行星减速机建模及强度分析

1、行星减速机建模及强度分析班级：车辆102 姓名：魏博雄 指导老师：崔根群摘 要： 本文主要研究了行星齿轮减速机，行星齿轮减速机又称为行星减速机，伺服减速机。在减速机家族中，行星减速机以其体积小，传动效率高，减速范围广，精度高等诸多优点，而被上海利懿电机科技广泛应用于伺服电机、步进电机、直流电机等传动系统中。其作用就是在保证精密传动的前提下，主要被用来降低转速增大扭矩和降低负载/电机的转动惯量比。行星齿轮减速机主要传动结构为:行星轮,太阳轮,外齿圈。 根据本课题要求选择的渐开线少齿差行星齿轮。在本次课程设计中首先运用了UG软件对减速器进行了建模，之后建立有限元模型，并用NX NSTRAN软件对有

2、限元模型进行了分析求解，得出了齿轮和轴在力的作用下产生的变形和应力分布情况图。之后再通过变形图和应力云图的结果分析是否低于构件所允许的屈服极限，判断设计的零件是否满足强度发的设计要求并完成有限元。关键词： 行星齿轮减速机 建模 强度分析Machine of decelerate of planet of modeling and strength analysisABSTRACT： This paper mainly studied the planetary gear reducer, planetary gear reducer is also known as planetary red

3、ucer, servo reducer. In the family of reducer, planetary reducer with its small size, high transmission efficiency, speed range is wide, many advantages of high precision and taken by Shanghai motor technology is widely used in servo motor, stepper motor, dc motor drive system. Its role is on the pr

4、emise of guarantee precision transmission, mainly used to reduce speed increase torque and lower than the rotational inertia of the load/motor. Main drive gear reducer structure is: the planets round, round the sun, outer ring gear.According to the requirements of this topic selection of less tooth

5、differenced planetary gear involute. First during the curriculum design using the UG software modeling of gear reducer, after establishing the finite element model, and using NX NSTRAN software analyses the finite element model is used, the gear and shaft is obtained under the action of force, defor

6、mation and stress distribution diagram. Then by the results of deformation and stress nephogram analysis whether below what component allows the yield limit, judge whether the parts of the design meets the design requirements of strength of hair and complete finite element. Keywords：Planetary gear r

7、educer modeling strength analysis目 录行星减速机建模及强度分析1摘 要：1第1章 绪论.51-1 研究背景51-2研究目的和意义7第二章 模型的建立92-1用UG软件画出各部分模型92-2装配12第三章 有限元及强度分析133-1 软件简介133-2 有限元143-3应力应变分析16第四章 结论20第五章 参考资料21第六章 致 谢21第2章 绪论1-1 研究背景从19世纪开始，因为工程机械行业的迅速发展与崛起，行星传动的使用范围得到广泛的扩大，尤其是伴随着工程机械行业的现代化推进，市场对行星减速机的需求量也在不断的加大。因此，世界各国都已经投入大量物力、人力

8、、财力大力发展行星传动技术，但是相对其其他发达国家而言，我国的行星减速机的生产厂家却相对的较少，在设计研究等方面技术力量较为的薄弱，手段相对的落后，与国外同类产品主要差距表现为传动精度指标较低，而且仍以仿造为主，产品类型比较少，承载能力和速比范围较小，外形比较大，效率和精度低，噪音和振动偏大，可适应工况比较有限，而且可靠性低，寿命短，因此还远远的无法与国外产品竞争。国外产品由于性能先进，在国内市场长期占据着相当大的一部分。为此，我们迫切的需要在该技术的研发、可靠性、产品试验、使用寿命、材料检测等方面有所突破性进展，并在此基础上，进一步的实现产品的系列化、集成化以及高科技化，设计出适应我国生产话

9、现状的行星减速机，生产出高可靠度、高性价比的行星减速机，顺应国内外行星减速机发展大方向。另外，随着现代产品的设计与制造水平的承载能力和精密化程度不断的提高，各种产品模块化互换程度也在不断加强，从而为产品的大批量化生产提供了便利。行星齿轮减速机的构成：1-2研究目的和意义 行星减速机是各类机械设备中应用广泛的传动装置,其产品设计的优劣直接的影响了机械设备的传动性能,并且决定了经济效益、产品性能和市场竞争力等等。其中,行星齿轮传动系统是设计减速机中最为关键的部分,但传统设计需要重复不断地试凑齿轮模数、齿数、齿宽等基本参数。而且齿轮变位系数等重要的参数取值还是参考经验比较多,所以虽然也能够获得满足给

