毕业设计（论文）基于ProE的蜗轮蜗杆减速器的建模与仿真.doc

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1、 分类号 单位代码 密 级 公开 学 号 学生毕业设计（论文）题 目基于Pro/E的蜗轮蜗杆减速器的建模与仿真作 者黄胜军院 (系)能源工程学院专 业机械设计制造及其自动化指导教师 答辩日期2014年5月24日 摘要减速器是一种用于低转速大转矩的传动设备，把电动机或内燃机的动力通过减速器上的输入轴上齿数少的齿轮与齿数大的齿轮啮合达到减速的目的。蜗轮蜗杆减速器主要用来传递空间相交两轴之间的动力，它具有传动比大、结构紧凑、不需要其他机构就能实现反行程自锁等优点，因此在生活中得到了广泛的应用。但是蜗轮蜗杆减速器普遍存在着机械效率过低、传动发热量大、精度不高等缺点。这也是当前国内外致力于研究的前沿课题

2、。Pro/ENGINEER是一种集零件设计、曲面设计、产品装配于一体的3D建模仿真软件，广泛应用于汽车、造船、航天、电子模具等行业。本文主要研究的是蜗轮蜗杆减速器的传动特性，首先是蜗轮蜗杆减速器的设计、校核、以及结构设计；其次是基于Pro/E的零件图的建模以及蜗轮蜗杆减速器装配图、爆炸图的生成；最后利用Pro/E进行仿真，输出蜗轮蜗杆减速器中个构件的运行图像、技术参数等。关键词：蜗轮蜗杆；减速器；Pro/E；模型；仿真Based on Pro/E modeling and simulation of worm gear reducer ABSTRACTReducer is a kind of

3、equipment that be used of driving in low speed and high torque.The motor power or internal combustion engine by means of input shaft gear little wheel engages with large number of achieve the goal of reduction.worm gear and worm gear reducer is mainly used to transfer between axis of the intersectio

4、n of space power.It has a large transmission ratio and compact structure.In the other hand,worm gear and worm gear reducer has the advantages of the stroke self-locking that neednt other agencies.Therefore,it has widely used in the life.But there are widespread questions which low mechanical efficie

5、ncy worm gear and worm reducer,transmission calorific value and the higher accuracy.This is also committed to the forefront of research topic at home and abroad at present.Pro/ENGINEER is a collection of parts design,surface design,product assembly in the integration of 3D modeling and simulation so

6、ftware,widely used in automobile,Shipbuilding aerospace,electronic mold and other industries.This paper mainly studies transmission characteristics of worm gear and worm reducer.In the first,I designed the worm gear and worm reducer and checked the stronger and design the structure.The second first

7、is the part drawing based on Pro/E modeling and the production of worm gear and worm reducer assembly drawing,explosion.In the end,I will product running image and technical parameter about worm gear and worm reducer based on Pro/E simulation.Keywords:worm gear and worm reducer;Pro/E;model;simulatio

8、n目录摘要IABSTRACTII1.绪论11.1 课题研究的背景11.2 减速器的国内外研究现状11.3 课题研究的目的和意义21.4 研究内容22.减速器传动装置的总体设计52.1 已知参数52.2 传动装置总体设计52.3 传动零件的设计计算62.3.1 蜗轮蜗杆的传动设计62.3.2 蜗轮蜗杆的尺寸设计73.蜗杆、蜗轮轴的基本尺寸设计153.1 蜗杆轴基本尺寸设计153.2 蜗轮轴的基本尺寸设计163.3 按照弯扭合成应力校核轴的强度193.4 蜗轮轴的轴承选择与校核223.5 蜗杆轴的轴承选择与校核263.6 键的选择与校核293.6.1 蜗轮与轴配合采用平键连接293.6.2 蜗轮轴

