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开题报告

附件B：

毕业设计（论文）开题报告

1、课题的目的及意义（含国内外的研究现状分析或设计方案比较、选型分析等）

1.1研究目的

减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，用来降低转速和增大转矩，以满足工作需要，在某些场合也用来增速，称为增速器。

选用减速器时应根据工作机的选用条件，技术参数，动力机的性能，经济性等因素，比较不同类型、品种减速器的外廓尺寸，传动效率，承载能力，质量，价格等，选择最适合的减速器。

减速器是一种相对精密的机械，使用它的目的是降低转速，增加转矩。

起重机中具有能够实现前大梁绕大梁铰点作俯仰运动的俯仰机构。

俯仰驱动机构重要包括以下主要零部件：

电动机，制动器，减速器，联轴器。

其工作机理是电机通过联轴器,经减速器等传动装置驱动驱动钢丝绳卷筒进行卷绕动作实现前大梁的俯仰运动。

俯仰钢丝绳从卷筒,经过人字架顶部滑轮组和前伸臂架滑轮组之间的卷绕系统,通过卷扬机构来实现臂架的俯仰动作。

本研究的目的是通过对已有设计方案的观察，对该俯仰减速器的关键零部件如轴、齿轮、箱体等进行静强度分析，并进行对减速器运行时内部动态激励的计算，在严酷的工作环境下，为避免由于外界和内部的激励引起共振，有必要对减速器进行动力学分析，了解减速器的前几阶固有频率和工况下的瞬态响应。

根据客户所给出的工作条件以及减速器参数进行分析计算，最终得出结果，将结果与客户的要求相比对，检验其是否满足要求。

在现今的机械产品设计工作中，计算机技术可以在一定程度上模拟真实的实验，这样就可以节约时间和资源。

因此本研究中应用AUTOCAD软件进行工程图绘制，UG软件进行三维模型的建立，ANSYS软件进行动力学分析。

1.2研究意义

本减速器的作用为受到电动机的驱动经减速器等传动装置驱动钢丝绳卷筒进行卷绕动作实现前大梁的俯仰运动。

题目所研究的减速器在俯仰机构中起关键的传动作用，电动机通过减速器传动才得以实现大梁的俯仰运动。

因此要求该减速器要具有普通减速器的传动特点，同时还要具有传动平稳，易于维护，拆装较简易，从而方便将来的改进。

做好对该减速器的分析研究有助于提高起重机的性能，使其工作更具效率，提升安全性，是我国重型机械更好的与国际接轨，同时也能满足本课题中客户的需求，使其具有更大的经济效益。

1.3国内外的研究现状

目前国内外对齿轮减速器的研究已经日趋完善，研究的问题也很全面，研究手段由于计算机技术的应用也愈发成熟。

众多专家学者进行了深入细致的研究，概括几点如下。

1.3.1减速器的三维实体建模与分析

在现如今的机械产品设计早已结束粗犷型时代，计算机技术的应用使得研发的效率最大化。

利用UG软件等可以快速的完成对减速器的三维实体建模，并进行一定的运动仿真，因此不少学者进行了相关的研究。

在三维实体模型建立的方面，张烨（2002）利用UG软件的最终版UGNX的MOSWLING模块对减速器进

行了三维实体造型，主要零件包括轴、齿轮、齿轮轴、下箱体、上箱体及相应的装配。

最后在UG的MOTION模块中对装配模型进行了运动仿真[1]。

李民等（2010）利用另一种CAD软件ProE对减速器进行了三维建模，由于齿轮轮齿面的三维造型准确与否会直接影响着运动仿真和有限元等方面的分析,所以准确的、快速的建模显得十分重要，于是文中主张在ProE环境中进行渐开线圆柱齿轮的参数化设计，由此可以得到精确模型，文中研究的的渐开线标准直齿轮的主要参数包括齿数z，模数m，压力角

，尺宽b，根据渐开线的形成过程，可得在ProE中渐开线的数学方程：

，Y=

以齿数和模数作为设计变量，通过与其他参数间的关系构建齿轮的参数化模型，箱体和箱盖的设计比较复杂,因此在对此类零件进行三维建模的过程中,总的原则是先主后次、先简单后复杂、先拉伸后切除，建模完成后将建立好的模型直接导入ANSYS进行运动仿真[2]。

