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      智能掃地機器人--傳動系統設計

      發布日期:2020-09-25 查看次數:5

      文章摘要:

      一個有靈魂的題目總是能讓讀者在紛繁的信息中,頃刻間找到自己的所需.一篇有深度的文章總是能全面系統深入淺出且邏輯性地呈現出作者地思想.抖機靈的文章博人眼球華而不實且后勁不足,心法深厚的文章總能樸實無華定 ...


      一個有靈魂的題目總是能讓讀者在紛繁的信息中,頃刻間找到自己的所需.

      一篇有深度的文章總是能全面系統深入淺出且邏輯性地呈現出作者地思想.

      抖機靈的文章博人眼球華而不實且后勁不足,心法深厚的文章總能樸實無華定性定量且受用長久.

      總之,我希望想入門齒輪類(包含渦輪蝸桿/同步齒形帶)傳動系統結構設計的讀者,僅看我這一篇文章就夠了.

       

      為了避免篇幅過長和閱讀疲勞,我將分篇章介紹。該篇主要重點深入講解漸開線直齒圓柱齒輪傳動系統,后面會依次粗略介紹斜齒/渦輪蝸桿/同步齒形帶/行星輪系等相關傳動系統。

       

      以下是本篇的編排

       

      漸開線直齒圓柱齒輪傳動系統-----此處針對智能掃地機器人左右輪/中掃滾刷/邊掃傳動系統

      齒輪參數的選取:m/α/Z/ ha*/ c*/ b2.     

      齒輪的設計中心距

      齒輪傳動系統的設計參數

      齒輪傳動系統材料選用

      齒輪的結構設計

      塑膠齒輪的注塑制造

      齒輪的常見問題及改善方案

       

      以下是正文.

       

      起初,我將題目定為塑膠齒輪箱結構設計,后一想僅寫這一點,讀者即使了解了塑膠齒輪箱的結構設計要點,卻不一定會進行電機的選型,再一想即使知道了電機的選型方法,卻也未必知道電機選型時參數應該定為多少合適;

      其次,行業內最常見的齒輪傳動系統均是最簡單的漸開線直齒斜齒圓柱齒輪,可是我偶然間發現有人卻將汽車差速器輪系用在掃地機器人上面,一個輸入端兩個輸出端,一個電機即可擔當前進和旋轉兩個功能,設計簡單且成本低廉,曾經一度火爆,在雙十一上了淘寶和拼多多的排行榜榜首,成為了對市場有敏感感知一類人模仿的成功產品;

      其三,在掃地機器人上,除了齒輪傳動外,還會用到同步齒形帶和渦輪蝸桿的設計,而這些均是常見且息息相關的一類設計。

       

      糾結許久,我將題目定為:智能掃地機器人—傳動系統設計。

       

      由于題目大且寬泛,故此我不得不用一大篇章枯燥乏味地介紹這些傳動系統相關設計規范,當然也包含相當一部分經驗性設計指導思想。

       

      首先要清楚,齒輪是一種精密零件,要想設計好他,首先需要了解他的基礎理論。為了盡量避免做科普性的指導,請對直齒/斜齒/錐齒/行星輪系/變位齒輪/差速器/同步齒形帶/齒輪參數計算等等不太清楚的自行腦補。

       

      在這里我想提醒大家的是,理論分析對于產品設計的重要性當然不言而喻,但是經驗來自于多數人多次重復性的驗證總結,所以當在沒有足夠的實驗條件下,或是沒有專業準確的驗證方法情況下,亦或是沒有強大的理論邏輯推理情況下,經驗往往是最可靠的.

       

      如同模具行業,從來沒有哪一個理論指導說斜頂的最小壁厚能做到多少,但是經驗會告訴我們,一般模具斜頂的厚度最小可以做到8mm,極限狀態也可以做到6mm,當然斜頂的厚度跟模具零件的大小也息息相關。

       

      再比如在智能掃地機器人行業,距今我還沒見過哪位工程師在左右輪或中掃電機選型時,先進行理論計算下電機的額定扭力和額定轉速是多少。因為無法通過對原型機測試,而建立有效準確的理論模型,所以,所有電機選型時定義的堵轉扭矩和空載轉速均是經驗參數。

       

      再比如,學過機械原理的人都知道,對于漸開線直齒圓柱外嚙合金屬齒輪,實際安裝中心距就是理論中心距,由于金屬齒輪的制造(齒形/分度圓跳動/同軸度)精度和安裝精度可以做到很高,所以該理論適用于金屬齒輪。但是塑膠齒輪由于壁厚不均和澆口位置不均存在成型收縮不均勻問題,如果塑膠齒輪同樣按照標準中心距安裝,你會發現會出現各種問題,如噪音大/電流大/異音等問題,所以智能掃地機器人行業,漸開線直齒斜齒圓柱塑膠齒輪實際安裝中心距=設計中心距=理論中心距+[0.2*m](m為模數,當0.2*m≤0.10mm,[0.2*m]取0.10mm,當0.2*m>0.10mm,就取[0.2*m]的實際值),而這個公式很明顯來自于經驗,明顯不等于理論計算值.

