基于SolidWorks的行星減速機的三維設計及虛擬裝配

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1、貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 本科畢業(yè)論文（設計） 論文（設計）題目：基于SolidWorks的行星減速機的三維設計及虛擬裝配 學 院： 機械工程學院 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 班 級： 機自118 學 號： 1108030249 學生姓名： 鄭凱 指導教師： 吳揚東 2015 年 5 月 30 日 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計）

2、 誠信承諾書 本人鄭重承諾：本人的畢業(yè)論文（設計），是在導師指導下獨立完成。本人恪守學術(shù)道德遵守學術(shù)規(guī)范，畢業(yè)論文（設計）中凡引用他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的成果、數(shù)據(jù)、觀點等，均已明確注明出處。 特此聲明。 論文（設計）作者簽名： 日 期： 年 月 日 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 摘要 行星減速機與其它的普通定軸減速器相比，它具有傳動比大、承載能力大、重量輕、體積小以及效率高等特點。然而我國研發(fā)行星減速機產(chǎn)品與其它發(fā)達國家的產(chǎn)品相比，在質(zhì)量和性能上存在很大的差別，其中的原因除了加工工藝的不同以及采用的材料

3、不同外，更大的原因在于我們國家在設計方面落后。尤其是在體積小、傳動精密以及與電機配合使用的小型行星齒輪減速機上尤為明顯。 本文利用虛擬設計方法，在計算分析的基礎(chǔ)上對行星減速機進行了設計，并對其軸系零件進行了有限元分析。 本文介紹了行星減速機的特點、分類、現(xiàn)狀以及發(fā)展前景。并對本次設計的行星減速機和Solidworks軟件進行了介紹。根據(jù)給定的原始數(shù)據(jù)，對行星機構(gòu)進行分析，主要設計軸和齒輪的尺寸和外觀，計算數(shù)據(jù)，并對其進行強度校核。然后利用Solidworks軟件進行對所設計出的零件進行三維建模和整體裝配，并舉例其中的部分零件的三維建模過程和整體裝配過程，并對軸系零件進行了有

4、限元分析。 關(guān)鍵字：2K-H行星減速機 Solidworks軟件 三維建模 有限元分析 III 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） Abstract Planetary gear compared to other common fixed axis reducer having transmission ratio, load capacity, light weight, small size and high efficiency. However, the development of a planetary gear prod

5、ucts, compared with other products in developed countries, there is a big difference in quality and performance, for reasons in addition to the different materials used different and process technology, the bigger reason is that in our country design behind. Especially in the small, the transmission

6、 precision and small planetary gear reducer and motor for use particularly evident. This paper, virtual design method, based on the calculation and analysis of the planetary gear unit design and Finite Element Analysis of its shaft parts. This article describes the characteristics of planetary gea

7、r unit, classification, current situation and development prospects. The design of the planetary gear boxes and Solidworks software were introduced. According to the given raw data, analyzing planetary bodies, the size and appearance of the main shaft and gear design, calculations, and its strength

8、check. Then use Solidworks software for the design of the parts and the whole assembly of three-dimensional modeling and three-dimensional modeling process, for example, and overall assembly process in which some parts of the shaft parts and Finite Element Analysis. Keywords: 2K-H planetary reducer

9、 Solidworks software 3D modeling Finite Element Analysis 目錄 摘要 I Abstract II 第一章 緒論 1 1.1研究的目的及其意義 1 1.2國內(nèi)外研究虛擬裝配現(xiàn)狀 1 1.3行星減速機的概述 3 1.3.1行星減速機的應用 3 1.3.2行星減速機國內(nèi)外的發(fā)展情況 3 1.3.3行星減速機的研究現(xiàn)狀 4 第二章 行星減速機的機構(gòu)分析 6 2.1行星輪系的組成和分類 6 2.1.1 周轉(zhuǎn)輪系的分類 6 2.1.2周轉(zhuǎn)輪系的組成 6 2.2 行星傳動的分類和符號 7 2

10、K-H型行星齒輪分類 7 2.3行星減速機的方案選定 8 2.3.1初始條件 8 2.3.2選定方案 8 2.4電機選擇 8 2.5 2K-H型行星減速機的運動學簡述 8 2.5.1系統(tǒng)組成 9 2.5.2運動學分析 9 第三章 重要零部件的設計與計算 11 3.1軸的設計與計算 11 3.1.1軸的結(jié)構(gòu)選取和材料選取 11 3.1.2輸入軸的計算與校核 11 3.1.3輸出軸的計算與校核 13 3.2齒輪的計算 15 3.2.1材料的選擇 15 3.2.2 行星齒輪傳動齒輪齒數(shù)應滿足的條件 15 3.2.3配齒計算 17 3.2.4齒輪主要參數(shù)的設計計算 1

11、8 3.2.5行星齒輪傳動的強度校核 20 3.2.6齒輪結(jié)構(gòu)的設計 24 3.3其他零件的選擇 24 3.3.1軸承的選擇 24 3.3.2鍵的選擇 25 3.3.3箱體的設計 26 3.3.4潤滑方式 26 第四章 2K-H行星減速機的三維建模以及虛擬裝配 27 4.1 Solidworks的介紹 27 4.1.1Solidworks的簡介 27 4.1.2Solidworks的參數(shù)化建模 27 4.2零件的建模 27 4.2.1部分標準零件的建模 27 4.2.2非標準零部件的建模 29 4.3虛擬裝配以及爆炸圖 34 4.3.1減速機的虛擬裝配 34

12、4.3.2減速機的爆炸視圖 37 第五章 利用對軸進行有限元分析 38 5.1有限元分析簡介 38 5.2軸零件的有限元分析 38 5.2.1輸入軸的有限元分析 38 5.2.2輸出軸的有限元分析 39 第六章 總結(jié) 40 參考文獻 41 致謝 42 第 41 頁 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第一章 緒論 1.1研究的目的及其意義 隨著現(xiàn)代科學的急速發(fā)展，機械這一行業(yè)也發(fā)生著巨大的改變，特別是近幾十年來受到了機電一體化的影響，在機械行業(yè)、航空航天正在向著高速、高載、高精度以及自動化方向發(fā)展，使得各個機械領(lǐng)域不得不對設備的性能和穩(wěn)定性提出了更高的要

