基于proe的錐齒輪系的虛擬設(shè)計含三維及3張CAD圖.zip
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基于Pro/E的錐齒輪系的虛擬設(shè)計
摘要：本次課題設(shè)計的題目是“基于Pro/E的錐齒輪系的虛擬設(shè)計”。采用三維proe軟件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并且做好由錐齒輪傳動的帶式輸送機的零件圖設(shè)計、減速器裝配圖及主要零件的虛擬設(shè)計，最后將用Pro/E建好的模型導(dǎo)入ansys軟件中進行應(yīng)力校核，看設(shè)計是否滿足工作要求。
這次的設(shè)計具體內(nèi)容主要包括：動系統(tǒng)；主要傳動機構(gòu)設(shè)計；對錐齒輪系三維建模、虛擬裝配及其主要零件的數(shù)控加工；錐齒輪系的裝配圖和主要零件的零件圖；錐齒輪系的主要零件的三維造型；虛擬裝配；主要零件的虛擬設(shè)計；翻譯外文資料；主要零部件在虛擬環(huán)境下的應(yīng)力分析；撰寫開題報告；書等。
關(guān)鍵詞：Pro/E；齒輪設(shè)計；虛擬設(shè)計
II
Virtual Design of Bevel Gear system based on Pro/E
Absrtact: the title of this project is "Virtual Design of Bevel Gear system based on proe". The structural design of bevel gear belt conveyor was created by 3D proe software, and the assembly drawing, part drawing and virtual design of main parts in the transmission device of bevel gear belt conveyor were completed. Finally, we import the ansys software to check the stress, and see if the design meets the requirements of the work.
The design of this time mainly includes : designing the transmission system of belt conveyor ;Design of main transmission mechanism ;Numerical control machining of three - dimensional modeling , virtual assembly and main parts of bevel gear train Assembly drawing of bevel gear train and part drawing of main parts ;Three - dimensional modeling of main parts of bevel gear train Machining simulation of virtual assembly and its main parts；Writing a problem report ;Writing the instruction of graduation design ;Translate a foreign language paperwork , Stress Analysis of components in Virtual Environment，etc .
Keywords:PROP / E； Gear Design；Virtual Design
摘要 1
目次 1
1．緒論 1
1.1虛擬設(shè)計技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展 1
1.1.1虛擬設(shè)計技術(shù)現(xiàn)狀 2
1.1.2虛擬設(shè)計技術(shù)發(fā)展 2