       

      再比如,智能掃地機器人傳動齒輪模數一般都取0.4/0.5/0.6/0.8,代入上面公式c*m=0.5*0.2=0.10mm,可見加的c*m這個常數是如此之小。上面講到正是由于加入了這個如此之小的常數,噪音/電流/異音等問題才迎刃而解。細心的讀者將會發現一個如此之小的常數,哪怕是一個零件的公差也會影響到設計中心距,實際安裝中心距的控制居然是如此的苛刻,那么在2D圖紙中設計中心距的公差應該取多少呢?取多少既能滿足安裝傳動要求還能同時解決噪音/電流/異音的問題呢?顯然這時候不能運用理論的推導來回答這個問題,而實際大多數人多次重復性地測試發現,實際安裝中心距公差控制在±0.03mm是最合適的,既能滿足注塑生產精度要求又滿足安裝傳動要求,同時解決了噪音/電流/異音等問題。

       

      當然以上的種種只是舉例,像上面這樣的問題在實際工程中會經常見到,那這樣的問題顯然是理論沒辦法或幾乎沒有辦法給出我們答案的。由此可見,有時候理論分析并不適用于實際工況,幾乎所有的理論模型在建立之初,都必須為嚴格的理想化理論模型,而實際工況卻是千變萬化,不能用理論一一而論。

       

      所以,實際工程設計中,重視理論和經驗的有效結合,將會對于你工作效率和水平境界的提高產生質的影響。

       

      讀到這里,或許你根本沒有讀到這里就放棄了。或許有些人已經看出來了,這真的將會是一篇枯燥乏味的論文式帖子,那么恭喜你,你已經讀到了機械工程設計所獨有的韻味。當然也有可能,你根本沒有注意到這些。

       

      以下切入正題。

       

      漸開線直齒圓柱齒輪傳動系統—此處針對智能掃地機器人左右輪/中掃滾刷/邊掃傳動系統


      1.齒輪參數的選取:m/α/Z/ ha*/ c*/ b

       

      m:模數

      (1)   常取0.4/0.5/0.6/0.8;

      (2)   請注意0.7屬于第二系列,一般不取;

      (3)   由于減速齒輪傳動系統的本質是在功率不變地情況下(忽略齒輪嚙合和軸承轉動等能量損失),將輸入端的轉速成傳動比倍數地比例降低,同時將輸入端力矩成傳動比倍數地比例放大。而傳動力矩大的工況下選用較大的模數,所以一般情況下,處在傳動鏈最前端的取較小地模數,反之則取較大地模數;(4)   左右輪傳動第一級模數一般取0.5,第二級和第三級一般取0.6,第四級一般取0.8

      (5)   由于空間限制,當模數<0.4時,需要考慮采用金屬齒輪傳動

       

      α:壓力角:按照GB要求,取α=20°

       

      Z:齒數

      (1)   智能掃地機器人行業,不用考慮根切問題。塑膠齒輪和粉末冶金齒輪不存在根切,而范成運動加工的金屬齒輪即使有根切,強度也遠遠滿足使用要求;

      (2)   為增大重合度保證傳動平穩,一般最小齒數取Zmin=9;

      (3)   為保證一對嚙合的齒輪的任何一個齒都能與另一個齒輪的任何一個齒嚙合,從而確保兩個齒輪每個齒嚙合磨損平均,一對嚙合的齒輪的齒數必須互質,即互為質數,如9個齒與21個齒嚙合或12個齒與28個齒嚙合就是存在設計缺陷的。這一點絕大多數工程師均沒有意識到,但大家沒按標準要求設計的齒輪,在實際使用過程中卻并未發生與此設計缺陷相關的重大問題,這點是值得大家深思的。

       

      ha*:齒頂高系數,按照GB要求,ha*=1

       

      c*:頂隙系數,按照GB要求,c*=0.25

       

      b:齒輪厚度

      (1)   智能掃地機器人上,一對嚙合的齒輪,小的齒輪厚度一般取4mm,大的齒輪厚度一般取3mm

      (2)   左右輪最后一級齒輪厚度一般取3.5-5mm,小于3mm的開出模具后幾乎都會由于傳動強度不夠需要再加厚

       