13、求，當前機械領(lǐng)域運用最多、最廣泛的手段之一就是虛擬設計。 為了減少減速機上的軸和軸承上的載荷，行星減速機的功率由多個行星輪分流然后同軸輸出，它比其它普通的定軸減速器，它的承載能力更大、傳動比更大、重量較輕、體積較小、以及效率高等特點[1]。在航空航天、汽車、大型機械以及航海被廣泛的使用。 我國的行星減速機產(chǎn)品和其他發(fā)達國家的產(chǎn)品相比，在質(zhì)量和性能上存在很大的差別，其中的原因除了加工工藝的不同，采用的材料不同外，更大的原因在于我們國家在設計方面落后。在發(fā)達國家，他們在設計機械產(chǎn)品時已經(jīng)早早的就運用到了虛擬分析設計，他們往往利用現(xiàn)代的計算機輔助設計技術(shù)，將現(xiàn)代設計方法（有限元分析、優(yōu)化

14、設計等）應用到他們想要設計的產(chǎn)品中去，采用機械CAD系統(tǒng)在計算機上進行建模、仿真、分析和檢查。采取這樣的方式，投入生產(chǎn)后往往需要改動很少很少，實現(xiàn)了真正的三維設計。而我國，才剛剛由二維設計步入到三維設計，二維設計在投入產(chǎn)品生產(chǎn)中往往要進行許多的改動，使得產(chǎn)品開發(fā)周期變長、性能質(zhì)量得不到保證。由于剛進入三維設計階段，我國的設計在許多方面不成熟，尤其是傳動精密、體積小、能與電機一起配套使用的小型行星齒輪減速機，三維虛擬設計的普遍應用以及快速發(fā)展直接影響了社會和生產(chǎn)的巨大改變。 然而，三維設計在我國又是處于較為薄弱階段。因此，學生對行星輪減速機的三維設計、模擬裝配和有限元分析，是一次十分有

15、意義設計。 1.2國內(nèi)外研究虛擬裝配現(xiàn)狀 虛擬裝配基于虛擬現(xiàn)實的產(chǎn)品虛擬拆裝技術(shù)在新產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品的維護以 及操作培訓方面具有獨特的作用。在交互式虛擬裝配環(huán)境中，用戶使用各類交互設備(數(shù)據(jù)手套/位置跟蹤器、鼠標/鍵盤、力反饋操作設備等)猶如在真實環(huán)境中對產(chǎn)品的零件進行各類裝配操作一樣，在虛擬裝配操作過程中，系統(tǒng)會對要裝配的零件進行碰撞檢測、裝配約束和裝配路徑等指令，從而使設計人員能夠?qū)Ξa(chǎn)品的可裝配性進行分析、對產(chǎn)品零部件裝配序列進行驗證和規(guī)劃[2]。在裝配或拆卸完成以后，為了以后的分析和使用，系統(tǒng)往往能夠及時完成記錄裝配過程，并生成報告單以及錄像等參考文件。 早在19

16、95年，美國華盛頓州立大學與NIST聯(lián)合，進行了最早的虛擬裝配的研究，他們一起開發(fā)了一款名為VADE（Viryual Assembly Design Environmen）虛擬裝配設計系統(tǒng)。 (1)虛擬裝配在國外的現(xiàn)狀 在國外，虛擬設計、裝配的研究起步較早，無論是在理論上的研究或者是實踐操作方面，都有較早和廣泛的研究應用[3]。 比如： 美國華盛頓州立大學的Jyaaram等開發(fā)研制了一個稱為“虛擬裝配設計環(huán)境”(VADE)的虛擬裝配設計系統(tǒng)。 美國Sandia國家實驗室研究開發(fā)了一個名為Archimedes的用于生成優(yōu)化和檢查裝配工藝的交互式裝配規(guī)劃系統(tǒng)。

17、德國的Michael?Weyrich等人通過調(diào)用OpenGL,InventorPerformer和Vega庫，實現(xiàn)了面向虛擬制造的“虛擬工作臺”交互環(huán)境[4]等。 (2)虛擬裝配在國內(nèi)的現(xiàn)狀 在我國，虛擬設計、裝配的研究發(fā)展起步較晚。我國是在90年代中后期開始進行虛擬裝配方面的探索和研究工作[5]。虛擬裝配技術(shù)的研究可分為三個階段：虛擬裝配技術(shù)理論知識的提出和完善階段，虛擬裝配技術(shù)原型系統(tǒng)的研發(fā)階段， 虛擬裝配技術(shù)在機械行業(yè)以及其他工業(yè)上的應用研究階段。 國內(nèi)開始進入第三階段。 我國虛擬裝配技術(shù)的應用研究尚處于發(fā)展階段，起初只有為數(shù)不多的機構(gòu)如清華大學、浙江大學、

18、武漢理工大學和西北產(chǎn)業(yè)大學等院校作了有益的研究[6-7]， 由于虛擬現(xiàn)實設備非常昂貴，國內(nèi)大多數(shù)研究被限制在介紹國外的進展理論探討范圍內(nèi)。現(xiàn)在，由于機械行業(yè)對虛擬裝配越來越注重，越來越多的科研機構(gòu)已經(jīng)在工業(yè)應用研究上使用了虛擬裝配技術(shù)。 1.3行星減速機的概述 行星減速機經(jīng)多個行星輪分流而同軸輸出，它合理采用了齒輪的內(nèi)外嚙合，它與其它普通定軸減速器相比，具有承載能力大、效率高、重量輕、體積小、剛性好、傳動比大以及性能安全可靠等優(yōu)點。如圖1.1所示。 圖1.1 行星減速機 1.3.1行星減速機的應用 行星減速機性價比高，至少可以代替現(xiàn)代8

