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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(tái)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(jí)研究計(jì)劃局（Defense Advanced Research Projects Agency簡稱DARPA）主持的一次未來軍事會(huì)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(shí)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(huì)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(gè)較快的發(fā)展，它反映的是一個(gè)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(gè)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(gè)嶄新的現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)。
一個(gè)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。現(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(dòng)力學(xué)性能的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和測試飛機(jī)動(dòng)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(jì)符合動(dòng)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(tái)是半實(shí)物飛行仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的一個(gè)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(shí)的航向角、俯仰角、橫滾角以及飛行擾動(dòng)，實(shí)時(shí)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(dòng)時(shí)控制飛行器調(diào)整到安全飛行姿態(tài)。同時(shí)，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(tái)的研究開發(fā)方面，多采用齒輪傳動(dòng)，用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。一般是三軸飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)時(shí)能提供飛行器飛行時(shí)的航向角（偏轉(zhuǎn)角）、俯仰角、橫滾角（滾轉(zhuǎn)角），即只有三個(gè)自由度。這種三軸飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)，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(tái)提供三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。在實(shí)際使用時(shí)，由三個(gè)獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。下層轉(zhuǎn)臺(tái)模擬飛行時(shí)的航向角，中層轉(zhuǎn)臺(tái)模擬飛行時(shí)的俯仰角，上層轉(zhuǎn)臺(tái)模擬飛行時(shí)的橫滾角。
飛行器在空中飛行時(shí)，有六自由度，所以在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)時(shí)，模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的發(fā)展趨勢是具有五個(gè)或六個(gè)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(jì)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(jì)相關(guān)資料，包括參考圖紙、技術(shù)論文及外文資料。
2．對(duì)相關(guān)類型的模擬轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行分析比較，并確定出新的傳動(dòng)方案，繪制出相應(yīng)傳動(dòng)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(jì)的計(jì)算。
4．綜合計(jì)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(jì)記錄的修改、整理。
6．繪制總裝配圖。
7．確定驅(qū)動(dòng)方式，并確定驅(qū)動(dòng)動(dòng)力來源。
8．撰寫技術(shù)論文及設(shè)計(jì)說明書。
9．翻譯外文資料。
2 轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)方案的選擇及評(píng)價(jià)
§2.1 控制臺(tái)的功能分析：
微型飛行器模擬轉(zhuǎn)臺(tái)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(shí)的偏轉(zhuǎn)、俯仰、滾轉(zhuǎn)，以及飛行擾動(dòng)，實(shí)時(shí)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(dòng)時(shí)控制飛行器調(diào)整到安全飛行姿態(tài)。同時(shí)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(shí)，模擬轉(zhuǎn)臺(tái)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(dòng)方面要比較精確。設(shè)計(jì)要求中，模擬轉(zhuǎn)臺(tái)具有三個(gè)自由度。要實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度大致把它分為三個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)（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(dòng)精度要較高，轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移分辨率要低，連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)速度范圍要較大，運(yùn)動(dòng)角度范圍要符合設(shè)計(jì)要求。所以要求轉(zhuǎn)動(dòng)的三軸必須共點(diǎn)，同時(shí)要求中層轉(zhuǎn)臺(tái)和上層轉(zhuǎn)臺(tái)有較高的同軸度、等高度。對(duì)要求轉(zhuǎn)動(dòng)的在以各種速度轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)要平穩(wěn)，過渡過程要較迅速。直線運(yùn)動(dòng)的速度范圍要較大，運(yùn)動(dòng)要平穩(wěn)。直線運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)過渡過程要迅速、平穩(wěn)。
§2.2 方案的選擇及評(píng)價(jià)：
§2.2.1執(zhí)行部分
由于在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，模擬轉(zhuǎn)臺(tái)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(tái)的執(zhí)行部分只需一平臺(tái)即可， 工作平臺(tái)要能提供三個(gè)自由度的需要。有效載荷空間為Φ25mm（設(shè)計(jì)要求）。模擬轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)要平穩(wěn)，水平度要好。
