机械设计毕业论文：船用液压马达虚拟样机设计.doc

1、本科毕业论文（20 届）船用液压马达虚拟样机设计所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科生毕业论文I摘 要本文主要是对新型船用外行星摆线针轮液压马达以及其数字样机设计的研究。选用液压马达通常是根据马达的扭矩、转速、安装尺寸和液压系统的最大工作压力等参数决定的。传统的摆线针轮液压马达,目前在各类机械设备上广泛使用。其结构采用以针轮固定为太阳轮,以摆线齿轮为行星轮,行星轮绕着太阳轮公转相啮合的液力传动机构;其运动输出机构结构较复杂,是采用一套球形内齿外套万向节轴来连接花键轴头,轴向尺寸大,其循环油路设计也十分复杂,其密封也不充分,而且采用轴向

2、配流方式,其流量不断变化,使液压马达的总效率和调速范围难以提高。为了克服摆线针轮液压马达使用中存在的不足,设计了一种新型的行星针轮摆线液压马达,其基本原理主要采用带左右轴头上装有角接触轴承的摆线齿轮(内齿轮)固定为太阳轮,而行星针轮为行星轮活套组合构成的液力传动机构,另借助 4 根圆柱销轴组件的圆柱销轴和滚针轴承,把行星针轮与左右端盖串联装配在一起,用螺母拧紧成一个整体,即孔销机构为运动输出机构,然后通过左右端盖上的内孔,与摆线齿轮上 2 个角接触轴承定位,装成一只新型的液压马达机体,又利用行星针轮摆线齿轮的啮合付原理结构特点,和孔销机构中各相关零件的装配关系的条件,一条空间结构同步同心旋转的

3、端面配流方式,和具有全方位充分密封结构循环油路,形成这种新型的行星针轮摆线液压马达。关键词 ：外行星摆线针轮； 摆线齿轮 ；液力传动机构； 孔销机构； 数字样机本科生毕业论文IIAbstractThis paper on a new planet outside the ship-cycloid hydraulic motors and the number of prototype design research. The hydraulic motor is usually based on motor torque, speed, size and installation of the

4、 hydraulic system parameters such as maximum working pressure of the decision. The traditional-cycloid hydraulic motor extensive use in various types of machinery and equipment. The structure used to the sun-round fixed for the round to round cyclonical gear for the planet, the planet around the sun

5、 round of the round to the meshing of the hydraulic transmission mechanism. Its sports output institutional structure more complex, using a ball is within the tooth jacket Joint axis to connect the spleen shaft head, axial size, its design cycle Circuit also very complicated, not fully enclosed, and

6、 use of axial Assignment, their flow constantly changing, so that the total hydraulic motor efficiency and speed of difficult to enhance. In order to overcome-cycloid hydraulic motors that exist in the use of inadequate design of a new planet-round cycloid hydraulic motor, its basic principles adopt

7、ed with the main axis around the head with angular contact bearing cyclical gear (in Gear) for a fixed round the sun, planets and planetary gear-round for a mix of live sets of hydraulic transmission, with the other four components of the cylindrical column Pin and needle roller bearings, needle rou

8、nd the planet and about Cover Series assembly together with nuts tightened as a whole, that is, sports-marketing agency for export, then on the cover around the hole, and cyclical gear on the two angular contact bearing positioning equipment into a new type of liquid Pressure motor body, and use of

9、planet-round cyclical gear meshing pay principle structural features, and pin holes in the bodies of all relevant parts of the assembly conditions, a spatial structure of the end-synchronous rotation with concentric flow, and is fully enclosed in all directions Circuit cycle structure, formation of

10、the new planet-round cycloid hydraulic motors.Keywords ：Extra solar planets-cycloid ； cyclical gear；hydraulic transmission organizations；Pin-agency； Digital prototype本科生毕业论文III目 录前言 .1第一章 绪论 .21.1 虚拟样机技术发展状况 .21.2 虚拟样机技术的含义 .21.3 虚拟样机技术的特点 .31.4 虚拟样机技术的应用 .41.5 液压马达发展现状 .41.6 液压马达的工作原理 .5第二章 新型船用外行星

