類的失效形式,它是由于在過大的應(yīng)力作用下,輪齒材料處于屈服狀態(tài)而產(chǎn)生的齒面或齒面塑性變形流動所形成的。塑性變形一般發(fā)生在硬度低的齒輪上;但在重載作用下,硬度高的齒輪也會出現(xiàn)。
塑性變形又分為滾壓塑變和錘擊塑變。滾壓塑變是由于嚙合輪齒的相互滾壓與滑動而引起的材料塑性流動所形成的。錘擊塑變則是伴有過大的沖擊而產(chǎn)生的塑性變形，它的特征是在齒面上出現(xiàn)的溝槽，且溝槽的取向與嚙合輪齒的接觸線想一致。
提高輪齒齒面硬度，采用高粘度的或加有極壓添加的潤滑油均有助于減緩或防止輪齒產(chǎn)生塑性變形。
§4.2 設(shè)計準(zhǔn)則
所設(shè)計的齒輪傳動在具體的工作情況下，必須具有足夠的、相應(yīng)的工作能力，以保證在整個工作壽命期間不致失效。因此，針對上述情況及失效形式，都應(yīng)分別確立相應(yīng)的設(shè)計準(zhǔn)則。但是對于齒面磨損、塑性變形等，由于尚未建立起廣為工程實(shí)際使用而且行之有效的計算方法及設(shè)計數(shù)據(jù)，所以目前設(shè)計數(shù)據(jù)，所以一般使用的齒輪傳動時，通常只按保證齒根彎曲疲勞強(qiáng)度及保證齒面接觸疲勞強(qiáng)度兩準(zhǔn)則進(jìn)行計算。
§4.3齒輪設(shè)計
由設(shè)計要求推斷，微型飛行器模擬轉(zhuǎn)臺的工作壽命為10年（設(shè)每年工作365天），工作情況為，每天工作8小時，齒數(shù)比U=4，輸入功率為P=150w,小齒輪轉(zhuǎn)速為n1=350rpm.
1. 選定齒輪精度等級，材料及齒數(shù)
1） 模擬轉(zhuǎn)臺是用來模擬微型飛行器在空中的飛行姿態(tài)，需要較高的傳動要求，傳動精度要高。故選精度等級為4級精度等級（GB10095--88）
2) 材料選擇：結(jié)合模擬轉(zhuǎn)臺的使用環(huán)境（強(qiáng)度不需要太大），要使模擬轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，載荷小，振動小，選用鋁合金，在鋁合金中選用鋁硅合金，代號ZL107，硬度為100HBS，加工方法為金屬型鑄造。熱處理方法淬火和完全時效，大齒輪材料為ZL108，硬度為85HBS，加工方法為金屬型鑄造，熱處理方法為人工時效。二者硬度相差15HBS。
3） 選擇小齒輪齒數(shù)為,大齒輪齒數(shù)為
2. 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計
由設(shè)計計算公式（10-9a）（參考文獻(xiàn)3）進(jìn)行計算，即
d1≥
1）確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值：
（1）試選載荷系數(shù)
（2）計算小齒輪的轉(zhuǎn)矩
小齒輪的轉(zhuǎn)矩為：
Nmm
（3）由表10-7（參考文獻(xiàn)3 P201） 取齒寬
（4）查得材料的彈性影響系數(shù)
（5）由圖10-21d（參考文獻(xiàn)3 P207）按齒面接觸硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限；大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限
（6）計算循環(huán)次數(shù)
（7）由圖10-19（參考文獻(xiàn)3 P203）查得疲勞壽命系數(shù)
（8）計算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由式10-12（參考文獻(xiàn)3 P203）得：
2）計算
（1）試算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值
