蜗轮蜗杆减速器虚拟设计.docx

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蜗轮蜗杆减速器虚拟设计

第一章设计说明……………………………………………………………………………………2

第二章PEO/E三维建模……………………………………………………………………………6

2.1蜗杆建模……………………………………………………………………………………6

2.2蜗轮建模……………………………………………………………………………………9

2.3蜗轮轴建模…………………………………………………………………………………13

2.4轴承建模……………………………………………………………………………………13

2.5下箱体建模…………………………………………………………………………………14

2.6上箱体建模…………………………………………………………………………………17

第三章PROE/E装配………………………………………………………………………………18

第四章ADAMS分析………………………………………………………………………………22

4.1模型导入设置…………………………………………………………………………………22

4.2adams分析前处理……………………………………………………………………………26

4.3仿真结果………………………………………………………………………………………28

第五章ANSYS分析………………………………………………………………………………31

5.1Pro/E模型导入ANSYS进行有限元分析的过程……………………………………31

5.2蜗杆静力学分析……………………………………………………………………………31

5.3蜗轮轴静力学分析…………………………………………………………………………33

第一章设计说明

任务分配：

组长：

杜宇鹏

Proe建模负责人：

王朝伟：

涡轮蜗杆的建模

蜗轮轴的建模

苏雷：

上下箱体与轴承的建模

Proe装配负责人：

白银

Adams负责人：

杜宇鹏

Ansys负责人：

代思民

数据说明：

此设计涉及到涡轮蜗杆一级减速器的虚拟设计，要做虚拟设计，就要用到许多数据和参数，但是老师给的数据又非常不全，所以就不用老师给的数据了。

还好在大三学机械设计这门课时，我所做的课设题目也是涡轮蜗杆一级减速器的设计，所以此设计用到的相关数据都是大三做设计时得到的数据。

由于之前做的设计已经将计算部分算完了，此次设计的目的是三维建模、装配、仿真。

以下是此设计用到的相关数据：

（1）其他尺寸：

模数m=8，中心距a=225，蜗杆头数Z1=4。

（2）蜗杆尺寸：

轴向齿距Pa1=25.133mm，直径系数q=10.00;齿顶圆直径Da1=96mm；

齿根圆直径Df1=60mm，分度圆导程角=21.8°（右旋）；轴向齿厚S2=12.566mm。

图1-1为蜗杆轴的其他尺寸。

图1-1

（3）蜗轮尺寸：

蜗轮齿数Z2=47；变位系数X2=-0.375；蜗轮分度圆直径D2=376mm，蜗轮齿顶圆直径Da2=386mm，蜗轮齿根直径Df2=356mm；蜗轮轮缘宽度b=72mm。