11、摆线针轮液压马达 .72.1 液压马达的组成结构 .72.2 液压马达的特性 .92.3 液压马达的结构原理 .9第三章 船用液压马达关键技术研究 .113.1 液力转换机构的研究 .113.2 孔销输出机构二维结构 .203.3 端面配油机构二维结构 .213.4 壳体及附件二维结构 .23第四章 新型船用外行星摆线针轮液压马达虚拟样机的建立 .254.1 主体机构的三维模型建立 .254.2 新型船用外行星摆线针轮液压马达虚拟样机模型的建立 .30第五章 展望 .32结束语 .33致谢 .34参考文献 .35本科生毕业论文1前言今天的制造商处在 前所未有的压力之下，竞争是全球性的，客户是反

12、复无常和苛求的，同时金融市场是无情的。由此，在恰当的时间以合理的价格推出正确的产品：成功的平衡不断增加的产品和工艺复杂性与提高性能和质量的需求，都具有挑战性。这些压力正迫使企业在气组织和管理业务的方式上发生根本的改变。结果就是一个基于协作和竞争的新的全球性业务模型，以及制造业转变为超越企业界限内外的协同工作团体。近年来，领先的制造商已经全面接受了产品生命周期管理，用于提升领先的业务战略和支持创新，从而深度地影响产品开发过程。虚拟样机技术是其中的关键组成部分，它支持整个产品开发过程的决策制定，显著地减少了产品开发时间和成本，同时优化了产品质量和可制造性。虚拟样机技术也称数字样机技术，是 20 世

13、纪 80 年代随着计算机技术而迅速发展起来的一项新技术，其核心是机械系统运动学和动力学仿真技术，同时还包括三维 CAD 建模、有限元分析、最优化等相关技术。运用虚拟样机技术，可以缩短机械产品的设计开发周期，减少产品开发费用和成本，提高产品质量与性能，获得最优的创新产品。目前该技术已在新产品设计中大量应用，推动了全球制造业和新产品开发技术的快速发展。虚拟样机技术是建立在采用信息技术完成产品整个开发过程基础之上的一套综合技术。工程师完全在计算机上简历数字化产品模型，从工业设计开始到产品工程化设计、工艺工装设计的全过程，采用三维数字模型进行产品的设计、评估、修改和完善，并采用数字样机尽可能多地代替原

14、来的实物样机实验，在数字状态下仿真计算，然后再对原设计重新进行组合或者改进。因此，这样常常只需要制作一次最终的实物样机，就可是新产品发开获得一次成功。制造企业通过样机开发技术能清晰准确地把握产品开发的全过程，这样的企业就能对客户的需求变化做出快速、灵活的反应，并且完全按照规定的时间、成本和质量要求快速地将产品推向市场，这就是样机开发技术的优势所在。因此，通过虚拟样机技术对液压马达进行设计可以缩短设计开发周期，减少开发经费，提高产品质量的同时提高了效率，这也是本课题研究的意义。本科生毕业论文2第一章 绪论1.1 虚拟样机技术发展状况上个世纪末以来世界经济和科学技术的飞速发展和因特网的广泛应用，明

15、显加快了制造活动全球化的进程，使企业面临更加激烈的国内外市场竞争。企业为了提高竞争力，必须尽快改变品种，更新设计，缩短新产品的研发周期，提高产品的设计质量，降低产品的研发成本，进行创新性设计。这样才能对快速多变的市场需求做出敏捷响应，从而在市场竞争中获得相当的市场份额和利润。在这种环境下虚拟样机技术随之产生。虚拟样机技术是 20 世纪 80 年代随着计算机技术而迅速发展起来的一项新技术，其核心是机械系统运动学和运动仿真技术，同时还包括三维 CAD 建模、有限元分析、最优化等相关技术。运用数字样机技术，可以缩短机械产品的设计开发周期，减少开发费用和成本，提高产品质量与性能，获得最优的创新产品。目

16、前该技术已在新产品设计中大量应用，推动了全球制造业和新产品开发技术的快速发展。1.2 虚拟样机技术的含义虚拟样机技术也称数字样机技术，其研究正处于探索中，目前对于虚拟样机的概念还没有一种通用精确的定义，针对不同的研究领域，有不同的定义方法。一般来说数字样机技术就是在建筑第一台物理样机之前，设计师利用计算机技术建立系统的数字化模型，进行仿真分析并以图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性，从而修改并得到最优设计方案的技术。数字样机是一种计算机模型，它能够反映实际产品的特性，包括外观、空间关系以及运动学和动力学的特性。借助于这项技术，设计师可以在计算机上建立机械系统的模型，伴之以三维可视化处理

