非圆齿轮传动的设计与运动仿真 (1)

非圆齿轮的仿真加工及分析张健;鲁骏;起雪梅;饶鹏;郑彬【摘要】非圆齿轮是指节曲线为非圆的齿轮,其结合了齿轮和凸轮的优点,能够实现变传动比运动,但其结构复杂,设计加工困难.为保证非圆齿轮模型的设计精度,采用解析法建立模型.首先,基于数值计算软件Matlab建立非圆齿轮的齿廓曲线,并导入至Pro/E软件平台,通过对非圆齿轮的齿廓曲线进行拉伸得到非圆齿轮的三维实体模型;其次,利用Pro/E软件中的Pro/E中的NC模块对建立的非圆齿轮三维模型进行线切割仿真加工和后置处理;最后通过查看log日志和过切检查,验证了加工程序的正确性和加工的可行性.结果表明:通过结合Matlab和Pro/E软件平台,有效地解决了非圆齿轮设计及加工困难的问题,为非圆齿轮的设计和加工提供了设计方法和理论依据.【期刊名称】《机械研究与应用》【年(卷),期】2017(030)006【总页数】3页(P103-105)【关键词】非圆齿轮;Matlab;Pro/E;仿真加工【作者】张健;鲁骏;起雪梅;饶鹏;郑彬【作者单位】攀枝花学院交通与汽车工程学院,四川攀枝花 617000;攀枝花学院交通与汽车工程学院,四川攀枝花 617000;攀枝花学院交通与汽车工程学院,四川攀枝花 617000;攀枝花学院交通与汽车工程学院,四川攀枝花 617000;攀枝花学院交通与汽车工程学院,四川攀枝花 617000【正文语种】中文【中图分类】TG610 引言随着计算机技术的发展，非圆齿轮在三维建模方面的研究发展迅速，如基于Matlab的非圆齿轮设计[1-2]、基于UG的非圆齿轮设计[3]等。

目前齿轮的加工方法主要有插齿、滚齿及线切割[4]等，随着线切割技术的发展，线切割因其加工过程无切削力、对材料硬度无要求，能加工极其复杂、精密、高硬度的零件，在加工非圆齿轮方面有着很大的优势，但线切割非圆齿轮生成程序有一定难度[5-7]。

利用Matlab生成齿廓结合Pro/E得到非圆齿轮的三维模型，能够较齿形折算法保证非圆齿轮模型的设计精度[8-9]。

非圆齿轮行星系分插机构的优化设计和动态仿真的开题报告一、研究背景与意义在机械传动中，非圆齿轮传动因为具有高载荷、小体积、高效率等特点，被广泛地应用于航空、航天、机械制造、汽车制造等领域。

