基于SolidWorks的二级减速器三维造型设计 毕业设计论文.doc

河南工程学院2013届本科毕业论文（设 计） 基于solidworks二级减速器的设计及其运动仿真学生姓名： 所在系别：机械工程系所学专业：机械设计制造及其自动化导师姓名： 完成时间：2013年6月2日基于solidworks的二级减速器三维造型设计摘 要减速器是一种重要的动力传递装置，但其内部结构复杂，不易准确表达。三维造型设计将减速器的关键部件很清晰地展现出来。本设计以solidworks软件为主，并结合autocad、caxa电子图板等二维绘图软件，设计了一个二级圆柱齿轮减速器，实现了减速器的三维模型，以及由此生成二维工程图的设计思想。通过solidworks软件特有的三维设计功能，检查、优化设计方案，实现了减速器的运动仿真，完成了减速器在计算机中的模拟设计。关键词：减速器，结构设计，三维造型，运动仿真abstract mechanized production, the gear unit is an important power transmission device but its internal structure is complicated, difficult to accurately express. three-dimensional design of the key components of the reducer is clearly demonstrated. the design solidworks software-based design, combined with autocad, caxa electronic drawing board, and two-dimensional drawing software, designed a two-stage cylindrical gear reducer, reducer three-dimensional model, and thereby generate a two-dimensional engineering drawings thought. solidworks software unique three-dimensional design features, check, optimize, design, motion simulation of the reducer, reducer completed in the computer simulation design. .key words: reducer, design of structures, three-dimensional modeling, kinematics simulation33目 录1 绪 论11.1 三维造型软件概述11.1.1 autocad介绍11.1.2 cad技术的发展方向11.1.3 solidworks介绍12 二级直齿圆柱齿轮减速器总体方案设计12.1 确定减速器的工作条件12.2 传动装置的总体设计22.3 选择电机22.3.1 电机功率计算22.3.2 电机转速和型号确定32.4 分配传动比32.5 传动装置运动和动力参数的计算32.5.1 计算各轴转速32.5.2计算各轴输入功率42.5.3 计算各轴输入转矩43 v带的设计44 齿轮的设计64.1 高速级齿轮的设计64.2 低速级齿轮的设计85 轴的设计95.1 高速轴的设计95.1.1 确定各轴段直径和长度95.1.2 校核高速轴和轴承105.1.3 轴承寿命校核125.1.4 键的设计与校核125.2 中间轴的设计125.2.1 确定各轴段直径和长度125.2.2 校核高速轴和轴承135.2.3 轴承寿命校核155.2.4 键的设计与校核155.3 从动轴设计155.3.1 确定各轴段直径155.3.2 确定各轴段长度165.3.3 校核高速轴和轴承165.3.4 