往复运动偏心齿条-齿轮复合机构设计

第1章概述
1.1 引言
针对现有各种抽油机难以同时满足可靠性高和节能效果好两种
要求的现状,开发了带有往复运动齿轮齿条复合机构的抽油机。

这种
抽油机采用了往复运动齿轮齿条齿条复合机构,由小齿轮的单向旋转
驱动长环形齿条上下运动,并带动滑块做上下往复运动,从而实现基
本的抽油动作。

通过简单的结构和尺寸改变,能实现不同冲程和冲次,并可设计成重型抽油机。

这种抽油机具有节能效果好、可靠性高、运
行平稳、维护方便等特点,具有较高的推广应用价值。

本往复运动偏心齿轮齿条运动机构的驱动与换向机构，包括电机、部分齿齿轮、齿条，电机通过传动机构和部分齿齿轮连接，在
部分齿齿轮两侧分别设置有与部分齿齿轮啮合的齿条，两根齿条相
对位置固定的连接在齿条架上，齿条架与导轨组成滑块结构。

通过
部分齿齿轮分别和两侧的齿条啮合，带动齿条架在导轨上往复运动。

这种直线往复式运动的驱动与换向机构，通过部分齿齿轮分别与两
边的齿条啮合，从而带动齿条架往复运动，在往复运动中，无需限
位开关，电动机也无需换向，即以无换向停留达到运动机械全动程
的等速往复运动，还具有动程范围大、速度均匀、传动精度高、震
动小、结构简洁等特点。

1.2 往复运动偏心齿条-齿轮复合机构的认识
复合运动偏心齿轮齿条机构在传动的过程中是相当稳定的，所
以在相似的技术当中算是比较稳定的一种，它自身也拥有自身的特点。

一、齿轮传动的特点：齿轮传动是应用最为广泛的一种传动形式，与其它传动相比，具有传递的功率大、速度范围广、效率高、
工作可靠、寿命长、结构紧凑、能保证恒定传动比；缺点是制造及
安装精度要求高，成本高，不适于两轴中心距过大的传动。

其中，齿轮传动分类：1、按轴线相互位置：平面齿轮传动和空间齿轮传动。

平面齿轮传动：按轮齿方向：直齿轮传动，斜齿轮传动和人字齿轮
传动；按啮合方式：外啮合、内啮合和齿轮齿条传动；空间齿轮传动：锥齿轮传动、交错轴斜齿轮传动和蜗杆蜗轮传动。

2、按齿轮是否封闭：开式和闭式齿轮传动。

1.3 往复运动偏心齿条-齿轮复合机构运用
运用复合运动偏心齿轮齿条机构的抽油机是油田采油所用的抽
油机技术领域中的抽油机，它以运用了复合运动偏心齿轮齿条机构
和传统机构组合成，复合运动偏心齿轮齿条机构，可以节省能量为
２５－３０％，节省成本为８０％。

另外在海洋石油勘探开发中,自升式海洋平台是使用数量最多的平台。

自升式平台主要采用复合运动偏心齿轮齿条机构系统。

自升
式平台齿轮齿条强度是我国自主研发自升式平台升降系统的关键技
术之一。

复合运动偏心齿轮齿条机构在内燃机中也发挥了重要作用。

它
可以延长往复的行程以此来提高内燃机的做功。

其好处是：1 降低了内燃机的转速，2 增大了缸体的空间，3 更多的空气可以进入缸体，4 燃油可以充分燃烧，5 排出的高温废气不存在压力，6 增大了缸体的散热面积，7 活塞的惯性力可以完全转换到动力轴上，8 材料的磨损和要求的强度都可以减少。

因本机构基本不做无用功发
动机的怠速可以减少到现在的十分之一以下。

1.4 本章小节
通过对复合运动偏心齿轮齿条机构的学习研究，我们明白了复
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合运动偏心齿轮齿条机构在工业生产中的重要地位。

比如在抽油机，内燃机，送料机及一些重型机械中都得到了广泛的应用。

复合运动偏心齿轮齿条机构在传动的过程中是相当稳定的，具有极高的可靠性。

在实际生产工作中，复合运动偏心齿轮齿条机构具有节能效果好、可靠性高、运行平稳、维护方便、速度均匀、传动精度高、震动小、结构简洁等特点,具有较高的推广应用价值。

所以，研究复合运动偏心齿轮齿条机构是油田生产中必不可少的项目。

在如今石油资源日渐减少的大背景下，对复合运动偏心齿轮齿条机构的研究及应用也是日渐重要，应该向节能化，高效化，环保化发展，在发展经济生产的同时，注意将环境保护与生产效益相得益彰。

