论文二级圆锥圆柱齿轮减速器机械实体造型设计、仿真.doc

毕业设计(论文)说明书题 目：二级圆锥圆柱齿轮减速器 机械实体造型设计、仿真系 别： 机械工程系 专 业：机电设备维修与管理摘 要本课题主要研究的内容是根据减速器设计的原始资料，研究减速器够组成部件（包括齿轮、轴、轴承、上箱体和下箱体）的设计及校核方法。对二级圆锥圆柱齿轮减速器设计进行功能分解，确立齿轮减速器三维参数化设计方法以及齿轮减速器零件（各主要传动件，标准件等）模型库、总装配库的构建方法。并用inventor虚拟软件，进行二级圆锥圆柱齿轮机构的三维建模，对圆锥圆柱减速器的机构的组成，内部传动部件，进行装配干涉分析、应力应变分析、运动仿真，最终生成二维工程图。利用inventor虚拟软件对所设计的产品进行AbstractThe main research topics are based on the design of the original data reducer, reducer enough of component parts (including gears, shafts, bearings, the upper casing and lower casing) design and verification method. Of the two conical gear reducer design of functional decomposition, the establishment of three-dimensional parametric gear reducer and gear reducer design parts (the main transmission parts, standard parts, etc.) model library, the total assembly method of constructing the library. And with the inventor of virtual software and database technology, for two conical cylindrical gears three-dimensional modeling of conical reducer cylindrical body composition, the internal transmission parts, and assembly interference analysis, stress and strain analysis, spatial motion analysis, motion simulation, eventually to produce two dimensional drawings. Using inventor of virtual software products designed three-dimensional modeling, assembly, motion simulation and engineering plans and other aspects of the production study found that stress and strain analysis in the CAD is an extremely important element. Only three-dimensional design, be possible to set up the finite element analysis of raw data, and then to part geometry and the optimal shape. Otherwise, the design is the traditional method: even the prototype for many of the bench test for the high cost, cycle length, is the modern market economy can not be tolerated. Starting from the three-dimensional design, in support of existing software, this model may be expressed at least all