锥齿轮换向器说明书毕业论文.doc

内蒙古工业大学本科毕业设计说明书锥齿轮换向器说明书毕业论文目录绪 论11.1课题的研究背景11.1.1齿轮传动发展史11.1.2 参数化与特征建模理论及其齿轮CAD系统的发展概况21.2意义和研究内容及方法51.2.1 课题研究的意义51.2.2 课题研究的内容6第二章 UG软件的介绍72.1UG软件概述72.1.1 UG软件CAD模块72.1.2 UG软件CAE模块9第三章 标准直齿锥齿轮及轴的相关计算103.1 标准直齿锥齿轮的几何参数相关计算103.1.1选定齿轮精度等级，材料及齿数103.1.2 锥齿轮的初步设计103.2 锥齿轮传动的强度校核123.2.1齿根抗弯疲劳强度校核123.3 轴的相关设计计算133.3.1 输入轴结构与强度计算133.3.2 输出轴的结构设计18第四章 直齿锥齿轮的数学模型的建立与参数化建模214.1 齿轮常用的齿形曲线渐开线214.2 建模思路234.3 建模过程234.3.1 建立渐开线齿廓曲线234.3.2 直齿锥齿轮的建立25第五章 基于有限元锥齿轮传动机构仿真分析305.1 引言305.2 有限元法基本原理305.3 轴的有限元分析315.3.1 仿真模型简化315.3.2 有限元分析步骤31总 结36参考文献37谢 辞38第一章 绪论随着现代科学技术的发展，人们不断开发研制出结构更为复杂，规模更加庞大，加工更加精密，成本投入更高的产品和设备。这一切都要求工程师在设计阶段就能精确地预测出产品和设备的技术性能，需要对结构的静、动力强度以及环境温度等技术参数进行分析计算。计算机技术在机械设计领域的日益广泛的应用，使上述要求实现成为可能。本文主要利用机械设计、机械原理知识、机械制图知识以及UG软件对锥齿轮换向器进行结构设计和有限元分析。本章首先就课题的来源、背景进行了说明，明确了课题研究的目的和意义，给出了课题研究的主要任务和内容。1.1课题的研究背景锥齿轮广泛应用于机械产品之中，如汽车、机床、航空和工程机械传动系统。齿轮传动是机械传动的重要装置，具有质量小、体积小、传动比大和效率高等优点，己广泛地应用于汽车、船舶、机床、矿山冶金等领域，它几乎适用于一切功率和转速范围。目前齿轮传动技术已成为世界各国机械传动发展的重点之一。齿轮设计在齿轮制造应用过程中占有重要地位。传统的齿轮设计过程繁冗，效率低，采用传统的设计方法设计一组较为合理的齿轮副要反复修正参数、多次校核计算，花费很长时间才能实现。另外，齿轮类零件的绘图工作(包括几何绘图、标注、参数表填写等内容)也是一项繁杂而费时的工作。但齿轮类零件大部分具有相似的结构和形状，在新产品的设计和图纸绘制过程中，不可避免地要多次反复修改，进行零件形尺寸的综合协调和优化。这时寻求一种简便、合理的设计方法，提高设计工作效率，是齿轮设计工作者的迫切愿望。因此，借助UG的CAD技术实现其绘图过程的参数化和自动化，对于提高设计效率和保证设计质量具有重要意义。1.1.1 齿轮传动发展史齿轮传动是近代机器中最常见的一种机械传动方式，形式很多，应用广泛，是传递动力和运动的主要部件，是机械产品中一类重要的零部件。与带、链、摩擦、液压等机械传动相比，具有功率范围大、传动效率高、圆周速度高、传动比准确、使用寿命长、结构紧凑等一系列特点。因此，它己经成为许多机械产品不可或缺的传动部件，也是机器中所占比重最大的传动形式。齿轮的设计与制造水平将直接影响到机械产品的性能和质量。由于齿轮在工业发展中的突出地位，致使齿轮被认为是工业化的象征。齿轮传动技术经历了漫长的历史发展过程。公元前400200年，我国古代就开始用齿轮，在山西出土的青铜齿轮是迄今发现的最古老齿轮，作为反映古代科学技术成就的指南车就是以齿轮机构为核心的机械装置。20世纪以来，科技人员对于齿形曲线进行了更加深入地研究，加上新的加工方法和技术手段的出现以及制造工艺和水平不断提高，齿轮传动获得更快发展，先后发明了圆弧齿形齿轮、双圆弧齿形曲线齿轮，制造出斜齿、弧齿、蜗杆等多种类型，使得齿轮应用范围更广、承载能力更大、传递精度更高、传递速度更快，已经成为工业发展的基础。1.1.2 参数化与特征建模理论及其齿轮CAD系统的发展概况 1.参数化与特征建模理论的发展概况建模技术是CAD的核心技术，参数化造型技术和特征造型技术是新一代继承化CAD系统应用研究的热点理论，也是锥齿轮参数化造型的基础理论依据，对齿轮建模和系统设计起着指导性作用。