虽然复合运动偏心齿轮齿条机构的稳定性还有待加强，但这定然不会是不可克服的。

另外，通过对复合运动偏心齿轮齿条机构的初步了解以及建立模型，我们懂得了创新设计的意义所在以及团队合作在生产工作中的重要性。

加强了我们的团队合作意识，对今后学习、工作生活具有深远意义。

第2章往复运动偏心齿条-齿轮复合机构设计
2.1 机构设计
2.1.1 机构设计过程
设计过程是指从明确设计任务到编制技术文件所进行的整个设计工作流程。

2.1.2 机构设计过程的四个阶段
(1) 产品规划 —— 明确机械设计任务，提出设计任务书。

(2) 原理方案设计—— 确定功能原理和机械运动方案，画出机械运动简图。

3
(3) 技术方案设计。

(4) 评估，改进与决策。

2.1.3 机构及其系统运动方案设计
（1）机构及其系统运动方案设计的主要内容
功能原理方案设计：功能原理设计和工艺动作过程设计。

（2）运动规律设计
（3）机构系统运动方案设计
根据功能原理方案中提出的工艺动作过程及各工艺动作的运动规律要求，选择相应的若干执行机构的形式，按某种方式将其组合成一个机构系统，以确保上述工艺动作过程的实现。

机构选型、组合、创新 —— 机构系统简图。

（4）机构系统运动简图设计
机构系统简图——运动协调设计——机构运动循环图——尺度综合——
机构系统运动简图
2.1.4 机构选型的基本要求
（1）满足工艺动作及其运动规律的要求。

高副机构、低副机构、注意约束在机构中的作用、适当设置调整环节。

（2）机构的运动链要短。

（3）机构的传力性能要好。

传动角（压力角）、防止自锁、惯性力平衡。

（4）动力源的选择应有利于简化机构和改善运动质量。

电机（交流电机、直流电机、伺服电机、步进电机、交流变频电机）、内燃机、液压马达、气动马达。

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5
2.2往复运动偏心齿条-
齿轮复合机构的结构设计
结构示意简图
结构组成——往复运动链轮-齿条复合机构由1主动齿轮、2从动齿轮、3连杆、4齿条、5、滚动轴承、6、齿轮组成。

工作原理——主动齿轮1通过联轴器、减速器与驱动电机相连，进行动力输入；主动齿轮1、从动齿轮2、输出齿轮3均为定轴，并一起相对固定的机架（未画出）转动；齿轮2上有一缓冲作用的孔，当从动齿轮2转动时，连杆3带动齿条4水平运动，此时齿条4便带动齿轮6运动，齿条的水平运动由轴承5支撑控制，由于齿轮2 、连杆3、齿条4与机架构成四杆机构，存在极位夹角，故齿条存在急回运动。

条件——输出齿轮6上的外扭矩为20kN.m ；试确定各部件尺
2.3本章小结
通过了解机构设计的过程，首先确定设计的四个阶段：产品规
划；原理方案设计；技术方案设计；评估，改进与决策。

认真分析设计的任务书，根据机械设计原理，根据任务书里的要求初步确定整个往复运动偏心齿条-齿轮复合机构的运动简图，但应该明确机构简图不代表现实机构的外形，应该考虑到选材以及将来工件的尺寸，再设计机构简图时要留有足够的余量，以防将来带来不必要的麻烦。

可见，在机构简图的设计是要考虑的问题有很多，考虑的越全面，我们的后期工作就会越顺利。

通过一天的机构设计，收获挺多，深刻明白了平时知识的积累有多么重要，同时也了解到很多相关的知识，我们初步的对我们将来从事设计工作需要做的事，相信在通过大三专业课的学习后，我们会有更进一步的认识，这次的创新设计也提高了我们对本专业的学习兴趣。

第3章传动计算
3.1传动计算
3.1.1输出齿轮扭矩T=20KN•m，模数m=14，齿数Z=18，其分度圆直径D=252mm齿条受水平方向的力
F=T/（D/2）=158.73kN
经计算得连杆在齿轮最上最下是与水平方向夹角分别为9.05°和49.21°。