1.2虛擬設(shè)計技術(shù)的優(yōu)缺點 2
1.2.1虛擬設(shè)計技術(shù)的優(yōu)點 2
1.2.2虛擬設(shè)計技術(shù)的缺點 3
1.3虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用情況 3
（1）工程應(yīng)用 3
（2）醫(yī)療應(yīng)用 3
（3）軍事應(yīng)用 4
2．理論計算 5
2.1設(shè)計題目：基于Pro-E錐齒輪系的虛擬設(shè)計 5
2.1.1傳動方案：單級錐齒輪減速器 5
2.1.2帶式輸送機工作原理：如圖2 5
2.1.3工作情況 5
2.1.4設(shè)計數(shù)據(jù) 5
2.2電動機的選擇與確認(rèn) 5
2.2.1選擇電機類型 5
2.2.2確定電機功率 5
2.2.3確定電機轉(zhuǎn)速 6
2.3確定傳動比與分配各級傳動比以及運動參數(shù)的計算 6
2.3.1傳動比計算 6
2.3.2傳動裝置運動動力參數(shù)計算 6
2.4帶的傳動設(shè)計 7
2.4.1確定功率比 7
2.4.2確定帶輪基本直徑 7
2.4.3驗算帶速 7
2.4.4確定中心距與帶的基礎(chǔ)長度 7
2.5圓錐齒輪傳動的設(shè)計計算 7
2.5.1 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) 7
2.5.2按齒面接觸疲勞強度設(shè)計 8
2.5.3按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計 10
2.5.4幾何尺寸計算 11
2.5.5主要設(shè)計結(jié)論 12
2.5.6齒輪建模 13
2.6軸的計算 15
2.6.1選擇軸的材料 15
2.6.2大齒輪軸尺寸計算 16
2.6.3小齒輪軸的尺寸計算 18
2.6.4軸建模及裝配 20
3．傳動齒輪接觸應(yīng)力的有限元分析 22
3.1有限元分析的意義及思路 22
3.2齒輪的建模 23
3.3創(chuàng)建接觸對 24
3.4模型的網(wǎng)格劃分 24
（1） 單元的選擇 25
（2） 材料特性選擇 25
（3） 劃分網(wǎng)格 26
3.5施加邊界條件和載荷 27
3.6求解和結(jié)果分析 28
4.總論 30
參考文獻 31
致 謝 32
VII
1．緒論
1.1虛擬設(shè)計技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展
現(xiàn)代虛擬設(shè)計已經(jīng)在機械設(shè)計制造中得到了較為普遍的應(yīng)用，這使得機械設(shè)計制造的效率得到很大提高,也變得更加形象簡單。有關(guān)虛擬設(shè)計在設(shè)計方面的應(yīng)用，本文以錐齒輪建模做為例子，用proe畫出三維模型之后，再將弄好的模型加載到ANSYS中去做分析，然后將虛擬設(shè)計結(jié)果與理論分析結(jié)果的比對，證明了ANSYS在齒輪設(shè)計中舉足輕重的作用，是齒輪的優(yōu)化設(shè)計的堅實第一步。
虛擬設(shè)計技術(shù)是融合了多種先進技術(shù)而成的新興技術(shù)，它的基本原理就是通過電腦對紛然雜陳的數(shù)據(jù)進行直觀的，即時的操作，把人假想于到模擬的情況之中。早在1985年作用，國外就將虛擬設(shè)計技術(shù)運用于實際演練之中。中國雖然沒趕上首班車，但是伴隨著科技的快速進步，中國的虛擬設(shè)計術(shù)也取得了不俗的成績。
伴隨著社會前進的腳步，虛擬設(shè)計技術(shù)也在不同的領(lǐng)域里大放異彩，展現(xiàn)了其無懈可擊的優(yōu)越性和實用性。它不僅能夠向使用者即時的呈現(xiàn)設(shè)計產(chǎn)品及其進度，而且能夠讓使用者不必記住每個細節(jié)的參數(shù)，從而提升系統(tǒng)的運行效率。
圖1：虛擬設(shè)計流程圖
1.1.1虛擬設(shè)計技術(shù)現(xiàn)狀
