内圆磨削过程计算机仿真

内圆磨削过程计算机仿真e

(ee)

指导教师：e［摘要］随着有限元技术的不断发展和完善，工程中越来越多的问题都采用该方法来解决。金属磨削是机械制造行业中最重要的加工工艺，研究磨削过程、实现优化磨削。圆环内圆磨削会导致加工表面产生热变形的尺寸误差和形状误差，故应对圆环内圆磨削过程进行精确分析与研究。加之圆环内圆磨削过程是一个不断升温的过程，整个过程工件上的温度在不断变化，构成一瞬态温度场。通过分析建立温度场模型、对圆环内孔磨削温度场进行仿真、分析内圆磨削温度场分布情况及受热变形过程。因此，利用有限元软件对内圆磨削过程进行模拟仿真，在很大程度上克服了数学模型难以描述、求解困难等问题。［关键字］:内圆磨削；温度场；热变形；有限元仿真；InternalGrindingProcessComputerSimulatione(e)tutor:eAbstract：Alongwithfiniteelementtechnologydevelopmentandimprovement,moreandmoreprojectsaresolvedbythismethod.Metalgrindingmachinerymanufacturingindustryisthemostimportantprocess,grindingprocess,grindingtoachieveoptimizationresearch.Internalgrindingforcircularringcausesthesurfacedeformationofthedimensionerrorandshapeerror,sotheanswerwithintheringgrindingprocessforaccurateanalysisandresearch.Togetherwiththeinnercircularringgrindingprocessisacontinuousheatingprocess,theentireprocessofworkpiecetemperaturechanging,formatransienttemperaturefield.Throughtheanalysisoftemperaturefieldisestablished,themodelofringinnerboregrindingtemperaturefieldsimulation,analysisofinternalgrindingtemperaturefieldandthermaldeformationprocess.Therefore,usingthefiniteelementsoftwareforinternalgrindingprocesssimulation,largelyovercomemathematicalmodelishardtodescribe,solvethedifficultproblems.Keywords：internalgrinding;temperaturefield;thermaldeformation;finiteelementsimulation;TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第一章绪论 1前言 1\o"CurrentDocument"国内外研究现状及分析 2\o"CurrentDocument".1有限元法在金属磨削研究中的国内外发展状况 2\o"CurrentDocument".2有限元法在金属磨削研究中的国内外发展状况 2\o"CurrentDocument"本文意义及研究内容 3第二章有限元简介 41有限元法的由来 错误！未定义书签。2有限元法的基本思路 错误！未定义书签。3有限元的发展 错误！未定义书签。4有限元软件介绍 错误！未定义书签。第三章热分析基本知识 错误！未定义书签。3.1热分析符号与单位 错误！未定义书签。2传热学经典理论 错误！未定义书签。3热传递方式 错误！未定义书签。3.1热传导 错误！未定义书签。4热分析材料基本属性 错误！未定义书签。4.1比热容 错误！未定义书签。4.2生热率 错误！未定义书签。5热载荷 错误！未定义书签。6稳态与瞬态热分析 错误！未定义书签。6.1稳态传热 错误！未定义书签。6.2瞬态传热 错误！未定义书签。7平面热应力 错误！未定义书签。第四章磨削温度场及热变形有限元分析 错误！未定义书签。4.1金属磨削热 错误！未定义书签。1.1磨削热的产生与传散 错误！未定义书签。1.2影响磨削温度的主要因素 错误！未定义书签。1.3磨削区温度分布的理论解析 错误！未定义书签。2圆环内孔磨削有限元仿真 错误！未定义书签。1圆环内孔磨削过程的数学模型 错误！未定义书签。3圆环内孔磨削的温度场分析 错误！未定义书签。1稳态热有限元建模 错误！未定义书签。3.2瞬态热有限元建模 错误！未定义书签。4平面应变有限元建模 错误！未定义书签。4.1前处理 错误！未定义书签。4.2加载求解 错误！未定义书签。4.3后处理 错误！未定义书签。4.4圆环内孔磨削应变计算结果 错误！未定义书签。总结与展望 错误！未定义书签。致谢 错误！未定义书签。参考文献 错误！未定义书签。附录 错误！未定义书签。第一章绪论前言在工业发达国家中，国民经济创造物质财富部分，制造业占三分之二，其它如农业、林业、渔业、矿业和建筑业等共占三分之一。在各种制造业中，机械制造业占据着主导地位，各个经济部门都必须有相当比重的机械制造力量，其中磨削加工和磨削加工在机械制造过程中所占比例最大、用途最广。目前机械制造中所有工作母机有80%—90%为金属磨削机床;美国和日本每年消耗在磨削和磨削加工方面的费用分别高达1000亿美元和10000亿美元;我国所拥有的金属磨削机床已超过300万台，各类高速钢刀具的年产量达3.9亿件，用于制造刀具的硬质合金年产量达5000吨。21世纪，磨削和切削仍将是获得精密机械零件的最主要的加工方法。一般磨削加工作为机械零件的终加工工序，其作用是保证零件的形状精度和表面粗糙度。但磨削过程会产生大量的热，热量传给工件以后会使工件产生热变形和热变形误差。以前对磨削的温度场研究较多，但对磨削工件的热变形研究较少。圆环内孔磨削将导致加工表面产生热变形的尺寸误差和形状误差，这个误差过大将导致零件无法正确工作，故应对圆环内孔磨削过程进行精确分析与研究。而且磨削过程是一个很复杂的工艺过程，它不但涉及到弹性力学、塑性力学、断裂力学，还有热力学、摩擦学等。磨削质量受到砂轮形状、磨屑流动、温度分布、热流和砂轮磨损等影响。磨削表面的残余应力和残余应变严重影响了工件的精度和使用寿命。利用传统的解析法，很难对磨削机理进行定量的分析和研究。为了深入了解工程材料的磨削加工性能，必须进行大量的磨削试验，找出工程材料的磨削加工性和砂轮材料的磨削性能。而大量的磨削试验消耗大量的人力、物力和时间，而且单纯的试验分析也难以找出最优磨削参数，因此我们需要找到一种对材料磨削加工性能进行分析的方法来减少磨削试验。采用可视化的数值模拟技术，借助国际上通用的大型有限元软件，来实现对金属磨削过程的动态模拟，以此对磨削区域中的应力场与应变场进行分析，进而对磨削过程的参数进行优化，使金属磨削过程的研究更加快捷有效。圆环内圆磨削过程是一个不断升温的过程，整个过程工件上的温度在不断变化，构成••瞬态温度场。瞬态温度场的解析分析比较复杂，宜采用数值仿真软件进行计算。ANSYS是功能较强的通用有限元软件，通常用于工程上的复杂问题计算。本文运用这个仿真软件，对圆环内圆磨削过程的热变形进行有效分析与研究。由此可见，磨削热的产生不仅会对工件的加工表面质量产生影响，还会影响工件的加工精度。在超精密加工中，磨削热产生的负面影响尤其不可低估。