而分插机构是非圆齿轮传动中的重要组成部分，起到转速和转矩的调节和传输作用。

因此，优化非圆齿轮行星系分插机构的设计和动态性能研究具有重要的实际应用价值。

二、研究内容和方法本文主要研究非圆齿轮行星系分插机构的优化设计和动态仿真方法。

具体包括以下研究内容：1.非圆齿轮行星系分插机构的结构分析和设计优化。

根据机构的工作特点和发展趋势，准确计算各部件参数，建立非圆齿轮行星系分插机构的数学模型，并进行系统的设计优化，以实现更优的动态性能。

2.分插机构动态特性仿真。

根据研究对象的特点和运动规律，采用动力学仿真软件，对非圆齿轮行星系分插机构的动态特性进行仿真分析，并对仿真结果进行验证。

3.动态性能的探究。

通过对比分析设计方案，验证仿真结果，对非圆齿轮行星系分插机构动态特性进行有效评估，并提出优化改进方案，以满足实际需求。

本文将采用理论分析、数值计算和仿真等方法对非圆齿轮行星系分插机构进行研究分析，以期为相关领域提供一定的理论指导。

三、预期结果1. 建立非圆齿轮行星系分插机构数学模型，并进行结构设计优化。

2. 对分插机构动态特性进行仿真和分析，获得其基本运动规律。

3. 对动态特性进行探究和评估，并提出优化改进方案。

四、研究进度安排本项目一共用时一年，预计研究进度安排如下：第一阶段（前三个月）：深入研究非圆齿轮行星系分插机构的基础理论，并进行相关文献查阅。

第二阶段（三个月至九个月）：根据前期研究成果，建立非圆齿轮行星系分插机构的数学模型，并进行设计优化。

第三阶段（九个月至十二个月）：通过仿真和分析，探究非圆齿轮行星系分插机构的动态特性，并提出优化改进方案。

五、结论非圆齿轮行星系分插机构的优化设计和动态仿真研究，可以有效提高其动态性能，在实际应用中具有重要的指导意义。

第一作者：赵重年，男，1994年生，硕士研究生，研究方向为军用车辆设计与试验。

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3-13-23-33-47-37-47-17-2
7-5116-16-26-312
(a) 三维结构外观
(b) 单分⽀剖⾯图图1 ⾮圆⻮轮⽆级变速器结构
第⼀⾮圆从动⻮轮 .第⼀⾮圆主动⻮轮 .左锥形离合器 - .外锥盘 - .回位弹簧内锥盘 .导线机构 .右锥形离合器 .差速机构 - .⻮环轴 - .⾏星架 .凸轮机构 - .左凸轮 - .右凸轮 - .左轴承 - .锥形从动件 - . All Rights Reserved.
轴套回位弹簧内锥盘外锥盘图6 锥形离合器结构及动⼒传递路线
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本科毕业设计（论文）题目非圆齿轮行星轮系引纬机构的反求设计与仿真分析学院机械与自动控制学院专业班级机械设计制造及其自动化09（4）班姓名学号指导教师系主任学院院长浙江理工大学机械与自动控制学院毕业设计诚信声明我谨在此保证：本人所做的毕业设计，凡引用他人的研究成果均已在参考文献或注释中列出。

设计说明书与图纸均由本人独立完成，没有抄袭、剽窃他人已经发表或未发表的研究成果行为。

如出现以上违反知识产权的情况，本人愿意承担相应的责任。

声明人（签名）：年月日摘要剑杆织机的引纬机构，是剑杆织机的核心机构之一，其运动性能如何将在很大程度上决定着整台织机的性能与档次。

所以，一种结构设计合理的剑杆引纬机构能够改善剑杆织机的工作效率与所生产产品的质量，提高经济效益。

本文提出了一种新型的剑杆引纬机构，即非圆齿轮行星轮系剑杆引纬机构。

本文中分析了剑杆织机的引纬工艺要求，得到了剑杆织机引纬时主轴转过不同角度的时候剑杆应该有的位移、速度以及加速度。

并以此为依据设定了剑杆的加速度运动曲线为一等腰梯形的形状的曲线，经过进一步计算后得到了剑杆的运动学模型。

本文设计的非圆齿轮行星轮系剑杆引纬机构的作用是将主轴的匀速转动转换成剑杆的有规律的往复运动，根据这一模型的传动规律建立运动学分析模型，结合其中非圆齿轮的特性得到节曲线方程。

再基于Visual Basic 6.0这个平台编写引纬机构反求设计与仿真软件，利用该软件可以反求出机构中各个参数的值，之后根据仿真的结果调整机构参数，最终得到符合引纬规律的合理的参数，证明本文设计的引纬机构是合理可行的。