（1） 原動(dòng)部分
電動(dòng)機(jī)種類的選擇的原則是在滿足生產(chǎn)機(jī)械對(duì)穩(wěn)定和動(dòng)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(jià)格便宜的電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)種類選擇時(shí)應(yīng)考慮的主要內(nèi)容：
(a) 電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。它應(yīng)與所拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)械特性相匹配。
(b) 電動(dòng)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(gè)方面，它們都應(yīng)滿足生產(chǎn)機(jī)械的要求。
(c) 電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能。不同的生產(chǎn)機(jī)械對(duì)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能有不同的要求，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能主要是轉(zhuǎn)矩的大小，同時(shí)還應(yīng)注意電網(wǎng)容量對(duì)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流的限量。
(d) 電動(dòng)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(dòng)機(jī)在這方面比直流電動(dòng)機(jī)要優(yōu)越。
(e) 電動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。一是電動(dòng)機(jī)及相關(guān)設(shè)備（如：啟動(dòng)設(shè)備、調(diào)速設(shè)備等）的經(jīng)濟(jì)性，也就是要考慮電動(dòng)機(jī)及其拖動(dòng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)該滿足生產(chǎn)機(jī)械對(duì)電動(dòng)機(jī)各個(gè)方面運(yùn)行性要求的前提下，優(yōu)選價(jià)格便宜、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便的電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)；二是電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)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(dòng)機(jī)在我國應(yīng)用非常廣泛。
由于在實(shí)驗(yàn)時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)要用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，轉(zhuǎn)臺(tái)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(dòng)控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)距離測量、隨動(dòng)系統(tǒng)以及計(jì)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?？刂齐姍C(jī)主要用來完成控制信號(hào)的傳遞和變換，它的技術(shù)性能穩(wěn)定可靠、動(dòng)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(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)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(gè)并經(jīng)功率驅(qū)動(dòng)線路放大的電脈沖信號(hào)加于步進(jìn)電機(jī)繞組時(shí)，該電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)過一相應(yīng)角度。脈沖一個(gè)一個(gè)地輸入，電動(dòng)機(jī)便一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)。由于這種電動(dòng)機(jī)受控于電脈沖信號(hào)，通常又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)。
電動(dòng)機(jī)具有以下幾個(gè)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(duì)應(yīng)關(guān)系，且在負(fù)載能力范圍不受電壓波動(dòng)、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(huì)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(hào)控制下，能方便的實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、減速、停止、反轉(zhuǎn)、定位等運(yùn)行方式。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的位移量與輸入的脈沖數(shù)嚴(yán)格成比例，這就不會(huì)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(dòng)機(jī)各先相繞組的接通次序，可以得到各種需要的運(yùn)動(dòng)特性。尤其是當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與數(shù)字系統(tǒng)配套時(shí)，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(dòng)化儀表、通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備及自動(dòng)化生產(chǎn)線中，在定量、定長、定位、對(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)的定轉(zhuǎn)子磁路均由軟磁材料制成。定子上有多相勵(lì)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(dòng)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(dòng)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(shí)，每輸入一個(gè)脈沖，定子繞組換接一次，輸出軸就轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，其步數(shù)與脈沖數(shù)一致，輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移與脈沖數(shù)成正比。速度控制時(shí)，各相繞組不斷輪流通電，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)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(dòng)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(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍很寬。同時(shí)步進(jìn)電動(dòng)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(gè)脈沖控制的繞組繼續(xù)通入直流時(shí)，則電動(dòng)機(jī)可以保持在固定的位置上，這樣，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)停車時(shí)轉(zhuǎn)子的定位。