the geometric parameters of the design concept, the whole design process can be fully discussed in the three-dimensional model, it is easy to design the supporting rapid expansion of the whole process the design of all the processes can use a unified data, starting from the three-dimensional design, the expression of two-dimensional engineering drawings still have to comply with the requirements of traditional design. This oday, tomorrow our computer CAD.Key words：3D virtual design; three-dimensional modeling; reducer;目 录引言 11 概述22 电机的选择计算42.1 选择电动机的类型42.2 选择电动机的容量42.3确定电动机转速42.4 计算传动装置的总传动52.4.1 分配原则 52.4.2 总传动比i52.4.3分配传动比52.5 计算传动装置各轴的运动和动力参数 52.5.1 各轴的转速 52.5.2 各轴的输入功率 52.5.3 各轴的输入转矩 63 传动零件的设计计算 63.1 闭式直齿轮圆锥齿轮传动的设计计算63.2 闭式直齿圆柱齿轮传动的设计计算93.3 轴的设计计算 123.3.1减速器高速轴的设计 123.3.2 减速器的低速轴的设计 143.3.3 减速器低速轴的设计计算 164 滚动轴承的选择与寿命计算 184.1 减速器高速I轴滚动轴承的选择与寿命计算 184.2 减速器低速III轴滚动轴承的选择与寿命计算 195 键联接的选择 205.1 高速轴的键联接 205.2 低速轴的键连接 206 减速器机体的结构设计206.1 机体要具有足够的刚度 206.2 机体的结构要便于机体216.3 机体结构要具有很好的工艺性 226.4 确定机盖大小齿轮一段的外轮廓半径 227 润滑和密封设计 227.1 润滑227.2 密封238 箱体设计的主要尺寸及数据 239 三维建模249.1 三维建模技术 249.2 草图概念设计 259.2.1 零件的三维参数化设计建摸 259.2.2 虚拟装配289.2.3 干涉分析309.2.4 应力分析3010 结论 31谢辞32参考文献 33引言本课题研究的目的是在已有减速器设计的基本理论基础上，利用Inventor 2008三维设计软件和数据库技术，建立齿轮、轴、轴承、上箱体及下箱体的三维参数模型，将各零件进行装配。本课题研究的意义在于：能够为齿轮减速器是设计提供一种全新手段和方法，改变原有的手工设计，二维设计变为三维设计，并在设计中体现引导作用，使设计更为直观、形象、生动；通过实时人机互动式的三维参数化实体造型设计，更好地理解、掌握零部件的结构及装配关系，实现齿轮建起的动力学参数设计计算、齿轮传动设计技术、轴系的设计技术；分析三维参数化设计的方法，运用设计辩论与程序设计相结合的方法实现零件的三维参数化设计，在此基础上采用了在零件环境中以及在装配环境中建立零件模板的两天方法；分析齿轮减速器总装配及各部件之间的结构尺寸约的设计思想分别构建减速器总装装配模板和轴系模板。采用Inventor 2008三维设计软件，并结合AutoCAD_2004等二维绘图软件，设计了一个二级圆锥圆柱齿轮减速器，实现了减速器的三维模型生产，以及由此生成二维工程图的思想。通过Inventor 2008三维设计软件特有的干涉分析、应力应变分析、空间运动分析、运动仿真功能，对减速器进行了检查和优化设计方案，实现减速器的运动仿真，完成了减速器在计算机中虚拟设计。1 概述随着现代工业的不断发展和扩大，对工业机械的需求量也再迅速的增加，同时对机械设备的可靠性，维修性，安全性，经济性和燃油性也提出而来更高的要求。随着微电子工业向机械工业的渗透，现代机械日益向智能化和机电一体化方向发展。自20世纪90年代以来，国外机械工业进入了一个新的发展时期，技术发展的重点在于努力完善产品的标准化实现高精度，多用途，超小型化是工业机械的发展趋势。