过去对于磨削加工机理的认识有限，而磨削加工过程的实际调整多数是靠试凑法（即凭操作者所积累的大量经验知识）来完成，特别是有关磨削温度分析模型，多是通过单因素获得的。随着计算机性能的日益提高，仿真技术在工业中的应用越来越广泛，这给磨削理论的研究带来了新的思路，使我们有可能克服传统研究方法的局限性，深入研究磨削过程中磨削温度的变化及热变形过程。国内外研究现状及分析对于工程技术问题，通过建立数学模型，应用解析法可以获得精确解。但大多数情况下，数学模型都包含于分复杂的非线性微分方程，解析法无法应用。对于这类问题，可利用有限元数值模拟技术，将物理模型离散成有限的单元，通过设定初始条件和边界条件，借助计算机求解每个单元对应的线性方程组，从而获取满足工程需要的数值解。有限元法在金属磨削研究中的国内外发展状况最早研究金属磨削机理的是Merchant,LeeandShaffer等人。前者基于最小能量原理，于1941年建立了金属磨削的剪磨角模型，并确定了剪磨角与前角之间的对应关系，该模型只考虑了磨削时作用在磨屑上的力，没有考虑应力分布的问题;后者假定被加工材料是理想的塑性材料，在加工过程中不会产生硬化，并应用了塑性理论建立滑移线为直线的滑移线场，从而提出了自己的剪磨角模型，该模型在某些特定的情况下是不适用的。实际上，以上两种剪磨角模型都不能与试验结果很好的相符。从1960年以后,大量的学者开始将磨削过程中的摩擦、高应变率、加工硬化和磨削温度对工件加工精度的影响考虑到金属磨削的模型中去，这样使得对金属磨削仿真计算的结果与实际的测量数据更加接近，增进人们对金属磨削机理的认识。国内在这方面的研究起步较晚，主要集中在儿所高校，企业尚无类似研究。最早引入有限元方法和有限元软件对金属磨削过程的进行分析的是浙江大学的黄志刚、柯映林等人。他们在《金属磨削加工有限元模拟的相关技术研究》一文中讨论了磨削分离标准、表面接触、自适应网格等与金属磨削加工模型密磨相关的各向技术。合肥工业大学的谢峰、赵吉文、刘正土等人借助有限元软件成功模拟了三维磨削过程的磨屑形成、磨削区应力、应变变化过程及前后刀面的摩擦状况，计算出了剪磨角。2.2有限元法在金属磨削研究中的国内外发展状况磨削相对于其它金属加工方法，单位体积的材料去处需消耗更多的能量，几乎所有的能量都转换成热量积聚在磨削区域，从而导致砂轮和工件的温度升高。众所周知，温升将对工件表面精度产生重大影响。这一现象自从磨削加工方式出现以来就广泛为人们所重视。对于磨削区内工件表面层的温度分布状况一磨削温度场，很多国内外学者已经做了大量研究工作，提出了磨削区温度场的理论计算公式，其计算结果与在实验室的实测结果基本相符，因而逐步被应用于实际。实际上磨削区热源强度来源于磨削时所产生的热量，而热量的一部分散失在砂轮、磨削、空气及夹具中，湿磨时则被磨削液带走一部分，其过程是非常复杂的L.C.Zhang和M.Mahdi将磨削热分析归为四类问题：（A）热源的强度和分布情况；（B）介质冷却的对流换热情况；（C）工件材料的热属性；（D）热源的移动情况。在国内，上海交通大学的贝季瑶于1964年对三角形分布热源按单向导热模型及双向导热模型分别导出了磨削接触弧区温度的计算公式。山东石油大学的孟庆国提出按热源强度分布和导热方向的不同，可将磨削过程中的传热分为四种导热模型:a）热源强度均匀分布的一维导热模型;b）热源强度呈三角形分布的一维导热模型;c）热源强度均匀分布的三维导热模型;d）热源强度呈三角形分布的三维导热模型。近年来，国内学者也开始利用数值模拟技术对磨削的热现象进行仿真。华中科技大学的崔江红和中原工学院的穆云超利用有限元软件ANSYS对CBN砂轮平面磨削进行了仿真。天津大学的田晓、林彬等人对杯形砂轮平面磨削温度场进行了有限元分析，讨论了温度场的不均匀分布现象。山东大学的土霖、秦勇等人对干式磨削和湿式磨削温度场进行了仿真比较。以上研究只限于对平面磨削进行分析，到目前为止尚没有对内圆循环磨削过程的温度场及热变形进行有限元分析的。L3本文意义及研究内容本文基于弹塑性力学、传热学及热力学等基本理论知识，采用有限元数值模拟技术,借助大型通用有限元软件ANSYS,对金属磨削结构变形过程和磨削热变形过程进行了分析，主要做了以下工作：1）金属磨削力学及变形分析。应用金属磨削原理、弹塑性力学等理论知识，以圆环零件为模拟对象，建立二维温度场有限元模型。2）金属磨削过程动态模拟。对圆环内孔磨削温度场进行仿真。3）磨削温度场及热变形分析。分析内圆磨削温度场分布情况及受热变形过程。第二章2.电机选择2.1电动机选择L1选择电动机类型1.2选择电动机容量电动解所需工作功率为：已=十V；工作机所需功率匕为：1000传动装置的总效率为:〃=〃附〃=〃附2%〃4；传动滚筒滚动轴承效率7=0.96rj2=0.96闭式齿轮传动效率%=0.97%=0.99闭式齿轮传动效率%=0.97%=0.99pd=Fv10000x40 kW=\0.52kW1000〃0.8x1000x602d略大于巴即可。选用同步转速1460r/min；4级；型号Y160M-4.功率为llkW联轴器效率代入数值得：〃=7小小小=0.96x0.994xO.972xO.992=0.8所需电动机功率为：2.1.3确定电动机转速取滚筒直径。=500〃加竺3=竺3=125.6r/min50041.分配传动比(1)总传动比⑵芬配动装置各级传动比取两级圆柱齿轮减速器高速级传动比图2.L4电机端盖2.2运动和动力参数计算Po=勿衿1（电助机轴加=%=146°”minR三物部维獭邨Vm用=琮制猴炉再 =10.52x0.99x0.97=lO.lOkW弘三第籍鬻匾魏＜^^硼丽9N.m4M於丁 1460”,.X9550•7鱼£伙?1小一丁—T88F=出庭猫翻郁臀殷杷粉*7”,.X9550•7鱼£伙?1小一丁—T889x0.99x0.99=9.49kW=735.8N•加〃“ 949=9550匕=9550x =720N•6n. 125.763.齿轮计算选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1＞按传动方案，选用斜齿圆柱齿轮传动。2〉绞车为一般工作机器，速度不高，故选用7级精度(GB10095-88)„3＞材料选择。由表10T选择小齿轮材料为40Cr(调质)，硬度为280HBS,大齿轮材料为45钢(调质)硬度为240HBS,二者材料硬度差为40HBS。4＞选小齿轮齿数Z1=24,大齿轮齿数Z2=24x4.03=96.76。取&-975初选螺旋角。初选螺旋角〃=14°2按齿面接触强度设计由《现械设计》设计计算公式(10-21)进行试算，即d、2KK4+1Z〃ZehV4匕1〃3.2.1确定公式内的各计算数值(1)试选载荷系数a=1.61。(2)由《机械设计》第八版图10-30选取区域系数〃=2.433。(3)由《机械设计》第八版图10-26查得反尸0・78,£〃2=0-87,则&=£.+&2=1-65。（4）计算小齿轮传递的转矩。. 95.5XQxp95.5x105x10.41w…in4n. 1460(5)由《机械设计》第八版表10-7选取齿宽系数由=1T,=n. 1460(5)由《机械设计》第八版表10-7选取齿宽系数由=1(6)由《机械设计》第八版表10-6查得材料的弹性影响系数Z,=189.8MPa(7)由《机械设计》第八版图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限b"iimi=600MP。；大齿轮的接触疲劳强度极限为.2=500MPa 。13计算应力循环次数。N、=60〃心=60xl460xlx2x8x300xl5=6.3xl09N2=-^-=1.56x1094.03(9)由《机械设计》第八版图(10-19)取接触疲劳寿命系数Khn\=0.90;5=0.95o(10)计算接触疲劳许用应力。