另外，研究国内外齿轮CAD参数化设计的发展状况，可以借鉴前人的研究成果，对锥齿轮的参数化研究有一定的指导意义。特征是80年代中后期为了表达产品的完整信息而提出的一个概念，它是对诸如零件形状、工艺和功能等与零件描述相关的信息集的综合描述，是反映零件特点的可按一定的规则分类的产品描述信息。这表明:特征不是体素，不是某个或几个加工表面;不是完整的零件;对于制造特征，其分类与其加工工艺规程密切相关，用不同的加工方法加工实现的表面或零件，要定义成不同的特征。描述特征的信息中，除表达形状的几何信息及约束关系信息外，还包括材料、精度等制造信息，通过定义简单的特征还可以生成组合特征。一个完整的产品模型不仅是产品数据的集合，还反映出各类数据的表达方法以及相互之间的关系。只有建立在一定表达方式基础上的产品模型，才能有效地为各应用系统所接受和处理，作为完整表达产品信息的产品信息模型。 参数化设计是新一代智能化、集成化CAD系统的核心内容，也是当前CAD技术的研究热点。参数化设计技术以其强有力的草图设计、尺寸驱动修改图形的功能、成为初始设计、产品建模及修改、系列化设计、多种方案比较和动态设计的有效手段。目前，直齿圆柱齿轮方面的基于特征的参数化设计理论己经非常成熟，设计资料也很丰富。2.齿轮CAD系统的国内外发展概况近年来，优化设计和CAD应用在国外发展很快。在新产品设计方面普遍进行参数优化。这样它们在追踪市场、缩短技术准备周期，保证产品性能方面占了很大优势。在我国，一些企业和研究所在这方面刚刚起步，大多数工程技术人员仍然在采用手工绘图，“甩图板”的工作仍很艰难。有的企业在购置普遍生产设备方面很慷慨，但在购置计算机硬件以及软件方面却显得“小家子气”。目前，市场上有很多关于齿轮传动的设计系统，但是都或多或少地存在着不完善的地方。例如，有的软件只具有几何参数设计功能，后来即使实现了齿轮造型的功能，模型却非常粗糙，甚至是使用圆弧等简单曲线代替渐开线对齿廓曲线进行造型，不能很好的表达渐开线齿廓的几何特性;还有一些软件没有充分地注重设计者的主观能动性，表现在:一些经验参数的选取直接采用了系统默认值，当输入的唯一初始值时，只能设计出唯一的一个结果;少数单位也开发了较为完整的齿轮设计软件，虽然比较适于生产实际的需要，价格却很高。因此在生产实际中，很多设计人员为了在特定的要求下进行齿轮的设计和造型，仍然使用手动设计这一古老的方法，这种方法工作量大、效率很低、容易出错。塑料齿轮模具的广泛应用和快速成型及虚拟制造技术的迅速发展，用小型CAD软件对齿轮三维基体和齿面进行参数化造型设计己成为设计者的迫切需求。(l)齿轮类零件参数化CAD二维设计研究现状关于齿轮类零件参数化二维计算机辅助设计，国内外很多学者进行了研究。运用AutoCAD进行二维设计存在着工作量大、不直观、容易出错、难于修改的缺点。实际上，基于AutoCAD的二维设计技术还不能算是一种严格意义上的设计技术，它只能说是一种辅助绘图技术。它虽然能将工程设计人员从繁重的手工绘图工作中解放出来，但对复杂投影线的生成、设计模型修改以后的图纸更新等问题，基于AutoCAD的二维设计技术是无法做到的。(2)齿轮类零件参数化CAD三维设计研究现状三维造型在可视化设计、装配设计、设计分析、加工仿真等方面有着二维设计无法比拟的优越性，是提高设计质量的重要手段。目前，以三维实体造型为基础的CAD在我国方兴未艾，国际著名的CAD软件商纷纷登陆中国市场，国内许多大学、科研院所也着力于各种CAD平台的二次开发以及自主知识产权的CAD软件开发，各种三维CAD软件不断出现。在我国市场上推出的商品化软件中，比较优秀的国外软件有UG、Solidworks、Pro/Engineer、EATIA等。关于齿轮类零件参数化三维计算机辅助设计，国内外不少学者进行了研究，李新华分析了SolidEdge软件在齿轮设计中存在的不足，以VBA作为开发工具，根据特征参数化造型思想，开发出了基于特征的参数化齿轮系统生成模块，提高了绘图效率。王穗选用大型软件I一DEAS作为开发平台，通过选择齿轮系各零部件有关的基本结构形式参数和主要的结构尺寸参数建立起各零部件及子系统的简化模型库。朱凤芹在Pro/E环境下实现了直齿圆柱齿轮的参数化设计，只要改变相关参数就可以得到不同参数的齿轮，达到缩短齿轮设计周期、减少重复工作的目的。刘文生通过阐述基于Pro/E模型的参数化设计方法，介绍了参数化设计的基本原理和功能，给出了在Pro/E下实现二次开发的过程和技术，并通过圆柱齿轮的参数化设计实例详细阐述了设计的步骤及关键技术。