基于SolidWorks圆锥圆柱齿轮减速器的设计.docx
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基于SolidWorks圆锥圆柱齿轮减速器的设计
基于SolidWorks圆锥-圆柱齿轮减速器的设计
摘要:
现如今,我国现代化的工业、农业、交通等各个部门的发展要求设计出更多生产效率高,性能良好的机械设备,机械设计制造工业为国民经济提供设备,它所表现出的技术和现代化程度极大的影响着整个国民经济的技术水平。
因此,必须对机械设计或机构设计提出更高的严格要求。
目前,我国的机械工业水平和世界一流技术还存在着差距,甚至于某些行业仍然存在着仿制和类比设计,缺乏自主的创新性,关键问题之一就是在于设计水平落后。
要改变这一现状,就必须得加强重视现代设计方法的研究、推广及其应用。
在如此条件下,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。
本设计讲述了圆锥圆柱齿轮减速器的机械设计,先进行了传动方案的选择,选择齿轮减速器作为传动装置,然后进行减速器的设计计算,并通过对各个零件的分析阐述了减速器各部件的装配关系及其工作原理。
此外设计采用SolidWorks对其三维建模及装配,使得设计的减速器更加形象具体化,让人一目了然。
然后通过SolidWorks转换为二维图纸,完成齿轮减速器的二维平面零件图和装配图的绘制。
关键字:
SolidWorks圆锥圆柱齿轮减速器三维建模
第一章绪论
1.1速器及其研究方法的现状和发展趋势
减速器是一种动力传达机构,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。
减速器的作用有以下两点:
一是在降速的同时提高输出扭矩,扭矩输出的比例按照电机输出乘减速比,但是值得注意的是不能超出减速器额定扭矩;二则是降速的同时降低了负载的惯量,惯量值的减少为减速比的平方。
减速器分为很多种类,按照传动类型可以大致分为齿轮减速器、蜗杆减速器和行星减速器以及它们相互组合起来的减速器;而按照传动的级数则可以分为单级和多级减速器;按照齿轮形状可以分为圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器和圆锥-圆柱齿轮减速器;按照传动的布置形式又可以分为展开式、分流式和同轴式减速器。
伴随着世界的发展,我国的市场经济也在不断发展与进步,“九五”期间,齿轮行业的专业化生产水平有了明显提高,比如一汽、二汽等大型企业集团的齿轮变速箱厂、车轿厂,通过企业改组、改制,改为相对独立的专业厂,参与市场竞争;随着军工转民用,农机齿轮企业转加工非农用齿轮产品,调整了企业产品结构;私有企业的崛起,中外合资企业的涌现,齿轮行业的整体结构得到优化,行业实力增强,技术进步加快。
近十几年来,计算机技术、信息技术、自动化技术在机械制造中的广泛应用,改变了制造业的传统观念和生产组织方式。
一些先进的齿轮生产企业已经采用精益生产、敏捷制造、智能制造等先进技术,形成了高精度、高效率的智能化齿轮生产线和计算机网络化管理。
在产品设计阶段,就同时进行工艺过程设计及安排产品整个生产周期的各配套环节。
市场的快速反应大大缩短了产品投放市场的时间。
零部件企业正向大型化、专业化、国际化方向发展。
齿轮产品将成为国际采购、国际配套的产品。
适应市场要求的新产品开发,关键工艺技术的创新竞争,产品质量竞争以及员工技术素质与创新精神,是21世纪企业竞争的焦点。
在21世纪成套机械装备中,齿轮仍然是机械传动的基本部件。
由于计算机技术与数控技术的发展,使得机械加工精度、加工效率大为提高,从而推动了机械传动产品多样化,整机配套的模块化、标准化,以及造型设计艺术化,使产品更加精致、美观。
CNC机床和工艺技术的发展,推动了机械传动结构的飞速发展。