綜上所述，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步數(shù)或轉(zhuǎn)速既不受電壓波動(dòng)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(shí)，它又能按照控制的要求進(jìn)行啟動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)或改變速度，這就是步進(jìn)電動(dòng)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(duì)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(dòng)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(tái)的設(shè)計(jì)中，采用步進(jìn)電機(jī)。
（2）傳動(dòng)部分 由控制臺(tái)的性能分析可知，系統(tǒng)需要三個(gè)自由度：
能實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)有：嚙合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、摩擦傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)。
嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)等。
齒輪傳動(dòng)可用來傳遞空間任意兩軸間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，并且有功率范圍大，傳動(dòng)效率高，傳動(dòng)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(dòng)是用來傳遞空間交錯(cuò)兩軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，它傳動(dòng)平穩(wěn)，振動(dòng)、沖擊和噪音很小，能以單級(jí)傳動(dòng)獲得較大的傳動(dòng)比，結(jié)構(gòu)緊湊，蝸輪蝸桿嚙合輪齒間相對(duì)滑動(dòng)速度大，摩擦損耗較大，傳動(dòng)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(dòng)具有自鎖性。
鏈傳動(dòng)由鏈條和主、從動(dòng)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(dòng)和動(dòng)力。鏈傳動(dòng)是屬于帶有中間撓性件的嚙合傳動(dòng)，鏈傳動(dòng)無彈性滑動(dòng)和打滑現(xiàn)象，因而能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)；運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不能保持恒定的瞬時(shí)傳動(dòng)比；磨損后易發(fā)生跳齒；工作時(shí)有噪音；不宜在載荷變化很大和急速反向的傳動(dòng)中應(yīng)用。
鏈傳動(dòng)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(dòng)的地方，還用在對(duì)傳動(dòng)要求不高而工作條件惡劣的地方。
摩擦傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括帶傳動(dòng)、摩擦輪傳動(dòng)等。其優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單，傳動(dòng)平穩(wěn)，易于實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，造價(jià)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(dòng)比不準(zhǔn)確，傳遞效率低等。
連桿傳動(dòng)，如雙曲柄機(jī)構(gòu)和平行四邊形機(jī)構(gòu)等。 連桿傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)特點(diǎn)如下：
(a)連桿機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)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(dòng)件以同樣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果改變各構(gòu)件的相對(duì)長度關(guān)系，便可使從動(dòng)件得到不同的運(yùn)動(dòng)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(duì)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(dòng)等目的。
連桿傳動(dòng)的缺點(diǎn)：
(a)由于在連桿機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)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(dòng)鏈(即較多的構(gòu)件和較多的運(yùn)動(dòng)副)，所以各構(gòu)件的尺寸誤差和運(yùn)動(dòng)副中的間隙將使機(jī)構(gòu)產(chǎn)生較大的積累誤差，同時(shí)也會(huì)使機(jī)械效率降低。
(b)在連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程中，連桿及滑塊的質(zhì)心都在作變速運(yùn)動(dòng)，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(huì)增加機(jī)構(gòu)的動(dòng)載荷，所以連桿機(jī)構(gòu)一般不宜用于高速運(yùn)動(dòng)。
(c)雖然利用連桿機(jī)構(gòu)可以滿足各種運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)計(jì)要求，但設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)可以用齒輪傳動(dòng)和連桿傳動(dòng)，連桿傳動(dòng)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(dòng)中，它的傳動(dòng)效率為最高，如一級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)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(dòng)所需的空間尺寸一般較小。
（c）工作可靠、壽命長：設(shè)計(jì)制造正確合理、使用維護(hù)良好的齒輪傳動(dòng)，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(dòng)所不能比擬的。
（d）傳動(dòng)比穩(wěn)定：傳動(dòng)比穩(wěn)定往往是對(duì)傳動(dòng)性能的基本要求。齒輪傳動(dòng)獲得廣泛應(yīng)用，也就是由于這一點(diǎn)。
但齒輪傳動(dòng)的制造及安裝精度要求高，價(jià)格較貴，不宜用于傳動(dòng)距離過大的場合。
