基于proe的錐齒輪系的虛擬設計含三維及3張CAD圖.zip,基于,proe,齒輪,虛擬,設計,三維,CAD 基于Pro/E的錐齒輪系的虛擬設計 摘要：本次課題設計的題目是“基于Pro/E的錐齒輪系的虛擬設計”。采用三維proe軟件進行結構設計，并且做好由錐齒輪傳動的帶式輸送機的零件圖設計、減速器裝配圖及主要零件的虛擬設計，最后將用Pro/E建好的模型導入ansys軟件中進行應力校核，看設計是否滿足工作要求。 這次的設計具體內容主要包括：動系統(tǒng)；主要傳動機構設計；對錐齒輪系三維建模、虛擬裝配及其主要零件的數(shù)控加工；錐齒輪系的裝配圖和主要零件的零件圖；錐齒輪系的主要零件的三維造型；虛擬裝配；主要零件的虛擬設計；翻譯外文資料；主要零部件在虛擬環(huán)境下的應力分析；撰寫開題報告；書等。 關鍵詞：Pro/E；齒輪設計；虛擬設計 II Virtual Design of Bevel Gear system based on Pro/E Absrtact: the title of this project is "Virtual Design of Bevel Gear system based on proe". The structural design of bevel gear belt conveyor was created by 3D proe software, and the assembly drawing, part drawing and virtual design of main parts in the transmission device of bevel gear belt conveyor were completed. Finally, we import the ansys software to check the stress, and see if the design meets the requirements of the work. The design of this time mainly includes : designing the transmission system of belt conveyor ;Design of main transmission mechanism ;Numerical control machining of three - dimensional modeling , virtual assembly and main parts of bevel gear train Assembly drawing of bevel gear train and part drawing of main parts ;Three - dimensional modeling of main parts of bevel gear train Machining simulation of virtual assembly and its main parts；Writing a problem report ;Writing the instruction of graduation design ;Translate a foreign language paperwork , Stress Analysis of components in Virtual Environment，etc . Keywords:PROP / E； Gear Design；Virtual Design 摘要 1 目次 1 1．緒論 1 1.1虛擬設計技術現(xiàn)狀及其發(fā)展 1 1.1.1虛擬設計技術現(xiàn)狀 2 1.1.2虛擬設計技術發(fā)展 2 1.2虛擬設計技術的優(yōu)缺點 2 1.2.1虛擬設計技術的優(yōu)點 2 1.2.2虛擬設計技術的缺點 3 1.3虛擬現(xiàn)實技術的應用情況 3 （1）工程應用 3 （2）醫(yī)療應用 3 （3）軍事應用 4 2．