在传动系统设计中的电子控制、液压传动,齿轮、带链的混合传动,将成为变速箱设计中优化传动组合的方向。
在传动设计中的学科交叉,将成为新型传动产品发展的重要趋势。
汽车的自动变速器已成为高档轿车不可缺少的装备。
众多厂家都在寻找适合中国国情,具有中国特色的效率高,成本低,结构简单,容易制造,能适应中低挡轿车及城市客车需要的自动变速器。
自动变速器(AutomaticTransmission)简称AT,目前在轿车上普遍采用的是液力机械式AT-HMT(HydrodynamicMechanicalTransmission)。
AT的发展主要有以下动向:
1)变矩器的高效率化;2)多档位化;3)变矩器闭锁离合器的打滑控制;4)换档点控制的智能化;5)换挡过渡过程的高品质化;6)保留手动模式。
摩托车齿轮生产的专业化、规模化、标准化已基本形成。
今后市场竞争的焦点是质量、品牌与新产品的开发。
临近中国加入世贸组织(WTO),工程机械齿轮必须跟上整机产品升级换代的要求。
随着我国大功率工程机械的研制开发,中国工程机械齿轮传动产品———液力传动装置和动力换挡变速箱以及静压传动装置,将有较大的发展。
我国农用运输车经过20年的成长与高速发展,现已进入稳定发展期,各型轮式拖拉机有向大功率发展的趋势。
因此与之配套的拖拉机齿轮企业的新产品开发,将会紧紧跟上发展的步伐。
工业通用变速箱是指为各行业成套装备及生产线配套的大功率和中小功率变速箱。
国内的变速箱将继续淘汰软齿面,向硬齿面(50~60HRC)、高精度(4~5级)、高可靠度软启动、运行监控、运行状态记录、低噪声、高的功率与体积比和高的功率与重量比的方向发展。
中小功率变速箱为适应机电一体化成套装备自动控制、自动调速、多种控制与通讯功能的接口需要,产品的结构与外型在相应改变。
矢量变频代替直流伺服驱动,已成为近年中小功率变速箱产品(如摆轮针轮传动、谐波齿轮传动等)追求的目标。
随着我国航天、航空、机械、电子、能源及核工业等方面的快速发展和工业机器人等在各工业部门的应用,我国在谐波传动技术应用方面已取得显著成绩。
同时,随着国家高新技术及信息产业的发展,对谐波传动技术产品的需求将会更加突出。
船用齿轮箱在某些指标方面与国际先进水平尚有一定差距,但在制造精度方面及某些产品性能方面已接近国际水平。
随着国民经济的发展和人民生活水平的提高,游艇、高速艇齿轮箱将会有较大的发展。
面临21世纪,齿轮先进制造技术的全过程实现计算机信息技术与现代管理技术的结合,将会飞速发展。
随着我国改革开放,世界级的跨国大公司已开始大举进军中国市场,并以独资、合资、合作制造等形式在我国生产汽车、工程机械、大型成套设备的齿轮及齿轮装置,齿轮产品在我国将会有大量国际品牌加入,这必将促使我国零部件结构的大调整,车辆齿轮生产的专业化集中度将继续提高。
目前齿轮行业存在的低水平制造能力过剩,高水平制造能力不足的局面必须改变。
中国齿轮行业在20世纪90年代的快速发展,已基本完成了由卖方市场到买方市场的转变。
随着我国体制改革的深入,充分发挥行业协会作用,加强行业自律性市场约束,形成有序竞争的市场机制,是当前市场发展的迫切任务。
总之,当今世界各国减速器及齿轮技术发展总趋势是向六高、二低、二化方面发展。
六高即高承载能力、高齿面硬度、高精度、高速度、高可靠性和高传动效率;二低即低噪声、低成本;二化即标准化、多样化。
减速器和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,因此,开拓和发展减速器和齿轮技术在我国有广阔的前景
1.2设计的内容问题及方法
基于SolidWorks的圆锥圆柱齿轮减速器的设计就是根据给定的原始数据参数,如轴的转速,工作载荷等,设计计算减速器各个零件结构的尺寸。
从而运用实体三维软件SolidWorks绘制出实体,检查减速器设计尺寸的合理性,并进行三维建模。
主要的设计内容大致分成为两大部分:
第一部分,对圆锥圆柱齿轮减速器的设计。
第二部分,利用solidworks软件对减速器进行三维实体建模。
1.21学习回顾齿轮减速器理论相关知识,分析出各设计参数对齿轮减速器的性能的影响。
对齿轮动力系统进行学习和选择,学习传动知识,进行减速器的总体结构方案设计及运行机理分析;
1.22、进行齿轮减速器的结构设计及计算(电动机的选择、计算传动装置的总传动比并分配传动比、计算各轴动力参数、齿轮的设计计算、轴的设计及计算等);
1.23、学习solidworks软件,进行三维实体建模
1.3实体造型软件的选择
在大学期间,学校给我们开设软件设计课程有CAD,PROE。
二这次的毕业设计我选择了SolidWorks进行三维建模。
SolidWorks公司是一家专门从事开发三维机械设计软件的高科技公司,在全世界都很有名。
公司宗旨是使每位设计工程师都能在自己的微机上使用功能强大的世界最CAD/CAE/CAM系统,公司主导产品是世界领先水平的SolidWorks软件。
据了解,在90年代初,国际微机市场发生了根本性的变化,微机性能大幅提高,而价格却一直下降,微机卓越的性能足以运行三维CAD软件。
为了开发世界空白的基于微机平台的三维CAD系统,1993年PTC公司的技术副总裁与CV公司的副总裁成立SolidWorks公司,并于1995年成功推出了SolidWorks软件,引起世界相关领域的一片赞叹。
在SolidWorks软件的促动下,1998年开始,国内、外也陆续推出了相关软件;原来运行在UNIX操作系统的工作站CAD软件,也从1999年开始,将其程序移植到Windows操作系统中。
SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统,该系统在1995-1999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名,从1995年至今,已经累计获得十七项国际大奖
第一个基于Windows平台的三维机械CAD软件l
第一个创造了FeatureManager特征管理员的设计思想l
第一个在Windows平台下实现的自顶向下的设计方法
第一个实现动态装配干涉检查的CAD软件
第一个实现智能化装配的CAD公司
第一个开发特征自动识别FeatureWorks的软件公司
第一个开发基于Internet的电子图板发布工具(eDrawing)的CAD公司
由于SolidWorks出色的技术和市场表现,不仅成为CAD行业的一颗耀眼的明星,也成为华尔街青睐的对象。
终于在1997年由法国达索公司以三亿一千万的高额市值将SolidWorks全资并购。
公司原来的风险投资商和股东,以原来一千三百万美元的风险投资,获得了高额的回报,创造了CAD行业的世界纪录。
并购后的SolidWorks以原来的品牌和管理技术队伍继续独立运作,成为CAD行业一家高素质的专业化公司。
功能描述
自顶向下的设计是指在装配环境下进行相关设计子部件的能力,不仅做到尺寸参数全相关,而且实现几何形状、零部件之间全自动完全相关,并且为设计者提供完全一致的界面和命令进行全自动的相关设计环境。
用户可以在装配布局图做好的情况下,进行设计其它零部件,并保证布局图、零部件之间全自动完全相关,一旦修改其中一部分,其它与之相关的模型、尺寸等自动更新,不需要人工参与。
自下向上的设计是指在用户先设计好产品的各个零部件后,运用装配关系把各个零部件组合成产品的设计能力,在装配关系定制好之后,不仅做到尺寸参数全相关,而且实现几何形状、零部件之间全自动完全相关,并且为设计者提供完全一致的界面和命令进行全自动的相关设计环境。
用户可以在产品的装配图做好后,可以设计其它零部件、添加装配关系,并保证零部件之间全自动完全相关,一旦修改其中一部分,其它与之相关的模型、尺寸等自动更新,不需要人工参与。