（4）蜗轮轴尺寸：

如图1-2所示为蜗轮轴的尺寸。

图1-2

（5）轴承的型号：

7312c

（6）箱体的部分尺寸：

箱体的材料及制造方法：

选用铸铁HT100砂型铸造。

铸铁箱体主要结构尺寸和关系如表1-1、表1-2所示。

表1-1铸铁减速器箱体主要结构尺寸参数

名称

称号

一级齿轮减速器

计算结果

箱座壁厚

0.04a+3mm≥8mm

箱盖壁厚

δ1

0.85δ

箱座凸缘厚度

1.5δ

箱盖凸缘厚度

1.5δ1

箱座底凸缘厚度

2.5δ

地脚螺钉直径

0.036a+12mm

地脚螺钉数目

n=（L+B）/（200~300）

轴承旁连接螺栓直径

0.75df

箱座与箱盖连接螺栓直径

（0.5~0.6）df

连接螺栓d2的间距

125~200mm

160

轴承端螺钉直径

按选用的轴承端盖选用或（0.4~0.5）df

窥视孔盖螺钉直径

（0.3~0.4）df

定位销直径

（0.7~0.8）d2

df、d1、d2至外机壁距离

见表2

30,24,20

df、d1、d2至缘边距离

见表2

26,22,18

轴承旁凸台半径

凸台高度

根据低速轴承座外径确定

箱机壁到轴承端面距离

c1+c2+（5~10）mm

箱座底部凸缘宽度

δ+c1+c2+（5~10）mm

蜗轮齿顶圆与内箱壁距离

△1

≥1.2δ

蜗轮端面与内箱壁的距离

△2

≥δ

蜗杆箱体轴承座孔的轴向长度

Lc=（1~1.2）D，D为轴承孔

120

箱座肋厚

m≈0.85δ

箱盖肋厚

m1≈0.85δ

轴承端盖外径

轴承座孔直径+（5~5.5）d3

166

轴承端盖凸缘厚度

（1~1.2）d3

轴承旁连接螺栓距离

尽量靠近，以Md1和Md3不发生干涉为准

210

表1-2凸台及凸缘的结构尺寸

螺栓直径

M10

M12

M14

M16

M18

M20

M22

C1min

C2min

沉头座直径

第二章PEO/E三维建模

个人认为在三维建模的时候一定要养成良好的一个良好的习惯，这个好习惯会让你在装配或者文件导入adams中简化操作，因为这里存在一个定位问题，比如装配的时候如果装配是用到基准面没有或者位置不对的话，还要在建立，比较麻烦。

习惯就是：

尽可能将模型对称处理，比如在草绘中图形对称于中心线，用拉伸命令拉伸时对称拉伸等

还有就是在装配过程中遇到零件尺寸步合适在修改零件后，切记要保存，养成习惯。

1、蜗杆建模

蜗杆设计成品：

如图2-1

图2-1

此设计蜗杆为普通圆柱蜗杆阿基米德蜗杆，蜗杆参数在设计说明中已知，其主要设计思路如下：

◆利用螺旋扫描、阵列命令，创建蜗杆螺纹

◆利用旋转命令，创建轴体。

◆利用倒角、圆角命令，创建倒角。

◆利用拉伸命令切除材料，创建键槽。

具体步骤：

第一步，选中旋转扫描——伸出项命令（如图2-2）创建蜗杆轴螺纹。

按命令要求，在草绘中建立一条扫描的轨迹，如图2-3，接着草绘你要螺旋扫描的界面，如图2-4，最后输入螺距，图2-5。

图2-2

图2-3

图2-4

图2-5

第二步，因为设计的模数m=4，所以要绘制四条螺纹，用阵列命令陈列出四条螺纹线，如图2-6

图2-6

第三步，绘制轴上其他尺寸，利用旋转命令一次完成尺寸绘制，草绘尺寸，如图2-7

图2-7

第四步，绘制键槽的时候，用偏移平面做绘制面，草绘键槽如图2-8，在用倒角命令创建两边的倒角。

图2-8

2、蜗轮建模

建模思路：

先建立渐开线曲线，再镜像渐开线，接着创建蜗轮毛坯，利用最开始创建的两条渐开线建立一个齿的形状，再切除蜗轮毛坯材料创建一个齿，再阵列出所有齿，最后做蜗轮的结构设计。

蜗杆设计成品：

如图2-9

图2-9

第一步，镜像渐开线：

用曲线创建渐开线，渐开线方程：

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

在渐开线所在平面上，草绘齿根圆、基圆、分度圆、齿顶圆四个圆，接着用点命令建立渐开线与分度圆的交点（如图2-10），随后创建点所在平面，再以这个面为起始面创建镜像面，最后用镜像命令创建另一条渐开线（如图2-11，红线所示的为镜像面）。