19、0%以上的傳統(tǒng)減速機，尤其是重型減速機[8]，因此被廣泛用于工業(yè)上。如適用于起重運輸、冶金、工程機械、建筑機械、石油化工、礦山、輕工紡織、儀器儀表、醫(yī)療器械、兵器、汽車、船舶以及航空航天等工業(yè)部門。另外，行星減速機與伺服電機一體化作為一種先進的控制匹配方案，具有模塊化、系列化等優(yōu)點。所以說，行星減速機在未來具有很大的發(fā)展前景。 1.3.2行星減速機國內(nèi)外的發(fā)展情況 在我國，祖沖之在南北朝時期就發(fā)明了一款差動式指南車，該指南車初步的應用到了行星齒輪傳動。 自從19世紀以來，由于工程機械行業(yè)的大力崛起，擴大了齒輪傳動的使用范圍，同時促進了行星齒輪減速機的使用范圍。1880年，首個行星齒輪傳動

20、裝置的專利在德國出現(xiàn)，1951年，德國研發(fā)了首個高速大功率行星齒輪傳動并在實際應用上取得了成功[1]，并且廣泛運用到了船舶、航空及工程機械等領(lǐng)域。 相比之下，國內(nèi)開始行星減速機的研發(fā)要比國外晚很多，我國是在20世紀60年代的進行行星減速器的研究，當時研究的行星減速器大多是參照蘇聯(lián)20世紀40－50年代的技術(shù)制造生產(chǎn)的，后來先輩經(jīng)過不懈努力研發(fā)，雖有所發(fā)展，但是限于當時的設計、工藝水平及裝備條件，減速機的總體水平與國際水平相比還是有較大差距。從改革開放以來，中國陸陸續(xù)續(xù)的從國外引進了一批又一批的先進加工裝備，通過引進、消化、吸收國外先進的技術(shù)，慢慢逐步掌握了各種高速和低速重載行星齒輪裝置的設計

21、制造技術(shù)[9]。 國內(nèi)研發(fā)行星齒輪傳動的機構(gòu)和公司也有很多，他們專心于行星齒輪減速機的研究，并且取得一定的成績。比如鄭州機械研究所，他們對行星減速機研究就比較早，他們不僅在理論上取得一些有用的經(jīng)驗，而起對行星齒輪傳動的結(jié)構(gòu)以及傳動的特性研究取得了較大的研究成果。但由于國外對此技術(shù)的大力封鎖，即使不少的研究機構(gòu)和公司取得不小成就，但相比國外，還是在精度和效率方面有著不小的差距，這一差距直接阻礙了我國行星減速機研究和現(xiàn)代工業(yè)行業(yè)的發(fā)展。在行星減速機這一領(lǐng)域，德國對行星齒輪傳動技術(shù)的研究一直是世界的領(lǐng)頭羊。 在行星減速機的生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)方面來看，國際上的行星減速機系列產(chǎn)品主要由德國的力士樂、SEW

22、、卓倫、美國的菲爾費德、意大利的住友等公司提供，他們生產(chǎn)的減速機效率和傳動精度相對來說較高[10]。 1.3.3行星減速機的研究現(xiàn)狀 行星減速機的產(chǎn)品設計的好壞直接影響到了其在工作中的傳動性能，也決定了該產(chǎn)品的性能和效益。其中，最為關(guān)鍵的部分就是行星齒輪傳動部分，為了追求其傳動性能好、傳動效率高已經(jīng)傳動功率大等特點，許多的機構(gòu)以及人員都在積極研究。經(jīng)過查找資料，有關(guān)行星減速機設計的研究主要有： 童舟的曲柄式漸開線少齒差行星減速機運動、效率和轉(zhuǎn)矩分析[11]。文中分析了減速機的運動、效率以及轉(zhuǎn)矩，最后采取了實例驗證，對比了效率的損失因素對總體效率的影響。 姚文席、張志強和黃蔚的擺線針輪行

23、星減速機的回程誤差分析[12]。文中分析了擺線齒輪的齒廓修行對回程誤差以及傳動誤差的影響，相比較擺線齒輪的齒廓修行對回程誤差影響較大對傳動誤差的影響較小。 等人對于減速機進行了多目標優(yōu)化設計[13-14]。文章中研究了減速機與裝配和生產(chǎn)的約束變量，分析研究，得到完善的減速機方案。 等人研究分析了行星減速齒輪傳動中的傳動誤差[15]。 研究了行星減速機的穩(wěn)健性[16]。 由此可見，利用計算機輔助系統(tǒng)對行星減速機的研究分析也越來越多，越來越深入。所以說針對三維設計開發(fā)的軟件系統(tǒng)已經(jīng)成為推動機械行業(yè)以及其他行業(yè)發(fā)展的一大推力，尤其實在行星減速機的研究上隨著時代的進步，這一研究也會更加廣泛。

24、 第2章 行星減速機的機構(gòu)分析 2.1行星輪系的組成和分類 輪系是世界機械行業(yè)中運用最為廣泛的機械傳動之一，它通過齒輪與齒輪之間的一系列的相互嚙合，將輸入軸的運動傳輸?shù)捷敵鲚S，實現(xiàn)運動傳遞。 2.1.1 周轉(zhuǎn)輪系的分類 在齒輪傳動中，輪系中有一個或者多個的齒輪，它們的軸線繞固定的幾何軸線回轉(zhuǎn)，這樣的輪系稱為周轉(zhuǎn)輪系，也稱動軸線輪系[17]。周轉(zhuǎn)輪系按照平面機構(gòu)自由度的數(shù)目，可以分為以下兩類： （1）行星齒輪輪系 在周轉(zhuǎn)輪系中，平面機構(gòu)的自由度為1的稱為行星齒輪輪系。在實際運用中，動力只需要

25、由一個個基本構(gòu)件同時輸入，該輪系就會有確定的運動。 （2）行星差動輪系 在周轉(zhuǎn)輪系中，平面機構(gòu)的自由度為2的稱為行星齒輪輪系。在實際運用中，動力需要由兩個基本構(gòu)件同時輸入，該輪系才會有確定的運動。 2.1.2周轉(zhuǎn)輪系的組成 周轉(zhuǎn)輪系的主要構(gòu)成如下： （1）行星輪：在周轉(zhuǎn)輪系中，像行星一樣擁有自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的齒輪，稱為行星輪，用符號g表示。 （2）中心輪：軸線與主軸線相同且與行星輪嚙合的齒輪，稱為中心輪。外齒中心輪（也稱太陽輪）用符號a表示，內(nèi)齒中心輪（也稱內(nèi)齒圈，內(nèi)齒圈固定不動）用符號b表示。 （3）行星架：用來支撐行星輪并讓其公轉(zhuǎn)的構(gòu)件稱為行星架，也

