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举例阐述结构设计全流程-增速齿轮传动设计对于一个机械结构工程师来讲，仅仅会使用软件是完全不够的，关键是对设计、工艺、加工制造、工程图表达、甚至是动画展示等整个流程都要有一个全面地了解。事实上，如果不懂生产，你的软件水平也只能停留在入门阶段。其实我一直想做一个比较全面的教程，苦于找不到一个比较通用的结构案例，最后决定还是用齿轮来做。废话少说，下面就开始讲解。为了方便大家学习参考，每一个步骤下面相应的都有设计文件的下载。设计一个增速器，采用渐开线人字齿硬齿面齿轮对。低速轴（电机端）转速1485r/min，高速轴（风机端）转速5390r/min，电机功率8600kw，要求传递功率有15%余量。 （其实就是在用PROE进行设计前先确定齿轮的齿数、模数、螺旋角等）,（这部分很枯燥，但我还是建议大家能看看，这是结构设计基本功，如果实在不感兴趣，可以直接略过） （1） 初始设计参数 n1=1485 (r/min) n2=5390 (r/min) P=8600 (1+15%) kW = 9890(kW)原动机载荷特性 SF=均匀平稳工作机载荷特性 WF=轻微振动预定寿命 H=10000(小时)（2） 选择材料大齿轮：40Cr 调制、表面淬火 HRC 4855小齿轮：35CrMo 调制、表面淬火 HRC 4555按MQ级质量要求，查得大小齿轮的齿面接触疲劳极限Hlim、齿根弯曲疲劳极限Flim及基本值FE为：（如下图） Hlim1= 1180N/mm2 Hlim2=1200 N/mm2 Flim1=360 N/mm2 Flim2=370 N/mm2 FE1=700 N/mm2 FE2=720 N/mm2 （3） 初选主要参数因为是硬齿面齿轮，所以优先考虑齿根弯曲强度。用下面的人字齿轮简化设计计算公式以齿根弯曲强度初步确定模数：-式中参数：l 大齿轮传递的转矩T1：l 载荷系数K：考虑到齿轮对称轴承分布、传递功率较大、原动机为电动机等因素，取K=1.4。l 大齿轮齿数z1：根据高速齿轮传动推荐的模数和齿数范围（下表）传递功率/kW模数/mm推荐齿数3 00026一般z128，透平齿轮z130。应尽量使z1和z2互为质数3 0006 000576 00010 000610初步设定小齿轮齿数为z2=33，所以大齿轮齿数为：取整并考虑到尽量使得z1、z2互为质数，取：z1=119l 初取螺旋角=30，并初步计算大齿轮的当量齿数 l 复合齿形系数YFS：根据、等条件，查得YFS1=3.95。（如下图）l 齿宽系数取值：=25l 大齿轮许用弯曲应力：设抗弯强度计算的最小安全系数SFmin=1.4，则大齿轮许用弯曲应力简化计算值为：将以上参数代入式得：， 取：中心距为：圆整为标准中心距：精求螺旋角： 所以：=302442（4） 校核齿面接触疲劳强度计算接触应力：-式中参数：l 分度圆上的圆周力：l 使用系数KA：考虑到原动机是电机（均匀平稳），工作机是风机（轻微震动），故而查表得KA=1.25l 齿数比：l 动载系数：其中 根据齿轮的圆周速度，参考本增速器的用途，查表选择齿轮的精度等级为：5-5-5 GB10095-1988。并因此查得系数K1=6.7，K2=0.0087。将相关的参数值代入动载系数的计算式得：l 齿向载荷分布系数查表得：l 径向载荷分布系数：按照查表得：（如下表）l 节点区域系数ZH：按照=302442， 查图得到（如下图）l 根据大小齿轮的材料，查得材料弹性系数（如下图）l 接触强度计算的重合度及螺旋角系数：首先精确计算当量齿数， 求当量齿轮的端面重合度：按照=302442， ，分别查出、，（如下图）所以：按、=302442查得纵向重合度（如下图）按、=302442查得（如下图）将以上个数值代入式中：计算安全系数： 式中，寿命系数：先计算应力循环次数：根据算得的N1、N2值，查得接触强度的计算寿命系数为: 、。（如下图）润滑油膜影响系数：按照、硬齿面、5级精度，查得：。（如下图）工作硬化系数。接触强度计算的尺寸系数：查图得：。（如下图）将以上数值代入安全系数的计算公式得：查表，选较高可靠度，取，故安全。（5） 校核齿根弯曲疲劳强度齿根弯曲疲劳强度的计算应力为：-式中，为了安全考虑，弯曲强度计算的载荷分布系数：，载荷分配系数。复合齿形系数YFS：根据、等条件，查得YFS1=3.95、YFS2=3.98。