【正文】 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 一級(jí)圓錐齒輪減速器的 CAE 技術(shù) [摘要 ] 隨著科學(xué)技術(shù)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，漸開線齒輪傳動(dòng)減速器的需求量越來越大，質(zhì)量要求也越來越高，傳統(tǒng)的減速器設(shè)計(jì)方法己不能滿足用戶的需求，CAD/CAE 技術(shù)的迅速發(fā)展使得它無(wú)論在機(jī)械、電子、航空、建筑等領(lǐng)域都獲得了成功的應(yīng)用。 Pro／ MECHANICA Structure 是集靜態(tài)、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)分析于一體的有限元模塊，它不僅能夠模擬真實(shí)環(huán)境為模型施加約束及載荷，而且能夠測(cè)算模型的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)、模態(tài)、翹曲、疲勞、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、振動(dòng)等分析。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng) 發(fā)表或撰寫的成果作品。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。原動(dòng)機(jī)提供基本的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。目前在工程實(shí)際中，廣泛使用的傳動(dòng)裝置有齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，鏈傳動(dòng)、皮帶傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)等。采用的是一齒差原理，是一種傳動(dòng)比大，承載能力大，機(jī)械效率高的傳動(dòng)裝置。 在我國(guó) CAD、 CAE 已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，在大多數(shù)的大型制造企業(yè)已經(jīng)相當(dāng)?shù)某墒?。為此?CAD/CAE 方法作為能縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的得力工具，被越來越頻繁地引入產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，以提高競(jìng)爭(zhēng)力。該過程 將方案設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、零件建模、動(dòng)態(tài)模擬裝配、模態(tài)分析、高級(jí)渲染、 動(dòng)力學(xué)分析、 運(yùn)動(dòng)仿真以及工程圖繪制等設(shè)計(jì)全過程集于一個(gè)軟件當(dāng)中，這樣做 可以 更加有效地更加快捷地對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì) ， 大大縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)周期，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，大大降低產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)成本 ， 全面實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的 數(shù)字化設(shè)計(jì)制造工程 ， 提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力 。減速器是工程實(shí)際應(yīng)用中常用的傳動(dòng)裝置。但是原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)卻是有限的，而且是確定的，這就提出了必須把原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行部分所需的運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)部分及運(yùn)動(dòng)參數(shù)問題，而這個(gè)任務(wù)就是傳動(dòng)部分來完成的，因此，傳 動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)械系統(tǒng)中不可缺少的重要部分。 （ 2）蝸桿齒輪減 速器 主要有圓柱蝸桿減速器，環(huán)面蝸桿減速器和錐蝸桿減速器 （ 3）蝸桿 — 齒輪減速器及齒輪 — 蝸桿減速器 （ 4）行星齒輪減速器 （ 5）擺線針輪減速器 （ 6）諧波齒輪減速器 上述六種減速器已有標(biāo)準(zhǔn)系列產(chǎn)品，使用時(shí)只需結(jié)合傳動(dòng)功率，轉(zhuǎn)速，傳動(dòng)比，工作條件和機(jī)器的總體布置等具體要求，從產(chǎn)品目錄或有關(guān)手冊(cè)中選擇便可。