说明书基于ProE的减速器参数化设计装配及其运动仿真

1、基于Pro_E的减速器参数化设计、装配及其运动仿真摘 要在迅猛发展的当今社会，随着经济发展模式的循环化，市场竞争白炽化，产品高速率的更新换代，使得人们对高技术含量和高质量设计制造的产品也有越来越多的期待，所以企业只有低成本高效率地研发新产品，才能在激烈的市场竞争中立于不败之地。目前各行各业的生产中广泛应用的传动装置减速器的设计逐渐暴露出很多弊端，如设计花费的时间太多，耗资较大，重复性的操作较多等。这些都限制了减速器的结构和性能的发展，不能满足企业生产的新需求。本文主要就是针对出现的以上问题，通过对常用的圆柱齿轮减速器的结构进行全面的阐释，利用现代化的手段如特征建模、参数化技术等，来进行减速器的

2、三维参数化设计研究。作为各种 CAD 软件核心技术的参数化技术，已经广泛地应用于当今社会各行各业产品的设计中，获得的社会效益也是显而易见的。在该论文中，主要的研究内容包括以下几个方面:1、对减速器的结构特点及其各组成零部件的功能要求进行了详细分析，得出了减速器及其各零件的主要参数、一般参数以及参数之间的相互联系。 2、通过 Pro/E 软件建立了斜齿圆柱轮、直齿圆柱齿轮、齿轮轴、轴承、套筒、上箱体、下箱体等特征的参数化实体模型，设计者只需提供有关的参数，Pro/E 就能自动建立新的实体模型。关键词：圆柱齿轮，减速器，Pro/E，特征建模ABSTRACTIn the development of

3、 the current society, with the development of economic mode of circulation, the market competition of the incandescent, product the high rate of renewal and to make the people with high technology content and high quality design and manufacture products also have more and more looking forward to, so

4、 the enterprise only low cost high efficiency of research and development of new products, to the fierce market competition. At present people from all walks of life widely applied in production of transmission device-the design of the speed reducer gradually revealed some shortcomings, such as desi

5、gn cost so much of their time, cost is larger, repeatability of operation more, etc. These limits the speed reducer structure and performance of development, can not meet the new demands of enterprise production. This paper is mainly for the above problems appear, through to the common cylindrical g

6、ear reducer structure of comprehensive explanation, use of modern means such as characteristic modeling, parametric technology, etc, to reducer 3D parametric design research. As different kinds of CAD software core technology of parametric technology, has been widely used in todays society all walks

7、 of life in the design of the product, get social benefits is obvious. In this paper, the main research contents include the following aspects:（1）According to the general requirements of speed reducer design, structural features and reducer each composition parts of the function requirement on detai

8、led analysis, it is concluded that the reducer and the main parameters of the parts, and the general parameters and the relationship between the parameters. (2) through the Pro/Engineer software established a helical wheel, spur gears, the gear axis, bearing, box, the case on the lower case, charact

9、eristics of the solid model parameter, designers need to offer the related parameters, Pro/Engineer can be set up new entity model. Keywords: cylindrical gears，reducer， Pro/Engineer，feature modeling.第一章 绪论1.1选题背景及意义 随着社会的高速发展，经济发展趋于模式化，生产制造趋于机械化，产品的更新换代加快，机械设备优化更新加速。而减速器在在现代机械中应用极为广泛，在原动机和工作机或执行机构之间

10、起匹配转速和传递转矩的重要作用。其中斜齿轮减速机，是新颖减速传动装置在工业上得到了广泛的运用。 然而运用广泛的斜齿轮减速器的设计存在着花费时间长，耗资较大的问题。一般手工绘制，程序复杂，耗时巨大，难于修改。运用CAD等二维软件能够加快设计速度，可是一旦数据变化则要重头再来，不利于优化更新。现在的二维软件已经无法满足现代工业的脚步，无法完成运动仿真模拟等功能。 利用Pro/E软件可以很好的解决这一问题，通过建立减速器的重要部件，可以通过修改其参数改变其模型尺寸形状，快速模拟变化后的运动规律。为减速器的设计提供了极大地便利，加快了设计的进程。Pro/E软件完成减速器的三维绘制后，可以利用其强大的功

11、能快速的得到二维工程图，有利于工件的加工制造。并且通过Pro/E软件的三维运动仿真，能够把减速器的运动规律逼真的展现出来，并且能够进行干涉检测，这样能让设计者尽早的发现设计问题的所在。这样可以显著缩短了设计工期，减少人力投入，降低了成本，有利于产品的更新换代。1.2减速器的研究现状减速器是国民生产各行各业中使用最为广泛的设备之一，在各种机械设备尤其是交通运输工具上几乎都有应用。 世界上各主要工业发达国家普遍对减速器的先进设计与制造技术十分重视，技术水平也非常高，大量采用参数化、模块化设计、系列化等设计方法，大大提高了减速器的质量和生产效率，生产出高性能、低噪声、低成本、易生产的减速器，并引领着

