（机械设计及理论专业论文）工程机械动力换档行星变速器计算机辅助分析.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘j 摘要 行星齿轮传动具有功率分流和动轴线的运动特点，以及内啮合的合理运用， 使其相对于普通定轴线齿轮传动在技术和经济上具有很多优点，但如果行星轮间 载荷不均衡，则这种优点就难以实现。因此对行星传动机构的均载性能及影响行 星轮间载荷分配的因素进行分析有着重要的现实意义。 本论文来源于广西柳工机械股份有限公司委托课题“z l 5 0 装载机b s 3 0 5 行星 变速箱异常轴向力分析及解决方案”。本课题研究的目的是通过该变速箱的均载 性能、各部件的受力、变形以及齿轮接触应力的分析，寻找出直齿行星轮机构产 生异常轴向力，从而导致变速箱行星轴止动螺栓断裂及部分行星轮轮齿崩裂的原 因，为柳工z l 5 0 装载机行星齿轮变速箱的改进提出方案，提高设计质量和设计水 平。 本文的主要研究工作有： 1 对各种类型的均载机构进行了比较；首次分析了4 行星轮机构的均载构件 等效误差，分析了安装和制造误差及其对均载构件均载位移量的影响。 2 对b s 3 0 5 行星变速箱各部件的受力及变形以及齿轮接触应力进行分析；分 析了引起正常轴向力及异常轴向力的各种因素和影响程度。 3 行星齿轮传动装置三维建模、装配及动画处理。 4 应用i - d e a s 软件对行星齿轮传动进行有限元分析。包括有限元分析模型的 自动生成，应力应变分析，齿轮接触应力分析，分析结果的后处理。 5 用v b 6 0 自行开发了行星变速箱计算机辅助分析程序设计，该分析程序主 要功能包括均载件的等效误差、各部件的受力及变形分析及齿轮弯曲强度及接触 强度校核 6 通过常规计算及有限元分析，寻找出直齿行星轮机构产生异常轴向力的 原因，并提出了消除异常轴向力的方案。 关键词：行星机构，均载，异常轴向力，有限元分析 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h et r a i to fp o w e rs p l i ta n dm o v a b l ea x i sa sw e l la sa p p l i c a t i o no fi n n e r m e s h e dg e a r p l a n e t a r yg e a rt r a n s m i s s i o nh a sm a n ya d v a n t a g e sc o m p a r e dw i t l lg e n e r a l f i x e da x i s g e a rt r a n s m i s s i o ns y s t e m h o w e v e r ，t h e s ea d v a n t a g e s c a l ln o tb er e a l i z e d w i t h o u tt h eb a l a n c eo ft h el o a db e t w e e np l a n e tg e a r s t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d y t h el o a da v e r a g ep e r f o r m a n c eo fp l a n e t a r yg e a rt r a n s m i s s i o na n dt h ei n f l u e n c eo fl o a d a l l o c a t i o nb e t w e e np l a n e t a r yg e a r s t h ep r o v e n a n c eo ft h i st h e m ei st h e ”a n a l y s i so fa b n o r m a la x i a lf o r c ea n ds o l u t i o n o fb s 3 0 5p l a n e t a r y g e a rt r a n s m i s s i o no fz l 5 0m l e e lt y p el o a d e r f r o mg u a n g x i l i u g o n gm a c h i n e r yc o 1 t d t h ea i mo ft h i s r e s e a r c hi st of i n do u tt h ec a u s e so f a b n o r m a la x i a lf o r c et h a tr e s u l t si nf r a c t u r eo fb o l t st h a ta n c h o rt h es h a f to fp l a n e tg e a r a n dr u p t u r eo fg e a rb ym e a n so ff o r c ea n dd e f o r m a t i o na n a l y s i s ，t h u sp r o p o s ei m p r o v i n g p r o j e c to f z l 5 0w h e e