高固有特性人字形齿轮设计【含CAD图纸优秀毕业课程设计论文】

购买设计文档后加 费领取图纸 购买设计文档后加 费领取图纸 本科毕业设计 (论文 ) 题目 ： 高固有特性人字形齿轮的设计 院 系： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 姓 名： 指导教师： 2016 年 3 月 购买设计文档后加 费领取图纸 I 摘要 本次设计的题目是高固有特性人字形齿轮的设计，人字齿轮 ,是一种圆柱齿轮，在某一部分齿宽上为右旋齿，而在另一部分齿宽上为左旋齿。人字齿轮具有承载能力高、传动平稳和轴向载荷小等优点，在重型机械的传动系统中有广泛的应用。人字齿轮需要将两侧分体制造，然后组合在一起；或虽将两侧做成一体，但在两侧有效齿面之间留下必要的越程槽；或者采用插齿加工方法，但也需要将两侧齿面断开。 本文研究了人字齿轮的渐开线和过渡曲线方程，并且利用有限元对人字齿轮无齿模型进行了模态分析，从而得到了人字齿轮的振型和固有频率， 最后讨论了腹板厚度和轮缘厚度对人字齿轮结构固有特性的影响，为后续的涉及到人字齿轮的选型计算和传动装置的设计提供了参考。 关键词 ： 人字齿轮，有限元，固有频率，特性 购买设计文档后加 费领取图纸 is of is a in a of in of of in of is be on of a of or in to of Is in of of of is so as to we of of of is to 购买设计文档后加 费领取图纸 录 摘要 . I . 引言 . 1 题的来源与研究的目的和 意义 . 1 课题研究的内容 . 2 字形齿轮的介绍 . 3 内外人字齿轮的发展概况 . 4 2 人 字形齿轮的三维建模 . 6 字形齿轮的基本参数的确定 . 11 字形齿轮三维参数化建模 . 12 件分析 . 15 建人字形齿轮 . 16 3 人 字形齿轮固有特性的分析 . 18 字形齿 轮固有特性的分析 . 19 字形齿轮模态分析 . 20 4 结构参数对人字形齿轮固有特性的影响 . 20 板厚度对固有特性的影响 . 21 缘厚度对固有特性的影响 . 23 5 人字形齿轮的有限元分析 . 24 结论 . 25 致谢 . 26 参 考文献 . 27 购买设计文档后加 费领取图纸 1 1 引言 课题的来源与研究的目的和意义 随着国内外机械工业的蓬勃发展，人字形齿轮以采用新材料、新技术、新工艺、新结构为基础 ,二十世纪以来，德国的 司将新开发的人字形齿轮的加工工艺应用到该公司的子公司 过几年的运行，为该公司创造了不菲的利润。继德国的 司之后，法国的 司也看到了新型人字形齿轮生产的利润所在，投入了相当大的人力和精力来开发研制人字形齿轮新型加工工艺，并且与二十世纪中期投入到了北美等市场。当前 ，全世界各大机械人厂商为了提高产品的竞争力，都大力进行人字形齿轮的研发工作。现在国外等著名人字形齿轮的品牌中，都有人字形齿轮的销售，人字形齿轮的应用越来越广泛。有一点值得注意的是，人字形齿轮的市场，由最初的日本，欧洲，已经渗透到北美市场，因此人字形齿轮是当今生产齿轮的机械公司的主打产品已经成为主要趋势。西方资本主义国家有巨大的人字形齿轮销售市场，其工业的发展也变得越来越快捷和发达，这都和人字形齿轮的发展从而带动机械工业的发展离不开关系。 由于机械工程的知识总量已经远远超越个人掌握所有，一些专业知识是必不可少 的。但是过度的专业知识分割，使视野狭隘，可以多多参加技术交流，和参加科研项目，缩小范围，提升新技术的进步和整个块的技术，提高外部条件变化的适应能力。