王秀山等（2006）对ProE进行二次开发，实现了齿轮的参数化最优化建模，利用ADAMS进行运动学仿真，利用ANSYS进行有限元分析，形成了齿轮的闭环设计，整合了以上3个软件后所建立的虚拟样机环境，不仅建立了单个轮齿的柔性体模型，而且可以仿真计算出减速器的运动学、动力学和应力应变等参数[3]。

王鸿云等（2005）利用UG建立了减速器各个零部件的三维模型，然后通过UG的装配建模功能采用自下而上的装配方法对减速器进行虚拟装配，先完成由散乱的零件向子装配体的装配，再将各个子装配体和相关零件组装成产品模型，当零件装配为系统之后，常常需要对机械作运动分析，检查运动轨迹和运动干涉等，进行三维动态仿真，利用UG的运动分析模块（Motion）可在屏幕上模拟真实的机构运动[4]。

张学昌等（2000）采用面向对象的方法对齿轮减速器的各个部件进行封装，它包括齿轮、轴和箱体3个部分,这3个部分分别对应3个对象——齿轮类、轴类和箱体类；而每一个对象又包括许多子对象，如齿轮类包括直齿轮类、斜齿轮类和圆锥齿轮类.，通过MicrosoftVisualC++语言的类来实现将减速器封装成一个对象[5]。

各种CAD/CAM软件的应用实现了齿轮的参数化建模、完成了减速箱的装配以及运动仿真。

计算机技术的应用使仿真结果接近工程实际，可以减少设计者对物理样机的依赖，节省开发时间和成本。

1.3.2减速器中关键零部件的静力学分析

减速器作为机器的重要组成部分，主要用于将原动机的运动和动力传递给工作机，并改变原动机运动的速度和形式、力或力矩的大小与方向，使之适应各种工作机的需要。

通过对减速器各个零部件的静力学分析可以对减速器的结构优化提供参考依据，也对研究零部件的失效有重要意义。

在齿轮的静力学研究方面，陈东海等（2011）基于ANSYS建立了渐开线斜齿轮有限元模型，确定斜齿轮静力学有限元分析的边界条件，讨论了主动轮在不同周向力矩作用下主动轮和从动轮的静力学特性，结果表明，主动轮与从动轮应力较大区域主要集中在啮合齿面和齿根区域，主动轮位移较大区域主要在非啮合齿面上，而从动轮位移较大区域主要在啮合齿面上，其中，最大接触应力总是出现在轮齿啮合线上，且随着周向力矩的增大，主动轮与从动轮应力增大，位移也相应增大[6]。

常立（2010）通过ABAQUS建立了轴承—齿轮系统的静态有限元模型，该有限元模型以六面体单元、四边形壳单元为主，还有少部分的连接单元、弹簧阻尼单元、刚性单元。

利用Hypermesh统计该模型有111850个单元，132053个节点，由于静态分析的特殊性，在静态分析时不用考虑齿轮的啮合，轴承的内外圈的关系，所以在静态分析时就不考虑齿轮的啮合时轮齿的啮合问题，轴承的内圈和外圈与其他相连结构通过实体单元连为一体，之后建立坐标系，模拟3种工况并得出应力云图[7]。

赵雨旸（2009）,应用有限元分析软件ANSYS建立各齿轮的有限元模型，根据变速器的结构与机械性能的要求，在有限元法的基础上，写出线性方程的等效方程求解出各节点的位移矢量，由弹性力学中给出的应变和位移及应变和应力的关系,得出单元节点的应变和应力表达式，再通过上述表达式求解出各节点的应力，根据求出的节点位移和应力得出静态特性分析的结果[8]。

在减速器轴的静力学研究方面，庞兴华（2008）讨论了CAD环境下减速器轴的强度设计问题，减速器轴从结构上来说一般为阶梯状的圆轴，其支撑主要是悬臂和简支两种形式，其受力主要有扭矩、弯矩、轴向力、剪切力等，根据支撑情况得出受力简图，用截面法确定轴截面上的内力，于是得到了截面上的力矩，由于力矩是位移矢量的函数，所以可得截面弯矩图，根据机械设计的知识，计算任意界面的弯曲应力并检验轴的危险截面，基于以上分析，通过Visualc++编程平台开发减速器轴强度设计的独立程序并完成研究[9]。

