基于UG的二级减速器建模及有限元分析优化.doc

机械制造及其自动化08-2班 杨超目录第一章 设计题目：运输机的传动装置11、减速器基本参数的确定1第二章 CAD实体建模62.1 UG软件概述62.2 部件建模62.2.1 齿轮轴建模62.2.2轴的建模92.3 装配9第三章 利用UG进行运动仿真113.1创建模型：113.2 输出结果113.3 结论12第四章 利用UG NX6.0进行有限元分析与优化124.1 UG/CAE124.2 有限元分析124.3 结论154.4 结构优化154.5结果与小结164.3 结论16总结17参考文献17设计题目：运输机的传动装置1 . 带式运输机的工作原理（二级展开式圆柱齿轮减速器带式运输机的传动示意图）2.工作情况：已知条件1) 工作条件：两班制，连续单向运转，载荷较平稳，室内工作，有灰尘，环境最高温度35；2) 使用折旧期；8年；3) 检修间隔期：四年一次大修，两年一次中修，半年一次小修；4) 动力来源：电力，三相交流电，电压380/220V；5) 运输带速度容许误差：5%；6) 制造条件及生产批量：一般机械厂制造，小批量生产。3.原始数据题号参数输机工作轴转矩T/(N.m)690运输带工作速度v/(m/s)0.8卷筒直径D/mm32017一、减速器基本参数的确定1.动力机选择：电动机型号额定功率/KW满载转速r/min堵转转矩额定转矩最大转矩额定转矩质量/NY132M2-65.59602.02.0842.计算传动装置的运动和动力参数项 目电动机轴高速轴I中间轴II低速轴III卷筒转速（r/min）960960286120120功率（kW）5.54.744.604.474.38转矩（Nm）50.2650.26220.34690690传动比115.293.681效率10.980.980.980.983.齿轮参数 高速齿轮模数分度圆直径齿宽齿数小齿轮2687534大齿轮21786589低速齿轮模数分度圆直径齿宽齿数小齿轮2.5859534大齿轮2.5260851044. 各轴参数4.1 高速轴设计如图所示1096157389445342401073292。5120364.2 中间轴设计如图所示4560494514619349.562.5 4.2 输出轴设计如图所示820.56575859880751057537136135.576.55.箱体结构的设计减速器的箱体采用铸造（HT200）制成，采用剖分式结构为了保证齿轮佳合质量，大端盖分机体采用配合.1. 机体有足够的刚度在机体为加肋，外轮廓为长方形，增强了轴承座刚度2. 考虑到机体内零件的润滑，密封散热。因其传动件速度小于12m/s，故采用侵油润油，同时为了避免油搅得沉渣溅起，齿顶到油池底面的距离H大于40mm为保证机盖与机座连接处密封，联接凸缘应有足够的宽度，联接表面应精创，其表面粗糙度为3. 机体结构有良好的工艺性.铸件壁厚为10mm，圆角半径为R=5。机体外型简单，拔模方便.4. 对附件设计 A 视孔盖和窥视孔在机盖顶部开有窥视孔，能看到 传动零件齿合区的位置，并有足够的空间，以便于能伸入进行操作，窥视孔有盖板，机体上开窥视孔与凸缘一块，有便于机械加工出支承盖板的表面并用垫片加强密封，盖板用铸铁制成，用M8紧固B 油螺塞：放油孔位于油池最底处，并安排在减速器不与其他部件靠近的一侧，以便放油，放油孔用螺塞堵住，因此油孔处的机体外壁应凸起一块，由机械加工成螺塞头部的支承面，并加封油圈加以密封。C 油标：油标位在便于观察减速器油面及油面稳定之处。油尺安置的部位不能太低，以防油进入油尺座孔而溢出.D 通气孔：由于减速器运转时，机体内温度升高，气压增大，为便于排气，在机盖顶部的窥视孔改上安装通气器，以便达到体内为压力平衡.E 位销：为保证剖分式机体的轴承座孔的加工及装配精度，在机体联结凸缘的长度方向各安装一圆锥定位销，以提高定位精度.6.