12、减速器技术的发展趋势。 我国的减速器技术基本都是从前苏联技术的基础上逐步形成的，在多年发展后，目前已经形成较大规模，但技术发展水平相对落后，仅相当于发达国家 80 年代的水平。减速器设计的新技术在我过的普及率还比较低，减速器生产方式落后，生产周期长、成本高，已远远落后与国际先进水平。因此，减速器设计、制造等技术的改进是我国目前急需解决的问题之一第二章 传动装置的总体设计2.1分析和确定传动方案机器一般由原动机、传动装置、工作机和控制系统四部分。如图所示的带式运输机，其原动机为电动机，传动装置为二级展开式圆柱齿轮减速器，工作机为卷筒与输送带，各部件用联轴器连接并安装在机架上。传动装置在原动机与工

13、作机之间传递运动和动力，并改变运动的形式、速度大小和转矩大小。传动装置一般包括传动件和支撑件两部分。合理的传动方案，要满足工作机的性能要求，适应工作条件。工作可靠。此外传动装置还应结构简单、尺寸紧凑、加工方便、成本低廉、传动效率高和使用维护方便。如图2-1 所示带式运输机传动方案，已知输送带的有效拉力F=2000N，输送带线速度v=1.3m/s,卷筒直径d=210mm,载荷平稳，常温下连续运转，工作环境有灰尘，电源为三相交流电，电压380V。选择合适的电动机；计算传动装置的总传动比，并分配各级传动比；计算传动装置各轴的运动和动力参数。图2-1 传动装置简图2.2电动机的选择（1）选择电动机类型

14、按已知工作要求和条件选用卧式全封闭的Y系列鼠笼型三相异步交流电动机。（2）确定电动机的功率 工作装置所需功率的计算 式中，,，工作装置的效率。代入上式得： 电动机的输入功率的计算 式中，为电动机轴至卷筒轴的转动装置总效率。；取滚动轴承效率，7级精度齿轮传效率0.96，联轴器的效率，传动滚筒的效率则故电动机额定功率=（11.3）=3.2184.183kw（3）确定电动机转速卷筒轴作为工作轴，其转速为：按表推荐的传动比合理范围，二级圆柱齿轮减速器传动比i= 840可见电动机转速的可选范围为：根据电动机类型、容量、转速，由机械设计课程设计指导书表10.2.1或有关于手册，选定电动机型号为Y112M-

15、4，选用同步转速1500 r/min，额定功率4KW，转速1440 r/min将计算结果汇总表：表2-1 电动机转速电动机型号额定功率/kw满载转速/(r/min)Y112M-4414402.22.22.3 确定传动装置总传动比和分配传动比传动装置的总传动比i由电动机满载转速和工作机主轴转速nw确定，即nm/w = 1440/118.29=12.17对展开式二级圆柱齿轮减速器，可取i=（1.31.5）i，为使两极大齿轮直径相近，取 i=1.4i所以 i= i/ i= 12.17/4 = 3.042.4计算传动装置的运动和动力参数1. 各轴的转速轴 n=nm= 1440r /min轴 n= n/

16、i=1440 r/min/4= 360 r/min轴 n= n/i=360r/min/3.04 =118.42 r/min卷筒轴 nw= n=118.42 r/min2.各轴的输入功率轴 P= Pd1=3.218KW0.99=3.186KW轴 P= p23=3.186KW0.980.97=3.028KW轴 P= p23=3.028KW0.980.97=2.88KW卷筒轴 P卷= p21=2.88KW0.980.99=2.793KW3.各轴的输入转矩电动机的输入转矩Td为 Td=9.55106Pd/nm=9.55106(3.218KW/1440r/min)=2.1341104 Nmm所以：轴 T

17、= Td1=21341Nmm0.99=2.1128104 Nmm轴 T= T23 i=21128 Nmm0.980.974=8.0337104 Nmm轴 T= T23 i=8.0337104 Nmm0.980.973.04=2.32105 Nmm卷筒轴 T卷= T12=2.32105 Nmm0.980.99=2.25105 Nmm将计算结果汇总表：表2-2 传动装置各轴的运动和动力参数轴名功率P/kw转矩T/(Nmm)转速n/(r/min)传动比效率电机轴3.2182.1341104144010.99I轴3.1862.1128104144040.98II轴3.0288.03371043603.