梁琪针对工业生产领域中常用的齿轮零件，依据渐开线生成的基本原理和理论公式，提出了在Pro/E环境下生成渐开线齿轮轮廓曲线的方法;利用Pro/PROGRAM模块通过提取、控制渐开线齿轮零件的参数实现了三维参数化设计，同时根据零件系列化的特征，以三维零件模板进一步衅了零件族表，解决了齿轮齿廓的精确造型和齿轮零件的系列化设计问题。为不同工业产品参数化、系列化设计提供了参考方法。程相文介绍了ProE/Wildfire的参数化功能，依据斜齿轮的形成原理，精确建立了斜齿轮的三维模型。宋瑞芳结合计算机辅助工业CAD/CAM的需要，介绍了在Solidworks中实现参数化齿轮三维造型的技巧和方法。应用此方法可以在Solidworks环境下完成齿轮的参数化三维造型设计。锥齿轮在几何形状上非常复杂，其设计和制造方法密切相关，加工中的切齿调整方案直接影响着齿轮副的啮合质量。我国在生产中广泛使用的用于锥齿轮设计与加工的各种计算和计算机软件大多停留在20世纪70年代初期的水平，其切齿计算中的控制参数多，不易操作使用，切齿计算结果在很大程度上取决于操作者的经验和技术水平。由此可见，关于锥齿轮的设计讨论对于提高我国锥齿轮的设计水平、降低研制成本、提高产品质量，具有重要的理论和实践意义1.2意义和研究内容及方法1.2.1 课题研究的意义锥齿轮在航空传动中有广泛的应用，在飞行器的动力装置中占有很重要的地位。锥齿轮传动在设计和生产方面与普通机械中应用的齿轮既有相同之处，又有很大差别。例如:在保证飞行安全可靠性的前提下，要求单位质量轻、传递功率大、齿轮圆周速度高、精度高、工作平稳性高。传统的成形技术基本上都建立在经验和实验数据基础上，制定一个新的零件成形工艺在生产时往往还要进行大量修改调试。近年来，人们对普通齿轮的计算机辅助设计进行了较深入的研究，而对锥齿轮的CAD研究进行得比较少。以往虽然人们对锥齿轮的计算机辅助设计也进行过研究，编制过相应的软件，但由于受当时计算机技术发展水平的限制，软件的质量比较低，使用也不太方便。随着计算机软硬件技术的发展，特别是非线性问题的计算技术发展，使成形过程的模拟分析和优化成为可能。虽然我国在这方面己经进行了大量研究，一些单位也研制了一些软件，但由于投入不足，形成商业软件的匾乏。目前国内外对二维图形参数化和简单三维实体的参数化造型较为成熟。对复杂的三维实体的参数化造型尚不多见，特别是锥齿轮这类形状复杂、精确齿形的三维实体参数化造型设计更少。其原因是:一方面锥齿轮二维图形参数化设计能够满足传统的齿轮加工要求，另一方面运用低级CAD软件对复杂的三维实体很难实现参数化虚拟造型设计。随着塑料齿轮的广泛应用和快速成型与虚拟制造技术的迅速发展，用大型的三维软件实现锥齿轮的参数化造型将成为设计者的迫切需求。锥齿轮实体参数化造型的意义:(l)齿轮传动的参数化设计与建模系统是CAD技术与齿轮设计相结合的产物，也是两者发展的趋势所在。(2)实现设计过程自动化避免了设计人员手动查阅大量的数据，也避免了手工取点造型的复杂过程，本系统的开发，可以将手算设计的工作人员从繁琐、低效的工作中解放了出来。(3)实现锥齿轮的参数化设计以及渐开线齿廓的精确造型，可以将设计计算、三维造型与绘制工程图的无缝结合，同时为齿轮的有限元分析、机构仿真和数控加工等工作奠定基础。1.2.2 课题研究的内容本课题利用大型软件 UGNX6.O来设计锥齿轮传动机构，一是锥齿轮的三维参数化造型和整个结构的装配；二是利用建立的模型进行齿轮啮合的分析研究。围绕这两个中心，主要完成了以下工作:1.根据所研究的机构需要，深入学习UG软件的CAD/CAE模块。2.在建立锥齿轮齿换向器机构之前，进行对齿轮和其他零部件的几何参数和强度的结构设计计算。3.研究直齿锥齿轮的基本啮合理论和建立渐开线数学模型，为锥齿轮的三维建模、奠定基础；4.对锥齿轮换向器的零部件进行建模；5.对整个伞齿换向器的零部件进行总体装配；6.利用已生成的几何模型建立有限元模型，确定约束及载荷条件，建立物理求解模型进行求解。 第二章 UG软件的介绍 UG软件概述UG是一个优秀的机械CAD/CAE/CAM一体化高端软件，它基于完全的三维实体复合造型、特征建模、装配建模技术，能设计出任意复杂的产品模型，再加上技术上处于领先地位的CAM模块、内嵌的CAE模块，使CAD、CAE和CAM有机集成，可以使产品的设计、分析和制造一次性完成。它是当今最先进的计算机辅助设计、分析、制造软件，广泛应用于航空、航天、汽车、造船、通用机械和电子等工业领域。