在SolidWorks中,用户可利用配置功能在单一的零件和装配体文档内创建零件或装配体的多个变种(即系列零件和装配体族),而其多个个体又可以同时显示在同一总装配体中。
其它同类软件无法在同一装配体中同时显示一个零件的多个个体,其它同类软件也无法创建装配体族。
在本次设计中采用SolidWorks来进行零部件的三维造型及装配,在过程中加深了对减速器的理解,强化对软件的运用。
SolidWorks的软件功能十分强大,但是组件有点多。
同时SolidWorks功能强大,学习简单,设计方便等特点让它成为了先如今运用最为广泛机械制图的软件之一。
对于每一个从事机械设计工作的人来说,SolidWorks操作十分的简单,同时学习也方便,运用也方便,对于电脑配置的要很容易满足。
同时,在运用该软件绘图修改也很方便,即使是组装好的三维模型,如果需要修改的时候也直接打开装配体上的零件,然后对其修改,再修改完后装配体上也会完成修改,更加方便快捷。
1.4课题研究的主要内容和方法
拟定总体设计方案。
它可能涉及机械学对象的不同层次、不同类型的机构组合、或不同学科知识技术;2、减速器的结构设计及计算,以达到设计要求;3、减速器Solidworks三维造型仿真。
对设计好的机械结构进行三维实体的模型建造,建好之后进行装配,总装之后进行三维实体模型的运动仿真;4、绘制相关的零件图、装配图等。
1.5研究过程中的主要问题和解决办法
机械结构设计实在充分了解产品计划和总体方案所考虑的设计意图和全部结构的基础上进一步创造的过程,必要时可能需要修改甚至推翻前阶段的结论。
应当注意到问题是:
1.51、首先在总体方案设计过程中要考虑到方案的可行性要求,确定及其总体结构及传动机构布置形式,对减速器的各传动零件进行校核和设计。
完成减速器的初步设计,确定最终所选的机构方案;
1.52在结构设计计算过程中应该根据题目的要求进行认真的校核计算,以达到题目要求。
结合设计数据进行数据修改和计算,使减速器不断优化;
1.53掌握三维设计。
第二章圆锥-圆柱齿轮减速器的设计计算及分析
2.1电动机的选择
2.11选择电动机的容量
已知:
运输带工作拉力F=2.4KW运输带工作速度v(m/s)=1.00m/s
卷筒直径D(mm)=320mm
电动机的有效功率为Pw=2.4kw
从电动机到工作机输出轴间的总效率η=η1η22η33η4η5η6式中
联轴器的传动效率η1=0.96
一对圆锥滚子轴承的效率η2=0.98
一对圆锥滚子轴承的效率η3=0.98
一对球轴承的效率η4=0.99
闭式直齿圆锥齿传动效率η5=0.95
闭式直齿圆柱齿传动效率η6=0.97
总效率η=η1η22η33η4η5η6=0.96×0.992×0.983×0.99×0.95×0.97=0.808
所需电动机的输出功率Pr=Pw/η=2.4/0.808=3kw
2.22选择电动机转速
锥齿轮传动比一般不大于3,二级圆锥圆柱齿轮减速器传动比为:
I=10-25nw=60x1000v/πD=59.68r/min
Nd=596.8-1492r/min
查参考文献[1]表4-12.2得表1.1
方案号
电机
类型
额定
功率
同步
转速
满载
转速
总传
动比
1
Y100L2-4
3
1500
1420
22.294
2
Y132S-6
3
1000
960
15.072
根据以上两种可行同步转速电机对比可见,方案2传动比小且质量价格也比较合理,所以选择Y132S-6型电动机。
2.2传动动和动力参数的计算
2.21计算分配传动比
(1)传动装置总传动比i=15.072
(2)各级传动比:
直齿轮圆锥齿轮传动比i12=3.762,
直齿轮圆柱齿轮传动比i23=4
(3)实际总传动比i实=i12i34=3.762×4=15.048,
∵Δi=0.021﹤0.05,故传动比满足要求满足要求。
2.22计算各轴的转速
n0=960r/min,
I轴:
n1=n0=960r/min,
II轴:
n2=n1/i12=303.673r/min,
III轴:
n3=n2/i34=63.829r/min,n4=n3=63.829r/min
2.23计算各轴的功率
p0=pr=3kw,
p1=p0η2=2.970kw,
p2=p1η4η3=2.965kw,p3=p2η5η3=2.628kw,p4=p3η2η3=2.550kw
2.24各轴的输入转矩
因电动机轴的输出转矩:
T=9.55Pi/ni可得:
T0=29.844N·m,T1=29.545N·m,T2=86.955N·m,
T3=393.197N·m,T4=381.527N·m
2.3传动零件的设计计算
2.31高速级闭式直齿轮圆锥齿轮传动的设计计算
a.选材:
①按传动方案方案选用直齿圆锥传动,压力角取为20°。
②带式输送机为一般工作机器,查手册[2]选用7级精度。
③小齿轮、大齿轮材料选择如下
小齿轮材料选用45号钢,调质处理,HB=217~255,
σHP1=580Mpa,σFmin1=220Mpa
大齿轮材料选用45号钢,正火处理,HB=162~217,
σHP2=560Mpa,σFmin2=210Mpa
b.由参考文献[2](以下简称[2])式(5—33),计算应力循环次数N:
查手册[2]得区域系数5.2HZ,弹性影响系数218.189MpaZE,
查手册[2]得小齿轮和大齿轮的接触疲劳极限分别为Mpa5701lim、
N1=60njL=60×960×1×8×11×250=1.267×10
N2=N1/i2=1.267×10/3=2.522×10
查图5—17得ZN1=1.0,ZN2=1.12,由式(5—29)得
ZX1=ZX2=1.0,取SHmin=1.0,ZW=1.0,ZLVR=0.92,
∴[σH]1=σHP1ZLVRZWZX1ZN1/SHmin=580×0.92=533.6Mpa,
[σH]2=σHP2ZN2ZX2ZWZLVR/SHmin=560×1.12×0.92=577Mpa
∵[σH]1>[σH]2,∴计算取[σH]=[σH]2=533.6Mpa
c.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=21,则大齿轮Z2=Z1i12=3.762×32=79,取Z2=79
∵实际齿数比u=Z2/Z1=79/21=3.762,且u=tanδ2=cotδ1,
∴δ2=72.2965
=72
1635,δ1=17.7035
=17
4212,则小圆锥齿轮的当量齿数zm1=z1/cosδ1=21/cos17.7035
=23,zm2=z2/cosδ2=79/cos72.2965
=259.79
由[2]图5-14,5-15得
YFa=2.8,Ysa=1.55,YFa2=2.23,Ysa2=1.81
ZH=√2/cosα×sinα=√2/cos20
×sin20
=2.5
由[2]表11-5有ZE=189.8,取Kt·Z
=1.1,由[2]取K=1.4
又∵T1=28.381N·m,u=3.762,фR=0.3
由[2]式5-56计算小齿轮大端模数:
m≥√4KT1YFaYsa/{фRZ
[σF](1-0.5фR)2√u2+1}
将各值代得m≥1.498
由[2]表5-9取m=3㎜
d.齿轮参数计算:
大端分度圆直径d1=mz1=3×21=63㎜,d2=mz2=3×79=237㎜
齿顶圆直径da1=d1+2mcosδ1=63+6cos17.7035=68.715㎜,
da2=d2+2mcosδ2=237+6cos72.2965
=238.827㎜
齿根圆直径df1=d1-2.4mcosδ1=63-7.2cos17.7035
=56.142㎜
df2=d2-2.4mcosδ2=237-7.2×cos72.2965
=231.808㎜
齿轮锥距R=√d1+d2/2=122.615㎜,
