蝸輪蝸桿減速器虛擬設計

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1、機設綜合設計 目 錄 第一章 設計說明……………………………………………………………………………………2 第二章 PEO/E三維建模……………………………………………………………………………6 2.1蝸桿建?！? 6 2.2蝸輪建模…………………………………………………………………………………… 9 2.3蝸輪軸建?！?13 2.4軸承建模…………………………………………………………………………………… 13 2.5下箱體建?！?/p>

2、……………………………………………… 14 2.6上箱體建模………………………………………………………………………………… 17 第三章 PROE/E裝配………………………………………………………………………………18 第四章ADAMS分析………………………………………………………………………………22 4.1模型導入設置…………………………………………………………………………………22 4.2adams分析前處理……………………………………………………………………………26 4.3仿真結(jié)果………………………………………………………………………………………28 第五章ANSYS分

3、析……………………………………………………………………………… 31 5.1 Pro/E模型導入ANSYS進行有限元分析的過程…………………………………… 31 5.2 蝸桿靜力學分析……………………………………………………………………………31 5.3蝸輪軸靜力學分析…………………………………………………………………………33 第一章 設計說明 任務分配： 組長：杜宇鵬 Proe建模負責人：王朝偉：渦輪蝸桿的建模 蝸輪軸的建模 蘇雷：上下箱體與軸承的建模 Proe裝配負責人：白銀 Adams負責人：杜宇鵬 Ansys負責人：代思民 數(shù)據(jù)說明：

4、此設計涉及到渦輪蝸桿一級減速器的虛擬設計，要做虛擬設計，就要用到許多數(shù)據(jù)和參數(shù)，但是老師給的數(shù)據(jù)又非常不全，所以就不用老師給的數(shù)據(jù)了。還好在大三學機械設計這門課時，我所做的課設題目也是渦輪蝸桿一級減速器的設計，所以此設計用到的相關(guān)數(shù)據(jù)都是大三做設計時得到的數(shù)據(jù)。由于之前做的設計已經(jīng)將計算部分算完了，此次設計的目的是三維建模、裝配、仿真。 以下是此設計用到的相關(guān)數(shù)據(jù)： （1）其他尺寸： 模數(shù)m=8，中心距a=225，蝸桿頭數(shù)Z1=4。 （2）蝸桿尺寸： 軸向齒距Pa1=25.133mm，直徑系數(shù)q=10.00;齒頂圓直徑Da1=96mm； 齒根圓直徑Df1=60mm，分度圓導程角=2

5、1.8 （右旋）；軸向齒厚S2=12.566mm。圖1-1為蝸桿軸的其他尺寸。 圖1-1 （3）蝸輪尺寸： 蝸輪齒數(shù)Z2=47；變位系數(shù)X2=-0.375；蝸輪分度圓直徑D2=376mm，蝸輪齒頂圓直徑Da2=386mm，蝸輪齒根直徑Df2=356mm；蝸輪輪緣寬度b=72mm。 （4）蝸輪軸尺寸：如圖1-2所示為蝸輪軸的尺寸。 圖1-2 （5）軸承的型號：7312c （6）箱體的部分尺寸： 箱體的材料及制造方法：選用鑄鐵HT100砂型鑄造。鑄鐵箱體主要結(jié)構(gòu)尺寸和關(guān)系如表1-1、表1-2所示。 表1-1鑄鐵減速器箱體主要結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù) 名 稱 稱 號 一級齒輪減

6、速器 計算結(jié)果 箱座壁厚 δ 0.04a+3mm≥8mm 12 箱蓋壁厚 δ1 0.85δ 11 箱座凸緣厚度 b 1.5δ 18 箱蓋凸緣厚度 b1 1.5δ1 17 箱座底凸緣厚度 b2 2.5δ 30 地腳螺釘直徑 df 0.036a+12mm 22 地腳螺釘數(shù)目 n n =(L+B)/(200~300) 4 軸承旁連接螺栓直徑 d1 0.75 df 18 箱座與箱蓋連接螺栓直徑 d2 (0.5~0.6) df 14 連接螺栓d2的間距 l 125~200mm 160 軸承端螺釘直徑 d3 按選用的軸

