基于proe的齿轮减速器设计与动态仿真

毕业论文 齿轮减速器的设计与动态仿真学 院 机械工程学院 专业年级 机子专升本082 学 号 0815092065 学生姓名 王华 指导教师 何勇 评阅老师 2010年5月II 齿轮减速器设计及动力学仿真王华（陕理工机械工程学院机自专升本082班 陕西 汉中 723003） 指导教师：何勇【摘要】： 本文在虚拟样机技术理论的指导下，在国外高新软件CAD/CAE/CAM特征造型工具Pro/E (PRO/ENGINEER )、有限元分析软件ANSYS集成系统基础上，对圆柱齿轮减速器进行了研究。首先利用Pro/E软件对其进行了三维参数化建模和装配，并进行了运动学分析，验证了模型的正确性和合理性;然后利用有限元分析元件ANSYS对圆柱齿轮减速器的关键零部件齿轮、轴等进行了有限元静力学和动力学分析，校核了其各项性能，为优化设计提供了理论依据;最后利用有限元分析软件ANSYS对输出轴进行了优化设计，并阐述了利用虚拟样机技术对圆柱齿轮减速器进行系统优化设计的理论思想和方法。【关键词】:虚拟样机技术、齿轮减速、有限元分析、仿真Software in the nowadays world-Pro/E (Pro/ENGINEER) and ANSYS(the finite element analysis software)Author：Hua Wang(Grade 08,class2,Major,Shaanxi University of Technology,Hanzhong,723003,Shaanxi)Tutor: Yong He【Abstract】: This paper studies and the optimization designing of The Cylindrical Gear Reducer. With the advanced。First, the 3D models of the Reducer is built up with the software Pro/E realizing 3D parameterized modeling, and the 3D assembly models are built up accordingto related assembly character, and validates the correctness of the models bydong the kinematics analysis. Then the dynamics analysis is made for calculatingforces on the gears and axes, which are the boundary conditions for the FEA.Based the boundary conditions, the FEA static and dynamics analysis of the key A parts of the Reducer-gear and axe is made with the FEA software ANYSY. Theseanalysises provide the theory bases for the optimization designing by severalcharacteristics testings. In the end, the optimization designing of the axe is did with the FEA software ANSYS and the method and theory of the system optimization designing is expatiated. The method and theory used in this paper can also be used in other products and systems.【Keywords】: Cylindrical Gear Reducer、the finite element analysis、Simulation目录1 绪论41.1 本设计的目的及意义41.2 减速器的发展状况51.3 减速器的发展趋势52 传动装置总体设计62.1 确定传动方案62.1.1 电动机的容量选择72.1.2 电动机转速的选择82.1.3 电动机型号的确定82.1.4 传动比的分配92.1.5 传动系统的运动和动力参数计算92.2 传动零件的设计102.2.1 高、低速级齿轮的参数计算102.2.2 齿轮结构设计及绘制齿轮零件图162.3轴及轴承装置的设计计算172.3.1轴的设计172.3.2轴的校核212.3.3 轴承的寿命计算312.4 箱体上个部分尺寸计算；323 Pro/E三维参数化设计353.1概述353.2建立模型363.3基于Pro/E的圆柱齿轮减速器装配过程393.3.1产品装配过程393.3.2减速器机构运动仿真413.4选择“测量结果”以图形方式查看位置结果424 减速器关键零部件的有限元分析434.1 ANSYS的简介434.1.1 ANSYS10.0的新特点444.1.2 ANSYS软件功能模块444.2 ANSYS分析主要步骤454.3结构静力分析464.4模态分析简介474.5输出轴有限元静力学分析474.6大齿轮模态分析50参考文献52设计小结53致 谢541 绪论随着社会的发展和人民生活水平的提高，人们对产品的需求是多样化的，这就决定了未来的生产方式趋向多品种、小批量。