风力发电机组齿轮箱的设计与分析论文

1、华北电力大学本科毕业设计（论文）风力发电机组齿轮箱的设计与分析摘要随着不可再生能源的减少和生态环境的不断恶化，利用新能源的发电技术越来越被各国重视，并在全球范围内取得了非常大的进步。风能是一种可再生能源并且不会对生态环境造成污染，具有无可比拟的优点。所以世界各国也越来越重视风力发电技术。风力发电过程是机械能转换为电能的过程，在风力的作用下，叶片转动，转速再经过增速齿轮箱得到放大并推动发电机发电。由此可见风电增速齿轮箱是风力发电机的关键部件.本课题主要是基于Pro/ENGINEER软件和ANSYS有限元分析软件对传动系统进行设计与分析。首先，根据工况设计传动系统各零部件的参数，采用Pro/E按照

2、设计数据绘制各零件图，然后在pro/E软件的装配界面将各零件装配起来。使用Pro/E软件建模的时候，需要完全按照设计参数绘制。同时这样也可以大大提高效率。零部件绘制完成之后，将重要的零件导入ANSYS软件中进行模态分析，分析他们的频率特性并查看其振型。经过频率特性分析，确定我们的设计符合要求。关键词：风力发电；齿轮箱；参数化建模；Pro/ENGINEER；ANSYS；Design and Analysis of gearbox for wind turbineAbstractWith the reduction of non-renewable energy resources and det

3、erioration of ecological environment, new energy power generation technology with new energy is being getted more and more national attention, and the great progress has been made in the global scope. Wind energy is a renewable energy and does not cause pollution to the ecological environment, with

4、there is nothing comparable to this advantage. So many states in the world have payed more and more attentionto wind power generation technology. Wind power generation is the process of converting mechanical energy into electrical energy in the process.the blades trotates under the action of wind, s

5、peed after the gearbox,then is amplified and drive the generator. Therefore the wind power gearbox is the key components of the wind turbine.First, according to the parameters of the working condition, design all parts of the transmission system, draw in Pro / E parts diagram with the design data, a

6、nd parts assembled in Pro / E component environment.When we use Pro/E software to draw the parts,we need to be fully parameterized drawing. At the same time, it also can greatly improve the efficiency . After the parts completed, we should lead the important parts into ANSYS software to conduct moda

7、l analysis.we should get the frequency analysis and view its vibration mode. After the analysis of frequency characteristic, we make sure the design can meet the requirements.Keywords: Wind power; Gearbox; Parametric modeling; Pro / ENGINEER; ANSYS; 目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1课题背景11.2国内外的发展11.3毕业设计的主要内

8、容21.4本章小结22齿轮箱的设计42.1增速齿轮箱方案设计42.2齿轮参数的确定52.2.1圆柱齿轮参数52.2.2行星轮系的齿轮参数62.3受力分析与静强度校核72.3.1受力分析72.3.2低速级外啮合齿面静强度计算92.4高速轴的设计92.5低速轴的设计92.6中间轴的设计102.7箱体的设计102.8本章小结113基于Pro/E的参数化建模123.1Pro/Engineer软件简介123.2 参数化建模介绍133.3行星传动齿轮的建模133.3.1行星轮的建模133.3.2内齿轮的建模193.4斜齿轮的建模213.5轴类零件的建模273.6生成装配图283.7本章小结284基于ANS

9、YS的轴类零件有限元分析294.1 ANSYS概述294.2ANSYS workbench概述294.3轴类零件的分析过程294.4本章小结325总结33参考文献34致谢35361 绪论1.1课题背景风能是一种清洁的可再生能源1，其总量要比固体、液体燃料能量的总和大得多，是一种永不枯竭的能源 。有人估计过，地球上可用来发电的风力资源约有100亿千瓦，几乎是现在全世界水力发电量的10倍。目前全世界每年燃烧煤所获得的能量，只有风力在一年内所提供能量的三分之一，由能源所引发的环境问题和人民生活水平不断提高所引起的对电力的需求，可以通过大力发展风力发电来解决。因此风力发电的开发和利用已经为世界各个国家

10、所重视，并成为了电力系统构成中一个重要组成部分，对风力发电技术及风力发电机的研究亦有着重要的现实意义。由于风能是一种可再生的清洁能源，因此被称为蓝天白煤。据估计，地球上每年由太阳能转化来的风能大概有两百多万亿千瓦时，但是由于人类科学技术发展水平的限制，我们只能利用其中很少的一部分2。就目前来看，我国的风力发电还是初级水平，风力发电量占全国发电总量很少，仅百分之一左右。但是我国的风力资源是很丰富的。我国实际可开发利用的陆地风能储存量约为2.5亿KW，近海可开发利用的风力储存量为7.5亿KW,这说明我国在风力发电领域内拥有很大的潜力。但是另一方面，由于我国幅员辽阔，气候、地理差异较大，所以我多对风