取失效概率为1%，安全系数s=l,由《机械设计》第八版式(10-12)得[aH],=则=0.9x600MPa=540MPa\aH]2=K=o.95x55OMPa=522.5MPa(ID许用接触应力\aH]=匕/+、h】2=53i25MPa.2.2计算(1).算小齿轮分度圆宜.径4d=32」4)+1电台..= V16.46x104x0.862 =Vo.7396xl6.46xlO47 Vg〃[也Vl21.738x10=49.56mm(2)计算圆周速度修兀d“n\?rx1460x49.56V= = =3.7Xm/s⑶计算辩器豫m⑶计算辩器豫mnt= =49.56wm[cos/数j56xcos14049.56x0.97nm= = = =2mmULn,& 24 24h=2.25mn/=2.25x2=4.5mm%=49.56/4.5=11.01(4)计算纵向重合度£〃=0.318。,乙tan夕=0.318x1x24xtan14°=20.73(5)计算载荷系数K。已知使用系数K.=L根据v=7.6m/s,7级精度，由《机械设计》第八版图10-8查得动载系数K—L11；由《机械设计》第八版表10-4查得K郎的值与齿轮的相同，故Km=L42；由《机械设计》第八版图10-13查得*8=135由《机械设计》第八版表10-3查得Kh“=K〃夕=1.4.故载荷系数K=KAKvKHaKHp=1X1.11x1.4x1.42=2.2(6)按实际的载荷系数校正所算得分度圆直径，由式(10-10a)得"=4］父(7)计算模驶'22"=4］父(7)计算模驶'22 I =49.56xJ-p=49.56x^1375=55.11/nmd】cos0m,= 55.11xcosl400.97x55.11~^4 ― 24~=2.22mm3.3按齿根弯曲强度设计由式(10-17)|—2K「力由式(10-17)|—2K「力cos",二工ETm„3.3.1确/计24一*165x0.01642mm=#4.342x0.97?%%=V4.085=1(1)计算载荷系数K=KAKvKfaKf0=l.xllxl.4xl.35=2.09c-i903(2)根据纵向重合度 ,从《机械设计》第八版图10-28查得螺旋角影响系数丫广"88(3)计算当量齿数。7=__=———=—24.=.2支_2637：二3三迪巴%?；0胎⑷分藏3…由表10-5查得丫昂产2.57;丫“=218(5)查取应力校正系数。由《机械设计》第八版表10-5查得匕―16八2=1-79(6)由《机械设计》第八版图10-24c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限。阳=5(WPa；大齿轮的弯曲强度极限G、e2=380MPj(7)由《机械设计》第八版图10-18取弯曲疲劳寿命系数Kfm=0,85,Km2=0-88.(8)计算弯曲疲劳许用应力。取弯曲株千金以因T，型邈鳏狒士》3偌9筋内(10T2)得⑼1绯4、=扁牖毕号笔物飒嘤38.86MP.2.592x1.59收6,363年距2=2那郎774=0()]642\rrA238.86由此忖痛失齿轮的数值大。3.3.2设计计算2x2.10x6.8x1Q4x0.88x(COS140)?