26、可以稱為轉(zhuǎn)臂或系桿，用H表示。 （4）基本構(gòu)件：當構(gòu)件的軸線線與主軸線相重合，同時又承受外力矩，這樣的構(gòu)件稱為基本構(gòu)件。一般周轉(zhuǎn)輪系都具有太陽輪、內(nèi)齒圈和行星架這三個基本構(gòu)件[17] 。 2.2 行星傳動的分類和符號 根據(jù)基本構(gòu)件的組成，行星傳動可分為：2K-H、3K和K-H-V。 根據(jù)遲來的嚙合方式，可分為：NGW型、NW型、NN型、WW型、WGW型、NGWN型以及N型。 其中字母代表的含義為：K代表中心輪；H代表行星架；V代表輸出軸。N代表內(nèi)嚙合；W代表外嚙合；G代表公用的行星輪。 2K-H型行星齒輪分類 在2K-H傳動中，基本構(gòu)件是兩個中心輪（太陽輪a和內(nèi)齒圈b）

27、和一個行星架H[18]。 圖2.1為<0的2K-H傳動， a為NGW型：由一個太陽輪、一個內(nèi)齒圈、和一個行星輪組成。該行星齒輪結(jié)構(gòu)簡單，軸向尺寸較小，是動力傳動中運用最廣，傳遞功率最大的行星齒輪之一。 b為NW型：由一個太陽輪、一個內(nèi)齒圈、和兩個個行星輪組成。行星輪同軸布置，分別形成一對外嚙合和一對內(nèi)嚙合，沒有公用齒輪。 c為WGW型：一般用作差速器 圖2.2為>0的2K-H傳動， a為WW型：由兩個太陽輪和兩個行星輪組成，行星輪同軸布置，形成兩對外嚙合。 b為NW型 c為NN型：由兩個內(nèi)齒圈和兩個行星輪組成，行星

28、輪同軸布置，形成兩對內(nèi)嚙合。 圖2.1 2K-H行星傳動（<0） 圖2.2 2K-H行星傳動（>0） 2.3行星減速機的方案選定 2.3.1初始條件 輸入功率，輸入轉(zhuǎn)速，傳動比，允許的傳動比偏差為。 要求：該減速機傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕以及體積小。 2.3.2選定方案 本次設計以型機為主。按照要求，該減速機的體積小、質(zhì)量輕、效率要高，按照《機械傳動設計手冊》表6-1-1選取2K-H型的NGW型減速裝置。為了結(jié)構(gòu)緊湊，拆裝方便，選取單齒圈行星輪減速機。該減速機有一個太陽輪a、一個內(nèi)齒圈b以及三個行星輪g。 2.4電機選擇 輸入

29、功率，輸入轉(zhuǎn)速，經(jīng)過查表，總和考慮選取Y160M-4型三相異步電動機，該電機的額定功率，同步轉(zhuǎn)速[19]。 2.5 2K-H型行星減速機的運動學簡述 為了后面的計算和虛擬設計，需要了解2K-H行星減速機各個構(gòu)件之間的受力、角速度以及傳動比情況，首先需要對運動學和動力學[20]的相關(guān)內(nèi)容進行了解。 2.5.1系統(tǒng)組成 本次設計的2K-H行星齒輪傳動主要有一個太陽輪a，一個內(nèi)齒圈b,3個行星輪g和行星架H組成。在安裝時，必須滿足一定的傳動比、同心等的裝配條件，否者會出現(xiàn)如下情況：不能正確安裝，出現(xiàn)干涉等情況。 2.5.2運動學分析 在行星齒輪傳動中，由于行星輪的運動不是

30、定軸線傳動，不能用計算定軸傳動比的方法來計算，而是采用固定行星架的所謂轉(zhuǎn)化機構(gòu)法以及圖解法、矢量法、力矩法等來計算?，F(xiàn)在采用行星架固定法[21-22]。 （1）行星齒比的計算 在2K-H行星齒輪傳動中，假設太陽輪a、內(nèi)齒圈b、行星輪g和行星架H的轉(zhuǎn)速分別為na、ng、nb和nH，并設各個齒輪的轉(zhuǎn)向相同，取順時針為正，行星架H固定。給該行星輪系添加一個轉(zhuǎn)速，該轉(zhuǎn)速與行星架H大小相同，方向相反。得到該行星輪系的基本構(gòu)件轉(zhuǎn)速關(guān)系： （2-1） 或 （2-2）

31、 行星架H固定時： ：太陽輪a主動，內(nèi)齒圈b從動時的傳動比。 ：太陽輪a的轉(zhuǎn)速。 ：內(nèi)齒圈b的轉(zhuǎn)速。 （2）行星齒輪傳動中心輪轉(zhuǎn)速的計算 與行星輪g相對于行星架H的轉(zhuǎn)速的計算公式采用行星架固定法，可得轉(zhuǎn)速關(guān)系式： （2-3）

32、 （2-4） （2-5） （2-6） 行星架H固定時： ：行星輪g主動，太陽輪a從動時的傳動比。 ：行星輪g主動，內(nèi)齒圈b從動時的傳動比。

33、 第三章 重要零部件的設計與計算 3.1軸的設計與計算 機器的重要零件之一就是軸，其作用主要用來支撐傳動零件，如齒輪、鏈輪、帶輪等，使其在固定的位置進行工作并具有傳遞運動和動力的指令。最為常見的軸有三種，分別為：軟軸、直軸和曲軸。 直軸又分為： 轉(zhuǎn)軸：承受彎矩和扭矩的，如減速器中的軸。 心軸：支撐傳動零件只承受彎矩不承受扭矩，如支撐滑輪的軸。 傳動軸：用來傳遞扭矩但不承受彎矩，如車輛的驅(qū)動軸。 3.1.1軸的結(jié)構(gòu)選取和材料選取 （1）結(jié)構(gòu)選取 在本次設計的2K-H型行星減速器中，軸不僅

