毕业设计-Proe参数化齿轮

1、毕业设计说明书齿轮传动的建模与仿真 齿轮减速器学 号: 05姓 名:张奎班 级: 048841专 业:机电一体化 系 部:机电工程系 指导老师:陈 凤目 录引 言齿轮 被作为工业的象征镶嵌在国徽上, 这是因为齿轮与齿轮减速器几乎是所 有机械成套设备的传动部件。齿轮在机械装备中传递动力或传递运动方面与皮 带、 摩擦、 液压等传动件相比, 具有传动功率范围大、 传动效率高、 传动比准确、 使用寿命长、 安全可靠等特点和优点。 齿轮传动 是机械传动中数量最大, 应用最 广泛的传动。 齿轮制造业在国际上是一个大的产业。 中国是一个巨大的齿轮市场。 齿轮制造技术在吸收电子信息技术的营养后焕发出新的活力。

2、新中国成立以来, 中国的齿轮制造技术有了长足的进步。近年来 , 世界经济,特别是中国经济的发 展带来了对齿轮传动产品 (齿轮传动变速箱 的旺盛需求。相关行业,如信息、电 子、新材料等的发展也推动了齿轮传动技术的发展。对于 齿轮传动的建模与仿真 的意义, 我们要说的是, 在以往不管设计那一种 机械产品,都得先根据相关的数据以及其他的辅助条件,之后, 也是最重要的一 点,就是必须根据计算出的数据生产出样机,再进行相应的运动学、静、动平衡 等等复杂而多样的试验,如此才可以确定所设计的产品是否合理、得当、实用, 然而从经济角度以及市场竞争的方面考虑, 这个传统的设计过程所须的时间、 人 力、财力颇多,

3、不利于长久发展,对于其研究必须得到一个可持续的革命。现在我们以 PC 机为平台, 通过结合相关的软件 (这里主要运用 Pro/E软件 , 根据相应的计算数据,把所设计的机械产品 (这里主要指斜齿轮和直齿轮 所需 要的零部件的三维实体全部绘出, 再装配成整体, 最后通过软件的机构仿真模块, 对所设计的产品进行各种力学、 热学等测试, 一旦发现设计不当的地方可以及时 改正,避免了传统设计中设计不当造成的财力及资源的白白浪费,继续测试, 直 到设计完好为止,如此一来,大大地提高了设计效率,缩短产品的设计周期,有 利于长久发展,同时又可带来很大的经济效益。第 1章 传统设计1.1总体设计原始数据传动带

4、牵引力 F=6KN,传动带线速度 V=1.3m/s,滚筒直径 D=450mm 。工作条件与技术要求:输送带速度允许误差为4%,输送机效率为 0.96。 工作年限:10年;工作环境:室内,清洁;动力来源:电力,三相电源,电压 380V ;工作情况:双班制,连续单向运转,轻微冲击;制造条件及生产批量:一般机械厂制造,中等批量生产。检修间隔期:四年一次大修,二年一次中修,半年一次小修;传动方案: 1电动机 2联轴器 3减速器 4联轴器 5滚筒 6传动带(1 电动机类型的选择 根据动力源和工作条件, 选用 Y 系列三相异步电动机。(2电动机功率的选择 工作机所需要的有效功率: Pw=1000FV kw

5、=96. 010003. 16000kW=8.125kW 其中, w 为工作机传动功率。为了计算电动机所需功率 Pd ,需确定传动装置总效率 。设各效率分别为:1=4(弹性联轴器 、 2(8级闭式齿轮传动 、 3(滚动 轴承 。由表查得:1=4=0.99, 2=0.98, 3=0.98;则传动装置的总效率为:=122334=0.886。电动机所需功率为:Pd= Pw/=8.125/0.886KW=9.17kW由表确定电动机的额定功率为 11kW 。 (JB/T9616-1999(3 电动机转速的选择 选用常用同步转速 1000r/min和 1500r/min两种作对比。工作机转速 nw=DV

6、10006060*1000v/*D =450142. 33. 1100060r/min =55.175r/min总传动比 i=nm/nw,其中 nw 为电动机的满载转速。现将两种电动机的有关数据列于下表比较表 1.1两种电动机的数据 : 由上表可知方案总传动比过大, 为了能合理的分配传动, 使传动装置结构紧凑 决定选用方案。现总传动比 i=17.599。 因没有其它传动机构, 故该减速器传动比 if=i=17.599; 考虑两级齿轮润滑问题, 两级大齿轮应有相近的浸油深度, 两级齿轮减速器高速 级传动比 i1与低 速 级传动比 i2的比 值 为 1.2,即 i1=1.2 i2。 则再由 i1i