7、承端蓋選用或(0.4~0.5) df 12 窺視孔蓋螺釘直徑 d4 (0.3~0.4) df 8 定位銷直徑 d (0.7~0.8) d2 12 df、d1 、d2至外機壁距離 c1 見表2 30,24,20 df 、d1 、d2至緣邊距離 c2 見表2 26,22,18 軸承旁凸臺半徑 R1 c2 26 凸臺高度 h 根據(jù)低速軸承座外徑確定 55 箱機壁到軸承端面距離 l1 c1+ c2+(5~10)mm 55 箱座底部凸緣寬度 l2 δ+ c1+ c2+(5~10)mm 77 蝸輪齒頂圓與內(nèi)箱壁距離 △1 ≥1.2δ

8、 15 蝸輪端面與內(nèi)箱壁的距離 △2 ≥δ 12 蝸桿箱體軸承座孔的軸向長度 lc Lc=（1~1.2）D，D為軸承孔 120 箱座肋厚 m m≈0.85δ 11 箱蓋肋厚 m1 m1≈0.85δ 10 軸承端蓋外徑 D2 軸承座孔直徑+(5~5.5) d3 166 軸承端蓋凸緣厚度 e (1~1.2) d3 15 軸承旁連接螺栓距離 s 盡量靠近，以Md1和Md3不發(fā)生干涉為準 210 表1-2 凸臺及凸緣的結(jié)構(gòu)尺寸 螺栓直徑 M6 M8 M10 M12 M14 M16 M18 M20 M22 C1min

9、 12 14 16 18 20 22 24 26 30 C2min 10 12 14 16 18 20 22 24 26 沉頭座直徑 15 20 24 28 32 34 38 42 44 第二章 PEO/E三維建模 個人認為在三維建模的時候一定要養(yǎng)成良好的一個良好的習慣，這個好習慣會讓你在裝配或者文件導入adams中簡化操作，因為這里存在一個定位問題，比如裝配的時候如果裝配是用到基準面沒有或者位置不對的話，還要在建立，比較麻煩。習慣就是：盡可能將模型對稱處理，比如在草繪中圖形對稱于中心線，用拉伸命令拉伸時對稱拉伸等 還

10、有就是在裝配過程中遇到零件尺寸步合適在修改零件后，切記要保存，養(yǎng)成習慣。 1、蝸桿建模 蝸桿設計成品：如圖2-1 圖2-1 此設計蝸桿為普通圓柱蝸桿阿基米德蝸桿，蝸桿參數(shù)在設計說明中已知，其主要設計思路如下： ◆ 利用螺旋掃描、陣列命令，創(chuàng)建蝸桿螺紋 ◆ 利用旋轉(zhuǎn)命令，創(chuàng)建軸體。 ◆ 利用倒角、圓角命令，創(chuàng)建倒角。 ◆ 利用拉伸命令切除材料，創(chuàng)建鍵槽。 具體步驟： 第一步，選中旋轉(zhuǎn)掃描——伸出項命令（如圖2-2）創(chuàng)建蝸桿軸螺紋。按命令要求，在草繪中建立一條掃描的軌跡，如圖2-3，接著草繪你要螺旋掃描的界面，如圖2-4，最后輸入螺距，圖2-5。 圖2-2

11、 圖2-3 圖2-4 圖2-5 第二步，因為設計的模數(shù)m=4，所以要繪制四條螺紋，用陣列命令陳列出四條螺紋線，如圖2-6 圖2-6 第三步，繪制軸上其他尺寸，利用旋轉(zhuǎn)命令一次完成尺寸繪制，草繪尺寸，如圖2-7 圖2-7 第四步，繪制鍵槽的時候，用偏移平面做繪制面，草繪鍵槽如圖2-8，在用倒角命令創(chuàng)建兩邊的倒角。 圖2-8 2、蝸輪建模 建模思路：先建立漸開線曲線，再鏡像漸開線，接著創(chuàng)建蝸輪毛坯，利用最開始創(chuàng)建的兩條漸開線建立一個齒的形狀，再切除蝸輪毛坯材料創(chuàng)建一個齒，再陣列出所有齒，最后做蝸輪的結(jié)構(gòu)設計。 蝸桿設計