关键词：非圆齿轮；引纬机构；反求；剑杆织机AbstractThe weft insertion mechanism is one of the key mechanism of the rapier loom. Its athletic performance has a lot of impact about the rapier rooms’performance and its level. So, a weft insertion mechanism of the rapier rooms with reasonable structure can improve a lot of working efficiency, the quality of the product of the rapier rooms and the economic benefit. This paper comes up with a new weft insertion mechanism, named the planetary non-circular gears trains weft insertion mechanism.Some research about the technological requirements of the rapier loom has been done in this paper. The displacement, velocity and acceleration of the rapier was obtained when the spindle has different angle. And the motion curve of acceleration of the rapier has been designed as a isosceles trapezoid curve based on the research. Then the kinematics model of the rapier was worked out. The planetary non-circular gears trains weft insertion mechanism is used to change the uniform rotation of the spindle to reciprocating motion of rapier. According to the transmission rule of the planetary non-circular gears trains weft insertion mechanism the kinematics analytical model was finished. Combining with the character of non-circular gear its pitch curve was obtained. Meanwhile a reverse design and kinematic simulation software was compiled based on Visual Basic 6.0. The parameters of mechanism can be obtained by the software. Then these parameters were adjusted based on the result of simulation. The reasonable parameters which fit the law of weft insertion will be obtained at last, which proved that this weft insertion mechanism was reasonable and can be used. Keywords: Non-circular Gear; Weft Insertion Mechanism; Reverse Solution; Rapier Loom目录第1章绪论 (1)1.1 课题的研究背景与意义 (1)1.2 国内外剑杆引纬机构的研究现状及发展趋势 (2)1.2.1 剑杆引纬机构的简介 (2)1.2.2 国内外剑杆引纬机构的研究状况及发展趋势 (2)1.3 非圆齿轮的发展及研究情况 (5)1.3.1 非圆齿轮的介绍 (5)1.3.2 非圆齿轮的研究状况 (5)1.4 本设计的主要内容 (6)第2章非圆齿轮行星轮系引纬机构运动分析模型的建立 (8)2.1 剑杆织机的引纬工艺要求 (8)2.2剑头的理想运动学曲线方程的建立 (9)2.2.1 剑头理想运动曲线的构造 (9)2.2.2 剑头运动学曲线方程的建立 (10)2.3 非圆齿轮行星轮系引纬机构的模型简介 (13)2.4 非圆齿轮行星轮系引纬机构反求模型的建立 (15)2.4.1 反求设计思想的简介 (15)2.4.2 非圆齿轮行星轮系放大轮系的运动模型的建立 (15)2.4.3 第一级非圆齿轮行星轮系运动模型的建立 (17)2.4.4 第二级非圆齿轮行星轮系运动模型的建立 (18)第3章非圆齿轮行星轮系引纬机构反求设计与运动仿真软件的设计 (20)3.1 计算机辅助设计的简单介绍 (20)3.2 非圆齿轮行星轮系引纬机构反求设计与仿真软件的介绍 (20)3.2.1 引纬机构反求设计软件的开发思路 (20)3.2.2 引纬机构反求程序的关键性思想 (20)3.2.3 引纬机构参数的设定 (22)3.2.4 引纬机构反求软件的界面介绍 (23)3.2.5 引纬机构反求软件各个控件的介绍 (24)3.2.6 引纬机构反求软件的功能特点 (28)第4章引纬机构三维模型的建立与仿真 (29)第5章总结 (33)参考文献 (34)第1章绪论1.1课题的研究背景与意义纺织是人类社会最古老的一个生产部门，它与我们的生活息息相关。

