基于ProE的单级圆柱齿轮减速器的设计与仿真.docx

广东石油化工学院课程设计说明书题 目:基于Pro/E的单级圆柱齿轮减速器的设计与仿真班 级：姓 名： 学 号：指导老师： 广东石油化工学院课程设计任务书摘 要 本次课程设计要求基于Pro/E的单级圆柱齿轮减速器的设计与仿真主要用于机械设计基础课程的教学过程中，使学生能够直观的看到减速器的外观和内部结构，并能观察传动过程。对于机械设计基础课程的教学资源库提供更好的资料，能够更好的实现项目化教学改革。要求学生根据所给定的参数，完成所有零件的尺寸设计和结构设计。用Pro/e完成三维建模，然后装配成减速器整体，并生成装配爆炸图，最后还要完成运动仿真。 本次课程设计具体按排，第一周指导教师讲解设计题目、设计思路和说明书格式；学生查阅资料，根据条件计算单级圆柱齿轮减速器的各技术参数和主要零件尺寸；用Pro/E对减速器零件进行三维建模；第二周运动仿真，输出工程图；整理设计说明书，再进行答辩。关键词：单级圆柱齿轮减速器 PRO/E 三维建模运动仿真 IV目 录摘要 .I第1章 引言（ 绪论） .1第2章 主要零件工程图与设计 2.1 单级圆柱齿轮减速器结构分析 .3 2.2 固定箱体底座的设计 .3 2.3 上箱体零件的造型设计 .5 2.4 减速器内部轴的设计 .6 2.5 齿轮的设计 .8 2.6 其他零件的设计 .11第3章 装配减速器 3.1分析减速器的模型 .14 3.2减速器模型创建步骤 .14 3.3减速器分解视图 .17 第四章 减速器运动仿真 4.1运动仿真概述 .18 4.2元件连接 .19 4.3机构仿真 .19第五章 设计总结 .22第1章 前言绪论绪论设计要求：单级圆柱齿轮减速器：输入功率2.169kw，输入转速480r/min，总传动比4，效率0.95，其他技术参数计算或者按照给定图纸； 按计算结果和给定图纸进行减速器零件的三维建模，并装配，进行运动仿真检查零件间是否存在运动干涉；将主要零件（传动轴和齿轮）和装配体（标注关键尺寸）输出为工程图。要求螺栓、螺母等用简化画法，不用画出实际的螺纹。设计说明书的主体为Pro/E的操作（70%以上），参数计算占小部分（小于30%）减速器的工作原理及其运用：减速器是一种动力传达机构，利用齿轮的速度转换器，将电机（马达）的回转数减速到所需要的回转数，并得到较大转矩的机构。在目前用于传递动力与运动的机构中，减速机的应用范围相当广泛。几乎在各式机械的传动系统中可以见到它的踪迹。从交通的船舶，汽车，机车，建筑用的重型机具，机械工业所用的加工机具及自动化生产设备，到日常生活中常见的家电，钟表等等。其应用从大动力的传输工作，到小负荷，精确的角度传输都可以见到减速器的应用，且在工业应用上，减速器具有减速及增加转矩功能。因此广泛应用在速度与扭矩的转换设备。在目前用于传递动力和运动的机构中，减速器的应用范围非常广泛。减速器的作用主要有：（1）降速同时提高输出扭矩，扭矩输出比例按电机输出成减速比，但要注意不能超出减速器的额定扭矩。（2）减速同时降低了负载的惯量，惯量的减少为减速比的平方。减速器一般用于低转速大扭矩的传动设备，把电动机，内燃机或其他高速运转的动力通过减速器的输入轴上的齿数少的齿轮啮合输出轴上的大齿轮来达到减速的目的，普通的减速器也会有几对相同原理齿轮达到理想的减速效果，大小齿轮的齿数之比，就是传动比。减速器是一种相对精密的机械，使用它的目的是降低转速，增加转矩。它的种类繁多，型号各异，不同种类用不同的用途。减速器的种类繁多，按照传动类型可以分为齿轮减速器，蜗杆减速器和行星齿轮减速器；按照传动级数不同可以分为单级和多级减速器；按照齿轮形状可以分为圆柱齿轮减速器，圆锥齿轮减速器和圆锥一圆柱齿轮减速器；按照传动的布置又可以分为展开式，分流式和同轴式减速器PRO/E在机械设计中的应用：经过漫长的发展岁月，产品设计手段在不断地提高，不断进步，不断成熟。从最早的手工绘图，到现在的广泛的使用计算机辅助设计来进行产品的设计，并且以后还会有更先进的设计手段出现。为了提高计算机辅助设计的效果和节约设计成本和加工时间，我们做了这个关于PRO/E技术在产品设计当中的应用的毕业设计，主要从PRO/E的参数化设计，有限元分析，动态仿真，逆向工程等方面阐述了PRO/E在机械产品设计当中的应用价值及应用前景。