二级斜齿轮减速器.doc

- 19 -钟山职业技术学院 二级斜齿轮减速器设计 毕业设计（论文）题 目： 二级斜齿轮减速器设计 系（院）： 电与汽车工程系 专业： 机电一体化 姓 名： 严波 学号： 0709010307 校内指导教师： 邵海军 职称： 教师 校外指导教师： 蔡华 职称： 教授 年 月 日摘要: 使用CATIA三维建模软件创建二级斜齿轮减速器的三维模型,通过SimDesigner转换该模型,实现与ADAMS机械动力学仿真软件的无缝连接,在ADAMS中建立虚拟样机模型并对其进行动力学仿真,得出各齿轮轴的转速以及齿轮间的啮合力并进行分析,获得比较可靠的结果。ADAMS减速器是工作于原动机和工作机间用于降低速度、增大扭矩的一类传动装置,被广泛应用于各类机械中,在机械制造业中有着举足轻重的地位。为提高设计效率和确保减速器工作平稳,有必要对其进行虚拟样机建模以及动力学分析。CATIA是美国IBM公司和法国达索公司(Dassault System)开发的一款优秀的三维设计软件,其强大的曲面设计功能使其成为车辆、船舶以及航空航天等领域的主流CAD软件,良好的参数化设计思路也使得设计工作更为轻松。ADAMS是美国MSC公司开发的动力学仿真分析软件,能对虚拟样机进行静力学、运动学、动力学仿真分析。而SimDesigner则是MSC公司开发的CATIA与ADAMS间的数据接口,能实现两者之间的无缝联结。现结合CATIA和ADAMS两者的优点,使用CATIA进行减速器的三维建模,通过SimDesigner将其导入到ADAMS中进行虚拟仿真分析,得到比较可靠的数据,为减速器的优化设计提供依据。关键词: 虚拟样机; 二级斜齿轮减速器; CATIA;SimDesigner目录引言4第一章传动装置总体设计：51.1 组成：51.2特点：51.3 确定传动方案：51.4 选择电机51.4.151.4.2确定电机转速51.6计算传动装置的运动和动力参数：61.7设计V带和带轮：71.8齿轮的设计：81.8.1高速级大小齿轮的设计81.9轴的设计：91.11联轴器的选择：10第二章虚拟样机建模112.1斜齿轮的综述112.2斜齿轮的参数化建模122.3二级斜齿轮减速器的建模过程142.4 虚拟样机模型的建立14第三章 动力学仿真153.1为虚拟样机添加驱动和负载153.2虚拟样机仿真15结束语18参考文献19引言 此次设计的主要目的在于通过对二级齿轮减速器的设计，使我对设计有更深刻更系统的认识，让我对软件的使用更熟悉. 这次的课程设计对我来说是一次新的课题，以前对这方面还不是了解，所以希望通过这次的设计对这方面有进一步的了解。二级圆柱斜齿轮减速器的计算机辅助机械设计，计算机辅助设计及辅助制造（CAD/CAM）技术是当今设计以及制造领域广泛采用的先进技术，通过本课题的研究，将进一步深入地对这一技术进行深入地了解和学习。在这过程中我将通过电脑上网查找相关资料，利用相关软件完成此次的设计。第一章传动装置总体设计：1.1 组成：传动装置由电机、减速器、工作机组成。 1.2特点：齿轮相对于轴承不对称分布，故沿轴向载荷分布不均匀，要求轴有较大的刚度。 1.3 确定传动方案：考虑到电机转速高，传动功率大，将V带设置在高速级。 其传动方案如下： 1.4 选择电机 1.4.1 计算电机所需功率 ： 查手册第3页表1-7： 带传动效率：0.96 每对轴承传动效率：0.99 圆柱齿轮的传动效率：0.96 联轴器的传动效率：0.993 卷筒的传动效率：0.961.4.2确定电机转速：查指导书第7页表1：取V带传动比i=2 .5二级圆柱齿轮减速器传动比i=8 40所以电动机转速的可选范围是： 符合这一范围的转速有：750、1000、1500、3000 根据电动机所需功率和转速查手册第155页表12-1有4种适用的电动机型号，因此有4种传动比方案如下： 方案 电动机型号 额定功率 同步转速 r/min 额定转速 r/min 重量 总传动比 