大型风力电机增速箱传动系统设计【三维UG建模】【含12张CAD图纸+文档全套资料】
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三维UG建模
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第1章 绪论1.1 研究背景风一直都是一种神奇的力量，每年因为各种台风、飓风等自然因素给人类带来的损失是庞大的。所以随着社会的高速发展，科学技术水平的不断提高，风能慢慢的走进人们的视野，想着大自然给予的这样强大的力量应该通过科学的方法来为人们所有，而不是给人类带来灾难的同时还浪费掉了这些身边的资源。据估计，地球上可以用来发电的风力资源约100亿千瓦，是全球水力发电资源的十倍之多。而每年全球通过燃烧煤炭来获取的电力也只有风能发电的三分之一。从理论上来说，全世界的能源需求只是地球上风能总量的百分之一。如果能够很好的把风能开发和应用，能源短缺、环境污染等问题就可以得到有效的控制。风力发电不似水电的利用，水电的利用被认为是得到了充分的发展，而风力发电虽然在2000多年前就已经被使用，但是利用率却还有开发和发展的空间。有着这样的前提，世界各国都越来越重视风能的开发与利用，面对越来越严重的资源危机与环境污染，风力发电技术势必要走在人类社会发展的前沿。据统计，风力发电机的增速箱是整机发生故障比率最高的部件，而增速箱即齿轮箱是风力发电机的核心部件。振动会导致增速箱传动系统产生疲劳损伤，降低增速箱系统的稳定性，提高维护成本。严重时还会使增速箱不能正常进行工作，甚至造成破坏等严重后果。而随着我国风电行业的成长，装机容量越来越大，就使得对增速箱系统的动态特性的要求也愈来愈高，使得对它进行更为确切的动力学特性的分析就显得越加重要。据了解，齿轮箱的设计与制造加工一直是我国风力产业的薄弱环节，大部分知识产权都掌握在其他风力强国的手上。所以，我国想要在风力产业有很大的提升，齿轮箱部件是重心。对增速箱传动系统开展动力学特性的研究分析有助于减少由于振动而产生的增速箱传动系统故障和提高整个传动系统的稳定性。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究情况及其发展趋势进入新时代以来，世界各国对于风力产业的研究力度达到了前所未有的高度。尤其是面对日益严重的环境污染与资源短缺问题，风力发电的发展前途一片光明，但同时也会有技术上的各种难题。美国作为科技强国，早在2004年，其风力发电机的装机总容量就达到了6740MW，能满足全国人民20%的日常用电量。在风力发电产业起步较晚的一些国家如加拿大、印度，在经过十几二十年的发展，风力发电产业在其资源结构中的重要性正在不断提高。传统的风力强国荷兰、德国等，也正在以惊人的速度发展着风力发电技术。风力发电的发展趋势将会是高效率、高可靠性与大功率。经过几十年的发展，风力发电的功率从百万瓦走向了兆瓦，每个国家的装机总容量也在不断提升，在风力发电的研发投入也不断提高。据报道，一些传统的风力发电强国也正在研发十兆瓦以上的风力发电机组。但是对于一些关键部件的结构动力学分析上还仅仅处于静态分析上，动态分析一直是瓶颈，设计及其制造技术上发展交迅速，动力学分析方面将会是接下来发展的重心，尤其是增速箱这种核心部件，围绕其的各种模态分析将会是研究与发展的重中之重。1.2.2国内研究情况及其发展趋势我国疆土辽阔，风能储量巨大。据不完全统计，我国可开发的风能储量达到了十亿千瓦，远远多于世界上其他风力强国。但是由于我国在风力发电行业起步晚、技术落后，仍然在走以水力发电为辅，煤炭燃烧发电为主的道路。