建立錐齒輪的三維實體模型的方法有很多，例如通過CATIA、Pro/E等三維軟件直接操作，形成齒輪及其裝配圖的三維模型，然后將建好的模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS中，再利用ANSYS的模擬應(yīng)力分析功能，對裝配體進行應(yīng)力分析與強度校核。借由虛擬裝配設(shè)計技術(shù)，人們有條件在假想的條件下操作各種現(xiàn)實中存在的工具，對自己所設(shè)計的機構(gòu)進行模擬的裝配，這樣就能夠在不實際制造出所需零部件的情況下，對所設(shè)計的物品進行檢驗和力校核。這就能夠及時找出設(shè)計中存在的問題與不足，并及時優(yōu)化自己的設(shè)計，相當(dāng)于在未制造出實物，就已經(jīng)完成了檢測和評估。而在以前，所有設(shè)計的唯一依據(jù)就僅僅是設(shè)計人員的工作經(jīng)驗和理論知識，萬一出錯，代價昂貴。北航的計算機專業(yè)是我國首家進行虛擬現(xiàn)實研究的院校，是全國虛擬現(xiàn)實行業(yè)的領(lǐng)頭羊。該校開創(chuàng)性的研究了虛擬狀態(tài)下不同物理特性的不同表達，開發(fā)了一些虛擬現(xiàn)實中的視覺借口硬件，創(chuàng)建了新穎的以虛擬現(xiàn)實為主題的網(wǎng)絡(luò)論壇以供師生交流。
1.1.2虛擬設(shè)計技術(shù)發(fā)展
CAD/CAM技術(shù)在機械設(shè)計行業(yè)的普及使得其效率得到極大提高，而由它們延展出的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，使在平面的顯示發(fā)展到了空間顯示，并且大幅提高了人機交互，機械設(shè)計制造過程變得更加方便快捷。伴著社會的發(fā)展，未來很有可能會發(fā)明像漫威電影《鋼鐵俠》中那樣復(fù)雜的設(shè)計系統(tǒng)：通過手勢控制，全息投影，設(shè)計制造智能控制，并且實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時智能化存儲，人機對話摒棄傳統(tǒng)的鍵盤輸入而采納語音直接對話。到那時，因其簡便的步驟以及無與倫比的互動性能，機械設(shè)計制造將進入千家萬戶，而不是被少數(shù)人了解，整個制造業(yè)將發(fā)生排山倒海的變化。
1.2虛擬設(shè)計技術(shù)的優(yōu)缺點
虛擬設(shè)計技術(shù)是一種綜合多種設(shè)計系統(tǒng)的技術(shù)，它由大量先進學(xué)科的知識融會貫通而形成的新興技術(shù)。他的實質(zhì)是在擁有計算機仿真技術(shù)支持的條件下，全過程模擬產(chǎn)品開發(fā)試驗的每一個步驟，并且具有即時性。它能夠預(yù)測所要設(shè)計的產(chǎn)品的物理化學(xué)性能，制造的困難程度，壽命，維護方式，維護周期，以及制造成本等一系列產(chǎn)品的重要參數(shù)。這不僅能夠提高產(chǎn)品一次設(shè)計就成功的幾率，而且使組織生產(chǎn)制造變得更加靈活，更加經(jīng)濟。此外，合理運用虛擬設(shè)計還可以優(yōu)化廠房的設(shè)計布局，減少產(chǎn)品開發(fā)周期，提升設(shè)計質(zhì)量。當(dāng)然，一枚硬幣總是有不同的兩面，虛擬設(shè)計也有著不可忽視的缺點。以下是鄙人在查閱大量文獻資料后總結(jié)的優(yōu)缺點：
1.2.1虛擬設(shè)計技術(shù)的優(yōu)點
（1） 虛擬設(shè)計沿襲了虛擬現(xiàn)實技術(shù)（virtual reality）的所有優(yōu)點，如它保存了傳統(tǒng)CAD設(shè)計的長處，能有更便捷的途徑調(diào)取之前的成果。
（2） 虛擬設(shè)計技術(shù)搭載了類似仿真技術(shù)的可視化特點，能更好的對原有設(shè)計進行修改和調(diào)整
（3） 虛擬設(shè)計技術(shù)允許異地設(shè)計并支持多終端協(xié)同作業(yè)，使資源共享更可操作，扎實縮短產(chǎn)品開發(fā)周期
