行星轮系的虚拟样机设计与分析.doc

目 录一 行星轮系的结构组成和工作原理31 行星轮系 32 工作特点 33 运用场所 44 工作原理 4二 零件三维实体模型建立的方法51 主要齿轮类零件三维实体模型建立的方法(插件法Toolbox)52 典型零件三维实体模型建立的方法（直接造型法）63 其他零件三维实体模型建立方法简介 11三 装配模型建立的方法和步骤 121 生成新的装配体文档122 插入行星轮个各零件123 添加装配关系 124 齿轮啮合的装配 13四 装配模型的运动仿真分析141 打开装配体 142 设置行星轮驱动力参数143 仿真计算 144 查看结果 155 生成AVI格式动画15五 关键零件的CAE（SolidWorks Simulation）151 选定几何模型152 指定材质 153 添加约束 164 施加载荷 165 执行分析 176 结果显示 17六 典型零件的CAM（软件SolidCAM错误交换致无法使用） 19七 结论 19参考文献20一 行星轮系的结构组成和工作原理1 行星轮系是指只具有一个自由度的轮系。一个原动件即可确定执行件（行星齿轮）的运动，原动件通常为中心轮或系杆；即与行星齿轮直接接触的中心轮或系杆作为原动件带动行星齿轮，一方面绕着行星轮自身轴线O1-O1自转，另一方面又随着构件H（即系杆）绕一固定轴线O-O（中心轮轴线）回转。 行星轮系和差动轮系统称为周转轮系（一个周转轮系由三类构件组成1.一个系杆。2.一个或几个行星轮。3.一个或几个与行星轮相啮合的中心轮。）。 行星轮系中，两个中心轮有一个固定；差动轮系中，两个中心轮都可以动(即F=2)。 任务图2 工作特点行星轮系是一种先进的齿轮传动机构，具有结构紧凑、体积小、质量小、承载能力大、传递功率范围及传动范围大、运行噪声小、效率高及寿命长等优点。 3 运用场所行星轮系在国防、冶金、起重运输、矿山、化工、轻纺、建筑工业等部门的机械设备中，得到越来越广泛的应用 4 工作原理行星轮系主要由行星轮g、中心轮k及行星架H组成。其中行星轮的个数通常为26个。但在计算传动比时，只考虑1个行星轮的转速，其余的行星轮计算时不用考虑，称为虚约束。它们的作用是均匀地分布在中心轮的四周，既可使几个行星轮共同承担载荷，以减小齿轮尺寸；同时又可使各啮合处的径向分力和行星轮公转所产生的离心力得以平衡，以减小主轴承内的作用力，增加运转平稳性。行星架是用于支承行星轮并使其得到公转的构件。中心轮中，将外齿中心轮称为太阳轮，用符号a表示，将内齿中心轮称为内齿圈，用符号b表示。二、行星轮系的分类根据行星轮系基本构件的组成情况，可分为三种类型：2K-H型、3K型、K-H-V型。2K-H型具有构件数量少，传动功率和传动比变化范围大，设计容易等优点，因此应用最广泛。3K型具有三个中心轮，其行星架不传递转矩，只起支承行星轮的作用。行星轮系按啮合方式命名有NGW、NW、NN型等。N表示内啮合，W表示外啮合，G表示公用的行星轮g。 行星轮系与定轴轮系的根本区别在于行星轮系中具有转动的行星架，从而使得行星轮系既有自转，又有公转。因此，行星轮系的传动比的计算不能用定轴轮系的计算方法来计算。按照相对运动原理（反转法），假设行星架H不动，即绕行星架转动中心给系统加一个（H）角速度，则可将行星轮系转化为假想的定轴轮系，这个假想的定轴轮系称为行星轮系的转化轮系。转化后的定轴轮系和原周转轮系中各齿轮的转速关系为：则转化轮系传动比的计算公式为：因此，对于行星轮系中任意两轴线平行的齿轮j和齿轮k，它们在转化轮系中的传动比为： 在各轮齿数已知的情况下，只要给定nj、nk、nH中任意两项，即可求得第三项，从而可求出原行星轮系中任意两构件之间的传动比。二 零件三维实体模型建立的方法1 主要齿轮类零件三维实体模型建立的方法(插件法Toolbox)1）在SolidWorks 2009的环境下，开启软件，在界面右边快捷菜单中选取“设计库”“Toolbox”“ISO” “动力传动” “齿轮”，在出现的下方菜单中选取“正齿轮”，右击鼠标选取“生成零件”。2）在界面右边的属性栏中，填入齿轮相应数据，点击“勾”确认。 生成齿轮零件图。齿轮模型2 典型零件三维实体模型建立的方法（直接造型法）下面以直齿轮行星齿轮1为例说明设计方法。