随着我国各种环境污染问题被逐渐发掘，特别是柴静的雾霾报告一经发出，国家越来越重视环境保护问题，也加大了对新能源的开发与利用，风力发电就是其中一项重要的发展对象。我国现阶段的风力发电装机总容量累计达到了1270MW，增长速度也在不断提高。但是由于技术限制，我国的风能开发主要还是以分散、小规模试验为主。我国风力资源开发的主要发展趋势还是要加大核心部件的研究力度，对于核心技术要通过不断努力来掌握在自己手上。一些核心技术的知识产权掌握在其他国家手上，只会让我们处处受制于其他人。目前，我国研究的主要瓶颈问题是增速箱部件的设计与制造，因此我国发展的重心应该是在不断投入研发的同时，还要不断去完善设计制造体系与故障分析体系。1.3 研究目的与主要内容1.3.1 研究目的我国目前在风力发电行业的主要难题在于增速箱这一核心部件的设计与制造，其故障率是所有发生故障的零部件之中是最高的，齿轮寿命达不到设计要求。所以，是否能合理科学地制造出符合设计要求的齿轮箱是关键。本文以1500KW风力发电机增速系统的建模与仿真为例，设计一种三级传动的风力发电机齿轮箱，经过合理的运动学仿真，来验证设计的合理性。1.3.2 研究主要内容本文的研究内容主要包括以下三个方面：（1） 风力发电机增速系统的设计风力发电机的主要工作原理就是叶片由风力的带动通过轴把力与转速传递给齿轮箱，通过齿轮箱中各级齿轮间的齿数差距来提高传动比，最后由高速轴的转动带动发电机发电。所以齿轮箱中齿轮、轴等部件的参数选择及其设计显得尤为重要，也是本文重点的研究部分。（2） 齿轮箱的建模及其虚拟装配在齿轮箱中各个零件参数确定完全后，就要使用三维建模软件NX.UG 10.0来实现各个零件的单独建模及后期的虚拟装配。（3） 齿轮箱的运动学仿真齿轮箱装配完成后，需要进行的工作是直接利用三维建模软件NX.UG 10.0来实现增速箱传动部分的运动学仿真，得到相应的转速与时间曲线与电子表格，验证传动比设定的合理性。44第2章 兆瓦级风力发电机传动系统设计大部分机器运转所需要的重要部件，传动件的设计是否合理、制造的精度误差是否能在一个可控的范围之内是检验其使用能否的重要标准。本文需要设计的是风力发电机的增速系统，查阅相关资料，采取的是机械式传动中齿轮传动，另外机械式传动按其工作原理可以归纳为啮合式传动和摩擦式传动两大类，具体可以细分为齿轮连接传动、带连接传动、链连接传动、蜗杆连接传动四类【。齿轮传动因为在其传动的瞬时产生的传动比恒定、能够传递的功率范围区间大、传递的可靠性高、效率高、在整个传递运动过程之中能够平稳运行、拥有极长的运行寿命而被广泛运用于机构传动系统中，大到重型机械比如挖机、混凝土搅拌机等，小到精密机械比如手表、风扇等。齿轮传动的主要传动形式有开式传动、闭式传动以及半开式传动，其中开式和闭式传动都有着广泛的运用而半开式传动的运用不是很广泛。风口处因为其出众的风力资源一直是风力发电机的主要安装地点而风口一般出现在在海滩、高山、荒野等环境恶劣的地点，受外界恶劣的环境所影响，以及特殊环境所带来的维修成本等问题故在这里采用闭式传动。增速器一般指位于原动件与工作件之间的传动装置，风力发电机用的增速器体积小、使用寿命较高、承载能力强、传动平稳、温升控制比较理想。按照本课题的设计要求（传动比所要求的传动区间较大、整体机够要做到紧凑细小、运行时要足够稳定），所以在综合考虑到以上各种情况后决定采用两级行星轮系齿轮传动和一级平行直齿圆柱齿轮传动的形式，其中直齿圆柱齿轮传动为高速级即输出级。