本文介绍与应用了PRO/E造型设计中的参数化设计方式，涉及到了孔特征、倒圆角、螺旋扫描、阵列特征等的设计方法。然后通过PRO/E的组件的应用程序里的机构功能实现动态仿真，实现了产品的设计，模拟装配，模拟运行等过程，充分体现了PRO/E在机械产品设计当中的应用价值及应用前景，并且结合了相关的资料讨论了一下三维设计的发展趋势。单级圆柱齿轮减速器三维模型的设计概的优势：1. 参数化设计和特征功能:PRO/E是采用参数化设计的，基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型。2. 单一数据库:PRO/E具有一下特点和优势：(1)参数化设计和特征功能PRO/E是采用参数化设计的，基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型。(2) 单一数据库PRO/E是建立在统一基层上的数据上，不像一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓的单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。(3) 全相关性:PRO/E的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体，设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。(4) 基于特征的参数化造型PRO/E使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要求.(5)数据管理加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了PRO/E独特的全相关性功能，因而使之成为可能。针对产品设计的不同阶段，Pro/E将产品分为工业设计，机械设计，功能模拟，生产制造等几个大的方面，分别提供了完整的产品设计解决方案。在这里我们将利用Pro/E的机械设计及模具设计的功能进行三维的建模。是建立在统一基层上的数据上，不像一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓的单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。3.全相关性Pro/E的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体，设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。4.基于特征的参数化造型Pro/E使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要求。5.数据管理加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了Pro/E独特的全相关性功能，因而使之成为可能。6.针对产品设计的不同阶段，Pro/E将产品分为工业设计，机械设计，功能模拟，生产制造等几个大的方面，分别提供了完整的产品设计解决方案。在这里我们将利用Pro/E的机械设计及模具设计的功能进行三维的建模。- 22 -第2章 主要零件工程图与设计2.1单级圆柱齿轮减速器结构分析减速器中的零件包括上，下箱体，齿轮，齿轮轴，键，滚动轴承，端盖等，其中上下箱体和齿轮及齿轮轴的三维设计是比较复杂的，在用Pro/E进行三维造型时应用适当的命令，尽量使其三维设计简单化。2.2固定箱体底座的设计箱体零件看起来较为复杂，但是实际上只需要用到几个较为简单的特征创建命令，如拉伸去除，孔操作，倒圆角，镜像，复制和移动等。创建步骤：a.新建零件打开Pro/E软件，再打开新建工具栏中的创建文件图标，输入零件名称，确定显示基本平面以及坐标系。b.创建下箱体底座毛胚单击拉伸，在操控板中选定平面，进入草绘，绘制其底座的草图，完成后输入所拉伸的距离，单击确定。c.内腔和凸缘特征的创建这两个特征仍是采用实体拉伸的方法进行实体创建的。