1 Y112M-2 4KW 3000 2890 45Kg 152.11 2 Y112M-4 4KW 1500 1440 43Kg 75.79 3 Y132M1-6 4KW 1000 960 73Kg 50.53 4 Y160M1-8 4KW 750 720 118Kg 37.89 综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量、和带传动、减速器的传动比，可见第3种方案比较合适，因此选用电动机型号为Y132M1-6，其主要参数如下： 额定功率kW 满载转速 同步转速 质量 A D E F G H L AB 4 960 1000 73 216 38 80 10 33 132 515 2801.5确定传动装置的总传动比和分配传动比：（1总传动比由选定的电动机满载转速n 和工作机主动轴转速n，可得传动装置总传动比为 n /n1440/82.7617.40（2分配传动装置传动比 式中 分别为带传动和减速器的传动比。为使V带传动外廓尺寸不致过大，初步取 2.3，则减速器传动比为 17.40/2.37.57根据各原则，查图得高速级传动比为 3.24，则 2.331.6计算传动装置的运动和动力参数：（1） 各轴转速 1440/2.3626.09r/min 626.09/3.24193.24r/min / 193.24/2.33=82.93 r/min = =82.93 r/min（2） 各轴输入功率 3.250.963.12kW 2 3.120.980.952.90kW 2 2.970.980.952.70kW 24=2.770.980.972.57kW则各轴的输出功率： 0.98=3.06 kW 0.98=2.84 kW 0.98=2.65kW 0.98=2.52 kW（3） 各轴输入转矩 = N?m电动机轴的输出转矩 =9550 =95503.25/1440=21.55 N?所以: =21.552.30.96=47.58 N?m =47.583.240.980.95=143.53 N?m =143.532.330.980.95=311.35N?m = =311.350.950.97=286.91 N?m输出转矩： 0.98=46.63 N?m 0.98=140.66 N?m 0.98=305.12N?m 0.98=281.17 N?m运动和动力参数结果如下表轴名 功率P KW 转矩T Nm 转速r/min 输入 输出 输入 输出 电动机轴 3.25 21.55 14401轴 3.12 3.06 47.58 46.63 626.092轴 2.90 2.84 143.53 140.66 193.243轴 2.70 2.65 311.35 305.12 82.934轴 2.57 2.52 286.91 281.17 82.931.7设计V带和带轮：确定V带型号查课本 表13-6得： 则 根据 =4.4, =960r/min,由课本 图13-5，选择A型V带，取 。 查课本第206页表13-7取 。 为带传动的滑动率 。验算带速： 带速在 范围内，合适。取V带基准长度 和中心距a：初步选取中心距a： ，取 。由课本第195页式（13-2）得： 查课本第202页表13-2取 。由课本第206页式13-6计算实际中心距： 。验算小带轮包角 ：由课本第195页式13-1得： 。求V带根数Z：由课本第204页式13-15得： 查课本第203页表13-3由内插值法得 。 EF=0.1=1.37+0.1=1.38 EF=0.08 查课本第202页表13-2得 。查课本第204页表13-5由内插值法得 。 =163.0 EF=0.009 =0.95+0.009=0.959则 取 根。求作用在带轮轴上的压力 ：查课本201页表13-1得q=0.10kg/m，故由课本第197页式13-7得单根V带的初拉力作用在轴上压力：1.8齿轮的设计： 1.8.1高速级大小齿轮的设计：材料：高速级小齿轮选用 钢调质，齿面硬度为250HBS。