轴承寿命校核185.3.5 键的设计与校核186 选择联轴器197 减速器箱体结构设计198 确定润滑方式229 减速器零件的三维建模229.1 齿轮三维模型229.2 轴的三维模型239.3 箱体的三维模型249.4 其他零件三维模型成型259.4.1 轴承的三维模型成型259.4.2 轴承盖、油标、通气塞的三维模型2510 减速器的运动模拟仿真26总 结27致 谢28参 考 文 献291 绪 论1.1 三维造型软件概述1.1.1 autocad介绍autocad是由美国autodesk公司开发的通用计算机辅助设计软件，是当今设计领域广泛使用的绘图工具之一。随着计算机技术的发展和用户的设计需要，软件性能不断完善，autocad由原来的侧重于二维绘图技术为主，发展到二维绘图、三维绘图，以及三位参数化造型，渲染显示，数据库管理和internet通信等为一体的通用计算机辅助设计软件包。1.1.2 cad技术的发展方向cad的概念和内涵是随着计算机、网络、信息、人工智能等技术或理论的进步而不断发展的。cad技术是以计算机、外围设备及其系统软件为基础，包括二维绘图设计、三维几何造型设计、优化设计、仿真模拟及产品数据管理等内容，逐渐向标准化、智能化、可视化、集成化、网络化方向发展。1.1.3 solidworks 介绍solidworks 是三维机械设计软件市场中的主流软件，是终端工程应用的通用cad平台。solidworks 已经成功地应用于机械设计、机械制造、电子厂品开发。模具设计、汽车工业和产品外观设计等方面。学习使用solidworks造型软件具有很强的行业竞争力。对公司，对个人，对整个社会都将带来巨大的作用。2 二级直齿圆柱齿轮减速器总体方案设计2.1 确定减速器的工作条件 二级直齿圆柱齿轮减速器1）要求：拟定传动关系由电动机、v带、减速器、联轴器、工作机构成。2）工作条件：双班工作，有轻微振动，小批量生产，单向传动，使用5年，运输带允许误差5%。3）已知条件：运输带卷筒转速，减速箱输出轴功率马力。2.2 传动装置的总体设计1）组成：传动装置由电机、减速器、工作机组成。2）特点：齿轮相对于轴承不对称分布，故沿轴向载荷分布不均匀，要求轴有较大的刚度。3）确定传动方案：考虑到电机转速高，传动功率大，将v带设置在高速级。 其传动方案如图2-1：图2-1 传动装置总体设计图2.3 选择电机2.3.1 电机功率计算查机械设计基础课程设计指导书第6页表2-3可得：带传动效率：0.96 每对轴承传动效率：0.99圆柱齿轮的传动效率：0.96 联轴器的传动效率：0.993卷筒的传动效率：0.96电机至工作机之间的传动装置的总效率： 2.3.2 电动机的确定表2-1 电动机型号参数表额定功率kw满载转速同步转速质量adefghlab496010007321638801033132515280 2.4 分配传动比1）总传动比由于选定的电动机满载转速和工作机主动轴转速为n，可得传动装置总传动比为/n960/1950.53。2）分配传动装置传动比50.53/3.0516.56根据展开式布置，考虑润滑条件，为使两级大齿轮直径相近，查图得高速级传动比为4.56，则16.564.56=3.562.5 传动装置运动和动力参数的计算2.5.1 计算各轴转速将传动装置各轴由高速到低速依次定为1轴、2轴、3轴、4轴。依次为电机与轴1，轴1与轴2，轴2与轴3，轴3与轴4之间的传动效率。2.5.2计算各轴输入功率2.5.3 计算各轴输入转矩3 v带的设计1）确定v带型号查机械设计基础表13-6得： 则根据=4.4, =960r/min,由机械设计基础图13-5，选择a型v带，取。查课本机械设计基础第206页表13-7取。为带传动的滑动率=0.010.02。2）验算带速 带速在525范围内，合适。3）取v带基准长度和中心距a初步选取中心距a：，取。由课本机械设计基础第203页式13-17得：查课本机械设计基础第202页表13-8取。