首先依然单击拉伸命令，进入选定的平面，选定草绘界面，绘制内腔的草图，绘制完成后输入拉伸深度，单击完成，然后用同样的方法做出凸缘特征，这里不再赘述。d轴承座的创建首先在轴承座的一边利用拉伸，剪切功能进行轴承座的基本特征创建，用上面类似的方法创建轴承座孔，与上面不同的是需要在拉伸的操作板中选定去除材料的选项，确定好去除材料的方向，单击确定。e筋的创建创建筋的特征需要创建出一个新的基准平面，在两个轴座中心创建两个新的基准平面，完成后选取筋工具，在打开的操作板中选取相应的基准平面进行草绘，在草绘平面上绘制开放的筋剖面，输入厚度，单击确定。然后运用相同的方法绘制其他三个筋的特征。f.孔的创建1)创建凸缘上的孔单击工作区特征栏中的孔工具，接受默认项创建直孔，根据系统提示放置平面，选定好参照，并在工作区中边线距离，孔的直径以及钻孔深度选择，参照平面选择凸缘的下表面，单击确定。特征创建完成。然后用相同的方法创建凸缘上其他的孔。2)创建底座上的孔同样单击孔工具，接受默认项创建直孔，选取底座作为孔的放置平面，在孔的操作板上选取直孔，用草绘定义所钻孔的轮廓及剖面，注意在一些环节中要定义孔的中心轴，否则会出现草绘平面不成功，然后单击完成，用同样方法创作出其他的孔。3)创建轴承座上的孔轴承座上孔的创作方法与其在凸缘上创建孔的方法基本相同，在此不作赘述。4)底板去除材料特征的创建选取拉伸命令，选择底座作为草绘平面，然后绘制其剖面轮廓，然后在拉伸的操作板中选择去除材料选项，定义尺寸，然后单击完成。倒圆角特征的创建:在工程工具栏中选取倒圆角命令，选取模型中需要倒圆角的边，在输入对应的值之后，单击完成。创建辅助特征:下箱体的辅助特征包括放油尺凸台，创建该特征仅用到几个基本的特征命令，如拉伸，剪切，倒圆角等，创建过程不再详细介绍，完成所有的特征创建后的实体如下图所示：图 1减速器固定箱体2.3 上箱体零件的造型设计1.新建零件按照下箱体的创建命令创建一个新的零件文件，命名，建立基本的平面与坐标系。2.创建上箱体的凸缘特征选取拉伸命令，进入草绘平面，然后绘制其上箱体的剖截面，然后完成，在拉伸的操作板上选取所要拉伸的长度，然后单击确定完成对凸缘特征的创建。3.建轴承座的基本特征选取拉伸命令，选取指定的平面进行草绘，绘出轴承座的剖截面，然后完成，在拉伸的操作板上选取尺寸，然后单击确定完成特征的创建。4创建丄箱体的主体部分特征a.创建主体部分的拉伸特征b.单击拉伸命令，选择正确的草绘平面，绘制其剖面图，然后输入所要拉伸的尺寸，单击确定完成整体部分特征的创建。c.创建主体部分特征的去除材料以及倒圆角特征单击拉伸命令，使用先前的草绘平面和参照，进入草绘编辑器绘制剖截面，完成绘制后，在拉伸的操作板中选择去除材料特征和拉伸项，输入所要拉伸的深度，单击完成对去除材料特征的创建。d.创建轴承座e.创建去除材料特征f.单击拉伸命令，选择相应的平面作为草绘平面，打开草绘编辑器，绘制两部分圆形剖截面，单击确定完成草绘，在拉伸的操作板上选取去除材料特征和完全贯穿特征，在模型上选取正确的拉伸去除方向，单击确定完成对模型去除材料特征的创建。h.创建另一侧的轴承座特征选择菜单栏中的编辑/特征操作选项，弹出菜单管理器。单击复制，镜像，完成，根据提示在模型树中选取上面所创建的有关轴承座的各个特征，单击完成，选择TOP平面作为镜像平面，选取镜像面的同时完成上箱体另一侧轴承座特征的创建。i.筋和孔以及倒圆角特征的创建与下箱体一样，上箱体也需要创建筋和孔以及倒圆角，方法与箱体底座的创建基本相同，在这里也不再作详细的叙述。l.创建辅助特征上箱体的辅助特征包括窥视窗和启重螺钉凸台，这里也不再详细叙述它们的特征创建过程，完成所有的特征创建后的实体如下图所示：图 2减速器上箱体2.4 减速器内部轴的设计1.新建零件按照上一节建零件的方法建立一个新的零件，命名。a.创建齿轮轴的特征单击旋转命令，在其操作板上选择放置，选取TOP平面作为草绘平面，打开草绘编辑器，绘制其剖截面，单击确定完成对草图的绘制，然后在旋转的操作板上输入要旋转的角度为360度，然后单击确定完成对轴的基本特征的创建如下图所示：图 3 减速器内部轴的设计b.