封闭的专业知识的太狭隘，考虑的问题太特殊，在工作中协调困难，不利于自我提高。因此，自上世纪第二十年代末，出现了一体化的趋势。人们越来越重视基础理论，拓宽领域，对专业合并的分化。机械工程可以增加产量，提高劳动生产率，提高生产的经济效益为目标，并研制和发展新的机械产品。在未来，新产品的开发，降低资源消耗，清洁的可再生能源，成本的控制，减少或消除环境污染作为一个超级经 济目标和任务。机器能完成人的手和脚，耳朵和眼睛等等器官完全不能直接完成的任务。现代机械工程机械和机械设备创造出更多、更精美的越来越复杂，很多幻想成为过去的现实。人类现在能成为天空的上游和宇宙，潜入海洋，数十亿光年的密切观察，细胞和分子。电子计算机硬件和软件，人类的新兴科学已经开始加强，并部分代替人脑科学，这是人工智能。这一新的发展已经显示出巨大的作用，但在未来几年还将继续创造出不可思议的奇迹。人类智慧的增长并没有减少手的效果，而是要求越来越精致，手工制作，更复杂的工作，从而促进手功能。又一方面实践促进人脑智 力。在人类的进化过程中，以及在每个人的成长过程中，大脑和手是互相促进和平行进化。 购买设计文档后加 费领取图纸 2 大脑和手之间的人工智能和机械工程的近似关系，唯一不同的是，智能硬件还需要使用机械制造。在过去，各种机械离不开人类的操作和控制，反应速度和运算精度的进化是非常缓慢的大脑和神经系统，人工智能将消除这种限制。相互促进，计算机科学和机械工程进展之间的平行，将在更高层次的新一轮发展的开始使机械工程。在第十九世纪，机械工程的知识总量仍然是有限的，大学在欧洲，它与一般的土木工程是一门综合性的学科，称为土木工程，下半场的第十九个世纪成为一门 独立的学科。在第二十世纪，随着机械工程和知识增长的发展开始分解，机械工程专业，有分支机构。在第二十世纪中期趋势分解，在时间之前和之后的第二次世界大战结束时达到的峰值。由于机械工程的知识总量已经远远从个人掌握所有，一些专业是必不可少的。但是过度的专业知识使分割，视野狭隘，可以查看和统筹大局和全球工程和技术交流，缩小范围，新技术的进步和整个块的技术，外部条件变化的适应能力差。封闭的专业知识的专家太狭，考虑的问题太特殊，在工作协调困难，不利于自我提高。因此，自上世纪第二十年代末，出现了一体化的趋势。人们越来越重视 基础理论，拓宽领域，对专业合并的分化。综合职业分化和发展知识循环过程的合成，是合理和必要的。从不同的专业和专业知识的专家，也有综合的知识了解不够，看看其他学科和项目作为一个整体，从而形成一种相互强烈的集体工作。综合和专业水平。有机械工程全面而专业的冲突；在综合性工程技术也有综合和专业问题。在人类所有的知识，包括社会科学，自然科学和工程技术，有一个更高的水平，更广泛的综合性和专业性的问题。 目前国外各个西方资本主义国家都在加大力度研发新型的拥有高固有特性的人字形齿轮。我国从上世纪九十年代开始生产人字形 齿轮，于 1980 年自行设计制造出不同功能和形式的人字形齿轮之后，为了适应人字形齿轮加工厂家的需要， 1999 年又制造了不同固有特性的人字形齿轮。并且经过实际应用，该人字形齿轮已经得到了越来越广泛的应用，逐渐迈出了国内的市场，在西方资本主义国家已经得到了普遍的应用和发展。 本课题研究的内容 本论文主要是对人字形齿轮进行设计。在设计过程中，了解人字形齿轮的固有频率和振型等。 本次设计的题目是人字形齿轮的设计，其主要研究内容如下： 购买设计文档后加 费领取图纸 3 （ 1）到图书馆里查阅大量相关知识的资料，搜集各类人字形齿轮的结 构及其固有特性，挑选相关内容记录并学习。 （ 2）分析人字形齿轮的结构与参数 （ 3）对人字形齿轮进行三维 模 （ 4）利用有限元对人字齿轮无齿模型进行了模态分析 （ 5）人字形齿轮的三维图的绘制、 件图的绘制。 （ 6）说明书的编写和整理 人字形齿轮的介绍 人字齿轮 ,是一种圆柱齿轮，在某一部分齿宽上为右旋齿，而在另一部分齿宽上为左旋齿。人字齿轮的英语为 字齿轮具有承载能力高、传动平稳和轴向载荷小等优点，在重型机械的 传动系统中有广泛的应用。人字齿轮需要将两侧分体制造，然后组合在一起；或虽将两侧做成一体，但在两侧有效齿面之间留下必要的越程槽；或者采用插齿加工方法，但也需要将两侧齿面断开。 平行两轴的传动 ,有直齿轮、斜齿轮、人字齿轮三种。直齿轮、斜齿轮是我们日常能够看到的 ,人字齿轮在大的动力机器上才用到。传动力量小的机器用直齿轮 ,力量较大一点的就改用斜齿轮。因为直齿轮在传动时 ,力量是从第一个牙突然传到第二个牙的。 直齿轮在高速运行时会产生振动及噪音，斜齿轮比直齿轮承载能力大，运转平稳、噪音小，适用于高速、重 载传动，但缺点是会产生较大的轴向力，需要安装推力轴承，使结构复杂化。而人字齿轮相当于两个斜齿轮合并而成，不但具备斜齿轮的优点，还克服了斜齿轮会产生较大的轴向力这一缺点。主要应用于大型、重载设备。但是加工较困难，造价高！ 高固有特性人字齿轮相当于两个斜齿轮合并而成不但具备斜齿轮的优点还克服了斜齿轮会产生较大的轴向力这一缺点，主要应用于大型、重载设备。 国内外人字齿轮的发展概况 新中国成立后，当时基本上没有生产齿轮的能力，经过第一、二个五年计划的努力。我国初步形成了一套包括汽车、机床、重型机械。电站设 备、石油化工与通用设备等机械制造能力，同时，齿轮制造业也随着发展起来。到 1963 年左右。我国不仅已能成批生产齿轮，而且一般规格的齿轮机床与刀具、量仪也能由国内制造。后来， 购买设计文档后加 费领取图纸 4 国家新建和改建了一大批齿轮与齿轮箱的专业厂与专业车间。进一步扩大了齿轮配套的生产能力，到 70 年代末，已基本上形成我国齿轮制造工业的完整体系。 圆柱齿轮在机械产品中应用广泛，品种、规格繁多。长期来，在齿形上以采用渐开线齿形为主。在一般设计中较多采用中碳钢（或中碳合金钢）调质处理的齿轮（也称软齿面齿轮）。很少采用低碳合金钢经渗碳淬火处理的齿轮（ 也称硬齿面齿轮）。在工艺上，对于如汽车、拖拉机工业中大批生产的中、小模数齿轮；通常采用滚（插）齿一剃（挤）齿一热处理一珩齿工艺。对于冶金、矿山、起重运输、通用等机械中所用的大、中模数齿轮，一般采 用调质处理一滚齿工艺；对于电站、石油化工、冶金、船用等机械中的高速齿轮多数采用调质处理 近年来，滚齿 1959 年以后针对当时渐开线齿轮齿面接触强度差、工艺水平低、质量差的薄弱环节，我国从苏联引进了圆弧齿轮的科技成果，利用轴向共轭代替端面共轭和利用圆弧 齿轮齿面接触强度比较高的特点，代替了不少机械产品的渐开线齿轮， 70 年代末，在一系列高速与低速传动中成功地应用单圆弧齿轮的基础上，采用双圆弧齿轮代替单圆弧齿轮，使抗弯强度提套 40%60%,工艺上改善了，应用范围获得了进一步扩大。在斜齿轮的基础上，为了消除对轴的横向力，发明了人字形齿轮。 国际上，动力传动齿轮装置正沿着小型化、高速化、标准化方向发展特殊齿轮的应用、行星齿轮装置的发展、低振动、低噪声齿轮装置的研制是齿轮设计方面的一些特点为达到齿轮装置小型化目的，可以提高现有渐开线齿轮的承载能力。各国 普遍采用硬齿面技术，提高硬度以缩小装置的尺寸；也可应用以圆弧齿轮为代表的特殊齿形。