高速级大齿轮选用 钢正火，齿面硬度为220HBS。查课本第166页表11-7得： 。查课本第165页表11-4得： 。故 。查课本第168页表11-10C图得： 。故 。按齿面接触强度设计：9级精度制造，查课本第164页表11-3得：载荷系数 ，取齿宽系数 计算中心距：由课本第165页式11-5得： 考虑高速级大齿轮与低速级大齿轮相差不大取 则 取 实际传动比： 传动比误差： 齿宽： 取 高速级大齿轮： 高速级小齿轮： 验算轮齿弯曲强度：查课本第167页表11-9得： 按最小齿宽 计算： 所以安全。齿轮的圆周速度： 第162页表查课本11-2知选用9级的的精度是合适的。1.8.2低速级大小齿轮的设计：材料：低速级小齿轮选用 钢调质，齿面硬度为250HBS。低速级大齿轮选用 钢正火，齿面硬度为220HBS。查课本第166页表11-7得： 。查课本第165页表11-4得： 。故 。查课本第168页表11-10C图得： 。故 。按齿面接触强度设计：9级精度制造，查课本第164页表11-3得：载荷系数 ，取齿宽系数 计算中心距： 由课本第165页式11-5得： 取 则 取 计算传动比误差： 合适齿宽： 则取 低速级大齿轮： 低速级小齿轮： 验算轮齿弯曲强度：查课本第167页表11-9得： 按最小齿宽 计算： 安全。齿轮的圆周速度： 查课本第162页表11-2知选用9级的的精度是合适的。1.9轴的设计：1.9.1高速轴设计：材料：选用45号钢调质处理。查课本第230页表14-2取 C=100。各轴段直径的确定：根据课本第230页式14-2得： 又因为装小带轮的电动机轴径 ，又因为高速轴第一段轴径装配大带轮，且 所以查手册第9页表1-16取 。L1=1.75d1-3=60。 因为大带轮要靠轴肩定位，且还要配合密封圈，所以查手册85页表7-12取 ，L2=m+e+l+5=28+9+16+5=58。 段装配轴承且 ，所以查手册62页表6-1取 。选用6009轴承。L3=B+ +2=16+10+2=28。 段主要是定位轴承，取 。L4根据箱体内壁线确定后在确定。 装配齿轮段直径：判断是不是作成齿轮轴： 查手册51页表4-1得： e=5.96.25。 段装配轴承所以 L6= L3=28。1.9.2校核该轴和轴承: 作用在齿轮上的圆周力为： 径向力为 作用在轴1带轮上的外力： 求垂直面的支反力：求垂直弯矩，并绘制垂直弯矩图：求水平面的支承力：由 得 N N求并绘制水平面弯矩图： 求F在支点产生的反力：求并绘制F力产生的弯矩图：F在a处产生的弯矩：求合成弯矩图：考虑最不利的情况，把 与 直接相加。 求危险截面当量弯矩：从图可见，m-m处截面最危险，其当量弯矩为：（取折合系数 ）计算危险截面处轴的直径：因为材料选择 调质，查课本225页表14-1得 ，查课本231页表14-3得许用弯曲应力 ，则： 因为 ，所以该轴是安全的。1.9.5键的设计与校核: 键的设计与校核：因为d1=63装联轴器查课本153页表10-9选键为 查课本155页表10-10得 因为L1=107初选键长为100,校核 所以所选键为: 装齿轮查课本153页表10-9选键为 查课本155页表10-10得 因为L6=122初选键长为100,校核 所以所选键为: .1.10 高速轴大齿轮的设计因采用腹板式结构代号 结构尺寸和计算公式 结果轮毂处直径 72轮毂轴向长度 84倒角尺寸 1齿根圆处的厚度 10腹板最大直径 321.25板孔直径 62.5腹板厚度 25.2电动机带轮的设计 代号 结构尺寸和计算公式 结果 手册157页 38mm 68.4mm 取60mm 81mm 74.7mm 10mm15mm5mm1.11联轴器的选择：计算联轴器所需的转矩： 查课本269表17-1取 查手册94页表8-7选用型号为HL6的弹性柱销联轴器。