34、僅承受了扭矩還承受了彎矩，它為轉(zhuǎn)軸。考慮到了有利于提高軸的強度和便于裝配、拆卸以及固定，一般都采用階梯軸，階梯軸的具體結(jié)構(gòu)取決于該軸上需要裝配以及固定的零件，以及裝配的順序、以及軸的結(jié)構(gòu)工藝性，同時還要考慮是否有利于提高軸的疲勞強度[23]。 （2）材料的選取 考慮到軸的加工工藝和材料來源及經(jīng)濟性等條件。選取45鋼 調(diào)制。其主要的力學性能查表15-1，查表15-3得：取，[23]。 3.1.2輸入軸的計算與校核 （1）估算輸入軸軸徑 由于輸入軸為傳動軸，按照抗扭強度估算軸徑。 （3-1） 由此可得輸入軸的

35、最小軸徑為： （3-2） 所以取最小軸直徑為30mm.如圖3.1所示： 圖3.1 輸入軸結(jié)構(gòu)圖 從軸上看，需要配合其他零件的標準尺寸、安裝尺寸以及定位、固定和裝卸等情況，取軸的各段直徑分別為：，，，，，。 （2）輸入軸的長度計算 從軸上看，需要配合其他零件的標準尺寸、安裝尺寸以及定位、固定和裝卸等情況，去軸的各段長度分別為：，，，，，（分為a,b兩段，具體長度按照太陽輪的厚度可得：，）。 （3）輸入軸的校核 如圖3.2太陽輪與行星輪的嚙合簡圖，圖3.3軸與齒輪結(jié)合部受力分析簡圖所示，可得到輸入軸為傳動軸，所以按抗扭強度條件校核。

36、圖3.2太陽輪與行星輪的嚙合簡圖 圖3.3軸與齒輪結(jié)合部受力分析簡圖 （3-3） （3-4） 由于 ，。 因此，輸入軸的強度滿足要求。 3.1.3輸出軸的計算與校核 （1）估算輸出軸的徑 由于輸出軸為傳動軸，按照抗扭強度估算軸徑。后面的齒輪傳動采取9級精度齒輪傳動，取，。 （3-5） 由上式可得輸出軸的最小軸徑為： （3-6） 所以取最小軸直徑為30mm

37、.如圖3.4所示（行星架與輸出軸為一體）： 圖3.4 輸出軸結(jié)構(gòu)圖 從軸上看，需要配合其他零件的標準尺寸、安裝尺寸以及定位、固定和裝卸等情況，取軸的各段直徑分別為：，，，，，。 （2）輸出軸的長度計算 從軸上看，需要配合其他零件的標準尺寸、安裝尺寸以及定位、固定和裝卸等情況，去軸的各段長度分別為：，，，，段，具體長度按照行星輪的厚度）。 （3）輸入軸的校核 如圖3.5內(nèi)齒圈與行星輪的嚙合簡圖，圖3.6軸與齒輪結(jié)合部受力分析簡圖所示，可得到輸出軸為傳動軸，所以按抗扭強度條件校核。 3.5內(nèi)齒圈與行星輪的嚙合簡圖 圖3.6軸與齒輪結(jié)合部受力分析簡

38、圖 （3-7） （3-8） 由于 ，。 因此，輸出軸的強度滿足要求。 3.2齒輪的計算 3.2.1材料的選擇 按照表10-1以及選擇齒輪材料介紹[23]，選取齒輪材料如下表3.1。 表3.1 齒輪材料表 齒輪種類 材料 熱處理方法 強度極限 屈服極限 硬度 太陽輪、行星輪 20GrMnTi 滲碳后淬火 1100 850 60HRC 內(nèi)齒圈 38GrAlA 氮化 950 750 950HV 3.2.2 行星齒輪傳動齒輪齒數(shù)

39、應滿足的條件 確定行星齒輪的各個齒輪的齒數(shù)時，除了要滿足給定的傳動比條件以外還要滿足同心條件、鄰接條件以及安裝條件。 （1）傳動比條件 在行星齒輪傳動中，各個輪的齒數(shù)的選擇要求與所給的傳動比想符合。在2K-H型行星減速機中，傳動比條件關(guān)系式為： （3-9） 得 （3-10） 假設，則 （3-1

40、1） 式中 正整數(shù)； 太陽輪a的齒數(shù)，一般，。 （2）同心條件 同心條件就是太陽輪a、內(nèi)齒圈b與行星輪g之間的所有嚙合齒輪副的實際中心距必須都相等。對于2K-H型行星齒輪減速機，它的是： （3-12） 式中 在不變位或者高變位的齒輪嚙合傳動中，因為齒輪的相互重合，所以為： （3-13） 式中 在簡單行星齒輪減速機的設計中，一般各個齒輪的模數(shù)m都是一樣的

41、，所以2K-H型行星減速機的同心條件為：— （3）鄰接條件 在行星齒輪減速機的設計中，往往為了分流較大功率，從而提高減速機的承載能力。同時，為了使減速機的結(jié)構(gòu)緊湊，一般都是在太陽輪a和內(nèi)齒圈b之間，對稱的、均勻的放置幾個行星輪g。為了保持各行星輪之間互相不產(chǎn)生干涉，需要保證相鄰兩個行星輪之間的連心線上具有一定的空間，兩相鄰行星輪的中心距要大于齒頂圓半徑之和，所以其鄰接條件為： （3-14） 行星輪數(shù)目；

42、 （4）安裝條件 在行星齒輪傳動中，如果僅僅只有一個行星輪，安裝時只需要滿足同心條件就能夠正確的裝配。但是為了提高減速機的承載能力，一般是同時采用幾個行星輪，把這幾個行星輪均勻地分布在行星架上。所以，在行星齒輪傳動中，當行星輪數(shù)時，除了滿足同心條件和鄰接條件以外，還必須滿足一定的安裝條件。所以2K-H型行星傳動的安裝條件為：太陽輪a內(nèi)齒圈b的齒數(shù)之和應是行星輪g輪數(shù)的整數(shù)倍[24]。 3.2.3配齒計算 根據(jù)2K-H型行星齒輪的傳動比公式。 （3-15）