理論計算 5 2.1設計題目：基于Pro-E錐齒輪系的虛擬設計 5 2.1.1傳動方案：單級錐齒輪減速器 5 2.1.2帶式輸送機工作原理：如圖2 5 2.1.3工作情況 5 2.1.4設計數(shù)據(jù) 5 2.2電動機的選擇與確認 5 2.2.1選擇電機類型 5 2.2.2確定電機功率 5 2.2.3確定電機轉速 6 2.3確定傳動比與分配各級傳動比以及運動參數(shù)的計算 6 2.3.1傳動比計算 6 2.3.2傳動裝置運動動力參數(shù)計算 6 2.4帶的傳動設計 7 2.4.1確定功率比 7 2.4.2確定帶輪基本直徑 7 2.4.3驗算帶速 7 2.4.4確定中心距與帶的基礎長度 7 2.5圓錐齒輪傳動的設計計算 7 2.5.1 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) 7 2.5.2按齒面接觸疲勞強度設計 8 2.5.3按齒根彎曲疲勞強度設計 10 2.5.4幾何尺寸計算 11 2.5.5主要設計結論 12 2.5.6齒輪建模 13 2.6軸的計算 15 2.6.1選擇軸的材料 15 2.6.2大齒輪軸尺寸計算 16 2.6.3小齒輪軸的尺寸計算 18 2.6.4軸建模及裝配 20 3．傳動齒輪接觸應力的有限元分析 22 3.1有限元分析的意義及思路 22 3.2齒輪的建模 23 3.3創(chuàng)建接觸對 24 3.4模型的網格劃分 24 （1） 單元的選擇 25 （2） 材料特性選擇 25 （3） 劃分網格 26 3.5施加邊界條件和載荷 27 3.6求解和結果分析 28 4.總論 30 參考文獻 31 致 謝 32 VII 1．緒論 1.1虛擬設計技術現(xiàn)狀及其發(fā)展 現(xiàn)代虛擬設計已經在機械設計制造中得到了較為普遍的應用，這使得機械設計制造的效率得到很大提高,也變得更加形象簡單。有關虛擬設計在設計方面的應用，本文以錐齒輪建模做為例子，用proe畫出三維模型之后，再將弄好的模型加載到ANSYS中去做分析，然后將虛擬設計結果與理論分析結果的比對，證明了ANSYS在齒輪設計中舉足輕重的作用，是齒輪的優(yōu)化設計的堅實第一步。 虛擬設計技術是融合了多種先進技術而成的新興技術，它的基本原理就是通過電腦對紛然雜陳的數(shù)據(jù)進行直觀的，即時的操作，把人假想于到模擬的情況之中。早在1985年作用，國外就將虛擬設計技術運用于實際演練之中。中國雖然沒趕上首班車，但是伴隨著科技的快速進步，中國的虛擬設計術也取得了不俗的成績。 伴隨著社會前進的腳步，虛擬設計技術也在不同的領域里大放異彩，展現(xiàn)了其無懈可擊的優(yōu)越性和實用性。它不僅能夠向使用者即時的呈現(xiàn)設計產品及其進度，而且能夠讓使用者不必記住每個細節(jié)的參數(shù)，從而提升系統(tǒng)的運行效率。 圖1：虛擬設計流程圖 1.1.1虛擬設計技術現(xiàn)狀 建立錐齒輪的三維實體模型的方法有很多，例如通過CATIA、Pro/E等三維軟件直接操作，形成齒輪及其裝配圖的三維模型，然后將建好的模型導入有限元分析軟件ANSYS中，再利用ANSYS的模擬應力分析功能，對裝配體進行應力分析與強度校核。借由虛擬裝配設計技術，人們有條件在假想的條件下操作各種現(xiàn)實中存在的工具，對自己所設計的機構進行模擬的裝配，這樣就能夠在不實際制造出所需零部件的情況下，對所設計的物品進行檢驗和力校核。這就能夠及時找出設計中存在的問題與不足，并及時優(yōu)化自己的設計，相當于在未制造出實物，就已經完成了檢測和評估。而在以前，所有設計的唯一依據(jù)就僅僅是設計人員的工作經驗和理論知識，萬一出錯，代價昂貴。北航的計算機專業(yè)是我國首家進行虛擬現(xiàn)實研究的院校，是全國虛擬現(xiàn)實行業(yè)的領頭羊。該校開創(chuàng)性的研究了虛擬狀態(tài)下不同物理特性的不同表達，開發(fā)了一些虛擬現(xiàn)實中的視覺借口硬件，創(chuàng)建了新穎的以虛擬現(xiàn)實為主題的網絡論壇以供師生交流。 1.1.2虛擬設計技術發(fā)展 CAD/CAM技術在機械設計行業(yè)的普及使得其效率得到極大提高，而由它們延展出的虛擬現(xiàn)實技術，使在平面的顯示發(fā)展到了空間顯示，并且大幅提高了人機交互，機械設計制造過程變得更加方便快捷。伴著社會的發(fā)展，未來很有可能會發(fā)明像漫威電影《鋼鐵俠》中那樣復雜的設計系統(tǒng)：通過手勢控制，全息投影，設計制造智能控制，并且實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時智能化存儲，人機對話摒棄傳統(tǒng)的鍵盤輸入而采納語音直接對話。