目前，減速器的評(píng)價(jià)體系包括以下幾方面： （ 1）傳動(dòng)比 傳動(dòng)比是減速器的重要指標(biāo)，從而以滿足減速要求，目前減速器的傳動(dòng)比種類很多，最小可是 1，如果用三級(jí)圓柱齒輪減速器傳動(dòng)比可達(dá)到500。 （ 5） 振動(dòng)、噪聲 振動(dòng)、噪聲也是機(jī)械系統(tǒng)的重要指標(biāo)，降低噪聲和振動(dòng)不但可以延長(zhǎng)機(jī)器壽命而且可以體現(xiàn)機(jī)器在結(jié)構(gòu)上的緊湊性。 從生產(chǎn)方面來看，減速器的生產(chǎn)大部分由專門減速器廠生產(chǎn)。 其次，從效率方面來說，它是機(jī)械系統(tǒng)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，直接反映系統(tǒng)傳遞動(dòng)力的能力大小，而傳遞的動(dòng)力除受其輸出系統(tǒng)的影響外，就受減速器本身的影響，而目前采用的 減速器均為傳動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)，例如，連桿凸輪減速器裝置在同類產(chǎn)品中應(yīng)當(dāng)算比較高的效率了，可以達(dá) 99%以上，這在目前是一個(gè)極限數(shù)字。因此，常見的齒輪、蝸桿、滾子等減速器均是從傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路來的，它們可以歸結(jié)為同一類型。減速器和齒輪的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的發(fā)展，在一定程度上標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家的工業(yè)水平。計(jì)算機(jī)仿真已成為系統(tǒng) 仿真的一個(gè)重要分支，系統(tǒng)仿真很大程度上指的就是計(jì)算機(jī)仿真。 （ 1） 計(jì)算機(jī)仿真在制造業(yè)的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀 制造業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中一般都占有最大的比重，自 70 年代以來，全球性的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，產(chǎn)品消費(fèi)結(jié)構(gòu) 不斷向多元化、個(gè)性化方向發(fā)展，產(chǎn)品的更新期和交貨期都在縮短，一些自動(dòng)化技術(shù)如 CAD、 CAM、 CAPP、 NC、 FMS、 MRPⅡ 及 CIMS都得到快速發(fā)展。 典型的仿真軟件有仿真環(huán)境、仿真語(yǔ)言和程序包 3種形 式，其功能覆蓋是不完全相同的。 （ 2） 計(jì)算機(jī)仿真的研究熱點(diǎn)及對(duì)制造業(yè)的影響 80 年代以來，系統(tǒng)仿真不斷地朝著縱、橫方向發(fā)展，在制造業(yè)方面，一個(gè)比較明顯的進(jìn)展就是 “ 虛擬制造 ” .根據(jù)虛擬 制造的概念，整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造首先在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，這樣可以發(fā)現(xiàn)并解決該產(chǎn)品在制造之前可能出現(xiàn)的各種問題。利用 VR 技術(shù)的這些特性，可以對(duì)產(chǎn)品的各個(gè)階段提供支持，例如在虛擬環(huán)境下設(shè)計(jì)產(chǎn)品及其生產(chǎn)流水線，測(cè)試和裝配產(chǎn)品的零部件，客戶可以驗(yàn)證產(chǎn)品是否符合要求等。 CE 能在產(chǎn)品開發(fā)一開始就考慮到投資、制造、裝配、銷售和維護(hù)及報(bào)廢等整個(gè)生命周期的所有因素，這對(duì)解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)的矛盾非常有益。當(dāng)仿真對(duì) 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 共 74 象分布于廣闊的時(shí)空領(lǐng)域，仿真任務(wù)要求將不同地理位置、不同類型 (包括人在內(nèi) )的仿真對(duì)象構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一整體進(jìn)行仿真時(shí)，產(chǎn)生了分布交互化仿真 (DIS)。美國(guó)是最早研究這種技術(shù)并投入使用的國(guó)家，已經(jīng)完成了多項(xiàng)基于虛擬仿真的 DIS 工程項(xiàng)目，相關(guān)的協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)完成或正在完成。 