9、与联轴器之间用键连接303.6.3 蜗杆轴与联轴器之间用键连接304.蜗轮蜗杆减速器箱体及其他辅助零件设计、装配334.1 密封圈的选择334.2 弹簧垫圈的选择344.3 箱体尺寸设计344.4 轴承端盖的设计394.5 蜗轮蜗杆减速器装配图415 蜗轮蜗杆减速器的运动分析435.1 新建组件文件435.2 向组件中添加减速器零件435.3 定义齿轮副连接445.4 定义伺服电机455.5 运动学分析515.6 进行回放与视频制作535.7 生成分析测量结果53总结56参考文献57致 谢581.绪论1.1 课题研究的背景减速器多以蜗轮蜗杆、齿轮传动为主，但是比重小、功率低、传动比大、传动效率

10、低等问题依然普遍存在，这也是制约减速器发展的一个主要的因素。随着计算机技术的迅速发展，逐渐将计算机辅助机械设计、计算机辅助制造、及其优化设计应用于蜗轮蜗杆减速器的设计中，提高了设计精度，避免了人为误差。通过本课题的研究，将进一步对这一技术进行深入地了解和学习。1.2 减速器的国内外研究现状我国从20世纪60年代初开始，由第一机械工业部机械科学研究院开展平面涡轮的研究工作，1964年合作研制成中心距为540mm的平面涡轮副，用于30t的转炉中。目前我国已经成功研制成功中心距为1200mm和700mm的平面包络环面蜗杆传动装置，而且利用计算机对蜗杆副齿形进行优化设计选择，用机械CAD对蜗杆副、减速

11、器及涡轮滚刀进行辅助设计，用环面蜗杆专用机床及独特的工艺路线，对蜗杆及蜗轮滚刀进行与其成型原理完全一致的加工，不需任何的修形。齿轮减速器是一种广泛用于国防、宇航、交通、建筑、冶金、建材、矿山等领域的重要装备，20世纪80年代以来，世界齿轮减速器技术有了很大的发展，产品的发展总趋势是小型化、高速化、低噪声、和高可靠性，技术发展中最引人注目的是硬齿面技术、功率分支技术和模块化设计技术。硬齿面技术就是采用优质合金刚锻件、渗碳淬火磨齿的硬齿面齿轮，磨齿精度不低于ISO1328-1975的6级，综合承载能力为中硬齿面调质齿轮的35倍。一个中等规格的硬齿面减速器的重量仅为中硬齿面减速器的1/3左右，且噪声

12、低、效率高、可靠性高。其传动的速度和功率范围很大，传动效率高，一对齿轮可达到9899%，互换性好装配和维修较为方便，可进行变位切削及各种修形、修缘，从而提高传动质量，在给类齿轮在应用最为广泛。功率分支技术主要指形星及大功率齿轮箱的功率双分支及多分支装置，其核心技术是均衡，广泛应运于冶金、矿山、电功、起重、运输、石化、轻功机械等具有极强的通用性和互换性，大大减少了部件的制造程序，提高了效率。模块化设计技术已经成为齿轮减速器发展的一个主要方向，他旨在追求高性能的同时，尽可能减少零件及毛坯的品种规格和数量，以便组织生产、降低成本，获得规模效益。同时采用基本零件，增加产品的形式和花样，尽可能多的开发使

13、用的变型设计或派生系列产品，能由一个通用系列派生多个专用系列，摆脱了传统的单一有底座实心轴输出的安装方式。增加了空心轴输出的无底座悬挂式、浮动支撑底座、电动机与减速器一体式连接、多方位安装面等不同形式扩大了使用范围。近十几年来，由于计算机技术和数控技术的发展，CAD/CAM技术被广泛应用机械设计和制造领域，是的机械加工精度、加工效率大大提高，从而推动了机械产品的多样化，整机配套的模块化，标准化，以及造型设计艺术化，使产品更加精致美化。国内与国外相比，材料水平和工艺水平上还有许多弱点，特别是大型的减速器问题更为突出。对于国外技术而言虽然在材料和制造工艺方面占优势，工作可靠性高，使用寿命长，但其传