2.1 UG软件CAD模块CAD模块包括了实体建模、特征建模、自由形状建模、装配建模和制图等基本模块。1.UG实体建模(UGSO1id Modeling)该模块将基于约束的特征建模和显示几何建模方法无缝地结合起来，提供了强有力的“复合建模”工具，使用户可以充分利用传统的实体、面、线框造型优势。在该模块中，可建立二维和三维线框模型、扫描和旋转实体以及进行布尔运算及参数化编辑。另外，该模块还提供用于快速概念设计的草图工具和一些通用的建模、编辑工具。2.UG特征建模(UG/Features Modeling)该模块用工程特征定义设计信息，并提供了多种标准的设计特征，如孔、槽、型腔、凸台、柱体、块体、锥体、球体、管道体、倒圆角和倒直角等，还可控主实体建立薄壁件。各设计特征可以用参数定义，其尺寸大小和位置均可以被编辑。用户白定义特征会存储在公共目录下，可以被添加到其他设计模型中。各特征可相对于其他特征或实体定位，也可被引用来建立相关特征组。3.UG自由曲面建模(UG/Freeform Modeling)该模块用于建立复杂的曲面形状，如机翼、进气道和其他工业产品的造型设计。它将实体建模和曲面建模的技术合并，组成一个功能强大的建模工具组。此建模技术包括沿曲线扫描，用标准二次曲线建立二次曲面体，并能在两个或更多实体间用桥接的方式建立光滑的连接曲面。它还可以用逆向工程的方法，通过曲线喘网格来定义曲面和通过点集来拟合曲面。另外，用户还可以通过修改所定义的曲线、改变参数值和用数学规律来编辑修改。4.UG用户自定义特征(UG/User-Defined Features)该模块用自定义特征的方式建立零件族，易于用户送行调用和编辑。它提供了一些常用工具，如允许用存在的参数化实体模型建立特征参数之间的关系，定义特征变量、设置缺省值，以及确定调用特征时所采用的一般形式等工具。用户自定义特征建立以后，被存放在一个目录中，可供用户访问。当用户自定义特征被加入到设计模型后，可用常规的特征编辑方法对该模型的参数进行编辑修改。5.UG工程制图(UGDrafting)该模块使设计人员可以方便地获得与三维实体模型完全相关的二维工程图。UGDraoing支持工业上颁布的主要制图标准，如州SIASME、ISO、DIN、JSIS和我国的GB标准。6.UG装配建模(UGAssembty Modeling)该模块提供了并行的、自上而下和自下而上的产品开发方法。在装配过程中，可以进行零部件的设计和编辑。零部件刘灵活地配对和定位，并保持其关联性。装配件的参数化建模，还可以描述各部件之间的配对关系。这种体系结构允许建立非常庞大的产品结构，并在各设计纪之间进行共享，使产品开发组成员能够并行工作。7.UG/高级装配UG高级装配模块提供了数据装载控制功能，允许用户对装配结构中的部件进行过滤分析，可以管理，以完成一个复杂产品的全数字化装配过程。它提供的各种工具可对整个产品、指定的子系统或零件进行装配分析和质量管理。在进行间隙检测的过程中，其检测结果可保存备用。在需要的时候，该模块还可对硬干涉进行精确定位。当要对一个大型产品的部分结构进行修改时，该功能还可以定义区域和组件集，以便于快速修改。8.UGWaveUG Wave提供了一个参数化产品开发平台，它将概念设计与详细设计贯穿到整个产品的设计过程。wave技术可对产品设计进行定义、控制和评估，通过定义几何形体框架和关键设计变量，表达产品的概念设计，通过多数化的编辑控制结构，使不同的设计概念可以被迅速地分析和评估。控制结构中的关键几何模型，可链接拷贝到经过详细设计的产品装配中。这样，在后续的产品开发过程中，允许高级概念设计中的变化与整个产品设计改变相关联。2.2 UG软件CAE模块UG将世界上最成功的CAE应用技术融汇到自己的系统中来，形成了功能强大的分析模块。1.UG/有限元分析（UG/Scenario for FEA）该模块是一个集成的、相关的、直观的CAE工具，它能快捷地对UG的零件和装配部件进行前、后处理。该产品作为设计过程的一个集成部分，用于评估各种设计更改方案或“Scenario”的性能。这种分析结果是一个工程预测的过程，它可以优化产品设计、提高产品质量、缩短产品上市的时间。用于有限元分析的UG/Scenario for FEA提供了将几何模型转换为有限元模型以及图形化评估分析结果的能力。一个可选的集成的求解器UG/FEA，可以进行线性静力分析、模态分析和稳态热分析。