由机械设计基础第203页式13-18计算实际中心距：。4）验算小带轮包角由课本机械设计基础第203页式13-1得。5）求v带根数z由课本机械设计基础第203页式13-19得：，查课本机械设计基础第203页表13-8由内插值法得,。 ef=0.1=1.37+0.1=1.38 图3-1 线性图 ef=0.08 图3-2线性图查机械设计基础第201页表13-6得，查机械设计基础第201页表13-6由内插值法得。=163.0 ef=0.009=0.95+0.009=0.959则：所以，取根。 图3-3 线性图6）求作用在带轮轴上的压力 查课本机械设计基础第193页表13-1得m=0.10m/kgm-1，故由课本第204页式13-20得单根v带的初拉力：作用在轴上压力：。4 齿轮的设计4.1 高速级齿轮的设计1）确定材料热处理方式高速级小齿轮选用45钢调质，齿面硬度为250hbs。高速级大齿轮选用45钢正火，齿面硬度为220hbs。2）许用弯曲应力的计算查课本机械设计基础第146页表10-5得： 。查课本机械设计基础第149页表10-7得： 。故 。查课本机械设计基础第151页表10-21c图得： 故 。3）齿面接触强度设计9级精度制造，查课本机械设计基础第148页表10-6得：载荷系数，取齿宽系数 计算中心距：由课本机械设计基础第149页式10-14得： 考虑高速级大齿轮与低速级大齿轮相差不大取则取实际传动比传动比误差：齿宽：取高速级齿轮： 。因为采用腹板式齿轮结构，结构尺寸见表4-1：表4-1 齿轮结构尺寸表代号结构尺寸和计算公式结果（mm）轮毂处直径72轮毂轴向长度84倒角尺寸1齿根圆处的厚度10腹板最大直径321.25板孔直径62.5腹板厚度25.24）验算轮齿弯曲强度查机械设计基础第148页表10-7得： 按最小齿宽计算得： 所以安全。5）齿轮的圆周速度 查课本机械设计基础第162页表11-2知选用9级精度是合适的。4.2 低速级齿轮的设计1）确定材料热处理方式低速级小齿轮选用45钢调质，齿面硬度为250hbs。低速级大齿轮选用45钢正火，齿面硬度为220hbs。2）许用弯曲应力的计算查课本机械设计基础第146页表10-5得： 。查课本机械设计基础第149页表10-7得： 。故： 查课本机械设计基础第151页表10-21c图得： 故： 。3）齿面接触强度设计采用9级精度制造，查课本机械设计基础第148页表10-6得：载荷系数，取齿宽系数4）计算中心距由课本机械设计基础第149页式10-14得： 取 则取计算传动比误差，合适。齿宽则取 低速级齿轮 5）验算轮齿弯曲强度查课本机械设计基础第148页表10-7得：按最小齿宽计算：，所以工作是安全的。6）齿轮的圆周速度查课本机械设计基础第162页表11-2知选用9级的的精度是合适的。5 轴的设计5.1 高速轴的设计5.1.1 确定各轴段直径和长度该减速器的高速轴选用45号钢调质处理，根据课本机械设计基础第289页表18-3可取 c=100。根据课本机械设计基础第289页式18-2得：又因为装小带轮的电动机轴径，又因为高速轴第一段轴径装配大带轮，且所以查机械设计课程设计手册第9页表1-16取。l1=1.75d1-3=60。因为大带轮要靠轴肩定位，且还要配合密封圈，所以查机械设计课程设计手册第85页表7-12取，l2=m+e+l+5=28+9+16+5=58。段装配轴承且，所以查机械设计课程设计手册第62页表6-1取。选用6204轴承。 l3=b+2=16+10+2=28；段主要是定位轴承，取。l4根据箱体内壁线确定后在确定；装配齿轮段直径判断是否可以做成齿轮轴： 查机械设计课程设计手册第51页表4-1得 ：得：e=5.96.25，段装配轴承所以，l6= l3=28，l1=73，l2=211，l3=96所以，高速轴设计结果见图5-1：图5-1 高速轴5.1.2 校核高速轴和轴承作用在齿轮上的圆周力为：径向力为作用在轴1带轮上的外力 1）求垂直面的支反力 2）求垂直弯矩，并绘制垂直弯矩图3）求水平面的支承力由得nn4）求水平面弯矩5）求f在支点产生的反力6）求f力产生的弯矩 f在a处产生的弯矩：7）求合成弯矩图考虑最不利的情况，把与直接相加8）求危险截面当量弯矩从图可见，m-m处截面最危险，其当量弯矩为：（取折合系数）9）计算危险截面处轴的直径因为材料选择调质，查课本机械设计基础第225页表14-1得，查课本机械设计基础第231页表14-3得许用弯曲应力，则：因为，所以该轴是安全的。