11、机的需求也多样化，现在国产的600KW机组和750KW机组已经难以满足目前的风电市场。风电强国如丹麦、美国等的风电技术领先我国很多，我们需要认真借鉴他们的经验，总结基础数据和经验，加强对总体设计以及核心设计制造技术的研究。加大对风力发电增速齿轮箱动态设计研究的力度，可以提高我国齿轮箱自主开发的水平，减小与国外风电技术的差距，提高国内风电技术的自主创新能力，降低对进口的需求，从而使我国风电机组的国产化水平得到提高。加快开发风力资源，可以缓解中国正在面临的能源问题，减少环境污染，同时可以增加就业机会，实现经济、社会的可持续发展。伴随着风电产业的迅速发展，风电装备制造业在全球范围内也日趋繁荣，作为风

12、电机组中的一个重要部件，风电齿轮箱自然受到国内外风电相关行业和研究人员的关注。风机增速齿轮箱的主要作用是把风轮的动力传递给发电机，是发电机得到合适的转速从而发电，它是风力发电机组中的一个很重要的机械传动装置，直接影响风力发电的整个过程。近年来国内外都把对它的研究作为风力发电技术研究的一个核心，并致力于对高效、大功率以及高安全性增速齿轮箱的研究。风力发电机组一般都是安装在荒野、海滩、高山等地方，这些地方风力很大，会给风机带来强大而且无规律的冲击。此外风机还要常年承受酷热和极端温差。多以相比于一般的机械产品，我们对风机的质量提出了更高的要求。我国对姗级以上的大型风电齿轮箱设计和制造技术几乎出于空白

13、。而且随着运行时间的积累，发现在风力发电机的液压、监控、机械传动等几大系统中，传动系统中齿轮箱最易出现故障，因此设计出可靠性高的齿轮箱是发展我过风电事业的重点之一。1.2国内外的发展世界上第一台用于发电的风力机1891年在丹麦建成，但由于各种原因未能成为电网中的电源。直到1973年发生石油危机，美国、西欧等国家为寻求替代化石燃料的能源，投人大量经费，研制现代风力发电机组，开创了风能利用的新时代。目前，世界各国都竞相发展风电事业，利用风能的步伐不断加快，风电规模逐步扩大，风力发电由小到大、由单机到并网运行快速发展，已经形成了一种新兴产业3。美国风力发电装机容量约160MW1992年风力发电量约3

14、0亿kwh 主要集中在加利福尼亚州阿尔塔蒙特(Altamont)山口、蒂哈查皮(Tehachapi)山和圣戈尔戈尼奥(san Gorgoniv)山口。1992年新增装机容量很小，原因是淘汰了80年代中期安装的风力发电机，这些风力机容量小、效率低。1992年丹麦的风电已经占其总发电量的百分之3。加拿大、日本、澳大利亚和以色列也十分重视风力发电。加拿大对垂直轴达里厄(Darrieus)型风轮机感趣已有多年，已制成4MW +EOLE原型机，安装在魁北克的卡普沙4据全球风能理事会(GWEC)发布的全球风电市场装机数据显示，全球风电产业2011年新增风电装机容量达四万一千兆瓦。这一新增容量使全球累计风电

15、装机达到二十三万八千兆瓦5。我国的风能资源十分丰富。根据全国第2次风能资源普查结果，全国陆地风能离地面10 m高度的经济可开发量达2.53亿kW，近海资源估计是陆上资源的3倍，10 m高经济可开发量约7.5亿kW，全国陆地、海上风能离地面10 m高度的经济可开发量总共约l0亿kW6。近年来，我国风电产业发展势头强劲，近年累计及新增装机容量。2009年中国新增风电装机容量为1 380.3万kW，超越美国成为全球新增风电装机容量最多的国家。2009年中国是全球累计风电装机容量仅次于美国的国家，累计风电装机2 580.5万kW；2010年，全球每新安装3台机组，就有1台在中国，当年新增风电装机容量1

16、 882.8万kW，累计风电装机容量为4 453.3万kW，超越美国成为全球新增和累计风电装机容量最多的国家7。1.3毕业设计的主要内容本文以1.5MW级风力发电机齿轮箱为对象，通过对齿轮箱的机械结构设计，计算齿轮箱中各部分零件参数，再利用三维设计软件Pro/E进行建模，导入有限元分析软件ANSYS中进行轮齿的应力分析，具体内容如下：1）风电齿轮箱结构设计。依据其所要求的技术匹配参数，选择适当的齿轮传动方案，在此基础上进行传动比分配与各级传动参数如模数、齿数、螺旋角等的确定，通过对运动副的受力分析，依照相关标准进行静强度校核。2）参数化三维造型。基于Pro/E的参数化建模功能，通过相关程序，实

17、现齿轮箱中斜齿轮的参数化建模，完成各部分实体造型，并对其进行简单装配。3）高、中、低速轴有限元分析。首先，依据相关标准对齿轮进行应力计算；其次，利用有限元分析软件ANSYS，对齿轮进行有限元分析，对两者结果进行比较以验证有限元模型的正确性。1.4本章小结本节介绍了风力发电的重要性和它在国内外的发展现状和趋势，并强针对中国的现状，大力发展风电的迫切性。另外本章还明确了课程设计的主要任务。2齿轮箱的设计2.1增速齿轮箱方案设计兆瓦级风电齿轮箱的传动比往往在100左右，这种齿轮箱的传动形式一般有两种。第一种是两级行星齿轮传动结合一级平行轴圆柱齿轮传动，第二种是一级行星齿轮传动结合两级平行轴圆柱齿轮传