2.UG/有限元（UG/FEA）该模块是一个有限元分析求解器，它与UG/Scenario for FEA的前、后处理能力紧密地集成在一起。这两个产品为在Unigraphics环境里进行建模与分析提供了一个完整的解决方案。UG/FEA为概念设计提供了广泛的求解类型，包括线性静力、标准模态、稳态热传递和线性屈曲分析，同时还支持装配部件，包括间隙单元的分析。对薄壁结构和梁的尺寸优化是一种可选的功能。UG/FEA支持的材料类型有正交各向同性、正交各向异性和各向异性。另外，在求解中可以定义与温度相关的材料特性。3.UG/注塑模分析（UG/MF Part Adviser）该模块是一个易用的、全塑流的注塑模分析系统，它集成在UG中，具有前处理、解算和后处理能力，并提供了在线求解器和完整的材料数据库。分析结果将动态显示注塑过程中的流动、填充时间、焊线位置、气井、填充的可靠度、注塑模压力和降温过程。使用该模块可以帮助模具设计人员确定其注塑模设计是否合理，不合适的注塑模几何体会被很容易地查出来并给予修正，从而生产出高质量的注塑模。第三章 标准直齿锥齿轮及轴的相关计算设计齿轮传动时，考虑到锥齿轮传动的可能发生的各种失效形式，如：点蚀、片蚀、胶合、断损、断齿和塑性变形，应使齿面具有较高的抗磨，抗点蚀，抗胶合及抗塑性变形的能力，而齿根要有较高的抗折断的能力。因此，对齿轮材料性能的基本要求为：齿面要硬，齿芯要韧。3.1 标准直齿锥齿轮的几何参数相关计算齿轮传动的参数设计的目的是确定齿轮的最基本的参数值，以便确定齿轮的基本框架，方便齿轮传动的下一步的设计。3.1.1选定齿轮精度等级，材料及齿数按该换向器的速度和承载能力，选用8级精度。1.材料选择：该装置采用闭式，由机械设计表10-1选得两齿轮的材料为45#，并经调质及表面淬火，齿面硬度为250HRC2.初选两齿轮的齿数为：Z1=Z2=50，传动比=13.1.2 锥齿轮的初步设计1.设计公式：由机械设计10-26齿面接触疲劳强度设计公式 （3-1）试选载荷系数 =1.6轮传动的转矩 （3-2）查机械设计取=0.3，由表10-6弹性影响系数=189.8根据循环次数公式设机械使用寿命10年，每年按300天计算，每天工作10小时： (3-3)查机械设计图10-19确定疲劳寿命系数=0.93 查图10-21得疲劳极限应力=600 取失效概率为1%安全系数S=1.0由机械设计10-21得 (3-4) 齿数比u=1估算结果 (3-5) 查机械设计表10-2齿轮的使用系数：=1.0, 表10-8齿轮的动载系数：=1.24 由锥齿轮特性取,齿向载荷分布洗漱计算公式 ，表10-9查取： 则 由载荷系数 （3-6）由公式10-10a得按实际载荷系数校正所算得的分度圆直径 （3-7）通过模数计算公式 （3-8） 取大端模数标准值则m=92.几何参数计算取大端参数为标准值，其压力角： （3-9）齿顶高系数： （3-10）顶隙系数： （3-11）齿数： Z1=Z2=50 （3-12）大端模数： =9 （3-13）分锥角： =arctan(Z1/ Z2) （3-14）大端分度圆直径： = Z1= （3-15）外锥距： （3-16）齿宽系数：取齿宽： （3-17）圆整齿宽 b=95mm中点模数：= （3-18） 中点分度圆直径: （3-19）顶隙： （3-20）大端齿顶高： （3-21）大端齿根高： ） （3-22）全齿高： ） （3-23）当量齿数: （3-24）当量齿轮分度圆直径： （3-25）当量齿轮顶圆直径： （3-26）当量齿轮基圆直径： （3-27）当量齿轮根圆直径： （3-28）3.2 锥齿轮传动的强度校核在前面的参数选取中，有一些参数是按照经验来选取的，必须进行强度校核。对于闭式传动，一般按照齿面接触强度设计；对于开式传动，按照齿根弯曲轻度设计，用适当降低许用应力或者增大模数来增加齿厚，以便增加磨损的储备量。 本文齿轮设计是按照齿面接触疲劳设计的，故无需进行齿面齿面接触疲劳强度校核，只需要对其进行齿根弯曲疲劳强度进行校核。3.2.1齿根抗弯疲劳强度校核 确定弯曲强度载荷系数: （3-29）计算当量齿数： (3-30) 查机械设计表10-5得, 计算弯曲疲劳需用应力：，取安全系数=1.4，由图10-18取=0.90，由图10-21c取=450 MPa 则= (3-31)按校核弯曲疲劳强度条件公式校核则 (3-32)满足弯曲疲劳强度，所选参数合格。3.3 轴的相关设计计算 设计初步设想换向器在竖直和水平双方向都可以使用，即箱体零件不用重装只改变箱体箱体方向就可实现互换。