减速器机体结构尺寸如下：名称符号减速器型式及尺寸关系/mm箱座壁厚10箱盖壁厚10箱盖凸缘厚度15箱座凸缘厚度15箱座底凸缘厚度25地脚螺钉直径20地脚螺钉数目4轴承旁联接螺栓直径16机盖与座联接螺栓直径12联接螺栓的间距180轴承端盖螺栓直径8视孔盖螺钉直径6定位销直径9、到外箱壁距离26、22、18、至凸缘边缘距离24、16外箱壁至轴承座端面距离40大齿轮顶圆与内箱壁距离12齿轮端面与内箱壁距离12箱盖、箱座肋厚、；轴承端盖外径轴承端盖凸缘厚度9轴承旁联接螺栓距离第二章 CAD实体建模2.1 UG软件概述UG是一个优秀的CAD/CAE/CAM一体化高端软件，他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、CAM有机集成，可以使产品的设计、分析和制造一次性完成。它使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。2.2 部件建模 2.2.1 齿轮轴建模1.端面渐开线曲线的具体绘制步骤如下：(1)选择工具表达式命令，弹出“表达式”对话框，输入表达式如下：t=0 /UG定义的变量m=2.0 /齿轮模数z=34 /齿轮齿数alpha=20 /齿顶圆压力角qita=90*t /滚动角角度值b=75 /齿宽da=(z+2)*m /da齿顶圆直径db=m*z*cos(alpha) /db 基圆直径df=(z-2.5)*m /df齿根圆直径s=3.14*db*t/4 /滚动角弧度值xt=db*cos(qita)/2+s*sin(qita) /直角坐标横坐标yt=db*sin(qita)/2-s*cos(qita) /直角坐标纵坐标zt=0 /直角坐标Z坐标d=mz /分度圆直径2. 选择插入-曲线-规律曲线命令，弹出“规律曲线”对话框；首先选择By Equation；其次提示行提示输入参数表达式，按系统默认值t,点击ok；之后又弹出x表达式输入对话框，按系统默认值xt点击ok。至此x已定义好。Y的定义与其相同，只是表达式为yt。zt定义为常数0；生成渐开线如图2-1所示：图2-1 渐开线曲线 3.选择插入-曲线-基本曲线命令，或者单击曲线工具条上的“基本曲线”命令，弹出“基本曲线”对话框，以坐标原点为中心，分别以da+1，d，df绘制曲线，如图2-2所示：图2-2 齿根圆、分度圆、齿顶圆 4. 绘制一条直线，第一点位于渐开线与分度圆的交点，第二点位于坐标原点上。 5. 选择编辑-变换命令，将上一步绘制的直线绕z轴旋转j度。 6. 选择编辑-变换命令，将渐开线关于刚才绘制的直线镜像复制。7. 补全曲线，修剪曲线，隐藏俩条辅助直线，结果如图2-3所示： 图2-3 齿槽8.点击工具栏上的“圆柱体”图标，系统弹出“圆柱体”对话框，以da为直径，b为高度绘制圆柱体，结果如图2-4所示：图2-4 绘制圆柱体 9. 单击成型特征工具条上的“拉伸”按钮，系统弹出“拉伸”对话框。选取前面绘制的齿槽截面，设置参数，单击确定按钮，则生成单个齿槽。 10. 选择插入-关联复制-实例命令，系统弹出“实例”对话框，单击“环形阵列”按钮，系统又弹出对话框，提示选取环形阵列对话框。选取刚才创建的齿槽，设置阵列参数，单击“确定”按钮，系统弹出对话框，要求指定环形阵列中心线，悬着z轴为环形阵列中心线，单击确定按钮则生成齿槽，结果如图2-5所示：图2-5 齿轮生成2.2.2轴的建模利用草图和拉伸等命令对齿轮轴进行创建，结果如图2-6所示：图2-6 齿轮轴生成12.其他部件的建立与上面的相似，将建好的零件分别保存进入装配环节。2.3 装配进入建模环境，打开装配，调入主部件下箱体，结果如图2-3所示：图2-3 建立主部件将轴承、端盖以及端盖垫圈和下箱体配对，配合方式为中心（圆柱-圆柱）、距离（平面-平面），结果如图2-31所示：图2-31 箱体、轴承及端盖的装配分别将轴和齿轮装配作为子部件与箱体进行装配，结果如图2-32所示：图2-32 轴、齿轮与箱体的装配将上箱体及其他标准件进行装配，结果如图2-33所示：图2-33 总装配第三章 利用UG进行运动仿真3.1创建模型分别将机座三根轴三个齿轮装配起来如图3-1所示图3-1进入运动仿真模块，新建仿真。分别对7个部件进行连杆定义。将齿轮与连杆之间添加固定约束。将3根轴分别与机座之间添加旋转副。在高速轴上的旋转副上添加速度如图3-2所示图3-23.2输出结果通过解决方案设置后，对其进行求解。结果高速轴转速和输出轴转速结果如图3-3和图3-4所示：图3-2高速齿轮轴转速图3-2输出齿轮轴转速3.3结论通过输出结果可以知道：高速齿轮轴每秒转过5760，由于刚性震动的影响输出轴的转速每秒在720左右震动，可以满足给定的条件。