齿轮机构是在各种机构中应用最广泛的一种传动机构。它可以用来传递空间任意两轴件的运动和动力，并具有功率范围大，传动效率高，传动比准确，使用寿命长，工作安全可靠等特点。而作为齿机构的最基本组成部分齿轮所起的作用是无可代替的，所以齿轮的设计尤为重要。齿轮是应用最为广泛的通用零件，广泛用在各种传动中，如机床的传动装置，汽车的变速箱和后桥，减速器和玩具等。齿轮传动机构中很重要的应用机之间独立的闭式机械传动装置用来降低原动机转速或增大转矩，以满足工作机需要。而齿轮减速器作为一种重要的动力传递装置，在机械化生产中起着不可替代的作用。圆柱圆锥齿轮减速器是最常用的机械传动机构之一。纵观国内减速器行业的现状，为保持行业的健康可持续发展在充分肯定行业不断发展、进步的同时，更应看到存在的问题，并积极研究对策，采取措施，力争在较短时间内能有所进展。目前，同外减速器行业存在的比较突出的问题是，行业整体新产品开发能力弱、工艺创新及管理水平低，企业管理方式较为粗放，相当比例的产品仍为中低档次、缺乏有国际影响力的产品品牌、行业整体散、乱情况依然较为严重当今世界各国减速器及齿轮技术发展总的趋势是向六高、二低、三化方向发展。六高即指高承载能力、高齿面硬度、高精度、高速度、高可靠性和高传动率；二低，即低噪声、低成本；三化，即标准化、多样化、通用化。减速器及齿轮的设计与制造技术的发展，在一定程度上标志着一个国家的工业水平，因为其应用非常广泛，大到矿山机械中的传动装置，小到汽车变速箱等领域无不渗透着齿轮以及减速器的应用。当今是要求人与自然和谐发展的社会，我们的齿轮加工也逐步往绿色环保的干式、半干式加工转变，其中有高速和低温冷风干式加工两个方向，从这一点上讲，传统的机加工都将迈向一个新的台阶。国际上，动力传动齿轮装置正沿着小型化、高速化、标准化方向发展特殊齿轮的应用、行星齿轮装置的发展、低振动、低噪声齿轮装置的研制是齿轮减速器设计方面的一些特点为达到齿轮减速器装置小型化目的，可以提高现有渐开线齿轮的承载推力。各国普遍采用硬齿面技术，提高硬度以缩小装置的尺寸；也可应用以圆弧齿轮为代表的特殊齿形。英法合作研制的舰载直升飞机主传动系统采用圆弧齿轮后，使减速器高度大为降低。随着船舶动力由中速柴油机代替的趋势，在大型船上采用大功率行星齿轮装置确有成效；现在冶金、矿山、水泥一轧机等大型传动装置中，行星齿轮以其体积小、同轴性好、效率高的优点而应用愈来愈多。研究手段的现状和发展趋势随着科学技术的发展和日益增长的社会需求，机械产品的类型、规格及性能迅速地发生变化，市场要求产品的设计周期越来越短.传统的减速器设计往往是手工设计，因计算烦琐、复杂，致使手工设计的效率、可靠性、准确性大大降低，而且对于系列化产品设计需要进行反复的计算、查询和绘图，造成大量重复劳动。另外，传统的类比设计中还存在一个极大的毛病，即在设计时，大部分设计人员都是在己有产品的基础上将尺寸增大，这样的相似设计使得产品的尺寸与重量越来越大，造成财力、人力的浪费。在科学技术日益发展的今天，虽然CAD技术已被企业重视，但通用CAD支撑软件对大多数用户来说，只是绘图工具，只是使所绘图便于保存，便于修改，不是真正的实现了通过计算机设计的目的，不能解决设计问题，其实质仍是手工设计，它不仅设计效率低，同时对使用者的要求也较高，因使用者要直接使用图形支撑软件的命令去构造图形，这就要求其对各种命令的功能及其使用方法十分了解，从而限制了对这些命令不熟悉但精通产品设计的人员有效地使用计算机进行辅助设计，而使硬件和软件得不到充分利用。而且，在传统绘图设计过程中，工程师们感到最别扭的、最影响设计质量的、最需要有人辅助的几个常见的问题可能有下列几项：复杂的投影线生成问题、漏标尺寸，漏画图线的问题、机构的几何关系和运动关系的分析讨论问题、设计的更新与修改问题、设计工程管理问题、二维参数化的局限性等等，这些在我们的二维软件绘图中都不能得到很好的解决。在二维参数化软件前景不甚明确的条件，在此背景下，基于计算机的虚拟技术，虚拟产品开发就越来越显出其独特的优势。基于特征的三维参数化/变量化软件开始进入设计领域。人在设计零件时的原始冲动是三维的，是有颜色、材料、硬度、形状、尺寸、位置、相关零件、制造工艺等等关联概念的三维实体，甚至是带有相当复杂的运动关系的三维实体。如果能直接以三维概念开始设计，在现有的软件支持下，这个模型至少有可能表达出设计构思的全部几何参数，整个设计过程可以完全在三维模型上讨论，对设计的辅助就很容易迅速扩大的全过程，设计的全部流程都能使用统一的数据。