到那時，因其簡便的步驟以及無與倫比的互動性能，機械設計制造將進入千家萬戶，而不是被少數(shù)人了解，整個制造業(yè)將發(fā)生排山倒海的變化。 1.2虛擬設計技術的優(yōu)缺點 虛擬設計技術是一種綜合多種設計系統(tǒng)的技術，它由大量先進學科的知識融會貫通而形成的新興技術。他的實質是在擁有計算機仿真技術支持的條件下，全過程模擬產品開發(fā)試驗的每一個步驟，并且具有即時性。它能夠預測所要設計的產品的物理化學性能，制造的困難程度，壽命，維護方式，維護周期，以及制造成本等一系列產品的重要參數(shù)。這不僅能夠提高產品一次設計就成功的幾率，而且使組織生產制造變得更加靈活，更加經濟。此外，合理運用虛擬設計還可以優(yōu)化廠房的設計布局，減少產品開發(fā)周期，提升設計質量。當然，一枚硬幣總是有不同的兩面，虛擬設計也有著不可忽視的缺點。以下是鄙人在查閱大量文獻資料后總結的優(yōu)缺點： 1.2.1虛擬設計技術的優(yōu)點 （1） 虛擬設計沿襲了虛擬現(xiàn)實技術（virtual reality）的所有優(yōu)點，如它保存了傳統(tǒng)CAD設計的長處，能有更便捷的途徑調取之前的成果。 （2） 虛擬設計技術搭載了類似仿真技術的可視化特點，能更好的對原有設計進行修改和調整 （3） 虛擬設計技術允許異地設計并支持多終端協(xié)同作業(yè)，使資源共享更可操作，扎實縮短產品開發(fā)周期 （4） 虛擬設計技術不僅可以利用已有的先進技術，未來發(fā)明的其他先進技術也可以被補充進去，能夠保持自己在技術本身的領先。 1.2.2虛擬設計技術的缺點 （1） 因為所有的操作都是在虛擬空間內完成的，所以對建模者要求偏高幾近嚴苛。不僅要求模型準確無誤，還要求模型的建立必須按照設計意圖來確定。 （2） 大量的視覺處理及其龐雜的計算占據(jù)電腦大量的CPU，模型的處理分析對電腦配置有較高的要求。設計結果的分析無法超越電腦運行的極限。 1.3虛擬現(xiàn)實技術的應用情況 （1） 工程應用 虛擬物品設計的概念自產生之日起就被投資者密切的注視著，在某些涉及虛擬設計的領域立刻就被著手于實踐和應用。在這些領域里，尤其以汽車制造業(yè)最為領先。 毫不夸張的說，虛擬現(xiàn)實技術就是為汽車制造業(yè)量身定制的。打個比方： 外國的一家汽車公司利用虛擬現(xiàn)實技術為消費者模擬汽車駕駛的場景，他們的團隊強大，運用虛擬設計技術搭造了一個存在硬盤中的汽車內部模型，里面包含所有現(xiàn)實汽車中存在的各種擺件。消費者可以足不出戶，在家就可以體會到駕駛汽車的感覺。這家公司還提供線上線下對比，通過用戶反饋來不斷改進自己的汽車內部模型。這不僅大大提高了消費體驗，也極大地促進的汽車行業(yè)的發(fā)展。同時，也為營銷行業(yè)打開了新世界的大門。 其實，只把虛擬設計用在這些方面著實是大材小用了，哪些眼光敏銳的投資者早就用虛擬設計的利刃剜去了航空業(yè)的一大塊蛋糕，他們把虛擬設計用到飛機的外形設計中去，用到飛機的內部空間結構的設計中去，用到飛機的傳動系統(tǒng)優(yōu)化中去。把原本繁瑣而且成本極高的飛機設計與優(yōu)化都投放到了虛擬的空間中，這樣一來，不僅大大降低了設計成本，還提供更好的設計選擇，讓人們能更加安全，便捷，舒適的搭乘飛機。 （2）醫(yī)療應用 不用顯微鏡，你能想象一個直徑比發(fā)絲還要細的細胞可以可以看起來比一個足球場還要大嗎？虛擬現(xiàn)實技術可以做到。在這種情況下，科學家們可以對細胞內部進行研究和分解，了解他們的工作原理和致病因素，他們甚至可以對癌細胞進行分階段模擬檢測，以尋求克服癌癥的辦法。相信在不遠的將來，虛擬現(xiàn)實技術將應用在醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的各個角落。 （3）軍事應用 國防乃民生之本。一個國家的國防力量決定了這個國家的國際地位。一個經濟實力足夠但國防能力不足的國家永遠也無法躋身大國行列。面對當今世界和平發(fā)展的大主題，磨煉軍隊的機會并不多，主要就是頻繁的軍事演習了。以前的演習不外乎就是拿著空包彈進行戰(zhàn)術戰(zhàn)略對抗，而現(xiàn)在，當虛擬現(xiàn)實技術進入現(xiàn)代化軍事戰(zhàn)場之后，新的演習方式也層出不窮?？