（4） 虛擬設(shè)計技術(shù)不僅可以利用已有的先進技術(shù)，未來發(fā)明的其他先進技術(shù)也可以被補充進去，能夠保持自己在技術(shù)本身的領(lǐng)先。
1.2.2虛擬設(shè)計技術(shù)的缺點
（1） 因為所有的操作都是在虛擬空間內(nèi)完成的，所以對建模者要求偏高幾近嚴(yán)苛。不僅要求模型準(zhǔn)確無誤，還要求模型的建立必須按照設(shè)計意圖來確定。
（2） 大量的視覺處理及其龐雜的計算占據(jù)電腦大量的CPU，模型的處理分析對電腦配置有較高的要求。設(shè)計結(jié)果的分析無法超越電腦運行的極限。
1.3虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用情況
（1） 工程應(yīng)用
虛擬物品設(shè)計的概念自產(chǎn)生之日起就被投資者密切的注視著，在某些涉及虛擬設(shè)計的領(lǐng)域立刻就被著手于實踐和應(yīng)用。在這些領(lǐng)域里，尤其以汽車制造業(yè)最為領(lǐng)先。
毫不夸張的說，虛擬現(xiàn)實技術(shù)就是為汽車制造業(yè)量身定制的。打個比方：
外國的一家汽車公司利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)為消費者模擬汽車駕駛的場景，他們的團隊強大，運用虛擬設(shè)計技術(shù)搭造了一個存在硬盤中的汽車內(nèi)部模型，里面包含所有現(xiàn)實汽車中存在的各種擺件。消費者可以足不出戶，在家就可以體會到駕駛汽車的感覺。這家公司還提供線上線下對比，通過用戶反饋來不斷改進自己的汽車內(nèi)部模型。這不僅大大提高了消費體驗，也極大地促進的汽車行業(yè)的發(fā)展。同時，也為營銷行業(yè)打開了新世界的大門。
其實，只把虛擬設(shè)計用在這些方面著實是大材小用了，哪些眼光敏銳的投資者早就用虛擬設(shè)計的利刃剜去了航空業(yè)的一大塊蛋糕，他們把虛擬設(shè)計用到飛機的外形設(shè)計中去，用到飛機的內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計中去，用到飛機的傳動系統(tǒng)優(yōu)化中去。把原本繁瑣而且成本極高的飛機設(shè)計與優(yōu)化都投放到了虛擬的空間中，這樣一來，不僅大大降低了設(shè)計成本，還提供更好的設(shè)計選擇，讓人們能更加安全，便捷，舒適的搭乘飛機。
（2）醫(yī)療應(yīng)用
不用顯微鏡，你能想象一個直徑比發(fā)絲還要細的細胞可以可以看起來比一個足球場還要大嗎？虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以做到。在這種情況下，科學(xué)家們可以對細胞內(nèi)部進行研究和分解，了解他們的工作原理和致病因素，他們甚至可以對癌細胞進行分階段模擬檢測，以尋求克服癌癥的辦法。相信在不遠的將來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)將應(yīng)用在醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的各個角落。
（3）軍事應(yīng)用
國防乃民生之本。一個國家的國防力量決定了這個國家的國際地位。一個經(jīng)濟實力足夠但國防能力不足的國家永遠也無法躋身大國行列。面對當(dāng)今世界和平發(fā)展的大主題，磨煉軍隊的機會并不多，主要就是頻繁的軍事演習(xí)了。以前的演習(xí)不外乎就是拿著空包彈進行戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)略對抗，而現(xiàn)在，當(dāng)虛擬現(xiàn)實技術(shù)進入現(xiàn)代化軍事戰(zhàn)場之后，新的演習(xí)方式也層出不窮?？梢栽谔摂M的戰(zhàn)場上，幫助戰(zhàn)士更加快速的熟悉新式武器，幫助將領(lǐng)更快的理解新的作戰(zhàn)理論和方法，幫助工程師更好的研制新式的武器。
2．理論計算
2.1設(shè)計題目：基于Pro-E錐齒輪系的虛擬設(shè)計
2.1.1傳動方案：單級錐齒輪減速器
2.1.2帶式輸送機工作原理：如圖2
