-P-基于PROE进行二级减速器的设计及仿真
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天津大学毕 业 设 计中文题目: 基于 PRO/E 进行二级减速器的设计及仿真 英文题目: Based on PRO / E to design and simulation of the secondary reducer 学生姓名 系 别 专业班级 指导教师 成绩评定 2010 年 3 月1目 录1 前言.11.1 减速器的研究发展现状.11.2 参数化设计必要性与可能性分析.11.3 参数化技术的研究进展.21.4 本论文的研究内容.22 减速器参数化设计及仿真的总体方案和技术路线.22.1 减速器参数化设计及仿真的总体方案.22.1.1 减速器的结构 基于 PRO/E 的参数原理.32.1.3 基于 PRO/E 的模拟仿真.32.1.4 减速器参数化设计及仿真的总体方案.42.2 减速器参数化设计及仿真的技术路线.53 减速器齿轮结构的设计.53.1 高速级齿轮设计.53.1.1 齿轮类型、精度等级、材料及齿数的确定.53.1.2 齿面接触强度设计计算.53.1.3 齿根弯曲强度校核计算.83.1.4 齿轮模数、齿数设计计算.93.1.5 齿轮几何尺寸计算.93.2 低速级齿轮设计.103.2.1 类型、精度等级、材料及齿数的确定.103.2.2 齿面接触强度设计计算.103.2.3 齿根弯曲强度校核计算.123.2.4 齿轮模数、齿数设计计算.133.2.5 齿轮几何尺寸计算.144 减速器 PRO/E 参数化设计.144.1 减速器零部件模型库的建立.144.2 齿轮的参数化造型.155 减速器的装配及其运动仿真.175.1 减速器装配关系模型库的建立.175.2 装配的关键技术.185.3 装配过程的实现.185.4 减速器运动仿真.195.4.1 减速器的运动分析.195.4.2 运动仿真的实现.206 结论.23参考文献.24致谢.25附录.26附录 1：外文原文.26附录 2：外文中文翻译.323摘 要减速器的传统设计效率低而且容易出错，减速器参数化设计是提高设计精度及效率的有效途径。在讨论减速器的发展现状及参数化设计的研究进展基础上，制定了减速器参数化设计及仿真的总体方案和技术路线，运用机械设计等知识完成减速器齿轮、轴等结构的设计同时，利用 PRO/E 的参数化建模功能，建立圆柱直齿轮的三维参数化模型。最后应用 PRO/E 的运动仿真功能，对减速器进行虚拟的装配和运动仿真。应用 PRO/E 的参数化设计和运动仿真功能，使得减速器设计直观、快捷、高效。该技术在机械工程、化工设备、汽车制造等很多领域有很强的实用性和推广价值。4关键词：减速器；参数化；运动仿真5ABSTRACTThe traditional design of reducer is not only inefficient, but also error-prone. In order to enhance the efficiency of reducer, the typical parts template library and other methods to design parameters reducer are established. Reducer in the discussion of this paper Status and Progress of parametric design based research, having developed a parameterization design and simulation of the overall program and technical Luxian, Yunyongjixie gear reducer design Deng Zhi Shi completed the design of such structures Tong Shi, use of PRO / E of parametric modeling, and establishing the three dimensional spur gear model parameters. Final, by using PRO / E s motion simulation capabilities, reducers virtual assembly and motion simulation are carried out. Thanks to the application of PRO / Es parameters design and motion simulation capabilities，the design of reducer is very intuitive, fast and efficient. This technology has a strong practical and promotional value in mechanical engineering, chemical equipment, automobile manufacturing and so onKey words：Reducer；Parameter；Motion Simulation6基于 PRO/E 进行二级减速器的设计及仿真1 前言1.1 减速器的研究发展现状减速器是一种由封闭在刚性壳体内的齿轮传动、蜗杆传动或齿轮蜗杆传动所组成的独立部件，常用在动力机与工作机之间作为减速的传动装置；在少数场合下也用作增速的传动装置，这时就称为增速器。减速器由于结构紧凑、效率较高、传递运动准确可靠、使用维护简单，并可成批生产，故在现代机械中应用很广。二级齿轮减速器是机械传动中应用较广泛的一种传动机构，可以用于传递任意两轴之间的运动和动力，是一个很重要的传动零件。运用 PRO/E 软件，设计人员可以在真实齿轮传动装置建造前建立整个机械系统的虚拟样机，并通过各种仿真分析对其进行工作性能预估和结构优化。PRO/E 是现今使用率最高的三维设计软件，涉及到了 CAD、CAE 以及CAM 等领域。CAE 软件的应用是工业设计中用来提升设计水平，降低成本的关键技术,跻身于 CAE 软件前列的 Pro/mechanica 允许工程师在创建实物物理模型之前，测试和优化设计的结构、动力、热以及耐久性,冲击等方面的性能。