对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数相"大于由齿面齿根弯曲疲劳强度计算的法面模数，取加"=2,已可满足弯曲强度。但为了同时满足接触疲劳强度,需按扬飕醵琴强席御蜕才邸I直径100.677mm来计算应有的齿数。于是由」 = =26.73m„2取石=27,则z，=27x4.03=108.81取22=1°93.4几何尺寸计算3.4.1年算中心距136 =140.2/71/770.97a一(Zi+Z2》?〃=136 =140.2/71/770.972cos乃2xcos14将中以距圆整为141mm.3.4.2按圆整后的中心距修正螺旋角6一arccos⑵+二巫=arccos(27+W9)—=arccos0.97=14.06。夕-arccos2a „2x140.2 ,因夕值改变不多，故参数£。、“、/h等不必修正。3.4.3计算大、小齿轮的分度圆直径dacospdacosp cos140.97=55mmd2乙109x2d2="= = =224mm：_= =139.5/m/h4.4计算齿轮宽度"=。/d[=1x55.67=55mm圆整后取B、=56mm;B=61mm.低速级取m=3;Z3=30;由九=@=2.88=2.88x30=86.4取力=87=%3=3x30=90,"4心初乏43x配平地眄”a= = nun=b=°/4；=1x90nun=90mm圆整后取Bq=90mm,8?=95/w/n表1高速级齿轮:名称代号计算公式小齿轮大齿轮模数m22压力角a2020分度圆直径d%=〃乜=2x27=54d、='"[2=2x109=218齿顶高ht瓦尸瓦2="：m=lx2=2