齐秀飞等（2008）在ProE软件中建立齿轮轴三维实体模型，利用ANYSY软件与ProE软件的专用直接接口,用这种方法导入模型并在ANSYS软件中进行了有限元分析，从理论上得到了齿轮轴在工作时轮齿靠近键槽部分的应变最大,易磨损、破损，对于网格的划分，齿轮轴齿面部分有渐开线柱面，直接利用ANSYS的自由网格划分功能对齿轮轴划分网格，多键槽、轴肩应力集中处进行网格细化。

给齿轮轴施加约束，对键槽侧面施加顺时针的转矩，同时给齿轮以逆时针的等大转矩[10]。

王革新等（2010）用有限元分析方法，对变速器第一轴的静力学特性进行了理论计算和研究，通过建立有限元方程，用有限元分析法求出结构的节点位移及节点应力，得到结构静态特性分析结果，轴系模型的建立主要采用ANSYS的APDL语言进行参数化建模，采用自由网格形式划分齿轮，各齿轮用实体单元（Solid45）进行构造，生成了齿轮的有限元模型，对轴施加载荷和约束，采用实体块单元SOLID45，进行结构离散，在进行有限元分析时,一轴的花键部位约束3个方向的自由度，箱体支撑的轴承部位约束2个方向的自由度UX、UY，载荷加在与中间轴啮合的齿上，经过自由网格后，共生成16713个节点，80282个单元，通过ANSYS的计算得到轴的应力云图和位移云图[11]。

高素荷等（2010）探讨了应用有限单元法的三维实体单元分析齿轮轴静强度时应注意的问题，首先要选用合理的力学模型，在进行网格划分时要注意两种方法的优缺点再决定选用，其次是边界条件的合理确定，第三是对危险点的强度校核[12]。

在箱体的应力分析方面，陈义东等（2007）用ProE软件建模,采用有限元法建立中心传动齿轮箱有限元静力学分析模型，用ANSYSWorkbench10.0软件对箱体及其内部传动结构进行分析，得到位移和应力分布以及箱体的结构强度、受力状况[13]。

赵丽娟等（2006）以某1000kW型矿用减速器箱体为研究对象,应用有限元分析软件ANSYS建立了箱体参数化的三维实体模型,并对其进行有限元分析，并以箱体质量最小为目标函数，利用ANSYS的优化设计模块和参数化程序语言APDL对箱体进行了优化设计[14]。

陈雪菊等基于有限元分析与动态仿真技术，利用ANSYS软件对减速机箱体进行有限元建模，并对减速机箱体进行了静力学分析，通过对箱体的等效应力云图和向量位移云图的分析，从静力学的角度为减速机箱体的改进提供了相关的分析数据[15]。

李光明等（1996）对减速器箱体进行了静强度试验研究，本试验主要解决减速箱体一端的吊环孔及附近区域的应力数值及进行强度计算，模拟减速箱的实际工作条件，采用电阻应变测试技术进行实物的检测，较精确地提供试验数据，供减速箱设计的改进做参考以及考核减速箱体结构的合理性[16]。

1.3.3减速器的动力学仿真分析

关于齿轮减速器的动力学仿真与分析，孙中平（2007）基于三维造型设计软件Solidworks，构建了单级齿轮减速器的三维参数化模型，并将其导入机械系统动力学仿真软件ADAMS中，在ADAMS中建立减速器的虚拟样机模型，定义各部件的质量、转动惯量等属性，对各部件间施加约束，根据已知的输入轴转速输出轴恒定负载转矩，确定仿真时间、步长，最后得到系统的特性曲线[17]。

李亚强等（2008）将solidworks2006软件建立好的三维模型导入ADAMS2005当中，为简化模型,只考虑四个齿轮和三个轴，将齿轮、齿轮轴均定义为刚体，材料为steel，忽略相互之间的弹性变形，然后在各部件间施加约束，在ADAMS/View模块中输入仿真时间为5s，仿真工作步长为step=50，得到仿真结果[18]。

刘爱敏等（2011）首先利用Pro/E软件对齿轮减速器进行三维建模,然后采用ADAMS软件对其进行动力学仿真,并将仿真结果与理论计算值进行比较,验证了动力学仿真的正确性，该方法极大地缩短了减速器的研发周期,降低了产品生产成本,对减速器企业提高设计效率和产品质量具有重要的指导意义[19]。