it y p el o a d e rt oe n h a n c ed e s i g nq u a l i t y p r i m es t u d yc o n t e n ti nt h ep a p e risd e s c r i b e di nt h ef o l l o w i n g 1 e a c hk i n do fa v e r a g e dl o a du n i to fp l a n e t a r y g e a rt r a n s m i s s i o n is d e s c r i b e di nt h i sp a p e r e q u i v a l e n te r r o ro ft h ea v e r a g e dl o a dc o m p o n e n to f f o u r - - p l a n e t - g e a rt r a n s m i s s i o ni sa n a l y z e df o rf i r s tt i m ea sw e l la st h ea f f e c t i o no ft h e m a n u f a c t u r i n ge r r o ro fe l e m e n t a r yc o m p o n e n tt ot h ed i s p l a c e m e n to ft h ea v e r a g e dl o a d c o m p o n e n t 2 f o r c ea n dd e f o r m a t i o n a n a l y s i s o fc o m p o n e n to fb s 3 0 5 p l a n e t a r y g e a r t r a n s m i s s i o na r ep r o p o s e da sw e l la sg e a rc o n t a c ts t r e s sa n a l y s i s t h ef a c t o r st h a tc a u s e n o r m a la n da b n o r m a la x i a lf o r c ea n dt h e i re x t e n ta r ep r o p o s e da l s o 3 t h r e e d i m e n s i o n a l m o d e l i n g a n dm e c h a n i s ms i m u l a t i o no fp l a n e t a r y g e a r t r a n s m i s s i o nb ym e a n so fi - d e a ss o f t w a r e 4 f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sb ym e a n so fi - d e a ss o f t w a r e ，i n c l u d i n ga u t o m o d e l i n g o ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e l ，s t r e s sa n dd e f o r m a t i o na n a l y s i s ，c o n t a c ts t r e s sa n a l y s i s a n dp o s tp r o c e s s i n g 5 s o f t w a r ed e s i g n i n ga b o u t p l a n e t a r y g e a r t r a n s m i s s i o n i tc o n s i s t so f c a l c u l a t i o no fe q u i v a l e n te r r o ro ft h ea v e r a g e dl o a dc o m p o n e n t ，f o r c ea n dd e f o r m a t i o n a n a l y s i so fc o m p o n e n t ，c o n t a c ts t r e s sa n db e n d i n gs t r e n g t ha n a l y s i s 6 t h ec a u s e so fa b n o r m a la x i a lf o r c e w h i c hw e r ef o u n do u tb ym e a n so fg e n e r a l a n a l y s i sa n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，a n dt h ep r o j e c t st oe l i m i n a t ea b n o r m a la x i a lf o r c e i i 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a r ep r o v i d e d k e yw o r d s ：p l a n e t a r y g e a rt r a n s m i s s i o n ，a v e r a g e dl o a d ，a b n o r m a la x i a lf o r c e ， f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i i i 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 研究动力换档行星变速箱的意义 随着近代工业技术的高度发展，对齿轮传动的承载能力、可靠性、效 率、圆周速度、体积和重量等技术和经济指标提出了愈来愈高的要求。