2.1 传动方案的确定现阶段国内外采用的风力发电机用齿轮箱大致可以分为三类：平行轴齿轮箱、行星齿轮箱和行星轮系与平行轴齿轮混合使用的混合式齿轮箱；按照传动的级数可以分为单级齿轮箱与多级齿轮箱；按照齿轮传动的布置方式可以分为四类：分流式、展开式、同轴式与混合式【8】。在选择风力发电机机组的传动形式时。其中，功率比较小的机组就可以直接采用两级或者三级平行圆柱齿轮相互啮合的传动形式。功率比较大时，考虑到平行轴齿轮传动时，主轴的尺寸会设计的过大，这样就不利于机组内部腔体的布置，所以多采用行星齿轮或者行星齿轮与平行轴齿轮混合使用的方式来布置传动形式。结合本课题所要求的风力发电机增速箱设计要求的基础上再考虑到相关的载荷问题与传动轴的尺寸设计，以满足其传递过程中的准确性以及稳定性为基本条件，进而决定选用行星齿轮与平行轴齿轮混合使用的混合式齿轮箱传动形式。表2.1 常见的齿轮箱传动形式2.1.1 2000kw风力电机增速器设计要求及其相关设计步骤本课题所给出的基本设计要求如表2.2所示表2.2 增速箱设计要求额定功率2000kW增速比52-72输出转速1400-1600r/min输入转速23-35r/min分度圆压力角20模数5-15增速器设计步骤：（1） 依据风力发电机增速箱的工作条件与使用要求，确定其传动形式为行星轮系齿轮传动。（2） 确定行星齿轮传动的具体结构形式与传动方案。（3） 依据发电机的输入转速与叶片的输入转速确定增速器的传动比范围。输入转速：30rpm增速器输出转速：1480rpm确定机构总传动比：i=根据增速器的使用环境特点与工作要求，确定行星轮系为2K-H型行星轮系，为保证传动的平稳而采用三个行星轮的分布结构，初选传动比范围为：。根据工作要求，为确保该增速箱结构紧凑，确定两级行星轮系为低速级和中间级，中间级与电机之间预留一定空间安放平行轴圆柱直齿轮。初选分配轮系的传动比为：第一级： ; 第二级： 2.1.2 传动方案及传动原理本课题决定采用以行星架为输入端、太阳轮输出端的行星齿轮传动机构。同时为了更好的保证整个机构运行平稳，决定采用行星架与太阳轮在同一轴线上的布置方法。这可以很好的保证整个机构的同轴度，也可以使得整个齿轮箱结构紧凑、体积小。行星齿轮传动的优点主要是其能够拥有足够小的机身、而且其细小的机身丝毫不影响其在承载能力以及传动效率方面的杰出表现。当然它的缺点也比较明显，材料品质要求高，制造繁琐，另外安装时也不方便。考虑到结构紧凑等要求，在符合国家相关标准的前提下，设计的传动方式的原理图如下图2.1。图2.1 传动原理图 2.2 增速器整体设计2.2.1 第一级行星轮系设计（1） 计算齿轮基本参数根据初始条件有：，取即初选（2） 检验行星齿轮装配条件：同心条件：要满足行星架与中心轮同轴，那么必须满足装配条件：在整个行星齿轮传动的结构中，行星轮因为其特殊的安装位置（行星轮均匀地分布在太阳轮四周。其既要满足与太阳轮的啮合又要满足与齿圈之间的内核）。所以要求设计的太阳轮与行星轮的齿数与行星轮个数必须满足一定的条件，即装配条件。不然在装配过程中会出现其他行星轮无法与行星轮或者内齿圈啮合的情况。查阅相关资料，2K-H型行星轮系的装配条件为：行星轮齿数与内齿圈的齿数相加应为行星轮个数的整数倍即,C为整数邻接条件：要确保相邻的两个行星轮的齿顶不能产生干涉，保证齿顶与两行星轮连心线上的距离大于等于半个模数即根据上述条件，选定齿轮模数为14mm，查阅相关手册，确定各个齿轮参数如表2.3。表2.3 一级行星齿轮参数齿数模数变位系数齿顶圆齿根圆分度圆螺旋角齿宽第一级中心轮2014 0 308 245 2800280行星轮37140 546 483 5180270内齿圈94140 1344 1281 131603002.2.2 第二级行星轮系设计(1) 计算齿轮参数：根据初始条件有：，取即初选 （2）检验行星轮装配条件： 同心条件： 装配条件： ，符合 。 