18、动。行星齿轮传动和平行轴圆柱齿轮传动比较而言，有它的优点也有自身的缺点。它的优点是：制造方便，结构简单，体积小，重量轻，传动效率比较高：合理发挥了内啮合的优良特性；抽象尺寸大大缩短。它的缺点是：制造加工困难；结构形式相对于平行轴齿轮比较复杂；由于体积小、散热困难导致润滑油温度升高，所以它对润滑和冷却装置也提出了很高的要求。基于行星齿轮传动的优缺点，我们选择平行轴齿轮传动和行星齿轮传动相结合的传动方式，这样就综合了两者的优点，获得更好的传动行性能。根据提供的数据资料，总的传动比较大，为99.34，出于技术和实际条件的考虑，采用一级行星齿轮传动结合两级平行轴圆柱齿轮传动。行星传动一般会采用均载机构

19、，因为制造中难免产生误差，是各行星轮的分布难以完全对称，均载机构可以均衡行星轮传递的载荷，提高齿轮啮合的平稳性、可靠性和承载能力。这样在制造中也可以放宽对精度的要求，降低制造成本。本次行星传动中，我们使用三个行星轮，选择基本浮动构件太阳轮作为均载机构。它具有以下优点；重量小，惯性小，结构简单，在中低速工作环境下反应灵敏效果显著。图2-1采用的传动结构轮传动由于有多对齿轮同时参与啮合承受载荷，要实现这一目标行星轮系的各齿轮齿数必须要满足一定的几何条件。如下：(1)确保三个行星齿轮之间不相互干涉，既满足条件（Z1+Z2）sin180/KZ2+2ha(2) 保证太阳轮的轴线和杆的轴线重合，即满足同心

20、条件Z1+Z2=Z3。 (3)行星轮设计中，需要保证每个行星轮沿圆周均匀分布，目的是使每个基本构件受到的径向力平衡。同时需要确保它们齿顶之间在连接线上有一定间隙，以免相邻的行星轮发生碰撞。即满足安装条件（Z1+Z2）/K=C，C为整数。(4)保证轮系的传动是按照给定的传动比进行。当内齿圈不动时有Z3/Z1=i1H-1以上各式中：Z1-中心太阳的轮齿数； Z2-行星轮的齿数； Z3-内齿圈的齿数； K-行星轮的个数； ha*-齿顶高系数。2.2齿轮参数的确定2.2.1圆柱齿轮参数1、高速轴上的齿轮设计输入功率P3=1562.857KW，小齿轮转速为1399.013r/min，传动比i=3.918

21、3，工作寿命为20年。（1）选定齿轮类型，精度等级，材料以及齿数：a.选择斜齿圆柱齿轮。b.齿轮精度选为5级精度。c.齿轮材料选择20CrMnMo，热处理应为淬火。d.初选小齿轮齿数为Z7=25，大齿轮齿数Z8=98。e.初选螺旋角=14。（2）按齿面接触强度设计(2-1)a.确定公式内各计算数值b.计算圆周速度V=16.47m/s计算齿宽b及模数m得b=179.872 m=8.73 h=19.64计算纵向重合度b=1.586计算载荷系数k=kAkVkHakH=1.433根据实际的载荷系数，计算分度圆的直径为d1=264.752、中间轴上的齿轮设计输入功率P2=1594.589KW，小齿轮的转

22、速为357.046r/min。传动比i=4.5224传递的转矩T1=4.265107Nmm，使用寿命为20年。（1）选定齿轮类型，精度等级，材料a.选择斜齿圆柱齿轮b.齿轮精度为5级精度c.材料选择为20CrMnMo，热处理应为淬火d.初选小齿轮齿数为Z5=23，大齿轮Z4=104e.初旋螺旋角=10(2)按齿面接触强度设计(2-2)a.确定公式内各计算数值b.计算圆周速度V=6.432m/s计算齿宽b以及模数m得b=257.22 m=14.73 h=33.145计算纵向重合度b=1.0317计算载荷系数k=kAkVkHakH=1.4121根据实际的载荷系数得，分度圆的直径为d1=407.62

23、8高速轴上的一对齿轮参数为：Mn=10，=14，Z7=26，Z6=102，d7=268.12，d6=1051.88，中心距a=660，B1=225，B2=215中间轴上的一对齿轮的参数：Mn=16，=10，Z5=25，Z4=113，d5=406.16，d4=1835.84，中心距a=11221，B1=335，B2=3252.2.2行星轮系的齿轮参数根据行星轮系传动需要满足的条件，两级定轴传动比i定=16.2，一级行星传动i1=6.2，角标1表示低速级输入端，B=db1/db2=1.2，每一个行星轮的传递功率P=1660.33KW,工作寿命为20年。参数计算：1、选定齿轮类型，精度等级，材料及齿