12、成品：如圖2-9 圖2-9 第一步，鏡像漸開線：用曲線創(chuàng)建漸開線，漸開線方程： r=353.3/2 theta=t*45 x=r*cos(theta)+r*sin(theta)*theta*pi/180 y=r*sin(theta)-r*cos(theta)*theta*pi/180 z=0 在漸開線所在平面上，草繪齒根圓、基圓、分度圓、齒頂圓四個圓，接著用點命令建立漸開線與分度圓的交點（如圖2-10），隨后創(chuàng)建點所在平面，再以這個面為起始面創(chuàng)建鏡像面，最后用鏡像命令創(chuàng)建另一條漸開線（如圖2-11，紅線所示的為鏡像面）。 圖2-10

13、 圖2-11 第二步，創(chuàng)建蝸輪毛坯：用旋轉(zhuǎn)命令完成，草繪平面如圖2-12 圖2-12 圖2-13 第三步，創(chuàng)建一個齒：利用旋轉(zhuǎn)命令，切除蝸輪毛坯上的材料，草繪截面如圖2-13。 第四步，蝸輪結(jié)構(gòu)設計：由于蝸輪齒頂圓直徑為392mm，所以采用腹板式的結(jié)構(gòu)。用旋轉(zhuǎn)去除界面來命令完成，草繪界面如圖2-14、2-15。 圖2-14 圖2-15 3、蝸輪軸建模 軸的建模不過多介紹，簡單的用旋轉(zhuǎn)拉伸命令即可，設計成品如圖2-16。 圖2-16 4、軸承建模 軸承為角

14、接觸球軸承7312c。 建模思路：先創(chuàng)建軸承內(nèi)外圈，再創(chuàng)建中間的滾動體，陣列滾動體。 第一步，創(chuàng)建軸承內(nèi)外圈：用旋轉(zhuǎn)命令做，草繪截面如圖2-17 圖2-17 第二步，用旋轉(zhuǎn)命令創(chuàng)建滾動體，草繪如圖2-18，并陣列。 圖2-18 5、下箱體建模 此設計由于蝸桿轉(zhuǎn)速不太高，考慮潤滑是否方便，所以蝸桿下置。由說明已經(jīng)給出部分尺寸，建模思路：先建中間箱體，再建下部箱座結(jié)構(gòu)，接著創(chuàng)建軸承座，最后再創(chuàng)建肋板、倒角。倒圓等結(jié)構(gòu)。設計成品：如圖2-19 圖2-19 第一步，根據(jù)蝸輪、蝸桿、軸承座的尺寸等，先建中間箱體，如圖2-20 圖2-20 第二步，創(chuàng)建箱座結(jié)構(gòu)等局部結(jié)

15、構(gòu)，如圖2-21 圖2-21 第三步，創(chuàng)建蝸桿軸承座等局部結(jié)構(gòu)，如圖2-22 圖2-23 第四步，創(chuàng)建蝸輪軸承座等局部結(jié)構(gòu)，如圖2-24 圖2-24 第五步，創(chuàng)建螺栓孔、倒角、倒圓等結(jié)構(gòu)，如圖2-25 圖2-25 6、上箱體建模 上箱體的建模過程與下箱體類似，這里就不再敘述，設計成品：如圖2-26 如圖2-26 第三章 PROE/E裝配 裝配思路：在進行裝配的時候，注意幾個問題：1.一定要根據(jù)你裝配的三維圖形，適當把握其先后順序，正確的裝配順序會減少許多操作2.根據(jù)零件之間的關(guān)系，選擇合適的連接方式。首先要知道用pro/e進行裝配時，裝配

16、的第一個件通常是不動的。先將蝸輪與蝸輪軸裝配，然后再建立一個裝配，裝配順序是：下箱體——蝸桿軸承座處的軸承裝配——蝸桿裝配——蝸輪軸承座處的軸承裝配——蝸輪組建的裝配——上箱體裝配 裝配成品：如圖3-1 圖3-1 具體步驟如下： 第一步，蝸輪與蝸輪軸的裝配：兩個件相互配合，應該固定在一起，先缺省放置蝸輪軸，然后再裝蝸輪，如圖3-2所示裝配。 圖3-2 第二步，再新建一個裝配圖，先缺省放置下箱體，再剛性裝配蝸桿軸承處的軸承，注意兩個軸承之間的距離，不好安裝配軸，可以將下箱體切除一塊。如圖3-3 圖3-3 第二步，因為蝸桿要做圓周轉(zhuǎn)動，所以用銷釘連接進行定義，其中裝