圖2：帶式輸送機工作原理
2.1.3工作情況
（1） 工作條件：平穩(wěn)，環(huán)境最高溫度45度。
（2）
（3） 檢驗間隔期：；
（4） 動力來源：電力，三相交流電，電壓380，220V；
（5） 運輸帶速度允許誤差：5%
（6） 生產(chǎn)條件及批量：普通機械廠制造，小批量生產(chǎn)。
2.1.4設(shè)計數(shù)據(jù)
（1）輸送帶工作拉力F=3.8KN,
（2）輸送機工作速度V=1.5m/s,
（3）滾筒的直徑=400mm。
2.2電動機的選擇與確認(rèn)
2.2.1選擇電機類型：
電動機優(yōu)先選2或4級；此次設(shè)計選擇型電機。該電機額定功率為7.5kw，滿載轉(zhuǎn)速為970r/min。
2.2.2確定電機功率:
由工作功率
以及=/
2.2.3確定電機轉(zhuǎn)速
滾筒轉(zhuǎn)速
傳動比
2.3確定傳動比與分配各級傳動比以及運動參數(shù)的計算
2.3.1傳動比：
分配各級傳動比:
2.3.2傳動裝置運動動力參數(shù)計算
各軸輸入功率：
各軸轉(zhuǎn)速：
各軸轉(zhuǎn)矩：
2.4帶的傳動設(shè)計
2.4.1確定功率比：
2.4.2確定帶輪基本直徑：由濮良貴主編的第九版《機械設(shè)計》書第157頁表8-9選取，大帶輪 ，取
，
誤差在允許范圍內(nèi)
2.4.3驗算帶速： 在5——25之內(nèi)，合理
2.4.4確定中心距與帶的基礎(chǔ)長度
中心距 :
得
帶長
取
2.5圓錐齒輪傳動的設(shè)計計算
2.5.1 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)
（1） 帶式輸送機一般為工作機械，運行速度不高，故選用8級精度，齒形角，齒頂高系數(shù)ha=1，頂隙系數(shù)c=0.2。
（2） 材料選擇，小齒輪選擇40Cr（調(diào)質(zhì)鋼）為材料，表面硬度為380HBS，大齒輪選擇45鋼（調(diào)質(zhì)鋼）為材料，表面硬度為260HBS，二者材料硬度相差120HBS。
2.5.2按齒面接觸疲勞強度設(shè)計
公式：
（1） 確定公式內(nèi)的各計算值
1） 查得材料彈性影響系數(shù)，節(jié)點區(qū)域系數(shù)。
2） 按齒面硬度查濮良貴主編的第九版《機械設(shè)計》書得小齒輪的接觸疲勞強度極限，大齒輪的接觸疲勞極限
3） 計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
小齒輪：
大齒輪：
4) 查表得到：，
5) 查得彎曲疲勞壽命系數(shù)
，
6) 計算接觸疲勞許用應(yīng)力
7） 計算實際載荷系數(shù)
可以選取使用系數(shù),，動載系數(shù)，
齒間載荷分布系數(shù)，齒向載荷分配系數(shù)
所以實際載荷系數(shù)：
8） 計算轉(zhuǎn)矩
9)
10) U=i=5.42
（2） 計算
1） 試著計算小齒輪的分度圓直徑，將許用應(yīng)力中的較小值帶入如下公式得：
2） 計算圓周速度v
3）計算齒寬b
4）計算齒輪圓周力
5）試算模數(shù)
6）計算實際載荷
查表得：使用系數(shù)，動載系數(shù)
齒間載荷分布系數(shù)，齒向載荷分配系數(shù)
所以
由 可得
2.5.3按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計
公式：
（1） 確定公式內(nèi)的各計算值
1） 查得 ：
2） 計算
由分錐角，
可得當(dāng)量齒數(shù) ；
查濮良貴主編的第九版《機械設(shè)計》書：圖10-17得齒形系數(shù)
由圖10-18得應(yīng)力修正系數(shù)
查表10-24得小齒輪彎曲疲勞極限
大齒輪彎曲疲勞極限
由圖10-22得彎曲疲勞壽命系數(shù) ,
取彎曲疲勞安全系數(shù)s=1.7
由表10-14可得
于是 ，
由于大齒輪的大于小齒輪，所以取
3）
4）
5） U=i=5.42
（2） 計算
1） 試算模數(shù)
2） 計算圓周速度v
3)計算齒寬b
3） 計算實際載荷系數(shù)