24、数：(1)选择直齿圆柱齿轮。(2)齿轮精度等级为5级精度。(3)材料选择为20CrMnMo，热处理为淬火。(4)初步选小齿轮齿数为Z1=22，所以Z2=36.67，取37。2、按齿面接触强度设计(2-3)(1)确定公式内各计算数值：(2)计算圆周速度V=2.037m/s计算齿宽b及模数m得m=22.39，b=394.12，h=50.376计算载荷系数K=KAKVKHKH=11.38537根据实际的载荷系数，分度圆的直径为d1=264.75mm3、根据经验选取螺旋角=7.5，压力角n=22.5，由此得t=22.675(1)配齿计算取nw=3，i1Za/nw=C适当调整i1=5.08696 5.0

25、8696Za/3=39所以得到Za=23，Zb=Cnw-Za=94，Zc=0.5（Zb-Za）=35.5采用不等角变位，取Zc=35则j=1.01724查表得到适用的啮合角=24.5(2)按接触强度初步计算a-c传动的中心距与模数转矩Ta=59706NM太阳轮和行星轮材料选为20CrNiMo渗碳淬火，齿面硬度HRC58-62，选取Hlim=1550MP齿宽系数a=b/a=0.85齿数比u=Zc/Za=1.522由此得到中心距a=405.08，模数mn=14，经变为得中心距a=416(3)计算c-b传动的中心距acb=mn（Zb-Zc）/2cos=416.5658行星轮系的参数为模数m=20，齿

26、数Zs=27，Zp=45，Zr=117分度圆直径ds=540mm，dp=900mm，dr=2340mm齿宽B1=445mm，B2=435mm内齿轮精度等级为6级精度82.3受力分析与静强度校核2.3.1受力分析行星轮传动的主要受力构件有中心轮、行星轮。行星架、轴以及轴承等。为进行齿轮的强度计算，需要对行星轮以及太阳轮进行受力分析。当行星轮数目为3个，我们假定每一套行星轮的载荷均匀，只需要分析其中一套行星轮与中心轮的组合，其他的与之相似。分析中可以忽略重力和摩擦力的影响，各构件处于平衡状态，构件间的作用力等于反作用力。图2-2 行星轮受力分析图行星架输入功率、增速传动比以及太阳轮输入功率为分别为

27、T1、i、Ta，太阳轮节圆直径为d1，由齿轮传动受力分析知，齿轮所受切向力、径向力、轴向力分别为：Ft=2000T1/d1=2000T2/d2Fr=Fttann/cosFa=Fttan式中：n-法面压力角 -分度圆螺旋角表2-1各个齿轮的受力分析结果分度圆螺旋角（）法面压力角n()节圆直径d（mm）力矩T（Nm）切向力Ft（N）径向力Fr（N）输入级行星轮7.522.5494.23665730278126.2输入级太阳轮7.522.5324.7859706332865139063.1高速级大齿轮1420598.7931396.6101111.837928.1高速级轴齿1420173.12875

28、3.25101111.837928.1各个齿轮的受力分析结果如表2-1所示。2.3.2低速级外啮合齿面静强度计算这里以低速级外啮合计算为例，根据要求，按三倍额定功率来计算静强度。(1)载荷：F=2000Tmax/d 各变量含义Tmax-最大转矩，单位为Nm d-齿轮分度圆直径，单位为mm F-切向载荷，单位为N(2)修正载荷系数取载荷系数K=1(3)安全系数计算：Sh=limZNTZW/ 各变量含义=ZHZEZZFKVKHK(u+1)/ud -静强度最大齿面应力，N/mm2得到SH=1.0411，满足条件。2.4高速轴的设计1最小轴径的设计：d=AP/n功率P=1562.857KW,转速n=1

29、399.013r/min，A取110，由此得d=114.12mm。根据发电机的功率选择d=120mm。2轴的结构如下图2-3高速轴2.5低速轴的设计1最小直径d=A0P/(1-4)n，取0.5所以d=308.14mm根据轴承精度选择得d=320mm2轴的结构如下图2-4低速轴2.6中间轴的设计1最小轴径的设计d=AP/n功率P=1594.589KW,转速n=357.046r/min所以d=181.15mm。根据调心滚子轴承选择d=200mm。2轴的结构如下图2-5中速轴2.7箱体的设计箱体式齿轮箱的重要零件，它承受来自风轮的作用力和齿轮传动时产生的反作用力。箱体必须有足够的刚性去承受力和力矩的

30、作用，防止变形，保证传动质量。箱体的设计应按照风力发电机组动力传动的布局、加工和装配、检查以及维护等要求进行。应注意轴承支撑和机座支撑的不同方向的反力及其相对值，选取合适的支撑结构和壁厚，增设必要的加强筋。筋的位置须与引起箱体变形的作用力的方向一致。箱体的应力情况十分复杂且分布不均匀，只有采用现代计算方法，才能较为准确的计算出应力分布情况。92.8本章小结 根据技术要求，考虑平行轴齿轮传动和行星齿轮传动各自的优缺点，选取方案为一级行星传动结合两级平行轴齿轮传动。根据齿轮计算，确定各级传动的参数。经过对各级传动受力分析，得到各级齿轮的受力结果。依据标准校核，符合安全要求。3基于Pro/E的参数化