邻接条件：即，符合。根据以上结果，确定行星轮系尺寸如下表2.4。表2.4 第二级行星轮系齿轮参数齿数模数变位系数齿顶圆齿根圆分度圆螺旋角齿宽第二级中心轮1814 0 280 2172520252行星轮31140 462 3994340246内齿圈80140 1148 1085112002762.2.3 第三级平行圆柱直齿齿轮设计齿数分配为：；模数确定为12mm。具体齿轮参数如下表2.5。表2.5 第三级圆柱直齿轮参数齿数模数变位系数齿顶圆齿根圆分度圆螺旋角齿宽第三级小齿轮2612 0 392 3293120280大齿轮43120 540 48651602602.2.4 确定行星齿轮结构（1） 行星轮结构因为行星轮系中的行星轮要置于齿圈内部，且要求整个齿轮箱的结构紧凑，所以本文采用直接把轴承置于行星轮内部的形式。这样不仅可以减小行星轮轴的尺寸、简化轴的结构来降低多轴段加工对轴强度的削弱，还能让齿轮所承受的轴向载荷在齿宽方向均匀分布。另外需要注意的是选择轴承时，在保证齿轮轴最小轴径的前提下，应该尽量保证两轴承间的距离最大化与轴承外圆直径最小化，以防止对齿轮的强度有过多的削减，而导致齿轮运转时失效。本文选用的是推力滚子轴承，其摩擦因素较低，能承受少量径向载荷，还具有自动调心性能。行星轮大致结构如下图2.2。（2） 中心轮结构 根据本文上面已算出的相关数据可以得出：本次所设计的中心轮尺寸比较小。但是该中心轮的固定轴最小直径比较大，如果采用轴上齿轮的销键连接方式，齿轮将没有足够的刚度与强度。所以的中心轮采用齿轮轴的形式，轴的另一端要与行星架相连接，考虑到要拥有足够的刚度故决定采用花键的连接方式。大致的结构如下图2.3。图2.3 中心轮结构（3） 行星架结构 在本文的行星齿轮传动机构中，共有输入轴、行星轮轴等四根轴安装在行星架上，其结构的正确性对于整个机构都十分重要。由于本文采用的是2K-H型行星轮系，行星架需要作为整个行星轮系的动力输入端，尤其是需要加工出花键的端口，承受的动载荷和扭矩是整个轮系中最大的。其结构设计与制造对于整个系统的载荷分配与载荷承载能力有着极大的影响。为了确保行星架具有很好的刚性，本文采用整体式结构，毛坯加工方式为铸造，材料选择为铸钢ZG340-640。2.3 材料选择及强度校核风力发电机组的工作环境相较于一般的机械有着很大的区别，其分部较广泛。在沿海地区，空气湿度大，全年平均气温较大；在北方地区，发电机组的安装位置一般都在高山，温差大。另外风力发电机的受载受力情况也很复杂，不同于一般机械，风力发电机组所采用的材料除了在满足正常的机械性能外，还要考虑到材料在极端环境情况下的机械性能。对于传动部件而言，毛坯只能采取整体式，来增强其承载性能。同时，齿轮的毛坯材料选用优质合金钢来满足其各种力学性能要求。齿轮箱传动部件的材料选择及其力学性能要求如下表2.6。表2.6 齿轮材料及相关力学性能传动件材料 热处理接触强度（MPa）弯曲强度（MPa）加工精度中心轮20CrMnTi渗碳淬火，齿面硬度HRC58621650520磨齿5级行星轮内齿圈42SiMn调质，齿面硬HBS229286720320插齿6级直齿轮20CrMnTi渗碳淬火，齿面硬度HRC58621650520磨齿5级2.3.1 行星传动强度校核各轴运动和动力参数计算：高速轴：二级中心轮轴：， 其中二级行星轮轴转矩一级中心轮轴：其中一级行星轮轴转矩低速级轴：（1） 第一级行星轮系 1）中心轮与行星轮接触强度与弯曲强度校核： 太阳轮与行星轮的材料都为20CrMnTi，相关力学性能由表2.6可得： 。 