梢栽谔摂M的戰(zhàn)場上，幫助戰(zhàn)士更加快速的熟悉新式武器，幫助將領更快的理解新的作戰(zhàn)理論和方法，幫助工程師更好的研制新式的武器。 2．理論計算 2.1設計題目：基于Pro-E錐齒輪系的虛擬設計 2.1.1傳動方案：單級錐齒輪減速器 2.1.2帶式輸送機工作原理：如圖2 圖2：帶式輸送機工作原理 2.1.3工作情況 （1） 工作條件：平穩(wěn)，環(huán)境最高溫度45度。 （2） （3） 檢驗間隔期：； （4） 動力來源：電力，三相交流電，電壓380，220V； （5） 運輸帶速度允許誤差：5% （6） 生產條件及批量：普通機械廠制造，小批量生產。 2.1.4設計數(shù)據(jù) （1）輸送帶工作拉力F=3.8KN, （2）輸送機工作速度V=1.5m/s, （3）滾筒的直徑=400mm。 2.2電動機的選擇與確認 2.2.1選擇電機類型： 電動機優(yōu)先選2或4級；此次設計選擇型電機。該電機額定功率為7.5kw，滿載轉速為970r/min。 2.2.2確定電機功率: 由工作功率 以及=/ 2.2.3確定電機轉速 滾筒轉速 傳動比 2.3確定傳動比與分配各級傳動比以及運動參數(shù)的計算 2.3.1傳動比： 分配各級傳動比: 2.3.2傳動裝置運動動力參數(shù)計算 各軸輸入功率： 各軸轉速： 各軸轉矩： 2.4帶的傳動設計 2.4.1確定功率比： 2.4.2確定帶輪基本直徑：由濮良貴主編的第九版《機械設計》書第157頁表8-9選取，大帶輪 ，取 ， 誤差在允許范圍內 2.4.3驗算帶速： 在5——25之內，合理 2.4.4確定中心距與帶的基礎長度 中心距 : 得 帶長 取 2.5圓錐齒輪傳動的設計計算 2.5.1 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) （1） 帶式輸送機一般為工作機械，運行速度不高，故選用8級精度，齒形角，齒頂高系數(shù)ha=1，頂隙系數(shù)c=0.2。 （2） 材料選擇，小齒輪選擇40Cr（調質鋼）為材料，表面硬度為380HBS，大齒輪選擇45鋼（調質鋼）為材料，表面硬度為260HBS，二者材料硬度相差120HBS。 2.5.2按齒面接觸疲勞強度設計 公式： （1） 確定公式內的各計算值 1） 查得材料彈性影響系數(shù)，節(jié)點區(qū)域系數(shù)。 2） 按齒面硬度查濮良貴主編的第九版《機械設計》書得小齒輪的接觸疲勞強度極限，大齒輪的接觸疲勞極限 3） 計算應力循環(huán)次數(shù) 小齒輪： 大齒輪： 4) 查表得到：， 5) 查得彎曲疲勞壽命系數(shù) ， 6) 計算接觸疲勞許用應力 7） 計算實際載荷系數(shù) 可以選取使用系數(shù),，動載系數(shù)， 齒間載荷分布系數(shù)，齒向載荷分配系數(shù) 所以實際載荷系數(shù)： 8） 計算轉矩 9) 10) U=i=5.42 （2） 計算 1） 試著計算小齒輪的分度圓直徑，將許用應力中的較小值帶入如下公式得： 2） 計算圓周速度v 3）計算齒寬b 4）計算齒輪圓周力 5）試算模數(shù) 6）計算實際載荷 查表得：使用系數(shù)，動載系數(shù) 齒間載荷分布系數(shù)，齒向載荷分配系數(shù) 所以 由 可得 2.5.3按齒根彎曲疲勞強度設計 公式： （1） 確定公式內的各計算值 1） 查得 ： 2） 計算 由分錐角， 可得當量齒數(shù) ； 查濮良貴主編的第九版《機械設計》書：圖10-17得齒形系數(shù) 由圖10-18得應力修正系數(shù) 查表10-24得小齒輪彎曲疲勞極限 大齒輪彎曲疲勞極限 由圖10-22得彎曲疲勞壽命系數(shù) , 取彎曲疲勞安全系數(shù)s=1.7 由表10-14可得 于是 ， 由于大齒輪的大于小齒輪，所以取 3） 4） 5） U=i=5.42 （2） 計算 1） 試算模數(shù) 2） 計算圓周速度v 3)計算齒寬b 3） 計算實際載荷系數(shù) 查表得 ：使用系數(shù), 動載系數(shù) 齒間載荷分配系數(shù)，齒向載荷分配系數(shù) 于是,載荷系數(shù)為 4） 試算模數(shù) 由 就近選擇標準模數(shù)m=2 按照接觸疲勞強度計算所得的小齒輪分度圓直徑d=71mm，求出小齒輪的齒數(shù) ，取小齒輪齒數(shù),則大齒輪齒數(shù) 為保證兩齒輪齒數(shù)互質（沒有公因子），取 2.5.4幾何尺寸計算 （1）計算分度圓直徑： (2)計算分錐角： (3) 計算齒寬： 取 2.5.5主要設計結論 齒數(shù)： ； 模數(shù)： ；壓力角： 變位系數(shù)： ；分錐角： ； 齒寬；小齒輪取40Cr（調質鋼）為材料，大齒輪取45 （調質鋼）為材料。