1、本設計的主要內容本論文總結了減速器傳統(tǒng)設計中主要考慮的問題、存在的問題以及發(fā)展趨勢，通過初步計算得出減速器各零件的尺寸參數(shù)，然后根據(jù)現(xiàn)代的計算機輔助設計技術、有限元分析技術以及仿真技術等先進設計技術。利用SolidWorks軟件對一個二級減速器的齒輪、軸、箱體等所有零件進行三維建模，裝配生成減速器的三維模型,并對其進行運動仿真; 然后用CosmosWorks有限元模塊對減速機構進行性能分析；最后生成二維裝配圖。12、 減速器尺寸參數(shù)的初步計算2.1 傳動裝置的總體設計傳動裝置的總體設計包括確定傳動方案、選擇電動機型號、合理分配各級傳動比以及計算傳動裝置的運動和動力參數(shù)等，為下以步計算各級傳動件

2、提供條件。 在分析傳動方案時根據(jù)常用機械傳動方式的特點及其在布局上的要求得出的傳動方案：開式齒輪傳動的潤滑條件差，磨損嚴重，應布置在低速級；斜齒輪宜放在高速級；選擇展開式二級圓柱齒輪減速器。 電動機已經(jīng)標準化、系列化。應按照工作機的要求，根據(jù)選擇的傳動方案，選擇電動機的類型、容量和轉速。 由選定電動機的滿載轉速nm和工作機主動軸的轉速nw之比，可得出傳動裝置的總傳動比。 為進行傳動件的設計計算，應首先推算出各軸的轉速、功率和轉矩。一般按由電動機至工作機之間運動傳遞的路線推算各軸的運動和動力參數(shù)。2.2 主要零件的設計計算在次不加細述，見附錄減速器的參數(shù)設計2.3 裝配工作圖的設計和繪制 （見附

3、圖）24、減速器零件的三維建模4.1齒輪三維模型的形成繪制漸開線齒形草圖：齒廓的生成主要有兩種方法，一種是用直線段逼近的方法，另一種是先確定齒廓上的部分點，用曲線擬合的方法。直線段逼近法計算量比較大，曲線擬合算法簡單同時在精度上也并不比直線段逼近法差，所以這里選擇曲線擬合的方法生成漸開線齒廓。 繪制“草圖1”。 在圖形區(qū)域選擇前視基準面為繪圖基準面，并單擊草圖工具欄“草圖繪制”圖標，進入草圖繪制界面。 使用“圓” 工具繪制兩個圓，并用“拉伸切除” 工具生成如圖4-1圖形。繪制“草圖2”。在圖形區(qū)域選擇如圖4-1所示的面作為繪圖基準面，單擊標準視圖工具欄的“正視于”圖標，并單擊草圖工具欄“草圖繪

4、制”圖標，進入草圖繪制界面。展開特征管理器的特征“拉伸1”，右鍵單擊“草圖1”，選擇“顯示”。 使用“三點圓弧” 工具繪制兩個任意長的圓弧，使用“添加幾何關系” 工具為兩個圓弧分別與草圖1中的齒頂圓和分度圓添加“全等”幾何關系，如圖4-2所示。使用“中心線” 工具繪制一條豎直中心線，起點與原點重合。使用“添加幾何關系” 工具分別為圓弧的兩端點之間添加“對稱”幾何關系，如圖4-3所示。34.1齒輪三維模型的形成 圖4-4 繪制基圓、齒根圓44.1齒輪三維模型的形成使用“圓心/起/終點畫弧” 工具繪制兩個圓弧，圓心選擇原點。使用“添加幾何關系” 工具分別為圓弧的兩端點之間添加“對稱”幾何關系，使用

5、“智能尺寸” 工具標注兩圓弧的直徑尺寸，如圖4-4所示。 選中與分度圓重合圓和基圓，使用“構造幾何線” 工具，將圓轉化為中心線，如圖4-5所示。 使用“智能尺寸” 工具標注上端三個圓弧的弧長尺寸，如圖4-6所示。 使用“三點圓弧” 工具繪制兩個圓弧，如圖4-7所示，其中圓弧的起終點分別與另兩個弧長的端點重合。使用“添加幾何關系” 工具為兩個圓弧分別與中間圓弧的兩個端點添加“重合”幾何關系，如圖4-8所示。54.1齒輪三維模型的形成64.1齒輪三維模型的形成 使用“直線” 工具繪制如圖4-9所示兩直線，直線與剛完成的兩個圓弧相切，上端點與圓弧的端點重合，下端點與齒根圓弧線重合。使用“裁剪實體”