31、建模3.1Pro/Engineer软件简介1985年，PTC公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEER诞生了。经过20余年的发展，Pro/ENGINEER已经成为三维建模软件的领头羊。PTC的一系列软件主要涉及机械设计和工业设计等方面的很多功能，另外还包含很多其他方面的功能，如产品数据管理、制造、大型装配体的管理等等。而且Pro/E所提供的产品开发环境是目前所能够达到的最全面、集成最紧密的开发环境。1) 单一数据库工程中的资料都来自于一个数据库，这就是单一数据库。Pro/Engineer不像一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上，它是

32、建立在一个统一基础的数据库中的。这样的优点就是，在整个设计是相互关联的，任何一处的变化都会引起其他环节的自动更新。比如：一旦组装工程图发生变化，这个变化会反应在整个三维模型上。Pro/E把数据结构和设计紧密结合在一起，使得产品设计过程趋于一体化。这可以优化设计，获得更加高质量的产品。102) 参数化设计和特征功能Pro/Engineer是一款基于特征的实体模型化和参数化的设计软件，设计人员可以对已绘制草图和改变模型，因为Pro/E具有智能特性，它能够基于特征功能区生成模型，例如倒角、腔以及壳体等。这一特点是工程人员有了更多的灵活性，更加方便快捷。Pro/ENGINEER主要有以下几个功能模块：

33、（1）草绘模块。草绘模块可以创建和编辑二维草图。二维草图在三维实体建模中占有重要地位，创建三维模型时都要使用绘制二维草绘的方法来创建剖面图，因此，二维草绘是三维实体建模重要环节之一。（2）零件模块。使用零件模块来创建三维实体模型是最主要的设计工作，因为只有创建了三维实体零件模型后，才能进行组件装配以及工程图生成等操作。（3）装配模块。装配就是将多个零件按照实际的生产流程，组装成为一个部件或完整产品的过程。在组装过程中，可以添加新的零件或是对已有的零件进行编辑修改。（4）曲面模块。与实体模型相比，曲面模型是一种没有质量和体积的特征。使用曲面模块可创建各种类型的曲面特征，曲面模块的创建方法和步骤与

34、使用零件模块创建的三维实体特征类似。（5）工程图模块。使用零件模块和曲面模块创建三维模型后，接下来的工作就是在生产第一线将三维模型变为产品。这时，设计者必须将零件的二维工程图送到加工现场，用于指导生产过程。使用工程图模块可以直接由三维实体模型生成二维工程图。（6）其他模块。包括Pro/ASSEMBLY、Pro/CABLING、Pro/CDT等。随着计算机技术的发展，使用Pro/E Wildfire4.0及其Mechanism模块可以完成齿轮箱的虚拟装配和运动学分析。虚拟装配设计是在计算机上完成所设计零部件的装配模型，将不同的零件组装成一个装配体，并进行零件之间的静、动态干涉检查，发现零部件设计

35、上的不合理结构部分，以改进设计。Pro/E Wildfire4.0的运动学分析模块Mechanism可以进行运动学分析和仿真，这样可以使得原来在二维图纸上难以表达和设计的运动变得非常直观和易于修改，并且能够大大简化机构的设计开发过程，缩短其开发周期，减少开发费用，同时提高产品质量。齿轮箱作为工程中的重要传动部件，其设计和装配的优劣直接影响到整机的性能。因此在对齿轮箱进行虚拟装配时，首先应该对减速器的结构、工作原理以及功能有详细的了解，从而对其装配层次、约束关系等进行分类和定义，最后通过分析、评价、规划、干涉检查检验零件的可装配性。3.2 参数化建模介绍用参数表达式来表示零件的尺寸关联和属性被称

36、为参数化建模，它和普通建模方式风去别在于工程技术人员可以通过添加和修改零件的特定参数，然后输入关系式，命令语言而引起整个模型的变化，从而可得到所需零件。在生产和制造加工中，有很多零件用途广泛但形状复制，比如涡轮蜗杆，其齿廓齿渐开线螺旋面，不同的加工方法会造成齿根的过渡曲线存在差别。为了满足模态分析，装配仿真和运动分析的需要，渐开线斜齿轮的三维实体模型往往需要被精确绘制出，因为齿轮模型的精确与否会直接影响到以上分析的准确性参数化设计中的参数可分为两种：自变参数和因变参数。以斜齿轮参数化建模为例：模数m，压力角alpha，螺旋角beta，齿数z等需要我们手动添加，如需修改也需要手动改变，这样的参数

37、即为自变参数；分度圆直径d，齿顶圆直径da，基圆直径db等参数我们不需要手动输入，而是通过参数关系式去间接改变其数值，这一类参数称为因变参数。Pro/E软件重点强调参数化的设计理念。参数是参数化设计的关键所在，设计者正式通过参数去确定模型，通过改变参数取改变模型，模型是参数的形象化。关系式也是参数化设计的一个重要内容，不同的关系式产生的结果是打不相同的。本章依据渐开线参数方程以及螺旋线生成原理，在Pro/E中实现了斜齿轮的参数化建模，得到精确的三维模型。通过与ANSYS的接口设置，为后续的有限元分析的准确性提供可靠的保证。3.3行星传动齿轮的建模行星传动齿轮建模实际就是直齿轮参数化建模，本文只