第四章 利用UG NX6.0进行有限元分析4.1 UG/CAEUG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。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。4.2有限元分析 将高速齿轮轴导入UG当中,结果如图4-1所示：图4-1 高速齿轮轴进入高级仿真模块，进入仿真导航器，新建FEM文件和仿真文件结果图4-2所示：图4-2 创建仿真文件进行3D四面体网格划分，结果如图4-3所示：图4-3 划分网格 完成以后，点击3DSCOILD工具框，然后点击右键，即可以进入材料库，然后选择13，即定义材料类型为45#钢结构，然后对实体进行约束，对齿轮固定约束对，对轴两端的两个轴端分别用销钉进行约束，所有的约束都以及给定，添加载荷类型为扭矩，扭矩大小为690 N.m。结果如图4-4所示：图4-4 添加约束 完成以后，就可以进行求解运算啦，点击求解工具框，然后弹出一个对话框，点击确定就开始算啦！当作业完成以后，点击RESULT工具框，就会出现结果，结果如下图4-8所示：位移节点图如图4-8所示：图4-8 应变图最大变形量为0.0131mm应力-单元节点如图4-9所示：图4-9 应力图最大应力为51.46MP4.3 结论 有限元分析部分：由有限元分析可以知道输入轴的最大应变位移为：0.0131mm，最大应力为：51.46MP，完全可以满足给定强度下的工作，为了降低生产成本，提高经济效益，可以对轴进行优化设计，使其更加合理高效4.4 结构优化进入仿真导航器对高速轴进行优化如图4-10所示图4-10结构优化进入优化设置,分别对目标、约束、设计变量进行定义。在同样接触力的作用下，使齿轮的最大单元节点应力不超过材料的许用应力而且零件的体积（重量）要尽量小。优化设置：如图4-11所示（1）、 定义目标：单齿的重量最小化；（2）、定义约束：单元节点应力上限225MPa。（3）、 定义设计变量：齿宽尺寸设定为5078间；（4）、最大迭代次数为10。图4-11优化设置由于高速齿轮轴的材料已经是45#钢，所以材料不可以改变，为了节省材料，降低成本可以对齿轮模数和齿宽进行优化，为了节省时间我在保证应力小于钢的许用应力的条件下对齿轮的齿宽进行优化同时保证高速齿轮轴重量最小化。经过一段时间的优化处理结果如图4-11和图4-12所示图4-11 高速齿轮轴的重量图4-11高速齿轮轴齿轮宽度4.5结果与小结1）渐开线齿轮动态啮合力的计算机仿真分析方法可以准确地计算齿轮传动过程中的动态接触力，为进一步进行强度、刚度和疲劳分析提供了依据。2）利用有限元分析模块对减速器高速齿轮轴进行静力学分析，仿真结果为减速器的结构设计提供了计算依据，并进一步对高速轴结构尺寸进行优化，通过图像可以看出高速齿轮轴的质量有所下降，齿宽由原来的75mm变为现在的51mm，由于齿轮的应力还没有达到许用应力，齿宽还可以减小，为了节省时间区目前的优化结果设定为高速齿轮轴的最终结果。以减轻重量，降低设计开发成本。3）上述分析结论有重要的参考价值，对于齿轮的传动设计有着重要的意义。课程设计总结将近十天的三维CAD课程设计时间一晃而过，由于之前对UG建模部分学的还不错，所以建模部分三天就全部完成了，但是由于对后来的运动仿真和有限元分析及优化部分学习的还不够透彻，结果还是出现了很多的问题，但是在指导老师的细心帮助和支持下，问题都得到了解决。衷心的感谢老师的指导和帮助如今打开自己设计好的模型，看着自己的作品心里却充满着收获的喜悦，毕竟一周的努力没有白费，这正印证了那句耳熟能详的话：一份耕耘，一份收获。有付出，总会有收获的。经过这次课程设计，我的三维造型能力得到很大的提高。在这个二级减速器造型设计过程中，我以前的UG制图知识得到了进一步的巩固，还知道了许多的技巧。例如，齿轮的渐开线的画法及齿轮的参数化建模。 我还有一个收获就是学会了查资料来解决问题，我本来不知道斜齿轮是怎么建模的，于是我到图书馆找了几本书回来看，最后，我才懂得用参数化的方法来画直齿轮。最后我还把自己收集的材料整理了起来，把齿轮的参数导了出来为以后课程设计及工作做准备所以