渐 开线行星齿轮传动就是近几十年来发展起来的新型齿轮传动之一。 行星齿轮传动，在机构学上就是通常说的周转轮系，它包括行星轮系 和差动轮系等。渐开线行星齿轮传动的类型很多，按齿轮的啮合方式可分 为n o w 、n w 、n n 、w w 、n g w n 和n 等型号【1 】1 2 】1 3 】。 由于行星齿轮传动具有功率分流和动轴线的运动特点，以及内啮合的 合理运用，使其相对于普通定轴线齿轮传动在技术和经济上具有很多优 点，如众所周知的体积小、重量轻；低速轴转矩与重量之比较大；啮合功 率小于要传递的功率，功率损失小，效率高；工作平稳、噪声小；可进行 运动的合成与分解等等。因此，行星传动被人们广泛用来代替普通齿轮传 动作为减速、增速和变速装置。在产品发展上，据不完全统计，世界上已 有5 0 多个渐开线行星齿轮传动系列设计，并且在基本系列的基础上派生 出了多种形式的组合式减速器、差速器和变速器等系列产品，而结合各行 业各类机械的需求发展，新型的行星齿轮传动组合形式仍将不断涌现。 工程机械变速箱的类型较多，按其换档操纵方式分类，可分为人力换 档和动力换档1 4 1 陋】。人力换档变速箱也称机械式变速箱，它是通过人力来 拨动齿轮或啮合套进行换档。而动力换档变速箱的换档则是通过液压系统 控制离合器的分离和接合来实现的，与前者相比，动力换档变速箱操纵轻 便简单，换档快，换档时动力切断的时间可降低到最低限度，可以实现负 荷下不停车换档，大大有利于生产率的提高。按变速箱轮系型式分，可分 为定轴式变速箱和行星式变速箱。在工程机械上，行星式变速箱除具有结 构紧凑、载荷容量大、传动效率高之外，还具有便于实现动力或自动换档 等优点，因此，行星式变速箱在大、中型工程机械底盘中获得广泛应用。 动力换档行星变速箱在工程上应用广泛、技术上比较成熟，但在使用 过程中，某些行星式变速箱出现的问题也较多。以国内z l 5 0 型轮式装载 机为例，其主要生产厂家有柳工集团、徐州装载机厂、山东临沂齿轮厂以 及厦工、成工、宜工、烟工等企业。经查阅资料，大多数厂家生产的z l 5 0 型轮式装载机行星变速箱都存在某些问题，其中一些是由于用户在使用过 程中的不当操作引起的，也有一些是由于变速箱的结构造成的，其中一个 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 主要的问题是行星变速箱的均载性能不佳。所以，对动力换档变速箱进行 研究有重要的现实意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 工程机械动力换档行星变速箱的国内外现状 工程机械在工程领域应用非常广泛，国内外均对发展其相关技术很重 视。我国工程机械的发展经历了3 个发展阶段，即6 0 年代仿制摸索阶段， 7 0 年代自力更生研制阶段，8 0 年代至9 0 年代技术引进、合资合作发展阶 段 6 】。通过引进和消化吸收国外工程机械行星式动力换档变速箱产品的生 产技术，我国在行星式齿轮箱设计开发能力上产生了一个较大的飞跃，已 能开发和生产用于推土机、装载机、铲运机、平地机、集材机等的各种行 星式动力换档变速箱系列产品。 近年来，国外工程机械制造商在在工程机械变速箱上不断采用新的技 术。美国c a t e r p i l a r 公司推出的d 1 0 r 推土机变速箱保持了行星动力换档 结构型式【7j ，具有前进三档和后退三档，该机采用了油冷式大直径离合器 包( 见图1 1 ) ，有效地吸收了换档时的能量，机器工作平稳，具有良好的 操作舒适性。同时，为了降低变速箱内、外部的噪声，变速箱的输出端采 用了螺旋伞齿轮传动。 图1 1d 1 0 r 推土机变速箱 f i g u r e l 1g e a rb o xo f d lo r 矗 醺巨 ! 辇芒 童帮 _ 一叫一一工叶 - _ 9 阡鼍 甫： 。一 i ! 神概 图1 2w s l6 s 2 变速箱 f i g u r e l 2g e a rb o xo f w s l 6 s - 2 现代工程机械自动换档均采用液力传动的自动变速箱。早期液力传动 的液压换档或自动换档是液压控制的，随着电气技术的发展，出现了现代 电气控制液压手动换档系统和电子控制液压换档的电液自动换档系统。日 本小松w s l 6 s 2 自行式铲运机采用行星齿轮式自动换档变速箱 8 】，其传动 简图如图1 2 所示。该变速箱有8 个前进档，1 个倒退档，可由计算机进 行自动换档控制。 