10、定条件的设计效果,但是得到的可行方案比较少,一般很难保证结果最优。因此为了提高设计的效率、降低生产成本并使设计更加的接近实际,如何把现代优化的设计思想引入设计研究中,是行星减速机现代化设计中必须考虑的问题。随着科技高速发展和行星减速器技术逐步的向高速化、小型化、低噪声、高可靠度方向发展，行星减速机的设计对于设计人员的要求比较高，不仅对机械性能要充分地了解，而且还要掌握先进的设计方法，否则就不可能精确地计算出各构件受力的大小，尤其是对动力学计算，传统研究方法具有较大局限性。对行星减速器进行动力和学运动学分析接着对关键零件进行有限元分析，这项工作对行星减速机的设计、评价和分析具有较重要的实用价值和

11、理论意义。对于减速机要在各种工况下进行工作并且几何形状与加工工艺、组成与工序等都比较复杂的机械零部件，由于不太容易通过标准试件的试验得到受载荷后的应力分布，疲劳性，理论计算也难以把各种工况等反映在其分析模型中。因此在制造过程中，为保证一些关键工艺质量如冲压质量、焊接质量，往往规定要定期在生产线中随机抽取样品进行实物的弯曲静强度、垂直弯曲刚度、疲劳一系列试验。根据各种试验中出现应力集中位置、疲劳裂纹位置、长度来判别、认可产品的质量。1-3 研究内容 根据设计要求，正确选择渐开线少齿差行星减速传动方案，进行机械结构设计，采用UG或Pro/E软件建立其结构模型，并进行运动仿真；采用ANSYS分析软件

12、，对主要零部件进行静力学分析，作出应力、应变分析图；提供分析建议和意见。（1）确定渐开线少齿差行星减速装置的传动方案，进行机械结构设计；（2）建立减速装置各零件的结构图和装配图；（3）采用ANSYS分析软件对减速装置的主要零部件进行有限元分析，做出应力分析云图和变形图；（4）对所设计的结构提出建议和意见；第3章 模型的建立2-1用UG软件画出各部分模型 建立模型需要用到UG软件，UG是Unigraphics的缩写，这是一个交互式CAD/CAM(计算机辅助设计与计算机辅助制造)系统，它功能强大，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。它在诞生之初主要基于工作站，但随着PC硬件的发展和个人用户的迅速

13、增长，在PC上的应用取得了迅猛的增长，已经成为模具行业三维设计的一个主流应用。在建立模型时，我们可以先画出各个构建的模型，容纳后在黄配在一起。下位各个构件模型行星轮太阳轮内齿圈输入轴输出轴浮动尺套2-2装配完成对各个构建的装配后就可以用UG吧各个构件装配在一起了。下为装配图第4章 有限元及强度分析3-1 软件简介HyperWorks软件简介 HyperWorks软件是由美国Altair公司为用户提供功能全面的CAE创新的平台。HyperMesh是Hyperworks对有限元主流求解器的高性能处理软件，是比较好的的有限元分析前、后处理软件集成了设计与分析所需的所有工具、拥有比较全面的CAD/CA

14、E的求解器接口、具有较高的灵活性、开放性和友好的用户界面、能高效建立各种复杂模型的有限元模型。在CAE工程技术领域，Hypermesh可通过一系列处理过程把CAD几何模型化为具有较高处理效能的有限元模型，突破有限元分析和多体动力学分析的界限，从而为高效准确的有限元分析打下坚实的基础，更好的实现CAE参数化。Nastran软件简介NASTRAN是在1966年美国国家航空航天局(NASA)为了满足当时航空航天工业对结构分析的迫切需求主持开发大型应用有限元程序。MSC.NASTRAN是一具有高度可靠性的结构有限元分析软件, 有着36年的开发和改进历 史, 并通过50,000多个最终用户的长期工程应用

