Inventor征文--设计加速器与减速机设计结合

1、Inventor征文：Autodesk Inventor Professional实际应用设计加速器与减速机设计结合减速机的作用是利用齿轮的速度转换器，将马达的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩的机构。减速机种类很多，主要形式有斜齿轮减速机（见图一）、行星齿轮减速机、摆线针轮减速机、蜗轮蜗杆减速机、行星摩擦式机械无级变速机等等，就传动的级数而言有两级、三级、四级的减速机其内部结构是典型的齿轮传动机构，其根据工况需要，传动齿轮可以是直齿齿轮，斜齿轮或人字齿及其他类型的齿轮，如果输入输出的方向发生变化，内部结构中则需要添加伞齿轮。减速机在我们的实际生活应用很广。  

2、60; 图一 AIP11设计的斜齿轮减速机    因其应用范围广，传动结构具有典型性，所以大学机械系老师都会把减速机的设计作为机械系学生的必修课，以提高机械制造基础的知识和绘图技能。一个简单的二级圆柱齿轮减速机，需要绘制的图纸不超过10张A1图纸，要出具的其内部传动件的选型说明和相关的计算报告需要10-15页左右，采用传统的手动计算耗费的时间，通常是绘制图纸的1.5倍，手工计算过程的繁琐及计算量的浩大可想而知，大量枯燥的计算，极容易让设计者出现人为疲劳，造成设计误差。    今天Autodesk公司的Autodesk Inventor

3、 Professional 2008 （以下简称AIP2008）提供了一套完整的解决传统机械设计问题的解决方案。我们就讨论一下，如何使用AIP2008完成一个我们大学时代中必修的二级圆柱齿轮减速机的设计（见图二）。    图二 带式运输机的展开式二级圆柱齿轮减速示意图    在大学课设中减速机的设计大致分为三部分标准件选择、设计计算、出图。制定设计任务书，明确从电机选择开始到出具所有设计图纸共有12个流程。在这些流程步骤中，AIP2008可以辅助我们解决其中9个设计流程中的问题：    1.传动方案的设计

4、和拟定；（可使用Inventor软件）；    2.电动机的选择；    3.传动装置运动及动力参数计算（可使用Inventor软件）；    4.传动零件的设计计算(可使用Inventor软件)；    5.轴的计算（可使用Inventor软件）；    6.滚动轴承的设计和计算（可使用Inventor软件）；    7.键联接的选择和计算（可使用Inventor软件）；    8.减

5、速箱的设计和计算 （可使用Inventor软件）；    9.连轴器的选择；    10.箱体的模态分析（可使用Inventor软件）；    11.润滑方式、润滑油牌号及密封装置的选择；    12.出具工程图（可使用Inventor软件）；    这9个流程中，其中1和12 直接使用AIP2008基本建模和工程图功能就可以完成，3、8、10需要AIP2008中运动仿真和有限元分析模块辅助设计者完成工作，3至7则需要使用AIP2008中的设计加

6、速器模块中的功能实现。    设计加速器是Autodesk公司在计算机辅助设计领域着重强调的功能导向设计中的一部分。传统的三维设计软件，采用参数化设计方法，能够生成精美的三维模型，但需要制造样机，然后进行试验，如果不能满足需求，则要修改三维模型，重新制造样机，再进行试验，因此这种效率很低。而通过功能导向设计，不仅用CAD软件来造型，而且可以通过数字化的工程知识库来指导设计工程，并且在设计的早期阶段就可以通过虚拟仿真、可视化等方式，结合设计者的经验，设计出更好的产品，大大缩短设计周期，快速投放市场。    以减速机设计为例，以往设计人员

7、的几何模型的设计和相关计算是完全分开的，利用设计手册中的公式的手工进行传动件的选型和强度计算，再转到机械设计软件中一根线一根线的绘制出相应的二维工程图，或者一个特征一个特征搭建出三维模型。AIP2008中的设计加速器把几何模型的创建和专业的机械理论知识结合到了一起，由设计理论得出的报告结果，然后直接转化为符合实际需求的设计模型，设计知识与概念的直接模型相关联，形成一条龙似的设计链条。现在我们就看一下AIP2008的设计加速器是如何把设计理论与三维造型相结合，从而快速解决传统设计中的问题。    采用AIP2008设计减速机和我们以前设计减速机的设计思路是一样的，都

8、是先从传动系统开始设计，根据已知工况、输入条件和输出要求，确定初步设计方案。我们设计的减速机是用在传输设备中，所以在这里选用通过V带把电动机动力传递给减速机，减速机采用闭式齿轮传动结构（见图二）。根据电动机满载转速和工作机轴转速，得出总传动比为21.53，所以各轴动力参数为：    1、齿轮的设计和校核    1.1 齿轮的参数输入    初步方案确定以后，进入AIP2008的设计加速器环境点选“圆柱齿轮”的计算（见图三），开始对每个齿轮进行设计和强度校核，出具相关的计算报告。在“圆柱齿轮”命令中，有两个