18、040.97III轴2.882.32105118.4210.96卷筒轴2.7932.25105118.42 第三章 减速器的齿轮设计3.1高速级齿轮的设计， 3.1.1齿轮材料及齿数初步确定 材料：大小齿轮采用的材料为45号钢，并经过调质和表面淬火，硬度为，闭式传动，由于起重机的小车运行速度不高，则精度选为7级，初选材料螺旋角使用期15年，每年工作300天，每天16小时。选用小齿轮齿数得 3.1.2按齿面强度设计 试选。小齿轮传递扭矩。查机械设计表10.7 取齿宽系数。查机械设计表10.6， 材料的弹性影响系数。查机械设计图10.30 选取区域系数。查机械设计图10.26 查机械设计图10.2

19、1e得，大小齿轮。应力循环次数 （查机械设计图10.19 得接触疲劳寿命系数 计算疲劳许用应力取失效率为1%，安全系数S=1。 许用接触应力 ，取 计算 =计算圆周速度 计算齿宽及模数 计算纵向重合度 计算载荷系数查机械设计表10.2得根据，7级精度，查机械设计图10.85 得动载系查机械设计表10.45得，7级精度 考虑齿轮为7级精度，取 查机械设计图10.13 得 由于，查机械设计表10.35得 = 计算模数 3.1.2按齿根强度设计 计算载荷系数 根据纵向重合度，查机械设计图10.28查得螺旋角影响系数计算当量齿数 取齿形系数查机械设计表10.5得 查取应力校正系数由表10.55查得 计

20、算弯曲疲劳许用应力 查机械设计图10.20d得 查机械设计图10.18得弯曲疲劳寿命系数 取弯曲疲劳安全系数S=1.4 计算大小齿轮的 ，并加以比较。 小齿轮的数值大 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数与由齿根弯曲疲劳强度计算的法面模数相差不大，取标准值，取分度圆直径 。 取 3.1.3几何尺寸计算计算中心距 圆整取 按圆整后中心距修正螺旋角 角改变不多，故参数不必修正。计算大小齿轮的分度圆直径 计算齿宽 圆整后 3.2低速级齿轮的设计3.2.1齿轮材料及齿数初步确定，材料：大小齿轮采用的材料为45号钢，并经过调质和表面淬火，硬度为闭式传动，精度7级，初选材料螺旋角使用期15年，每

21、年工作300天，每天16小时。选用小齿轮齿数，得，取 3.2.2 按齿面强度设计 参数查询试选载荷系数。小齿轮传递扭矩。查机械设计表10.7 取齿宽系数。查机械设计表10.6 得材料的弹性影响系数。查机械设计图10.30 选取区域系数。查机械设计图10.26 得 查机械设计图10.21e 得大小齿轮应用循环系数 查机械设计图10.19 得接触疲劳寿命系数 计算疲劳许用应力取失效率为1%，安全系数S=1 许用接触应力 ，取计算 计算圆周速度 计算齿宽及模数 计算载荷系数 查机械设计表10.2 得 根据V=0.678m/s，7级精度，查机械设计图10.8 得动载系数查机械设计表10.4得，7级精度

22、 考虑齿轮为7级精度，取查机械设计图10.13 得由于 ，查机械设计表10.3 得 计算纵向重合度 计算模数 3.2.3 按齿根弯曲强度设计 计算载荷系数 根据纵向重合度，查机械设计图10.28 得螺旋角影响系数计算当量齿数 查取齿形系数由机械设计表10.5查得 查取应力校正系数机械设计表10.5查得 计算弯曲疲劳许用应力查机械设计图10.20e 得 查机械设计图10.18 得弯曲疲劳寿命系数 取弯曲疲劳安全系数S=1.4 计算大小齿轮的 ，并加以比较。 小齿轮的数值大 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数与由齿根弯曲疲劳强度计算的法面模数相差不大，取标准值，取分度圆直径 。 取 取

23、 3.2.4 几何尺寸计算 取 按圆整后中心距修正螺旋角 角改变不多，故参数不必修正。计算大小齿轮的分度圆直径 计算齿宽 圆整后 3.3 滚动轴承和传动轴的设计3.3.1.输出轴的设计.输出轴上的功率、转速和转矩 由上可知，.初步确定轴的最小直径 材料为45钢，正火处理。根据机械设计表11.3，取，于是 ，由于键槽影响，故取 输出轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径。为了使所选的轴直径与联轴器的孔径相适应，故需同时选取联轴器型号。 联轴器的计算转矩，查机械设计表10.1，取，则： 按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件，查机械设计课程设计手册P188页，选用GY7型联轴器，其公称转矩为 40