5.1.3 轴承寿命校核轴承寿命可由式进行校核，由于轴承主要承受径向载荷的作用，所以，查课本机械设计基础第259页表16-9，10取取。按最不利考虑，则有 则 因此所该轴承符合要求。5.1.4键的设计与校核 根据，确定v带轮选铸铁ht200，参考机械设计基础表10-9,由于在3038范围内，故轴段上采用键=,所以采用a型普通键，键校核为l1=1.75d1-3=60综合考虑取=50得：查课本机械设计基础第155页表10-10可以得： 所选键为：5.2 中间轴的设计5.2.1 确定各轴段直径和长度选用45号钢调质处理。查课本机械设计基础第230页表14-2可以取c=100，根据课本机械设计基础第230页式14-2得：段要装配轴承，所以查机械设计课程设计手册第9页表1-16和第62页表6-1可取，选用6203轴承，l1=b+（23）=18+10+10+2=40。装配低速级小齿轮，且取，l2=128，因为要比齿轮孔长度少23。段主要是定位高速级大齿轮，所以取，l3=10。装配高速级大齿轮，取 l4=84-2=82。段要装配轴承，所以查机械设计课程设计手册第9页表1-16取，选用6204轴承，l1=b+3+（23）=18+10+10+2=43。所以，l1=74，l2=117，l3=94。结果如图5-4：图5-4 中间轴5.2.2 校核高速轴和轴承1）计算作用在2、3齿轮上的圆周力 n2）计算作用在2、3齿轮上的径向力 3）求垂直面的支反力4）计算垂直弯矩5）计算水平面的支承力 6）计算水平面弯矩 7）计算合成弯矩图按最不利情况考虑8）计算危险截面当量弯矩从图5-5可见，m-m,n-n处截面最危险，其当量弯矩为（取折合系数）：9）计算危险截面处轴的直径n-n截面: m-m截面: 由于，所以该轴是安全的。5.2.3 轴承寿命校核轴承寿命可由式进行校核，由于轴承主要承受径向载荷的作用，所以，查课本机械设计基础第259页表16-9，10取取。 则，轴承使用寿命在23年范围内，因此所该轴承符合要求。5.2.4 键的设计与校核已知参考机械制图表10-11，由于所以取，因为齿轮材料为45钢。查机械设计基础第155页表10-10得可以得l=128-18=110取键长为110，l=82-12=70取键长为70根据挤压强度条件，键的校核为：，所以所选键1为:，键2为： 5.3 从动轴设计5.3.1 确定各轴段直径对于传动轴因为轴主要承受转矩作用，所以可以直接按扭转强度计算，由课本机械设计基础第289式18-2得：考虑到该轴段上开有键槽，因此取查机械设计课程设计手册第9页表1-16圆整成标准值，取，为使联轴器轴向定位，在外伸端设置轴肩，则第二段轴径。查机械设计课程设计手册第85页表7-2，此尺寸符合轴承盖和密封圈标准值，因此取；设计轴段，为使轴承装拆方便，查机械设计课程设计手册第62页表6-1采用挡油环给轴承定位，选轴承6204:，d=130，b=25取；设计轴段，考虑到挡油环轴向定位，故取；设计另一端轴颈，取，轴承由挡油环定位，挡油环另一端靠齿轮齿根处定位。为了轮装拆方便，设计轴头，取，查机械设计课程设计手册第9页表1-16取；设计轴环及宽度b，为了使得齿轮轴向定位，故取取，。5.3.2 确定各轴段长度段因为有联轴器，所以它的尺寸决定为，因为,所以轴段轴头长度-(23)=125-3=122因为此段要比此轮孔的长度短23mm，所以可以确定l3的长度为+(23)=38，其它各轴段长度由结构决定，其设计方法和中间轴的方面。