9、主要工具条，分别为“设计”和“计算”，可以对内啮合和外啮合的直齿和斜齿轮直接生成三维模型和进行强度校核。在这里我们希望通过定义高速传动齿轮的输入功率，转速，材料等条件，让软件通过计算自动帮我们设计出尺寸合理的一对斜齿轮。所以我们只在“设计”界面输入我们设计的斜齿轮已确定的参数：传动比、1轴齿轮齿数，及一个预估参数中心距的范围值，和我们的以前手动计算一样，预定义一个螺旋角 =15°。注意“设计向导”中选择“模数”方式，同时要把“正在接近中心距”设成“齿校正”模式。这样我们才能算出斜齿轮中第一个重要的参数：斜齿轮的中心距（见图四 注意红色标示部分）。   

10、图三 AIP2008设计加速器界面    图四 在圆柱齿轮生成器计算界面定义参数1.2 计算生成求解齿轮尺寸    初步定义完成后，转到“计算”工具条，注意在“强度计算类型”中选取“几何图元设计”方式，这样软件才能利用强度计算求解出“设计”工具条中斜齿轮的尺寸参数。接着确定“载荷计算类型”，根据设计者的实际需要，可选择合适的类型，我们这次选取了第一种，转矩为未知量的方式。输入功率和转速和传递效率，通过列表选择齿轮材料，齿轮材料默认是按机械设计标准进行排序的（见图五），由于材料规格复杂种类繁多，手动查找非常不便，所以我们采用直接输入材料

11、规格型号的方式进行材料筛选似查找（见图六）。材料列表是开放的，如果列表中没有所需的材料，可以进行手动添加，以备日后重复使用。在手动添加时，弯曲疲劳极限、接触疲劳极限、弹性模量、热处理、泊松比，这五项的值一定要按照材料手册填写正确，它们是齿轮强度计算的基本条件。    图五 齿轮材料表    图六 筛选齿轮材料    输入“计算”工具条所需的必要参数，高速轴上的小齿轮根据设计经验材料选择20CrMnTi，齿面硬度为59HRC。中间轴上的啮合齿轮材料选择20Cr，齿面硬度为59HRC。斜齿轮按8级精度制造（见

12、图七），载荷系数K取1.3，齿面接触疲劳安全系数SH1.2，齿面弯曲疲劳系数SF=1.5，设计寿命为每天工作8-16小时，输入完成后（见图八）进行计算，转入“设计”工具条，我们会看到软件已经根据设计者的设计条件给出了一对外啮合斜齿轮的尺寸参数。    图七 定义齿轮的加工精度    图七定义齿轮的载荷系数    图八 定义完成的“计算”工具条    在“计算”工具中（见图九）软件已经给我们设计的斜齿轮提供了尺寸方案，在螺旋角=15°时，推荐中心距为125mm，法向模

13、数为2.75，并出现了变位系数（AIP2008中把变位系数称为啮合校正）。由于此次设计中不希望在斜齿轮上添加变位系数。我们采用修改斜齿轮螺旋角的方法，调整中心矩，从而影响变位系数让其值成为0。采用“校验计算”方式，“正在接近中心距”选项中点选“螺旋角”，计算。    1.3 齿轮强度校核优化齿轮参数    通过调整，我们看到软件按照我们的设计意图，调整了螺旋角，以求把变位系数成为0，同时我们看到法向模数从原来的2.75换成了2.5，新的法向模数是我们能够接受的，因为法向模数2.75是机械设计标准第二系列中的数值，而2.5机械设计标准第

14、一系列中的数值，在齿轮设计中我们应该优先采用第一系列中的数值（见图十），输入端的斜齿轮到此已经设计完成。    图九 “几何图元设计功能”取得的结果    图十 优化后的设计结果但是在AIP2008齿轮设计中没有齿宽的设计，此部分我们只能利用进行手动计算，得出合适的齿宽，这不能说是一个瑕疵。首先我们根据机械设计手册选择一个齿宽系数a，注意齿宽系数值越大，则中心距越小，而且齿宽过大容易发生载荷集中现象，使齿轮折断，考虑到我们设计的属于轻型减速机，故取齿宽系数a0.4，则齿宽 ba0.4×12550，为了补偿安装误差，通常使小齿

15、轮齿宽略大些，所以 b250mm，b155mm。至此输入端一组传动齿轮设计完成，生成模型，并出具计算报告（见图十一）。    图十一 AIP2008生成的计算报告，和三维模型    1.4 手动对比校验    为了校验AIP2008的设计结果是否正确，笔者利用传统手动计算的方式重新求解了斜齿轮的尺寸数值，并进行了强度校核。对手算结果逐一与软件生成的数据进行了比对。        AIP2008给出的数值为1.505 m/s（见图十二），由此可见A