43、 （3-16） 式中 特征參數(shù)和給定的傳動比有關(guān)。一般，=3～8。由初始條件的可知：，所以。 本次設計的減速機為小型的行星減速機，為了減小2K-H型行星減速機的徑向尺寸，在滿足規(guī)定的傳動比條件下，太陽輪a與行星輪g應該盡可能的小。 因為p=3,查表13-5-5[25]取，，。 ，，一般公差： ，滿足要求。 根據(jù)同心條件： 根據(jù)安裝條件： 為整數(shù)，滿足規(guī)定的安裝條件。

44、 根據(jù)鄰接條件： （3-17） ，其滿足規(guī)定的鄰接條件。 3.2.4齒輪主要參數(shù)的設計計算 （1）按照彎曲強度的初步計算公式計算齒輪的模數(shù) 由《機械設計手冊》查齒輪的接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度，太陽輪以及行星輪取 ，，內(nèi)齒圈取。 由公式3-18可以求出模數(shù)

45、 (3-18) 現(xiàn)已知，。 由于行星輪的名義為轉(zhuǎn)矩，可得： (3-19) 取系數(shù)；；綜合系數(shù)；取，；齒形系數(shù)??；齒寬系數(shù)取。 得模數(shù)，取整得m=2。 變位傳動的端面嚙合角經(jīng)過查表13-5-4[21]，可知 。 （2）a-g齒輪副的幾何尺寸 分度圓直徑: 基圓直徑: 齒頂圓直徑: 齒根圓直徑:

46、 （3）b-g齒輪副的幾何尺寸：、 分度圓直徑: 基圓直徑: 齒頂圓直徑: 齒根圓直徑: 齒輪副a-g、b-g的標準中心距為： 3.2.5行星齒輪傳動的強度校核 （1） 按齒面接觸強度的校核計算 齒面接觸應力為：

47、 （3-20） 式中； ； ； ； ； ,。 （3-21） 式中 ，； ，直齒輪β=0，=1； ，單位：N， 單位：mm； 齒輪工作時的有用齒寬，指所有齒輪中的較小的齒寬，單位：mm； 所有式中，“+”表示外嚙合，“-”表示內(nèi)嚙合。 經(jīng)過查表[21]，取=1.05，使用系數(shù)=1.5，由于行星輪直徑與內(nèi)齒圈寬度之比大于，故取=1；查表得=1.1，=1，=2.5，。由公式得 =2254.344，b=20，。 對a-g齒輪副： 對b-g齒輪副：

48、 許用接觸應力公式： （3-22） 式中； ； ； ； ； 。 查表得=1.2，=1，=0.95，=0.92，=1，=1。 校核計算： 對a-g齒輪副： a-g齒輪副的齒輪滿足了齒面接觸疲勞強度的要求。 對b-g齒輪副： b-g

49、齒輪副的齒輪滿足了齒面接觸疲勞強度的要求。 （2）按齒根彎曲強度的校核計算 齒根彎曲應力： （3-23） 式中 查表得 =1.5,=1.05,=1,= 1,=1.05,=2.80，=2.78，=1.52，=1.53，=0.78，=1。 對a-g齒輪副： 對b-g齒輪副： 查得=2.78，=1.53，= 2.3，=

50、1.7。 許用接觸應力： （3--24） 式中 ； ； ； ； ； 查表得：，，，。 校核計算： 對于a-g齒輪副： a-g齒輪副的齒輪滿足齒根彎曲強度要求。 對b-g齒輪副： b-g齒輪副的齒輪滿足齒根彎曲強度要求。 3.2.6齒輪結(jié)構(gòu)的設計 本次設

51、計的2K-H型行星減速機齒輪基本參數(shù)如表3.2所示： 表3.2 2K-H型行星減速機齒輪基本參數(shù)表 齒輪 太陽輪a 行星輪b 內(nèi)齒圈c 齒數(shù)Z 23 22 67 模數(shù)m 2 齒寬b 20mm 22mm 20mm 分度圓直徑（mm） 46 44 134 基圓直徑（mm） 42.4985 40.6507 123.800 齒頂圓直 (mm) 50 48 130 齒根圓直徑（mm） 41 39 139 壓力角 20° 為了配合輸入軸，輸出軸的尺寸要求以及裝配時候的配合、拆卸和安裝，太陽輪、行星輪和內(nèi)齒圈的結(jié)構(gòu)如后面所畫的三維

52、圖所示，他們的具體的尺寸和形狀按照設計手冊[23]。 3.3其他零件的選擇 3.3.1軸承的選擇 在減速機的工作過程中，為了減少軸與箱體之間的啟動摩擦阻力矩以及運動摩擦阻力矩，在軸上需要用到軸承，如圖3.7所示。由于本文輸出軸與輸入軸為傳動軸，主要受到的載荷為徑向載荷，所以選取的軸承為深溝球軸承[19]。其外圈帶止動槽可簡化軸向定位，減小軸向尺寸。其自帶帶防塵蓋與密封件，并且防塵蓋和密封件的密封性以及防塵性好，軸承內(nèi)已經(jīng)放入一定量潤滑脂，在工作過程中較長時間內(nèi)不用再加潤滑油。軸承的尺寸規(guī)格根據(jù)其軸的直徑、軸段長度以及箱體的大小來選取，由軸的結(jié)構(gòu)設計以及強度校核可得其尺寸如表3-3所示：