（2）計算圓周速度v
(3)計算齒寬
(4)計算齒寬與齒高比
模數(shù)
齒高
（5）計算載荷系數(shù)
根據(jù),4級精度，由圖10-8（參考文獻(xiàn)3，P192）查得動載
荷系數(shù)；
直齒輪，假設(shè)。由表10-3（參考文獻(xiàn)3，P193）查得
；
查表10-2（參考文獻(xiàn)3，P191）得使用系數(shù)；
由表10-4（參考文獻(xiàn)3，P194）查得4級精度、小齒輪相對支承對稱布置時，
將數(shù)據(jù)代入后得
由，查圖10-13（參考文獻(xiàn)3，P195）得，所以載荷系數(shù)
（6）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，由式（10-10a）（參考文獻(xiàn)3，P200）
（7）計算模數(shù)m
3.按齒跟彎曲強(qiáng)度設(shè)計
由式（10-5）（參考文獻(xiàn)3 P198）得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計公式為
1） 確定公式內(nèi)的各計算參數(shù)值
（1）由圖10-20c（參考文獻(xiàn)3，P204）查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限
，大齒輪的疲勞強(qiáng)度極限；
（2）由查彎曲疲勞壽命系數(shù)；
（3）計算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.8，計算如下：
（4）計算載荷系數(shù)K
（5）查取齒形系數(shù)，
（6）查取應(yīng)力校正系數(shù)，
（7）計算大，小齒輪的并加以比較
大齒輪的數(shù)值大。
1） 設(shè)計計算
對比設(shè)計計算結(jié)果，由齒面接觸強(qiáng)度計算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計算的模數(shù)，可取齒面接觸強(qiáng)度計算模數(shù)1.14，由于在齒輪之上還得放第二層轉(zhuǎn)臺，故需要有較高的穩(wěn)定性，所以圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=2mm。
4.幾何尺寸計算
由于，在模擬轉(zhuǎn)臺的設(shè)計過程中，只要考慮轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)因素，所以，初步選擇小齒輪的齒數(shù)為32。按此計算齒輪的參數(shù)。
1） 計算分度圓直徑
小齒輪的分度圓直徑
大齒輪的分度圓直徑
1） 計算中心距
2） 計算齒輪寬度
由于模擬轉(zhuǎn)臺工作時的受力小，振動小，轉(zhuǎn)矩小，所以結(jié)合模擬轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)取 。
4）驗(yàn)算
所以此計算合適。
5．齒輪各個尺寸的計算
齒頂高：大齒輪
小齒輪
齒根高：大齒輪
小齒輪
齒全高：小齒輪
大齒輪
齒頂圓直徑：大齒輪
小齒輪
齒根圓直徑：大齒輪
小齒輪
壓力角取標(biāo)準(zhǔn)值
5 蝸桿蝸輪設(shè)計
§5.1蝸桿傳動的簡介
蝸桿傳動是在空間交錯的兩軸間傳遞運(yùn)動和動力的一種傳動機(jī)構(gòu)，兩軸線交錯的夾角可為任意值。蝸桿具有以下特點(diǎn)，故應(yīng)用較為廣泛。
a) 當(dāng)使用單頭蝸桿（相當(dāng)于單線螺紋）時，蝸桿旋轉(zhuǎn)一周，蝸輪只轉(zhuǎn)過一個齒矩，因而能實(shí)現(xiàn)大的傳動比。在動力傳動中，一般傳動比I=5～80；在分度機(jī)構(gòu)或手動機(jī)構(gòu)的傳動中，傳動比可達(dá)300；若只傳遞運(yùn)動，傳動比可達(dá)1000。由于傳動比大，零件數(shù)目又少，因而結(jié)構(gòu)很緊湊。