17、，模拟在真实环境下系统的运动和动力特性并根据仿真结构精简和优化系统。虚拟样机技术是在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术(指在某单一系统小零部件的 CAD 和 FEA 技术)揉合在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。虚拟样机技术是一项跨学科、综合性的技术，它的核心是机械系统运动学、多体动力学和控制理论，成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术，从系统的角度去思考问题，将分散的零部件设计和分析技术如有限元分析技术、CAD技术)整合在一起，为产品的开发与研制，提供了

18、一条全新的思路。广义的数字样机技术既包括产品的数字化技术又包括虚拟现实技术，通过数字化平台和拟实环境实现对映射物理样机的虚拟模型的定义、评估、选取和优化。它涉及到诸如先进CAD 建模技术、虚拟现实技术(VR)、计算机工程仿真技术和计算可视化等多个领域。狭义的数字样机技术着重于实现对产品的数字化方面，它是以利用先进 CAD（计算机辅助设计）技术建立起来的主模型为中心，将其扩展衍生到产品生命周期的不同阶段，建立与物理样机相一致的数字化仿真模型，并对该模型进行评估和测试，通过对不同候选模型的筛选、更改和优化将设计思路转化为正确的数字模型。产品开发以 Internet/Intranet 构成的本科生毕

19、业论文3计算机网络为平台，通过信息共享和数据分权开放的格局，以并行协同的方式使各设计小组共同完成新产品的从概念设计、初步设计、详细设计、装配检验、性能评估、制造性加工仿真等工作。在不引起歧义的基础上本文讨论的数字样机技术将局限在狭义的数字样机技术范围内。数字样机技术的发展与 C3P(CAD/CAE/CAM/PDM)技术的成熟及大规模推广应用分不开的。首先,CAD 中强大的三维几何造型技术能够使设计师们的精力集中在创造性设计上，使过去烦琐的工作变得流畅、直观，这样设计工程师便可将更大的精力来关注设计的合理和优化问题；由于 CAD 中参数化和变量化技术的应用，使产品的几何要素的优化修改变为可能。其

20、次，通过加工仿真和性能仿真可以在物理样机生成之前就发现设计中的诸如结构缺陷、功能不全和性能失真等问题，以减少研制费用和设计风险，大大的提高了企业的响应速度和竞争能力。数字样机技术是许多技术的综合。它的核心部分是利用先进 CAD 的建模技术和多体系统运动学与动力学建模技术。近年来的计算机可视化技术的发展为这些技术提供了友好的用户界面，计算机的计算速度和存储容量的飞速的提高为研究和实施数字样机技术提供了技术可能。1.3 虚拟样机技术的特点虚拟样机技术将传统的经验设计方法改为预测方法，具有无法比拟的优点：(1) 全新的研发模式。传统的研发方法从设计到生产是一个串行过程，这种方法存在很多弊端。而虚拟样

21、机技术真正地实现了系统角度的产品优化，它基于并行工程(Conourrent Engineering)的思想，使产品在概念设计阶段就可以迅速地分析、比较多种设计方案，确定影响性能的敏感参数，并通过可视化技术设计产品、预测产品在真实工况下的特征以及所具有的响应，直至获得最优工作性能；(2) 更低的研发成本、更短的研发周期和更高的产品质里。采用虚拟样机设计方法有助于摆脱对物理样机的依赖。通过计算机技术建立产品的数字化模型(即虚拟样机)，可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验，从而无需制造及试验物理样机就可获得最优方案。因此不但减少了物理样机的数量，而且缩短了研发周期，提高了产品质盆，降低了研发成本

22、；(3) 实现动态联盟的重要手段。目前世界范围内广泛地接受了动态联盟(Virtual Company)的概念，即为了适应快速变化的全球市场，克服单个企业资源的局限性，出现了在一定时间内，通过 Internet 临时缔结成的一种虚拟企业。为实现并行设计和制造，参盟企业之间产品信息的快捷交流尤显重要，而虚拟样机是一种数字化模型，通过网络输送产品信息，具有传递快速、反馈及时的特点，进而使动态联盟的活动具有高度的并行性。1.4 虚拟样机技术的应用新产品的研发涉及诸如机械运动学与动力学、人机工程学、美学等多个相关的学科，而传统的设计方法又无法使各学科理论的实现达到最优。在传统的产品开发过程中，在详细设计