徐铭宇等（2010），应用齿轮三维动力接触有限元分析程序计算了齿轮啮合时变刚度激励、误差激励和啮合冲击激励，对减

速器进行了运动仿真分析、模态分析和动态响应分析，得出各构件的转速曲线、减速器的固有频率以及箱体表面的振动位移、振动速度和振动加速度曲线[20]。

关于非线性动力学特性的分析，苏程等（2011）综合考虑齿侧间隙、时变啮合刚度、综合啮合误差等因素，忽略传动轴的横向，和轴向弹性变形以及支承系统的弹性变形，采用集中质量法建立齿轮副扭转振动分析模型，利用变步长Runge－Kuta法对单自由度齿轮系统运动微分方程进行了数值求解，给出了系统随参数变化的分岔图，并结合相平面、POINCARE映射、动载荷历程、以及FFT频谱分析了阻尼、刚度、激励频率变化时系统复杂的动态响应[21]。

张志强等（2011）研究了移动基圆变齿厚齿轮，利用ProE建立参数化的移动基圆变齿厚直齿轮实体模型，用ADAMS中的Impact函数来计算接触力，轮齿碰撞所引起的冲击力，可以作为两个变曲率

半径柱体撞击问题，解决此问题可以直接从Hertz静力弹性接触理论中得到，利用动力学仿真软件ADAMS对移动基圆变齿厚直齿轮进行动力学分析，得到其啮合力曲线，并将之与标准直齿轮产生齿侧间隙后的啮合力曲线相比较，证明了调隙可有效改善直齿轮啮合动态特性[22]。

关于齿轮系统啮合过程的动力学分析，杨军（2011）考虑了齿轮的制造、安装误差及齿轮系统外部载荷因素,将齿轮轮齿等效为单侧接触弹簧，建立了齿轮系统基于轮齿啮合过程的动力学分析模型,并根据啮合过程中可能出现的啮入和啮出冲击、脱齿、齿面碰撞等情况,给出了用状态系数描述的动力学方程。

在状态空间上对齿轮啮合过程的相轨迹进行了定性分析,根据分析结果，说明了因齿轮误差和轮齿脱齿产生的间隙在啮合过程中的作用机理,以及啮合过程出现混沌现象的成因，以轮齿啮合周期为计算单元实现了齿对连续交替接力过程的数值计算，通过实例计算证明了理论分析的正确性，并解释了齿轮系统产生大噪声和重合度小于理论值的物理现象[23]。

关于减速器动态特性的研究，刘文等（2009）对新型少齿差减速器的动态特性进行了研究，不仅考虑啮合齿轮副,而且考虑减速器其它部分对齿轮接触特性的影响，借助I2DEAS软件将减速器各主要部件装配在一起进行多体接触有限元分析,获得各部件的接触力、接触应力、等效应力及接触变形,得出轮齿啮合刚度,进而获得减速器内部动态激励，用振型叠加法对内部激励及不平衡惯性力等动态载荷下减速器表面的振动进行了计算，建立有限元模型时,根据轮齿啮合综合刚度,在啮合轮齿间建立弹簧单元以模拟齿轮副的啮合关系,同时根据轴承刚度在轴与轴承座间建立弹簧单元以模拟轴承的支撑作用，最后对减速器振动进行了实验测试分析,验证理论分析的准确性[24]。

关于齿轮的模态分析，张振峰等（2010）为了研究齿轮固有频率的影响因素，改善齿轮的动态特性，利用有限元软件ABAQUS和振动理论对齿轮进行模态分析，结果表明：

第1～6阶，齿轮的振型主要是弯曲振动和扭转振动，在同阶的情况下，弹性模量越大，齿轮的固有频率越大，腹板的倒角越大，齿轮的固有频率越大，为齿轮动态优化设计提供可靠的参考依据[25]。

在齿轮传动冲击特性研究方面，张发民（2011）根据弹性动力学建立波动方程，基于Hamilton变分原理和有限元理论,经空间离散化后的结构动力学方程为二阶常微分方程组，可得到结构在外载荷作用下的动力响应，使用ANSYS/LS-DYNA有限元动力学仿真软件,建立了一对齿轮传动的冲击特性仿真模型，在主动齿轮上选用11个编号的显式动力学SOLID164单元,分别对这11个部分划分网格,形

成11个PART,其中1个PART是轮齿以外部分的C形刚体，同样的方法简历被动齿轮模型，加载边界条件及初始条件后进行仿真分析[26]。

其他方面，M.T.Khabou等（2011）研究了一个单级直齿轮减速器瞬态状态下的动态响应，除了啮合刚度，齿轮激励也会由电机转矩和负载变化引起，利用Newmark方法对动态响应进行计算，并进行了一个齿轮传动系统在两种驱动状态下的参数化分析，最终结果表明瞬态状态对动力学特性有着显著的影响[27]。