14、动形式仍以定轴齿轮传动为主，体积和重量问题，传动比大而效率低的问题仍然未解决好。当今的减速器是向着大功率、大传动比、小体积、高机械效率及使用寿命长的方向发展。1.3 课题研究的目的和意义蜗轮蜗杆传动产生于1922年美国，主要用于精密分度，如天文望远镜、齿轮测量仪等。由于制造工艺简单，容易获得高精度，且适用于大传动比的场合，所以得到了广泛应用。用展成法加工蜗轮，大大提高了生产效率，同时其承载能力、传动效率也明显提高。如今，国内的减速器多以齿轮、蜗轮蜗杆传动为主，但普遍存在着传动比大而机械效率过低的问题，另外材料的品质和工艺水平还有许多弱点，特别是大型的减速器问题更为突出，使用寿命不长。国外的减速

15、器，以德国、丹麦和日本处于领先地位，特别在材料和制造工艺方面占优势，减速器工作可靠性好，使用寿命长，但其传动形式仍以定轴齿轮传动为主，体积和重量问题也未解决好。当今减速器向着大功率、大传动比、小体积、高机械效率以及使用寿命长的方向发展。而本文以Pro/E为平台的蜗轮蜗杆减速器设计，不仅实现了三维参数化造型，而且实现了蜗轮蜗杆传动机构的运动仿真，避免了取点造型的复杂过程，对三维实体零件模型的建模是进行后期的有限元分析、机构仿真和数控分析的必要条件，实现机构运动仿真的前提下，更进一步通过测试其运动学、动力学性能指标、实现机构参数化优化。1.4 研究内容 根据给定的主要参数，本文完成的主要内容如下:

16、（1）了解蜗轮蜗杆减速器的主要工作原理，确定合理的设计方案。（2）完成减速器的建模仿真，主要包括：蜗轮蜗杆参数化设计，蜗轮三维建模，蜗杆三维建模，机构的运动仿真。2.减速器传动装置的总体设计2.1 已知参数总传动比：I=20，Z1=2，Z2=40输入功率：P=9 KW蜗杆转速：n1=1450r/min工作环境：工作载荷较稳定，但有不大的冲击，要求寿命为12000h2.2 传动装置总体设计根据要求设计蜗轮蜗杆减速器，传动路线为：电机联轴器蜗轮蜗杆减速器联轴器运输机。减速器的结构包括电动机、蜗轮蜗杆传动装置、箱体、滚动轴承检查孔及定位销等附件及其他标准件（如下图），为了防止润滑油的大量漏失及外界灰

17、尘的侵入，在轴承元件中装有密封元件。图 2-1 蜗轮蜗杆减速器传动路线2.3 传动零件的设计计算2.3.1 蜗轮蜗杆的传动设计1) 选择蜗轮蜗杆传动类型根据GB/T 100851988，采用渐开线蜗杆。2) 选择蜗轮蜗杆材料考虑到蜗杆传动功率不大，速度只是中等，故蜗杆用45钢；因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为4555HRC。蜗轮用铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金属模铸造。为了节省贵重金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁HT100制造。3) 按齿面接触疲劳强度进行设计根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。传动中心距： 确定

18、作用在蜗轮上的转矩T2 按z1=2，估计效率=0.8，则 T2= 确定载荷系数K因工作载荷稳定，故载荷分布不均匀系数；查参考文献5从表11-5选取使用系数KA=1.15；由于冲击、转速不高，可取动载荷系数KV=1.05；则 确定弹性影响系数ZE，由于选用钢蜗杆与铸锡磷青铜蜗轮相配，故ZE=160MPa。 确定接触系数先假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距a的比值=0.35，查参考文献5从图11-18中可查得=2.9。 确定许用接触应力根据蜗轮材料铸锡磷青铜ZCuSn10p1，蜗杆齿面硬度45HRC，查参考文献5从表11-7中查得蜗轮的基本许用应力=268MPa。应力循环次数N=60jn2Lh=寿