1.12润滑方式的确定：因为传动装置属于轻型的，且传速较低，所以其速度远远小于 ，所以采用脂润滑，箱体内选用SH0357-92中的50号润滑，装至规定高度。第二章虚拟样机建模2.1斜齿轮的综述齿轮应按照使用时的工作条件选用合适的材料。齿轮材料的选择对齿轮的加工性能和使用寿命都有直接的影响。 速度教高的齿轮传动，齿面容易产生疲劳点蚀，应选择齿面硬度较高而硬层较厚的材料；有冲击载荷的齿轮传动，轮齿容易折断，应选择韧性较好的材料；低速重载的齿轮传动，轮齿容易折断，齿面易磨损，应选择机械强度大，齿面硬度高的材料。 45钢热处理后有较好的综合机械性能。经过正火或调质可改善金相组织和材料的可切削性，降低加工后的表面粗糙度，并可减少淬火过程中的变形。因为45钢淬透性差 整体淬火后材料变脆，变形也大，所以一般采用齿面表面淬火，硬度可达HRC52-58。适合于机床行业，7级精度以下的齿轮。 40Cr是中碳合金钢，和45钢相比，少量铬合金的加入可以使金属晶粒细化，提高强度、改善淬透性，减少了淬火时的变形。 使齿轮获得高的齿面硬度而心部又有足够韧性和教高的抗弯曲疲劳强度的方法是渗碳淬火，一般选用低碳合金钢18CrMnTi，它具有良好的切削性能，渗碳时工件的变形小，淬火硬度可达到HRC56-62，残留的奥氏体量也少，多用于汽车，、拖拉机中承载大而有冲击的齿轮。 38CrMoAlA氮化钢经氮化处理后，比渗碳淬火的齿轮具有更高的耐磨性与耐腐蚀性，变形很小，可以不磨齿，多用来作为高速传动中需要耐磨的齿轮材料。 铸铁容易铸成复杂的形状，容易切削，成本低，但其抗弯强度、耐冲击和耐磨性能差。故常用于受力不大、无冲击、低速的齿轮， 有色金属作为齿轮材料的有黄铜HPB59-1青铜QSNP10-1和铝合金LC4。 非金属材料中的夹布胶木、尼龙、塑料也常用于制造齿轮。这些材料具有易加工、传动噪声小、耐磨、减振性好等优点，使用于轻载、需减振、低噪声、润滑条件差的场合。 1.齿坯热处理 钢料齿坯最常用的热处理为正火或调质。正火安排在铸造或锻造之后，切削加工之前。这样可以消除钢件中残留的铸造或锻造内应力，并且使铸造或锻造后组织上的不均匀性通过重新结晶得到细化而均匀的组织，从而改善了切削性能和表面粗糙度，还可以减少淬火时变形和开裂的倾向。调质同样起到了细化晶粒和均匀组织的作用，只不过它可以使齿坯韧性更高些，但切削性能差一些。 对于棒料齿坯，正火或调质一般安排在粗车之后，这样可以消除粗车形成的内应力。 2.轮齿热处理 轮齿常用的热处理为高频淬火、渗碳、氮化。 高频淬火可以形成比普通淬火稍高硬度的表层，并保持了心部的强度与韧性。 渗碳可以使齿轮在淬火后表面具有高硬度且耐磨，心部依然保持一定的强度和较高的韧性。 氮化是将论置于氨气中并加热到520-560度，使活性氮原子渗入轮齿表面层，形成硬度很高的氮化物薄层。 在齿轮生产中，热处理质量对齿轮加工精度和表面粗糙度影响很大。往往因热处理质量不稳定，引起齿轮定位基面及齿面变形过大或表面粗糙度太大而大批报废，成为齿轮生产中的关键问题。 3.齿轮毛坯的制造 齿轮毛坯形式主要有棒料、锻件、铸件。棒料用于小尺寸、结构简单而且对强度要求低的齿轮。锻件多用于齿轮要求强度高、耐冲击和耐磨。当齿轮直径大于400-600毫米时，常用铸造方法铸造齿坯。为了减少机械加工量，对大尺寸、低精度齿轮，可以直接铸出轮齿；压力铸造，精密铸造、粉末冶金、热扎和冷挤等新工艺，可制造出具有轮齿的齿坯等新工艺，可制造出具有轮齿的齿坯，以提高劳动生产率，节约原材料。2.2斜齿轮的参数化建模要建立斜齿轮的模型关键在于确定齿轮的渐开线以及螺旋线,并尽量用参数和公式加以描述以实现参数化设计。先用(fx)中设置如下参数:法面模数,法面齿顶高系数,变形系数,类型为rea(l实数);齿数z,类型为integer(整数);压力角,螺旋角,类型为angle(角度);齿高,螺距,类型为length(长度),并根据齿轮的性质输入具体数值。