1.2 参数化设计必要性与可能性分析由于减速器结构复杂，包含的零部件很多，并且在减速器的传统设计中，原有的几何模型是设计者利用固定的尺寸值得到的，零件的结构形状不能灵活的改变，一旦零件尺寸发生变化，必须重新绘制其对应的几何模型，以至于工程师们不得不花费大量的时间进行几乎相同的公式计算，这样在减速器的相似性设计上消耗了大量的人力物力。参数化设计的理念可以很方便地解决这一难题。利用参数化设计技术进行产品设计可以十分容易地修改图形，并能将以往某些产品设计的经验和知识继承下来。设计者可以把时间、经历集中于更具有创造性的概念和整体设计中去，这样就可以避免手工制造的繁琐，提高了造型设计的精度和设计的效率。参数化设计技术是实现快速产品设计的常用有效手段，主要用于标准化、系列化和通用化程度比较高的定型产品。减速器的设计，重复性劳动很多，但其外形尺寸和结构形式则其本一致，不会有太大的变化，便于进行参数化设计。在这种背景下，本论文以二级圆柱齿轮减速器为例，开展了基于 PRO/E 的圆柱齿轮减速器参数化的设计。设计以 PRO/E 为开发平台，主要针对其参数化设计及动态模拟仿真进行研究，并建立了减速器常用件及标准件数据库，在产品设计时能直接调用，使产品开发者集中精力在非标准件部分，提高了设计效7率和质量，缩短产品的开发周期，而且对产品的有限元分析及后续加工具有一定的使用价值和参考意义，同时也符合现代设计技术的发展要求。1.3 参数化技术的研究进展利用参数化设计手段开发的专用产品设计系统，可以使设计人员从大量繁重而琐碎的绘图工作中解脱出来，可以大大提高设计的速度，并减少信息的存储量。由于上述应用背景，国内外对参数化设计做了大量的研究。参数化设计方法的研究工作最早可追溯到 20 世纪 60 年代早期，Sutherland在它开发的 Sketchepad 系统中，首次将几何约束表示为非线性方程来确定二维几何形体的位置。后来 Hillyard、Gossard 进一步发展了这一思想，并使之实用化。自从 PTC 公司于 1985 年推出参数化 CAD 系统 PRO/E 以来，参数化设计技术才真正受到工程技术界和学术界的重视，各大计算机软件公司相继推出自己的参数化 CAD 系统或在原有系统上增加参数化功能，展开激烈的竞争。近几年来，以 MIT 较早期的研究成果为基础，以 PRO/E 的参数化造型系统为先驱，参数化设计技术得到了迅猛的发展。SDRC 公司的 Variational Design，MATRA 公司推出的 Adaptive Dedign 都是参数化技术迅猛发展的产物。参数化技术正日益完善并逐步走向商品化阶段。1.4 本论文的研究内容本课题主要完成基于PRO/E三维造型技术进行二级减速器参数化设计及仿真。通过引入基于PRO/E特征的参数化造型思想，建立减速器典型的零部件模板库，模型设计计算完成后，通过参数化驱动从而得到所需的减速器模型，并进行动态模拟仿真的应用研究。82 减速器参数化设计及仿真的总体方案和技术路线2.1 减速器参数化设计及仿真的总体方案2.1.1 减速器的结构减速器是一种用于原动机和工作机之间的封闭式传动装置，其主要功能是减低转速，增大扭矩，以便带动大扭矩的机械，故在现在机械中应用很广。但由于其结构复杂，包含的零部件很多，其主要结构有传动零件（齿轮） 、轴承、箱体及附件组成。其结构见图 1。2.1.2 基于 PRO/E 的参数原理 参数化设计也叫尺寸驱动，是 CAD 技术在实际应用中提出的课题，它不仅可使 CAD 系统具有交互式绘图功能，还具有自动绘图的功能。所谓参数化设计即是在设计中产品的结构形式是确定的，它需要根据某些具体的条件和具体的参数来决定产品某一结构形式下的结构参数，从而设计出不同规格的产品。其本质是对统一结构的产品通过修改尺寸来生成新规格的产品，利用计算机来进行参数化 CAD 设计，只需在计算机上输入机械零件的几个关键参数，就会准确地、自动地生成工程样图。在参数化设计中，一般用一组参数来定义几何图形的尺寸数值并约定尺寸关系，提供给设计者进行几何造型使用。参数化设计一般用于设计对象的结构形状比较固定，可以有一组参数来约定尺寸关系，参数的求解较简单，参数与图 1 二级减速器结构图图 1 减速器结构图9设计对象的控制尺寸有显式对应关系，设计结果的修改受尺寸驱动。2.1.3 基于 PRO/E 的模拟仿真在机械产品的开发过程中，有关产品的结构、功能、操作性，生产工艺、装配性能甚至维护性能等许多问题都需要在开发过程的前期给予考虑。但有关装配的问题往往只会在产品开发的后期或者在最终产品试运行过程中，甚至在投入使用一段时间后才能暴露出来。为了解决这些问题，有时产品就不得不返回到设计构造阶段以便进行必要的设计变更，这样的产品开发程序既效率低，耗时长，费用又高。仿真技术的出现给以上问题提供了有效的解决方法，即便是在设计的初期阶段，计算机产生的最初模型也可以放入虚拟环境进行实验，甚至可以直接在虚拟环境中创建产品模型。这样不仅可以是产品的外表、形状和功能得到模拟，而且有关产品的机构运动也得到测试和检验，使产品的缺陷和问题在设计阶段就及时发现并加以解决。2.1.4 减速器参数化设计及仿真的总体方案在设计减速器时，一般应根据减速器的使用要求、工作状况和所需齿轮的机械特性等来综合考虑。通常根据其输入功率 P(kW)、输入转速 n(r/min)、传动比 i 等基本参数选择减速器的传动级数和齿轮传动结构，合理分配传动比，选择齿轮传动的材料，并在满足承载能力的条件下，计算传动装置的运动和动力参数，最后进行各级传动零件的结构设计。 图 2 方案设计总体框架图10 这一过程在专业课程设计中已经做过，由于篇幅有限，就不在此赘述。本设计是在减速器各零部件按照强度、刚度、寿命要求完成优化设计的基础上，得到相关的优化参数和各零部件之间的相互关系后进行的研究与开发。在这个基础上对减速器的部分零件进行参数化设计。采用的方案见图 2，方案设计总体框架图。2.2 减速器参数化设计及仿真的技术路线其主要的技术路线见图 3。 图 3 减速器参数化设计技术路线框图113 减速器齿轮结构的设计3.1 高速级齿轮设计3.1.1 齿轮类型、精度等级、材料及齿数的确定1）按
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