面向 21 世紀(jì)，同其他領(lǐng)域一樣，制造領(lǐng)域的仿真技術(shù)的仿真規(guī)模正在不斷地?cái)U(kuò)大，仿真功能也在不斷地朝智能化、可視化、集成化、并行化、分布交互化的方向發(fā)展。從 20 世紀(jì) 60 年代至今， 三維 建模 技術(shù) 的發(fā)展經(jīng)歷了線框建模、曲面建模、實(shí)體建模、特征建模、參數(shù)化建模、變量化建模，以及正在研究的產(chǎn)品集成建模、行為建模等發(fā)展過程。 三維 CAD/CAE 技術(shù) 主要包括以下內(nèi)容： 三維 造型 /三維 設(shè)計(jì) 、計(jì)算機(jī)輔助工程分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析 /仿真、裝配干涉檢驗(yàn)、 三維 轉(zhuǎn)二維、圖樣檔案管理等。掌握 三維 CAD/CAE 技術(shù) 的使用，已經(jīng)逐步同使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行文字處理一樣，成為產(chǎn)品開發(fā)、 設(shè)計(jì) 人員的一種基本技能。既然是設(shè)計(jì)就不但想到產(chǎn)品的機(jī)械模 型，還應(yīng)想到產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分析、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析和生產(chǎn)加工處理等，只有這樣才能真正發(fā)揮 CAD 的作用。然而，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力不但需要提高產(chǎn)品的性能與質(zhì)量，而且要降低產(chǎn)品的成本，因此人們需要找到最合理和最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方案。 歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展， CAE 技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)深入到設(shè)計(jì)流 程的各個(gè)環(huán)節(jié)。 “ CAE 融入設(shè)計(jì)全過程 ” 的觀點(diǎn)已經(jīng)得到世界上 許多著名公司的廣泛 認(rèn)可。 因此 CAE 優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)所起的作用是極其重要的 ， 與常規(guī)的優(yōu)化技術(shù)相比，這種優(yōu)化技術(shù)可大大提高設(shè)計(jì)效率 。然而，樣條插值技術(shù)又使 CAE中的優(yōu)化成為可能，多個(gè)數(shù)值點(diǎn)可以利用插值技術(shù)形成一條連續(xù)的可用函數(shù)表達(dá)的曲線或曲面，如此便回到了數(shù)學(xué)意義上的極值優(yōu)化技術(shù)上來。 現(xiàn)代 CAE 技術(shù)的發(fā)展已使人們的分析領(lǐng)域擴(kuò)展到了各行各業(yè)的每個(gè)角落，所研究問題的深度及綜合程度都在逐步提高，研究者的目光已從單一場(chǎng)分析轉(zhuǎn)向了多場(chǎng)耦合分析，以追求更為真實(shí)的模擬結(jié)果。 把設(shè)計(jì)工作的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來 ,將 提高系統(tǒng)的實(shí)用性和先進(jìn)性。 （ 5） CAD/CAE 技術(shù)應(yīng)用展望 CAD/CAE 技術(shù)的發(fā)展必定推動(dòng)其應(yīng)用范圍的擴(kuò)大和層次的加深，在產(chǎn)品開發(fā)制造的各個(gè)階段發(fā)揮更大的作用。 這一階段要繪制各種零部件圖樣，確定彼此間的裝配關(guān)系，評(píng)估產(chǎn)品的性能 (結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、動(dòng)力特性和生產(chǎn)性等 )。 (d)產(chǎn)品測(cè)試評(píng)估階段 主要是利用各種測(cè)試和評(píng)估手段對(duì)產(chǎn)品成本、產(chǎn)品性能、產(chǎn)品質(zhì)量和加工特性做出全面真實(shí)的評(píng)價(jià)，從而為設(shè)計(jì)更改和產(chǎn)品的生產(chǎn)提供可靠依據(jù) 。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁(yè) 共 74 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì) 傳動(dòng)方案擬定 （ 1）工作條件：使用年限 10 年， 300 天為一年，工作為兩班工作制。 （ 2）電動(dòng)機(jī)功率選擇 式Ｐ d＝ＰＷ／η 總 (kw) 其中η 總 為電動(dòng)機(jī)至工作機(jī)之間傳動(dòng)裝置的總效率。 