b) 在蝸桿傳動中，由于蝸桿齒是連續(xù)不斷的螺旋齒，它和蝸輪齒是逐漸進(jìn)入嚙合及逐漸退出嚙合的，同時嚙合的齒對又較多，故沖擊載荷小，傳動平穩(wěn)，噪聲低。
c) 當(dāng)蝸輪的螺旋線升角小于嚙合面的當(dāng)量摩擦角時，蝸桿傳動便具有自鎖性。
d) 蝸桿傳動與螺旋齒輪傳動相似，在嚙合處有相對滑動。當(dāng)滑動速度很大，工作條件不夠良好時，會產(chǎn)生較嚴(yán)重的摩擦與磨損，從而引起過分發(fā)熱，使?jié)櫥闆r惡化。因此摩擦損失較大，效率低；當(dāng)傳動具有自鎖性時，效率僅為0.4左右。同時由于摩擦與磨損嚴(yán)重，常需耗用有色金屬制造蝸輪，以便于與鋼制蝸桿配對組成減摩性良好的滑動摩擦副。
根據(jù)蝸桿形狀的不同，蝸桿傳動分為圓柱蝸桿傳動、環(huán)面蝸桿傳動、錐蝸桿傳動。
圓柱蝸輪傳動又包括普通圓柱蝸桿傳動和圓弧圓柱蝸桿傳動。普通圓柱蝸桿的齒面一般是在車床上用直線刀刃的車刀車制的。根據(jù)車刀安裝的位置不同，所加工的蝸桿齒面在不同截面中的齒廓曲線也不同。根據(jù)不同的齒廓曲線，普通圓柱蝸桿可分為阿基米德螺桿（ZA蝸桿）、漸開線蝸桿（ZI蝸桿）、法向直廓蝸桿（ZN蝸桿）和錐面包絡(luò)蝸桿（ZK蝸桿）等四種。
圓弧圓柱蝸桿傳動和普通圓柱蝸桿傳動相似，只是齒廓形狀有所區(qū)別。這種蝸桿的螺旋面是用刃邊為凸圓弧性的刀具切制的，而蝸輪是用范成法制造的。在中間平面上，蝸桿的齒廓為凹弧形，而與之相配的蝸輪的齒廓則為凸弧形。所以，圓弧圓柱蝸桿傳動是一種凹凸弧齒廓相嚙合的傳動，也是一種線接觸的嚙合傳動。其主要的特點(diǎn)為：效率高，一般可達(dá)90%；承載能力高，一般可較普通圓柱蝸桿傳動高出50%—150%；體積?。毁|(zhì)量?。唤Y(jié)構(gòu)緊湊。
環(huán)面蝸桿傳動的特征是，蝸桿體在軸向的外形是一凹圓弧為母線所形成的旋轉(zhuǎn)曲面，所以把這種蝸桿傳動叫做環(huán)面蝸桿傳動。在這種傳動的嚙合帶內(nèi)，蝸輪的節(jié)圓位于蝸桿的節(jié)弧面上，即蝸桿的節(jié)弧沿蝸輪的節(jié)圓包著蝸輪。在中間平面。蝸桿和蝸輪都是直線齒廓。由于同時相嚙合的齒對多，而且輪齒的接觸線與蝸輪齒運(yùn)動的方向近似于垂直，這就大大的改善了輪齒受力情況和潤滑油膜形成的條件，因而承載能力約為阿基米德蝸桿傳動的的2～4倍，效率一般高達(dá)85%～90%；但它需要較高的制造和安裝精度。
錐蝸桿傳動也是一種空間交錯軸之間的傳動，兩軸交錯角通常為90o。蝸桿在節(jié)錐上分布的等導(dǎo)程的螺旋所形成的，故稱為錐蝸桿。而蝸輪在外觀上就象一個曲線齒錐齒輪，它是用與錐蝸桿相似的錐滾刀在普通滾齒機(jī)上加工而成的，故稱為錐蝸輪。錐蝸輪傳動的特點(diǎn)是：同時接觸的點(diǎn)較多，重合度大；傳動比范圍大（一般為10～360）；承載能力和效率較高；側(cè)隙便于控制和調(diào)整；能做離合器使用；可節(jié)約有色金屬；制造安裝簡便，工藝性好。但是由于結(jié)構(gòu)上的原因，傳動具有不對稱性，因而正、反轉(zhuǎn)時受力不同，承載能力和效率也不同。
§5.2蝸桿傳動的失效形式
蝸桿傳動的主要失效形式為點(diǎn)蝕、磨損、剝落、膠合、彎曲折短等，最常見的是磨損和點(diǎn)蝕。這些失效形式是由蝸桿傳動的特點(diǎn)及設(shè)計制造中的問題所致。例如：滑動速度大，嚙合效率低，潤滑條件不良，材料選配不當(dāng)，幾何參數(shù)選擇不理想，加工制造粗糙都是導(dǎo)致蝸桿傳動失效的因素。
如果根據(jù)工況條件，對蝸桿傳動進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，注意材料的選擇、加工、潤滑、散熱以及安裝等各個環(huán)節(jié)，上述失效形式可以得到控制或改善。