齒輪按7級精度設計 表1：主要設計結論 名稱 符號 公式 直齒圓錐小齒輪 直齒圓錐大齒輪 齒數(shù) z z 36 197 模數(shù) m m 2 傳動比 i i 5.42 分度圓錐度 δ 分度圓直徑 d d=mz 72 394 齒頂高 2 2 齒根高 h 2.4 2.4 齒全高 4.4 4.4 齒頂圓直徑 ， 75.94 394.69 齒根圓直徑 p ， 67.08 393.13 齒距 s 6.28 6.28 齒厚 e s=p/2 3.14 3.14 齒槽寬 c e=p/2 3.14 3.14 頂隙 R 0.4 0.4 錐距 200.26 200.26 齒頂角 0.687度 0.687度 齒根角 0.687度 0.687度 齒頂圓錐角 , 齒根圓錐角 , 當量齒數(shù) b 36.55 1134.48 齒寬 60 60 2.5.6齒輪建模 根據(jù)主要設計結論用proe畫出各個零部件（主要是齒輪）的三維模型，并完成裝配，并且生成工程圖。 圖3：大齒輪建模 圖4：小齒輪建模 圖5：小齒輪工程圖 圖6：Proe 錐齒輪裝配圖 2.6軸的計算 2.6.1選擇軸的材料 初步選擇材料為45號調質鋼，這種材料的機械性能可查表得： 2.6.2大齒輪軸尺寸計算 2.6.2.1求大齒輪軸（輸出軸）上的功率,轉速，和轉矩 2.6.2.2求作用在齒輪上的力 因已知低速大齒輪的分度圓直徑，可求： 圓周力： 徑向力： 軸向力： 2.6.2.3初步確定軸的最小直徑 首先按照下面列的式估計軸徑的最小值。由于軸選取的材料為45號鋼（調質鋼）。于是可以得到, 大齒輪軸的最小直徑明顯等于安裝聯(lián)軸器處軸的直徑與聯(lián)軸器的孔徑相適應，所以應該同時選擇聯(lián)軸器的型號。 查閱濮良貴主編的第九版《機械設計》書中的表14-1，可以得到聯(lián)軸器的計算轉矩,又因為轉矩只有微小變化，取,則： 按照聯(lián)軸器公稱轉矩應當大于計算轉矩的條件，查閱濮良貴主編的第九版《機械設計手冊》后，選用LX3型彈性聯(lián)軸器。半聯(lián)軸器的孔徑d=50mm，故。 2.6.2.4軸的結構設計 （1） 根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 選取。 2）以滾動軸承為第一選擇。因為軸承既承擔軸向力又承擔徑向力的作用，所以選擇深溝球軸承。根據(jù)，同時參考工作中的要求，在軸承產品目錄中以0基本游隙組、標準精度級的單列圓錐滾子軸承30314為第一選擇，所以選??；而。 3）取安裝齒輪處的軸段5-6的直徑為；4-5軸段與左軸承之間通過套筒來定位。為使套筒端面牢固的銜接軸承，取,齒輪右端采用軸肩定位，軸肩高度h=(2-3)R，取 4)考慮到軸承端蓋的拆卸裝配以及便于對軸承潤滑的情況，取端蓋的外端面與半聯(lián)軸器右端面的距離為48mm，即取 5)選取齒輪和箱體之間的距離為△=16mm，又因為箱體存在鍛造誤差，所以滾動軸承的位置不能與箱體靠的太近，要留出一部分空間，于是取 到現(xiàn)在為止，我們把大齒輪軸的各段的直徑和長度都確定了下來。 (2)軸上零件的周向定位 用平鍵連接來限制齒輪及聯(lián)軸器的周向轉動自由度。通過，在濮良貴主編的第九版《機械設計手冊》中查表6-1中得平鍵截面尺寸,選用銑刀加工鍵槽，長為63mm，于此同時為了保證齒輪與軸對齊良好，能夠配合，因此，選擇齒輪輪轂與軸的配合為；然后，半聯(lián)軸器與軸采用相同的連接，選用平鍵尺寸為,半聯(lián)軸器的配合選擇為。選用過渡配合來限制滾動軸承與軸的周向轉動的自由度，這里選擇的軸的直徑公差是 （3）確定軸上的圓角和倒角尺寸 以軸端的倒角為C2，每個肩部的圓角半徑如圖7所示。 圖7：大齒輪軸工程圖 2.6.3小齒輪軸的尺寸計算 2.6.3.1求小齒輪軸（輸入軸）上的功率,轉速，和轉矩 2.6.3.2求作用在齒輪上的力 因已知低速大齒輪的分度圓直徑，可求： 圓周力： 徑向力： 軸向力： 2.6.3.3初步確定軸的最小直徑 首先，初次估計軸的最小直徑。由于所選軸的材料為45鋼，因此要淬火加回火（調質處理）?？梢缘玫剑?