则可以计算连杆（二力杆）
最大力 F max=F×cos9.05°=156.754kN
最小力 F min =F×cos49.21°=103.696kN 在齿轮2上的两个极限位置上的水平分力分别为
F1=F max×cos9.05°=154.802kN
F2=F min×cos49.21°=67.743kN
连杆与齿轮2连接处的直径为d=690mm，故可以算出齿轮的最
yuan, an increase of 17.5%; local government general budget revenue of 500 million Yuan, ... Painting, model culture creates new Ma Church community, creating Lake scenic spot culture education base, received high evaluation from provincial and municipal discipline Inspection Commission, the people's daily special report. Constantly promote independent Commission against corruption culture construction to rural extends, created established Dahlin rural industry Park independent Commission against corruption culture positions, formed has a support "service low double excellent" of members lead team, constantly perfect and established Park funds assets management, and village audit supervision, and villagers democratic financial, system, strengthening Park party, and Chief, and financial, full public, powerful to guarantees has new rural construction, by city rural style clean government inspection unit led of height evaluation. Through the implementation of honest and clean
government cultural construction, and effectively educate the broad masses of party members and cadres and consciously regulated behavior and discipline, honesty in politics and culture to create a good atmosphere and fresh development environment. Although we in implement implementation independent Commission against corruption guidelines aspects made has must effectiveness, but away from superior of requirements also exists must of distance, main performance for: a is system enough sound, education, and supervision, and prevention, and punishment, aspects long-term mechanism also enough perfect, especially in enrollment bid work regulatory aspects also needed strengthening; II is regulatory supervision exists lost of Yu wide, and lost of Yu soft, investigation illegal disciplinary case of efforts also needed strengthening, individual sector and cadres also different degree exists treat gift, not to benefits not do, and mess do of phenomenon; Three for honest work is the
new situations and new problems in finding timely enough, treatment measures are not strong enough. To solve these problems, we will proceed from the following five aspects of rectification, make sure to implement the provisions of the code. (A) deepening the learning, enhance the consciousness of honesty in politics. To create event as an opportunity to Excel and learning party, further increasing the governance capability and advanced construction, reinforced rules of the broad masses of party members and cadres awareness, sense of responsibility, sense of honor, improve working ability and level of scientific development. Should make full use of meetings, in particular central group learning opportunity, further strengthening the study and education of the code, the intensive warning education, education the majority of party members and cadres known fear, knew fear, honesty in politics of tension the strings, consciousness and enhancing the implementation of the
initiative. Also, pay attention to apply what they have learned, consciously study results into planning work, new ideas,东北石油大学本科生机构分析创新设计
new measures to promote work, the courage to take responsibility, dare to break hard to ensure district, Government decisions and arrangements to implement. (B) strengthening supervision, severely punish acts of violation. One is to open the channels of supervision. Vigorously promote the party affairs public, open, widely accepted supervision by the masses, pay attention to social groups and public opinion supervision, the powerful force formed to urge party members and leading cadres properly exercise their powers. Second, strong supervision and inspection. Democratic life into full play, important briefings, reports related to personal matters and evaluation of cadres ' study of inner-party supervisory system, a comprehensive grasp of guidelines for the implementation of the independent Commission against corruption-related cases of leading cadres of party members, focus on strengthening key areas of project selection, funding, officials monitor, detect and rectify the problem,
promote honesty in politics. Third, strengthen disciplinary investigation. Seriously the implementation of JI ...
Recently, the County leading bodies at the county level to carry out "three trees" practice, which is to improve the governing ability and promoting the development of XX effective measure. I carefully follow your deployment requirements, and actively participate in the "three trees" campaign. Read Group, prepared by the Department in the near future of the ideological and political construction of leading cadres in the city reader, read the relevant information, larger harvest, inspired. I think the ability of repelling is to strengthen the party's governing capacity in questions of the construction of meaning, an important topic remains in front of party members and cadres at all levels, we need to further explore and ponder. The ability of repelling the name suggests, is asking party members and cadres at all levels in particular, leading cadres at all levels, not only ourselves, establish a correct concept of the independent Commission against corruption, political integrity, self-discipline,
rejection of corruption, made for the people, pragmatic, honest leadership, and strengthen the sense of responsibility, earnestly implement the responsibility of uncorrupted, implementation of the baolian anti-corruption measures to ensure the realization of business-building, construction of a win-win situation. Next, I combined with their thinking, experience and contact XX practical, on how to enhance the ability of repelling, on four aspects of cognition. Irregularities, please comment. First, the construction of the propulsion system, and enhance the system of corruption since the founding of our party, have been thinking about tackling corruption. Currently, democratic legal system, management system and supervision mechanism is not perfect, administrative acts are not very standardized, Enterprise behavior and market behavior, corruption presents a diverse, pluralistic, complex trends, this shift the struggle between the two, will accompany 7
大扭
m
kN d ⋅=⨯=40.532F T 1 齿轮1（主动轮）与齿轮2传动比为19:62，则可知齿轮1的扭
矩为16.37kN•m 。