弯曲强度计算的重合度与螺旋角系数：按、=302442、查得。（如下图）将以上数值代入式得：计算安全系数: 上式中：寿命系数：分别根据、查得：、。（如下图）相对齿根圆角敏感系数：因为和都大于1.5，查表得出：。（如下表）尺寸系数查表得：（如下图）将以上数据代入安全系数的计算公式得：查表，选高可靠度，取，故安全。（6） 主要几何尺寸取（7） 齿轮的结构和零件工作图（附页）前面我们已经得到了齿轮的基本参数，包括：齿数、模数、螺旋角、齿宽等，下面开启Pro/E我们开始真正的三维设计吧。对于渐开线圆柱齿轮的建模方法，网上有很多教程，详细的过程我这里不再赘述。这里只给出大小齿轮的“关系”和“参数”，以供大家参考。 三维网技术论坛# b$ h Z% n# X. M下载 (52.6 KB)2008-8-3 00:55/下载 (46.73 KB)2008-8-3 00:55下载 (45.44 KB)2008-8-3 00:55下载 (41.63 KB)2008-8-3 00:55感兴趣的朋友可以把我的模型自己打开改改参数，定制自己的齿轮。 充分理解各参数的意义。模型文件（包括后面讲到的动画分析文件和生成的传动动画）下载： 前面我们对齿轮的参数进行了设计确认，并成功建立了齿轮的模型装配，下面我们利用前面的模型，进入Pro/E的“机构”模块，进行运动模拟，并输出mpeg格式的一段动画。 1. 定义“齿轮副连接”。点击如下左图所示的按钮，进行齿轮副的定义。分别指定“齿轮1”和“齿轮2”到大小两个齿轮，并给定两个齿轮得分度圆直径。如图： 2. 定义伺服电动机（其实就是动力源）。点击如下左图所示图标。由于是增速齿轮，所以大齿轮是主动轮，把伺服电机指定给它的“旋转轴”，并如下图所示定义各项参数。 3. 接下来必须要做的就是定义“分析”。点击如下左图所示图标。“分析”是后面“回放”和“捕获动画”的基础。在“分析”中制定“电动机”为前一步所定义的电动机，制定分析的起止时间如图： 点击“运行”，Pro/E会对这一运动设置进行分析，你会看到齿轮副在运动，分析完点击“确定”退出。这一部看上去什么也没有做，其实内存中已经形成了一个分析的结果集，而这个结果集在随后的“回放”中是必不可少的。4. 分析完了，接下来要对之前定义的“分析”进行“回放”，点击如下左图所示按钮。你会看到“结果集”一栏中已经自动显示了AnalysisDefinition1的结果集，这是前面分析的结果。你可以选择把这个结果集保存在硬盘上，以便再次调用。结果集在硬盘上会存储为*.pbk的格式。 下载 (15.22 KB)2008-8-3 02:19好了，直接点击“回放”（就是左上角两个箭头背靠背的图标），终于出现“动画”的对话框了。如下图所示。5. 做动画。在前面，我们已经可以像看电影一样随意察看齿轮的运动状态。假如我们不满足于此，我们还可以输出一段动画视频。so, 点击“捕获”的按钮。出现如下图所示的对话框。下载 (21.26 KB)2008-8-3 03:27ok, 你就可以根据自己的需要输出动画了。记得制定自己找得到的路径。 格是可以选择mpeg格式，还可以有诸如bmp之类的其他格式。/ . $ c4 u$ & C三维网技术论坛: d- 3 M7 y# m2 q1 R i( T3 H5 我们的工作还远没有结束，因为作为工程师，产品生产才是我们的目的-而不是动画或者三维模型。然而事实上，工程图才是体现一个工程师设计水平的舞台。产品选材、公差配合、工艺要求等等细节，没有三五年时入不了门的。很遗憾本人proe工程图很逊，因为AutoCAD用得太舒服了，实在是舍不得扔。我在这里只贴出我画的工程图一角，供大家参考。) I4 ) Itb, 7 Z三维网技术论坛 下载 (56.48 KB)2008-8-3 03:27三维,cad,机械,技术,汽车,catia,pro/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,时空,镇江6 S1 R; Dk. ?9 z9 c& h下载 (199.93 KB)2008-8-3 03:27下载 (19.99 KB)2008-8-3 03:27三维网技术论坛& ?, A/ t! A5 J; R3 m9 X, u这里面尤其要注意的是红色方框内的公差项，这些都是经过非常繁琐的计算得到的，感兴趣的朋友可以找一些机械工程相关的资料学习一下。