齿根高h〃“="/2=（/l：+C*）m=（l+c*）x2IS全高h//尸九=（2瓦+c*）m西顶圆直径dd“=（z1+2/i：Md-2E）m表2低速级齿轮：名称代号计算公式小齿轮大齿轮模数m33压力角a2020分度圆直径dd尸"Z尸*27=54d，=/n^2=2x109=218齿顶高ht%\=%2=3〃=1又2=2齿根高h,〃/1=〃/2=8：+。*）机=（l+c*）x2西全高h力尸九=（2/l：+c*）m齿顶圆直径dd,“=（乙+2/0加d«2=（Z2+2/i：M134.轴的设计1低速轴4.1.1求输出轴上的功率P、转速外和转矩73确而婢％产5=9颉卬ri3=ri3=~ll24.1.2机速=125.76/7min2.88842N-m4x10104〃〃〃tan。 tan20° 0.3639…F=F―=3642x =3642x =1366N2r1'cos/3r?cos140口0.97肥力£ia雄岫42几副醐8令的4.1.3初步确定轴的最小直径先按式初步估算轴的最小直径.选取轴的材料为45钢，调质处理.根据《机械设计》第八版表15-3,毋。="2 而•是得dmin=4户=112'在京元=112x75布=47.64mm丫〃3 V125.76输出轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径"叫为了使所选的轴直径与联轴器的孔径相适应,故需同时选取联轴器型号.联轴器的计算转矩T，“=KaT3,查表考虑到转矩变化很小，故取Ka=13，贝|j：/“=K=1.3x735842ZV-w/n=956594.6N-mm按照计算转矩T，。应小于联轴器公称转矩的条件,查标准GB/T5014-2003或手册,选用LX4型弹性柱销联轴器，其公称转矩为2500000N•根〃7.半联轴器的孔径"尸55如〃，故取"-2=5。〃加，半联轴器长度L=112mm,半联轴器与轴配合的毂孔长度乙=84初”.4轴的(1)拟定轴上方案结构设计零件的装配图4-1（2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度1）根据联轴器42=5。如〃，匕2=84，〃肛为了满足半联轴器的轴向定位要示求，b2轴段右端需制出一轴肩，故取2-3段的直径4-=62如"；左端用轴端挡圈,按轴端直径取挡圈直径D=65mm.半联轴器与轴配合的毂孔长度入尸84mm,为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上，故『2段的长度应比Li略短一些，现取/-2=82mm2）初步选择滚动轴承.因轴承同时受有径向力和轴向力的作用，故选用单列圆锥滚子轴承.参照工作要求并根据42-3=62加〃，由轴承产品目录中初步选取0基本游子隙组、标准精度级的单列圆锥滚子轴承30313。其尺寸为dxDxT=65mmxl40mmx36mm,故d3T=乩-7=65mm,而15.6=54.5mm,dsw=82mm。3）取安装齿轮处的轴段4-5段的直径44-5=7。〃加；齿轮的右端与左轴承之间采用套筒定位。已知齿轮轮毂的宽度为90mm,为了使套筒端面可靠地压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，故取= 。齿轮的左端采用轴肩定位，轴肩高度〃2Q07d,故取h=6mm，则轴环处的直径4-6=82mm。轴环宽度b21.4〃，取L=605mm。4）轴承端盖的总宽度为20mm（由减速器及轴承端盖的结构设计而定）。根据轴承端盖的装拆及便于对轴承加润滑脂的要求，取端盖的外端面与半联轴器右端面间的距离l=30mm,故取/一=4057机机低速轴的相关参数:

表4T功率9.69kW转速为I25.76r/min转矩T.735.842N•61-2段轴长1\-284mm1-2段直径dl.250mm2-3段轴长h-340.57mm2-3段直径dl-362mm3-4段轴长13T49.5mm3-4段直径d3T65mm4-5段轴长Ia-585mm4-5段直径d4-570mm5-6段轴长I5-660.5mm5-6段直径(15-682mm6-7段轴长1&-154.5mm6-7段直径de-i65mm(3)轴上零件的周向定位齿轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。按d一查表查得平键截面b*h=20mmxl2mm,键槽用键槽铳刀加工，长为L=63mm,同时为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为号;同样，半联轴器与轴的连接，选用平键为14mmx9mmx70mm,半联轴器与轴的配合为一。滚动轴承与轴的周向定位是由过k6渡配合来保证的，此处选轴的直径公差为m6。8,2%同瓣p刀”=10.52x0.99x0.97=10.10W124求辎机fa的螭期萧速足和转矩兀lo\,限去藜蟒用在普球僚为63.6N•myL肉色处初递娜芮柳I分廓剧麻径为:d、= =4x35邺0mm号表15-3,号表15-3,取图4-24.2.4初步选择滚动轴承.（1）因轴承同时受有径向力和轴向力的作用，故选用单列圆锥滚子轴承，参照工作要求并根据1.2=35m〃2,由轴承产品目录中初步选取0基本游子隙组、标准精度级的单列圆锥滚子轴承。其尺寸为dxD*T=35mmx72mmx18.25mm,故di?=d5（、=35m】n,L,=31.8/77,71；“5—o（2）取安装低速级小齿轮处的轴段2-3段的直径d?3=45加〃？/,2=29.8/nzn；齿轮的左端与左轴承之间采用套筒定位。已知齿轮轮毂的宽度为95mm,为了使套筒端面可靠地压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，故取八_3=9。卯〃o齿轮的右端采用轴肩定位，轴肩高度〃20.07J,故取h=6mm,则轴环处的直径。轴环宽度b21.4"，取屋&= 。（3）取安装高速级大齿轮的轴段4-5段的直径44-=45冲〃;齿轮的右端与右端轴承之间采用套筒定位。已知齿轮轮毂的宽度为56mln,为了使套筒端面可靠地压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，故取/”5=51〃?m。4.2.5轴上零件的周向定位齿轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。按查表查得平键截面b*h=22mmxl4mmo键槽用键槽铳刀加工，长为63mm，同时为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为；同样，半联轴器与轴的连接，选用平键为14mmx9mmx70mm,半联轴器与轴的配合为。滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径公差为m6。中间轴的参数：表4-2功率210.lOkw转速H，362.2r/min转矩T、263.6N•小1-2段轴长1\-229.3mm1-2段直径(1\-225mm2-3段轴长11-390mm2-3段直径di-345mm3-4段轴长Z3-412mm3-4段直径d3-457mm4-5段轴长I4-551mm4-5段直径d4一与45mm

4.3高速轴4.3.1求输出轴上的功率Pi转速几和转矩.弼照例第4轮跑4碗的效率,则几=nm~1460"minr=§5姜圆苗皖黑史上能也•m我建硒酗蟀楣19搬研购为gNd]=〃4；=3x24="hmm0.36390.97=709.55Ntanry0.36390.97=709.55NF=F—^=1891.38x =1891.38x1r1'cos/3 cos14°F必网向初步确定轴的最小直轻38x0.249=470.95N先按式初步估算轴的最小直径.选取轴的材料为45钢，调质处理.根据表15-3,取=112x1.924x0.=112x1.924x0.1=21.54，”〃?输出轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径为了使所选的轴直径与联轴器的孔径相适应，故需同时选取联轴器型号.联轴器的计算转矩7\=KaT］，查表，考虑到转矩变化很小，故取Ka=1.3，则：T,=K\Ti=13x68090N•mm=88517Nmm按照计算转矩T“，应小于联轴器公称转矩的条件,查标准GB/T5014-2003或手册，选用LX2型弹性柱销联轴器，其公称转矩为560000N・mm.半联轴器的孔径己合的毂孔长d1=30〃〃〃，故取度Li=82mm.己合的毂孔长4.4轴的结4.4.H图4-34.4.2根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度1）为了满足半联轴器的轴向定位要示求，卜2轴段右端需制出一轴肩，故取2-3段

的直径d”3=42mm；左端用轴端挡圈，按轴端直径取挡圈直径D=45mm.半联轴器与轴配合的毂孔长度乙=82mm，为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上，故段的长度应比略短一些，现取/_=80mm.2）初步选择滚动轴承.因轴承同时受有径向力和轴向力的作用，故选用单列圆锥滚子轴承.参照工作要求并根据=42，"加，由轴承产品目录中初步选取0基本游子隙组、标准精度级的单列圆锥滚子轴承。其尺寸为d*D*T=45mm*85mni*20.75mm,故d、，=d,r=45mm ；而。=26.75nwz,/,=31.75mm0.5-4 0—7 "7-o "3—43）取安装齿轮处的轴段4-5段,做成齿轮轴；已知齿轮轴轮毂的宽度为61mm,齿轮轴的直径为62.29mm。4）轴承端盖的总宽度为20mm（由减速器及轴承端盖的结构设计而定）。根据轴承端盖的装拆及便于对轴承加润滑脂的要求，取端盖的外端面与半联轴器右端面间的距离l=30min,故取/“3=45.8bnm。5）轴上零件的周向定位齿轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。按"一查表查得平键截面同样，半联轴器与轴的连接，选用o滚动轴承与轴的周向定位是由b*h=14mm*9nun,键槽用键槽铳刀加工，长为同样，半联轴器与轴的连接，选用o滚动轴承与轴的周向定位是由好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为士；〃6H7平键为14mmx9mmx70mm,半联轴器与轴的配合为——k6过渡配合来保证的，此处选轴的直径公差为m6。高速轴的参数:表4-3功率P.10.41kw转速为1460r/min转矩T、68.09N•m1-2段轴长Zl-280mm1-2段直径di-230mm2-3段轴长11-345.81mm2-3段直径U2-342mm