6、工具，將齒根圓弧在直外側的部分刪除。結果如圖4-9所示。單擊圖形區(qū)域右上角確認角落的圖標退出草圖、生成“切除拉伸1”。單擊標準視圖工具欄的“等軸測”圖標，以軸測方式顯示模型。從特征管理器中選擇“草圖2”，然后單擊特征工具欄“拉伸切除”圖標，在圖形區(qū)域左側彈出的“切除拉伸”屬性管理器窗口中，在“方向1”的“終止條件”選擇框中選定“完全貫穿”，如圖4-10所示。其它項目接受默認設置，單擊“確定”圖標完成。74.1齒輪三維模型的形成84.1齒輪三維模型的形成 陣列輪齒。 在下拉菜單選擇“視圖”“ 臨時軸”命令，顯示已生成圓柱體的軸線，方便選擇。單擊特征工具欄上的“圓周陣列”圖標，系統(tǒng)彈出“圓周陣列”

7、屬性管理器。激活“參數(shù)”的“陣列軸”列表框，從圖形區(qū)域中選擇拉伸1的軸線作為陣列軸，設置“實例數(shù)”為15，并選中“等間距”。激活“要陣列的特征”列表框，從圖形區(qū)域的特征樹中選擇“切除-拉伸1”，如圖4-11所示。其它項目接受默認設置，單擊“確定”圖標完成。 在下拉菜單選擇“視圖”“ 臨時軸”命令，將臨時軸顯示關閉。生成的齒輪如圖4-12所示。94.1齒輪三維模型的形成104.1齒輪三維模型的形成圖413 齒輪 經(jīng)過拉伸切除、倒角等操作生成如圖4-13所示。114-2 軸的三維模型形成 圖414 軸 在SolidWorks 中,階梯軸的形成比較容易實現(xiàn)。可以逐節(jié)拉伸形成,也可以完成軸的縱截面草圖

8、,然后一次旋轉完成。軸的三維模型如圖414所示。124-3 箱體的模型形成 由于箱體的造型比較復雜,故首先運用了拉伸、切除、筋板、鏡像、陣列等特征形成下箱體的三維模型,如圖415 所示。圖415下箱體模型134-3 箱體的模型形成 由于上箱體與下箱體有著相似的結構特征, 故上箱體的成型在裝配體中完成,裝配體中建立新零件模型主要用于兩個或多個有著相似的結構特征且互相配合的零部件建模。首先新建一個裝配體模型,然后依次點擊“零部件”、“新零件”,在菜單提示中鍵入“上箱體”。作為新零件的名稱。最后就可在裝配體中完成上箱體的建模。上箱體三維模型如圖416 所示。其它零件的三維模型形成過程不再累述。圖41

9、6上箱體模型145 基于特征的產品虛擬裝配設計 對直齒輪傳動減速器產品的虛擬裝配設計(Virtual Assembly Design) 過程,即在計算機上對已經(jīng)建立的產品零件按照產品的裝配關系完成部件和整機的三維裝配模型,在此基礎上應用軟件提供的功能,進行裝配零件之間的動、靜態(tài)干涉檢查. 一旦發(fā)現(xiàn)設計不合理之處及時調整與修改設計圖紙,從而可縮短產品制造與裝配生產過程的時間,降低產品的裝配成本,提高設計質量。155. 1 確定裝配層次 裝配層次是指減速器總裝配體的子裝配體組成,即減速器裝配體由幾大部件來組成. 直齒輪傳動減速器主要由減速器下箱、減速器上箱、輸入軸、輸出軸、軸承、鍵、兩對嚙合齒輪與

10、軸承蓋等部分組成,幾大部件由SolidWorks 分別建模而成. 總體裝配體包含子裝配體和零件組成,子裝配體又包含零件和下一級的子裝配體,如此繼續(xù). 對于該減速器,因其結構較為簡單,所以只有軸承子裝配體. 同級的零件有減速器上箱、輸入軸、輸出軸、兩對嚙合齒輪和軸承蓋,軸承子裝配體又有內環(huán)、外環(huán)、滾珠和保持架四個零件組成.165. 2 確定裝配順序圖根據(jù)減速器的結構尺寸形式和各個部件間的約束關系,確定整個減速器的裝配順序. 選定減速器下箱為基準進行裝配. 接下來將大齒輪、鍵、輸出軸裝配起來,固定在配套的軸承上面. 用同樣的方法完成小齒輪軸的裝配. 再接下來將減速器上箱裝配起來,最后完成軸承蓋(包