m） nⅠ ,nⅡ ,......為各軸的輸入轉(zhuǎn)矩 （ r/min） 圖 傳動(dòng)裝置簡(jiǎn)圖 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 14 頁(yè) 共 74 （ 1）各軸轉(zhuǎn)速 Ⅰ軸： nⅠ =nm/ i0 =940/=575(r/min） Ⅱ軸： nⅡ = n1w=250(r/min) （ 2）各軸功率 Ⅰ軸： PⅠ =Pdη 01 = =（ KW） Ⅱ軸： PⅡ = PⅠη 12 = =（ KW） （ 3）各軸轉(zhuǎn)矩 電動(dòng)機(jī)軸輸出轉(zhuǎn)矩為： Td=9550η 01= N m 運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)的計(jì)算數(shù)值見下表： 表 運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)表 轉(zhuǎn)速/r/min 功率 /KW 轉(zhuǎn)矩 / N二者材料的硬度差為 40HBS. 初選小齒輪的齒數(shù)為 Z1=22 則大齒輪的齒數(shù)為 Z2= 22=51。 接觸強(qiáng)度算得 的分度圓直徑 d1=，算出 小齒輪齒數(shù) Z1= d1/m=≈ 25 大齒輪齒數(shù) Z2= 25≈ 58 這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng)，既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。 m Ⅰ軸 575 Ⅱ軸 250 )( 1111 Rbm YYKF FaFatF ????NZRm TF t 33111 )( )( 2 ?????? ??????M P aRbm YYKT FaFaTF 7 1)( 111 ????? 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 20 頁(yè) 共 74 求作用在齒輪上的力 其齒輪受力如 圖所示： 圖 齒輪受力圖 輸出軸上的齒輪： 圓周力： mmRdd m 2 1)(1 4 5)(22 ???????? 徑向力： 壓力角 020?? NFF tr st an 222 ?? ?? 軸向力： NFF ta int a n 222 ?? ?? 其中由錐齒輪的受力分析可知 。為使所選的軸的最小直徑與聯(lián)軸器的孔徑相適應(yīng)，故需要同時(shí)選取聯(lián)軸器的型號(hào)。半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長(zhǎng)度 L=38mm。FNH1FNV1Ft2FNH2FNV2Fr2Ma=FaD/2= 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 23 頁(yè) 共 74 圖 輸入軸的彎扭圖 從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩圖和扭矩圖可以看出截面 C 是軸的危險(xiǎn)截面，現(xiàn)將危險(xiǎn)截面 C 處所受的支反力、彎矩、和扭矩列于表 。 箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （ 1） 窺視孔和窺視孔蓋在減速器上部可以看到傳動(dòng)零件嚙合處要開窺視孔，以便檢查齒面接觸斑點(diǎn)和赤側(cè)間隙，了解嚙合情況。 （ 3）油標(biāo)油標(biāo)用來檢查油面高度，以保證有正常的油量。 （ 5）啟蓋螺釘機(jī)蓋與機(jī)座結(jié)合面上常涂有水玻璃或密封膠，聯(lián)結(jié)后結(jié)合較緊，不易分開。 （ 6）定位銷 為了保證軸承座孔的安裝精度，在機(jī)蓋和機(jī)座用螺栓聯(lián)結(jié)后，M P aW aTMca )(46450)( 322 ?? ??????][)( 12 ????? ?? M P aW aTMca 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 25 頁(yè) 共 74 鏜孔之前裝上兩個(gè)定位銷，孔位置盡量遠(yuǎn)些。 （ 8）環(huán)首螺釘、吊環(huán)和吊鉤在機(jī)蓋上裝有環(huán)首螺釘或鑄出吊環(huán)或吊鉤，用以搬運(yùn)或拆卸機(jī)蓋。 （ 2）滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑 輸出軸處滾動(dòng)軸承： m in/750025030 rmmdn ???? 輸入軸處滾動(dòng)軸承： m in/1 4 4 0 05 7 525 rmmdn ???? 對(duì)照脂潤(rùn)滑和油潤(rùn)滑的 dn值界限表選擇其潤(rùn)滑方式為：脂潤(rùn)滑。 （ 2）單擊拉伸命令 ，選擇草繪平面，并進(jìn)入草繪界面，根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要求，選擇工具菜單欄上的草繪命令，繪制如圖所示的草繪圖形，完成單擊 確認(rèn)如圖 所示