19、命系数KHN=0.8134则 计算中心距 取中心距a=200mm，因i=20，故查参考文献5从表11-2中取模数m=8mm，蜗杆分度圆直径d1=80mm。这时=0.4，查参考文献5从图11-18中可查的接触系数=2.74，因Pa,所以对轴承B进行验算：若每年按300个工作时间，该轴承可用。图 3-5 轴承内圈的草绘截面图 3-6 轴承内圈图 3-7 滚动体图 3-8 轴承外圈图 3-9 保持架图 3-10 30315轴承3.5 蜗杆轴的轴承选择与校核按照轴的结构设计，选择30310型圆锥滚子轴承，dDT=50mm110mm29.25mm1) 计算轴承受到的载荷由于圆锥滚子轴承承受径向载荷的时候

20、，还要产生派生的轴向力。查参考文献5从表13-7知圆锥滚子轴承的派生力，查参考文献1从表15-1得e=0.35，Y=1.7两轴承受到的径向载荷：,两轴承受到的派生力：由,所以轴有向B端（右端）窜动的趋势。两轴承受到的轴向力：=297.36N,=6044.36N2) 求轴承的当量动载荷，查参考文献1从表15-1知当量载荷Pa=1011.03N。3) 验算轴承的寿命 若一年按照300个工作日计算，该轴承可工作。图 3-11 轴承内圈 图 3-12 滚动体图 3-13 轴承外圈图 3-14 保持架图 3-15 30310轴承3.6 键的选择与校核3.6.1 蜗轮与轴配合采用平键连接1) 安装蜗轮的轴

21、颈=78mm，=65mm。查参考文献1从表14-24选用A型平键连接，即键 2256 GB/T 1096，平键尺寸：bhL=22mm14mm56mm2) 校核平键的强度键材料选用45钢，查参考文献5从表6-2知许用压应力=，T2=948.4，K=0.5h=0.522=7，则挤压应力故键的连接强度是足够的。3.6.2 蜗轮轴与联轴器之间用键连接1) 安装联轴器的轴d1=60mm，L1=105mm。查参考文献1从表12-24选用A型平键，即键 1890 GB/T 1096，其尺寸：bhL=18mm11mm90mm。2) 校核键的强度键材料选用45钢，查参考文献5从表6-2知许用压应力=100120

22、MPa， T2=948.4，K=0.5h=0.511=5.5，则挤压应力 故键的连接强度是足够的。3.6.3 蜗杆轴与联轴器之间用键连接1) 安装联轴器的轴d1=28mm，L1=60mm。查参考文献1从表12-24选用B型平键，即键 B850 GB/T 1096，其尺寸：bhL=8mm7mm50mm。2) 键材料选用45钢，查参考文献5从表6-2知许用压应力=，K=0.5h=0.57=3.5，则挤压应力 故键的连接强度是足够的。 图 3-16 键 4.箱体及其他辅助零件设计4.1 密封圈的选择表 4-1 密封圈参数安装位置类型轴颈d(mm)基本外径D（mm）基本宽度B蜗杆轴毡圈 45 JB/Z

23、Q 460645618蜗轮轴毡圈 70 JB/ZQ 460670908图 4-1 密封圈4.2 弹簧垫圈的选择表4-2 弹簧垫圈参数安装位置类型 内径d（mm）厚度（mm）材料为65Mn，表面氧化的标准型弹簧垫圈轴承旁连接螺栓垫圈 GB/T 93 1616.24.1上下盖连接螺栓垫圈 GB/T 93 1010.22.6图 4-2 弹簧垫圈4.3 箱体尺寸设计表 4-3 箱体的结构尺寸设计内容计算公式计算结果箱座壁厚=0.04a+3（a为蜗杆中心距）=15箱盖壁厚=0.85=13箱盖、座凸缘厚=1.5=22.5箱座底凸缘厚度=2.537.5地脚螺栓直径=0.036a+1219.8（选M20）地脚