11、括悶蓋和透蓋) 和螺釘、墊圈的裝配。175. 3 確定裝配約束裝配約束是確定基準件和其他組成件的定位及相互約束關系,主要由裝配特征、約束關系和裝配設計管理樹組成. 標準配合有重合、平行、垂直、距離、角度、相切和同軸心配合,高級配合有對稱、凸輪、寬度和齒輪配合. 還有一些高級配合,如線性馬達、旋轉馬達、線性彈簧和引力. 如完成軸承蓋的配合,根據(jù)軸承蓋的軸心和下箱上的軸承孔的重合,完成軸心定位;根據(jù)軸承蓋的內壁面和下箱的外壁面重合以及軸承蓋和箱體上的螺栓孔完成軸承蓋的裝配.185. 5 完成零件設計后做出總成模型在裝配過程中要注意一定要在齒輪對之間添加配合。具體過程如下：1、首先選擇裝配工具欄里的

12、旋轉零部件，把齒輪對旋轉到嚙合狀態(tài)。2、選擇配合工具欄里的機械配合。3、選擇機械配合里的齒輪圖標，再選擇兩齒輪內空表面為所選面，然后選擇確定195. 4 完成零件設計后做出總成模型4-19 減速器裝配體模型 在SolidWorks 軟件平臺上設計完成的直齒輪傳動減速器3D 虛擬裝配圖如圖4-19所示. 通過總成模型,清楚的表達出各個零件的位置。206.1 計算機模擬仿真技術 1、 減速器的運動模擬仿真在裝配體完全成型后,各零件都按照一定的約束條件完全配合即可進行。其過程如下: 在裝配體中打開“模擬”工具條; 在“模擬”工具條中點擊“旋轉馬達”,然后在“Pro p e r t yMa na ge

13、 r”中選擇輸入軸, 在選擇了馬達轉速后點擊確定; 在“模擬”工具條中點擊“錄制模擬”,系統(tǒng)就能自動檢查模型中是否有碰撞存在,并以高亮的形式表示出來。如在模型中沒有檢測到碰撞, 則將自動錄制模擬過程,并保存下來; 如想再次觀看模擬過程,則點擊“模擬”工具條中的“重復模擬”,即可觀看到模擬過程。 2、為了看清楚模型的裝配關系 經(jīng)裝配仿真檢驗并修改好的裝配設計方案，可利用Solidworks 的“爆炸”功能，通過設計適當?shù)谋ㄒ暯?、爆炸方向和爆炸距離，生成等軸測分解圖，重新設定各零部件的相對位置，顯示其結構和相互間的裝配關系.。以下即以爆炸視圖來說明各零部件的裝配關系。216.1 計算機模擬仿真技

14、術 減速器所有零件的爆炸視圖如圖4-20 所示。 4-20減速器的爆炸視圖226.1 計算機模擬仿真技術 在Solidworks中還可以采取透視視圖的方法。以下即以透視視圖來說明各零部件的裝配關系。 減速器所有零件的透視視圖如圖4-21 所示。4-21 減速器的透視視圖237 減速器模型的有限元分析在現(xiàn)代設計方法中,虛擬樣機技術是一種先進的制造技術,虛擬樣機技術的基礎是三維造型。一個機器的三維模型如果不進行有限元分析,那么它算不上一個虛擬樣機模型。所以對減速器的三維模型進行有限元分析是必須的。有限元分析(FEA)是利用數(shù)學近似的方法對真實物理現(xiàn)象（幾何及載荷工況）進行模擬的一種分析方法。是對真

15、實情況的一種數(shù)值近似，它利用簡單而又相互聯(lián)絡的元素，即單元，經(jīng)求解就可以用有限個數(shù)值來逼近真實系統(tǒng)的無限個未知量。有限元分析的一般步驟為：創(chuàng)建有限元模型（輸入/建立幾何模型、定義材料屬性、劃分網(wǎng)格、建立單元特征）、施加載荷并進行求解和結果后處理等。247.1 減速器的靜態(tài)分析在線性靜態(tài)分析中，載荷被緩慢、逐漸應用，直到它們達到其完全量值。在達到完全量值后，載荷保持不變（不隨時間變化）。激發(fā)的系統(tǒng)的加速度和速度微乎其微。靜力分析，用于靜態(tài)載荷，考慮結構的線性或非線性行為如大變形、大應變、應力剛化、接觸、塑性、超彈及蠕變等，是幾何實體在某工況條件下的結構響應。通過靜力分析可以得到整體結構的靜力學特

