【正文】 齒輪減速器的運(yùn)動(dòng)仿真 ....................... 51 5 有限元分析 ......................................... 57 Pro/Mechanic Structure 有限元分析 ................ 57 圓錐齒輪的有限元分析 ....................... 58 圓錐齒輪的有限元分析結(jié)果 ................... 65 總 結(jié) ............................................... 66 致 謝 ............................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 在傳動(dòng)裝置中，國(guó)內(nèi)外大多采用的是齒輪傳動(dòng)及其變形，同時(shí)擺線針輪減速器等相繼研制成功并推廣使用。 要 真正做到這一點(diǎn)，單憑二維設(shè)計(jì)是不夠的，雖傳統(tǒng)制圖方法是通過二維視圖描述三維實(shí)體，但 它 做不到進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析和數(shù)控加工，不能真正做到生產(chǎn)的自動(dòng)化， 甚至 二維視圖描述 會(huì) 出現(xiàn)二意性和理解錯(cuò)誤， 于是 必須找到更先進(jìn)合理的三維設(shè)計(jì)手段，使 CAD、 CAM、 CAE 以及 PDM容為一體。 概述 減速器是指原動(dòng)機(jī)與工作機(jī)之間獨(dú)立的閉式傳動(dòng)裝置，用來降低轉(zhuǎn) 速并相應(yīng)的增大轉(zhuǎn)矩，它是機(jī)械系統(tǒng)的重要組成部分，并直接影響機(jī)械系統(tǒng)的性能。因此，在機(jī)械系統(tǒng)中，最主要的是傳動(dòng)部分，其傳動(dòng)裝 置以減速器為代表。 （ 3）承載能力 與效率相似，承載能力亦是傳動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)，它反映裝置在額定條件下，裝置單位重量所傳遞扭矩的多少。 就目前的工作過程應(yīng)用中的減速器來分析，作為機(jī)械系統(tǒng)中起著重要作用的傳動(dòng)部件來，減速器的局限性也非常明顯。 一級(jí)圓錐齒輪減速器虛擬裝配及仿真設(shè)計(jì) 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁 共 74 當(dāng)前齒輪減速器普遍存在著體積大、重量大，或者傳動(dòng)比大而機(jī)械效率過低的問題 。一方面，控制工程、系統(tǒng)工程的發(fā)展，促進(jìn)了仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用；另一方面，計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，又為仿真技術(shù)的發(fā)展提供了強(qiáng)大 的支撐。到 80 年代中后期，開始出現(xiàn)了一體化仿真環(huán)境。虛擬產(chǎn)品開發(fā) (VPD—— Virtual Product Development)首先源于并行工程 （ CE） 思想。 DIS 實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將不同地點(diǎn)的仿真設(shè)備連接起來，通過實(shí)體間的數(shù)據(jù)交換構(gòu)成時(shí)空到合成仿真環(huán)境的一種先進(jìn)仿真技術(shù)。 三維 CAD 造型技術(shù) 也稱建模 技術(shù) ，它是 CAD 技術(shù) 的核心。 三維 CAD/CAE 符合 設(shè)計(jì) 者的思維習(xí)慣，可以充分發(fā)揮 設(shè)計(jì) 者創(chuàng)造力和想象力。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。但是，目前眾多的設(shè)計(jì)單位將 “CAD” 與 “CAE 分析 ”截然分開，由不同的人或部門來完 成設(shè)計(jì)與分析工作，存在工作和數(shù)據(jù)交接、結(jié)果等待和評(píng)判等過程，造成了整個(gè)設(shè)計(jì)流程的不暢通 。 一級(jí)圓錐齒輪減速器虛擬裝配及仿真設(shè)計(jì) 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁 共 74 優(yōu)化作為一種數(shù)學(xué)方法，通常是利用對(duì)解析函數(shù)求極值的方法來達(dá)到尋求最優(yōu)值的目的。 （ 4） CAD/CAE 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)力求高效率、高質(zhì)量、低成本，這對(duì) CAE 分析工具也提出了更高的要求 ： 有足夠技術(shù)手段來真實(shí)地模擬產(chǎn)品工作行為。 主要有三個(gè)方面的 應(yīng)用： 市場(chǎng)調(diào)研；技術(shù)設(shè)計(jì)，包括各種方案的計(jì)算機(jī)效果模擬和分析仿真論證 ； 評(píng)估、準(zhǔn)備相關(guān)生產(chǎn)設(shè)施 。這對(duì)于提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低成本和增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力起了巨大的作用。 取η １ =， η ２＝ ， η ３＝ ， 則： η 總 = =. 所以：電機(jī)所需的工作功率： Ｐ d＝Ｐ Ｗ ／η 總 ＝ (KW) （ 3）確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 nd＝ ixnw＝ ＝ 575r/min 根據(jù)所得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速查取手冊(cè)選擇電動(dòng)機(jī)型號(hào)為： Y112M— 6，其同步轉(zhuǎn)速為 1000r/min，滿載轉(zhuǎn)速為 940 r/min，額定功率 。 i1 mm （ 3） 齒寬系數(shù) R? 取 R? = （ 4）材料彈性影響系數(shù) 查表得 ZE= MPa （ 5）查表得 小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 MPaH 6001lim ?］［ σ 大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 MPaH 5502lim ?］［ σ （ 6）計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N1=60n1 j Lh=60 575 1 (2 8 300 15) =2. 484 109 N2= 109 （ 7）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. 