38、例举行星轮和内齿轮的建模过程，其他齿轮建模方式类似。3.3.1行星轮的建模（1）新建文件 启动proe，单击工具栏“新建”工具按钮，选择系统默认“零件”类型，子类型为实体方式，“名称”文本框中输入zhichilunp，同时注意不要勾选“使用缺省模板”复选项。选择公制模板mmns-part-solid，然后单击“确定”按钮。（2）创建齿轮设计参数 选择“工具”“参数”菜单项，出现如图3-1所示对话框。单击“添加”按钮，依次添加齿轮设计所需要的参数，我们需要添加八个参数，分别是模数m，齿数Z，齿宽b，压力角alpha，齿顶圆直径da，齿跟根圆直径df，分度圆直径d以及节圆直径db，添加完毕后按“确

39、定”按钮。图3-1 “参数”对话框（3）添加齿轮参考圆关系式单击“草绘”按钮，选择FRONT平面作为草绘平面，依次绘制4个同心圆选择“工具”“关系”菜单项，在出现的对话框中输入如图3-2所示的关系式输入完毕，首先在工作区单击d0，并在关系式中添加d0=d，同样，依次添加d1=df，d2=da，d3=db，完毕，单击“确定”按钮，结果如图3-3所示。图3-2 “关系”对话框图3-3 参考圆创建 （4）创建齿轮齿廓渐开线特征单击工具栏上的“曲线”按钮，在出现的菜单管理器中选择“从方程”选项，然后单击“完成”。此时系统提示选择坐标系，在工作区中选择坐标系即可，在提示栏中再单击“笛卡尔”选项，出现图3

40、-4所示的记事本，在记事本中输入渐开线方程，输入完毕后，在记事本中单击“文件”“保存”，之后关闭记事本，单击“确定”按钮，即出现图3-5所示的渐开线特征。图3-4 记事本窗口图3-5 渐开线创建（5）创建镜像基准平面特征 a. 单击工具栏上的“基准轴”按钮，在工作区中选择TOP基准平面和RIGHT基准平面，基准轴的约束类型为“穿过”两个相交几面，之后单击“确定”。 b. 创建基准点单击工具栏上的“基准点”按钮，在工作区选择分度圆和上一步创建的渐开线，完毕，单击“确定”按钮。 c. 创建基准平面点击工具栏上的“平面”按钮，在工作区选择基准轴和基准点，完成后，单击“确定”按钮。 d. 创建镜像平面

41、特征在工具栏单击“基准平面”，在工作区选择创建的基准轴和基准平面DTM1，在“偏距”中输入“旋转角度”360/（4*Z），完毕后，单击“确定”按钮，创建镜像基准平面DTM2，如图3-6所示。图3-6 基准平面创建e. 创建镜像渐开线特征在模型树中或在工作区首先选中已经创建的渐开线特征，此时工具栏的镜像工具被激活，单击“镜像”工具，在控制版面中选择DTM2基准平面，单击“确认”按钮，完成渐开线的特征镜像，如图3-7所示。图3-7 镜像渐开线创建（6）创建第一个齿槽特征单击工具栏中的“拉伸”按钮，在控制版面中选择“实体”方式，定义拉伸深度为“b”，并选择FRONT平面作为草绘的基准平面。然后在工具

42、栏中选择“使用边”选择齿顶圆轮廓线，完毕后单击“确认”按钮。接着进行齿槽创建。创建过程和毛坯创建过程相同，单击工具栏中的“拉伸”按钮，选择“去除材料”方式，选择FRONT平面作为草绘平面，单击“草绘”按钮，进入草绘模式。草绘齿槽轮廓外形，首先选择“边”工具，分别利用“环”和“单个”选项，选中齿顶圆，齿根圆以及两条创建的渐开线。然后单击工具栏中的人“直线”按钮，绘制两条直线和渐开线相切，单击“圆角”按钮，倒齿根圆，注意添加关系保证两个齿根圆大小相同，再利用“修剪”工具，修剪出齿槽的外形，如图3-8所示。完毕单击“确认”按钮进入三维模式，在拉伸深度值中输入齿宽“b”，最后单击“确认”按钮完成，结果

43、如图3-9所示。图3-8 草绘齿槽截面图3-9 拉伸特征创建(7)创建齿槽阵列特征在工作区域中选中上一步创建的齿槽特征，单击工具栏中的“阵列”选项，在对话框中选择轴阵列，在阵列个数中填写齿数，角度为360/Z，完毕，单击“确认”按钮，就得到齿轮模型，如图3-10图3-10 阵列特征创建再进一步创建装饰特征，齿轮模型就最终建立了，如图3-11所示。图3-11 直齿轮3.3.2内齿轮的建模内齿轮建模和外齿轮建模过程基本相似，所以这里本文只陈述两者不同之处即可。内齿轮建模时，我们首先要建立一个毛坯，这个过程很简单，利用工具栏中的“拉伸”功能即可。得到如3-12所示毛坯模型，其中内径为齿轮的齿顶圆直径