      2.齒輪的設計中心距(即實際安裝中心距,與理論中心距不同)


      (1)   a=m(Z1+Z2)/2+[0.2m],若0.2m≤0.10mm,則按0.10mm取值

      (2)   中心距的公差取±0.03,上文有提到,±0.03既能滿足注塑生產精度要求,又滿足安裝傳動要求,同時解決了噪音/電流/異音等問題

      (3)   齒輪箱上下蓋定位柱尺寸公差也取±0.03,不能依靠上下止口定位(4)   在開模時,齒輪箱上下蓋每個嵌啤或者壓嵌的轉軸處都要拆成鑲件,便于由于模具加工精度影響后期生產出來的零件無法達到±0.03的公差要求,一般情況下都要調整2-3次鑲件后才能滿足公差要求,所以一定要拆鑲件

      (5)   有些工程師在模具生產出來后發現兩齒輪齒側間隙(或齒頂間隙)大或小,會通過齒輪變位去做補償,可以確定地是這種做法是不可取的。因為齒輪在模具加工時常采用高精度鏡面火花機或高精度慢走絲線切割加工,雖然加工精度很高,但在二次變位調整時會出現二次裝卡和二次加工累計誤差,且出現的誤差是無法通過測量儀器檢測出來的,所以這種做法存在很高的風險和很大的誤差,且變位齒輪最初的出發點也不是為了解決這個問題而提出的,作為一個嚴謹的工程技術人員,堅決不提倡使用該方法。

      (6)   為了提高齒輪軸安裝的精度和重軸度,要在齒輪箱上下蓋上設計定位柱進行定位安裝且定位柱公差取±0.03mm。不能直接用上下蓋的止口進行定位。

       

      3.齒輪傳動系統的設計參數

       



      (1) F參數盡量取小值,限制齒輪的擺動,降低噪音

      (2) G值盡量取大值,避免間隙太小擺動接觸摩擦

      (3) H參數盡量取大值,將軸嵌入地更牢靠,有助于同軸度校準


       4.齒輪傳動系統材料選用


      (1)   齒輪常用材料為POM M90-44,其次是PA 46。尼龍吸水率較高,吸入水分后尺寸易發生變化;POM與尼龍相比,吸水率低,比尼龍脆。其中有兩點值得注意

          尼龍尺寸精度比POM更難控制。結晶性材料一般都會經過兩次收縮,第一次注塑時的熱脹冷縮,第二次的結晶收縮。POM在成型后48H內仍會有1-2%的收縮,為了控制POM結晶收縮的準確度,常常會對其模具加模溫。

          PA的耐溫性能比POM好,PA耐溫約90℃,PA耐溫約150℃。


      (2)   一般裝配在電機電主軸上的小齒輪都用金屬齒輪,從成本考慮,首選銅基粉末冶金齒輪,很少會用機械加工出來的齒輪;


      (3)   第二級齒輪材料一般選用PA/POM/PTEE 1246 硬度60度;

      從設計的角度上看,首選PTEE,因為通過對智能掃地機器人中掃齒輪箱的測試,發現第二級齒輪(也就是電機的銅齒)產生的噪音最大,PTEE硬度稍軟可以有效降低齒輪箱的噪音。

      值得注意的是第二級齒輪噪音大的原因,我個人認為是該級齒輪轉速較高,沒有軸承支承(不同于電機上的銅齒,電機上的銅齒雖然轉速最高(機械工業標準上上講:當金屬齒輪分度圓上的線速度大于9.6m/s時,噪音會有明顯上升,所以轉速高是齒輪噪音最大的原因,本想貼張圖無奈找不到,有興趣的同學可以翻翻機械設計課本看看噪音與線速度的關系曲線圖),但電機內轉子慣性矩大且兩端有軸承支承,且同軸度同心度電主軸的跳動公差都較小),且遠離螺釘固定位置,所以轉速高導致振動最大,而第三級齒輪由于減速作用噪音已經降了下來,所以齒輪箱的噪音相當大一部分來自于第二級齒輪。

      出于耐溫性考慮,二級齒輪也可以選用PA,因為PA的耐溫性強于POM。因為電機發熱的發熱量很大,電機的熱量通過電主軸傳遞給第一級銅齒,傳遞給第二級塑膠齒輪,當電機溫度超過約64℃時,PTEE齒輪的輪齒就會由于工作狀態下溫度過高而發生變形失效,請留意在二級齒輪出現溫度過高而失效的同時,大概率會同時出現齒輪箱局部受熱變形融化,這種情況是由于電機熱量通過固定螺釘傳遞給齒輪箱蓋,齒輪箱蓋螺釘處在受力和受熱和振動等的多重影響因素下局部變形融化,這種狀態下可以考慮用PA。