由于在微型飛行器模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，模擬轉(zhuǎn)臺(tái)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(dòng)方面要比較精確。初步確定，用齒輪傳動(dòng)。設(shè)計(jì)要求中，模擬轉(zhuǎn)臺(tái)具有三個(gè)自由度。轉(zhuǎn)動(dòng)精度要較高，轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移分辨率要低，連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)速度范圍要較大，運(yùn)動(dòng)角度范圍要符合設(shè)計(jì)要求。在以各種速度轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)要平穩(wěn)，過渡過程要較迅速。直線運(yùn)動(dòng)的速度范圍要較大，運(yùn)動(dòng)要平穩(wěn)。直線運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)傳動(dòng)件的軸線不在同一直線上，或工作時(shí)彼此要求有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的空間傳動(dòng)。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(dòng)靈活地傳到不開的空間位置。
微型飛行器模擬轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)時(shí)要求，轉(zhuǎn)動(dòng)的三軸共點(diǎn)，這是為了是實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇及評(píng)價(jià)
能用在轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)圓弧狀的。當(dāng)小齒輪來回轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)半弧齒輪來回轉(zhuǎn)動(dòng)，由于工作臺(tái)的中心是從動(dòng)件的圓心，半弧齒輪來回轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，是繞圓心轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)工作臺(tái)繞從動(dòng)件的圓心來回?cái)[動(dòng)。從而能模擬俯仰運(yùn)動(dòng)。
蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，它的簡圖如下圖：
圖1.2
蝸桿的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)蝸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)。
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(dòng)，來回?cái)[動(dòng)，帶動(dòng)飛行器的運(yùn)動(dòng)。但是連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)鏈較長，機(jī)械效率較低，不能作為高速傳動(dòng)。
回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)簡圖如下：
圖1.4
小齒輪為主動(dòng)輪，大齒輪為從動(dòng)輪。小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)安裝在大齒輪上的其它構(gòu)件的水平轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)工作平臺(tái)水平轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)，其運(yùn)動(dòng)簡圖如下：
圖1.5
凸輪通常作等速轉(zhuǎn)動(dòng),也可做往復(fù)擺動(dòng)或往復(fù)直線移動(dòng)。在這里主要是利用凸輪的往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。
帶傳動(dòng)的機(jī)構(gòu)簡圖如下：
圖1.6
帶傳動(dòng)時(shí)，是由于帶和帶輪間的摩擦（或嚙合）拖動(dòng)從動(dòng)輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，并傳遞一定的動(dòng)力。它的結(jié)構(gòu)簡單，傳動(dòng)平穩(wěn)，價(jià)格低，緩沖吸振。但所占的空間較大，傳動(dòng)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(gè)傳動(dòng)件的軸線不在同一直線上，或工作時(shí)彼此要求有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的空間傳動(dòng)。
軟軸的一端可直接接電動(dòng)機(jī)，另一端可以直接接工作轉(zhuǎn)臺(tái)。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(dòng)工作臺(tái)直接轉(zhuǎn)動(dòng)。
綜上所訴，初步可選運(yùn)動(dòng)方案如下：
運(yùn)動(dòng)名稱
偏航運(yùn)動(dòng)
俯仰運(yùn)動(dòng)
橫滾運(yùn)動(dòng)
運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)所選的運(yùn)動(dòng)方案的原理進(jìn)行分析。
3原理設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)
§3.1原理一：
原理如圖所示：
注：（1）各軸的驅(qū)動(dòng)源均是步進(jìn)電極
（2）微型飛行器的俯仰遠(yuǎn)動(dòng)由軟軸來實(shí)現(xiàn)，軟軸直接連接工作臺(tái)，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(jì)要求，第一層轉(zhuǎn)臺(tái)由大小齒輪聯(lián)合作用，使其轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)，小齒輪帶動(dòng)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使整個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。第二層轉(zhuǎn)臺(tái)中，采用電機(jī)與軸的聯(lián)合作用，電動(dòng)機(jī)經(jīng)過聯(lián)軸器與軸相聯(lián)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，軸由兩個(gè)軸承座支撐，使軸能夠順利的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)第二層轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)。第二層轉(zhuǎn)臺(tái)通過兩根固定架與軸相連，固定架上支撐著第二層轉(zhuǎn)臺(tái)，軸轉(zhuǎn)第二層轉(zhuǎn)臺(tái)同時(shí)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)微型器的翻滾運(yùn)動(dòng)。第三層轉(zhuǎn)臺(tái)是實(shí)現(xiàn)微型飛行器的俯仰角，由軟軸帶動(dòng)。第三層轉(zhuǎn)臺(tái)是固定在第二層轉(zhuǎn)臺(tái)上的，也是通過固定架支撐，第三層轉(zhuǎn)臺(tái)同時(shí)也是模擬飛行器的工作臺(tái)，通過軟軸的聯(lián)接、轉(zhuǎn)動(dòng)，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(gè)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(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)中心必須在飛行器的中心，上述方案中，由于第二層轉(zhuǎn)臺(tái)是由軸的轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，其運(yùn)動(dòng)中心難以確定在飛行器的中心，故飛行器的轉(zhuǎn)動(dòng)不合理，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)與制造也會(huì)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(tái)、蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)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(tái)上，由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。