44、。毛坯建立完成后，我们需要添加关系，这也是内齿轮和外齿轮的根本不同，我们在关系面板需要输入的语句是d=m*z,df=z*m+2.5*m,da=z*m-2*m,db=z*m*cos(alpha)。后面的操作就和外齿轮建模基本一样了。最后得到的齿轮 如图3-13图3-12 拉伸特征创建图3-13 内齿轮3.4斜齿轮的建模这里以斜齿轮4的建模为例，其它齿轮的建模过程于此相似。斜齿轮建模的具体操作步奏如下：（1）添加齿轮设计参数（2）添加齿轮参考圆关系（3）创建渐开线方程（4）创建齿廓型面扫描混合特征（5）创建阵列特征（6）简单修饰具体操作过程如下（1）新建文件 启动proe软件，单击新建按钮，选择系

45、统默认“零件”类型，子类型为“实体”方式，“名称”文本框中输入xiechilun4，同时注意勾选“使用缺省模板”。选择公制模板mmns-part-solid，然后单击“确认”按钮。（2）选择 选择“工具”“参数”菜单项，单击“添加”按钮，依次添加齿轮的参数，对于斜齿轮，我们需要添加14各参数，分别是模数m，齿数z，齿宽b，压力角alpha，齿跟高hf，齿顶高ha，螺旋角beta，齿顶高系数hax，顶系系数cx，变为系数x，分度圆直径d，基圆直径db，齿顶圆直径da，齿根圆直径df。天骄完毕后，单击“确认”按钮。如图3-14图3-14 “参数”对话框（3）添加齿轮参考圆关系式 单击“工具栏”上的

46、“草绘”按钮，选择FRONT平面作为草绘平面。任意绘制4个同心圆，。选择“工具”“关系”菜单项，在出现的对话框中输入图3-15所示的参考圆关系式，输入完毕，首先在工作区域单击d0尺寸，符号尺寸被添加到关系对话框中，然后建立等式剩余部分“=d”。按照顺序，依次建立剩余的尺寸关系。完毕后单击“确认“按钮”。图3-15 “关系”对话框（4）创建齿轮齿廓渐开线特征 创建过程和直齿轮相同，选择“曲线”按钮，选择“从方程”建立渐开线，“笛卡尔”坐标系，在记事本点划线下方输入渐开线方程，如图3-16图3-16 “关系”对话框输入完毕单击记事本上的菜单，保存选项，然后关闭记事本，这样就创建了渐开线特征，如图3

47、-17所示。图3-17 渐开线特征创建（5）创建镜像基准平面特征 创建过程和直齿轮基本相同 a.单击“工具栏”中的“基准轴”按钮，在工作区域中选择RIGHT平面和TOP平面，基 b.单击“点”菜单项，在工作区域分别选择分度圆和上一步创建的渐开线，完毕后单击“确定”按钮完成。 c.创建基准平面 单击工具栏的“基准平面”按钮，在工作区域选择创建的额基准点和基准轴，完毕单击“确定”按钮，创建基准平面DTM1。 d.创建镜像平面特征 单击工具栏上的“基准平面”按钮，在工作区域选择创建的基准轴和基准平面DTM1，在“偏距”中输入“旋转”角度360/(4*Z)，完毕单击“确定”按钮，创建基准平面DTM2。

48、（6）创建渐开线镜像特征 在模型树中或在工作区首先单击选中已经创建的渐开线特征，单击工具栏中的“镜像”，选择DTM2 基准平面，单击“确认”按钮完成，如图3-18所示。图3-18 镜像特征创建（7）创建第一个齿廓截面特征a.草绘齿廓截面单击工具栏的“草绘”按钮，选择FRONT平面作为草绘平面，单击“草绘”确认，进入二位草绘模式，绘制齿槽外形如图3-19所示，完毕后单击“确定”按钮。图 草绘截面图中，需要注意，天加关系式两个倒圆角大小相同，切圆角的大小按一下条件确定：如果hax1，倒圆角大小为0.46*m，否则取值为0.38*m。b.选择“编辑”“特征操作：菜单项，然后依次选择“复制”“移动”“

49、选取”“独立”“完成”选项。系统提示选取需要复制的特征，选取上一步创建的额草绘齿廓作为复制对象，最后在“选取特征”菜单中选取“完成”选项。在随后弹出的“移动特征”菜单中选取“平移”选项，在“选取方向”菜单中选取“平面”选项，选取FRONT基准平面作为复制参照。此时红色箭头指示特征移动方向，在“选取方向”菜单中选取“轴”选项，选取基准轴A-1为复制参照。此时红色箭头指示特征移动方向，单击“正向”确认方向。系统提示输入旋转角度关系ASIN(2*B*TAN(BETA)/D),完毕单击“确认”按钮，依次确认即可，记过如图3-20所示。图3-20 复制特征创建（8）创建第一个齿廓特征a.单击工具栏中的“