查阅文献【13】，取安全系数, 取弯曲疲劳安全系数,应力修正系数,取 则 因为得： 查手册【6】： a:齿面接触疲劳强度: 查阅文献【13】：取使用系数,动载系数齿间载荷分配数 , 齿向载荷分布系数,则 =1017.25MPa b:行星轮齿根弯曲强度与中心轮齿根弯曲强度：,所以按行星轮校核齿根弯曲疲劳强度。 =467.56Mpa 2）内齿圈与行星轮弯曲强度校核：内齿圈材料为42SiMn,相关力学性能由表2.6可得： 取弯曲疲劳安全系数,应力修正系数,取 则 计算内齿圈与行星轮的系数：，所以按内齿圈校核齿轮弯曲疲劳强度。 查阅文献【13】：取使用系数,动载系数齿间载荷分配数, 齿向载荷分布系数,则 =150.280Mpa（2） 第二级行星轮系 a:中心轮与行星轮啮合齿面接触强度与齿根弯曲疲劳强度校核： 由于第二级行星轮系齿轮的材料选择与第一级行星轮系齿轮一样，所以力学性能与部分系数选择一样，这里就不给出过多叙述，直接进行相关校核。齿面接触疲劳强度： 查阅文献【13】：取使用系数,动载系数齿间载荷分配 数, 齿向载荷分布系数,则 =564.1Mpa b：行星轮齿根弯曲强度与中心轮齿根弯曲强度： ,所以按行星轮 校核齿根弯曲疲劳强度。=Mpa（2） 内齿圈与行星轮齿根疲劳强度校核： 计算内齿圈与行星轮的系数：，所以按内齿圈校核齿轮弯曲疲劳强度。 查阅文献【13】：取使用系数,动载系数齿间载荷分配数, 齿向载荷分布系数,则 =36Mpa2.3.2 直齿圆柱齿轮强度校核平行轴齿轮选用的材料为20CrMnTi，相关力学性能由表2.6可得： 。 取安全系数, 取弯曲疲劳安全系数,应力修正系数,取 则 因为得： 查文献【13】： （1）齿面接触疲劳强度: 查阅文献【13】：取使用系数,动载系数齿间载荷分配数, 齿向载荷分布系数,则 =875.98Mpa小齿轮齿根弯曲强度与大齿轮齿根弯曲强度：,所以按小齿轮校核齿根弯曲疲劳强度。 =Mpa由上述齿轮箱一些基本零件的校核可知，这些基本零件在强度上都是足够的。为了保证机构运动平稳，使用了大齿宽的齿轮，这对于载荷的分布是有利的。 第3章 轴与箱体设计3.1 高速轴设计3.1.1轴的结构设计最小轴径计算：因为，整根轴一共分为5段，考虑到轴上的齿轮安装，第3段设计为齿轮轴。从轴的第5段开始确定轴端各段尺寸，该段轴通过联轴器与发电机相连接，确定；第4段为安装端盖部分，确定；第3段的轴径与长度根据轴承尺寸与齿轮来确定，这里选用的是29328号滚子轴承，所以确定尺寸为；第2段的轴径根据轴承安装尺寸来确定，长度的设置主要是避免轴承与上一级轴的相关轴上零件发生干涉，尺寸为；第1段直径与长度根据轴承尺寸来确定为。轴的尺寸设计如下图：图3.1 高速轴3.1.2轴的受力分析与强度校核（1） 画轴的受力简图，见图3.2（2） 计算支承反力,在水平面上由得。 在垂直面上：由得。所以A、B的总支承反力为：,。弯矩计算：，合成弯矩为： 扭矩为：画弯矩图、扭矩图如下图3.2：图3.2 高速轴受力、弯矩与扭矩合成图（3） 校核轴的强度由以上计算结果如示意图可知：齿轮轴处为危险截面，其抗弯截面系数和抗扭截面系数分别为。最大弯曲应力为，最大扭转应力为。按第三强度理论进行校核，因为高速轴为转轴，所以转矩为脉动循环应力，选取，所以高速轴的弯扭合成计算弯曲应力为：轴的材料选择为35SiMn，调质处理，许用弯曲应力，所以轴的弯扭合成强度满足要求。