（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(tái)的驅(qū)動(dòng)改用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，由于蝸輪蝸桿在運(yùn)動(dòng)中其運(yùn)動(dòng)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(dòng)。
第一層轉(zhuǎn)臺(tái)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(dòng)，通過嚙合使大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，軸通過大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)軸本身的運(yùn)動(dòng)，軸的運(yùn)動(dòng)也就帶動(dòng)了整個(gè)工作轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)模擬飛行器的航向角。
在第二層轉(zhuǎn)臺(tái)中采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)。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(dòng)中心上，也就是飛行器的運(yùn)動(dòng)中心上，在蝸輪上安裝一根支桿，直接與工作臺(tái)連接，也是通過這根支桿使工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)。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(dòng)軌跡和定位，使其能準(zhǔn)確的傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)。蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)使蝸輪做來回運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)。為了確保飛行器在風(fēng)洞中的運(yùn)動(dòng)不受影響，蝸輪蝸桿的安裝應(yīng)該偏離飛行器的運(yùn)動(dòng)中心，然后利用一根支桿伸出確保三個(gè)自由度的中心在飛行器運(yùn)動(dòng)的中心。
第三層轉(zhuǎn)臺(tái)由軟軸直接與工作臺(tái)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(dòng)，來實(shí)現(xiàn)微型飛行器的橫滾運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)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(gè)自由度，也能保證實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)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(tái)的運(yùn)動(dòng)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(tái)、電動(dòng)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(shí)也便于運(yùn)動(dòng)中心的確定。
§3.3原理三：
原理圖：
注：（1）電動(dòng)機(jī)在圖示中未表示出來。
（2）軟軸由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，小齒輪也由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。
方案三的原理是：
（1） 兩個(gè)齒輪同時(shí)由底座來支撐，小齒輪直接由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)。在步進(jìn)電機(jī)的直接作用下，通過嚙合帶動(dòng)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，軸通過鍵與大齒輪作用，使軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬微型飛行器的航向角。
（2） 軟軸1直接與轉(zhuǎn)臺(tái)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(tái)，可以帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。軟軸1可以實(shí)現(xiàn)微型飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)。軟軸直接與步進(jìn)電機(jī)連接，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。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(tái)連接，通過電機(jī)的驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)軟軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。軟軸2模擬的是微型飛行器的橫滾運(yùn)動(dòng)。其電動(dòng)源在原理圖上也未表示出來。
總結(jié)方案三，整個(gè)模擬微型飛行器的轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)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(tái)的重量，兩根軟軸對(duì)稱的分布在軸的兩側(cè)，這也就降低了轉(zhuǎn)動(dòng)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(píng)價(jià)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(tái)實(shí)現(xiàn)，各層轉(zhuǎn)臺(tái)采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)。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(tái)功能是靠的是支架，這樣不但不好定位而且使整個(gè)機(jī)構(gòu)處于不穩(wěn)定狀態(tài)；二是實(shí)驗(yàn)時(shí)，三層轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)中心必須是在飛行器的運(yùn)動(dòng)中心上的，而此機(jī)構(gòu)較難以保證。第二層轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)中心較難控制，難以保證三軸同心。所以此運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)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(dòng)中心較容易控制，設(shè)計(jì)過程中當(dāng)中，應(yīng)使飛行器的工作轉(zhuǎn)臺(tái)位于蝸輪蝸桿的運(yùn)動(dòng)中心，這樣就可以確保同心的要求。在第一層轉(zhuǎn)臺(tái)當(dāng)中，采用嚙合作用，使整個(gè)上層轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)中心同樣也是在飛行器的運(yùn)動(dòng)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(tái)之上的，同時(shí)也可以直接的與步進(jìn)電機(jī)連接，使整個(gè)機(jī)構(gòu)較為緊湊。驅(qū)動(dòng)軟軸的電機(jī)與驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿的電機(jī)列于運(yùn)動(dòng)中心兩側(cè)，這樣有利于整個(gè)工作轉(zhuǎn)臺(tái)的平衡，減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高精度，同時(shí)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(gè)自由度的同時(shí)，也確保了其運(yùn)動(dòng)中心在同一軸線上。能較好的確保運(yùn)動(dòng)精度和準(zhǔn)確度。