故两个轴均可作为输入和输出，计算时令通轴作为输入轴（即轴2），轴1作为输出轴。3.3.1 输入轴结构与强度计算1.求作用在齿轮上的力圆周力： (3-33)垂直于分度圆锥母线的分力： (3-34) 径向分力 (3-35) 轴向分力： (3-36)法向载荷： (3-37) 式中与及与大小相等，方向相反。2.初步确定轴的最小直径和配合方案图3-1 输入轴及其配合的零部件拟定轴上零件的装配方案，如图3-1。 齿轮、套筒、左端轴承、联轴器依次从轴端左端装入，仅右端轴承和轴承端盖从右端装入。选择轴的材料为45钢，经调质处理。其力学性能由机械设计手册得：，。参考机械设计式15-2，即，初步估算轴的最小直径。选根据表15-3，取，于是得 (3-38) 轴的最小直径显然是安装联轴器的直径，需要开键槽，故将最小轴径增加5%变为78.33mm。查机械设计手册，取标准直径80mm。3.联轴器的计算：轴上锁支撑的零件主要是齿轮、轴端联轴器以及轴承。轴端联轴器选用弹性柱销联轴器，取载荷系数,则联轴器的计算转矩为 (3-39)根据计算转矩、最小轴径，查机械设计手册和标准GB5014-2003，取联轴器型号LX7型弹性套柱销联轴器，J型轴孔。其公称转矩为，半联轴器的孔径，半联轴器的毂孔长度。4.初选轴承 由于轴承同时受有径向力和轴向力作用，故选圆锥滚子轴承。根据工作需求及输入端的最小轴径为80mm，因此轴承直径为90mm，查机械设计手册取30218的滚动轴承，其尺寸（内径外径宽度）为dDb=90mm160mm30mm。5.轴的结构设计C确定轴的平面简图如3-2图3-2轴2平面简图.根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度1) 由于联轴器型号已定，左端是用轴肩定位，故-轴段直径即为相配合的半联轴器的直径，取为80mm。轴端-的长度比半联轴器的毂孔长度（132mm）要短2-3mm，这样可摆正轴端挡圈只压在轴的端面上，故改轴段的长度去130mm。2) 轴段-C和-E均放置滚动轴承，所以耗子精鱼滚动轴承内圈直径一样为90mm。轴段-C要放置定位齿轮套筒（长度为20mm），考虑到箱体铸造误差，轴承据箱体内壁为10mm，故轴段-C的长度为20mm+10mm+30mm=60mm。轴段-E长度即为滚动轴承的宽度为30mm。3) 联轴器是靠轴段-的轴肩进行定位的，为了保证定位可靠，轴段-要比轴段-直径大5-10mm，故取轴段-的直径为85mm。轴段-要放轴承端盖（端盖总宽度为28mm）。根据轴承端盖的装拆既便于对轴承添加润滑脂的要求，取端盖外面与联轴器左端面间的距离为20mm。故轴段-长度为28mm+20mm=48mm。4) 轴段C-考虑拆卸方便，只要别轴段-的直径大5mm，故取95mm。轴段C- 的长度要比齿轮的宽度短2-3mm，故取105mm。5) 轴段-为了定位齿轮安全可靠，应比轴段C-大5-10mm，故取轴段-100mm，长度为30mm。6) 轴段-的直径应比轴段-E直径大2-3mm，从而利于轴段-E的轴承定位，故取93mm，已知箱体内壁之间距离为660mm，故轴段-的长度为660mm105mm-30mm-20mm+10mm=515mm（内壁之间距离-齿轮的宽度-套筒的宽度+右端轴承定位时与内壁的距离。.轴上零件的周向定位齿轮与轴的周向定位均采用平键联接由C-，机械设计手册查得：该处的键公称尺寸，键槽：轴，半径，键长度。如图3-3。bhdtt图3-3 键与轴配合截面图 平键的校核对于采用常见的材料组合和按标准取尺寸的普通平键联接，其主要失效形式是工作面被压溃。因此，通常只按工作面上的挤压应力进行强度校核计算。假定载荷在键的工作面上均匀分布，普通平键联接的强度条件为： (3-40)作用在键上的力矩： (3-41)键与轮毂键槽的接触高度： (3-42)键的工作长度： (3-43)轴的直径:于是 (3-44)经查机械设计表6-2，轻微冲击，故安全4.按弯扭合成强度条件校核轴画出轴的力学模型，如图3-4。 齿轮上所受的各力圆周力： (3-45)周向力： (3-46)径向力： (3-47)计算支撑反力水平面支撑反力：(3-48) (3-49)垂直面支撑反力： (3-50) (3-51).