計(jì)算 （ 1） 試算小齒輪分度圓直徑 d1， 代入 [ Hσ ]中較小的值 d1 ≥ = （ 2）計(jì)算小齒輪的圓周速度 （ 3）計(jì)算齒寬 b 22)(3 ??????????? ］［ σ HEZuRR kTM P aSK H NHH 55022lim1 ?? σ］［ σM P aSK H NHH 55 211lim1 ?? σ］［ σ一級(jí)圓錐齒輪減速器虛擬裝配及仿真設(shè)計(jì) 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 16 頁 共 74 Rt=d1 12?u /2= R? =b/R 得 b= R? Rt = mm （ 4） 計(jì)算 mt mt= d1/z1=（ 5）計(jì)算載荷系數(shù) 根據(jù)小齒輪的圓 周速度 V=， 7 級(jí)精度，查圖得 動(dòng)載荷系數(shù) Kv= 齒間載荷分配系數(shù) KHa=KFa=1 使用系數(shù) KN= 齒向載荷分布系數(shù) KH? = KF? = KH? be 查表得 KH ? be=， 則 KH? = KF? = = 齒形系數(shù)和應(yīng)力校正系數(shù) YFa YSa 由于當(dāng)量齒數(shù) Zv1=Z1/cos 1σ =24 Zv2= Z2/cos(90 1σ )=129 查表得 YFa1= YSa1= YFa2= YSa2= 故載荷系數(shù) K=KAKv KHa KH? = （ 6）按實(shí)際載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑 d1= d1 3 1/ZK = （ 7）計(jì)算模數(shù) m= d1/Z1= 按齒跟彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由設(shè)計(jì)計(jì)算公式 m≥ 確定公式內(nèi)各參數(shù)值 （ 1）由圖查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 1FE? = MPa600 大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 2FE? = MPa380 （ 2）由圖差得彎曲疲勞壽命系數(shù) ???????????? ］［ σ FSaFa YYuZRR kT 1)( 43 22121一級(jí)圓錐齒輪減速器虛擬裝配及仿真設(shè)計(jì) 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 17 頁 共 74 ］［ σFSaFaYYKFN1= KFN2= （ 3）取彎曲疲勞安全系數(shù) S= 得 [ Fσ ]1 =KFN1 1FE? /S= [ Fσ ]2 =KFN2 2FE? /S= （ 4）計(jì)算載荷系數(shù) K=KAKv KFaKF? = （ 5）齒形系數(shù) YFa1= YFa2= YSa1= YS a2= （ 6）計(jì)算大、小輪的 并加以比較 設(shè)計(jì)計(jì)算 m≥ 對(duì)比計(jì)算 結(jié)果，得齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù) m大于齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的模數(shù)。查表得 A0=110： Nd TF mt 3222 ?????NdTF mt 11862 111 ??A AFrFtFaFNV2 FNH2FNV139。 根據(jù)結(jié)構(gòu)要求查表選擇： 18 的軸鍵： b h L=6 6 28 22 的軸鍵： b h L=6 6 22 24 的軸鍵： b h L=8 7 28 32 的軸鍵： b h L=10 8 22 （ 3） 確定軸上的圓角和倒角尺寸 查表選擇，取軸端倒角為 1 45，軸肩處的圓角半徑 裝配圖 求軸上的載荷 根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖 ， 做出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖，并且根據(jù)軸 的計(jì)算簡(jiǎn)圖做出軸的彎矩圖和扭矩圖，如圖 和 所示。窺視孔上有蓋板，以防止污物進(jìn)入機(jī)體內(nèi)和潤(rùn)滑油飛濺出來。在軸承端蓋上也可以安裝啟蓋螺釘，便于拆卸端蓋。密封件多為標(biāo)準(zhǔn)件，其密封效果相差很大，應(yīng)根據(jù)具體情況選用。拉伸后生成的三維模型，如圖 所 示。 最終輸入軸的三維模型就已建成。 此錐齒輪三維建模的一般步驟如下： （ 1）從齒輪零件庫(kù)中調(diào)取錐齒輪模型，將其打開。如下所示，為錐齒輪的關(guān)系式。單擊參數(shù)，出現(xiàn)如圖 所示的參數(shù)對(duì)話框： 圖 工具對(duì)話框 一級(jí)圓錐齒輪減速器虛擬裝配及仿真設(shè)計(jì) 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 31 頁 共 74 參數(shù)對(duì)話框 （ 3）根據(jù)所設(shè)計(jì)的齒輪尺寸參數(shù)，將上述參數(shù)對(duì)話框中的用戶定義的項(xiàng)目改成自己所設(shè)計(jì)的尺寸參數(shù)。 圖 軸的三維模型 輸出軸的三維建模 同輸入軸的建模方式一樣，輸出軸的最終三維模型，如圖 所示。選擇 RIGHT 平面作為參照，根據(jù)結(jié)構(gòu)要求選擇參照平面的偏移距離為 ，如圖 所示。 （ 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。 （ 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一級(jí)圓錐齒輪減速器虛擬裝配及仿真設(shè)計(jì) 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 25 頁 共 74 鏜孔之前裝上兩個(gè)定位銷，孔位置盡量遠(yuǎn)些。 （ 3）油標(biāo)油標(biāo)用來檢查油面高度，以保證有正常的油量。FNH1FNV1Ft2FNH2FNV2Fr2Ma=FaD/2=一級(jí)圓錐齒輪減速器虛擬裝配及仿真設(shè)計(jì) 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 23 頁 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 。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)。 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 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 m） nⅠ ,nⅡ ,......為各軸的輸入轉(zhuǎn)矩 （ r/min） 圖 傳動(dòng)裝置簡(jiǎn)圖 一級(jí)圓錐齒輪減速器虛擬裝配及仿真設(shè)計(jì) 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 14 頁 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=9550 一級(jí)圓錐齒輪減速器虛擬裝配及仿真設(shè)計(jì) 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁 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。 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 )。 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。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。 “ 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。然而，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力不但需要提高產(chǎn)品的性