图2-10图2-11

第二步，创建蜗轮毛坯：

用旋转命令完成，草绘平面如图2-12

图2-12图2-13

第三步，创建一个齿：

利用旋转命令，切除蜗轮毛坯上的材料，草绘截面如图2-13。

第四步，蜗轮结构设计：

由于蜗轮齿顶圆直径为392mm，所以采用腹板式的结构。

用旋转去除界面来命令完成，草绘界面如图2-14、2-15。

图2-14

图2-15

3、蜗轮轴建模

轴的建模不过多介绍，简单的用旋转拉伸命令即可，设计成品如图2-16。

图2-16

4、轴承建模

轴承为角接触球轴承7312c。

建模思路：

先创建轴承内外圈，再创建中间的滚动体，阵列滚动体。

第一步，创建轴承内外圈：

用旋转命令做，草绘截面如图2-17

图2-17

第二步，用旋转命令创建滚动体，草绘如图2-18，并阵列。

图2-18

5、下箱体建模

此设计由于蜗杆转速不太高，考虑润滑是否方便，所以蜗杆下置。

由说明已经给出部分尺寸，建模思路：

先建中间箱体，再建下部箱座结构，接着创建轴承座，最后再创建肋板、倒角。

倒圆等结构。

设计成品：

如图2-19

图2-19

第一步，根据蜗轮、蜗杆、轴承座的尺寸等，先建中间箱体，如图2-20

图2-20

第二步，创建箱座结构等局部结构，如图2-21

图2-21

第三步，创建蜗杆轴承座等局部结构，如图2-22

图2-23

第四步，创建蜗轮轴承座等局部结构，如图2-24

图2-24

第五步，创建螺栓孔、倒角、倒圆等结构，如图2-25

图2-25

6、上箱体建模

上箱体的建模过程与下箱体类似，这里就不再叙述，设计成品：

如图2-26

第三章PROE/E装配

装配思路：

在进行装配的时候，注意几个问题：

1.一定要根据你装配的三维图形，适当把握其先后顺序，正确的装配顺序会减少许多操作2.根据零件之间的关系，选择合适的连接方式。

首先要知道用pro/e进行装配时，装配的第一个件通常是不动的。

先将蜗轮与蜗轮轴装配，然后再建立一个装配，装配顺序是：

下箱体——蜗杆轴承座处的轴承装配——蜗杆装配——蜗轮轴承座处的轴承装配——蜗轮组建的装配——上箱体装配

装配成品：

如图3-1

图3-1

具体步骤如下：

第一步，蜗轮与蜗轮轴的装配：

两个件相互配合，应该固定在一起，先缺省放置蜗轮轴，然后再装蜗轮，如图3-2所示装配。

图3-2

第二步，再新建一个装配图，先缺省放置下箱体，再刚性装配蜗杆轴承处的轴承，注意两个轴承之间的距离，不好安装配轴，可以将下箱体切除一块。

如图3-3

图3-3

第二步，因为蜗杆要做圆周转动，所以用销钉连接进行定义，其中装动角度可以不设置，如图3-4。

图3-4

第三步，刚性装配蜗轮轴承座处的轴承，接着另一端也是，因为蜗轮组件要做圆周转动，所以用销钉连接进行定义，其中装动角度可以不设置，如图3-5。

图3-5

第四步，最后刚性装配上箱体，如图3-6，至此装配过程完成。

图3-6

第四章ADAMS分析

本文运用三维软件PRO/E建立了蜗杆传动机构的实体简化模型，运用ADAMS仿真分析软件对蜗杆传动机构进行分析,通过输入初始运动条件，计算机可自动进行分析绘出蜗轮蜗杆的受力及转速、电动机的驱动力矩。

1、模型导入设置

鉴于整体模型比较复杂，根据仿真的需要，将蜗杆减速器的上箱体、下箱体、轴承等固定构件简化为大地模型，简化后的蜗杆传动模型只包括蜗杆、蜗轮。

为了在ADAMS中建立蜗杆传动刚体模型，本文采用模型以parasolid格式导出，导入到ADAMS软件中文中用的方法是将CAD图形保存为x-t、Igs的格式来进行操作的。

本文CAD图形导入是导入的装配体。

CAD图形导入ADAMS之前要做以下设置：

（1）设置单位：

ADAMS的单位“毫米千克秒”，PRO\E默认单位“毫米牛顿秒”，导入之前应该将单位改过来。

具体设置是在装配图（你要导入adams的那个图）中的“编辑”—“设置”中将单位改为“毫米千克秒”，再从菜单“应用程序”切换到“Mechancia”,就会出现单位不统一的提示窗口,点转换Convert即可（如图4-1）再次从菜单“应用程序”切换回到标准设计环境。

图4-1

（2）保存装配体：

在PRO\E里将装配体保存副本，另存为格式为“x-t”。

图形保存的画面是proe保存时的最后画面，建议保存之前要调整好图形的视角，自己认为合适即可。

（3）导入adams中：

在ADAMS里把刚才保存的x_t文件import。

文件类型Filetype：

Parasolid,注意保存的路径FiletoRead不能有中文名称。

模型名称modelname:

右击选model—create。

如图4-2

但是图形导入之后，蜗杆图形失真，螺纹无法显示。

如图4-3

如图4-4

既然x-t格式导入蜗杆图形失真，再使用Igs格式导入adams中，我觉得导入的实际效果不是太好（Igs格式导入如图4-4）虽然图形没有失真，但是运行起来太慢，单单是修改图形外观这一个步骤，就要运行很长很长时间，所以就自己掌握的现有知识来说，不建议使用igs格式。

最后我决定简化蜗杆中的螺纹特征。

这虽然改变了其实际尺寸，但是不影响分析。

将整理之后的装配图导入adams中如图4-5。

如图4-5

（4）修改构建质量：

右键单击构件，之后弹出如图4-6所示菜单进行操作。

将蜗杆材料类型设置为铁，蜗轮设置为铜。

如果导入的件多的话，建议这样操作：

左手Ctrl+E（弹出edit——modify命令）在弹出的对话框中选择修改的构件，之后再修改材料的质量属性，在DefineMassBy中选择nameandposition修改构建名字，关闭之后建议再单击构件修改构建外观颜色。