于是可以得到 由于輸出軸的最小直徑分明是裝配聯(lián)軸器處軸的直徑與聯(lián)軸器的內孔徑相符合，因此，必須同時選擇聯(lián)軸器類型。。 參閱《機械設計》書表14-1，結合聯(lián)軸器的計算轉矩公式，又斟酌到轉矩變化很小，故取,則： 根據(jù)聯(lián)軸器公稱轉矩應大于計算轉矩的前提，參閱《機械設計手冊》后，使用LT5型彈性聯(lián)軸器。半聯(lián)軸器的孔徑d=30mm，故。 2.6.3.4軸的結構設計 （1）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 2）以滾動軸承為第一選擇。因為軸承既承擔軸向力又承擔徑向力的作用，所以深溝球軸承。同時參考工作中的要求并根據(jù)，在軸承產品目錄中以0基本游隙組、標準精度級的深溝球軸承6305為第一選擇，所以選??；而。 3）選擇安裝齒輪處的軸段3-4的直徑為；2-3軸段與左軸承之間通過套筒定位。為使套筒端面牢固的銜接軸承，取,齒輪的右端選取軸肩定位，軸肩高度h=(2-3)R，取 到現(xiàn)在為止，我們把小齒輪軸的各段的直徑和長度都確定了下來。 (2)軸上零件的周向定位 用平鍵連接來限制齒輪及聯(lián)軸器的周向轉動自由度。通過，《機械設計手冊》中的表6-1中查得平鍵截面尺寸,選用銑刀加工鍵槽，長為38mm，63mm，于此同時為了保證齒輪與軸對齊良好，能夠配合，因此選擇齒輪輪轂與軸的配合為；然后，半聯(lián)軸器采用與軸相同的連接，選用平鍵尺寸為,半聯(lián)軸器的配合選擇為。選用過渡配合來限制滾動軸承與軸的周向轉動的自由度，這里選擇的軸的直徑公差是 （3）確定軸上的圓角和倒角尺寸 以軸端的倒角為C1，每個肩部的圓角半徑如圖8所示： 圖8：小齒輪軸工程圖 （3）.軸建模及裝配 根據(jù)設計結論用proe畫出各個零部件（主要是軸）的三維模型，并完成裝配，并且生成工程圖。如下所示： 圖9：大齒輪軸建模 圖10：小齒輪軸建模 只有錐齒輪副中的兩個錐齒輪合理設計并且建模尺寸無誤，才能實現(xiàn)錐齒輪副的精確裝配，也只有這樣才能保證錐齒輪副在仿真運行中不發(fā)生卡死和機構性干涉。直齒圓錐齒輪的嚙合條件是分度圓錐度和為90度，即δ1+δ2=90°，還要保證兩個齒輪的大端模數(shù)和齒形角分別相等，標準壓力角為20度。 為了保證兩對齒有可能同時在嚙合線上接觸，要求做到在小錐齒輪上，相鄰兩齒同側齒廓沿法線的距離，應該與大錐齒輪上相鄰兩齒同側齒廓沿法線的距離相等。在組合裝配的時候，要嚴格滿足兩齒輪的錐頂，以及兩個錐齒輪的輪齒分度圓錐角素線相重合的約束條件，只有這樣才能夠獲得正確的錐齒輪副組合，也只有這樣才能實現(xiàn)正常的運動仿真。即要實現(xiàn)錐齒輪副的正確配合，必須做到以下幾點： （1） 兩個錐齒輪的頂點相互重合； （2） 兩個錐齒輪的節(jié)圓彼此相切 （3） 兩個錐齒輪的節(jié)錐素線互相重合 （4） 兩個錐齒輪的節(jié)錐半徑相等 （5） 兩個錐齒輪的節(jié)錐角互補 圖11為錐齒輪副的精準裝配圖： 圖11：齒輪與軸裝配圖 因為篇幅限制箱體箱蓋的設計以及軸承軸承蓋等零部件的設計過程就不在此說明書中詳細展示。下圖為減速器整體裝配圖及爆炸圖: 圖12：整體裝配圖 圖13：裝配體爆炸圖 3．傳動齒輪接觸應力的有限元分析 3.1有限元分析的意義及思路 傳動齒輪龐雜的應力分布環(huán)境和變形原理是造成齒輪設計障礙的關鍵源由,有限元分析理論和各式有限元分析軟件的嶄露,讓日常策畫人員沒有必要針對齒輪受力作前期巨大的準備和斟酌,就可以大致上了解齒輪的受力和變形的狀況,并且可以遵從有限元計算成果,找出設計中的不足和缺陷,以方便對齒輪實行修正。 ANSYS軟件是一種大型通用有限元分析軟件,是寰球領域內前景最好的計算機輔助工程(CAE)軟件,能與絕大部分計算機輔助設計軟件接口,如CAD,proe，solidwowks等。能與pc端模擬仿真軟件達成數(shù)據(jù)的共享和交流,例如AutoCAD，Creo, CATIA等。本文所分析的齒輪傳動的主要數(shù)據(jù)為：齒數(shù)Z、厚度D、分度圓直徑d、模數(shù)m，首先生成齒輪模型，然后完整分析齒輪模型。將建立好的三維模型導入ANSYS中，按網格劃分、施加載荷和求解分析等步驟對齒輪進行分析。要對錐齒輪進行接觸分析的有限元計算，劃分網格的程度是很重要的。