应该指出的是各种传动形式( 机械式、液力机械式和液压机械式) 今后 技术改进方向都是采用电子控制系统，实现自动换档，提高动力性，改善 重庆大学硕士学位论文 经济性；减轻驾驶员换档操作的劳动强度，改善换档品质，使换档平稳， 冲击小，降低传动元件和结合元件的负荷。 1 2 2 行星齿轮传动装置均载概述 行星传动装置合理利用了“功率分流”及内啮合传动，因而具有结构 紧凑、体积小、重量轻、承载能力高及效率高等优点。但由于不可避免的 制造及安装误差，导致行星轮间载荷不均衡，从而使得行星机构的优点难 以实现。故行星齿轮传动装置载荷均匀性的研究一直是国内外有关学者研 究的一个重要课题。 均载机构 对于行星齿轮传动装置的均载机构，马从谦、饶振纲【2 j 对常见的不 同类型的均载机构，即基本构件浮动的均载机构、杠杆联动的均载机构及 采用弹性原件的均载机构作了较详细的介绍，并比较了它们的特点。日本 高桥崇9 1 发明的在行星轮中间放置浮动中间轮的所谓油膜浮动装置【9 卜1 1 2 】 很有特色，它以结构简单、均载效果好而著称于世。罗宁等1 1 3 h 4 1 对一种用 流体作为均载介质的全封闭液压联动多行星轮均载机构作了分析，这类机 构是将各行星轮轴通过液压管路构成封闭的联动系统，使各行星轮载荷始 终处于均衡状态，所以均载效果很好。另外，饶振纲在文献口1 中对选用均 载装置提出了几点要求：1 ) 均载装置在结构上应组成静定系统，能较好 地补偿制造和装配误差及元件的变形，且使载荷分布不均匀性系数k p 值 最小。2 ) 均载装置的补偿动作要可靠、均载效果要好。3 ) 在均载过程中， 均载构件应能以较小的自动调整位移量补偿机构存在的制造误差。4 ) 均 载装置应制造容易，结构简单、紧凑，布置方便，不得影响到机构的传动 性能。5 ) 均载装置本身的摩擦损失应尽量小，效率要高。6 ) 均载装置应 具有一定的缓冲和减振性能；至少不应增加行星齿轮机构的振动和噪声。 均载构件的等效位移 对于行星齿轮传动装置均载构件的等效位移，马从谦等在文献 1 中对 行星轮数为3 的行星机构的均载构件等效误差与各构件制造误差的关系作 了详细的分析和计算，并提出：对于采用齿式联轴器使基本构件浮动的机 构，总等效误差可用来计算联轴器的长度；对于采用弹性件均载的机构， 总等效误差可用来确定弹性件的结构及作用在弹性件上的变形力。 均载系数 对于行星齿轮传动装置载荷分配，日高照晃在文献 15 】中对行星齿轮装 置均载机构中各种误差和载荷分配的关系作了介绍，并归纳出：1 ) 当用 n = 3 的行星齿轮时，如将太阳轮、行星架或内齿轮其中之一构件，用齿轮 重庆大学硕士学位论文1 绪论 联轴器支承，太阳轮轴作长一些易于传动时，这时不论对哪种误差，载荷 分配所受影响都是最小的；2 ) 当行星齿轮n 4 时，若太阳轮、行星架或内 齿轮其中之一用齿轮联轴器支承，虽然太阳轮偏心误差和装配误差对载荷 分配的影响不会太大，但行星齿轮偏心误差和其轴的装配误差对载荷分配 的影响却较大，因此最理想的做法是在行星齿轮作弹性支承的基础上，再 把其它三个构件之一采用齿轮联轴器支承。 对于行星齿轮传动装置均载系数的计算，b h 库德里亚夫采夫等在文 献 16 1 中提供了确定均载系数的精确方法，肖铁英等在文献 1 中、邵晓荣在 文献【i 8 j 中提出了一种确定均载系数的简化实用的方法。 1 2 3c a d c a e 软件概述”1 ”3 2 2 2 3 随着计算机技术的广泛普及，各种现代设计和分析方法得到广泛的应 用。其中c a d c a e c a m 技术是现代工程分析和设计中一种举足轻重的方 法。现在，c a d c a e c a m 技术已成为衡量一个国家的科学技术现代化和 工业现代化水平的重要指标，被广泛应用于各工程领域，并已形成了一个 专门的机械c a d c a e c a m 软件支持的市场。 主导机械制造、金属加工两大相关领域的应用计算机软件有p r o e n g i n e e 、c a t i a 、c a d d s 5 、a u t 0c a d 、i d e a s 、u g 等。在1 9 9 6 年，由p r o e n g i n e e f 最先提出并提供了产品设计时的参数化设计的概念和功能，这给 制造、加工行业的设计领域带来了第三次革命，上述6 大主导软件都可直接 应用于c a d ，有的可用于c a d c a e 技术的开发和应用，而个别的则可覆盖 c a d c a e c a m 三大应用领域。 本文中使用的卜d e a $ 软件是美国s d r c 公司开发的集c a d c a m c a e 于一体的优秀三维设计系统，在机械、电子、航空、航天、邮电、兵工、 纺织等各行各业都有应用。i d e a s 的第七版本开始改名为i d e a sm a s t e r s e r i e s 。该软件系统集成了9 0 多个使产品开发过程自动化的模块，提供了 机械产品开发过程中基于项目组、多规则复杂工程任务的先进解决方案，主 要包括：设计、绘图、仿真、制造、测试、数据管理等几大模块。新版本还 具有电缆设计、振动噪声分析以及与p r o e n g i n e e r 、c a t i a 的数据转换接 口等功能。 