9 G7 |; h) ( n2 I# I) T三维网技术论坛提供小齿轮dwg格式工程图下载（半成品，仅供参考）：小齿轮.rar (53.37 KB) 下载次数: 5812008-8-3 03:275 p7 S( Q7 W; w1 Q) 1 u三维,cad,机械,技术,汽车,catia,pro/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,时空,镇江三维|cad|机械|汽车|技术|catia|pro/e|ug|inventor|solidedge|solidworks|caxa2 I/ l3 X% d$ X3 S2 % I. A/ c P5 P4 Hl! U/ | r6 i+ 7 E8 O3 G& z8 Ge- 8 T1 4 6 T* ! 8 D三维|cad|机械|汽车|技术|catia|pro/e|ug|inventor|solidedge|solidworks|caxa除了上述工作以外，有时候我们还必须针对产品进行一些有限元分析，以验证其强度或使用寿命是否能达到设计要求。我个人认为，其实有限元分析是一门很牛的学科，因为我对此也是一知半解。针对本例中的齿轮对，我试着做了一部分分析，也只是划分了网格，定义了一些边界条件，并没有分析出什么结果来，实在是惭愧得很。下面是我的一些截图，大家看看那有问题。三维网技术论坛4 D; O h. 7 m; i9 * 0 d下载 (57.92 KB)2008-8-3 04:045 O- A& M) k x. G4 j1 r下载 (85.72 KB)2008-8-3 04:04* P1 C4 A( F+ p* q4 f. w* _ 下载 (65.76 KB)2008-8-3 04:04) 1 m U2 d- S |三维|cad|机械|汽车|技术|catia|pro/e|ug|inventor|solidedge|solidworks|caxa/ Z4 x$ B- A: E* ez; p. Q除了有限元分析，有时候我们还需要把设计的东西用比较炫的方式表达出来，无论是图片还是动画。而另一方面，proe、ug这些设计软件并不擅长制作效果图或渲染动画，这就要求我们至少要掌握一门3D动画软件（比较典型通用的就是3DMax）、一门图像处理软件（例如photoshop）、和一门后期特效合成软件（例如premiere以及aftereffect）。在必要的时候，也许还需要虚拟现实的展示手段，这方面我不熟，不敢擅自发言。三维,cad,机械,技术,汽车,catia,pro/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,时空,镇江9 r v1 X+ R) y5 - - a0 f; 下面是我在3dmax里面渲的两张图以及之前之前作过的一些东西的图片，大家参考一下。三维|cad|机械|汽车|技术|catia|pro/e|ug|inventor|solidedge|solidworks|caxa: sd; d# B5 r3 P2 Q# P _下载 (40.28 KB)2008-8-3 04:04+ z( j( w; X8 _0 iC0 U 下载 (61.13 KB)2008-8-3 04:04三维|cad|机械|汽车|技术|catia|pro/e|ug|inventor|solidedge|solidworks|caxa: i# |; Q! a3 OJ 1.swf (1.11 MB) 下载次数: 4422008-8-3 04:46三维,cad,机械,技术,汽车,catia,pro/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,时空,镇江2 3 4 e* o- 9 u% o# Y下载 (170.16 KB)2008-8-3 04:046 ? N4 ; x8 a3 B7 D/ s! C+ B下载 (37.98 KB)2008-8-3 04:04下载 (88.55 KB)2008-8-3 04:04) D) |5 Y i$ kh, ?三维网技术论坛最后，本人初到三维网，很渴望在这个平台上跟大家交流技术，共同进步。希望这篇东西能给刚踏入机械行业的兄弟们一点启示。也请各路高手就这个帖子多多指点。