53、 圖3.7裝配工程圖 表3.3軸承尺寸表 軸承標號 型號 內(nèi)徑d/mm 外徑D/mm 寬B/mm ①號軸承 6210 50 90 20 ②號軸承 6208 40 80 18 3.3.2鍵的選擇 選擇鍵時，要考慮到軸傳遞扭矩的大小，軸上零件的移動方向，是否要求鍵做軸上零件的軸向固定，鍵在軸向的位置以及軸連接處的軸徑和輪轂長度等。 鍵為標準件，本次設計選取普通B型（平頭）平鍵來作為連接構(gòu)件，具體的標準尺寸[19]如下。 輸入軸端的鍵：，； 輸出軸端的鍵：，(單位：mm)。 3.3.3箱體的設計 箱體是減速器的

54、重要組成零件之一，它約占整個減速器重量的50%，同時也是是減速器的重要組成零件，也是結(jié)構(gòu)和受力最為復雜的零件，用來支撐以及固定軸系零部件，保證轉(zhuǎn)動零件的潤滑，以及內(nèi)部與外界之間的密封。在設計箱體時，一般要求在滿足強度和剛度的前提下，同時還要考結(jié)構(gòu)的緊湊性、制造和安裝的方便性、重量清等使用要求來設計，本次設計箱體的材料選取灰鑄鐵鑄造[19]。 3.3.4潤滑方式 減速器中潤滑方式直接影響了轉(zhuǎn)動零部件的壽命、效率以及工作性能，所以需要用潤滑油或潤滑脂來潤滑軸承以及齒輪[19]。 （1）軸承潤滑：滾珠軸承脂。 （2）齒輪潤滑：機械油AN32。

55、 第四章 2K-H行星減速機的三維建模以及虛擬裝配 4.1 Solidworks的介紹 4.1.1Solidworks的簡介 SolidWorks Corporation為達索系統(tǒng)(Dassault Systemes S.A)下的子公司，是3D CAD技術(shù)的主要供應商，通過提供直觀、高性能的軟件幫助產(chǎn)品設計部門開發(fā)出出一流的產(chǎn)品[26]。 它是世界上第一個基于Windows系統(tǒng)開發(fā)的CAD三維軟件，也是優(yōu)秀CAD軟件的典型代表之一（CATIA、Pro/Engineer、UG等）。完全融入了Windows軟件使用方便和操作簡單的特點，強大的設計指令

56、可以滿足一般機械產(chǎn)品的設計需求[26]。它對任何一個初學者和設計者來說，它容易學，領(lǐng)悟快，操作簡單。 4.1.2Solidworks的參數(shù)化建模 利用參數(shù)化設計模型的形成過程大致如下：首先，對需要解決的具體問題進行系統(tǒng)的分析，根據(jù)分析出來的數(shù)據(jù)和問題確定關(guān)鍵的約束條件，這些約束必須能夠確定和識別一確定特的形狀；然后，在控制面板輸入相關(guān)約束的數(shù)據(jù)，并對參數(shù)進行有效性判定，即是參數(shù)之間不能夠有干涉的條件存在，并據(jù)此判定是否需要重新修改參數(shù)；最后，分析繪制出來的的三維模型是否符合要求，若零件符合要求，就保存設計出來的的產(chǎn)品模型，否則就需要對參數(shù)進行修改修改，重新建模和判定是否符合要求[27]。參

57、數(shù)化設計的過程就是這樣的。 4.2零件的建模 4.2.1部分標準零件的建模 模采用軟件分別對對減速器的各種螺母、彈性墊圈、彈性擋圈和軸承等標準零件進行了建模。一些標準零件的參數(shù)化建模出來的零件如圖4.1。 a螺母 b太陽輪 c螺栓 d軸承 e彈性墊圈 f平墊圈 4.1部分參數(shù)化建模的部分零件模型 （1）行星齒輪的三維建模過程如下。 1）點擊新建指令，建立一個繪制零件的窗口； 2）點擊設計庫指令，選擇國標、選擇傳動零件、選擇齒

58、輪零件、選擇正齒輪，點擊鼠標右鍵，點擊生成零件； 3）輸入計算出來的數(shù)據(jù) 、、、、、，點擊，就可以完成行星齒輪的建模了。 4.2.2非標準零部件的建模 如圖4.2所示，這些零部件需要按照計算以及查表和類比出來的尺寸來建模。 圖4.2部分非標準零件的的三維模型圖 （1）上箱體的三維建模過程： 1）點擊新建指令，建立一個繪制零件的窗口； 2）選取前視基準面，點擊草圖繪制，繪制一個的四邊形，點擊退出草圖，利用指令，拉伸92mm； 3）選取一個面為放置輸入軸的面為左面，選取右視基準面，繪制一個的圓，點擊退出草圖，利用指令，向左拉伸切除32mm，向右拉伸切除

59、18mm； 4）繼續(xù)選取右視基準面，繪制一個的圓，點擊退出草圖，利用指令，向右拉伸切除68mm； 5）繼續(xù)選取右視基準面，繪制一個的圓，點擊退出草圖，利用指令，向左拉伸切除56mm； 6）繼續(xù)選取右視基準面，繪制一個的圓，點擊退出草圖，利用指令，向右拉伸切除68mm； 7）繼續(xù)選取右視基準面，繪制一個的圓，點擊退出草圖，利用指令，向右拉伸切除86mm； 8）繼續(xù)選取右視基準面，繪制一個的圓，點擊退出草圖，利用指令，向右打通箱體； 9）選取上一步驟繪制的圖的左端斷面，點擊草圖繪制，在左端面上繪制一個的圓，點擊退出草圖，利用指令，拉伸切除12mm； 10）選取左端斷面，點擊草圖繪制，

60、在左端面上繪制兩個如上所示的四邊形，點擊退出草圖，利用指令，貫穿整個箱體，點擊指令，對其倒的圓角； 11）選取前視基準面，點擊草圖繪制，繪制如上所示的一個長方形，點擊指令，以任意拉成的圓為軸心，旋轉(zhuǎn)拉伸切除； 12）分別選取箱體的兩側(cè)為基準面，分別繪制長方形，點擊退出草圖，利用指令，拉伸切除30mm； 13）選取前視基準面，點擊草圖繪制，繪制如上所示的兩個長方形，點擊退出草圖，點擊指令，拉伸20mm； 14）繼續(xù)選取前視基準面，點擊草圖繪制，繪制如上所示的四個圓，點擊退出草圖，點擊指令，貫穿整個箱體； 15）分別在箱體外的內(nèi)棱利用指令，倒R=2和R=5的圓角； 16）選取前視基準面