创建键槽单击拉伸命令，选择放置，选取系统默认的草绘截面，进入草绘平面画出键的剖截面图，单击确定推出草绘编辑器，在拉伸的操作板中输入所要拉伸的数值，单击确定完成对键槽的创建，如下图所示：图 4 键槽其中，另外一根轴的创建方法与其类似，在这里也不再做出详细的建模步骤。2.5 齿轮的设计齿轮的创建需要用到拉伸，剪切，倒角，镜像，阵列等，下面介绍一下齿轮的创建。1.新建零件按照第一节中的方法创建一个新的零件并命名。2.创建齿轮基本圆齿轮的基本圆尺寸是由齿轮的基本参数确定的，其创建过程分为以下三个步骤：a.创建任意尺寸的基本圆曲线。单击基准工具栏栏中的创建草绘基准曲线对话框，在工作区中选择基准平面FRONT作为草绘平面，接受系统默认的其他放置参照，单击确定进入草绘编辑器，绘制四个任意尺寸的基本圆曲线，单击确定完成相应的草绘。b.添加齿轮参数选择菜单工具中的参数选项，在弹出的参数对话框中，单击添加，将齿轮的各参数依次添加到参数列表中，并设置参数的类型数值以及指定的方式等，单击确定，完成对齿轮参数的添加。c.添加参数关系式以确定齿轮的基本圆尺寸选择菜单栏中的工具里面的参数选项，在弹出的关系对话框中在弹出的文本输入栏中输入各参数和关系式。其中，各关系式由回车键分隔开。添加四个关系式时，需要插入基本圆曲线的尺寸符号，系统会提示选择一条曲线以显示其尺寸符号，在工作区域中选取已经创建的齿轮基本圆曲线，双击要插入的尺寸符号，将其插入到关系对话框中，然后单击确定，完成对齿轮参数关系式的添加。完成添加后，选取菜单中的编辑/再生选项，基准曲线的尺寸值发生改变，再生成为由齿轮参数关系式确定的值。3创建齿槽的基本轮廓曲线a.单击基准工具栏中的曲线选项，在弹出的菜单管理器中，选择从方程选项，完成进入下一级菜单，根据系统提示选取模型中系统自定义的坐标系，设置坐标类型为柱坐标，打开记事本文件，将渐开线的坐标方程添加到该文件中，选择文件/保存，单击退出完成对渐开线坐标方程的添加，单击曲线，从方程中的确定，完成齿槽轮廓一侧渐开线的创建。b.创建基准点，该点为渐开线曲线与齿轮分度圆的交点。c.创建基准轴，该轴为基准平面RIGHT/TOP的交线。d.创建基准平面。e.创建齿槽另一侧的渐开线曲线。图 5 齿槽的基本轮廓曲线4. 创建齿轮的基本实体创建齿顶圆的圆柱形实体特征和创建基本实体上的倒角特征。5.创建齿轮的轮齿特征创建齿轮的轮齿特征是依据实际加工齿轮的工艺原理，即在齿轮的基本实体上切出所有齿槽特征，同时生成齿轮的轮齿特征。其中生成的第一个齿槽特征如下图所示：图 6 齿轮的轮齿特征6.创建齿轮的辅助特征齿轮的辅助特征包括辐板，齿轮轴孔等，齿轮孔的创建需要用到阵列，完成所有的齿轮的创建如下图所示：图 7 齿轮的辅助特征6. 小齿轮的设计方法类似，完成的小齿轮的创建如下图所示：7.图 8 小齿轮2.6 其他零件的设计其他零件包括端盖，滚动轴承螺钉，键等等，在这里不再作详细的叙述它们的创建步骤，其中端盖与轴承的创建如下图所示：图 9 端盖图 10 轴承第3章 装配减速器3.1分析减速器的模型减速器中的零件包括上，下箱体，齿轮，齿轮轴，键，轴承，端盖，顶盖等主要零件和螺钉等辅助零件。在装配过程中为简便起见，可先将齿轮，齿轮轴，键，轴承装配成一个子组件，再将子组件与其他零件装配成整体模型。这样可以方便零件在整体模型中的定位，简化操作过程。而分解视图的目的是为了在不改变元件间实际设计距离的前提下，清楚的表示出零件模型元件之间的结构关系，生成组件后，还可以在组件中创建并修改多个分解状态来定义所有元件的分解位置等等。3.2 减速器模型创建步骤1.新建组件打开新建对话框，选择组件，输入文件名字，单击使用默认模板复选框取消选中标志，单击确定，打开新文件选项对话框，选择mmns_asm_design模板，建立单位为公制的新文件。2.新建子组件单击工程特征工具栏中的创建选项，选择元件类型为子组件，类型为标准，输入名称，单击确定，进入组件创建环境，这时模型树中的子组件标识显示为激活状态，可以进行子组件的装配。3.添加大轴和键两个元件到子组件单击添加中的文件打开对话框，添加轴零件到工作区域，系统将添加到子组件的每一个元件放置到默认位置，即元件坐标系与子组件坐标系重合，不需要再对该元件进行定位约束。