3.2低速轴设计3.2.1轴的结构设计最小轴径计算：因为整根轴一共分为6段，轴上无齿轮连接，从轴的第5段，即最小轴径处开始确定各段尺寸，该段主要的作用就是为第6段花键的加工提供推刀槽，所以其尺寸该确定为；第6段为矩形花键部分，确定；第4段为轴肩，直径应该由轴承的安装尺寸确定，这里使用的轴承型号为29326，所以确定尺寸为；第3段尺寸完全由轴承的内径和宽度决定，在两个轴承之间留有适当距离，确定尺寸为；第二段尺寸长度确定的前提是能给端盖与箱体之间连接的螺栓提供富余的长度，所以尺寸确定为；第1段的作用主要在于通过联轴器连接风力发电机组机舱前部的制动盘，尺寸确定为。，轴的尺寸设计如下图：图3.3 低速轴3.2.2轴的受力分析与强度校核因为该低速轴上并无齿轮等能对轴施加较大弯矩的零件，轴承所产生的弯矩可以忽略不计，所以其强度校核主要的对象就是扭转应力的校核。另外还需要进行花键静连接与动连接的强度校核，其中花键的相关参数为：齿数44、工作长度392mm、齿侧面工作高度30mm、平均直径。（1） 轴扭转应力轴的材料选择为35SiMn，调质处理，由于该低速轴受的弯矩较小、载荷平稳，所以其需用扭转切应力应选取为较大值，即。轴的转矩T=676355.7Nm，计算轴的抗扭截面系数，所以其扭转强度条件为:,强度满足要求（2） 花键连接校核由于齿数较多，所以载荷不均匀系数K取0.7。其中齿数z=44,齿侧面工作长度h=30mm,工作长度l=392mm,平均直径。静连接：,强度满足要求 动连接：，强度满足要求3.3行星轮系传动轴设计3.3.1一级行星轮轴与中心轮轴设计（1）中心轮与行星轮结构设计根据公式，得到行星轮轴与中心轮轴最小直径分别为170mm和200mm，其中行星轮轴与中心轮轴结构如下图：图3.4 一级行星轮轴与中心轮轴（2） 行星轮与中心轮强度校核 由于行星轮结构较简单，并且所受载荷不大，所以对其强度校核就不叙述，我们主要需要校核的是中心轮轴。考虑到中心轮尺寸问题，以及运行的稳定性，中心轮设计成齿轮轴的形式，轴端左侧需要与二级行星架连接，与低速轴类似，设计成矩形花键，花键的各项参数为：齿数29、工作长度310mm、齿侧面工作高度30mm、平均直径。另外，中心轮轴所承受的弯矩较小，我们这里就直接按其扭转强度条件进行校核。 1）行星轮轴强度校核轴的材料选择为35CrMn，调质处理，由于该低速轴受的弯矩较小、载荷平稳，所以其需用扭转切应力应选取为较大值，即。轴的转矩T=31563.2Nm已知，计算轴的抗扭截面系数，所以其扭转强度条件为,强度满足要求 2）花键连接强度校核由于齿数较多，所以载荷不均匀系数K取0.7。其中齿数z=29,齿侧面工作长度h=30mm,工作长度l=310mm,平均直径。 静连接：,强度满足要求 动连接：，强度满足要求3.3.2 二级行星轮轴与中心轮轴设计二级中心轮轴与行星轮轴结构与一级类似，这里只给出计算后的最小轴径，轴的长度和打断直径由齿宽与双列滚子轴承的内径决定。中心轮最小直径为300mm，行星轮最小轴径为160mm。3.4箱体设计箱体是增速系统的重要组成零件，它所承受的载荷较复杂，大体上为风轮运动时的作用力与齿轮传动时的反作用力，箱体需要有足够的刚性来承受这些载荷。一般小功率的风力发电机采用的是轻质铝合金，通过铸造的加工方式制作毛坯。由于铝合金刚性较差，并不适合于本文中大功率的风力发电机，所以选取的材料为高强度铸铁，在保证箱体有较高刚性的同时保证系统运转时的稳定性。在设计箱体时，首先要做的是完成齿轮箱内部零件的设计及布置，再来确定箱体的外形与内部尺寸、壁厚等数据。在载荷较大的地方需要设置加强肋、轴承接触部位要焊接钢制轴承挡圈。