根据查表得知齿轮间的传递效率为0.96。

最终算的通过减速器传给齿轮1的扭矩为17.76kN•m 。

由公式9550000×P=T•n 可得齿轮1的功率为P 1=24 kW
齿轮2的功率为P 2=23.3kW,齿轮6的功率为P 3=8.4kW
3.1.2齿条长度不得小于790mm,为了保证齿条在极限位置不与齿轮
2接触发生碰撞，考虑齿轮2与齿轮6的水平距离，拟定齿条长
1200mm ，齿条行程，拟定齿条行程为 790mm 。

3.1.3齿轮2与齿轮6水平距离1550mm 。

四杆机构中曲柄长
345mm ，,连杆长1150mm （由作图得出尺寸），连杆设计为方形杆,材
料为45号钢。

由 得出方形杆的边长a=21mm 。

s A
F σσ≤=3.1.4根据输出齿轮1所需的功率选定电动机的型号。

电机选:200L 1型，功率30KW ，转速1000r/min,减速器减速比：1000/13=77，选
择ZXY 型（低速级）。

3.2 本章小结
根据上述的计算，确定相关数据后即可进行下一步的工作。

在
这些计算的过程中，让我们对此机构的工作原理有了进一步的加深。

也加深了对课本知识的理解。

将理论知识与实践设计相结合，才能
更好的理解设计理念。

第4章 主要零部件的分析与校核
4.1 电机和减速器的选择及其主要参数
电机的选择：
根据主动齿轮1所需的功率24 kW
选定电动机为Y2系列三相异步电机Y2-200L1-2型号
减速器的选择：
根据所需的减速比：1000/13=77 确定减速器的类型为ZSY型齿轮减速器
其具体参数如下
4.2 齿轮1和2的分析与校核
齿轮1与齿轮2啮合，模数定为14，传动比i=3.25
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传递功率 P=24(kW)
齿轮1转速 n 1=13(r/min)
齿轮2转速 n 2=4.00(r/min)
齿轮1齿数Z 1= 19
齿轮1齿宽 B 1=145(mm)
齿轮1齿宽系数 d 1=0.545
φ 齿轮2齿数 Z 2=62
齿轮2齿宽 B 2=130(mm)
齿轮2齿宽系数 d 2=0.1509　
φ 标准中心距 A 0=567.00000(mm)
实际齿数比 U=3.26316
端面重合度 =1.66676
αε 纵向重合度 =0.00000
βε 总重合度 =1.66676
ε 齿轮1与齿轮2强度校核(选定材料均为34CrNiMo6) 齿轮1与齿轮2：齿轮1接触强度极限应力 =1288.0(MPa)1Hlim σ 齿轮1抗弯疲劳基本值 =740.0(MPa)
1FE σ 齿轮1接触疲劳强度许用值 []=11479.6(MPa)
1H σ 齿轮1弯曲疲劳强度许用值 []1766.2(MPa)
1F σ 齿轮2接触强度极限应力 =1288.0(MPa)
2Hlim σ 齿轮2抗弯疲劳基本值 =740.0(MPa)
2FE σ 齿轮2接触疲劳强度许用值 []21479.6(MPa)
2H σ 接触强度用安全系数 S Hmin =1.00
弯曲强度用安全系数 S Fmin =1.40
接触强度计算应力= 1468.3(MPa)
H σ
接触疲劳强度校核 ≤[]满足
H σH σ 齿轮1弯曲疲劳强度计算应力 =556.7(MPa)
1F σ 齿轮2弯曲疲劳强度计算应力 =500.5(MPa)
2F σ 齿轮1弯曲疲劳强度校核 ≤[] 满足
1F σ1F σ 齿轮2弯曲疲劳强度校核≤[]满足
2F σ2F σ4.3 花键的分析与校核
齿轮1：矩形花键连接（静连接）校核计算结果 传递的转矩 T = 24000000 N·mm
　键系列 R = 中系列
花键参数 N×d×D×B = 10×82×92×12 mm 倒角　c = 0.6 mm
　不均匀系数　ψ = 0.75
　键的长度　L = 145 mm
使用和制造情况　PType = 良好
　齿面热处理　W = 齿面经热处理
　许用挤压应力范围　σpp = 120～200 MPa 许用应力　[σp] = 160.0 MPa
　计算应力　σp = 133.509 MPa
　校核计算结果 σp≤[σp] 满足
　齿轮2：矩形花键连接校核计算结
传递的转矩 T = 54000000 N·mm
键系列 R = 中系列
　花键参数 N×d×D×B = 10×112×125×18 mm 倒角　c = 0.6 mm
不均匀系数　ψ = 0.75
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　键的长度　L = 130 mm
　使用和制造情况　PType = 良好
　齿面热处理　W = 齿面经热处理
　许用挤压应力范围　σpp = 120～200 MPa
　许用应力　[σp] = 180 MPa
　计算应力　σp = 176.370 MPa
　校核计算结果：σp≤[σp]满足
齿轮6：矩形花键连接校核计算结果
　传递的转矩 T = 20000000 N·mm
　键系列 R = 中系列
　花键参数 N×d×D×B = 10×82×92×12 mm
　倒角　c = 0.6 mm
　不均匀系数　ψ = 0.75
　键的长度　L = 120 mm
　使用和制造情况　PType = 良好
　齿面热处理　W = 齿面经热处理
　许用挤压应力范围　σpp = 120～200 MPa
　许用应力　[σp] = 160 MPa
　计算应力　σp = 134.436 MPa
校核计算结果σp≤[σp]满足。