图5-4 从动轴5.3.3 校核高速轴和轴承1）计算作用在齿轮上的圆周力 2）计算作用在齿轮上的径向力 3）计算垂直面的支反力 4）计算垂直弯矩 .m5）计算水平面的支承力 .m6）计算并绘制水平面弯矩图7）计算f在支点产生的反力 图5-5 弯矩图 8）计算f力产生的弯矩图 9）计算f在a处产生的弯矩10）计算合成弯矩图考虑最不利的情况，把与直接相加。11）求危险截面当量弯矩从图可见，m-m处截面最危险，其当量弯矩为（取折合系数）12）计算危险截面处轴的直径因为材料选择调质，查课本机械设计基础第225页表14-1得，查课本机械设计基础第231页表14-3得许用弯曲应力，则有：考虑到键槽的影响，取,因为，所以该轴是安全的。5.3.4 轴承寿命校核轴承寿命可由式进行校核，由于轴承主要承受径向载荷的作用，所以，查课本机械设计基础第259页表16-9，16-10取取，按最不利考虑，则有则:,该轴承寿命为64.8年,所以轴上的轴承是适合要求的。5.3.5 键的设计与校核因为d1=63装联轴器查课本153页表10-9选键为查课本机械设计基础第155页表10-10得=100120因为l1=107初选键长为100,校核所以所选键为: ，装齿轮查课本机械设计基础第153页表10-9选键为查课本机械设计基础第155页表10-10得=100120因为l6=122初选键长为100,校核所以所选键为:。6选择联轴器1）类型选择为了隔离振动和冲击，选用弹性套柱销联轴器。2）载荷计算公称转矩：t=95509550333.5查课本机械课程设计第343页表14-1选取，所以转矩 。因为计算转矩小于联轴器公称转矩,所以查机械设计手册第94页表8-7选用型号为hl6的弹性柱销联轴器，其公称转矩为500。7 减速器箱体结构设计减速器的箱体采用铸造（ht200）制成，采用剖分式结构为了保证齿轮佳合质量，大端盖分机体采用配合。1）保证机体有足够的刚度在机体为加肋，外轮廓为长方形，增强了轴承座刚度。2）考虑到机体内零件的润滑，密封散热。因其传动件速度小于12m/s，故采用侵油润油，同时为了避免油搅得沉渣溅起，齿顶到油池底面的距离h为40mm。为保证机盖与机座连接处密封，联接凸缘应有足够的宽度，联接表面应精创，其表面粗糙度为。3）机体结构有良好的工艺性。铸件壁厚为10，圆角半径为r=3。机体外型简单，拔模方便。4）对附件设计视孔盖和窥视孔在机盖顶部开有窥视孔，能看到 传动零件齿合区的位置，并有足够的空间，以便于能伸入进行操作，窥视孔有盖板，机体上开窥视孔与凸缘一块，有便于机械加工出支承盖板的表面并用垫片加强密封，盖板用铸铁制成，用m6紧固。油螺塞放油孔位于油池最底处，并安排在减速器不与其他部件靠近的一侧，以便放油，放油孔用螺塞堵住，因此油孔处的机体外壁应凸起一块，由机械加工成螺塞头部的支承面，并加封油圈加以密封。油标油标位在便于观察减速器油面及油面稳定之处。油尺安置的部位不能太低，以防油进入油尺座孔而溢出。通气孔由于减速器运转时，机体内温度升高，气压增大，为便于排气，在机盖顶部的窥视孔改上安装通气器，以便达到体内为压力平衡。盖螺钉启盖螺钉上的螺纹长度要大于机盖联结凸缘的厚度。钉杆端部要做成圆柱形，以免破坏螺纹。位销为保证剖分式机体的轴承座孔的加工及装配精度，在机体联结凸缘的长度方向各安装一圆锥定位销，以提高定位精度。吊钩在机座上直接铸出吊钩，用以起吊或搬运较重的物体。减速器机体结构尺寸表7-1：表7-1 减速器机体结构尺寸表名称符号计算公式结果箱座壁厚10箱盖壁厚9箱盖凸缘厚度12箱座凸缘厚度15箱座底凸缘厚度25地脚螺钉直径m24地脚螺钉数目查手册6轴承旁联接螺栓直径m12机盖与机座联接螺栓直径=（0.50.6）m10轴承端盖螺钉直径=（0.40.5）10视孔盖螺钉直径=（0.30.4）8定位销直径=（0.70.8）8，至外机壁距离查机械课程设计指导书表4342218，至凸缘边缘距离查机械课程设计指导书表42816外机壁至轴承座端面距离=+（812）50大齿轮顶圆与内机壁距离1.215齿轮端面与内机壁距离10机盖，机座肋厚 轴承端盖外径+（55.5） 120（1轴） 125（2轴） 150（3轴）轴承旁联结螺栓距离 120（1轴） 125（2轴） 150（3轴）8 确定润滑方式对于二级圆柱齿轮减速器，因为传动装置属于轻型的，且传速较低，所以其速度远远小于，所以采用脂润滑，箱体内选用sh0357-92中的50号润滑，装至规定高度。