箱体的设计结构如下图： 图3.5 前部箱体 图3.6 中间箱体尾部箱体结构尺寸如下：图3.7 尾部箱体 至此，箱体部分的外形尺寸都已经确定完成，箱体的刚性，强度问题可以通过有限元分析软件来分析、验证设计的合理性。第4章 增速器的零件建模以及虚拟装配4.1 引言随着社会科学技术的不断进步，以前那种物理方式的建模，即在制作一种实体时，需要通过手工来建造按一定比例缩小的实体模型，来研究其可行性的方式已经在许多行业被计算机虚拟建模方式所取代。因为计算机建模技术不仅仅能反映产品的外观尺寸，还可以对其中的零部件进行各种载荷分析，让其可行性分析变得数据化，给制造业带来了许多便捷之处。本章的主要任务是了解并熟悉三维建模软件，完成增速箱的零件建模并完成虚拟装配。4.2 了解三维建模软件计算机三维建模随着计算机技术的不断发展而被各个行业广泛使用，在以往，对于一件产品使用之前，在设计、制造人员以及客户之间，很难清楚明了的认识到产品的一些可行性。比如，一件产品，设计人员设计出来，但是并不一定能准确的知道产品各个组成部分之间是否会发生干涉，零件强度是否满足要去，甚至它能不能被很好德制造出来也无法得知。对于生产加工人员更是无从下手，而客户就更无法了解产品的实用性。然而通过三维建模软件，从产品的设计到制造，我们都可以通过软件来建立虚拟的三维模型，让我们能清楚的了解到产品各种方面。从简单的外形到该使用什么样的加工方法来加工制造我们都能通过虚拟三维模型来了解。目前常用的三维建模软件有SolidWorks、Proe、UG、CATIA等，本文使用的NX.UG 10.0软件来完成齿轮箱零件的建模以及虚拟装配。UG的主要内容涵盖了产品的概念设计、造型设计、三维模型建立、运动学仿真、工程图输出到产品加工制造的全部过程，应用范围涉及汽车、造船、航空航天、数控加工等广泛领域，是一款功能十分强大的三维CAD/CAE/CAM软件系统。4.3 齿轮箱零部件建模本文设计的风力发电机组采用水平轴方式，所以其增速器部分零件模型的建立主要可以通过NX.UG 10.0中的回转命令。模型建立的大致步骤为建立草图，通过回转拉伸等命令，完成实体建模；再通过特征建模来完成孔的创建。为了便于三维建模，在齿轮、轴等零件的尺寸参数确定好后，做了简化的二维模型。这里以第一级行星轮系为例，建立齿轮、行星架和轴的三维模型。齿轮建立主要利用UG建模环境中的GC工作箱，直接输入齿轮的名称、模数、牙数、齿宽与压力角，选定齿轮建立的轴线方向与齿轮端面的圆心位置完成齿轮的毛坯建模。然后根据要求，在齿轮端面建立草图并拉伸，最后完成齿轮的整个结构形式。建立完成的三维实体模型如下图：图4.1 内齿圈 图4.2 行星轮图4.3 行星轮轴图4.4 行星架图4.5 中心轮轴第二级与第三级齿轮、轴等零件的建模方法与第一级类似，这里我们就不一一赘述了，现在我们来看一下箱体的建模。整个齿轮箱箱体的造型设计大致都是建立草图以后选取旋转轴线就可以通过回转360度来完成。建模体造型如下图： 图4.6 前部箱体 图4.7 中间部分箱体 图4.8 后部箱体4.4 齿轮箱的虚拟装配虚拟装配存在于UG装配模块中，通过建立部件之间的相对位置关系来使产品或者组件成为一个复杂的装配体。虚拟装配不是简单的复制各个部件，而是直接引用，这样只要其中一个部件发生改变，就会使整个装配体发生改变。利用这一特性，我们在虚拟装配过程中可以分块装配整个齿轮箱。本文采用的装配形式是先完成整个箱体的外部装配，再去装配各级轮系。装配主要使用UG中的约束命令来实现各个部件的组装。 图4.9 外部箱体与内齿圈的装配图图4.10 二级行星轮系
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