毕业设计（论文）-高固有特性的减速器箱体结构设计（全套图纸三维）.pdf

本科毕业设计(论文) 题目： 高固有特性减速器箱体结构设计 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 4 月 I 摘要 减速器是原动机和工作机之间独立的闭式机械传动装置。 用来降低原动机转速或 增大转矩，以满足工作机的需要。由于减速器具有结构紧凑，传动效率高，传动准确 可靠，使用维护方便等优点，故在工矿企业及运输，建筑等部门中运用极为广泛。 本文研究了减速器箱体的固有频率、主振型等方面，并且利用有限元对减速器箱 体模型进行了模态分析，从而得到了减速器箱体的振型和固有频率，最后讨论了箱壁 厚度对减速器箱体结构固有特性的影响，并用三维 PROE 软件对该减速器箱体进行了 三维建模和有限元分析。 关键词：传动装置，减速器箱体，频率，分析 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 II ABSTRACT The speed reducer is a closed mechanical transmission of the prime mover and work machine device. To reduce the original motivation to speed or torque, in order to meet the needs of working machine. The speed reducer has the advantages of compact structure, high transmission efficiency, accurate and reliable transmission, easy operation and convenient maintenance, so in the industrial and mining enterprises and transportation, construction and other departments in the widely used. Is studied in this paper deceleration box of natural frequency and main vibration type, and the use of finite element modal analysis of the reducer box model, so as to get the gear box vibration mode and natural frequency, finally discusses the box wall thickness of the reduction box structure inherent characteristics and using 3- D proe software of the reducer box were 3D modeling and finite element analysis. Key words: transmission device, reducer box, frequency, analysis III 目目 录录 摘要 . I ABSTRACT . II 1 引言 . 1 1.1 研究的目的和意义 . 1 1.2 主要内容 . 2 1.3 研究现状 . 4 1.4 减速器组成的主要零件 . 4 2 减速器箱体的三维设计 . 6 2.1 上箱体、下箱体的三维建模 . 11 2.2 减速器箱体的附件选择 . 12 2.2.1 窥视孔和视孔盖 . 12 2.2.2 通气器 . 13 2.2.3 轴承盖 . 14 2.2.4 定位销 . 15 2.2.5 油面指示装置 . 16 2.2.6 油塞 . 17 2.2.7 起盖螺钉 . 17 2.2.8 起吊装置 . 17 3 减速器箱体有限元分析 . 18 4 设计总结 . 18 结论 . 19 致谢 . 20 参考文献 . 21 1 1 引言引言 1.1 研究的目的和意义研究的目的和意义 减速器箱体自从上世纪九十年代开始就陆续地被应用在各种机械设备以及车辆 工程等方面，但传统的减速器箱体由于传动精度不高，维修困哪，有好多生产减速器 箱体的企业做出来的减速器都达不到正常水平，所以此次设计的减速器箱体，在传统 的减速器箱体的基础上进行了优化设计，应用合理的结构以及动力机构，从而来克服 以往的减速器箱体所不能克服的问题，此次对于减速器箱体的设计，对后续的减速器 箱体的设计制造有一定的参考意义和价值。 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。我国生产的减速器箱体结构简陋，切割效率始 终不高，虽然经过几十年的发展，近期产品的质量较早期有所提高。