16、IP2008的计算结果是完全可信任的，但是从计算到出具计算和尺寸参数报告及生成模型的时间，仅占用了采用传统手工计算的不到1/10。同理我们利用设计加速器生成输出端一组斜齿轮，接着开始进行三根传动轴的计算和设计。    图十二 AIP2008计算出的圆周速度    2、轴的设计和校核    在设计加速器中，点击“轴”命令，进入轴的设计环境。由于轴的几何尺寸是由产品的实际外形结构特点决定的，不能完全通过输入力学参数求解，所以在这里我们只能手动设计轴的结构，然后进行强度和刚度分析。轴的材料选择正火处理后的45#

17、钢，其主要力学性能：硬度170217HBS，强度极限B=600MPa，屈服极限S=300MPa,弯曲疲劳极限-1=275MPa，许用扭切应力=3040MPa。       得出输入轴的最细处轴颈为27mm，考虑到要在此轴段上添加键槽，故增加一个3%的余量，所以d=28mm。根据设计需求和经验输入端高速轴共设计5个轴段，把每一段的直径和长度均输入到“轴零部件生成器”中，随着轴段的添加以及轴段上特征的定义，我们可以直接在窗口中看到三维模型的变化，如图十三中为在最细轴段上键槽的定义，直接可以在三维模型上看到键槽的位置和形状。在“轴零部件生成器”中，定

18、义轴上各种特征时，在退刀槽的设计中JB/ZQ 4238 A型退刀槽的稍微有些特殊，只有选用软件自带的“释压-G（SI单位）”命令，通过自定义才能实现（见图十四）。    图十三 键槽的创建    图十四 JB/ZQ 4238 A型退刀槽的创建各个轴段及轴段上的特征定义完成后，利用“计算”工具条，对轴段进行强度校核，以检验输入端高速轴的尺寸是否合理。首先定义支撑位置，在输入端定义为自由支撑，则另一端要设定为固定支撑，添加支撑时，因为我们设计时选用了轴的两端都选用了角接触滚珠轴承，所以在这里定义支撑类型时也要选用此类型的轴承（见图十五）。

19、接着我们把刚才设计齿轮时得到的轴向力、径向力、转矩等数据结果（齿轮数据结果见图十二），输入到轴上作为轴的载荷。转矩的加载，主要考虑的是齿轮的圆周力，但是转矩都是成对出现的，当我们在轴上齿轮所在的位置加载了齿轮转矩时，为保持平衡，一定要在轴的输入端也要定义一个大小相等方向相反的转矩（见图十六）。开始对轴进行强度和刚度的校核，其结果显示在“图形”工具条中。    图十五 支撑的定义    图十六 轴上力的加载    在“图形”工具条中，左侧是计算所得图形的种类，中间为通过选择图形种类生成的力学曲线图谱，最右侧

20、为整根轴的计算结果（见图十七）。在软件最左侧的“图形选择”中共有十种类型，其中比较重要力学曲线有：力矩图（弯矩图）、转动图（扭矩的扭角图）、偏差图（挠度变形图）、剪切图（弯曲应力图）、扭转图（扭转应力图）、拉伸图（轴向应力图）、求和图（所有应力合成图），由于AIP2008的这部分汉化处理不是很准确，所以笔者在括号中加入了在机械手册能查到每种图形对应的称位，同时还要注意一点，在右侧的结果栏中有一个翻译上的错误max并不是最大弯曲应力，而是轴所承受的最大应力，既所有应力平方和的二次方！    图十七 轴的分析计算结果    对于这一部分的

21、计算，笔者也采用类比法，不光进行了手动校验，还用一些其它的力学软件进行了验算，结果及力学曲线的走势与AIP2008得出的完全一致。因为检验一根轴的设计是否合理，不光看材料、受力，还要考虑其结构、加工处理方式、实际应用工况、循环应变特性、寿命要考虑的综合因素比较多，所以AIP2008在这里没有得出一个设计是否合理的结论，是可以理解的。根据机械手册推荐的经验值，齿轮轴的挠度变形一般在0.010.05mm，扭角为0.010.05°/m，和我们得出的结果对比，远小于参考值。根据45#钢的材料特点，分别查出其弯曲和扭转的疲劳极限，再除以我们得出的实际值，得到的安全系数，也完全大于机械手册推荐的值，这说明我们设计的高速轴符合设计要求，生成该轴的生成三维模型，并输出相应的计算报告。其余两根轴的设计和计算方法同理可退，所以不再过多叙述。至此减速机最关键部分齿轮和轴的设计已经完成。    至于后续的轴承、键、V型带等的设计与计算也都可以用设计加速器其他功能实现，而箱体的设计，可以采用草图的衍生和自适应技术轻松完成，而箱体的应力和模态的计算，则需要AIP2008中的运动仿真和应力分析模块的联合使用，得出需要分析结果（具体内容请参看“如何用Inventor完成减速机的设计”）。    如果读者在使用设计加速器进行计算时，对其中某些公