这样就有可能比较容易地建立充分而完整的设计数据库，并以此为基础，进一步进行应力应变分析、制件质量属性分析、空间运动分析、装配干涉分析、NC控制可加工性分析、高正确率的二维工程图生成、外观色彩和造型效果评价、商业广告造型与动画生成等一系列的需求都能充分满足，是对设计全过程的有效的辅助，是有明确效益的CAD。三维设计的好处已经确实了，Inventor或其他同类软件的实施过程中，都能体会得到。由三维实体造型自动生成二维工程图纸的方法，这在实际设计工作中有很大的优势，尤其是对于复杂的零部件的造型及其黑维工程图纸的设计，会得到事半功倍的效果，如剖面图自动生成，空间相贯线求交、投影等。对于创成设计，三维设计模式几乎是最为合理的了2 电机的选择计算2.1 选择电动机的类型按工作要求和工作条件选用Y系列三相笼型异步电动机，全封闭自扇冷式结构，电压380V.2.2 选择电动机的容量工作机的有效功率为Pw=FV/1000=(2200N1.0m/s)/1000=2.2kw.从电动机到工作机输送带间的总效率：联轴器的传动效率 1=0.99.带传动效率2=0.96.一对圆锥滚子轴承的效率 3= 0. 98.一对球轴承的效率 4= 0.99.闭式直齿圆锥齿传动效率5= 0.97.闭式直齿圆柱齿传动效率6= 0.97.总效率=21233456=0.9920.960. 9830.990.970.97=0.817.所以电动机所需工作功率为：Pd=Pw/=2.2kw/0.817=2.69kw2.3确定电动机转速查表得二级圆锥圆柱齿轮减速器传动比i=8-40，而工作机卷筒轴的转速为：d=250mmnw=601000V/d=76.5r/m所以电动机转速的可选范围为：nd=inw =(8-40) 76.5=(612-3060)r/m符合这一范围的同步转速有750 r/m,1000 r/m,1500 r/m,3000 r/m四种。综合考虑电动机和传动装置的尺寸，质量及价格因素，为使传动装置结构紧凑，决定选用同步转速为1000 r/m的电动机如表2-1：表2-1电动机的型号额定功率/kw满载转速/（r/m）启动转矩额定转矩最大转矩额定转矩Y132S-639602.02.0电动机的主要安装 尺寸和外形尺寸如表2-2：表2-2尺寸/mm型号HABCDEFGDGY132S132216140893880108332.4 计算传动装置的总传动比i 并分配传动比2.4.1 分配原则1.各级传动的传动比不应该超过其传动比的最大值2.使所设计的传动系统的各级传动机构具有最小的外部尺寸3.使二级齿轮减速器中，各级大齿轮的浸油深度大致相等，以利于实现油池润滑2.4.2 总传动比i 为：i =nm/ nw=960/76.5=12.5492.4.3分配传动比：i =i1i2圆锥齿轮传动比一般不大于3，所以：直齿轮圆锥齿轮传动比：i1=3直齿轮圆柱齿轮传动比: i2=4.18实际传动比：i = 34.18=12.54因为i=0.009H2 取511.5 Mpa(3) 按齿面接触强度设计小齿轮大端模数（由于小齿轮更容易失效故按小齿轮设计）:取齿数 Z1=24，则Z2=Z1i1=243=72，取Z2=72实际传动比u=Z2/Z1=72/24=3，且u=tan2=cot1=31=18.4352=71.565则小圆锥齿轮的当量齿数zm1=z1/cos1=24/cos18.435=25.3zm2=z2/cos2=72/cos71.565=227.68(4)查表有材料弹性影响系数ZE=189.8，取载荷系数Kt=2.0有T1=2.65104 T/(N.mm)，u=3，R1=1/3.试计算小齿轮的分度圆直径为：d1t2.92=63.96mmc.齿轮参数计算(1)计算圆周速度v=*d1t*nI /60000=3.14*63.96*960/60000=3.21335m/s(2)计算齿轮的动载系数K根据v=3.21335m/s，查表得：Kv=1.18,又查表得出使用系数KA=1.00取动载系数K=1.0取轴承系数K=1.5*1.25=1.875齿轮的载荷系数K= Kv*KA* K *K=2.215(3)按齿轮的实际载荷系数所得的分度圆直径由公式:d1= d1t=63.96=66.15mmm=66.15/24=2.75d按齿根弯曲疲劳强度设计：Fmin1=0.7HBS+275由公式查得：(1)小齿轮的弯曲疲劳强度FE1=500 Mpa ；大齿轮的弯曲疲劳强度FE2 =380 Mpam(2)查得弯曲疲劳强度寿命系数KFN1=0.86,KFN2=0.88.