24、0N.m 。半联轴器的孔径 ，故取，半联轴器与轴配合的毂孔长度82mm图3-1 轴III.轴的结构设计(1).根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 1).为了满足半联轴器的轴向定位要求，1-2段右端需制出一轴肩，故取2-3段的直径；左端用端盖定位。现取。 2).初步选择滚动轴承。由于是斜齿轮，工作时有轴向力，按照工作要求并根据，查机械设计课程设计手册P203页表7.3.1选取角接触球轴承7208AC，其尺寸为，故。取, 3).取安装齿轮处的轴端6-7的直径。已知齿轮轮毂的跨度为50mm，齿轮的左端采用轴肩定位，轴肩高度，故取，则轴环处的直径。轴环宽度，取。 4).轴承端盖的总宽度为(由减速

25、器及轴承端盖的结构设计而定)。根据轴承端盖的装拆及便于对轴承添加润滑脂的要求，取端盖的外端面与半联轴器右端面间的距离，故。 至此，已初步确定了轴的各段和长度。(2).轴上零件的周向定位 齿轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。由机械设计手册表6.2.2查得平键截面，键槽用键槽铣刀加工，长为，同时为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配额为；同样，半联轴器与轴的连接，选用平键为，半联轴器与轴的配合为。滚动轴承与轴的周向定位是由过度配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为。(3).确定轴上圆角和倒角尺寸参考机械设计表1-27，取轴端圆角。3.2.输入轴的设计.输入轴上的功率、转

26、速和转矩 由上可知，.初步确定轴的最小直径 材料为45钢，正火处理。根据机械设计表11.3，取，于是，由于键槽的影响，故,输出轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径。为了使所选的轴直径与联轴器的孔径相适应，故需同时选取联轴器型号。 联轴器的计算转矩，查机械设计表10.1，取，则： 按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件，查机械设计课程设计手册P188页，选用GY3型联轴器，其公称转矩为。半联轴器的孔径 ，故取，半联轴器与轴配合的毂孔长度图3-2 轴.齿轮轴的结构设计(1).根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度1). 为了满足办联轴器的轴向定位要求，-段右端需制出一轴肩，故取 2-3段的直径

27、；半联轴器与轴配合的毂孔长度，现取。2).初步选择滚动轴承。按照工作要求并根据，查机械设计手册表6-1选取角接触球轴承7204AC，其尺寸为，故，暂取。3).根据轴承的定位要求取， 。为了保证输入轴和轴齿轮相对位置，参考输出轴尺寸，暂取。4).轴承端盖的总宽度为(由减速器及轴承端盖的结构设计而定)。根据轴承端盖的装拆及便于对轴承添加润滑脂的要求，取端盖的外端面与半联轴器右端面间的距离，故。5).由小齿轮尺寸可知，齿轮处的直径，。至此，已初步确定了轴的各段和长度。(2).轴上零件的周向定位半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。按由机械设计设计手册表4-1查得平键截面，键槽用键槽铣刀加工，长为。同

28、时为了保证半联轴器与轴配合有良好的对中性，故选择半联轴器与轴的配额为；滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为。(3).确定轴上圆角和倒角尺寸参考机械设计手册表1-27，取轴端圆角。3.3 轴的强度校核 高速轴上的参数 轴上的功率,转速和转矩 求作用在齿轮上的力 已知齿轮1的直径 而 图：4.1 减速器高速轴力矩图 ,的值如下 表4.2轴上各处受力明细表载荷水平面H垂直面V支反力FFNH1=1930NFNV1=457NFNV2=863N弯矩MM=144900MNV1=41000PaMNV2=56000Pa总弯矩M1=150588 M2=15534扭矩T71005抗弯

29、扭合成应力校核轴的强度根据上表中数据以及扭转切应力为静应力时取a=0.6，轴的计算应力 前面选定轴的材料为45钢，调质处理，计算得出，查得，因此，故轴是安全的。3.4 键联接设计.输入轴与联轴器间键的选择及校核轴径，轮毂长度，查手册，选A型平键，其尺寸为，(GB/T 1095-2003)现校核其强度：,， 查手册得，因为，故键符合强度要求。.输出轴与齿轮间键的选择及校核轴径，轮毂长度，查手册，选A型平键，其尺寸为，(GB/T 1095-2003)现校核其强度：,， 查手册得，因为，故键符合强度要求。.输出轴与联轴器间键的选择及校核轴径，轮毂长度，查手册，选A型平键，其尺寸为，(GB/T 109