16、性，由此可以分析整體結構在這種工況下的最薄弱環(huán)節(jié)以及各節(jié)點間的強弱差異。為幾何實體的設計與優(yōu)化提供方向和理論依據(jù)。257.1 減速器的靜態(tài)分析 以齒輪嚙合為例來說明分析過程，齒輪嚙合如圖71 圖71267.11定義材料屬性機械結構對所承受載荷的響應外部表現(xiàn)形式為應力和變形，而這種響應取決于其構成材料。利用COSMOSWorks 進行分析，必須指明結構所用材料的屬性，可以從材質庫中選擇材料，也可手動輸入屬性值。該齒輪對的材料均為普通碳鋼，其屬性值如下：277.12應用約束 右鍵單擊“載荷/約束”圖標，選擇“約束”單擊左鍵。在“約束”屬性欄中，單擊類型下拉菜單，選擇“固定”選項，單擊右側繪圖區(qū)中下

17、側齒輪的軸孔，則相應的面號將進入到“約束的面、邊線、頂點”欄中，單擊完成按鈕，完成位移約束條件的設置。 右鍵單擊“載荷/約束”圖標，選擇“約束”單擊左鍵。在“約束”屬性欄中，單擊類型下拉菜單，選擇“在圓柱面上”選項，單擊右側繪圖區(qū)中上側齒輪的軸孔，則相應的面號將進入到“約束的面、邊線、頂點”欄中，在徑向位移中輸入0，單擊完成按鈕。 右鍵單擊“載荷/約束”圖標，選擇“約束”單擊左鍵。在“約束”屬性欄中，單擊類型下拉菜單，選擇“使用參考幾何體”選項，單擊右側繪圖區(qū)中上側齒輪的軸孔，則相應的面號將進入到“約束的面、邊線、頂點”欄中，在“使用參考幾何體”中選擇右視基準面，在垂直與參考幾何體方向輸入0，

18、單擊完成按鈕，完成上側齒輪孔的位移約束條件的設置。287.13應用載荷 右鍵單擊“載荷/約束”圖標，選擇“力”單擊左鍵。在“力”屬性欄中，選擇“應用扭矩”選項，單擊右側繪圖區(qū)中上側齒輪的軸孔，在“方向的軸”中選擇上側齒輪的基準軸，在“法向力/扭矩”中輸入39.79，單擊完成按鈕，完成載荷條件的設置。297.14 單元劃分及接觸面處理有限元模型作為原結構的離散化模型,其好壞直接關系到求解的正確性和精度, 單元劃分主要采用四面體單元劃分網(wǎng)格。主軸箱單元劃分一共劃分80212 個節(jié)點, 47306 個四面體單元,單元之間用節(jié)點連接。相接觸零件的接觸面是無間隙連接, 在單元劃分時, 用接觸面上的節(jié)點來

19、連接相接觸的兩個表面, 來實現(xiàn)獨立零件之間的結合, 以一個完整的整體來分析。具體有限元模型見圖72:307.24 單元劃分及接觸面處理317.15 運算及分析 選擇“運行”開始有限元計算。在運算中，有限元解算器將自動計算出模型的單元和節(jié)點數(shù)，此模型共有80212個節(jié)點，47306個單元，自由度為238254. 對應的應力，變形，應變圖如下：應力圖327.15 運算及分析由圖分析此對齒輪嚙合在安全范圍內。337.2 減速器的動態(tài)分析 在線性動態(tài)分析中，應用的載荷與時間相關。載荷可能是確定性（周期性、非周期性）的，也可能是非確定性的，這意味著無法對它們進行精確預測，但可以通過統(tǒng)計方法描述它們。激發(fā)

20、的系統(tǒng)的加速度和速度非常明顯。為處理不同的負載環(huán)境，COSMOS 提供了三種線性動態(tài)算例：模態(tài)時間歷史分析 諧波分析 無規(guī)則振動分析在此以齒輪嚙合的模態(tài)時間歷史分析為例進行說明：生成一個線性動態(tài)算例。右鍵單擊 COSMOS AnalysisManager 樹中的頂部圖標，然后選擇算例。您可以定義一個實體算例、外殼算例或混合網(wǎng)格算例。不支持橫梁。選擇線性動態(tài)，并單擊選項下的模態(tài)時間歷史 。定義算例的頻率和動態(tài)屬性。（注：您可以從現(xiàn)有的頻率算例生成線性動態(tài)算例。右鍵單擊頻率算例圖標，然后選擇復制到新動態(tài)算例。）347.2基于COSMOSMotion的動態(tài)分析COSMOSMotion是基于Solid