如图4-6

（5）修改构件外观：

右键单击构件，之后弹出如图4-7所示菜单进行操作。

如图4-7

2.adams分析前处理

（1）设置工作环境

设置工作网格：

修改大小size：

x为400mmy为500mm。

设置单位：

修改单位为MMKS。

设置重力：

把方向设置为Z轴负方向。

（2）.建立约束

要在涡轮蜗杆之间建立齿轮福，已知要建立齿轮副需要两个转动副和一个marker。

在建立约束之前用布尔操作和命令将蜗轮与蜗轮轴变成一个整体，之后再建立约束。

先将蜗杆与地面之间建立旋转副，再将蜗轮与蜗杆轴整体与地面建立旋转副。

接着建立齿轮连接的marker，坐标为（0.0,-8.0,0.0）。

齿轮福建立如图4-8

如图4-8

齿轮副的建立还许设置marker的方向来确定蜗杆的导程角，螺纹导程角是21.8°。

按其旋转方式，确定Orientation为270，68.2，180。

如图4-9

（3）添加力

在蜗轮所在的转动副上添加反向力矩，大小为653N。

（4）添加驱动

将电动机加在蜗杆所在的旋转副上，蜗杆转速n为=5820d*time

（5）仿真

设置时间5s，步长为200

3.仿真结果

仿真结束后进入PostProcessor后处理模块查看所需的结果曲线。

（1）蜗轮蜗杆轴转速分析，如图4-10。

图4-10

（2）蜗杆轴受力分析，如图4-11。

图4-11

（3）蜗轮轴受力分析，如图4-12.

图4-12

（4）电动机驱动力矩，如图4-13.

图4-13

结论:

本节通过运用三维软件PRO/E建立了蜗杆传动机构的实体简化模型，在ADAMS仿真分析软件中对蜗杆传动机构进行分析，通过输入主动件初始运动条件，计算机可自动进行分析，绘出蜗轮蜗杆转速图、蜗轮蜗杆受力图、电动机驱动力矩图。

这就省略了理论分析方法一步步繁琐的数学公式推导及求导过程，并且分析结果为可视化的图表，直观且清晰。

通过将模拟值与实测值的比较，证明了这一计算方法的正确性与可行性。

第五章ANSYS分析

1、Pro/E模型导入ANSYS进行有限元分析的过程

ANSYS在默认的情况下是不能将Pro/E中的“.prt”文件直接进行转换的，必须通过相应的配置设置来激活该数据连接接口使其正常工作。

此设计是用Ansys10.0与proe4.0接口做的。

（1）将Pro/E模型复制到ANSYS的工作目录中，启动Pro/E，将其工作目录设置为ANSYS的工作目录，设置Pro/E的单位为国际标准单位制（m、N、sec、K），保存模型文件，单击菜单栏中的【ANSYS10.0】-->【ANSYSGeom】将模型导入ANSYS。

（2）单击【Plot】-->【Volumes】，以体模式显示模型，然后关闭ANSYS，选择不保存，再关闭Pro/E。

（3）重新运行ANSYS，单击【File】-->【ReadInputfrom】，选择ANSYS根目录下的“xxx.inf”文件打开（xxx为Pro/E模型文件的文件名）。

（4）在ANSYS命令行中运行“/units,si”，将系统单位制设为国际标准单位制。

2、蜗杆静力分析

按如上步骤导入pro/e模型蜗杆，再设置：

单元格类型：

solid45材料属性：

弹性模量为29e6、泊松比为0.3

自由划分网格

在轴承处添加约束力，在蜗杆齿面处添加约束力

如图5-1所示为蜗杆轴受力变形图，如图所示可看出，蜗杆齿面处受力变形最大。

图5-2为蜗杆受内应力图，由图可看出，蜗杆齿面处和一端安装轴承处受力较大。

图5-1

图5-2

3、蜗轮轴静力分析

按如上步骤导入pro/e模型蜗杆，再设置：

单元格类型：

solid45材料属性：

弹性模量为29e6、泊松比为0.3

自由划分网格

在轴承处添加约束力，在相应安装蜗轮处添加约束力

如图5-3所示为蜗轮轴受力变形图，如图所示可看出，在安装蜗轮处受力变形最大。

图5-4为蜗轮轴受内应力图，由图可看出，一端安装轴承处受力较大。

图5-3

图5-4

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