再添加键，过程如上，在元件放置对话框中设置元件的每一个约束类型为插入，根据提示选取正确的曲面作为两个放置参照，系统自动添加第二个约束，设置类型为插入，选择元件曲面作为参照，单击添加第三个约束，设置类型为匹配，选择正确的元件曲面作为放置参照，根据工作区域中显示的偏移方向输入偏移值为零，单击确定，完成对键的添加。4.添加齿轮与滚动轴承到子组件选择插入选项中的元件，在文件打开中选中齿轮文件，将齿轮元件放入到工作区域，在元件放置对话框中设置第一个约束类型为插入，选择元件曲面与组件曲面作为两个放置参照，设置第二个约束类型为匹配，选择元件曲面和组件曲面为放置参照，输入匹配值为零，添加第三个约束，设置类型为匹配，选择元件曲面和组件曲面作为放置参照，根据提示输入偏移值为零，单击确定完成对齿轮元件的添加。滚动轴承的添加同上面所述，在此也不作多赘述。完成的子组件如下图所示：图 11 子组件同样的，小齿轮的子组件如上组建，组建成的子组件如下图所示：图 12 小齿轮的子组件1.添加元件底座和箱盖两个元件到组件右击目录树的组件标识，在弹出的下拉菜单中，单击激活按钮将组建切换到激活状态，继续添加的元件将成为原组件中的元件，步骤如上面所述，添加辅助元件以后完整的装配体如下图所示：图 13 完整的装配体3.3 减速器的分解视图1.新建分解视图选择菜单视图/视图管理器选项，弹出一个对话框，单击分解/新建，接受系统默认的新名称或者输入自定义的分解视图名称，创建一个新的分解视图。2.编辑元件的分解位置在分解位置对话框中选择运动参照类型为：平面法向，根据提示选择途中FRONT平面作为运动参照。用鼠标拖动需要编辑的元件到合适位置，单击确定分解位置，再用同样的方法确定另一元件的分解位置等等，可以用鼠标将元件按照运动参照平面拖到任意位置，其编辑元件的分解位置后的分解图如下图所示：图 14 减速器的分解视图第4章 减速器的运动仿真4.1 运动仿真概述利用Pro/E提供的机构仿真功能，可以分析机构的运动轨迹，位移，干涉等，还可以将仿真结果输出到其他文件中。机构仿真中常用的术语有以下几个：1.主体：就是指一个元件或没有相对运动的一组元件，作为主体的一组元件内部不存在任何自由度。2.连接：定义并约束相对运动的各主体之间的关系，连接限制了各主体之间的相对运动，减少了系统的总自由度，并定义了一个元件在机构中可能具有的运动类型。3.驱动器：驱动器的作用如同电动机，它以一个自由度在两个主体之间加上特殊运动，可以在连接轴或几何图元（如零件平面，基准平面和点）上放置驱动器，并指定构件之间的位置，速度和加速度运动。4.接头：主体间的连接形式，基类型有销钉连接，轴承连接，移动杆和焊接等。5.运动：取决于驱动器或负荷的主体运动方式。6.基础：一个固定的主体，其他主体相对于基础运动。7.放置约束：向组件中放置元件并限制该元件运动组件中的图元等等。机构仿真的设计过程主要可分为两个基本步骤：一是定义一个机构，二是使其运动。4.2 元件连接1创建大齿轮轴组件的基准平面打开文件中大齿轮的子组件，创建一个与FRONT平面偏移的新基准平面，在工作区域、调整好偏移的方向。创建完成单击确定。创建小齿轮轴组件的基准平面方法步骤同上，方向相反。2新建一个组件文件打开新建的组件文件，在插入中打开选择底座文件，在弹出的元件放置对话框中，在显示的连接中选择底座的连接类型为刚性，单击确定，连接小齿轮轴组件打开组件，步骤如上，在弹出的元件放置对话框中，在显示的连接对话框中选择底座的连接类型为销钉，选取齿轮的中心轴和减速箱的中心轴按对齐关系约束，然后选取相应的面约束，关系也是对齐，单击确定。连接大齿轮轴组件打开组件，连接的步骤同小齿轮轴，注意连接类型同样为销钉，选取相应的轴和平面，按对齐关系进行约束。4.3 机构仿真单击应用程序Mechanism，进入机械模式1.定义齿轮从动连接结构单击工具栏中的齿轮选项，弹出齿轮副对话框，单击新建按钮，弹出齿轮副定义，对话框，接受系统默认名称和默认的传动类型，选取大齿轮的连接轴，系统会自选取齿轮的主体和托架，在直径输入框中输入值，单击齿轮2选项卡，显示有关齿轮2的对话框，选取齿轮2的连接为连接轴，系统会自动选取齿轮的主体和托架，在直径输入栏中输入数值，接受属性中的齿轮比选项为节圆直径。单击确定在齿轮副对话框中显示齿轮副的名称，此时点击关闭按钮。此时在齿轮