在各行各业中十分广泛地使用着齿轮减速器，它是一种不可缺少的机械传动装置. 它是机械设备的重要组成部分和核心部件。目前，国内各类通用减速器的标准系列已达数百个，基本可满足各行业对通用减速器的需求。国内减速器行业重点骨干企业的产品品种、规格及参数覆盖范围近几年都在不断扩展，产品质量已达到国外先进工业国家同类产品水平，承担起为国民经济各行业提供传动装置配套的重任，部分产品还出口至欧美及东南亚地区，推动了中国装配制造业发展。1.1 本设计的目的及意义目的： 1） 通过设计熟悉机器的具体操作，增强感性认识和社会适应能力，进一步巩固、 深化已学过的理论知识，提高综合运用所学知识发现问题、解决问题的能力。2）学习机械设计的一般方法，掌握通用机械零件、机械传动装置或简单机械的设计原理和过程。3） 对所学技能的训练，例如：计算、绘图、查阅设计资料和手册，运用标准和规范等。4) 学会利用多种手段(工具)解决问题，如：在本设计中可选择CAD等制图工具。5） 了解减速器内部齿轮间的传动关系。意义： 通过设计，培养学生理论联系实际的工作作风，提高分析问题、解决问题的独立工作能力；通过实习，加深学生对专业的理解和认识，为进一步开拓专业知识创造条件，锻炼动手动脑能力，通过实践运用巩固了所学知识，加深了解其基本原理。1.2 减速器的发展状况减速器是用于原动机与工作机之间的独立的传动装置，用来降低转速和增大转矩，以满足工作需要。在现代机械中应用极为广泛，具有品种多、批量小、更新换代快的特点。渐开线二级圆柱齿轮减速器具有体积小、重量轻、承载能力大、传动平稳、效率高、所配电机范围广等特点，可广泛应用于各行业需要减速的设备上。二级圆柱齿轮减速器的计算机辅助设计及制造（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，将进一步对这一技术进行深入地了解和学习。1.3 减速器的发展趋势减速机行业涉及的产品类别包括了各类齿轮减速机、行星齿轮减速机及蜗杆减速机，也包括了各种专用传动装置，如增速装置、条素装置、以及包括柔性传动装置在内的各类复合传动装置等，产品服务领域涉及冶金、有色、煤炭、建材、船舶、水利、电力、工程机械及石化等行业。其作为传动机械行业里的一个重要的分支，在机械制造领域中扮演着越来越重要的角色。近几年，随着中国产业经济的迅猛发展，减速机行业在国内也取得了日新月异的进步。国内的减速器多以齿轮传动、蜗杆传动为主，但普遍存在着功率与重量比小，或者传动比大而机械效率过低的问题。另外，材料品质和工艺水平上还有许多弱点，特别是大型的减速器问题更突出，使用寿命不长。国外的减速器，以德国、丹麦和日本处于领先地位，特别在材料和制造工艺方面占据优势，减速器工作可靠性好，使用寿命长。但其传动形式仍以定轴齿轮传动为主，体积和重量问题，也未解决好。齿轮传动是现代机械中应用最广的一种传动形式。它的主要优点是：瞬时传动比恒定、工作平稳、传动准确可靠，可传递空间任意两轴之间的运动和动力；适用的功率和速度范围广；传动效率高，=0.92-0.98；工作可靠、使用寿命长；外轮廓尺寸小、结构紧凑。由齿轮、轴、轴承及箱体组成的齿轮减速器,用于原动机和工作机或执行机构之间,起匹配转速和传递转矩的作用,在现代机械中应用极为广泛。在21世纪成套机械装备中,齿轮仍然是机械传动的基本部件。CNC机床和工艺技术的发展,推动了机械传动结构的飞速发展。在传动系统设计中的电子控制、液压传动、齿轮、带链的混合传动,将成为变速箱设计中优化传动组合的方向。在传动设计中的学科交叉,将成为新型传动产品发展的重要趋势。2 传动装置总体设计2.1 确定传动方案带式输送机传动系统方案如图1所示：23541IIIIIIIVPdPw图1 B6型带式运输机及其二级圆柱齿轮减速器设计数据编号运输带工作拉力F/N运输带工作速度v/m.s-1卷筒直径D/mmB65200150400工作条件：连续单向运转，工作时有轻微振动，使用期限为8年，小批量生产，两班制工作，运输带工作速度允许误差为5。设计要求：1、完成设计说明书一份，约8000字。 2、完成带式传输装置总体设计及减速器部装图、零件图。 3、完成减速器所有零件图及装配。带式输送机由电动机驱动，电动机1通过联轴器2将动力传入减速器3，在经联轴器4传至输送机滚筒5，带动输送带6工作。传动系统中采用两级展开式圆柱齿轮减速器。2.1.1 电动机的容量选择根据已知条件可以计算出工作机所需有效功率 设 输送带间的传动效率； =0.96 齿轮的传递效率， =0.96 轴承的效率， =0.96 联轴器的效率， =0.99 带式输送机滚筒效率。 =0.96估算运动系统总传递效率：得传动系统总效率 =0.743工作机所需电动机功率 由表2-1所列Y系列三相异步电动机技术数据中可以确定，满足条件的电动机额定功率应取为11。表 2-1电动机型号额定功率/满载转速/（）Y100L-4314202.22.2Y112M-4414402.22.2Y132S-45.514402.22.2Y132M-47.514402.22.2Y160M-41114602.22.2Y160L-41514602.22.2Y160L-6119702.02.02.1.2 电动机转速的选择根据已知条件由计算得知输送机滚筒的工作转速 由表2-1初选同步转速为1500和1000的电动机，对应用于额定功率的电动机型号应分别为Y160M-4型和Y160L-6型。