17、動角度可以不設置，如圖3-4。 圖3-4 第三步，剛性裝配蝸輪軸承座處的軸承，接著另一端也是，因為蝸輪組件要做圓周轉(zhuǎn)動，所以用銷釘連接進行定義，其中裝動角度可以不設置，如圖3-5。 圖3-5 第四步，最后剛性裝配上箱體，如圖3-6，至此裝配過程完成。 圖3-6 第四章 ADAMS分析 本文運用三維軟件PRO/E建立了蝸桿傳動機構(gòu)的實體簡化模型，運用A D A M S 仿真分析軟件對蝸桿傳動機構(gòu)進行分析,通過輸入初始運動條件，計算機可自動進行分析 繪出蝸輪蝸桿的受力及轉(zhuǎn)速、電動機的驅(qū)動力矩。 1、模型導入設置 鑒于整體模型比較

18、復雜 ，根據(jù)仿真的需要，將蝸桿減速器的上箱體、下箱體、軸承等固定構(gòu)件簡化為大地模型，簡化后的蝸桿傳動模型只包括蝸桿、蝸輪。為了在 A D A M S 中建立蝸桿傳動剛體模型，本文采用模型 以 parasoli d 格式 導 出 ，導 入到 A D A M S 軟件中文中用的方法是將CAD圖形保存為x-t、Igs的格式來進行操作的。本文CAD圖形導入是導入的裝配體。CAD圖形導入ADAMS之前要做以下設置： （1）設置單位：ADAMS的單位“毫米千克秒”，PRO\E默認單位“毫米牛頓秒”，導入之前應該將單位改過來。具體設置是在裝配圖（你要導入adams的那個圖）中的“編輯”—“設置”中將單位改

19、為“毫米千克秒”，再從菜單“應用程序”切換到“Mechancia”,就會出現(xiàn)單位不統(tǒng)一的提示窗口,點轉(zhuǎn)換Convert即可(如圖4-1)再次從菜單“應用程序”切換回到標準設計環(huán)境 。 圖4-1 （2）保存裝配體：在PRO\E里將裝配體保存副本，另存為格式為“x-t”。圖形保存的畫面是proe保存時的最后畫面，建議保存之前要調(diào)整好圖形的視角，自己認為合適即可。 （3）導入adams中：在ADAMS里把剛才保存的x_t文件import。文件類型File type：Parasolid,注意保存的路徑File to Read不能有中文名稱。模型名稱model name:右擊選mode

20、l—create。如圖4-2 如圖4-2 但是圖形導入之后，蝸桿圖形失真，螺紋無法顯示。如圖4-3 如圖4-3 如圖4-4 既然x-t格式導入蝸桿圖形失真，再使用Igs格式導入adams中，我覺得導入的實際效果不是太好（Igs格式導入如圖4-4）雖然圖形沒有失真，但是運行起來太慢，單單是修改圖形外觀這一個步驟，就要運行很長很長時間，所以就自己掌握的現(xiàn)有知識來說，不建議使用igs格式。最后我決定簡化蝸桿中的螺紋特征。這雖然改變了其實際尺寸，但是不影響分析。將整理之后的裝配圖導入adams中如圖4-5。 如圖4-5 （4）修改構(gòu)建質(zhì)量：右鍵單擊構(gòu)件，之后彈出如圖4

21、-6所示菜單進行操作。將蝸桿材料類型設置為鐵，蝸輪設置為銅。如果導入的件多的話，建議這樣操作：左手Ctrl+E （彈出edit——modify命令）在彈出的對話框中選擇修改的構(gòu)件，之后再修改材料的質(zhì)量屬性，在Define Mass By 中選擇name and position 修改構(gòu)建名字，關(guān)閉之后建議再單擊構(gòu)件修改構(gòu)建外觀顏色。 如圖4-6 （5）修改構(gòu)件外觀：右鍵單擊構(gòu)件，之后彈出如圖4-7所示菜單進行操作。 如圖4-7 2.adams分析前處理 （1）設置工作環(huán)境 設置工作網(wǎng)格：修改大小size：x為 400mm y為500mm。 設置單位：修改單位為MMK