但受国产配套件 质量及设计水平等的影响， 我国目前生产的减速器箱体的总体水平与进口产品及港口 用户的要求仍有较大差距，减速器箱体的生产也是如此，为满足市场需求，开发出一 种新型的减速器箱体势在必行！ 本次设计的此种减速器箱体的出现将会大大提高减速器的传动质量， 为企业的生 产的年产能方面，以及经济效益方面能够带来显著的进步，同时也在某种程度上推进 了机械工业的不断发展。 目前半自动减速器箱体将逐渐被全自动减速器箱体所代替。 传统的机械式的减速 器箱体已经不能完全满足当今市场的需要， 迫切需要各种多功能的减速器箱体来满足 市场需求，因此上海格尔公司加大人力开发出了五个规格十种类型的减速器箱体，然 而我国所需的减速器箱体全部依赖进口，这使得国产机械人配备减速器箱体后，成本 增加很大，而装备自行开发生产减速器箱体，其成本提高不大，说明减速器箱体的市 场前景令人乐观。 齿轮传动是工程中最常用的传动形式，但齿轮传动在运转过程中会产生振动噪 声，这种振动噪声对齿轮传动装置的性能和寿命有着明显影响。齿轮箱是齿轮传动装 置的重要组成部分，其固有特性对传动装置的振动和噪声有着明显的影响，因此通过 2 对齿轮箱进行结构设计，提高其固有特性有着非常重要的意义。通过本次毕业设计要 求掌握固有频率、主振型等基本概念及模态分析的基本方法，提高学生运用所学知识 分析问题、解决问题的能力。 1.2 主要内容主要内容 本论文主要是对高固有特性减速器箱体结构进行设计。在设计过程中，了解模态 分析，研究箱壁厚度的改变对固有特性的影响。本次设计的主要内容为： 1、查阅相关文献，了解模态分析的意义，掌握固有频率、主振型等基本概念。 2、给定箱体的二维模型，在此基础上用 Pro/E 绘制箱体的三维实体模型。 3、用有限元分析软件对箱体进行模态分析。 4、改变箱壁厚度，并对其进行模态分析，研究箱壁厚度的改变对固有特性的影 响。 5、改变箱壁宽度，并对其进行模态分析，研究箱壁厚度的改变对固有特性的影 响。 6、绘制齿轮和轴的零件图两张，要求 A3 的图纸；绘制减速器的装配图一张，要 求 A1 的图纸。 1.3 研究现状研究现状 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 3 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。 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。 目前国内外对减速器箱体高固有特性的研究现状主要体现在以下几个方面： 1、运用现代的设计方法对箱体进行优化设计，一般优化的过程为提出优化目标 建立合理的数学模型施加约束求解得出结果并进行分析。 2、对箱体结构的结构力学分析。应用有限元软件对箱体进行有限元分析。 4 3、对箱体受热方面的研究。通过不同尺寸减速器箱体在不同温度下的数据的采 集，运用数值分析的方法，得出箱体的某些参数与温度的关系。从而可以改变减速器 箱体的某些参数来改善箱体的受热状况。 4、减速器箱体的参数可视化研究。Visual C+6.0 环境下，利用 OpenGL 对减 速器箱进行可视化编程，实现了减速器箱体的参数化三维建模和基本的动画显示。 5、对箱体的振动方面进行研究。按箱体工作振型频率响应函数的分析方法，找 出了对噪声贡献最具有代表性的测点， 为通过测试振动信号实现声压级的测量奠定了 基础。 1.4 减速器组成的主要零件减速器组成的主要零件 1、箱体和箱盖 箱体和箱盖是减速机中传动零件的支撑件和包容件，结构复杂，其中的箱体承受 压力，要求有良好的钢度、减振性和密封性。箱盖、箱体在单件小批量生产时，采用 灰铸铁材料(HTl50 或 HT200)， 用手工造型方法铸造成形； 或采用碳素结构钢(Q235A)， 手工电弧焊焊接而成。大批量生产时，采用灰铸铁，用机器造型方法铸造成形。 2、轴、齿轮轴和齿轮 轴、齿轮轴和齿轮均为减速机中重要的传动零件，轴和齿轮轴的轴杆部分受弯短 和扭短的联合作用，要求具有较好的综合力学性能；齿轮轴与齿轮的轮齿部分受较大 的接触应力和弯曲应力，应具有良好的耐磨性和较高的强度。单件生产时，采用中碳 钢(45 钢)用自由锻方法或胎模锻方法成形，也可采用中碳钢的圆钢棒车削而成。大 批量生产时，采用中碳钢模锻方法成形。 3、滚动轴承 减速机中的滚动轴承受径向和轴向压应力，要求较高的强度和耐磨性。滚动轴承 为标准件，其内外环采用波动轴承钢(GCrl5)扩孔锻造，滚珠采用滚动轴承钢(GCrl5) 螺旋斜轧，保持架采用优质碳素结构钢(08 钢)冲压而成。 4、轴承端盖 轴承端盖主要是防止轴承窜动，并起防护作用。单件、小批生产时，采用灰铸铁 (HT150)手工造型铸造成形，或采用碳素结构钢(Q235)圆钢车削而成。大批量生产时， 采用灰铸铁机器造型铸造成形。 5、螺栓和螺母 5 螺栓和螺母起固定箱盖和箱体的作用，螺栓杆受纵向(轴向)拉应力，曲应力和横 向切应力。 