把Y160M-4型和Y160L-6型电动机有关技术数据及相应算得的总传动比列于表2-2:表2-2 方案的比较方案号电动机型号额定功率（）同步转速（）满载转速（）总传动比Y160M-411.01500146020.374Y160L-611.0100097013.53通过对这两种方案比较可以看出：方案选用的电动机转速高、质量轻、价值低，总传动比为20.374，比较合适，故选用方案。2.1.3 电动机型号的确定 根据工作条件：两班制工作，空载起动，载荷平稳，常温下连续（单向）运转，工作环境多尘，中小批量生产，使用期限为8年，年工作300天，工作机所需电动机功率及电动机的同步转速等，选用Y系列三项异步电动机，卧式封闭结构，型号为Y160M-4，其主要性能数据如下：电动机额定功率 电动机满载转速 电动机轴身直径 电动机轴身长度 2.1.4 传动比的分配带式输送机传动系统的总传动比 由传动系统方案知 所以圆柱齿轮总传动比 为便于两级圆柱齿轮减速器采用浸油润滑，当两对齿轮材料相同、齿面硬度、齿宽系数相等时，考虑齿面接触强度接近相等的条件，取高速级传动比 低速级传动比 传动系统各传动比分别为：，2.1.5 传动系统的运动和动力参数计算传动系统各轴的转速、功率和转矩计算：0轴（电动机轴）：1轴（减速器高速轴）：2轴（减速器中间轴）： 3轴（减速器低速轴）： 2.2 传动零件的设计2.2.1 高、低速级齿轮的参数计算1) 高速级直齿圆柱齿轮传动(1)选择材料及热处理 考虑减速器要求结果紧凑故大小齿轮均用40Cr调质处理后表面淬火，因载荷较平稳，齿轮速度不是很高，故初选7级精度，齿数面宜多取，选小齿轮齿数z1=24，大齿z2=z1=3.0824=74，按软齿面齿轮非对称安装查文献2表6.5，取齿宽系数=1.0 。实际传动比i12=74/24=3.08333，误差(i12- i12)/ i12=(3.08333-3.08)/3.08333=0.0015%，在设计给定的5%范围内可用。（2）强度设计按齿面接触疲劳强度设计，由文献2式(6.11)确定公式中各式参数: 载荷系数 试选=1.3小齿轮传递的转矩 材料系数 查文献2表6.3得大、小齿轮的接触疲劳极限 按齿面硬度查文献2图6.8得应力循环次数 N1=60n1jLh=604861300288=1.1197109N2=N1/=2.7648108/3.08=3.635108接触疲劳寿命系数 查文献2图6.6得 确定许用接触应力 取安全系数 设计计算试计算小齿轮分度圆直径 取=80.822mm计算圆周速度v v=2.06m/s计算齿b b=d1=1.080.822=80.22mm模数 mt mt=d1/z1=80.822/24mm=3.36mm齿全高 h 计算载荷系数 kA 查文献2表6.2得使用系数=1根据v=2.568 m/s 按7级精度查文献2图6.10得动载系数=1.08 查图6.13 得=1.42; 直齿轮=1 则 k= =11.0811.432=1.546校正分度圆直径由文献2式（6.14） =mm=85.628mm计算模数 m=d1/z1=85.6282/24mm=3.56mm校核齿根弯曲疲劳强度 由文献知：确定公式中各参数值: 小、大齿轮的弯曲疲劳强度极限查文献2图6.9取弯曲疲劳寿命系数 查文献2图6.7 取许用弯曲应力 取定弯曲疲劳安全系数, 齿轮系数和应力修正系数 查文献2表6.4得 计算大小齿轮的与并加以比较取其中最大值代入公式计算大齿轮的数值大，应按大齿轮校核齿根弯曲疲劳强度查机械设计基础模数表取m=3mm按接触疲劳强度分度圆直径d1=80.822mm 计算小齿轮的齿数 z1= d1 m = 80.822 3 =26.9427 大齿轮齿数 z2=3.0827=83.16 取z2=84几何尺寸的计算（1）两轮分度圆直径 =mz1=327=81mm d2=mz2=384=252mm（2）计算齿轮的宽度 B2=b=dd1=181=81mm B1=B2+(510)mmB2=81mm b1=86mm（3）中心距 a=m(z1+z2)/2=3(81+252)/2=166.5mm校核计算 F1=2kT1YFaYSadm3z12=21.4471.981052.652.221332424=216.7303.57Mpa=F1所以 弯曲疲劳强度足够。2) 低速级直齿圆柱齿轮传动(1)选择齿轮材料及热处理方法小齿轮选择45Cr调质处理，齿面硬度为280HBS，大齿轮选择45钢调质处理，齿面硬度为240HBS，二者都属软齿闭式传动，载荷平稳齿轮速度不高，初选7级精度，小齿轮齿数=32，大齿轮齿数z2=z1=322.2=70.4，取Z2=71.按软齿面齿轮非对称安装查文献2表6.5，取齿宽系数=1.0 ，实际传动比i12=71/32=2.2187，误差i12-i12)/ i12=(2.2187-2.2)/2.2187=0.0085%，在设计给定的5%范围内可用。(2)强度设计按齿面接触疲劳强度设计 由文献2式(6.11)确定公式中各式参数； 载荷系数 试选=1.4小齿轮传递的转矩 T1=9.55106 =9.55106 =558000 Nm材料系数 查文献2表6.3得大，小齿轮的接触疲劳极限 按齿面硬度查