7、2=if=17.599得:i1=4.595, i2=3.830。传动装置的运动和动力参数计算1 各轴转速的计算n m =971 r/minn = nm=971 r/minn = n /i1=971/4.784 r/min =202.968 r/minn = n /i2=202.968/3.83r/min=55.169 r/minn = n =55.169 r/min2 各轴输入功率的计算Pd=9.17KWP = Pd1=9.170.99KW=9.078KWP = P 23=9.0780.980.98KW=8.719KWP = P 23=8.1790.980.98KW=8.374KWP = P

8、34=8.3740.980.99KW=8.124KW3 各轴输入转矩的计算Td=9550Pd/ nm=95509.17/971Nm=90.189 NmT =9550P /n =95509.078/971 Nm=89.284 NmT =9550 P /n =95508719/202.968Nm=410.244 NmT =9550P /n =95508.374/55.169 Nm=1449.577 NmT =9550P /n =95508.124/55.169Nm =1406.300 Nm 1.2零件的设计计算(1选择材料与热处理所设计的齿轮传动属于闭式传动, 通常采用软齿面的钢制齿轮, 查表,

9、选用价格便宜便于制造的材料;小齿轮材料为 45钢,调质处理,硬度为 260HBS ; 大齿轮材料也为 45钢, 正火处理, 硬度 215HBS , 硬度差 45HBS 较合适。(2选择精度等级,带式运输机是一般机械,速度中等,故选择 8级精度。第 6 页 共 36 页第 页 共 36 页 6第 7 页 共 36 页第 页 共 36 页7(3按齿面接触疲劳强度设计。本传动为闭式传动,软齿面,因此主要失效形 式为疲劳点蚀,应根据齿面接触疲劳强度设计。根据式 d1 121590U U T K d H + 1载荷因数 K 。圆周速度不大,精度中等,齿轮关于轴承不对称布置,查表 取 K=1.2 2转矩

10、T1T1=89.2841000 Nmm=89284 Nmm3接触疲劳许用应力H H =Hmin ZN/SHmin由教材图 6-37查得:Hlim1=550MPa , Hlim2=390Mpa接触疲劳寿命系数 ZN :按一年 300个工作日,双班每天 8小时计算,由公式 N=60njth得N1=609711(2103008 =2.8109 N2= N1/ i1=2.79108查教材图 6-38中曲线 1,得 :Z N1=1 Z N2=1.03按一般可靠性要求,取 S Hmin =1H1=Hmin Z N1/SHmin =5501/1=550Mpa H2=Hmin Z N2/SHmin =3901

11、.03/1=401.7MPa4计算小齿轮分度圆直径 d1 由教材表 6-12,取 d=1d1 121590U U T K d H + =58.53(mm取 d1=60(mm(4确定主要参数,计算主要几何尺寸。1齿数:取 z 1=23,则 z 2=z1i 1=234.784=110.032,第 8 页 共 36 页第 页 共 36 页 8取 z 2=1102验算传动比误差:i=0.02%5%,合适。 3初选螺旋角 0=12。 4确定模数 mn 。 mn=11cos z d o =2.489,取 mn =2.5mm 5计算中心距 ad 2=d1i1=58.534.595=268.945mm初定中心

12、距 a0=mm d d 738. 166221=+,圆整取 a=170mm 6计算螺旋角 。94852. 0170210623(22(cos 21=+=+=az z m n , 得 实 际 螺 旋 角18.463o ,在 8o 20o 范围内,故合适。7计算传动的主要尺寸。实际分度圆 mm z m d n 62. 6094852. 0232cos 11= mm z m d n 380. 27994852. 01062cos 22= 齿宽 b b=mm mm d d 62. 6062. 6011= 取 mm b 622=, mm b b 68621=+=8验算圆周速度 1v1v =s m d n

13、 /082. 3100060450971142. 310006011=因为 1v 6m/s,故取 8级精度合适。 9校核弯曲疲劳强度。 复合齿形因数 FS Y第 9 页 共 36 页第 页 共 36 页 9267. 124 94852. 0(106cos 964. 2694852. 0(23cos 33223311=z z z z v v由课本图 6-40查得, 917. 3, 20. 421=FS FS Y Y 弯曲疲劳许用应力 bb N F bb bb Y S minlim =由图 6-41得弯曲疲劳极限应力 MPa MPa bb bb 415, 490lim lim =。 由图 6-42

14、得弯曲疲劳寿命系数 N Y :02. 1121=N N Y Y ,弯曲疲劳的最小安全系数 min F S :按一般可靠性要求,取 min F S =1。 计算得弯曲疲劳许用应力为MPa Y S NF bb bb 49011490min1lim 1= MPa Y S N F bb bb 75. 43505. 114152min2lim 2=校核计算MPa Y z m b KT FS n bb 86. 693463. 18cos 2. 4235. 268284. 892. 16. 1cos 6. 12112111=1bb 2121216. 652. 4917. 386. 69bb FS FS bb