§5.3蝸桿傳動的材料選擇
1. 蝸桿材料
一般用合金鋼或碳素鋼，大部分蝸桿齒面需經(jīng)滲碳淬火處理并經(jīng)磨削和拋光。按熱處理性質(zhì)可分為：
（1） 滲碳鋼 表面硬度為56～62HRC，牌號有20CrMnTi、20CrMnMo、17CrNiMo6（德國鋼號）、17CrNi3等。
（2）滲氮鋼 表面硬度≥750HV，牌號有42CrMo、38CrMoAl等。
（3） 表面淬火鋼 表面硬度為45～50HRC，牌號有45、40Cr、35CrMo、42CrNiMo等。
（4）調(diào)質(zhì)鋼 表面硬度為30～35HRC，牌號有42CrMo、34CrMo1、40CrNiMo等。
2. 蝸輪材料
對于重要傳動，多數(shù)選用鑄造銅合金；對不重要或手動傳動，可選用鑄鐵。鑄造銅合金，其鑄造方法有砂模鑄造、金屬鑄造和離心鑄造，因而可得到不同的性能。
（1）錫青銅 有較好的減摩性和抗膠合性能，允許滑動速度V≤25m/s，是蝸輪齒圈的理想材料，牌號有ZcuSn10P1(ZQSn10-1)、ZCuSn12Ni2(德國G-CuSn12Ni或GZ-CuSn12Ni)。
（2）鑄鋁鐵青銅 有足夠的強(qiáng)度和硬度，價廉，但抗膠合能力差，跑合性能差，允許滑動速度V≤4m/s，牌號有ZcuAl10Fe3(ZQA19-4).
(3) 鑄鐵 用于不重要的傳動中，允許滑動的速度V≤2m/s，牌號有HT200，HT300。
§5.4 蝸桿計算
根據(jù)設(shè)計要求，利用蝸桿傳動來實(shí)現(xiàn)微型飛行器的一個自由度，故其傳動的精度要求較高，傳動應(yīng)該較穩(wěn)定?，F(xiàn)已知輸入功率P=38W(由所選的電動機(jī)確定)，蝸桿轉(zhuǎn)速n=400r/min(由所選的電動機(jī)確定),傳動比i=20。微型飛行器模擬轉(zhuǎn)臺的工作壽命為10年（設(shè)每年工作365天），工作情況為，每天工作8小時。
1. 選擇蝸桿的類型
根據(jù)傳動要求選擇圓弧圓柱蝸桿傳動，ZC蝸桿。
2. 選擇材料
根據(jù)設(shè)計要求蝸桿的傳動的功率不大，速度只是中等，故選蝸桿用45鋼；因希望效率高些，耐摩性好些，傳動精度高些，故蝸輪選用鑄鋁鐵青銅，砂模鑄造。
3. 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計
根據(jù)蝸桿傳動的設(shè)計準(zhǔn)則，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行再校核彎曲疲勞強(qiáng)度。傳動中心：
1) 確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩
按,估取效率=0.8
=9.55=9.55
=9.55= 145160 N.mm
2)確定載荷系數(shù)K
因工作載荷穩(wěn)定,故取載荷分布不均系數(shù)=1,選使用系數(shù)=1,由于轉(zhuǎn)速不高,沖擊不大,可取動載荷系數(shù)=1.05;則
=1=1.05
2) 確定彈性影響系數(shù)
3) 選用鑄鋁鐵青銅蝸輪和鋼蝸輪配合,故選=160MPa
4) 先假定蝸桿分度圓直徑和傳動中心距a的比值=0.35,查得
5) 確定許用接觸應(yīng)力
根據(jù)蝸輪材料為鑄鋁鐵青銅ZCuAl10Fe3,砂模鑄造,查得蝸輪基本許用應(yīng)力=268 MPa
應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N===35040000
壽命系數(shù) =0.85
則
==0.85180=153
6) 計算中心矩
mm=98 mm
取中心矩a=100mm,因i=20,故可取模數(shù)m=3.8,蝸桿分度圓直徑=38.4.這時=0.384.可查接觸系數(shù),因?yàn)?因此以上計算結(jié)果可用.