i d e a s 机械c a d c a m c a e 软件的功能 1 ) 工程设计软件系统：主要包括零件设计、图面布置、二维绘图、装 配设计、机构设计、绘图符号库、特征定义、曲面实体设计、工差分析、 板金设计、模架数据库、机电产品设计、三维实体造型。这一软件系列构 重庆大学硕士学位论文 成了机械c a d 的基础，有完善的构造几何体功能，可直接计算几何体的重 量、重心、惯性矩、面积和体积，可进行变量设计、变量构图、特征造型， 而实体的曲面设计又是数控加工编程的必要准备。 2 ) 工程分析软件系列提供了有限元建模、模型解算、优化设计、叠层 复合材料、梁造型、有限元前后处理。i d e a s 的有限元分析软件一直处于 领先地位，具有良好的集成性，三维实体造型后，可直接生成网络，完全 是自动和自适应的，而且具有函数网络编制，可为流体分析有效建模。 3 ) 数控加工软件系统提供了图形数控加工、多轴图形数控加工、图形 数控加工后处理等功能。它直接从实体造型产生的几何形状，实现2 5 轴 数控加工编程，通过后置处理程序，将刀位文件转换成符合特定机床控制 系统所要求的特定格式。支持的曲面类型除一般外，尚支持双三次曲面、 组成曲面、扫描曲面、过渡曲面等。 4 ) 塑料模具分析与设计软件：它除包含必须的零件设计、二维、三维造 型软件模块外，尚有填充、冷却、收缩分析、翘曲分析等模块，可在注塑 全过程进行热力学分析并进行优质的模具设计。 由于s d r c 集成设计、分析、绘图、测试、制造为体，为工程师们提 供了完美的产品开发环境，因而在实际的产品加工之前，有机会交互式修 改设计过程，模拟产品的性能及加工过程，从而减少重复劳动，改进质量， 削减了整个工程的成本，大大提高了生产率。 i d e a s 软件的优点 1 ) 友好的用户界面：i d e a s 软件提供了一套图形菜单，用户使用鼠标 可方便地选择菜单进行交互式设计。 2 ) 工程数据管理：利用i d e a s 的数据管理模块可控制对工程文件的操 作，使用者很容易找到所要的数据。 3 ) 开放式结构：通过现有的或开发的接口，用户可集成i d e a $ 应用到 你的现有工程环境中。 4 ) 可编程性：提供了简单易学的编程语言，通过使用该语言可使通用 操作自动化。 5 ) 独立于硬件：i d e a s 软件可运行在大型机、小型机及工作站上，不 受硬件的限制。 6 ) 卜d e a s 软件支持图形、用户接口及数据交换的工业标准。 7 ) i d e a s 自带的超文本在线帮助系统十分优秀。通常，软件的帮助系 统都是命令的简单介绍，或是软件的简介，往往无法满足用户的需要。而 i d e a s 的帮助系统，内容丰富，各模块的基本操作讲解得十分清楚，先做 重庆大学硕士学位论文1 绪论 哪一步，再做哪一步，交代得一清二楚，没有跳跃和混乱，并配有大量的 图表说明。对于初学者来说，即使从未接触过三维造型软件，也能参考帮 助系统掌握基本操作技能。 1 3 论文的主要内容 本论文来源于广西柳工机械股份有限公司委托课题“z l 5 0 装载机b s 3 0 5 行星变速箱异常轴向力分析及解决方案”。本课题研究的目的是通过对该变 速箱的均载性能、各部件的受力、变形及齿轮接触应力进行分析，寻找出 直齿行星轮机构产生异常轴向力而导致变速箱行星轴止动螺栓断裂及部分 行星轮轮齿破坏的原因。 本文的主要研究工作有： 应用i d e a s 软件对z l 5 0 装载机行星齿轮传动机构进行三维实体建模、 虚拟装配及干涉检查，并在此基础上对该传动装置进行机构分析及动 画处理。 行星齿轮传动装置均载机构分析：对各种类型的均载机构进行了比较； 首次分析了4 行星轮机构的均载构件等效误差，分析了安装和制造误差 及其对均载构件均载位移量的影响；在此基础上分析了制造及安装误 差对不均载系数k ，的影响。 行星齿轮传动装置各部件受力及变形分析：对各部件的受力及变形以 及齿轮接触应力进行分析；分析了引起正常轴向力及异常轴向力的各 种因素和影响程度；寻找出导致变速箱行星轴止动螺栓断裂及部分行 星轮轮齿破坏的原因。 应用i d e a s 软件对行星齿轮传动装置进行有限元分析。包括有限元分 析模型的自动生成，应力应变分析，齿轮接触应力分析及分析结果的 后处理。 行星变速箱计算机辅助分析程序设计。该分析程序以v b 6 0 作为开发 工具，其主要功能包括均载件的等效误差、各部件的受力及变形分析、 行星轴止动螺栓强度校核、齿轮弯曲强度及接触强度校核。 消除变速箱异常轴向力的可行性方案。提出对变速箱结构进行改进， 以改善其均载性能的方案。 6 重庆大学硕士学位论文 2z l 5 0 装载机行星变速箱机构分析 2 z l 5 0 装载机行星变速箱机构分析 2 1z l 5 0 装载机行星变速箱实体建模 2 1 1z l 5 0 装载机行星变速箱结构简介h 朝 z l 5 0 装载机行星变速箱具有一级、二级两个涡轮，称双涡轮液力变矩器，分 别用两根相互套装在一起的与齿轮做成一体的一级、二级涡轮输出齿轮( 轴) 将 动力通过常啮合齿轮副传递给变速箱。由于常啮合齿轮副传动比不同，故相当于 液力变矩器加上一个两档自动变速箱，它随外载荷变化而自动换档。 行星齿轮式变速箱由于和双涡轮变矩器配合，所以只有两个前进档和一个倒 退档。输入轴和输入齿轮做成一体，和二级涡轮输出齿轮常啮，二档输入轴与二 档离合器的主动部分二档摩擦片连成一体。