15、 bb MPa MPa Y Y =故弯曲疲劳强度足够。 (5齿轮结构设计小齿轮由于直径较小,采用齿轮轴结构;大齿轮采用孔板式结构,结构尺寸 按经验公式和后续设计的高速轴配合段直径计算,见表 F-14;大齿轮结构草图 见附图 1。 (1选择材料与热处理。第 10 页 共 36 页第 页 共 36 页 10所设计的齿轮传动属于闭式传动, 通常采用软齿面的钢制齿轮,查表,选用 价格便宜便于制造的材料;小齿轮材料为 45钢,调质处理,硬度为 260HBS ; 大齿轮材料也为 45钢,正火处理,硬度 215HBS ,硬度差 45HBS 较合适。(2选择精度等级,带式运输机是一般机械,速度中等,故选择 8

16、级精度。(3按齿面接触疲劳强度设计。本传动为闭式传动,软齿面,因此主要失效形 式为疲劳点蚀,应根据齿面接触疲劳强度设计。根据式 d121 671U U KT dH+1载荷因数 K 。圆周速度不大,精度中等,齿轮关于轴承不对称布置,查表取 K=1.42转矩 T=410244.226 Nmm3 接触疲劳许用应力H H =Hmin ZN/SHmin由教材图 6-37查得:Hlim1=6100MPa , Hlim2=500Mpa接触疲劳寿命系数 ZN :按一年 300个工作日,双班每天 8小时计算,由公式 N=60njth得N1=609711(2103008 =2.92108N2= N1/ i1=7.

17、6107查教材图 6-38中曲线 1,得 :ZN1=1.15 ZN2=1.3按一般可靠性要求,取 S Hmin =1H1=Hmin ZN/SHmin=6101.15/1=701.5Mpa H2=Hmin ZN/SHmin=5001.3/1=650MPa4 计算小齿轮分度圆直径 d1 由教材表 6-12,取 d=1d121 671U U KT dH+=88.06(mm取 d1=90(mm5 计算圆周速度 1v1v =10006090968. 20214. 310006011=d n =0.956m/s因为 1v 6m/s,故取 8级精度合适。( 4 确定主要参数,计算主要几何尺寸。1 齿数:取

18、z 1=23,则 z 2=z1i1=233.83=88.09,取 z 2=89 2 验算传动比误差:i=0.2%5%,合适。 3 确定模数 m 。 m=d1/z1 =3.91,取 m=4mm 4 分度圆直径 ;d 1=mz1=423=92mm d 2=mz2=489=356mm5 中心距 aa= (2121d d +=224 mm 6 齿宽 bb=mm d d 921=取 b 2=92mm,621+=b b =98mm( 5 校核弯曲疲劳强度。FS bb Y md B KT 1112= 1 复合齿形因数 FS Y ,由图 6-40得:Y FS1=4.3 Y FS2=3.96 2 弯曲疲劳许用应

19、力 bb N F bb bb Y S minlim =由图 6-41得弯曲疲劳极限应力 lim bb :1lim bb =510Mpa, 4302lim =bb MPa由图 6-42得弯曲疲劳寿命系数 N Y :12. 11. 121=N N Y Y ,弯曲疲劳的最小安全系数 min F S :按一般可靠性要求,取 min F S =1。 计算得弯曲疲劳许用应力为MPa Y S N F bb bb 5611. 115101min1lim 1=MPa Y S N F bb bb 6. 48112. 114302min2lim 2=3 校核计算=MPa Y md b KT FS bb 3. 490

20、49810244. 4104. 122311111140Mpa1bb 23212121. 15096. 39049210244. 4104. 122bb FS bb MPa MPa Y md b KT CA ,故强度足够。1.5 键的选择与校核这里主要以高速轴为类,其他轴类似计算。该轴外伸段采用了一个普通平键,用于与 HL2型弹性柱销联轴器配合联接,其尺 寸 为 25. 0, 4(5678mm r mm t mm mm mm L h b =-=-, 标 记 :键 856GB/T1096-2003。轴外伸轴段直径 d=25mm; 键的工作长度 L1=L-b=(56-8mm=48mm; 键的接触高

21、 度 k=0.5h=0.57mm=3.5mm;传递的转矩 T=90.189Nm ;按课本相关表查得键 静联结时的挤压许用应力 p =100Mpa。p p MPa MPa d kL T = =其中,温度系数 1=t f (轴承工作温度低于 120度 ,轴承具有足够寿命。 1.8 联轴器的选择根据工作要求,为了缓和冲击,保证减速器的正常工作,输入、输出轴均选用弹 性柱销联轴器。 考虑到转矩变化很小, 取 K A =1.2, 则 T CA =1T K A K A T =1.290.189 N m=108.226 Nm 。按照计算转矩 T CA 小于联轴器公称转矩的条件,查手册, 选用 HL2型弹性柱