21、Works的虛擬原型工具，可幫助將設計做成實物之前確保其有正常的功能。COSMOSMotion使工程師能夠調整馬達的尺寸、確定功率消耗、設計聯(lián)動布局、模擬凸輪運動、了解齒輪傳動、調整彈簧的尺寸及確定接觸零件的動作方式等。這樣就可以大幅度降低制造物理原型的成本，并縮短產品開發(fā)時間。COSMOSMotion還有其他一些定性優(yōu)點，例如，它能夠考慮更多的設計方案、降低風險并在設計過程的初期提供有價值的信息。 在此選擇直齒圓柱齒輪的位置變化圖解7-8和旋轉馬達的力矩變化圖解7-9來說明。35基于COSMOSMotion的動態(tài)分析 7-8直齒圓柱齒輪位置變形圖36基于COSMOSMotion的動態(tài)分析7-

22、9力矩變形圖378 減速器的三維視圖向二維視圖的轉變Solidworks作為一套功能強大的計算機輔助繪圖和設計軟件，可以建立機械零件的三維實體圖、三維裝配圖及二維工程圖。由于直接指導生產的是二維工程圖，且大多數(shù)一線的工程技術人員對二維繪圖軟件，如AUTOCAD等更加熟悉，而且二維軟件在繪制，尤其是標注裝配圖、零件圖時，具有獨特的優(yōu)勢。所以充分利用Solidworks和二維繪圖軟件間的文件交換，把由Solidworks自動生成的工程視圖與二維軟件的標注結合起來，達到“以二維之長補三維之短”的目的。以下就是三維模型生成二維工程圖的詳細過程。(1) 在SolidWorks中生成二維工程圖。在Soli

23、dWorks的新建模板中,新建一個“工程圖”模板;打開“工程圖”工具條;在“工程圖”工具條中點擊“新建”按鈕,并在作圖區(qū)域中單擊右鍵,點擊“從文件中選擇”,確認要生成工程圖的三維模型,并選擇要形成工程圖的視圖方向;在繪圖區(qū)域中單擊左鍵,以確定圖形位置,單擊“確定”,完成工程圖的繪制,并將其保存為“DWG/DXF”格式的文件。(2) 用SolidWorks、AutoCAD完成工程圖。在AutoCAD中打開由SolidWorks保存的二維工程圖的“D W G /D XF ”格式文件, 并進行有關的標注, 最后出圖。389 結論 基于Solidworks軟件的圓柱齒輪減速器的三維設計可使工程技術人員

24、更加直觀的對產品進行評估，縮短了設計周期，節(jié)約了設計資金，提高了設計效率。 基于Solidworks軟件的圓柱齒輪減速器的三維設計、裝配體、運動仿真更直觀，更接近人的思維?；赟olidworks軟件的圓柱齒輪減速器的裝配使設計者更加清晰，明了的認識到零件之間的配合關系，從而對此機器的運動過程、工作原理有更深的理解。 由于傳統(tǒng)的減速器設計過程中，對減速器零部件的設計通常采用彎曲強度或疲勞強度依據(jù)經(jīng)驗公式校核，導致設計的不可靠性。而本系統(tǒng)采用了有限元技術來對減速器零部件在虛擬工作環(huán)境中的性能進行分析，并反饋分析結果，從而保證了減速器的設計可靠性，提高了減速器的設計精度。 （5）COSMOSWor

25、ks 具有操作簡單，運算時間短和計算精確等優(yōu)點，尤其適合開發(fā)周期短、可靠性要求高的工程設計項目。COSMOSWorks 的計算結果為平臺框架的結構優(yōu)化設計提供了重要的數(shù)據(jù)依據(jù)，使得整個平臺的設計更具可靠性和穩(wěn)定性。機械部分的優(yōu)化設計也為平臺的伺服控制系統(tǒng)的設計打下了良好的基礎。實踐證明，經(jīng)過優(yōu)化設計的平臺在實際的運轉中，各方面的性能參數(shù)都達到了課題指標。3910致謝本課題及學位論文是在我的指導老師張慧鵬的親切關懷和悉心指導下完成的。他嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。在此謹向張老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。我還要衷心感謝參加我的論文開題報告和答辯的專家老師們，正是由于他們提出了很多寶貴的意見和建議，才使我的論文工作得以順利的完成。同時我們班同學們在學習中也給予了我很多的幫助，我也要向他們表示感謝。正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個一個的困難和疑惑，直至本文的順利完成。 在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始