24、螺栓数4轴承旁连接螺栓直径=0.7514.9（选M16）箱盖与箱座连接螺栓直径(M10)连接螺栓间距L轴承端盖螺钉直径（选M8）视孔盖螺钉直径（选M6）定位销直径取8至外箱壁距离C126、22、16、至凸缘边缘距离C224、14轴承旁凸台半径R1外箱壁至轴承座端面距离蜗轮外圆与内机壁的距离15蜗轮端面与内机壁距离15箱盖与箱座肋厚=0.85、=0.85=12,=13图 4-3 蜗轮蜗杆减速器箱底图 4-4 蜗轮蜗杆减速器箱盖图 4-5 螺栓图 4-6 油塞图 4-7 视孔图 4-8 油尺4.4 轴承端盖的设计图 4-9 轴承端盖 图 4-10 轴承端盖（透盖）图 4-11 轴承端盖（闷盖）4.

25、5 蜗轮蜗杆减速器装配图图 4-12 蜗轮蜗杆减速器装配图图 4-13 蜗轮蜗杆减速器爆炸图5 蜗轮蜗杆减速器的运动分析5.1 新建组件文件（1） 选择菜单栏中的【文件】【设置工作目录】命令，系统弹出“选取工作目录”对话框，选取新建文件夹，单击【确定】按钮，完成工作目录的设置。（2） 选取菜单栏中的【文件】【新建】命令，系统弹出“新建”对话框，点选【组件】按钮，在【名称】文本框中输入“”，取消【使用缺省模板】复选框的勾选，单击【确定】按钮，系统弹出“新文件选项”对话框，在“新文件选项”对话框的【模板】列表中选择“”选项，单击【确定】，进入装配设计模块。5.2 向组件中添加减速器零件（1） 单击

26、“工程特征”工具栏中的【装配】按钮，系统弹出“打开”对话框，选择元件“”，单击【打开】按钮，箱座就添加到当前模型中。在装配面板中选择【缺省】按钮，单击【完成】按钮。（2） 单击“工程特征”工具栏中的【装配】按钮，系统弹出“打开”对话框，选择元件“”，单击【打开】按钮，蜗杆就添加到当前模型中，同时信息栏中显示元件装配控制面板，在【将约束转化为机构连接】右侧下拉列表中选择“销钉”选项，单击【放置】选项卡，单击【轴对齐】按钮，在3D模型中选蜗杆基准轴和箱座基准轴对齐，单击【平移】按钮，在3D模型中选取蜗杆的基准平面与箱座的对齐，在元件装配面板【状态】区中显示“完成连接定义”，单击【完成】按钮，完成蜗

27、杆的装配。（3） 单击“工程特征”工具栏中的【装配】按钮，系统弹出“打开”对话框，选择元件“”，单击【打开】按钮，蜗轮轴就添加到当前模型中，在【将约束转化为机构连接】右侧下拉列表中选择“销钉”选项，单击【放置】选项卡，单击【轴对齐】按钮，在3D模型中选蜗轮轴基准轴和箱座基准轴对齐，单击【平移】按钮，在3D模型中选取蜗轮轴的基准平面与箱座的对齐，在元件装配面板【状态】区中显示“完成连接定义”，单击【完成】按钮，完成蜗轮轴的装配。（4） 单击“工程特征”工具栏中的【装配】按钮，系统弹出“打开”对话框，选择元件“”，单击【打开】按钮，键就添加到当前模型中，选择“刚性”按钮，完成键的完全约束，单击【确