如果直接用自由網格劃分功能對整個錐齒輪系進行劃分網格，劃分出的是四面體形狀的單元，齒輪輪體上的網格劃分的相對較粗而齒輪輪齒上的網格卻劃分的相對較細，這會導致輪齒和輪體上的單元大小相差很大，在計算的時候會出現(xiàn)不合常規(guī)的剛度矩陣。但是，為了有條件能夠更方便的控制實體各個部分的網格大小，我們采用的方法劃分單元 。通過這種方式劃分的單元網格形狀是六面體的。我們要對兩個齒輪實體三維模型進行合適的分塊，以便夠進行體掃掠網格劃分，其中每一個分塊都是只包含一個目標面和一個源面的小實體。為了保證劃分網格是相連接的，這些小實體也應當是相互聯(lián)結的。所以要把握每一個小實體的網格劃分。如果要確保兩個齒輪在接觸齒上有足夠多的單元接觸，則不僅要對齒輪上的輪齒做精細劃分而且要盡量使輪齒和輪體上的網格劃分足夠均勻。按照這種方式劃分出來的網格計算結果更精確。還有，要調整的線及軸向的線劃分的單元數(shù)。 3.2齒輪的建模 使用proe進行實體建模。把傳動的齒輪嚙合到一起，并且確保無誤的嚙合位置之后，才可以執(zhí)行齒輪接觸應力分析。明確兩個齒輪在嚙合線上互相配合的所有位置，保證兩齒輪在節(jié)點處相嚙合。正確嚙合模型如圖14所示： 圖14:：齒輪實體建模結果 3.3創(chuàng)建接觸對 利用ANSYS接觸向導將嚙合大齒輪的齒廓面1和小齒輪的齒廓面2設置為接觸對，使齒廓面2為源接觸面，齒廓面1為目標接觸面。設置摩擦系數(shù)為0.15。同理，設置嚙合大齒輪的齒廓面3和小齒輪的齒廓面4為接觸對。如圖15： 圖15：創(chuàng)建接觸對 3.4模型的網格劃分 有限元分析的最重要程序是網格劃分，劃分網格是實體建模的主要目的，為了生成節(jié)點和單元。網格劃分以生成節(jié)點和單元的過程包括3個環(huán)節(jié)： （1） 單元的選擇 點擊如圖16所示選項設置單元類型。 圖16：設置單元類型 常用的三維實體單元有SOILD45，S0ILD92，S0ILD94，S0ILD185，S0ILD186，S0ILD187。 對于非線性材料應主要采用S0ILD185，S0ILD186，S0ILD187單元。因為他們有更多的材料模式，采用最新的單元技術。對于自由網格的應用最好采用有中間節(jié)點的單元，否則單元的退化形式精度將會大受影響。 其中S0ILD92單元是十節(jié)點四面體單元。由于該單元使用節(jié)點較少，幾何適應性強，經常應用于曲線邊界建模。因此，本設計錐齒輪模型采用S0ILD92單元劃分網格，如圖17所示： 圖17：單元的選擇 （2） 材料特性選擇 在前處理模塊中找到選項設置材料特性，定義材料為線彈性材料。如圖18所示： 圖18：定義材料屬性 選擇齒輪材料為40Cr，淬火和表面硬化后，齒面硬度為350——430HBS。它的機械性能為彈性模量：EX=200GPa，泊松比：PRXY=0.3，如圖19所示 圖19：輸入彈性模量和泊松比 （3） 劃分網格 產生節(jié)點和單元的模型網格劃分囊括了兩個步驟：(1)定義單元特質;(2)定義網格的生成并控制生成網格。 左右有限元分析準確性的一大要素就是網格的劃分，一般來說，網格劃分的越密，數(shù)據(jù)模型越精密，公式越復雜，所占用的計算機CPU內存也越多,同樣的，計算時間也越多。所以，實施有限元分析時通常首先需要對電腦配置有較高要求；其次，對模型進行的處理要到位，只有做到這兩點才能夠對需要分析的重要部位進行網格的生成及控制。 在單元庫中選擇S0LID42兩齒輪的實體單元，因為S0LID42為四邊形單元，有四個節(jié)點，相對于三角形單元而言，計算精度更高，沒有它那樣的不可改變，而關于中心節(jié)點的四邊形來說，相比之下更少節(jié)點數(shù)，不僅能夠節(jié)約計算時間，而且計算精度的變化不大。于是材料屬性中彈性模量 ，泊松比PRXY=0.3，摩擦系數(shù)為MU=0.3。網格劃分結果見圖20,21,22： 圖20：劃分網格后的齒輪 下面是嚙合部分的放大圖： 圖21:齒輪小端細節(jié)圖 圖22：齒輪大端細節(jié)圖 3.5施加邊界條件和載荷 施加邊界載荷的原則是：接觸區(qū)域要足夠保證該接觸區(qū)域能夠準確表達必需的接觸過程。