23、完成后，通常要制造物理样机进行验证设计的正确性，有时检验甚至是破坏性的。当发现缺陷时，只能回头修改设计并再用样机验证。只有通过若干反复产品才能达到要求的性能。基于物理样机的设计研发模式的致命缺陷(成本高、周期长)，往往使物理样机的反复性试验本科生毕业论文4不够充分，加上设计人员通常不愿为修改局部而给整机带来不可预知的结果，这就使我国的机械产品造型沉闷、结构和功能老化，从而在市场上缺乏竞争能力。这种基于样机制造、试验的设计方法增加了新产品的研发周期和成本。产品结构越复杂，这种人力、物力、财力的浪费越严重。这一过程对于象汽车产品等结构复杂的产品代价是昂贵的。本文所指的复杂产品主要是汽车、摩托车等机

24、械产品。由于设计周期无法缩短，基于物理样机上的设计验证过程严重地制约了产品的质量的提高、成本的降低和对市场的快速反应。数字样机技术在产品开发过程中的推动作用主要表现在以下几个方面：1.在产品的概念设计阶段，应用系统工程的方法，确定产品的总体参数和局部参数，并定义两者的关联控制结构，实现产品级的参数化。2.在产品的初步设计阶段，通过贯彻自顶向下的设计思想，建立部件级的几何关联结构和约束层次关系，并确定详细设计步骤实现部件级的相关修改。3.在产品的详细设计阶段，通过参数化和变量化技术建立零件级的数字化主模型。4.通过虚拟装配技术，方便实现复杂的大装配并检验产品是否干涉及几何结构是否正确，并对其进行

25、修改、优化。这样可减少物理样机数量，节约成本。最重要的是，再次修改设计时没有重复成本。5.通过进行关键零件的加工仿真和工装仿真，及时发现设计缺陷和工艺实现问题，避免开发风险。6.通过对零件、部件以及产品级的运动学和动力学性能分析仿真，及时发现性能失真和结构不合理等问题，提高产品的可靠性和正确性。7.整个设计过程中，贯彻并行工程的开发方法，提高产品上市时间，缩短开发周期。1.5 液压马达发展现状自从上世纪工业革命以来，工业领域得到了突飞猛进的发展，每一次重大的变革都会伴随着机械设备的进步和发展。现如今，设备和动力装置更是成了制约工业发展的 “瓶颈” ，液压马达因为具有新型、高效、稳定、节能等特点

26、的动力装置已经越来越多的受到了世界各国的关注。液压马达俗称油马达，它跟油缸是一样的，在液压系统中都是属于执行元件，不同的是油缸执行的是直线往复运动，而液压马达则是实现连续旋转运动。液压马达可以分为定量马达和变量马达，定量马达的转速是由进入马达的油液流量控制的，同时也随自身的排量的变化而产生变化，所以变量马达转速的变化范围要更加的广泛。大多数的液压马达的进口油、出口油是能颠倒的，进油口的变化也将导致马达动力输出轴的转动方向的变化。液压马达按结构特点来分可以分为齿轮式、叶片式、柱塞式和其它型式。按额定转速分为高速和低速两大类，其额定转速高于 500rmin 的属于高速液压马达，其额定转速低于500

27、rmin 的属于低速液压马达。高速液压马达的基本型式分为齿轮式、螺杆式、叶片式 和轴向柱塞式等，它们的主要特点是转速较高、转动惯量小，便于启动和制动，调节(调速及换向)灵敏度高。通常高速液压马达输出转矩不大所以又称为高速小转矩液压马达。低速液压马达的基本型式是径向柱塞式，此外在轴向柱塞式、叶片式和齿轮式中也有低速的结构型式，低速液压马达的主要特点是排量大、体积大、转速低，因此可直接与工作机构连接，不需要减速装置，使传动机构大为简化，通常低速液压马达输出转矩较大，所以又称为低速大转矩液压马达。本科生毕业论文5液压马达尤其是低速大扭矩马达都可以直接驱动负载，对于这一点电马达基本上做不到。液压马达力