2 减速器箱体的三维设计减速器箱体的三维设计 2.1 上箱体、下箱体的三维建模上箱体、下箱体的三维建模 Pro/Engineer 操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的 CAD/CAM/CAE 一体化 的三维软件。Pro/Engineer 软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目 前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer 作为当今世界机械 CAD/CAE/CAM 领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的 CAD/CAM/CAE 软 件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。 减速器上、下箱体的建模如下图所示： 图 1 上箱体 6 图 2 下箱体 2.2 减速器箱体的附件选择减速器箱体的附件选择 2.2.1 窥视孔和视孔盖 在传动啮合区上方的减速箱盖上开设检查孔， 用于检查传动件的啮合情况和润滑 情况等，还可以由该孔向减速箱内注入润滑油。 2.2.2 通气器 安装在窥视孔板上，用于保证箱内和外气压的平衡，一面润滑油眼相体结合面、 轴伸处及其他缝隙渗漏出来。 2.2.3 轴承盖 轴向固定轴及轴上零件，调整轴承间隙。这里使用凸缘式轴承盖，因其密封性能 好，易于调节轴向间隙。 2.2.4 定位销 为了保证箱体轴承孔的镗削精度和装配精度， 在减速器的两端分别设置一个定位 销孔。 7 2.2.5 油面指示装置 在箱座高速级端靠上的位置设置油面指示装置， 用于观察润滑油的高度是否符合 要求。 2.2.6 油塞 用于更换润滑油，设在与设置油面指示装置同一个面上，位于最低处。 2.2.7 起盖螺钉设置在箱盖的凸缘上，数量为 2 个，一边一个。用于方便开启箱盖 2.2.8 起吊装置 在箱盖的两头分别设置一个吊耳，用于箱盖的起吊；而减速器的整体起吊使用箱 座上的吊钩，在箱座的两头分别设置两个吊钩。 3 减速器箱体有限元分析减速器箱体有限元分析 有限元法(Finite Element Method，FEM)，是计算力学中一种重要的方法，是计 算机辅助工程 CAE 中的一种，从其出现至今已经过了约半个世纪的发展。有限元法 作为一个具有巩固理论基础和广泛应用效力的数值分析工具，是现代力学、计算数学 和计算机技术等学科相结合的产物， 在国民经济建设和科学技术发展中发挥了巨大的 作用。 步骤 1：建模 在 ANSYS 中直接建模有一定的难度， 考虑到其与多数绘图软件具有良好的数据接 口，可以方便的转化，而 PRO/E 软件以其参数化、全相关的特点在零件造型方面表现 突出，可以通过参数控制模型尺寸的变化，因此本文采用通过 PRO/E 软件对齿轮进行 参数化建模，然后将模型导入到 ANSYS 软件中的方法。 步骤 2 ：导入模型启动 ANSYS，单击菜单 Utility MenuFILEIMPORT 然后把路径 指向之前保留的文件。单击OK按钮提取模型。再选择 UtilityMenuPlotCtrls StyleSolid Model Facets，在弹出窗口中的 Style of area and volumeplots 选 项中选择 Normal Faceting，以实体形式显示模型。如图 2.1： 8 步骤 3：设单元属性 （1）定义单元类型： 1.从主菜单中选择 Main Menu:Preference命令， 将打开Preference of GUI filtering 对话框，选中 Structural 复选框，单击“ok”按钮确定，如图 2.2. 2. 从主菜单中选择 Main Menu:PreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete 命 令，将打开 Element Type 对话框。 3. 单击 Add 按钮，将打开 Library of Element Type。 4. 在对话框的左边列表框中选择 Solid 选项。 5. 在对话框的右边列表框中选择 8node185 选项。 6. 单击“ok”按钮，在单击 Close 按钮，如图 2.3。 9 图 2.2 图 2.3 （2）定义材料属性 1. 从主菜单中选择 Main Menu:PreprocessorMaterial propsMaterial Model 命令，打开 Define material Model Behavior 窗口。 2.依次单击 StructuralLinearElasticIsotropic,将打开材料的弹性模量和 泊松比的定义对话框。 3. 在 EX 文本框中输入弹性模量 1.16e+5，在 PRXY 文本框中输入泊松比 0.194，如图 2.4。 10 4. 单击“ok”按钮。 5.设置密度 DENS=7.0E+9 kg/mm3。6. 关闭 Define material Model Behavior 窗口。