4.4 本章小结
这一章是整个设计计算部分的核心。

首先选择了电机和减速器的型号，确定了其主要参数。

接着确定了主要齿轮的参数，并对其疲劳强度和弯曲强度进行了校核。

最后选择了花键的类型，并校核了其应力。

以上分析校核结果均满足设计要求，可以放心使用。

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第5章部分零件工程图与装配图
上图是齿轮1，下图是齿轮1的花键轴
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上图为齿轮2，下图为齿轮2的花键轴
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上图为齿轮3，下图为齿轮3的花键轴
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齿条
15
连杆
装配体
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结论
通过这次的课程设计，使我们学会了很多东西，包括书本上的理论知识及书本上学不到的知识。

具体的收获与体会如下：
一、通过课程设计，使我加深了对所学理论知识的理解与巩固，并能将课本上的纯理论应用到实践中，进一步加深了对知识的认识。

同时，也有助于对其他知识的理解。

现在，我不但对图解法和解析法有了更深入的理解，而且熟练了应用图解法对机构进行运动分析以及力分析。

二、培养了我耐心、仔细、谨慎的工作态度。

这次课程设计的内容最多的是绘画机构简图。

在绘图过程中，对比例尺的选定以及合理的布图都要有细致的规划，这是最考验一个人的耐心与严谨态度的过程，只有这样才能使绘制的机构简图更准确、更美观。

三、通过这次课程设计，使我更充分认识了团队合作的重要性。

由于这次课设是以小组为单位对机构不同的运动位置进行运动分析和受力分析，还要查找资料，每个人都有分工。

所以在进行分析的
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过程中每个成员都要保证自己计算数据的准确，查找资料时都要有
耐心，这样才能确保小组顺利完成任务。

在这次课设过程中，我们
小组成员之间都互帮互助、共同思考，相互查漏补缺，互相给予信
心，这样得以保证高速、高效率的完成任务，充分体现了团队精神。

课程设计就是简单的毕业设计，通过这次课设。

给予我们实践
的机会使我积累了一定的经验，为以后的学习打下了基础，也为毕
业设计铺平了道路。

参考文献
1 成大先主编.机械设计手册.第5版.北京：化学工业出版社，
2008
2 成大先主编.机械设计图册.北京：化学工业出版社，2003
3 濮良贵，纪名刚主编.机械设计.第8版.北京：高等教育出版社，
2005
4 刘鸿文主编.材料力学.第5版.北京：高等教育出版社，2011
5 李希诚，李弦泊主编.机械结构合理设计图册.第一版.上海：上
海科学技术出版社，1996
6 孙桓，陈作模，葛文杰主编.机械原理.第7版.北京：高等教育
出
东北石油大学本科生机构分析创新设计
版社，2006
致谢
在此首先感谢赵老师和组老师对我们尽心的指导，其次对在本次毕业设计中对我们进行指导的师兄、师姐表示感谢！感谢他们在这段时间里对我的耐心指导和帮助。

在他们的关怀下，我们学到了很多知识,为本次设计取得了一定的成果。

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