方案三第一層轉(zhuǎn)臺(tái)采用齒輪嚙合，保證工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)中心在齒輪的運(yùn)動(dòng)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(dòng)，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(dòng)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(jì)過程中也較為簡單。在本書中就不予于設(shè)計(jì)與介紹。在本書中主要介紹方案二。對(duì)方案二的零件進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)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(tái)具有較高的精度要求和準(zhǔn)確性要求，整個(gè)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)裝置必須結(jié)果緊湊，合理布置。在實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度的同時(shí)要能保證設(shè)計(jì)合理。
方案二中，把三個(gè)自由度的實(shí)現(xiàn)分別利用三個(gè)不同的轉(zhuǎn)臺(tái)，分為上、中、下三層。第一層轉(zhuǎn)臺(tái)模擬微型飛行器的航向運(yùn)動(dòng)，第二層轉(zhuǎn)臺(tái)模擬微型飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)，第三層轉(zhuǎn)臺(tái)是利用軟軸來模擬微型飛行器的橫滾運(yùn)動(dòng)。
第一層轉(zhuǎn)臺(tái)是利用齒輪機(jī)構(gòu)。因?yàn)辇X輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)精度高，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠、壽命長，傳動(dòng)比穩(wěn)定。由于第一層轉(zhuǎn)臺(tái)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(dòng)帶動(dòng)第二、第三層同時(shí)旋轉(zhuǎn)，故精度較高。驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)要求。第一層轉(zhuǎn)臺(tái)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。總的來說第一層轉(zhuǎn)臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)微型飛行器的航向運(yùn)動(dòng)，也能保證較高的精度。
第二層轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)的是微型飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)，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(dòng)比范圍大；蝸輪蝸桿的齒廓呈凹凸嚙合，接觸線與相對(duì)滑動(dòng)速度方向間的夾角大，有利用潤滑油膜的形成；蝸桿主動(dòng)時(shí)，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(tái)也就是放置在蝸輪蝸桿的運(yùn)動(dòng)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(jì)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(dòng)，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(gè)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(dòng)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(tái)始終在一軸線上運(yùn)動(dòng)?？偟膩碚f第二層轉(zhuǎn)臺(tái)能保證其運(yùn)動(dòng)的中心與第一層轉(zhuǎn)臺(tái)的中心重合的同時(shí)，結(jié)構(gòu)也相對(duì)緊湊，便于控制。
第三層轉(zhuǎn)臺(tái)就是采用軟軸直接與工作臺(tái)連接，利用步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)直接帶動(dòng)工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)微型飛行器的橫滾運(yùn)動(dòng)，在這里考慮電機(jī)的布置問題。整個(gè)模擬機(jī)構(gòu)都是較精密的，傳動(dòng)要求要較高的，考慮到這一點(diǎn)，把這個(gè)步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)第二層轉(zhuǎn)臺(tái)的步進(jìn)電機(jī)分別安置于運(yùn)動(dòng)中心的兩側(cè)，這樣可以減少轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)模擬微型飛行器的三個(gè)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(jì)
§4.1失效形式
齒輪傳動(dòng)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(shí)，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(huì)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(duì)齒根表層進(jìn)行強(qiáng)化加工。
§4.1.2齒面磨損
在齒輪傳動(dòng)中,齒面隨著工作條件的不同會(huì)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(shí),齒面即被逐漸磨損而報(bào)廢。這種磨損稱為磨粒磨損.它是開式齒輪傳動(dòng)的主要形式之一。改用閉式齒輪傳動(dòng)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(dòng)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(duì)滑動(dòng)起著形成潤滑油膜的作用,而且相對(duì)滑動(dòng)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(shí),由于相對(duì)滑動(dòng)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(duì)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(duì)于高速重載的齒輪傳動(dòng),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(shí),相嚙合的兩齒面就會(huì)發(fā)生粘在一起的現(xiàn)象,由此兩齒面又在作相對(duì)滑動(dòng),想粘結(jié)的部位即被撕破,于是在齒面上沿相對(duì)滑動(dòng)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(dòng)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(huì)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(dòng)而引起的材料塑性流動(dòng)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(jì)準(zhǔn)則