谢谢啦* U8 t+ ; j/ _2 J三维,cad,机械,技术,汽车,catia,pro/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,时空,镇江楼主的文章很不错！涵盖了产品零件设计的全过程，其实在整个过程中PTC都提供有对应的解决方案，如楼主第一部分计算过程可以用Mathcad来做，那么这个就可以形成楼主单位里的一个设计标准规范，以后给出不同的设计参数，马上可以自动得出计算结果；工程图完全也可以用pro/e工程图模块实现；最后的渲染可以用扩展模块ARX来做，野火4.0的渲染功能已经得到了增强。三维|cad|机械|汽车|技术|catia|pro/e|ug|inventor|solidedge|solidworks|caxa, 所有这些用PTC产品的好处是：保持关联性。% k* |7 O, q( b/ _: FMathcad可以集成到pro/e,那么计算过程中的变更在pro/e中马上可以自动得到更新，pro/e中零件的变更，在ARX渲染模块中自动更新。这个是PTC真正强大的地方！ 9 Z6 o# n+ o* F. x补充一下，楼主说对有限元一知半解，这个完全不会影响到对mechanica的使用，因为mechanica本来就是面向设计者开发的实用工具。基本的有限元计算理论都是在mechanica底层得到了处理，我们只是要弄清楚边界条件（如材料、受力点位置、大小、方向、固定支撑的位置）就可以了。* E* k4 R5 m/ f0 O9 j6 h- M附上一个用mechanica计算斜齿轮应力的结果图，供楼主参考。三维网技术论坛% y0 h4 x& P v7 U2 k6 a/ / M4 I$ p9 B+ 2 VC ?; Y三维,cad,机械,技术,汽车,catia,pro/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,时空,镇江下载次数:412008-8-3 10:20说实话，非常感谢您的指导，让我茅塞顿开。其实我早就意识到在设计中“保持关联性”的重要性, 所以也正在恶补proe工程图。另外有几个问题请教一下：5 1 T) J. m2 y; S3 V三维,cad,机械,技术,汽车,catia,pro/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,时空,镇江1. 我不了解Mathcad，我想知道，像齿轮这样的零件，传统设计过程中的80%的工作其实是各项参数的确定，而这些参数的确定需要查各种各样的表格、曲线等等，真正计算的工作量并不大，那么如果用Mathcad来做，我很相信他一定能帮我们代劳这20%的计算，那80%的工作它能分担多少？尤其是一些经验参数，它能否给出？三维网技术论坛, I L0 k& i, _& g/ X2. 对于野火4.0的渲染功能，阁下能不能找些效果图欣赏一下。另外，他的动画功能怎么样？因为有时候需要把机构工作原理展示清楚，不得不用到动画。我在野火3里面做过一些类似的工作，确实非常累。做出来的动画也没有任何渲染效果，稍微有一点渲染效果的都是静态图片。再者，能否制作类似于flash动画一样的“具有互动功能”的动画，比如说观看者点击渲染图上的某个装配，这个装配自动开始演示装配过程，演示完毕自动返回。这些以前我都是在flash里面做的。指导不敢当，只是对PTC的东东稍有了解，PTC的东西是在太多，他针对整个产品生命周期（PLM）都有对应的解决方案。* s( T2 c M. A( R1.你提及的80%问题可能要涉及Mathcad的二次开发，当然前期的工作量会比较大，Mathcad本身已经集成了一部分实用工程库和扩展包。Mathcad的主要优势体现在：三维,cad,机械,技术,汽车,catia,pro/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,时空,镇江! HM7 T0 B: E3 O自动化计算过程! Y. bt0 B. K可重复、可审核7 r: e - Y5 ? z, k2 标准计算7 O% 3 A9 9 J* z三维网技术论坛 专有计算 n) i; e: F: |, T/ 实时计算三维|cad|机械|汽车|技术|catia|pro/e|ug|inventor|solidedge|solidworks|caxa5 m. . B. b( y* m1 e o- T自动“量刚单位”管理三维网技术论坛!