22、销联轴器, 其公称转矩为 315 Nm ,许用转速为 5600 r/min, 故适用。 输出轴类似。标记:HL2Y 2562(对于输入轴HL5Y 65142(对于输出轴1.9 箱体及其附件的设计如下表 十、润滑、密封的设计对于二级分流式直齿 -斜齿齿轮减速器的润滑方式,主要采用大齿轮顶齿浸油, 以传递至整个齿轮传动系统。而对于其密封,分二种:各轴承端盖与箱盖、箱座 的联接处主要采用油垫圈; 大小轴承端盖与传动轴、 输出轴的配合处采用油毡圈。 第 2章设计流程2.1 Pro/E建模对于本设计的过程,本人这里将进行一个系统明了的介绍,以供大家一起参考、 研究首先我们选择了二级分流式齿轮减速器为设计

23、项目, 以用来展现齿轮传动的 传动功率范围大、传动效率高、传动比准确、使用寿命长、安全可靠等特点和优 点。其次我们选择一组原始数据, 进行主要零件的相关数据计算, 如大小斜齿轮、 直齿轮的齿数、模数等等,从而确定其他零件的尺寸,如箱盖、箱座、轴承端盖 等等,另外我们还要对高速传动轴、 轴承进行相关的校核计算, 以确保理论上的 安全。以上部分是我们进行运用 Pro/E软件研究齿轮传动的准备工作。我们之后将根据计算得到的数据进行全部零件的三维实体建模, 这里要说的 是我们也是刚刚学习 Pro/E软件,对于其庞大的实体造型技能还没有熟练运用, 比如像拉伸、旋转、扫描等基本特征的造型以及混合、扫描混合

24、、螺旋扫描、可 变剖面扫描等高级特征的造型, 因此也奋斗了很长时间去学习, 最终也掌握了许 多实体造型技能,遂甚感欣慰!以下我们重点介绍创建大小渐开线斜齿轮和大小直齿轮的创建过程。(1创建基准曲线启动 Pro/E软件,进入实体模块,打开程序菜单,输入相关程序。 再利用关系菜单功能,实现小渐开线斜齿轮建模所需的基准曲线之一 (2创建齿形继续加入程序,创建圆柱实体 继续利用关系进行约束第 26 页 共 36 页第 页 共 36 页 26动态拉伸并镜像出渐开线齿形 (3运用可变剖面扫描拉伸出斜齿轮一个齿 (4运用阵列功能创建全部轮齿 (5拉伸内部阶梯轴,并镜像之前创建的阶梯轴和圆柱齿顶圆实体 (6镜

25、像,阵列创建另一半轮齿第 27 页 共 36 页第 页 共 36 页 27第 28 页 共 36 页第 页 共 36 页 28 (7拉伸,镜像外部阶梯轴 (8继续拉伸创建外部输入轴 第 29 页 共 36 页第 页 共 36 页 29 对于斜大齿轮的创建,同斜的小齿轮,这里不再具体说明。但还要注意一点, 对于齿数在 20到 40(大约 的齿轮 (渐开线斜齿轮、 直齿轮 , 在建模时, 要注意此时基圆直径大于齿根圆直径, 选择使用边进行可变剖面扫描 实现齿形时要注意,而对齿数大于 40的齿轮,要注意此时基圆直径小于齿根圆 直径,这里不可像上面齿数小于 40那样选择小直径的圆作为使用边,否则造型

26、出的齿轮不标准, 另外如果出现齿距角为负值使得造型难以进行的情况, 要注意 采用变位因数,这里我就遇到了这样的问题,当时十分困惑,后来进过分析,终 于 解 决 了 这 个 难 题 , (我 想 这 也 是 本 设 计 过 程 中 比 较 困 难 的 一 个 。 (1创建基准曲线,并利用关系约束(2拉伸延伸、镜像、合并渐开线齿面 (3阵列齿形面 (4拉伸齿根圆圆柱面,合并创建第 30 页 共 36 页第 页 共 36 页 30 (5阵列全部齿轮齿形 (6拉伸齿根圆圆柱面,并实体化,再合并创建全部 (7拉伸、镜像外伸轴部分 同直小齿轮的创建,但也要注意齿数的问题 之后我们再运用拉伸、抽壳等造型功能实现箱盖、箱座等零件的三维实体。2.2 Pro/E仿真在我们将所有零件造型出后,我们进入到 软件 组件模块,进行所有零件的安装 在安装中,要注意放置和