4.蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸
1)蝸桿
軸向齒距=m=3.14
直徑系數(shù)
蝸桿分度圓直徑
蝸桿齒頂圓直徑
蝸桿齒根圓直徑
分度圓導(dǎo)程角
2)蝸輪
蝸輪齒數(shù);變位系數(shù)
驗(yàn)算傳動比,這時傳動比誤差為,是允許的.
蝸輪分度圓直徑
蝸輪喉圓直徑
蝸輪齒根圓直徑
蝸輪咽喉母圓直徑
5校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
當(dāng)量齒數(shù)
根據(jù),可查得齒形系數(shù)
螺旋角系數(shù)
許用彎曲應(yīng)力
可查得ZCuAl10Fe3制造的蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力
壽命系數(shù)
因?yàn)?所以彎曲強(qiáng)度是滿足的.
6 軟軸設(shè)計與計算
§6.1鋼絲軟軸的簡介
鋼絲軟軸主要用于工作時彼此要求有相對運(yùn)動的空間傳動,軟軸安裝簡便、結(jié)構(gòu)緊湊、工作適應(yīng)性強(qiáng)。適用于高轉(zhuǎn)速、小扭矩場合。它的應(yīng)用范圍是：可移式機(jī)械化工具，主軸可調(diào)位的機(jī)床、混泥土振動器、砂輪機(jī)、醫(yī)療器械、以及里程表、遙控儀表等傳動中。
軟軸傳遞功率范圍一般不超過5.5KW，轉(zhuǎn)速可達(dá)2000r/min.
6.1.1. 軟軸的結(jié)構(gòu)型式和規(guī)格
軟軸通常由鋼絲軟軸、軟管、軟軸接頭和軟管接頭等幾部分組成。按用途不同，軟軸又可分為功率型（G型）和控制型（K型）兩種。
鋼絲軟軸由幾層彈簧鋼絲緊繞在一起而成，而每一層又用若干根鋼絲卷繞而成。相鄰鋼絲層的纏繞方向相反。外層鋼絲中的一層趨于繞緊，另一層趨于旋松，使各層鋼絲相互壓緊。軸的旋轉(zhuǎn)方向，應(yīng)使表層鋼絲趨于繞緊為合理。
軟軸的作用是保護(hù)鋼絲軟軸，以免與外界機(jī)件接觸，并保護(hù)潤滑劑和防止塵埃侵入；工作時軟管還起支撐作用，使軟軸便于操作。
軟軸接頭是用以聯(lián)接動力輸出軸及工作部件。其聯(lián)接方式分固定式和滑動式兩種。固定式多用于軟軸較短，或工作中彎曲半徑變化不大的場合。當(dāng)軟軸工作時彎曲半徑變化較大時，允許軟軸在軟管內(nèi)有較大的竄動，以補(bǔ)償軟管彎曲時的長度變化。但彎曲半徑不能太小，以防止接頭滑出。為便于軟軸拆卸檢查和潤滑，應(yīng)使軟軸接頭一端的外徑小于軟管的軟管接頭的內(nèi)直徑。
軟管接頭是聯(lián)接傳動裝置及工作部件的機(jī)體，有時也是軟軸接頭的軸承座。
6.1.2. 軟軸的選擇
軟軸的尺寸，應(yīng)根據(jù)所需傳遞的扭矩、轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)方向、工作中的彎曲半徑，以及傳遞距離等使用要求選擇。
低于額定轉(zhuǎn)速時，軟軸按恒扭矩傳遞動力；高于額定轉(zhuǎn)速時，按恒功率傳遞動力。
軟軸直徑按下式可以確定：
式中：
Mto——軟軸能傳遞的最大扭矩 N·㎝
No—— 額定轉(zhuǎn)速 r/min
Mt——軟軸從動端所需傳遞的扭矩 N·㎝
N ——軟軸的工作轉(zhuǎn)速 r/min，當(dāng)N
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