所設(shè)計(jì)的齒輪傳動(dòng)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(gè)工作壽命期間不致失效。因此，針對(duì)上述情況及失效形式，都應(yīng)分別確立相應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。但是對(duì)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(jì)算方法及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，所以目前設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，所以一般使用的齒輪傳動(dòng)時(shí)，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(jì)算。
§4.3齒輪設(shè)計(jì)
由設(shè)計(jì)要求推斷，微型飛行器模擬轉(zhuǎn)臺(tái)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(shí)，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(jí)，材料及齒數(shù)
1） 模擬轉(zhuǎn)臺(tái)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(dòng)要求，傳動(dòng)精度要高。故選精度等級(jí)為4級(jí)精度等級(jí)（GB10095--88）
2) 材料選擇：結(jié)合模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的使用環(huán)境（強(qiáng)度不需要太大），要使模擬轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，載荷小，振動(dòng)小，選用鋁合金，在鋁合金中選用鋁硅合金，代號(hào)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(shí)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(shí)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(jì)
由設(shè)計(jì)計(jì)算公式（10-9a）（參考文獻(xiàn)3）進(jìn)行計(jì)算，即
d1≥
1）確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值：
（1）試選載荷系數(shù)
（2）計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算
（1）試算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值
（2）計(jì)算圓周速度v
(3)計(jì)算齒寬
(4)計(jì)算齒寬與齒高比
模數(shù)
齒高
（5）計(jì)算載荷系數(shù)
根據(jù),4級(jí)精度，由圖10-8（參考文獻(xiàn)3，P192）查得動(dòng)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(jí)精度、小齒輪相對(duì)支承對(duì)稱布置時(shí)，
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(jì)算模數(shù)m
3.按齒跟彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由式（10-5）（參考文獻(xiàn)3 P198）得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為
1） 確定公式內(nèi)的各計(jì)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(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.8，計(jì)算如下：
（4）計(jì)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(jì)算大，小齒輪的并加以比較
大齒輪的數(shù)值大。
1） 設(shè)計(jì)計(jì)算
對(duì)比設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，可取齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算模數(shù)1.14，由于在齒輪之上還得放第二層轉(zhuǎn)臺(tái)，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(jì)算
由于，在模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)過程中，只要考慮轉(zhuǎn)臺(tái)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(jì)算齒輪的參數(shù)。
1） 計(jì)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(jì)算中心距
2） 計(jì)算齒輪寬度
由于模擬轉(zhuǎn)臺(tái)工作時(shí)的受力小，振動(dòng)小，轉(zhuǎn)矩小，所以結(jié)合模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)取 。
4）驗(yàn)算
所以此計(jì)算合適。
5．齒輪各個(gè)尺寸的計(jì)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(jì)
§5.1蝸桿傳動(dòng)的簡介
蝸桿傳動(dòng)是在空間交錯(cuò)的兩軸間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的一種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，兩軸線交錯(cuò)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(shí)，蝸桿旋轉(zhuǎn)一周，蝸輪只轉(zhuǎn)過一個(gè)齒矩，因而能實(shí)現(xiàn)大的傳動(dòng)比。在動(dòng)力傳動(dòng)中，一般傳動(dòng)比I=5～80；在分度機(jī)構(gòu)或手動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)中，傳動(dòng)比可達(dá)300；若只傳遞運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)比可達(dá)1000。由于傳動(dòng)比大，零件數(shù)目又少，因而結(jié)構(gòu)很緊湊。
b) 在蝸桿傳動(dòng)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(shí)嚙合的齒對(duì)又較多，故沖擊載荷小，傳動(dòng)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(shí)，蝸桿傳動(dòng)便具有自鎖性。
d) 蝸桿傳動(dòng)與螺旋齒輪傳動(dòng)相似，在嚙合處有相對(duì)滑動(dòng)。當(dāng)滑動(dòng)速度很大，工作條件不夠良好時(shí)，會(huì)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(dòng)具有自鎖性時(shí)，效率僅為0.4左右。同時(shí)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(duì)組成減摩性良好的滑動(dòng)摩擦副。