设计齿轮模数为3mm，齿数为30，齿轮宽度为25mm，计算得到分度圆直径为90mm，齿顶圆直径为96mm，齿根圆直径82.5mm。1）生成新的零件文档单击标准工具栏上的“新建”按钮。“新建SolidWorks文件”对话框。单击“零件”按钮，然后单击“确定”按钮，弹出新零件窗口。2）拉伸齿轮基本特征选择前视基准面。单击草图工具栏上的“草图绘制”和“圆”按钮，将指针移到草图圆点，单击并移动指针，再次单击即完成圆的绘制。单击草图绘制工具栏上的“智能尺寸”按钮。选择圆，移动指针单击放置该直径尺寸的位置，将直径设置为齿顶圆直径96mm，单击“确定”按钮。在Command Manager的特征工具条中单击“拉伸凸台/基体”按钮，在“拉伸”对话框中设拉伸方向为“两侧对称”，设置为25mm，单击“确定”按钮。3）挖轴孔（1）绘制轴孔选择齿轮侧面为草图平面，单击“草图”和“草图绘制”按钮后，利用草图绘制工具绘制轴孔草图轮廓，利用“智能尺寸”按钮标注尺寸20mm。(2)拉伸切除轴孔特征在Command Manager的特征工具条中单击“特征”和“拉伸切除”按钮，在“拉伸”对话框中设置为“完全贯穿”，单击确定按钮。4)去除辐板多余材料(1)切除左辐板多余材料选择齿轮前面。单击“草图”和“草图绘制”按钮后，利用草图绘制工具绘制辐板草图，利用智能尺寸按钮标注相关尺寸。在Command Manager的特征工具条中单击“特征”和“拉伸切除”按钮，在“拉伸”对话框中设置为“给定高度”，设置为5mm，单击“确定”按钮。(2)切除右辐板多余材料选择齿轮后面。重复上 述两个步骤，去除齿轮后侧的多余材料。5)插齿槽(1)绘制齿根圆、齿顶圆和分度圆选择齿轮前面，单击视图定向中的“正式于”按钮后转换视向后，单击草图工具栏上的“草图绘制”和“圆”按钮，将指针移到草图原点处捕捉圆点单击，并移动指针，再次单击即完成圆的绘制。单击草图工具栏上的“智能尺寸”按钮。选择圆，移动指针单击放置该直径尺寸，将尺寸数尺设置为齿根圆直径82.5mm。单击选中齿根圆线，在“圆”属性对话框的选项中选中作为构造线，单击“确定”按钮。重复以上操作，完成直径为90mm的分度圆构造线的绘制。(2)绘制齿顶圆选中齿轮毛坯外轮廓线，单击草图工具栏上“转换实体引用”按钮，完成齿顶圆绘制，单击选中齿顶圆线，在“圆”属性对话框的选项中选中“作为构造线”，单击“确定”按钮。(3)绘制齿形中心线单击草图工具栏上的“中心线”按钮，将指针移到草图原点处捕捉原点单击，并沿垂直方向移动指针到齿顶圆外侧时再次单击，自动添加“竖直”几何关系，单击“确定”按钮。(4)绘制齿槽单击草图工具栏上的“样条曲线”，将指针移到齿顶圆处捕捉到焦点后指针变为交点后单击，将指针移到分度圆处捕捉到焦点后指针变为交点后单击，将指针移到齿根圆处捕捉到焦点后指针变为交点后单击，单击草图工具栏上的“样条曲线”按钮完成样条曲线绘制。单击草图工具栏上的“智能尺寸”按钮，分别将中心线和样条曲线与齿顶圆、分度圆和齿根圆的交点距离标注为4.13mm、2.54mm和1.39mm，单击“确定”按钮。用局部放大工具放大齿形绘制区。(5)拉伸齿特征在Command Manager的特征工具条中单击“特征”和“拉伸切除”按钮，在“拉伸”对话框中设置为“安全贯穿”，单击“确定”按钮。单击特征树中的名称，并给改为“插齿槽切除”。6）阵列（1）插入基准轴“插入”“阵列/镜像” “基准轴”，选基体圆柱面，单击“确定”按钮。（2）阵列齿特征“插入”“阵列/镜像” “圆周阵列”。选“基准轴1”和“插齿槽切除”，在参数中设置阵列角度参数为360，阵列数目30，并选中“等间距”，单击“确定”按钮，完成齿轮造型。3 其他零件三维实体模型建立方法简介表1 各零件的建模方法序号零件名称主要特征样图1行星轮齿轮1齿轮：拉伸、拉伸切除、插齿、圆周阵列2行星轮齿轮2齿轮：拉伸、拉伸切除、插齿、圆周阵列3行星轮内齿轮齿轮：拉伸、拉伸切除、插齿、圆周阵列4行星架行星架：拉伸、拉伸切除。三 装配模型建立的方法和步骤1 生成新的装配体文档单击标准工具栏上的“新建”按钮。“新建SolidWorks文件”对话框。单击“装配体”按钮，然后单击“确定”按钮，弹出新零件窗口。2 插入行星轮个各零件系统出现SolidWorks建立装配体界面，并弹出“插入零件体”的对话框，单击“浏览”按钮，系统弹出“打开”文件对话框，选择各零件“行星轮齿轮1”、“ 行星轮齿轮2”、“ 行星轮内齿轮”和“行星架”。