      但是值得注意的是,通常情況下若出現第二級齒輪受熱失效,那大概率是由于電機選型原因導致,可考慮在電機外加上硅鋼護磁圈,避免磁力線泄露能量轉化為熱能而導致電機溫升過高。

      (4)   齒輪箱上下蓋材料可選用PC 3113/PC+ABS/ABS-121H,PC3113可以減小內應力、油脂開裂,改善變形

      5.齒輪的結構設計


      (1)   齒輪的名義主壁厚一般取3mm左右。在智能掃地機器人行業,一般情況下幾乎可以定為以下參數:任何一對嚙合的齒輪,小齒輪厚度取4mm,大齒輪厚度取3mm;因為齒輪注塑后邊上有披鋒,易產生噪音,故小齒輪的齒寬應該大一點,裝配后避免因兩外側披鋒產生傳動不暢和噪音。請留意左右輪最后一級輸出齒輪厚度通常取3.5-4.5mm,因為最后一級齒輪輸出的扭矩最大,為了降低齒面的壓強,防止齒輪破裂受損失效。(出現最初取3mm開模后測試不合格重新加厚的案例)


      (2)   齒輪掏膠,遵從壁厚均勻原則,請注意齒輪外緣壁厚應等于單個齒厚

      (3)   所有齒輪輪齒和軸孔均不能有拔模;齒輪輸出軸配孔不能有拔模


      (4)   齒輪兩側盡量不要倒C角,避免出現披鋒和斷差,影響齒輪傳動,增大噪音(此點不同與金屬齒輪,請留意)


      (5)   應避免在齒輪上增加加強筋,收縮不均影響圓跳動公差。若必須要加,則兩側面加強筋應錯位,不能對稱,且從齒輪外緣處至轉軸孔處筋條高度由0逐漸遞增。-----此處是與金屬齒輪區別

      (6)   最后一級輸出軸齒輪為了方便結構設計和裝配,一般都會設計成金屬嵌件齒輪,也就是塑膠齒輪內嵌金屬軸的結構,此時為了避免因塑料收縮影響包裹嵌件局部應力集中而開裂,嵌件處壁厚要厚,尤其是塑膠層有融接痕更應該注意


      (7)   齒輪兩側面需做臺階,避免摩擦

       

      6.      塑膠齒輪的注塑制造


      事實上,當你對齒輪進行了深刻地理論研究之后,你會發現對于工程師來說,并非設計不出好的齒輪傳動系統,究其原因是因為在滿足成本要求地前提下,生產制造不出更高精度要求的齒輪,才會導致齒輪系統設計好后為了解決噪音/電流/異音問題一改再改。即使模具廠能做到較準確地控制收縮率,由于輪齒會收縮,正常生產出來地齒輪齒槽寬度≠齒厚,一般齒槽寬度比齒厚大十幾個絲。所以即使是經驗再豐富的工程師也沒有把握一次出來的產品就是完全滿足要求的,也必須要模具廠調整兩輪,即使試產OK了,由于模具廠無法精確控制POM材質的收縮率,在以后的分批次交貨過程中,依然可能會出現供貨不合格的情況,并且這種情況的出現是大概率事件。


      即使這樣,我們也有以下的理論或經驗上的改善方案,可以盡可能減少出現問題的可能。事實上實際設計生產制造中確實有把控非常好的案例出現。


      (1)   減小同一套模的模穴數,盡量減小流道長度不一導致的壓力和溫度等不一致,從而導致注塑出來的齒輪一致性差。一般同一套模采用4穴。


      (2)   注塑壓力和保壓壓力盡量選大值,保壓時間選大值。3點進膠,打飽滿則收縮有限,園跳動齒形誤差等才會減小------打飽滿此點尤為重要


      (3)   為了便于后期中心距的調整,牙箱座和牙箱蓋裝配軸孔均做成鑲件,不要做全身留


      (4)   模具加工時采用高精度鏡面花火機加工,精度高,表面粗糙度可達A2等級,無需拋光


      (5)   齒輪牙箱座/蓋前后模省光至1200#,盡量光滑


      (6)   塑膠齒輪精度 GB/T 10095 10級精度,將大批量生產的塑膠齒輪精度定級在GB/T10095-2001 9-11級是經濟合理的,高于8級以上的仍用注塑大量生產時相當困難的,普通手搖式的車床變速箱里的齒輪精度一般是7級