28、密度大，在同等功率输出的情况下，其重量、尺寸仅为直流电马达的 5%20%，相对质量轻，因此转动惯小，从而导致启动、制动、反向运转快速性及低速稳定性好，并可方便地实施无级调速，正是因为这些电马达无法相比的优点，使得近 20 年来液压马达和液压技术在全世界都得以迅速地推广应用和深入普及，人们在实践中也越来越感到液压马达的重要性。摆线齿轮马达 BM 是我国机械部重点企业、江苏省液压气动密封协会大批量制造的行星转子式摆线齿轮液压马达。它是利用行星减速机械原理工作的内啮合摆线齿轮马达。这种马达在 1955 年被发明后随即传入我国，因为具有独特的优点获得了迅速的发展。这种马达的优点为结构简单、体积小、质量

29、轻、转矩大。另外，这种马达的转速范围广、使用可靠、稳定性好、价格便宜。目前全世界的年产量超过百万台，被大量应用于塑料机械、工程机械、农业机械、煤矿机械、起重运输机械、渔业机械以及专用机床等设备中。但是这种马达采用传统机械能量转换方式，不但要储备一定功率，变速时对主机冲击很大，影响其寿命，又多耗约 7%油料。所以本课题研究内容和任务，就是以一种新型结构的液压泵和马达液力转换能量方式取代它。这种新型结构的液压马达，为一齿差“外行星针轮摆线的传动原理机构，能满足船舶大范围性能的工况要求，其特点：可选各主参数值范围大，比功率值大，总效率，体积小，重量轻和价格低。 ”0.91.6 液压马达的工作原理1）

30、叶片式液压马达由于压力油的作用导致受力不平衡使马达转子产生转矩。叶片式液压马达的输出转矩跟液压马达的排量和液压马达进出油口之间的压力差有关，输入液压马达的流量大小决定了液压马达的转速。由于液压马达通常都会要求能正转反转，所以叶片式液压马达的叶片需要径向放置。为了保证叶片根部始终通有压力油，在回、压油腔通往叶片根部的通路上安装一个单向阀，为了确保叶片式液压马达在压力油通入后能够正常运行就必须保证叶片顶部和定子内表面紧密接触，保证良好的密封，所以在叶片根部应设置预紧弹簧。 叶片式液压马达的有点是体积小，转动惯量小，动作灵敏，可适用于换向频率较高的工作环境，但其泄漏量较大，低速工作时也不稳定。因此叶

31、片式液压马达通常出现在转速高、转矩小和动作要求灵敏的场所。2）轴向柱塞马达轴向柱塞泵基本上可以作为液压马达用，也就是说轴向柱塞泵和轴向柱塞马达是可逆的。轴向柱塞马达的工作原理是配油盘和斜盘固定不动，然后马达轴与缸体相连接一起旋转。当压力油经过配油盘的窗口进入到缸体的柱塞孔时，柱塞由于压力油的作用出现外伸现象，导致斜盘和柱塞产生一个法向反力 p，此力可以分解为轴向分力和垂直分力 Q，Q 与柱塞上的液压力相平衡，而 Q 则是柱塞对缸体中心产生一个转矩，用来带动马达轴逆时针方向旋转。轴向柱塞马达产生的总转矩是脉动的。若是改变马达压力油输入方向，则马达按顺时针方向旋转。斜盘的倾角的改变也就是排量的变化

32、，不仅会影响马达的转矩，而且会影响马达的转速和转向。斜盘的倾角越大，产生转矩就会越大，转速也就变的越低。3）径向柱塞式液压马达本科生毕业论文6径向柱塞式液压马达工作原理是当压力油经配油轴的窗口进入箱体内柱塞的底部时，柱塞向外伸出，紧紧顶住定子的内壁，由于定子与缸体存在一定的偏心距。在柱塞与定子接触处，定子对柱塞的反作用力，该力可分解两个分力。当作用在柱塞底部的油液压力为 p，柱塞直径为 d，对缸体产生一定的转矩，使缸体旋转。缸体再通过端面连接的传动轴向外输出转矩和转速。4）齿轮液压马达齿轮马达在结构上为了适应正反转要求，进出油口相等、具有对称性、有单独外泄油口将轴承部分的泄漏油引出壳体外；为了减少启动摩擦力矩，采用滚动轴承；为了减少转矩脉动齿轮液压马达的齿数比泵的齿数要多。