英法合作研制的舰载直升飞机主传动系统采用圆弧齿轮后，使减速器高度大为降低。随着船舶动力由中速柴油机代替的趋势，在大型船上采用大功率行星齿轮装置确有成效；现在冶金、矿山、水泥一轧机等大型传动装置中，行星齿轮以其体积小、同轴性好、效率高的优点而应用愈来愈多。 由于机械设备向大型化发展，齿轮的工作参数提高了。如高速齿轮的传递功率为1000轮圆周速度为 20200m s（ 1200 设计工作寿命为 5时；轧钢机齿轮的圆周速度已由每秒几米提高到 20m/s，甚至 3050m/s。传递扭矩达 要求使用寿命在 20 30 年以上。这些齿轮的精度等级一般在 3 8 级。并对平稳性与噪声有较高的要求。对于高速齿轮在圆周速度超 购买设计文档后加 费领取图纸 5 过 100m s 时，由于运转中的热效应 要求在设计时对产生的热变形进行修正，使齿轮在工作时达到一个正常的啮合状态。特别对于高速重载齿轮，更要加以考虑。其次，对于低速重载齿轮 如轧钢机齿轮，由于采用硬齿面齿轮后，其齿面负荷系数增加而引起的整个齿 轮装置系统的弹性变形变得突出了，所以有时也要对反映到齿面的弹性变形进行修正。这种对齿轮轮齿修形的技术是目前大功率、高速、重载齿轮制造的一个重要趋势。在齿轮制造技术方面重点是进行硬齿面加工，尤其是大型硬齿面齿轮的切切与热处理工艺的发展，如超硬切齿、滚内齿、成形磨齿、大模数齿轮珩齿、弹性砂轮抛光、轮齿修。 为了提高动力传动齿轮的使用寿命并减小其尺寸，除从材料，热处理及结构等方面改进外，圆弧齿形的齿轮获得了发展。 1907 年，英国人 早发表了圆弧齿形。 1926 年，瑞土人 得法面圆弧齿形斜齿轮的专利权。 1955 年，苏联的 M L 成了圆弧齿形齿轮的实用研究并获得列宁勋章。 1970 年，英国 司工程师 R 得了双圆弧齿轮的美国专利。这种齿轮现已日益为人们所重视，在生产中发挥了显著效益。斜齿轮有对轴上的横向力，为消除这种力，把一个齿轮作成对称方向的相反的斜齿轮，来消除这种力，看上去像个人字，简称人字形齿轮。 2 人 字形齿轮的三维建模 字形齿轮的基本参数的确定 本次设计的人字形齿轮的结构参数具体如下表 示： 表 字齿轮的具体参数 购买设计文档后加 费领取图纸 6 购买设计文档后加 费领取图纸 7 字形齿轮三维参数化建模 零件分析 人字形齿轮是斜齿轮的一种变形，其创建步骤有相通之处。本例将以上面设计斜齿轮的设计参数为例，分析人字形齿轮的建模过程。人字形齿轮外形如图 3示，由轮齿、键槽、轴孔、腹板等基本结构特征组成。 人字形齿轮建模的具体操作步骤如下： （ 1）添加齿轮设计参数。 （ 2）添加齿轮关系式。 （ 3）创建渐开线方程。 （ 4）创建齿廓型面特征。 （ 5）创建轮齿镜像特征。 （ 6）创建阵列特征。 键槽 轮齿 腹板 购买设计文档后加 费领取图纸 8 创建人字形齿轮 （ 1）新建文件。单击工具栏 （新建）工具，或单击菜单“文件” “ 新建”。 “名称”栏中输入 择公制模板 （ 2）添加尺寸参数。添加过程同斜齿轮，选择菜单栏“工具” “ 参数”命令，单击 （添加）按钮，依次添加齿轮设计参数及初值， 数 )值 3， 根高系数）， 顶高系数）， 力角）值 20 度， 旋角）， 顶高系数）， 隙系数）， X（变位修正系数）， B（齿宽）值 60Z（齿数）值 20 个。添加完毕单击“确定”。 （ 3）创建齿轮参考圆关系式。创建过程和斜齿轮相同。 （ 4）创建齿轮齿廓渐开线特征 。创建过程和斜齿轮相同。 （ 5）创建镜像基准平面特征。创建过程和斜齿轮相同。 （ 6）创建镜像渐开线特征。创建过程和斜齿轮相同。 （ 7）创建第一个齿廓截面特征。创建过程和斜齿轮相同。 1）草绘齿廓截面。 2）平移，旋转齿廓截面。 3）添加关系式。 （ 8）创建第一个齿廓特征。创建过程和斜齿轮相同。 1）创建扫描轨迹投影曲面。 2）草绘扫描轨迹。 3）创建投影曲线。 4）创建扫描混合特征。 （ 9）创建镜像轮齿特征。 1）创建镜像基准平面。单击工具栏的 （基准平面）工具，或选择“插入” “ 模型基准” “ 平面” 。出现如图 3示对话框，在工作区选择 准平面，“偏距”输入 b（齿宽），单击“确定”，创建基准平面 成齿廓镜像基准平面。完毕注意添加关系式，平移距离等于 b，如图 3示。 购买设计文档后加 费领取图纸 9 关系式 购买设计文档后加 费领取图纸 10 2）在模型树中或在工作区首先单击左健选中已创建的扫描混合齿廓特征，此时特征工具栏的 （镜像）命令被激活，或选择“编辑” “ 镜像”命令，选择 准平面为镜像平面参照，单击 确认，完成齿廓特征镜像如图 3示。 （ 10）创建其余齿廓特征。创建过程和斜齿轮的创建过程相同。 1）第一个人字齿组建局部组。在模型树中按住 ，选择创建的镜像齿廓特征和扫描混合的齿廓特征，单击右键，选择快捷菜单当中的“组”，形成第一个人字齿的局部组。 2）选择菜单栏“编辑 /特征操作”，单击其中的“复制”选项，在“复制特征”菜单中依次选取“移动”“选取”“独立”选项，然后单击“完成”选项。选取上一步创建的第一个齿的局部组作为复制对象，单击“完成”选项。在随后弹出的“移动特征”菜单中选取“旋转”选 项，在“选取方向”菜单中选取“平面 /边 /轴线”选项，选取齿轮基准轴为复制参照。此时红色箭头指示特征移动方向，选择完毕，进行复制移动方向选择，单击“正向”确认移动方向。系统提示输入旋转角度，输入关系式360/Z，完毕单击 确认，单击“完成移动”。 依次选择“确定”（选取） /“完成”（组） /“确定”，如图 3示。注意添加复制旋转角度关系，选择菜单栏“工具” “ 关系”命令，添加旋转角度 360/z，创建过程和斜齿轮创建过程相同如图 3 3）单击上步复制齿廓特征，阵列命令被激活，阵列方式选择“尺寸”阵列，添加尺寸参照，选择上步复制旋转角度作为参考尺寸，阵列个数 19 个， 完毕单击 确认按钮或鼠标中键形成阵列特征，如图 3示。注意添加尺寸关系，如图 3 （ 11）创建主体特征。 单击工具栏 （拉伸）命令，拉伸类型“实体”方式，选择 面作为草绘平面，单击“草绘”，进入二维草绘模式。首先选择菜单栏“草绘 /边 /使用”或单击“草绘器”工具栏上的 （使用边）命令，边选用类型，首先选择“环”，单击齿根圆，草绘完成，单击 确认，如图 3示。指定拉伸深度为 b（齿宽）， 完毕单击 确认按钮或鼠标中键形成齿轮主体特征，注意添加深度关系式，选择“工具 /关系” 命令，添加拉伸尺寸关系，如图 3示。 购买设计文档后加 费领取图纸 11 图 3齿廓镜像特征创建 图 3齿廓复制特征创建 图 3“关系” 对话框 图 3列特征 图 3关系”对话框 图 3拉伸特征创建 关系式 关系式 购买设计文档后加 费领取图纸 12 关系式 购买设计文档后加 费领取图纸 13 （ 12）创建齿轮修饰特征。 读者可以根据实际情况自行设计其修饰特征和进行简单渲染。创建人字型齿轮如下图所示。 