大端圆周速度v=∏d1n1/60000=3.14×63×960/60000=3.165m/s,
齿宽b=RфR=0.3×122.615=36.78㎜
由[2]表5-6,选齿轮精度为8级
由[1]表4.10-2得Δ1=(0.1~0.2)R
=(0.1~0.2)305.500=30.05~60.1㎜
取Δ1=10㎜,Δ2=14㎜,c=10㎜
轮宽L1=(0.1~0.2)d1=(0.1~0.2)93=12.4㎜
L2=(0.1~0.2)d2=(0.1~0.2)×291=39㎜
e.验算齿面接触疲劳强度:
按[2]式5-53
σH=ZHZE√2KT1√u+1/[bd
u(1-0.5фR)2],代入各值得σH=470.899﹤[σH]=533.6Mpa
∴小齿轮满足接触疲劳强度,且大齿轮比小齿轮接触强度高,故齿轮满足接触强度条件
f.齿轮弯曲疲劳强度校核:
按[2]式5-55
由[2]图5-19得YN1=YN2=1.0,
由[2]式5-32及m=2﹤5㎜,得YX1=YX2=1.0
取YST=2.0,SFmin=1.4,由[2]式5-31计算许用弯曲应力:
[σF1]=σFmin1YFa1Ysa1YST/SFmin=220×2.0/1.4=314.29Mpa
[σF2]=σFmin2YFa2Ysa2YST/SFmin=210×2.0/1.4=300Mpa
∵[σF1]﹥[σF2],∴[σF]=[σF2]=300Mpa
由[2]式5-24计算齿跟弯曲应力:
σF1=2KT1YFa1Ysa1/[b1md1(1-0.5фR)]=2×1.4×80070×2.8×1.55/0.85×2×28.935×62=181.59﹤300Mpa
σF2=σF1YFa2Ysa2/(YFa1Ysa1)=181.59×1.81×2.23/(2.8×1.55)=178.28﹤300Mpa
∴两齿轮满足齿跟弯曲疲劳强度
2.32低速级闭式直齿轮圆柱齿轮传动的设计计算
a.选材:
1传动方案选用直齿圆柱齿轮传动
2查手册[2]选用7级精度
3材料选择及热处理如下:
小齿轮材料选用45号钢,调质处理,HB=217~255,
σHP1=580Mpa,σFmin1=220Mpa
大齿轮材料选用45号钢,正火处理,HB=162~217,
σHP2=560Mpa,σFmin2=210Mpa
b.由参考文献[2](以下简称[2])式(5—33),计算应力循环次数N:
N1=60njL=60×960×1×8×11×250=1.267×10
,N2=N1
i23=1.267×10/3=2.522×10
查图5—17得ZN1=1.05,ZN2=1.16,由式(5—29)得
ZX1=ZX2=1.0,取SHmin=1.0,ZW=1.0,ZLVR=0.92,
[σH]1=σHP1ZLVRZWZX1ZN1/SHmin=580×1.05×0.92=560.28MPa
[σH]2=σHP2ZN2ZX2ZWZLVR/SHmin=560×1.16×0.92=597.63MPa
∵[σH]1>[σH]2,∴计算取[σH]=[σH]2=560.28Mpa
c.按齿面接触强度计算中心距(由于小齿轮更容易失效故按小齿轮设计):
∵u=i34=4,фa=0.4,
ZH=√2/cosα·sinα=√2/cos200·sin200=2.5
且由[2]表11-5有ZE=189.8,取Kt·Z
=1.1
∴[2]式5-18计算中心距:
a≥(1+u)√KT1(ZEZHZε/[σH])2/(2uφa)=5×√1.1×86955×2.5×189.8/(2×4×0.4×560.28)=147.61㎜
由[1]表4.2-10圆整取a=160㎜
d.齿轮参数设计:
m=(0.007~0.02)a=180(0.007~0.02)=1.26~3.6㎜
查[
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