1 非圆齿轮机构的工作原理和类型
非圆齿轮机构是一种瞬时传动比按一定规律变化的齿轮机构。

根据齿廓啮合基本定律。

一对齿轮做变速传动比传动，其节点不是定点，因此，节线不是圆，而是两条非圆曲线。

理论上讲，对节线的形状并没有限制，常用的曲线有：椭圆、变态椭圆（卵线）以及对数螺线等。

2 非圆齿轮机构的应用
非圆齿轮机构的特点是传动比按一定规律变化，因此，常用于在要求从动件速度需要按一定变化的场合。

实例1 将非圆齿轮机构与曲柄滑块机构组合，用于卧式小型压力机，使压力机的空行程时间缩短，而工作时间增长。

这不仅将使机构具有急回作用，而且可使其工作行程时的速度比较均匀，从而改善机器的受力状况。

实例2 用于自动车床上的转位机构利用椭圆齿轮机构的从动轮带动转位槽轮，使槽轮在曲柄速度最高的时候运动，以缩短运动时间，增加停歇时间。

亦即缩短机床加工的辅助时间，而增加机床的工作时间。

在另外一些场合，也可使槽轮在曲柄速度最低的时候运动，以降低其加速度和振动。

实例3 图示为一种函数电位计，它利用非圆齿轮带动电刷回转，从而使电位计实现非线性函数。

(end)。

齿轮传动是机械传动中最普遍的,已有着上千年的历史。

齿轮是机器和仪器中广泛应用的传动件之一,用来传递两轴间的回转运动,其传动比可以是常数(定传动比),也可以是变数(变传动比)[1]。

长期以来,广泛应用于生产的是圆齿轮,即节曲线为圆形、传动比为定值的齿轮(如圆柱齿轮、圆锥齿轮)。

然而,在某些场合需要机构作为变速比传动,传统的圆齿轮已不能满足这一要求。

于是人们突破圆齿轮的局限,提出了非圆齿轮的概念。

非圆齿轮传动以其特有的非匀速比传动,满足了实际需求。

非圆齿轮主要运用在两轴变速比传动中,可实现主动机构与从动机构的非线性关系。

它的节曲线形状是按运动要求设计的,和其它能得到非匀速的机构相比,具有明显的优点[2]。

非圆齿轮机构可以实现主动件和从动件转角问的非线形关系，在仪器和机器制造业愈来愈多地采用非圆齿轮机构来替代凸轮机构、连杆机构和其它运动机构。

已广泛地应用于自动机械、运输、仪器仪表、泵类、流量计等工业装置中[3]。

非圆齿轮机构具有结构紧凑、传动精确、平稳、容易实现动平衡等优点,因此对非圆齿轮的动力学分析的研究也变得日益重要[4]。

目前对于圆齿轮的动力学问题，国内外已经有了相对成熟的研究结果,建立了包括齿轮啮合动态激励基本原理、齿轮振动分析模型、齿轮系统参数振动学、齿轮系统间隙非线性动力学等较为成熟的系统理论和方法。

对于非圆齿轮这种特殊的齿轮动力学问题的研究，也已有了一定的进展。

而对于非圆齿轮的动态特性的研究却不够成熟。

本课题针对非圆齿轮传动问题,首先基于非对称渐开线齿轮的啮合理论,对非对称渐开线齿轮传动的啮合特性进行分析,推导出有关非圆齿轮传动的基本设计参数的计算公式和齿廓曲线方程。

其次,采用三维实体建模软件PRO/E建立非圆齿轮的三维实体模型,并探讨非圆齿轮传动的运动学与动力学模型、用Simulink对非圆齿轮的啮合情况进行仿真分析,研究非圆齿轮的运动学与动力学特性；采用有限元分析软件ANSYS对非圆齿轮进行有限元模态分析,对非圆齿轮振动特性进行分析研究。

2椭圆齿轮的结构设计2.1椭圆的基本数学理论2.1.1椭圆定义椭圆定义：平面内到一定点距离与到一定直线距离之比为一个常数 e (0<e<1)的动点M的轨迹称为椭圆。

其中，该定点称为椭圆的焦点，定直线称为该焦点对应的准线，e称为椭圆的离心率。

2.1.2椭圆的方程如图2.1所示，以原点为圆心，分别以a、b（a>b>0）为半径作两个圆，点B 是大圆半径OA 与小圆的交点，过点A 作AN⊥Ox，垂足为N，过点B作BM⊥AN，垂足为M，求当半径OA绕O旋转时点M的轨迹的参数方程。

图2.1 椭圆形成示意图解：设M点的坐标为（x,y）， 是以O x为始边，OA为终边的正角，取为参数。

那么，（2.1）以上（2.1）式即为椭圆的参数方程，其中称为“离心角”对（1）式进行消参（2.2）以上（2.2）式即为椭圆的标准方程。

2.2齿轮的基本理论2.2.1齿轮传动齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，形式很多，应用广泛，传递的功率可达数十万千瓦，它的圆周速度和转速分别可达300m/s，100000r/min。

同摩擦轮传动和带轮传动相比较，齿轮传动齿轮传动具有传动功率大，效率高，寿命长及传动平稳等特点[2]。

齿轮传动特点：（1）效率高在常用的机械传动中，以齿轮传动效率为最高。

例如一级圆柱齿轮的传动效率可达99%。

这对大功率传动十分重要，因为即使效率提高1%，也有很大的经济意义。

（2）机构紧凑在同样的使用条件下，齿轮传动所需空间尺寸一般较小。

（3）工作可靠、寿命长设计制造正确合理、使用维护良好的齿轮传动，工作十分可靠，寿命可长达一、二十年，这也是其他机械传动所不能比拟的。

（4）传动比稳定传动比稳定往往是对传动性能的基本要求。

齿轮传动获得广泛应用，也就是由于具有这个特点。

2.2.2圆柱齿轮结构圆柱齿轮可分为直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮、人字齿轮、曲线齿圆柱齿轮。

其中直齿圆柱齿轮简称直齿轮，其轮齿排列与轴线平行；斜齿圆柱齿轮简称斜齿轮，其轮齿与轴线斜成一个角度，沿轴线螺旋方向排列在圆柱体上；人字齿轮形如“人”字，相当于两个全等但旋向相反的两个斜齿轮拼接而成；曲线齿圆柱齿轮简称曲线齿轮，其轮齿沿轴向弯曲成弧面。