      (7)   注塑前一定要烤料,將水分烤干凈


      (8)   進膠口對齒輪分度圓跳動的影響如下圖,理論上分度圓上的跳動曲線應該是一個標準的以中心為圓心以分度圓為半徑的圓,但實際生產過程中大多數會采用三點進膠。


       


      7.齒輪的常見問題及改善方案


      (1)   噪音


      關于辨別齒輪的噪音,只可意會不可言傳,只有聽了很多的齒輪箱噪音后才會有所感悟,不是三言兩語能說清楚的,也不是隨意聽十幾個齒輪箱就能掌握的。根據以往得經驗,我將齒輪箱的噪音分四大類:


          打齒噪音:由于齒輪中心距太大導致齒側間隙大,這樣一對嚙合齒之間存在間隙,不能平穩嚙合傳動,兩個輪齒在嚙合的一瞬間產生沖擊力導致產生連續的“啪啪”聲音

      解決方案:建議首選減小齒輪安裝中心距(前面有提到齒輪箱軸處必須割鑲件便于后期調整中心距,且保證實際安裝中心距公差在±0.03以內,可以用投影儀測數)


          周期性齒輪噪音:這種噪音不同于第①種,第①種噪音是連續性的,而周期性的噪音卻是不連續的。這種情況基本上是由于齒輪的分度圓跳動太大致。

      解決方案:增大注塑壓力,確保齒輪注塑飽滿減小其縮水率,以此來減小分度 圓的圓跳動。值得注意得是分度圓得圓跳動/輪齒得齒形精度一般模具廠沒有測量工具,沒法得到實際得數據,這種情況普遍存在行業內。

      改善方案:增大注塑壓力,加高溫度,增加保壓壓力,增大保壓時長,盡量將齒輪做飽滿,用以減小分度圓上圓跳動。進而改善噪音。

       

       ③ 異音:某些摩擦導致出現尖銳的噪音,如最后一級輸出軸齒輪與齒輪箱蓋軸孔由于配合間隙問題導致的摩擦問題產生尖銳的噪音。這種噪音一般情況下機器剛剛開始工作時沒有聲音,隨著工作時長的加長噪音愈發明顯,產生尖銳的噪音。這是由于齒輪和齒輪箱軸孔之間的間隙預留不合理,且齒輪軸和齒輪箱蓋兩種材質之間的受熱膨脹系數不一樣導致齒輪軸直徑變大,摩擦愈強烈導致。

      解決方案:加大軸孔配合間隙,軸孔配合處不能有拔模。


      ④ 其他噪音:由于齒輪箱上下蓋注塑生產后有變形,且螺釘無法較好地將變形校正,這種情況下齒輪軸安裝后,軸與齒輪的同軸度偏差較大,這種噪音仿佛齒輪與齒輪箱殼體之間有“咔噠咔噠”共振,最直接的辨別方法就是看齒輪箱支架和齒輪箱蓋自由狀態是否有明顯變形,若有變形,再試試稍稍用力將齒輪箱向變形的反方向壓折,若聲音有明顯地降低,就基本能估計是牙箱蓋變形導致出現該類噪音。

      改善方案:注塑管控,將齒輪箱蓋做平整幾乎無變形(或減小變形)。

       

      (2)   電流大

      電機電流大(不同地機器不同地電機,不同的使用地方如邊掃/左右輪/中掃,測試時的空載或負載電流不一樣,電流較大只是相對而言),絕大多數情況下是由于中心距稍小,齒側間隙小或者嚙合的齒輪之間沒有間隙,導致自由狀態下齒輪之間有應力,這就導致電機的一部分能量用在克服這一部分力上,電流增大。

      改善方案:增大齒輪安裝中心距。

       

       

      在最后我想表明的是,對以下相關點文章中未討論:

      行業內未出現良好解決方案的問題點,如齒輪箱漏油問題未提及;

      由于影響因素較多存在爭議的問題點,如傳動比的配比未提及;

      對理論要求高的問題點,如劉易斯方程式計算塑膠齒輪強度,路易斯方程式計算齒輪切向負載,赫茲的面壓力公式進行齒面疲勞強度計算未提及;

      對成本影響較大的問題點,如不常見的齒輪材料,不常見的微型齒輪注塑未提及;

      對大多數工程師不熟悉的領域,如齒輪修形,選擇較小的壓力角未提及;

      如有相關的經驗或興趣,歡迎交流.

       


      楊貴超   980205387

      185-7824-2936 


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