然后设置参数如下:分度圆半径,基圆半径,齿顶圆半径,齿根圆半径,类型为length(长度),并输入如下公式:分度圆半径=模数*齿数z/2/cos*1mm基圆半径=分度圆半径*co(s压力角)齿顶圆半径=分度圆半径+模数*法面齿顶高系数*cos*1mm+模数*变形系数*1mm齿根圆半径=齿顶圆半径-齿高螺距=2*PI*分度圆半径r/tan(螺旋角)要绘制渐开线,需要确定渐开线的直角坐标方程。如图1所示,渐开线方程为:x=r*sin-r*cosz=r*cos+r*sin根据这一方程,在GSD(Generative Shape Design)模块中,利用fog设置两个参数:x,t,分别为length(长度),real(实数)类型。并输入如下方程:x=基圆半径*sin(t*PI*1rad)-基圆半径*t*PI*co(st*PI*1rad)同理,再设置z和t,类型分别为length(长度),rea(l实数)类型。输入如下方程:z=基圆半径*cos(t*PI*1rad)+基圆半径*t*PI*sin(t*PI*1rad) 利用上面两个方程可以产生一系列渐开线上的点,再利用spline(样条线)命令即可得到一条渐开线。然后利用Symmetry(镜像)、Split(分割)、Circle Pattern(圆周阵列)等操作完成整个齿轮的轮廓(如图2)。在绘制的过程中,相关的圆的半径、角度等都应使用上面的参数或用它们表示,以实现参数化设计. 完成齿轮的轮廓后使用Helix(空间螺旋线)命令产生螺旋线,所需的数据同样应采用上述参数表示。最后,从Generative Shape Design模块切换到Part Design(零件设计)模块,用Rib(实体扫掠)功能,以刚生成的齿轮轮廓为轮廓,螺旋线为中心线,扫掠后得到一个斜齿轮的实体模型,再对其进行其他必要的操作便可得到想要的斜齿轮。2.3二级斜齿轮减速器的建模过程根据设计要求,按表1输入斜齿轮模型中相应参数的值,分别得到相应的斜齿轮模型。表1 斜齿轮几何参数齿轮标号齿数齿宽模数齿高螺旋角齿顶高系数压力角129653.06.7514.84120211260330652.04.513.48948560在Part Design（零件设计）模块中，按照相应尺寸，通过Profile（轮廓线）、Shaft（旋转）、Rib（肋）、Pad（凸台）等命令依据应有位置约束关系装配得到二级斜齿轮减速器的转配模型。2.4 虚拟样机模型的建立将CATIA切换到SD Motion Workbench模块中，添加以下约束：设定箱体为接地，各级齿轮轴与相应轴承内圈间添加固定副，将模型导出为.cmd格式文件，然后再ADAMS/View中impot（导入）该.cmd格式文件，并从而建立二级斜齿轮减速器虚拟样机模型，如图3.第三章 动力学仿真3.1为虚拟样机添加驱动和负载 为虚拟样机添加驱动和负载在输入轴上添加Rot Joint Motion，为使负载不出现突变，使用STEP函数step(time,0,0d,0.2,9000d)定义其大小,类型选取Velocity;在输出轴上添加负载Torque,大小为1386000;啮合的齿轮间添加Solid to Solid Contact,大齿轮材料取40Cr钢,小齿轮材料取45钢,根据Herz碰撞理论,由公式K=43R12E(0其中,1R=1R1+1R2,1E0=1-V12E1+1-V22E2,V1、V2为两接触物体材料的泊松比,E1、E2两接触物体材料的弹性模量,K为接触强度系数,R1、R2分别为两齿轮的接触半径)计算得,低速级各参数分别为,Stiffness为1.15E+005,ForceExponent为7.36,Damping为50.0,Penetration Depth为0.1,高速级各参数为,Stiffness为1.15E+005,Force Exponent为8.84,Damping为50.0,Penetration Depth为0.1。3.2虚拟样机仿真设定仿真时间为t=0.5s,步长Step Size=0.0001s,仿真结果如图4至图8所示。结束