3-4段轴长，3一445mm3-4段直径(13-431.75mm4-5段轴长Z4-599.5mm4-5段直径d4-548.86mm5-6段轴长I5-661mm5-6段直径(15-662.29mm6-7段轴长lb~726.75mm6-7段直径45mm5.齿轮的参数化建模齿轮的建模(1)在上工具箱中单击包按钮，打开“新建”对话框，在“类型”列表框中选择“零件”选项，在“子类型”列表框中选择“实体”选项，在“名称”文本框中输入

格式报表图表标记“dachi1un_gear”名称dachi“dachi1un_gear”U：燮用修矍提援;一aa」图5T“新建”对话框2＞取消选中“使用默认模板”复选项。单击“确定”按钮，打开“新文件选项”对话框，选中其中"mmns_part_solid”选项，如图5-2所示，最后单击"确定"按钮，进入三维实体建模环境。(2)设号1(2)设号1》在主菜话框。2＞在对话容如图5-4所,关系”对|，具体内图5-3输入齿轮参数(3)绘制齿轮基本圆在右工具箱单击荏，弹出“草绘”对话框。选择FRONT基准平面作为草绘平面，绘制如图5-4所示的任意尺寸的四个圆。(4)设置齿轮关系式，确定其尺寸参数1＞按照如图5-5所示，在“关系”对话框中分别添加确定齿轮的分度圆直径、基圆直径、齿根圆直径、齿顶圆直径的关系式。2＞双击草绘基本圆的直径尺寸，将它的尺寸分别修改为d、4、/、力修改的结果如图5-6所示。图5-4草绘同心圆 图5-5“关系”对话框图5-6修改同心圆尺寸 图5-7"曲线：从方程”对话框(5)创建齿轮齿廓线1＞在右工具箱中单击〜按钮打开“菜单管理器”菜单，在该菜单中依次选择“曲线选项f “从方程一 “完成”选项，打开“曲线：从方程”对话框，如图5-7所示。2＞在模型树窗口中选择^pRT.csys.def坐标系，然后再从“设置坐标类型”菜单中选择“笛卡尔”选项，如图5-8所示，打开记事本窗口。3〉在记事本文件中添加渐开线方程式，如图5-9所示。然后在记事本窗中选取“文件”“保存”选项保存设置。

图5-8“菜单管理器”对话框 图5-9添加渐开线方程4＞选择图5-11中的曲线1、曲线2作为放置参照，创建过两曲线交点的基准点PNTOo参照设置如图5-10所示。图5-10“基准点”对图5T1基准点参照曲线的选择话框图5-10“基准点”对5＞如图5-12所示，单击“确定”按钮，选取基准平面TOP和RIGHT作为放置参照,创建过两平面交线的基准轴A」，如图6T3所示。参照显示属性偏移参照RIGHT:F1陛准平面）穿过T0P:F2国法平面） 穿过参照显示属性偏移参照RIGHT:F1陛准平面）穿过T0P:F2国法平面） 穿过图5-12“基准轴”对话框图5-13基准轴A_15-15基准平面DTM1丁基碓平面放置显示属性5-15基准平面DTM1丁基碓平面放置显示属性确定取消6＞如图5-13所示，单击“确定”按钮，创建经过基准点PNTO和基准轴A_1的基准平面DTM1,如图5-14所示。5T5基准平面对话框7＞如图5-16所示，单击“确定”按钮，创建经过基准轴A_l,并由基准平面DTM1转过“-90/z”的基准平面DTM2,如图5-17所示。图5-16“基准平面”对话框图图5-16“基准平面”对话框图5-17基准平面DTM28＞镜像渐开线。使用基准平面DTM2作为镜像平面基准曲线，结果如图5T8所示。图5-18镜像齿廓曲线(6)创建齿根圆实体特征1〉在右工具箱中单击〶按钮打开设计图标版。选择基准平面FRONT作为草绘平面,接收系统默认选项放置草绘平面。2＞在右工具箱中单击口按钮打开“类型”对话框，选择其中的“环”单选按钮，然后在工作区中选择图5-19中的曲线1作为草绘剖面。再图标中输入拉伸深度为“b”,完成齿根圆实体的创建，创建后的结果如图5-20所示。图5-19草绘的图形