50、拉伸”选项，选择FRONT平面作为草绘平面，单击“草绘”选项，进图二维草绘模式。首先选择“边”工具，选取齿根圆，然后单击“确认”指定拉伸深度为齿宽b，结果如图3-21所示。图3-21 投影曲面b.草绘扫描轨迹单击工具栏“草绘”按钮，选择RIGHT基准平面，绘制一条直线，注意添加关系夹角=beta，结果如图3-22所示。图3-22 扫描轨迹创建c.创建投影曲线选择“编辑”“投影”菜单项，单击“参照”菜单，“链”选取上一步创建的投影轨迹，然后在曲面选项中添加投影基面，选取创建的拉伸投影曲面，完成后单击“确认”。d.创建扫描混合特征选取“插入”“扫描混合”菜单项。单击控制面板上的“参照”按钮，在出现

51、的上滑面板中，选择上步创建的投影轨迹曲线，“参照”控制面板被激活，接受截面默认控制方式。单击“剖面”选项出现上滑面板，方式选择为“所选截面”,在工作区依次选择“插入”上步创建的两个齿廓截面，完毕单击“确认”按钮创建第一个齿轮，结果如图3-23所示。图3-23 第一个轮齿特征（9）创建其余齿廓阵列特征 单击上一步创建的齿廓特征，单击工具栏“阵列”工具按钮，阵列方式选择“轴”阵列，阵列个数即为齿数，角度为360/z，完毕单击“确认”按钮，11结果如图3-24所示。图3-24 阵列特征创建继续完成其他装饰特征，一个斜齿轮就创建完毕了，结果如图3-25所示。图3-25 斜齿轮依照上面的步奏和方法，我们

52、可以创建其他的斜齿轮，这里不一一说明。3.5轴类零件的建模轴类零件相对比较简单，只需要利用拉伸命令，并且按照设计参数，即可完成，这里不具体说明步奏。123.6生成装配图(1)打开pro/E软件，单击“新建”按钮，选择“组件”类型，子类型为“设计”方式，注意不勾选“使用缺省模板”复选项。选择公制模板“mmn-asm-design”,然后单击“确定”按钮。（2）依次插入我们原来创建的零件，这里注意，零件和我们的装配图必须放在同一个文件夹，以免出现错误。利用约束关系将零件依次装配，结果如图3-26、3-27所示。13图3-26 装配图图3-27 装配图3.7本章小结本章简单介绍了Pro/E软件和参数

53、化建模，然后以设计的两个齿轮为例详细介绍了直齿轮和斜齿轮的参数化建模过程。最后将建立的零部件装配起来，结果没有干涉切齿轮之间啮合正常，说明我们的齿轮参数和建模过程都是正确的。4基于ANSYS的轴类零件有限元分析4.1 ANSYS概述ANSYS软件是融合结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、汽车交通、生物医学、水利，日用家电等一般工业以及科学研究。该软件可在大多数计算机及操作系统中运行，从PC到工作站到巨型计算机，ANSYS文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。ANSYS多物理场耦合的功能，允许在同一模型上进行各式各样

54、的耦合计算成本，如：热-结构耦合、磁-结构耦合以及点-磁-流体-热耦合，在PC上生成的模型同样可运行于巨型机上，这样确保了ANSYS对多领域多变工程问题的求解。ANSYS功能很多：结构分析，包括经理分析、模态分析、谐响应分析、瞬态动力学分析、特征屈曲分析、专项分析；ANSYS热分析，包括相变、内热源、热传导、热对流、热辐射；ANSYS电磁学分析，包括静磁场分析、交变磁场分析、瞬态磁场分析、电厂分析、高频电磁场分析；ANSYS流体分析，包括CFD、声学分析，容器内流体分析、流体动力学耦合分析；ANSYS耦合场分析。在轴零件的分析中，我主要使用了结构分析中的模态分析，这种分析计算线性结构的自振频率

55、及振型，谱分析时模态分析的扩展，用于计算由随机振动引起的结构应力和应变（也叫做响应谱分析）。4.2ANSYS workbench概述Workbench是ANSYS公司开发的新一代协同仿真环境。相比于以前的ANSYS软件，Workbench具有很多优点：集设计、仿真、优化、网格变形等功能与一体你，对各种数据进行项目协调管理；具有复制装配件接触关系的自动识别功能；可以对复杂的几何模型进行高质量的网格划分；支持几乎所有ANSYS的有限元分析功能；自带可定制的工程材料数据库，方便操作者进行编辑、应用。144.3轴类零件的分析过程这里以低速轴的分析来介绍有限元分析的具体方法，其他零件的分析方法与之类似。（1）启动ANSYSworkbench。然后插入模态分析的模块，方法是双击model即可。如图4-1。图4-1 打开model模块（2）定义材料属性，双击Engineering Data，进入材料属性定义界面，由于我使用的材料不是软件自带的材料，所以需要自己手动添并赋予其密度，弹性模量和泊松比。如图4-2所示。定义完毕后再回到之前的