30、5-2003)现校核其强度： ,， 查手册得，因为，故键符合强度要求。3.5箱体结构的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 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大于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6.3。3. 机体结构有良好的工艺性. 铸件壁厚为10mm，圆角半径为R=6。机体外型简单，拔模方便.4. 对

31、附件设计 A 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M4紧固 B 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。C 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.D 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

32、窥视孔改上安装通气器，以便达到体内为压力平衡.E 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.F 吊钩：在机盖上直接铸出吊钩和吊环，用以起吊或搬运较重的物体.减速器机体结构尺寸如下： 表3-3 箱体参数统计表名称符号计算公式结果箱座壁厚8箱盖壁厚8箱盖凸缘厚度12箱座凸缘厚度12箱座底凸缘厚度20地脚螺钉直径M10地脚螺钉数目查手册6轴承旁联接螺栓直径M8机盖与机座联接螺栓直径=（0.50.6）M8轴承端盖螺钉直径=（0.40.5）M4视孔盖螺钉直径=（0.30.4）M4定位销直径=（0.70.8）6，至外机壁距离查机械设计课程

33、设计指导书表11-2262422，至凸缘边缘距离查机械设计课程设计指导书表11-22515外机壁至轴承座端面距离=+（812）56大齿轮顶圆与内机壁距离1.214齿轮端面与内机壁距离16机座肋厚、m1轴承端盖外径+（55.5） 95 75 63 第四章 Pro/E 软件介绍和减速器参数设计方法4.1 Pro/E 软件介绍Pro/E 是美国参数技术公司（PTC)开发的 CAD/CAM/CAE 一体化的三维软件Pro/Engineer 的简称。它以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，也是现今主流的 CAD/CAM/CAE 软件之一。它是一套由设计至生产的机械自动化软件，采用面向对象的统一数据库和

34、全参数化造型技术，为三维实体造型提供了一个优良的平台。Pro/E 的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念已经作为当今世界机械 CAD/CAE/CAM 领域的新标准而得到业界的认可和推广。基于此概念，Pro/E软件很好地把从设计到生产的全部过程高度集成在一起，使大量的设计者可以同时参与一个产品的开发和生产等工作，即实现了所谓的“并行工程。4.1.1 Pro/E 建模功能简介 1)、三维实体模型 Pro/E 制作出来的零件均为三维实体模型，不会有破孔现象。因此，能在计算机上做出来的三维零件就保证能进行模具设计与加工，而且加工出来的工件与原先在计算机上看到的零件几何形状是一致的，因而能够充分展

35、现使用者的设计概念，充分掌握产品设计与制造的组织；另一方面，由于实体零件有材料的观念，使我们能对个别的零件作 CAE 分析以及在动态机构模拟时能检测零组件之间的干涉情况，可直接从创建的几何模型计算质量、体积、表面积等属性，而且处理实体模型时，模型自身仍然是一个真正的实体，不是由传统面架构、线模拟出来的，避免了很多传统架构之不足。 2)、单一数据库 Pro/E 中，若已完成了三维零件设计、组立件设计、2D 工程图、模具设计、NC 加工程式制作等，此时，设计者在其中任一环节作的设计变更，那么对于其它所有相关的资料，Pro/E 系统都会自动加以更新，而不需要设计者逐一调入所有相关的文件进行变更。这也

36、是现代工业中所谓的同步工程技术当中最基本也最重要的一环。 3)、以特征为基本单位利用 Pro/E 进行零件设计时，就是使用三维几何特征的构思来进行三维模型的建立，而非是想象线条的绘制。比如可以在模型中建立拉伸、旋转、倒角、圆角、槽特征以及孔等特征，也可以随时进行以下的修正动作：可操作地调整特征顺序、在已建立的特征之间插入新特征、删除特征、编辑特征、编辑定义等。这正是以最自然的思考方式从事设计工作，必然使设计者感到非常亲切。并且包含更多的工程信息和数据。其特征是指具有一定的设计功能和制造形状的、可以按一定原则加以分类的产品描述信息。因此在建立模型应每次增加一个单独的特征，并尽量使用简单的特征。 4)、参数化设计 所谓参数化设计就是将设计要求、设计原则、设计方法和设计结果用灵活可变的参数来表示，在设计过程中可以根据实际情况随时对设计加以更改。参数化设计具有用轮廓体现设计思想、尺寸驱动及合理性检查三个特点。设计者在参数化设计中修改模型十分便捷，还可以方便地建立各尺寸与参数、参数与参数间的关系，这样以来模型便可以自动按照关系和参数的新值修改成准确的外形，从而保证修改一致性，保证零件准确的相对关系。4.2减速器参数设计