两行星排的太阳轮做成一体，通过 花键与变速箱输入轴、二档输入轴相连，每个行星排的行星轮数为4 。前行星排齿 圈，后行星排行星架和二档离合器受压盘( 从动部分) 三者通过花键连成一体。 前行星排行星架和后行星排齿圈分别设有倒档、一档摩擦片式制动器。变速箱总 体图见图2 1 。 二董暴格 一薮书糟 埘磅1 1翻靖善2 渤礴 可。 。曼删 笙 图2 1 装载机z l 5 0 变速箱简图 f i g u r e 2 1 b r i e f s k e t c ho f g e a rb o xo f z l s 0w h e e lt y p eo f l o a d e r 2 1 2 | _ d e a s 的几何造型概述“州嘲啪1 产品设计的过程也是信息处理的过程。设计过程中产品信息的表达方式与当 重庆大学硕士学位论文 2z l 5 0 装载机行星变速箱机构分析 时的生产发展水平紧密相关。在六十年代末，随着c a d 和c a m 概念的逐步形成 以及计算机硬件和软件的飞速发展，产品的表达方式发生了显著的变化。由于人 类现实世界是一个由众多类型三维几何形状构成的集合体，因此三维几何造型技 术引起了人们的极大关注并得到快速发展。目前，三维造型的模型主要有线框模 型、曲面模型、实体模型及特征模型等。 i d e a s 使用实体模型描述零件几何图形，因而物体之间的干涉体积、面积特 性、体积特性、惯量都很容易计算出来，不会发生模糊不清的解释，物体可以用 消除隐藏线的线框模型显示出来，也可以加上浓淡色彩，清晰地显示它在三维空 间的形状，因而物体在卜d e a s 中是被完整地描述。 i d e a s 设计过程综合了b r e p 和c s g 方法来处理实体模型，每个物体的构造 步骤及每个视图操作意图的法则作为历程存贮起来，进而可以用c s g 方法来编辑 物体的建造过程。 零件模型还包括零件几何体的拓扑逻辑表示( t r e p ) 。拓扑逻辑通过体积、 面、环孔、边、顶点来表达，面是零件体积的拓扑的逻辑边，每一面是用非均匀 有理b 一样条曲面方程和边界来描述。 在造型中，i d e a s 采用c s g 来存储形体，且可以编辑c s g 树，从而可以在 任何阶段对任何数据进行修改。它既可以产生线框图，也可以产生反射、透明、 阴影等多种表面光效应，并可以进行质量、体积的计算。i d e a s 还提供一些基本 形体，包括：拔高体( 一个平面外形沿一个空间矢量延伸) 、旋转体( 一个平面 外形按空间一轴旋转) 、延伸体( 一个平面外形沿空间任一路径延伸) ，这些基 本几何体可以用于布尔运算产生更复杂的几何体。 融合、， 图2 2 布尔运算 f i g u r e 2 2b o o l e a na l g o r i t h m i d e a s 系统包括三种基本的布尔运算：切割、融合、求交，如图2 2 所示。 o 交求 重庆大学硕士学位论文 2z l 5 0 姨载机行星变速箱机构分析 这三种布尔运算同样适用于平面几何体。布尔运算的结果保存了c s g 记录，这个 记录可以通过图形交互的一个树结构来修改，同时可以允许用户增加、删减和替 换c s g 树的节点。布尔运算还保存了模型的多面体表达式，该表达式自动存储且 从属于c s g ，其准确程度可通过多面体系数来控制。 高级曲面造型( a d v a n c e ds u r f a c e ) 功能是i d e a s 最具特色的功能之一，除了基 本曲面造型如直纹而、旋转向、列表柱而、变截面拉伸、球而功能外，还具有等 半径与变半径的圆角过渡、曲面问的拟合、曲面求交、曲面裁剪、拓扑运算、n u r b s 曲面自身修改等高级造型功能。因此，i - d e a s 软件是目前最为流行的几何造型软 件之一。 2 1 3 行星变速箱重要部件实体模型 图2 3太阳轮实体模型 f i g u r e 2 3 m o d e lo fs u ng e a r 图24 行星轮实体模型 f i g u r e 2 4 m o d e lo fp l a n e tg e a r 图2 5一档行星架实体模型 图26倒档行星架实体模型 f i g u r e 25 m o d e lo ff o r w a r dp l a n e tc a r r i e r f i g u r e 26 m o d e lo fb a c k w a r dp l a n e tc a r r i e r j 型型蔓堑! 主兰堡垒塞 ! 兰望! 鳌墼塑堑星壅垄笪塑塑坌堑 图27 一档内齿圈实体模型 f i g u r e 2 7 m o d e lo ff o r w a r di n n e rg e a r 图2 9 一档行星轴 f i g u r e 2 9 p l a n e tg e a rs h a f t o ff o r w a r d i r o w 目28 倒档内齿圈实体模犁 f i g u r e 2 8 m o d e lo fb a c k w a r di n n e rg e a r 图2 1 0 倒档行星轴 f i g u r e 2 10 p l a n e tg e a rs h a f t o fb a c k w ar dr o w 2 2 z l 5 0 装载机行星变速箱装配模型 变速箱各部件的三维实体模型建好后，按产品的实际装配步骤对所建的实体 模型进行虚拟装配。