Ansys的面-面接觸單元采用高斯積分作為檢閱接觸點的默認值，他比牛頓-羅伯特的節(jié)點積分項有著更為細致的拆分，用柱坐標系代替節(jié)點坐標系之后，點擊應用菜單中的“選擇”按鈕在彈出的對話框中選擇“方法”→“通過選取和數(shù)值”選擇小齒輪中小端內徑圓的四條線，之后在選擇“節(jié)點”→“附上”→“所有線條”再單擊“預處理程序”→“造型”→“運動”→“修飾”→“旋轉節(jié)點”→“激活”，這會把小齒輪的小端的內徑圓上的節(jié)點坐標系全部轉換為柱坐標系，此時X,Y分別代表R,θ。單擊“預處理程序”→“解決辦法”→“定義負載”→“代替”→“執(zhí)行”，在彈出的對話框中定義X方向固定不動，使其只有繞齒輪回轉中心的轉動自由度，也就是約束X軸，再次單擊“預處理程序”→“解決辦法”→“定義負載”→“力和力矩”→“執(zhí)行”，在彈出的對話框中選擇fy，輸入fy的值為-88.6N，則至此小齒輪小端上的邊界條件和載荷施加完畢。同理，約束小齒輪大端，大齒輪小端，大齒輪大端安裝孔表面上的節(jié)點的所有自由度。需重復以上步驟3次。保證這兩個齒輪僅具有圍繞它們各自齒輪的中心軸線的旋轉自由度。 轉矩負載施加到小齒輪的內表面，并且轉矩負載使用以下公式計算： T值為負，小齒輪繞軸線順時針旋轉。 3.6求解和結果分析 利用帶矯正的現(xiàn)行類似方法來解決非線性的ANSYS的方程。這種方法將載荷瓦解成可以應用在數(shù)個載荷步內或者單個子部之內的一系列的向量。ANSYS使用了Newton-Lapusen的平衡迭代的算法,在每一個載荷量的最終解時確保能夠抵達均衡收斂，在每次求解之前，用完全的 NR算法估算出殘差矢量，這個矢量屬于恢復力的一種，等于加載于外部的載荷的偏差值。然后，在某個限度內,載荷加強的最后解答直到它平衡或者收斂。接著， 圖23：齒輪接觸應力圖 用不平衡的載荷來做線性情況求解，并且 判斷收斂性。如果不符合收斂原則 ，需要再次估計不平衡的載荷量并且改變剛度矩陣，直到獲得的新解使問題收斂。本例采用靜力學分析,應力云圖見圖23。 由圖23可以看出在齒輪齒根處，齒面接觸應力最為集中，最大應力為508.7MPa經查表得知，550MPa是材料為45鋼的錐齒輪的。所以設計滿足要求。 齒輪接觸應力的計算公式已經有100多年的歷史了，按赫茲公式計算齒面接觸應力 ，見下式： 下面采用赫茲公式驗證上述分析過程的正確性。在ANSYS中計算出小齒輪的最大應力值為508.7MPa，按照赫茲公式計算出的最大應力值為505.8MPa ，以上兩個值相差不超過5%，在誤差允許的范圍之內。所以，設計的齒輪滿足設計要求。 4.總論 本文通過Pro/E對錐齒輪進行精確建模，在導入ANSYS后進行有限元分析（齒面接觸應力分析），并且對分析結果與計算結果進行對比，這論證了所用的理論得正確性和所建的模型的準確性。通過得到的應力云圖能夠看出，齒輪應力主要聚焦在齒根處和接觸點處，這些地方最脆弱，是損壞最先發(fā)生的地方。仿真分析進入三維領域之后，計算模型會變得更加真實、更加完整、更加精準，由此讓計算的結果變得更加可靠和易于理解。因此，運用有限元分析法對齒輪應力和變形進行仿真成為齒輪結構設計的必然趨勢。這樣一來，能夠在很大程度上降低加工成本，減少因為試驗新產品而產生的費用，給齒輪的創(chuàng)新設計和完善設計提供了良好的條件，能用更低的成本優(yōu)化齒輪的各方面參數(shù)。而且，可以在虛擬空間中反復模擬齒輪的加工工藝，以期找到最合適的材料和工藝。最終實現(xiàn)齒輪的工藝、材料、結構的創(chuàng)新設計。 第 35 頁 共 30 頁 參考文獻 [1]孫恒 陳作模 葛文杰.機械原理 [M].北京：高等教育出版社，2006 [2]濮良貴 紀名剛.機械設計 [M].北京: 高等教育出版社，2006 [3] 唐金松.簡明機械設計手冊[M].上海：上?？茖W技術出版社，1992 [4]徐光柱．開源3D打印技術原理及應用[M]．北京：國防工業(yè)出版社,2015 [5] 王巍.機械制圖[M].北京：高等教育出版社，2003 [6] 上海市標準協(xié)會.機械精度設計手冊[M].北京：中國標準出版社，1992 [7] 陳定萬 羅亞波.虛擬設計（第2版） [M].北京：機械工業(yè)出版社，2007 [8] 楊老記.AutoCAD 2004(中文版)工程制圖實用教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004 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