根據(jù)蝸桿形狀的不同，蝸桿傳動(dòng)分為圓柱蝸桿傳動(dòng)、環(huán)面蝸桿傳動(dòng)、錐蝸桿傳動(dòng)。
圓柱蝸輪傳動(dòng)又包括普通圓柱蝸桿傳動(dòng)和圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng)。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(dòng)和普通圓柱蝸桿傳動(dòng)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?jiǎng)t為凸弧形。所以，圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng)是一種凹凸弧齒廓相嚙合的傳動(dòng)，也是一種線接觸的嚙合傳動(dòng)。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(dòng)高出50%—150%；體積小；質(zhì)量??；結(jié)構(gòu)緊湊。
環(huán)面蝸桿傳動(dòng)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(dòng)叫做環(huán)面蝸桿傳動(dòng)。在這種傳動(dòng)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(shí)相嚙合的齒對(duì)多，而且輪齒的接觸線與蝸輪齒運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)也是一種空間交錯(cuò)軸之間的傳動(dòng)，兩軸交錯(cuò)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(gè)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(dòng)的特點(diǎn)是：同時(shí)接觸的點(diǎn)較多，重合度大；傳動(dòng)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(dòng)具有不對(duì)稱性，因而正、反轉(zhuǎn)時(shí)受力不同，承載能力和效率也不同。
§5.2蝸桿傳動(dòng)的失效形式
蝸桿傳動(dòng)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(dòng)的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)制造中的問題所致。例如：滑動(dòng)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(dòng)失效的因素。
如果根據(jù)工況條件，對(duì)蝸桿傳動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，注意材料的選擇、加工、潤滑、散熱以及安裝等各個(gè)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(dòng)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(hào)有20CrMnTi、20CrMnMo、17CrNiMo6（德國鋼號(hào)）、17CrNi3等。
（2）滲氮鋼 表面硬度≥750HV，牌號(hào)有42CrMo、38CrMoAl等。
（3） 表面淬火鋼 表面硬度為45～50HRC，牌號(hào)有45、40Cr、35CrMo、42CrNiMo等。
（4）調(diào)質(zhì)鋼 表面硬度為30～35HRC，牌號(hào)有42CrMo、34CrMo1、40CrNiMo等。
2. 蝸輪材料
對(duì)于重要傳動(dòng)，多數(shù)選用鑄造銅合金；對(duì)不重要或手動(dòng)傳動(dòng)，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(dòng)速度V≤25m/s，是蝸輪齒圈的理想材料，牌號(hào)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(jià)廉，但抗膠合能力差，跑合性能差，允許滑動(dòng)速度V≤4m/s，牌號(hào)有ZcuAl10Fe3(ZQA19-4).
(3) 鑄鐵 用于不重要的傳動(dòng)中，允許滑動(dòng)的速度V≤2m/s，牌號(hào)有HT200，HT300。
§5.4 蝸桿計(jì)算
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，利用蝸桿傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)微型飛行器的一個(gè)自由度，故其傳動(dòng)的精度要求較高，傳動(dòng)應(yīng)該較穩(wěn)定。現(xiàn)已知輸入功率P=38W(由所選的電動(dòng)機(jī)確定)，蝸桿轉(zhuǎn)速n=400r/min(由所選的電動(dòng)機(jī)確定),傳動(dòng)比i=20。微型飛行器模擬轉(zhuǎn)臺(tái)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(shí)。
1. 選擇蝸桿的類型
根據(jù)傳動(dòng)要求選擇圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng)，ZC蝸桿。
2. 選擇材料
根據(jù)設(shè)計(jì)要求蝸桿的傳動(dòng)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(dòng)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(jì)
根據(jù)蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jì)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(shí)=0.384.可查接觸系數(shù),因?yàn)?因此以上計(jì)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(dòng)比,這時(shí)傳動(dòng)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(jì)與計(jì)算
§6.1鋼絲軟軸的簡介
鋼絲軟軸主要用于工作時(shí)彼此要求有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的空間傳動(dòng),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(dòng)器、砂輪機(jī)、醫(yī)療器械、以及里程表、遙控儀表等傳動(dòng)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(shí)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(dòng)力輸出軸及工作部件。其聯(lián)接方式分固定式和滑動(dòng)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(shí)彎曲半徑變化較大時(shí)，允許軟軸在軟管內(nèi)有較大的竄動(dòng)，以補(bǔ)償軟管彎曲時(shí)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(dòng)裝置及工作部件的機(jī)體，有時(shí)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(shí)，軟軸按恒扭矩傳遞動(dòng)力；高于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，按恒功率傳遞動(dòng)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(dòng)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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