22、S。 設置重力：把方向設置為Z軸負方向。 （2）.建立約束 要在渦輪蝸桿之間建立齒輪福，已知要建立齒輪副需要兩個轉(zhuǎn)動副和一個marker。在建立約束之前用布爾操作和命令將蝸輪與蝸輪軸變成一個整體，之后再建立約束。先將蝸桿與地面之間建立旋轉(zhuǎn)副，再將蝸輪與蝸桿軸整體與地面建立旋轉(zhuǎn)副。接著建立齒輪連接的marker，坐標為（0.0, -8.0, 0.0）。齒輪福建立如圖4-8 如圖4-8 齒輪副的建立還許設置marker的方向來確定蝸桿的導程角，螺紋導程角是21.8。按其旋轉(zhuǎn)方式，確定Orientation為270，68.2，180。如圖4-9 如圖4-9 （3）添加力

23、在蝸輪所在的轉(zhuǎn)動副上添加反向力矩，大小為653N。 （4）添加驅(qū)動 將電動機加在蝸桿所在的旋轉(zhuǎn)副上，蝸桿轉(zhuǎn)速n為=5820d*time （5）仿真 設置時間5s，步長為200 3.仿真結(jié)果 仿真結(jié)束后進入PostProcessor后處理模塊查看所需的結(jié)果曲線 。 (1)蝸輪蝸桿軸轉(zhuǎn)速分析 ，如圖4-10。 圖4-10 （2）蝸桿軸受力分析，如圖4-11。 圖4-11 （3）蝸輪軸受力分析，如圖4-12. 圖4-12 （4）電動機驅(qū)動力矩，如圖4-13. 圖4-13 結(jié)論: 本節(jié)通過運用三維軟件PRO/E建立了蝸桿傳動機構(gòu)的實體簡化

24、模型，在 A D A M S 仿真分析軟件中對蝸桿傳動機構(gòu)進行分析，通過輸入主動件初始運動條件 ，計算機可自動進行分析，繪出蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)速圖、蝸輪蝸桿受力圖、電動機驅(qū)動力矩圖。這就省略了理論分析方法一步步繁瑣的數(shù)學公式推導及求導過程，并且分析結(jié)果為可視化的圖表 ，直觀且清晰。通過將模擬值與實測值的比較，證明了這一計算方法的正確性與可行性。 第五章 ANSYS分析 1、Pro/E模型導入ANSYS進行有限元分析的過程 ANSYS在默認的情況下是不能將Pro/E中的“.prt”文件直接進行轉(zhuǎn)換的，必須通過相應的配置設置來激活該數(shù)據(jù)連接接口使其正常工作。此設計是用Ansys1

25、0.0與proe4.0接口做的。 (1) 將Pro/E模型復制到ANSYS的工作目錄中，啟動Pro/E，將其工作目錄設置為ANSYS的工作目錄，設置Pro/E的單位為國際標準單位制（m、N、sec、K），保存模型文件，單擊菜單欄中的【ANSYS 10.0】-->【ANSYSGeom】將模型導入ANSYS。 （2）單擊【Plot】-->【Volumes】，以體模式顯示模型，然后關(guān)閉ANSYS，選擇不保存，再關(guān)閉Pro/E。 （3）重新運行ANSYS，單擊【File】-->【Read Input from】，選擇ANSYS根目錄下的“xxx.inf”文件打開（xxx為Pro/E模型文件的文件

26、名）。 （4）在ANSYS命令行中運行“/units,si”，將系統(tǒng)單位制設為國際標準單位制。 2、蝸桿靜力分析 按如上步驟導入pro/e模型蝸桿，再設置： 單元格類型：solid45 材料屬性：彈性模量為29e6 、泊松比為0.3 自由劃分網(wǎng)格 在軸承處添加約束力，在蝸桿齒面處添加約束力 如圖5-1所示為蝸桿軸受力變形圖，如圖所示可看出，蝸桿齒面處受力變形最大。圖5-2為蝸桿受內(nèi)應力圖，由圖可看出，蝸桿齒面處和一端安裝軸承處受力較大。 圖5-1 圖5-2 3、蝸輪軸靜力分析 按如上步驟導入pro/e模型蝸桿，再設置： 單元格類型：solid45 材料屬性：彈性模量為29e6 、泊松比為0.3 自由劃分網(wǎng)格 在軸承處添加約束力，在相應安裝蝸輪處添加約束力 如圖5-3所示為蝸輪軸受力變形圖，如圖所示可看出，在安裝蝸輪處受力變形最大。圖5-4為蝸輪軸受內(nèi)應力圖，由圖可看出，一端安裝軸承處受力較大。 圖5-3 圖5-4 - 33 -