购买设计文档后加 费领取图纸 14 3 人 字形齿轮固有特性的分析 字形齿轮固有特性的分析 为了提高计算速度，在进 行有限元建模时，将轮齿和花键部分简化为具有分度圆直径的圆柱体，这样不断提高了软件分析系统的运行效率，也不影响固有振动特性的计算结构，在这里，采用有限元分析软件对人字形齿轮进行无齿有限元模型的建模，其图形如下图所示： 有限元网络划分采用网络工具 各面进行有限元应力应变分析。腹板为中间受力最薄弱部分，同样也是影响了计算机有限元分析的速度和质量，所以必须要进行网格化处理。分析过程如下： 购买设计文档后加 费领取图纸 15 购买设计文档后加 费领取图纸 16 购买设计文档后加 费领取图纸 17 字形齿轮模态分析 以内孔 30 的人字形齿轮为例进行该齿轮的模态分析，会得到它的应力应变分析云图和固有振动频率基本相同，都属于一节径扭转振动。 4 结构参数对人字形齿轮固有特性的影响 板厚度对固有特性的影响 对于此次的利用有限元对人字形齿轮进行分析，我们将所建立的模型从40始，以 10步长，增加到 90多得到的六个模型进行模态分析，提取前 10 阶固有频率，具体如下表所示： 表中六个模型均为前四阶是 一节经扭转，第五到第八阶是一节经弯曲，第 九阶与十阶是伞形。由图可知，直腹板齿轮模型的前 十阶固有频率都随着腹板厚度的增加而增长，且频率的增加值几乎正比于腹板厚度的 增加值。 缘厚度对固有特性的影响 将所建立的模型从 50始，以 5步长，增加到 75多得到的六个模型进行模态分析，提取前 10 阶固有频率，具体如下表所示： 购买设计文档后加 费领取图纸 18 轮缘厚度对直腹板人字形齿轮的固有振动频率的影响不是很规律，呈现上升与下降等交错不等的态势。不管怎样，通过以上的数据就可以看出来，轮缘厚度对直腹板齿轮的固有频率的影响相对来说 较小。 5 人字形齿轮的有限元分析 根据以上分析，现对人字形齿轮进行有限元分析，其具体应力应变云图如下图所示： 购买设计文档后加 费领取图纸 19 购买设计文档后加 费领取图纸 20 通过以上分析可知，改人字形齿轮的腹板以及 内孔尺寸合理，能够满足常规的设计要求。 购买设计文档后加 费领取图纸 21 总 结 在最近的一段时间的毕业设计，使我们充分把握的设计方法和步骤，不仅复习所学的知识，而且还获得新的经验与启示，在各种软件的使用找到的资料或图纸设计，会遇到不清楚的作业，老师和学生都能给予及时的指导，确保设计进度，本文所设计的 是高固有特性人字形齿轮的设计，通过初期的定题，查资料和开始正式做毕设，让我系统地了解到了所学知识的重要性，从而让我更加深刻地体会到做一门学问不易，需要不断钻研，不断进取才可能做的好，总之，本设计完成了老师和同学的帮助下，在大学研究的最感谢帮助过我的老师和同学，是大家的帮助才使我的论文得以通过。 购买设计文档后加 费领取图纸 22 致 谢 在导师 授的大力帮助与支持下，我的毕业论文得以完成。老师对于事业的热情，学术上的严谨以及细节里的严格让本人受益匪浅。在相关的实际问题的讨论中， 是孜孜不倦的 引导着我，帮助着我。每周一次的进度检查和问题讨论，促使我在正确的道路上大步前进，不仅工作的按时保质保量的完成得到了保证，我本人的研究能力，工作的态度也得到了充分的锻炼和提高。这些宝贵的品质影响着我，毫无疑问，它们对我以后的工作，学习，生活都会起到深远而长久的良好影响。也能为人生打下一个夯实地基础！在此致以李剑锋教授我的深切感激和真挚感谢！ 在具体的研究设计过程中， 师， 师， 学， 学， 学也在平日的学习与生活中提供了无私与周到的帮助，充分用他们的工作热情感染着我，鼓 励着我，让我少走了很多弯路，再次一并致谢！ 另外也感谢我的父母，朋友和同学们的帮助。在做设计感觉受挫，枯燥与迷茫时，是他们在悉心的为我释放压力，