28、定】按钮，完成键的装配。（5） 单击“工程特征”工具栏中的【装配】按钮，系统弹出“打开”对话框，选择元件“”，单击【打开】按钮，蜗轮就添加到当前模型中，在【将约束转化为机构连接】右侧下拉列表中选择“刚性”选项，单击【放置】选项卡，单击【匹配】按钮，在3D模型中选蜗轮平面与蜗轮轴平面匹配,单击“添加约束”按钮，单击【匹配】按钮，选择蜗轮曲面：和键曲面:匹配，单击“添加约束”按钮，单击【对齐】按钮，选择蜗轮平面和涡轮轴平面对齐，单击【完成】按钮，完成对蜗轮的装配。（6） 单击“工程特征”工具栏中的【装配】按钮，分别完成轴承、轴承端盖、箱盖及螺栓的装配。图 5-1 蜗轮蜗杆减速器仿真装配图5.3 定

29、义齿轮副连接（1） 单击菜单栏中的【应用程序】【机构】命令，系统自动进行机构平台。（2） 单击“模型”工具栏上的【齿轮】工具按钮，系统弹出“齿轮定义副”对话框，如图：（3） 单击【齿轮1】选项卡，单击【运动轴】选项中的箭头按钮，系统弹出“选取”对话框，在3D模型中选取蜗杆轴，单击【确定】按钮，完成对蜗杆的定义。（4） 单击【齿轮2】选项卡，单击【运动轴】选项中的箭头按钮，系统弹出“选取”对话框，在3D模型中选取蜗轮轴，单击【确定】按钮，完成对蜗轮的定义。（5） 单击【属性】选项卡，单击【用户定义的】按钮，在齿数文本框中分别填入蜗杆和蜗轮的齿数，单击【确定】，完成齿轮轴上蜗杆和蜗轮轴上蜗轮的连接

30、。图 5-2 定义齿轮副5.4 定义伺服电机(1) 单击“模型”工具栏中的【伺服电动机】工具按钮，系统弹出“伺服电动机”对话框，如图：接受系统默认的名称“”,点选【从动图元】选项组中【运动轴】单选按钮，单击【选取】按钮，在3D模型中选择蜗杆的销钉连接标识“”。(2) 在“伺服电动机”对话框中，单击【轮廓】按钮，选择【规范】下拉列表框中的“速度”选项，选择【模】下拉列表中的“常数”选项，在【A】文本框中键入20，如图。然后单击按钮，在弹出“图形工具”窗口显示了电机的速度和时间的关系曲线，如图。关闭“图形工具”选项卡，单击【确定】按钮，完成伺服电动机1的创建。图 5-3 定义伺服电机图 5-4 伺

31、服电机速度与时间图像(3) 单击“模型”工具栏中的【伺服电动机】工具按钮，系统弹出“伺服电动机”对话框，如图：接受系统默认的名称“”,点选【从动图元】选项组中【运动轴】单选按钮，单击【选取】按钮，在3D模型中选择蜗杆的销钉连接标识“”。(4) 在“伺服电动机”对话框中，单击【轮廓】按钮，选择【规范】下拉列表框中的“加速度”选项，选择【模】下拉列表中的“常数”选项，在【A】文本框中键入20，如图。然后单击按钮，在弹出“图形工具”窗口显示了电机的加速度和时间的关系曲线，如图。关闭“图形工具”选项卡，单击【确定】按钮，完成伺服电动机2的创建。图 5-5 定义伺服电机图 5-6 伺服电机加速度与时间图像(5) 单击“模型”工具栏中的【伺服电动机】工具按钮，系统弹出“伺服电动机”对话框，如图：接受系统默认的名称“”,点选【从动图元】选项组中【运动轴】单选按钮，单击【选取】按钮，在3D模型中选择蜗杆的销钉连接标识“”。(6) 在“伺服电动机”对话框中，单击【轮廓】按钮，选择【规范】下拉列表框中的“位置”选项，选择【模】下拉列表中的“斜坡”选项，在【A】文本框中键入