5-20拉伸的结果(7)创建一条齿廓曲线1＞在右工具箱中单击左按钮，系统弹出“草绘”对话框，选取基准平面FRONT作为草绘平面后进入二维草绘平面。2＞在右工具箱单击口按钮打开“类型”对话框，选择“单个”单选按钮，使用.卜和平并结合绘图工具绘制如图5-21所示的二维图形。5-21草绘曲线图5-22显示倒角半径5-21草绘曲线图5-22显示倒角半径3＞打开“关系”对话框，如图5-22所示，圆角半径尺寸显示为“sdO”，在对话框中输入如图5-23所示的关系式。

图5-23"关系”对话框(8)复制齿廓曲线1＞在主菜单中依次选择“编辑”一►“特征操作”选项，打开“菜单管理器”菜单，选择其中的“复制”选项，选取“移动”复制方法，选取上一步刚创建的齿廓曲线作为复制对象。图5-24依次选取的菜单2＞选取“平移”方式，并选取基准平面FRONT作为平移参照，设置平移距离为“B”,将曲线平移到齿坯的另一侧。中输入旋转角度asin(2*b*tan(beta/d))图5-25输入旋转角度3＞继续在“移动特征”菜单中选取“旋转”方式，并选取轴A_1作为旋转复制参照,设置旋转角度为“asin(2*b*tan(beta/d))”，再将前一步平移复制的齿廓曲线旋转相应角度。最后生成如图5-26所示的另一端齿廓曲线。

图5-26创建另一端齿廓曲线(9)创建投影曲线1＞在工具栏内单击冬按钮，系统弹出“草绘”对话框。选取“RIGUT”面作为草绘平面，选取“TOP”面作为参照平面，参照方向为“右”，单击“草绘”按钮进入草绘环境。2＞绘制如图5-27所示的二维草图，在工具栏内单击力按钮完成草绘的绘制。图5-27绘制二维草图3＞主菜单中依次选择“编辑”—＞“投影”选项，选取拉伸的齿根圆曲面为投影表面，投影结果如下图5-28所示。图5-28投影结果(10)创建第一个轮齿特征1〉在主菜单上依次单击“插入”一“扫描混合”命令，系统弹出“扫描混合”操控面板，如图5-29所示。2＞在“扫描混合”操控面板内单击“参照”按钮，系统弹出“参照”上滑面板，如图6-30所示。参照剖面相切选项属性口口力仁力 轨迹 xN参照剖面相切选项属性 口0细节一剖面控制 垂直于轨迹水平/垂直控制垂直于曲面 F工画j图5-29“扫描混合”操作面板 图5-30“参照”上滑面板3＞在“参照”上滑面板的“剖面控制”下拉列表框内选择“垂直于轨迹”选项，在“水平/垂直控制”下拉列表框内选择“垂直于曲面”选项，如图5-30示。4＞在绘图区单击选取分度圆上的投影线作为扫描混合的扫引线，如图5-31示。图5-31选取扫描引线5＞在“扫描混合”操作面板中单击“剖面”按钮，系统弹出“剖面”上滑面板，在上方下拉列表框中选择“所选截面”选项，如图5-32所示。＜茎绘截面＜1＜茎绘截面＜1所选截面图5-32“剖面”上滑面板 图5-33选取截面6＞在绘图区单击选取“扫描混合”截面，如图5-33所示。7》在“扫描混合”操控面板内单击力按钮完成第一个齿的创建，完成后的特征如图5-34所示。□选择性粘贴。使副本从属于原件尺寸[□对副本应用移动旋转变换（笛[□高级参照凯贵确定亘I取:近匚]图5-34完成后的轮齿特征 图5-35"选择性粘贴“对话框(11)阵列轮齿曲•迭取1个项目设置旋转 ▼ 4.091＞单击上■•步创建的轮齿特征，在主工具栏中曲•迭取1个项目设置旋转 ▼ 4.09方向参照•选取：个项目图5-36旋转角度设置 图5-37复制生成的第二个轮齿2＞单击复制特征工具栏中的“变换”，在“设置”下拉菜单中选取“旋转”选项，“方向参照”选取轴A」，可在型数中选取，也可以直接单击选择。输入旋转角度“360/z”，如图6-36所示。最后单击3按钮，完成轮齿的复制，生成如图6-37所示的第2个轮齿。3》在模型树中单击刚刚创建的第二个轮齿特征，在工具栏内单击因按钮，或者依次在主菜单中单击''编忙_＞“阵列”命令，系统弹出“阵列”操控面板，如图6-38所示。I— 二)|11个项目 X58 、360100尺寸袤尺寸纥以襄选项属性

图5-38“阵列”操控面板图5-39完成后的轮齿 图5-40齿轮的最终结构4＞在“阵列”操控面板内选择“轴”阵列，在绘图区单击选取齿根园的中心轴隹为阵列参照，输入阵列数为“88”偏移角度为“360/z”。在“阵列”操控面板内单击—按钮，完成阵列特征的创建，如图5-39所示。5＞最后“拉伸”、