油的深度为h+=30+34=64，其中油的粘度大，化学合成油，润滑效果好。对于密封性来讲，为了保证机盖与机座联接处密封，联接凸缘应有足够的宽度，联接表面应精创，其表面粗度应为密封的表面要经过刮研。而且，凸缘联接螺柱之间的距离不宜太大。并匀均布置，保证部分面处的密封性。9 减速器零件的三维建模9.1 齿轮三维模型solidworks是一款功能强大的计算机辅助绘图和设计软件系统，可以以拉伸、旋转、扫描、放样等特征形式形成实体。但其也有不足之处，比如渐开线齿轮的形成。在solidworks中所形成的渐开线齿轮的齿廓线是近似的渐开线曲线，由其所形成的渐开线齿轮在相互啮合时极易产生跟切。在本设计中为避免上述后果的产生，使用了在caxa电子图板中产生精确的渐开线齿廓线，再导入到solidworks中进行拉伸以得到精确的渐开线齿轮的方法。设计过程如下：1)在caxa电子图板xp中，点击“齿轮绘制”工具，输入齿轮参数(模数、齿数、压力角、变位系数、齿顶高系数等)，生成整体齿形图。然后依次点击“数据接口”、“dwgdxf文件输出”，输入文件名，保存为dwgdxf文件。生成如图9-11的二维齿形图。图9-1 二维齿形图2)把上面形成的二维齿形图输入到solidworks中。在solidworks中，点击“打开”按钮，然后依次选择“输入到零件”、“输入到2d草图”，完成后齿轮草图已生成。3)在solidworks中编辑草图，添加几何关系，拉伸凸台，生成三维齿轮模型，如图9-2所示。图9-2 三维齿轮模型9.2 轴的三维模型在solidworks中，阶梯轴的形成比较容易实现。可以逐节拉伸形成，也可以完成轴的纵截面草图，然后一次旋转完成。轴的三维模型如 图9-3所示。图9-3 轴的三维模型9.3 箱体的三维模型形成由于箱体的造型比较复杂，故首先运用了拉伸、切除、筋板、镜像、阵列等特征形成箱座的三维模型，如图9-4所示。图9-4 箱座的三维模型由于上箱体与下箱体有着相似的结构特征，故上箱体的成型在装配体中完成，装配体中建立新零件模型主要用于两个或多个有着相似的结构特征且互相配合的零部件建模。上箱体三维模型如图9-5所示。图9-5 上箱体三维模型9.4 其他零件三维模型成型9.4.1 轴承的三维模型成型轴承的建模是装配体运用的过程，所以在完成外圈、内圈、滚珠后，在新建的装配体中把三者以一定的配合关系装配起来，完成轴承的三维模型，如图9-6所示。图9-6 轴承的三维模型9.4.2 轴承盖、油标、通气塞的三维模型轴承盖、油标、通气塞的三维模型成型和建模过程比较简单，这里不再赘述。其模型完成如图9-7所示。 轴承盖 通气塞 油标尺图9-7 轴承盖、油标、通气塞的三维模型10 减速器的运动仿真1)要进行减速器的运动模拟仿真，首先要把已完成的各零部件按照一定的约束条件配合起来。其过程是，新建一个装配体，然后按照从下到上的装配顺序完成装配的建模。最后完成的装配体如图10-1所示。 图10-1 整体装配图总 结通过这次毕业设计巩固了我的专业技术知识，锻炼了我综合运用专业基础知识解决实际问题的能力，同时也提高了我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑三维制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富。通过运用solidworks软件进行三维造型设计和模具设计，将是设计领域必然发展的一个趋势，而且必然将被广泛实用。solidworks三维造型设计有很多的优势，降低了设计的时间和成本，不需要实际的产品加工和调