画弯矩图，转矩图，计算弯矩图，水平弯矩图：见图3-4（c） (3-52)垂直弯矩图：见图3-4（e） (3-53) （3-54）合成弯矩图见图3-4（f） (3-55) (3-56)转矩图见图3-4(g) （3-57）计算弯矩图见图3-4（h）转矩按脉动循环变化处理，即， （3-58） （3-59）进行校核时，通常只校核轴行承受最大玩具和扭矩的截面（即危险截面D）的强度，根据机械设计或15-5及以上的数值，抗弯截面系数： (3-60)轴的计算应力： (3-61) 前已选定轴的材料为45号钢，调质处理，经查，因此，故安全。1351 25.2525.2(a)(b) (c) (d)(e)(f)(g)(h)图 3-4 力的模型及弯扭距图3.3.2 输出轴的结构设计1.求作用在齿轮上的力圆周力： (3-62)垂直于分度圆锥母线的分力： (3-63) 径向分力 (3-64)轴向分力： (3-65)法向载荷： (3-66)式中与及与大小相等，方向相反。 图3-5 悬臂梁的平面草图2.轴的结构设计.拟定轴上零件的装配方案，如图3-6。齿轮、套筒、右端轴承、依次从轴端右端装入，联轴器、左端轴承和轴承端盖从左端装入。图3-6 输出轴及其配合的零部件.根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度1) 由于联轴器型号已定，左端是用轴肩定位，故-轴段直径即为相配合的半联轴器的直径，取为80mm。轴端-的长度比半联轴器的毂孔长度（132mm）要短2-3mm，这样可摆正轴端挡圈只压在轴的端面上，故改轴段的长度去130mm。2) 联轴器是靠轴段-的轴肩进行定位的，为了保证定位可靠，轴段-要比轴段-直径大5-10mm，故取轴段-的直径为85mm。轴段-要放轴承端盖（端盖总宽度为28mm）。根据轴承端盖的装拆既便于对轴承添加润滑脂的要求，取端盖外面与联轴器左端面间的距离为20mm。故轴段-长度为28mm+20mm=48mm。3) 轴段-放置为圆锥滚子轴承故直径为90mm，长度为轴承宽度30mm。4) 轴段-为了定位轴承故只需比轴段-大2-4mm，故取94mm，考虑轴的平稳型和可靠型参考机械设计手册确定长度为100mm。5) 轴段-放置轴承，故直径为90mm，其上还放有定位齿轮轴套（宽度为20mm）轴承端距箱体内壁10mm，故其长度=30mm+20mm+10mm=60mm6) 轴段-放置齿轮，考虑定位可靠其应比轴段-小5-10mm，故其轴径取85mm，其长度为其齿轮毂孔长度短2-3mm故长度为105mm。 轴1和轴2上的轴承、平键以及端盖均选用同一样的型号。第四章 直齿锥齿轮的数学模型的建立与参数化建模首先分析渐开线齿形曲线的特性，建立了相应的渐开线数学模型，以此指导渐开线齿廓的参数化建模。其次，在上述研究的基础上建立直齿圆锥齿轮的学模型，并运用 UG实现各种齿轮的三维参数化造型。4.1 齿轮常用的齿形曲线渐开线1.渐开线的形成的原理当有一条直线(常称发生线)在一个半径为rb的固定圆的圆周上作纯滚动时，如图3-2，直线上任意点A的运动轨迹线AA。就是形成的渐开线。图中半径为rb的固定圆称为渐开线的基圆。由图可知，当发生线在基圆上做纯滚动时，发生线上的一些任意点如B、C都会展出渐开线。尽管这些渐开线的位置不同，但渐开线的形状相同，如图4-1所示。渐开线齿轮的轮齿齿形就是由两条对称的渐开线所形成。 图4-1渐开线的形成2.渐开线特性(l)渐开线自基圆开始，基圆外面才有渐开线，基圆以内无渐开线。(2)渐开线上任意点的法线必切于基圆，切于基圆的直线必为渐开线上一点的法线。(3)发生线与基圆的切点G。是渐开线在点A的曲率中心，线段AG。是渐开线在点A的曲率半径，渐开线上越接近基圆的点，其曲率半径越小。(4)同一基圆上任意两条渐开线之间各处的公法线长相等。(5)渐开线的形状取决于基圆的大小。在相同展开角处，基圆半径越大，其渐开线的曲率半径越大，当基圆半径为无穷大时，其渐开线变成直线。故齿条的齿廓曲线就是变为直线的渐开线。(6)渐开线上任意点的法线长度(也是曲率半径)等于发生线在基圆上滚过的弧长。3.齿轮的齿形曲线对于定传动比的齿轮机构，选择的齿形曲线除了要满足定传动比外，还必需从设计、制造、测量、安装及使用等方面综合考虑。其中渐开线齿形能够较为全面地满足上述方面的要求，渐开线齿形的优点如下:(l)渐开线齿形能够保证瞬时传动比不变。(2)渐开线齿轮传动具有“可分离性”。渐开线齿轮传动，如果把两轮的中心距离稍微增大或减小些，此时，两轮的啮合时的传动比仍能保持不变。即:渐开线齿轮的瞬时传动比不因中心距稍有变化而发生变化。这种性质称为渐开线齿轮传动的“可分离性”。(3)因为渐开线的形成原理较其它齿形曲线简单，并可用直线廓形的工具进行加工，所以制造精度也容易提高。