KamelAbboudi等（2011）对风机中的二级齿轮传动链的动态特性进行了研究，建立了一个具有12个自由度的功质动力学模型，利用功率系数的实证研究法对空气动力的转矩进行计算，系统的运动方程用一个隐式Newmark算法来处理[28]。

VijayaKumarAmbarisha等（2006）对震动引起的齿轮噪声和动力负载进行了研究，利用行星齿轮的两种模型，功率参数模型和有限元模型进行分析[29]。

Li-LiZHU等（2009）对齿轮的参数化建模和优化设计进行了研究，建立了一个三级齿轮减速器的数学模型，基于ProE来进行减速器的参数化研究，在优化设计中，以齿轮的中心距为目标函数，小齿轮的齿数、法向模数、前两级的传动比为设计变量，借助Pro/Toolkit和VisualC++，将优化设计的结果应用到参数化建模之中[30]。

对传动系统进行动力学分析，主要是为了解决振动和噪声问题，振动不仅会产生噪声还会加剧零件的磨损。

振动和噪声是影响其使用性能的主要因素。

对齿轮传动系统进行动力学分析，有利于了解其使用性能，检验设计的合理性。

做动力学分析需要考虑的因素很多，而且计算量庞大，找出合适的方法来更加准确地模拟实际情况是动力学分析的关键。

2课题任务、重点研究内容、实现途径

2.1课题任务

针对某起重机俯仰减速器的已有设计方案，进行三维实体建模，关键零部件强度分析以及动力学仿真，检验产品是否满足用户的要求。

（1）能合理选择设计方案，准确地对重机俯仰减速器各零部件进行受力计算和强度分析，并进行零部件设计。

（2）能熟练应用AutoCAD等软件绘制零部件的工程图，特别是公差、配合的合理标注。

（3）能熟练应用商用软件建立重机俯仰减速器实体模型及装配模型。

（4）能较熟练地应用ANSYS软件建立重机俯仰减速器的有限元模型，并进行动力学分析。

2.2重点研究内容

（1）起重机俯仰减速器的工作原理分析及工程图纸的绘制；

（2）起重机俯仰减速器的结构设计、静强度分析；

（3）起重机俯仰减速器运行过程中内部动态激励计算；

（4）起重机俯仰减速器的三维实体建模；

（5）起重机俯仰减速器动力学分析。

2.3实现途径

（1）起重机俯仰减速器的工作原理分析及工程图纸的绘制

在对目前已有的齿轮减速器作详细的分析研究并收集国内外相关研究资料之后，进行对已定设计方案的起重机俯仰减速器进行原理分析，按照已定方案利用AutoCAD绘制减速器的工程图。

（2）起重机俯仰减速器的结构设计、静强度分析

根据相关设计手册及已有的经验，对俯仰减速器各零部件结构进行传统的静态设计，得出初步结果；再分析各零部件的静强度，主要包括齿轮、轴、箱体等关键零部件。

（3）起重机俯仰减速器运行过程中内部动态激励计算

根据ANSYS软件的APDL命令流完成减速器的建模，利用动力接触有限元法计算减速器齿轮传动系统的动态激励。

（4）起重机俯仰减速器的三维实体建模

根据各零部件的工程图，应用UG软件对行星减速器进行实体建模，并完成减速器的模拟装配。

（5）起重机俯仰减速器动力学分析

根据ANSYS软件的APDL命令流完成减速器的建模，利用动力接触有限元法计算减速器齿轮传动系统的动态激励，而后借助ANSYS软件进行模态分析和动态响应分析。

3、进度计划

序号

起止周次

工作内容

1

1周至2周

针对题目收集资料，撰写文献综述

2

3周至4周

撰写开题报告、完成译文

3

5周至6周

绘制减速器零部件工程图

4

7周至8周

减速器三维实体造型

5

9周至10周

减速器零传动部件设计及强度计算

6

11周至13周

减速器静力学和动力学分析

7

14周至15周

整理计算结果、撰写学位论文

8

16周至17周

论文评阅、学位论文答辩

学生签名：

年月日

4、指导教师意见

指导教师签名：

年月日

说明：

1、开题报告应根据教师下发的毕业设计（论文）任务书，在教师的指导下由学生独立撰写，在毕业设计（论文）开始后两周内完成。

2、本页不够，请加页。

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