计算弯曲疲劳强度的许用应力，安全系数取S=1.4由F=Fmin KFN / SFmin 得F1=FE1* KFN1/S=500*0.86/1.4=308.929 MpaF2=FE2* KFN2/S=380*0.88/1.4=240.214 Mpa计算载荷系数K= Kv*KA* K *K=2.2151.查取齿形数：YFa1=2.65, YFa2=2.2362.应力校正系数Ysa1=1.58, Ysa2=1.7543.计算小齿轮的YFa * Ysa /F并加以比较YFa1 * Ysa1 /F1 =2.65*1.58/308.928=0.01355 YFa2 * Ysa2/F 2 =2.236*1.754/240.214=0.01632YFa1 * Ysa1 /F1 H2 取539 Mpa(3) 按齿面接触强度设计小齿轮大端模数（由于小齿轮更容易失效故按小齿轮设计）:取齿数 Z1=24，则Z2=Z1i1=244.18=100，取Z2=100实际传动比u=Z2/Z1=100/24=4.167，(4)查表有材料弹性影响系数ZE=189.8，取载荷系数Kt=1.5有T1=7.63104 T/(N.mm)，u=3，R1=1/3.齿宽系数：=1试计算小齿轮的分度圆直径为：d1t2.32*=*=60.34mmc.齿轮参数计算(1)计算圆周速度v=*d1t*nI /60000=3.14*60.34*320/60000=1.0104m/s齿宽b=*d1t=1*60.34=60.34计算齿宽与齿高之比：b/h模数mt= d1t/Z1=60.34/24=2.514h=2.25mt=5.6565b/h=60.34/5.6565=10.667(2)计算齿轮的动载系数K根据v=1.0104m/s，查表得：Kv=1.05,又查表得出使用系数KA=1.00取动载系数K=1.1取轴承系数K=1.1*1.25=1.42齿轮的载荷系数K= Kv*KA* K *K=1.6401(3)按齿轮的实际载荷系数所得的分度圆直径由公式:d1= d1t=60.34=62.16mmm=62.16/24=2.59d按齿根弯曲疲劳强度设计：Fmin1=0.7HBS+275由公式查得：(1)小齿轮的弯曲疲劳强度FE1=500 Mpa ；大齿轮的弯曲疲劳强度FE2 =380 Mpam(2)查得弯曲疲劳强度寿命系数KFN1=0.885,KFN2=0.905.计算弯曲疲劳强度的许用应力，安全系数取S=1.4由F=Fmin KFN / SFmin 得F1=FE1* KFN1/S=500*0.885/1.4=316.07 MpaF2=FE2* KFN2/S=380*0.905/1.4=245.64 Mpa计算载荷系数由b/h=10.667,=1.42查得KF=1.45K= Kv*KA* K *KF=1*1.05*1.1*1.35=1.5591.查取齿形数：YFa1=2.65, YFa2=2.282.应力校正系数Ysa1=1.58, Ysa2=1.793.计算小齿轮的YFa * Ysa /F并加以比较YFa1 * Ysa1 /F1 =2.65*1.58/316.07=0.01324YFa2 * Ysa2/F 2 =2.28*1.79/245.64=0.01661YFa1 * Ysa1 /F1 39.3许用转速n=4750r/minn=960r/m所以联轴器符合使用要求(4)作用在小锥齿轮上的力：dm1=1-0.5b/Rd1=1-0.5/11270=50.125mm圆周力：Ft1=2T1/ dm1=22.65104 /58.125=911.82N径向力：Fr1= Ft1*tan20*cos1=911.82Ntan20cos18.435=314.83N轴向力:Fa1= Ft1*tan20*sin18.435=104.97N(5)轴的结构设计如图3-1：图3-1(1)根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度，为了满足半联轴器的轴向定位要求，I-轴端右端需要制出一轴肩dI- =30mm，故取d- =35mm，为了保证轴吨挡圈只压在半联轴器上面不压在轴的断面上，故I-轴段取L I- =62mm。初步选定滚动轴承，因为轴承同时有径向力和轴向力的作用，故选单列圆锥滚子轴承。参照工作要求根据d- =35mm，根据机械设计手册标准，单列圆锥滚子承选用型号为30208，其主要参数为d=40mm，D=80mm，T=19.75，B=18，C=16，所以d- =40mm，