(4)互换性好。渐开线齿轮只要模数和压力角相同都可以互换。加工刀具的通用性也广，一种模数的刀具可加工任意齿数的齿轮。而其他齿形曲线的齿轮基本上没有互换性，常成对调换，并且加工刀具都为专用刀具，设计制造的工作量大。故目前绝大部分的齿轮都是采用渐开线作为齿形。渐开线齿轮的齿形有着严格的数学方程轨迹，造型复杂，而一般的软件均不提供渐开线和其他高级曲线的功能。目前，绘制渐开线齿轮齿形的方法有三种，一种是用圆弧近似代替渐开线，这样虽然能够近似画出齿轮轮廓，但存在如下缺点:绘制过程复杂，费时并且容易出错;修改过程困难，不能形成系列化修改不能直接在图中得出渐开线的相应数据。第二种方法是先调用绘制工程图形的专用软件，然后把图形文件导入CAD系统。如果只是为了绘制渐开线而花高价钱购买专用软件显然不合算。第三种方法是利用CAD的二次开发工具来实现渐开线齿轮齿廓的精确绘制，此种方法能够比较精确的绘制出渐开线齿轮齿廓。此次我们就使用这种方法来绘制渐开线齿轮齿廓。4.2 建模思路首先利用UG中的规律曲线(Law Curve)功能生成齿廓曲线渐开线,然后利用扫掠和抽取几何元素特征操作,建立锥齿基本齿形,接着对该齿形和锥台进行求和特征操作、阵列操作得到相应的直齿锥齿轮三维模型。4.3 建模过程4.3.1 建立渐开线齿廓曲线建立包含齿轮基本参数,内容如下：大端模数：齿数：压力角：齿数比：分锥角：=arctan(Z1/ Z2)齿顶高系数大端分度圆直径：外锥距：=/齿宽系数：取齿宽：实际齿宽系数：中点模数：中点分度圆直径： 当量齿轮基圆直径：大端齿顶高： 大端齿根高：齿根角：齿顶角：=（采用等顶隙收缩齿）顶锥角：=+根锥角：=-当量齿轮顶圆直径： 当量齿轮根圆直径：UG系统默认变量： 渐开线展角范围：，渐开线方程（渐开线起点在X轴上）： 齿距：齿厚对应的圆心角：参数化是一种基于特征、尺寸约束、数据相关、尺寸驱动设计修改的技术。因此,如果需要绘制不同齿轮参数的齿轮,只需在此文件中修改齿轮的基本参数值,然后在UG中重新导入,即可生成参数不同的齿轮渐开线。首先在UG中输入直齿锥齿轮的各参数生成渐开线.具体方法如下:从“工具表达式”中输入参数;从“插入曲线规律曲线”进入对话框,然后点击规律函数对话框的“确定“按钮,设置以t为自变量,横坐标为xt的因变量;同理,分别设置以t为自变量,纵坐标为yt、zt的因变量,再选择原点作为参考点,即可生成渐开线,见图4-2。图4-2 渐开线的绘制用基本曲线确定当量齿轮和分度圆齿轮图形，并连接分度圆与渐开线交点到远点的直线。在X-Y平面内绘制渐开线镜像线的草图。如图4-3。图4-3 渐开线镜像线之后，在X-Y平面内绘制并修剪当量齿顶圆与两段渐开线相交所得的圆弧，以及连接坐标原点与渐开线的另两个端点，在基圆下方随意做一条直线与两直线相交，形成大端俯视截面草图。如图4-44.3.2 直齿锥齿轮的建立1.根据所输入的参数中当量齿轮分度圆半径，当量齿轮齿根圆半径，当量齿轮齿顶圆半径，分锥角，顶锥角，在不同的平面内绘制出如图4-5和4-6的草图。2.根据齿宽b的尺寸参数创建一平面，利用方法：“编辑曲线修剪”，完成最后齿形轮廓，如图4-7。3.利用方法“插入扫掠扫掠”，截面线串，引导线串，创建出一个齿外形，如图4-8。4.绕图4-6中下方平行线线作为环绕轴，截面是在大端平面内为当量齿轮齿根圆半径的一平面，创建出的一个中间的锥体，如图4-9。的图4-4齿形草图根锥角分锥角顶锥角图4-5 齿形初建立草图图4-6确定回转中心图4-7 形成轮齿的截面线和引导线图4-8 轮齿的生成图4-9 锥齿轮中间锥体的生成5.生成上图齿将锥体和一个齿作布尔运算和，将创建出来的一个齿按所选定的齿数作圆周阵列，即而创建出锥齿轮的最初的形状，并绘制草图，再次以回转中心回转，并做体修剪。如图4-10和4-11所示。图4-10回转曲线草图4-11初步确定齿轮图形6.根据结构设计需要，经添加锥体，创建基准面，经修剪体切除顶锥多余的部分，以及根据与轴配合的孔径尺寸建孔，最后完善的直齿锥齿轮如图4-12和4-13。 图4-12 标准直齿锥齿轮的生成 图4-13标准直齿锥齿轮的生成第五章 基于有限元锥齿轮传动机构仿真分析5.1 引言UG有限元分析模块是一个集成的CAE工具，可以直接将CAD模块中建立的几何模型转化有限元模型。在分析的后置处理结果中，UG有限元分析模块还能准确直观地得到所建模型各部件的应力分布情况，从而预知所设计的模型是否满足要求。有限元法