装配件可用于观察零件装配情况，检查零件干涉，计算质量 特征，动画演示等。 定义装配层 虚拟装配是在m a s t e fa s s e m b l y 模块中进行的。装配时，首先应使用h i e r a r c h v 命令建克装配件的装配层次，陔命令以表格形式显示装配层次，可以自上而p 或 臼下而上束建立装配芙系。激活h i e r a r c h y 图标后，如果已经有装配层存在，则 h i e r a r c h y 表中将娃示出装配层及所包含的零件，存表中选择装配层，然后激活 a d dt o a s s e m b l y 图标，调入需要增加的零件。如果无装配层存在，则h ie r a r c h v 表中为空白，此时需激活h i e r a r c h y 表中的a d dp a r e n t 图标，输入装配层名称后 返回h i e r a r c h y 表，在表中选择所定义装配层，然后激活a d dt oa s s e m b l v 图标 调入需要装配的零件，艏动新装配。 里墨查= ! 兰堕主：兰焦堡苎 ! 兰生竺茎望查! ! 堑里窒堕笪! ! 塑坌盟 装配约束 利用c o n s t r a nd e m e n sio n 命令建立零部件的装配约束关系，它是通过配对 条件在零部件之间建立约束关系米确定零部件在产品中的位置。进行零件装配时 最熏要的步骤就是对零部件进行适当的约束。i d e a s 中装配约束关系包括 f a c e t o f a c e 和l i n e t o l i n e 两种约束类型。在虚拟装配中，零部件的几何体是 被装配引用，而不是复制到装配中，不管如何编辑零部件，整个装配部件保持关 联性。如果修改某砦零部件，则引用它的装配件自动更新，反应零部件的最新变 化。各部件的装配图及总体装配图见图2 j 】图2 ，j3 。 图2 1 1档行星排 f i g u r e 21 1 o e a r e de n t i t yo ff o p w a r d1r o w 图2 1 2 倒档行星排 f i g u r e 2 1 2 r e v e r s eg e a r e de n t i t y 图2 13变速箱 g e a rb o xo fz l 5 0w h e e lt y p el o a d e r 重庆大学硕士学位论文2z l 5 0 装载机行星变速箱机构分析 干涉检查 通过装配的过程，我们可以检查各个零件之间是否会发生干涉，各个零件是 否有不合理的地方，然后再进行适当的修改以达到完善设计的目的。在装配过程 中，通过干涉检查( i n t e r f a c e ) 命令，显示出两个配合零件间是否存在干涉或者存 在间隙，并计算出干涉的体积供设计人员参考。为消除干涉，设计人员只需根据 信息改变零件图，装配图和工程图都将自动随之相应改变，这极大提高了设计效 率和设计速度。 2 3 机构分析及动画处理 机构是一种零件之间具有某种约束规则、按一定规律运动的装配组合。在 i d e a s 中，为模拟所设计机构的运动，真实地演示机构的运动过程，可通过其机 构设计( m e c h a n i s md e s i g n ) 模块进行机构设计及动画处理。下面简要介绍其步骤。 定义运动副 与实际机构中的运动副一致，在i d e a s 中，运动副的类型包括转动副、移动 副、球铰、螺纹副、齿轮副等多种运动副。在进行机构设训时，根据机构的实际 运行情况进行定义。对于行星齿轮传动装置，只需定义两种运动副：转动副及齿 轮副。 1 ) 转动副 转动副的定义很简单，首先在作相对转动的两个刚体上各定义一个点，然后 定义其转动轴线即完成转动副的定义。在定义点时，如果仅作该机构的动画显示， 则点的位置无严格要求，如果还要对该机构的力的传递作分析，则要求在相对禁 止刚体( 即第一个刚体) 上所定义的点处于机构实际的力作用位置。 2 ) 齿轮副 图2 1 4齿轮副示意图 f i g u r e 2 1 4a b r i d g e d g e n e r a l v i e wo f g e a rp a i r 利用g e a r 指令在移动副一转动副、转动副一转动副间建立齿轮副。图2 1 4 为一齿轮副的示意图。图中，a ：机座；b ：齿轮1 ( 主动轮) 相对机座a 的转动 副；c ：齿轮2 相对机座a 的转动副。 2 重庆大学硕士学位论文 2z l 5 0 装载机行星变速箱机构分析 a 建立齿轮副之前，先定义转动副b 、c ，在定义时，机座a 必须为第一个 刚体。对于行星机构的齿轮副，行星架为第一个刚体。 b 在机座a 上创建标记，其位置在两齿轮节圆切点。标记的z 轴表示齿轮 副的啮合线，故z 轴必须与转动副b 、c 垂直。对于行星机构的齿轮副， 应在行星架上创建标记。 c 定义齿轮副时，先选择主动轮转动副b ，再选择从动轮转动副c ，然后选 择标记，就建立起一齿轮副。齿轮副根据标记距转动副b 、c 的垂直距离 确定其传动比。 图2 ，1 5 齿轮副 f i g u r e 2 14g e a rp a i r 如图2 1 5 所示，如果a 为主动轮，标记距转动副a 的距离为a ，距转动副b 的距离为b ，则j = 6 a 。 