3 添加装配关系单击装配体工具栏中的“配合”按钮，系统弹出“配合”对话框，添加如下关系：1）“行星轮齿轮1”、 与“ 行星轮内齿轮”的轴心添加“同轴”关系；2）“行星轮齿轮1”、“ 行星轮齿轮2”和“ 行星轮内齿轮”的同一侧面添加“重合”与“平行”关系；3）“行星轮齿轮1”、“ 行星轮齿轮2”和“行星架”的两轴心添加“同轴”关系；4）“行星轮齿轮1”、“ 行星轮齿轮2”和“行星架”的同一侧面添加“重合”与“平行”关系；4 齿轮啮合的装配1）插入辅助装配草图，在装配图设计树中用鼠标右键单击“行星轮齿轮1”，选择“编辑零件”在装配图中进入“零件编辑状态”。然后，鼠标右键单击“前视”，选择“插入草图”。单击“视图定向”中“前视”按钮，使草图平面正对屏幕。然后，以“作为构造线”的方式绘制一个圆，并标注其直径为90mm，再单击草图绘制工具栏上的“中心线”命令绘制一条通过小齿轮槽中面的中心线，退出草图绘制。重复上述步骤，在“ 行星轮齿轮2”“前视”面上“作为构造线”的方式绘制一个圆，并标注其值为90mm，再单击草图绘制工具栏上的“中心线”命令绘制一条通过小齿轮轮齿中面的中心线，退出草图绘制。2）齿轮啮合的装配为两齿轮分度圆与各自中心线交点添加“重合”装配关系，然后将该“重合”关系设为“压缩”状态，及只限用于定位。四 装配模型的运动仿真分析1 打开装配体打开目录中的“装配体运动仿真分析”，并在在界面顶部菜单中选取“插入”“新建运动算例”。2 设置行星轮驱动力参数在“Motion”工具栏中单击“马达”按钮，在“马达”对话框中选“马达类型”为“旋转马达”；在图形区中选中“行星架”作为马达“零部件/方向”；设定“运动参数”为“等速，10RPM”， 选中“行星轮齿轮1”作为马达“零部件/方向”；设定“运动参数”为“反向”“等速，15RPM”单击“确定”按钮。设定驱动力速度3 仿真计算如图，鼠键拖动“方块”，设置仿真时间为5s，单击“计算”按钮，系统自动计算运动。4 查看结果单击Moyion Manager工具栏上“图解”按钮，在结果Property Manager中选择为“位移/速度/加速度力”、子类别为线性位移和结果分量为“幅值”，单击在图形区中选择Part2侧面，单击“确定”按钮，在图形区域中出位移曲线。5 生成AVI格式动画单击菜单工具栏上“保存动画”按钮，将动画文件保存到指定文件夹。五 关键零件的CAE（SolidWorks Simulation）下面用SolidWorks Simulation分析“行星架”的应力分布情况1 选定几何模型打开“行星架”零件图，在“评估”中的“nSimulationXpress分析向导”，弹出“SolidWorks SimulationXpress ”窗口。2 指定材质在“材料”对话框中选择“SolidWorks materials”，选中“钢”中的“1023碳钢板”材料，单击确定按钮。3 添加约束选取卡里的“夹具”中的“拉伸4”按钮，选择圆柱面，单击确定按钮为表面添加约束。约束设置4 施加载荷在选项卡里的“载荷”中的“力”按钮，如图，选择两圆柱销，设定值为2000N，单击“确定”按钮。“载荷”中的“力”按钮，如图，选择“行星架”杆侧面，设定值为1000N，单击“确定”按钮。载荷设置5 执行分析在选项卡里点击分析“运行”按钮，开始计算。计算结束后，自动显示应力图解。计算进程对话框6 结果显示1）点击“给我显示模型中的应力分布”，单击“下一步”按钮显示应力分布图应力分布图解位移分布图解载荷约束信息算例属性六 典型零件的CAM（软件SolidCAM错误交换致无法使用）七 结论在为期一周的课程设计期间，其实所要求完成的任务算是十分简单的，我的课程设计任务是“行星轮系”三维实体造型CAD/CAM/CAE。在刚上完SolidWorks三维设计及其应用教程专业课后，因为较少操作，刚接到设计任务实施十分没有把握的，觉得任务量肯定很多，但等到课程设计周不得不做时，硬着头皮下手开始建立模型，一直做下来，发现其实没有自己想象的那么复杂和困难。从开始寻找“行星轮系”的工作原理、作用，接着自己假设设定各零件尺寸参数，绘制建立三维模型，然后进行装配，运动仿真，CAE零件辅助工程的零件参数受力情况的测试计算，最后到典型零件的C