15、的验证。MSC.NASTRAN的整个研制及测试过程是在MSC公司的QA部门、美国国防部、国家宇航局、联邦航空管理委员会(FAA)及核能委员会 等有关机构的严格控制下完成的,每一版的发行都要经过4个级别、 5,000个以上测试题目的检验。NASTRAN全模块化的组织结构使其不但拥有很强的分析功能而又保证很好的灵活性, 用户可针对根据自己的工程问题和系统需求通过模块选择、组合获取最佳的应用系统。此外, MSC .NASTRAN的全开放式系统还为用户提供了其它同类程序所无法比拟开发工具DMAP语言。NASTRAN对于解题的自由度数、带宽或波前没有任何限制，其不但适用于中小型项 目对于处理大型工程问题

16、也同样非常有效, 并已得到了世人的公认。MSC.NASTRAN已成功地解 决了超过5,000,000自由度以上的实际问题。3-2 有限元将UG中建好的输出输入传动轴、行星轮和太阳轮的几何模型以IGES格式文件导出，UG和HyperMesh之间可通过IGES格式实现模型的转换，导入后接着划分网格。减速器部件得网格划分输出轴行星轮 太阳轮输入轴应力应变分析 输入轴的约束在键槽四周部分，选约束类型为固定约束。这样约束比较符合零件在实际工作中的受力状况。输入轴受到的载荷是转动扭矩，扭矩需加载在接触轮齿的表面的一周。 通过应力云图的结果可以看到应力的最大值为155.4 Mpa <b ，满足材料的强

17、度要求。 输出轴的载荷施加，理论上载荷应该施加在法兰盘的周布螺栓孔上，但是载荷类型定义为扭矩，扭矩载荷的施加只能是加载在环形的表面或者曲线，如果是加载与法兰盘的周布螺栓孔在结算过程中就会出现错误，最终无法输出结算结果。如果直接加载于法兰盘的外圆表面在一定程度上可以模拟输出轴的受力情况，但是扭矩将会被放大，造成一定程度上的分析误差。为了进一步缩小分析误差，本文将载荷施加于两根曲线上，两根曲线的平均半径大于等于螺栓孔中心相对于法兰盘中心的距离。通过应力云图6.11及计算结果显示可以看到最大应力为298 Mpa<b满足材料强度要求。 对于太阳轮最好是进行齿面的接触分析，齿面分析能更真实的反应齿

18、轮在实际工作过程中受力情况，但是做齿面接触应力分析的难度较大，仅从单个齿轮的受力情况进行分析。考虑的是极限状态下的受力情况，即三个行星齿轮同时有一个齿面和太阳轮接触情况。 通过应力云图和计算结果显示可以看到齿轮的最大应力为小于b ，满足材料强度要求。最大应力主要集中在固定约束齿轮的三齿周围，其次是齿轮与输入轴的结合端，符合太阳轮实际工作的情况。 第5章 结论 在此之前，我对UG建模以及之后的有限元分析的了解十分的有限，通过这次的毕业设计使我对UG的使用更加的熟练，并且掌握了UG建模以及装配过程中的一些小技巧，对我以后的学习和工作有不小的帮助。通过有限元分析的过程使我意识到了先进的分析方法不仅可

19、以有效地提高研究效率，而且分析结果简单明确，更加的省时省力令人一目了然。整个设计过程中，我学到最多的还是严谨认真的学习研究态度，培养了我一丝不苟的精神，毕业设计便是对我们这种一丝不苟精神的锻炼与培养，这是我在今后的工作学习中必不可少的品质，将伴随我的一生。这次毕业设计是对我们大学四年学习的总结，也是我们的下一个新的起点。第6章 参考资料1 饶振刚. 行星传动机构设计（第二版）. 北京：机械工业出版社，19942 冯澄宙. 渐开线少齿差行星传动. 北京：机械工业出版社，19813 杨洪涛，陆永祯. KHV型渐开线少齿差行星传动变位系数的确定. 鞍山钢铁学院学报，2002，25(1)：20-214 吴迎学. 偏曲轴输入少齿差行星减速器的可靠性优化设计.中南林学院学报，2002，22(1)：50-565 叶志刚，汪萍. K-H-V型少齿差减速器齿轮啮合可视化建模与分析. 机械设计与研究，2002，18(2)：32-356 张春林，姚九成. 渐开线少齿差行星传动的变位系数的选择. 北京理工大学学