61、，點擊草圖繪制，分別繪制和兩個四邊形，點擊退出草圖，利用指令，以任意拉成的圓為軸心，旋轉(zhuǎn)拉伸切除； 17）選取前視基準面，點擊草圖繪制，分別繪制和兩個四邊形，利用指令，拉伸切除5mm； 18)選取左邊斷面，繪制兩個圓，點擊退出草圖，利用指令，拉伸切除15mm。 完成以上步驟，就得到了下箱體三維圖。上箱體圖的三維建模過程與下箱體的三維建模過程基本一致。 （2）輸入軸的三維建模過程： 1） 點擊新建指令，建立一個繪制零件的窗口； 2） 點擊前視基準面，點擊草圖繪制，繪制一個的圓，利用指令，拉伸34mm； 3） 以上圖的右端面為基準面，點擊草圖繪制，繪制一個的圓，利用指令，拉伸1

62、8mm； 4） 以上圖的右端面為基準面，點擊草圖繪制，繪制一個的圓，利用指令，拉伸12mm； 5） 以上圖的右端面為基準面，點擊草圖繪制，繪制一個的圓，利用指令，拉伸24mm； 6） 以上圖的右端面為基準面，點擊草圖繪制，繪制一個的圓，利用指令，拉伸2mm； 7） 以上圖右端面為基準面，點擊草圖繪制，繪制一個的圓，利用指令，拉伸30mm； 8） 以上圖右端面為基準面，點擊草圖繪制，繪制如上的形狀，利用指令，拉伸切除20mm； 9） 建立一個基準面,它與上視基準面平行，繪制如上所示的四邊形，利用指令，拉伸切除10mm。 完成以上步驟，就得到了輸入軸三維圖。輸出軸三維建模過程與輸入軸

63、三維建模過程基本一致。 （3）太陽輪的三維建模（太陽輪的三維建模，首先用參數(shù)化建模，繪制出齒輪后，在利用非參數(shù)化建模。）： 1）點擊新建指令，建立一個繪制零件的窗口； 2） 點擊設計庫指令，選擇國標、選擇傳功構(gòu)件、選擇齒輪構(gòu)件然后選擇正齒輪，點擊鼠標右鍵，點擊生成齒輪零件； 3）輸入計算出來的數(shù)據(jù) 、、、、、，點擊就可以完成齒輪的建模； 4）以齒輪的右端為基準面，繪制如上的圖形，利用指令，貫穿整個齒輪。 完成以上步驟，就得太陽輪的三維圖。內(nèi)齒圈的建模過程和太陽輪的建模過程基本上一致。 4.3虛擬裝配以及爆炸圖 4.3.1減速機的虛擬裝配 裝配體的裝配大致過程如

64、下： （1） 點擊新建一個裝配體，點擊插入零部件功能，插入下下箱體，此時下箱體為固定零部件； （2） 點擊插入零部件功能，分別插入輸入軸以及輸出軸，然后點擊配合功能，按照尺寸配合安裝； （3） 點擊插入零部件功能，插入太陽輪，然后點擊配合功能，按照尺寸和配合方式與輸入軸配合安裝； （4） 點擊插入零部件功能，插入行星輪，然后點擊配合功能，按照尺寸和配合方式與輸出軸上的行星架配合安裝； （5） 點擊圓周零件列陣，選擇參數(shù) ，按照輸入的參數(shù)點擊確認，就得到了3個已經(jīng)配合好在輸出軸上的行星輪； （6） 點擊插入零部件功能，插入彈性擋圈，然后點擊配合功能，按照尺寸和配合方式與輸出軸上的行星

65、架配合安裝； （7） 點擊圓周零件列陣，選擇參數(shù) ，按照輸入的參數(shù)點擊確認，就得到了3個已經(jīng)配合好在輸出軸上的彈簧擋圈； （8） 點擊插入零部件功能，插入內(nèi)齒圈，然后點擊配合功能，按照尺寸和配合方式與下箱體配合安裝； （9） 點擊插入零部件功能，插入1號軸承以及兩個1號氈圈，然后點擊配合功能，按照尺寸和配合方式與下箱體以及輸入軸配合安裝； （10） 點擊插入零部件功能，插入兩個2號軸承以及兩個2號氈圈，然后點擊配合功能，按照尺寸和配合方式與下箱體以及輸出軸配合安裝； （11） 點擊插入零部件功能，插入上箱體，然后點擊配合功能，按照尺寸和配合方式與下箱體配合安裝； （12） 點擊插入

66、零部件功能，分別插入觀察窗以及觀察窗橡膠墊片，然后點擊配合功能，按照尺寸和配合方式與上箱體的觀察窗口配合安裝； （13） 點擊插入零部件功能，插入兩個螺釘，然后點擊配合功能，按照尺寸和配合方式與觀察窗配合安裝； （14） 點擊鏡像零部件，選擇兩個配合好的螺釘，然后選擇鏡像面，點擊確定，就得到了配合好的在觀察窗上的4個螺釘； （15） 點擊插入零部件功能，分別插入兩個螺桿、兩個螺帽、兩個彈簧墊圈以及兩個平墊圈，然后點擊配合功能，按照尺寸和配合方式與下箱體和上箱體配合安裝； （16） 點擊鏡像零部件，選擇已經(jīng)配合好的螺桿、螺帽、彈簧墊圈已經(jīng)平墊圈，然后選擇鏡像面，點擊確定，就得到了在上箱體以及下箱體上的配合好的4套螺栓； （17） 完成以上步驟，得到了裝配體如下圖4.3，去箱蓋的右視圖如圖 4.4。 圖4.3 裝配體圖 圖4.4去箱蓋的右視圖 4.3.2減速機的爆炸視圖 爆炸圖的設計步驟： （1）點擊爆炸視圖按鈕，彈出一個對話框，里面有 、以及等選項； （2）根據(jù)對話框里面各個選項的提示，對行星減速機點擊各個零件按照順序進行拆卸；