定义运动 定义机构中原动件的运动方式。 引用固定 保证至少有一个零件或子装配固定，机构中其它部件相对它运动。 机构求解： 利用s o l u t u o n 指令对已定义的机构进行求解，可计算出机构各部件的运动方 式及所传递的力。 后处理 1 ) 动画演示 在机构求解时，软件自动建立了各部件的运动步序，通过动画演示可生动展 示机构的运动过程。 2 ) 图表显示。 在机构求解时，软件自动建立了各种结果函数，这些函数可描述各部件的刚 体运动关系，作用力和反作用力。 重庆大学硕士学位论文 3 行星传动装置均载分析 3 行星传动装置均载分析 3 1 均载机构”1 3 1 1 概述 行星齿轮装置，是一种将传动载荷分配给多个行星轮的传动机构，合理设计 的行星传动装置与普通定轴轮系相比较，具有结构紧凑、体积小、重量轻、承载 能力高及效率高等优点。这些优点主要来源于“功率分流”及内啮合传动的合理 使用。如果行星轮问载荷不均衡，则这种优点就难以实现。 所谓行星轮间载荷均衡，就是要求太阳轮传递给各行星轮的作用力相等。但 由于机构在传递功率时零件产生变形、不可避免的制造和安装误差及温度等因素 的影响，行星轮间载荷分配不可能达到完全均衡的理想受力状态，甚至在最坏情 况下可能出现只有一个行星轮受力的状态。图3 1 为四行星轮机构受力简图。 图3 1 太阳轮传递给行星轮的作用力 f i g u r e 31f o r c eo l lp l a n e tg e a r 用最大载荷f k 。与平均载荷，0 之比值来表示载荷分配的均衡程度，即： 耻导 ( 3 1 ) 比值娲称为载荷不均衡系数。平均载荷即齿轮端面内基圆周上的名义切向力： f 一薹一2 0 0 0 t 。 氏= 上l = _ _ _ 口p ( r d 8r 9 式中：l 太阳轮a 上的总转矩n m ： ( 吒) 。太阳轮a 上的基圆半径m m 。 对行星传动装置的部件进行强度校核时应按最大载荷考虑，即 ( 3 2 ) 重庆大学硕士学位论文3 行星传动装置均载分析 f 0 。= k 。f 0( 3 3 ) 妫越大说明载荷分配越不均匀，要传递相同大小的功率就需要更大尺寸的齿 轮，另外由于运转时各啮合处载荷大小的周期性交替变化，还会产生较大的冲击、 振动和噪音等现象。故设法减小k ，即设法使各行星轮均匀分担载荷成为研究行 星传动的关键课题之一。 3 1 2 各种类型的均载机构 为解决行星轮传动装置的均载问题，己采用了多种形式的均载机构，对于机 械均载系统，其结构类型可分为静定系统和静不定系统”1 1 2 1 。 静定系统 静定系统的均载原理是通过系统中附加的自由度实现均载。多行星轮的行星 机构是具有虚约束的机构，由于各种制造误差及安装误差的存在，这些虚约束将 变成真约束，从而使各行星轮之间的载荷分配及啮合面沿齿宽方向的载荷分布均 不能均衡。静定系统就是通过增加机构的自由度来消除或减少虚约束，从而达到 均载目的。 1 ) 机构静定度分析 行星齿轮传动机构静定状态的分析是以空间机构自由度计算公式为依据的： w = 6 n ( 3 4 ) 式中：机构的自由度； 口机构的运动构件数； 血运动副的级别( 即运动副的约束数) ； 只级别为k 的运动副数目。 机构的实际静定度为s ： s = 缈一w ( 3 5 ) 式中机构的运动输出构件数。 一般s 0 ，静定系统就是通过增加机构的自由度，减小s 的值，使s 等于或 接近于零。 2 ) 基本构件浮动的均载机构 所谓”浮动”是指某基本构件不加径向支承，允许作径向及偏转位移，当受载不 均衡时即可自动寻找平衡位置( 自动定心) ，直至各行星轮之间载荷均衡分配为止。 实质上也就是通过基本构件浮动来增加机构的自由度，消除或减少虚约束，从而 达到均载目的。基本构件浮动最常用的方法是采用双齿( 和单齿) 式联轴器。三 个基本构件( 太阳轮、内齿轮及行星架) 中有一个浮动即可起到均载作用，两个基本 构件同时浮动时，效果更好。这类均载机构在行星轮个数等于3 时，均载效果很 蛾 m 重庆大学硕士学位论文 3 行星传动装置均载分析 好，但随着行星轮数的增加，其均载能力将显著下降。 3 ) 杠杆或流体f 1 3 】1 4 】联动的均载机构 这类机构是将各行星轮轴通过连秆或液压管路构成封闭的联动系统。在行星 轮受力不均衡时，可通过杠杆或液压系统的联锁动作自行调整达到新的平衡位置。 这种类型的均载机构适用于行星轮数n p = 2 4 的2 k h 型传动，均载效果很好，对 传动零件制造精度的要求也相对较低。其缺点是结构较为复杂。 静不定系统 1 ) 完全刚性的均载系统 这种系统完全依靠构件的高精度，即通过降低其零件的制造及装配误差来保 证均载效果。这种均载方法将使得行星机构的制造和装配变得非常困难和复杂， 且成本较高。 2 ) 采用弹性原件的均载机构 这种机构主要是通过弹性原件的弹性变形使各行星轮之间的载荷得到均衡。 优点是具有良好的减振性，结构比较简单；缺点是载荷不均衡系数与弹性件的刚 度及总制造误差成正比。弹性均载的形式很多，常见的有：内齿轮弹性均载、太 阳轮弹性均载、行星轮弹性均载。 3 ) 油膜均载机构9 1 。 1 2 】 行星齿轮油膜均载方法是在行星齿轮和其轴之间装入一个和行星轮共转的中 间浮动环，即共转滑动轴承。在共转滑动轴承