查表得 ：使用系數(shù), 動載系數(shù)
齒間載荷分配系數(shù)，齒向載荷分配系數(shù)
于是,載荷系數(shù)為
4） 試算模數(shù)
由
就近選擇標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m=2
按照接觸疲勞強度計算所得的小齒輪分度圓直徑d=71mm，求出小齒輪的齒數(shù) ，取小齒輪齒數(shù),則大齒輪齒數(shù) 為保證兩齒輪齒數(shù)互質(zhì)（沒有公因子），取
2.5.4幾何尺寸計算
（1）計算分度圓直徑：
(2)計算分錐角：
(3) 計算齒寬：
取
2.5.5主要設(shè)計結(jié)論
齒數(shù)： ； 模數(shù)： ；壓力角：
變位系數(shù)： ；分錐角： ；
齒寬；小齒輪取40Cr（調(diào)質(zhì)鋼）為材料，大齒輪取45
（調(diào)質(zhì)鋼）為材料。齒輪按7級精度設(shè)計
表1：主要設(shè)計結(jié)論
名稱
符號
公式
直齒圓錐小齒輪
直齒圓錐大齒輪
齒數(shù)
z
z
36
197
模數(shù)
m
m
2
傳動比
i
i
5.42
分度圓錐度
δ
分度圓直徑
d
d=mz
72
394
齒頂高
2
2
齒根高
h
2.4
2.4
齒全高
4.4
4.4
齒頂圓直徑
，
75.94
394.69
齒根圓直徑
p
，
67.08
393.13
齒距
s
6.28
6.28
齒厚
e
s=p/2
3.14
3.14
齒槽寬
c
e=p/2
3.14
3.14
頂隙
R
0.4
0.4
錐距
200.26
200.26
齒頂角
0.687度
0.687度
齒根角
0.687度
0.687度
齒頂圓錐角
,
齒根圓錐角
,
當(dāng)量齒數(shù)
b
36.55
1134.48
齒寬
60
60
2.5.6齒輪建模
根據(jù)主要設(shè)計結(jié)論用proe畫出各個零部件（主要是齒輪）的三維模型，并完成裝配，并且生成工程圖。
圖3：大齒輪建模
圖4：小齒輪建模
圖5：小齒輪工程圖
圖6：Proe 錐齒輪裝配圖
2.6軸的計算
2.6.1選擇軸的材料
初步選擇材料為45號調(diào)質(zhì)鋼，這種材料的機械性能可查表得：
2.6.2大齒輪軸尺寸計算
2.6.2.1求大齒輪軸（輸出軸）上的功率,轉(zhuǎn)速，和轉(zhuǎn)矩
2.6.2.2求作用在齒輪上的力
因已知低速大齒輪的分度圓直徑，可求：
圓周力：
徑向力：
軸向力：
2.6.2.3初步確定軸的最小直徑
首先按照下面列的式估計軸徑的最小值。由于軸選取的材料為45號鋼（調(diào)質(zhì)鋼）。于是可以得到,
大齒輪軸的最小直徑明顯等于安裝聯(lián)軸器處軸的直徑與聯(lián)軸器的孔徑相適應(yīng)，所以應(yīng)該同時選擇聯(lián)軸器的型號。
查閱濮良貴主編的第九版《機械設(shè)計》書中的表14-1，可以得到聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩,又因為轉(zhuǎn)矩只有微小變化，取,則：
按照聯(lián)軸器公稱轉(zhuǎn)矩應(yīng)當(dāng)大于計算轉(zhuǎn)矩的條件，查閱濮良貴主編的第九版《機械設(shè)計手冊》后，選用LX3型彈性聯(lián)軸器。半聯(lián)軸器的孔徑d=50mm，故。
2.6.2.4軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
（1） 根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度
選取。
2）以滾動軸承為第一選擇。因為軸承既承擔(dān)軸向力又承擔(dān)徑向力的作用，所以選擇深溝球軸承。根據(jù)，同時參考工作中的要求，在軸承產(chǎn)品目錄中以0基本游隙組、標(biāo)準(zhǔn)精度級的單列圓錐滾子軸承30314為第一選擇，所以選??；而。
3）取安裝齒輪處的軸段5-6的直徑為；4-5軸段與左軸承之間通過套筒來定位。為使套筒端面牢固的銜接軸承，取,齒輪右端采用軸肩定位，軸肩高度h=(2-3)R，取
4)考慮到軸承端蓋的拆卸裝配以及便于對軸承潤滑的情況，取端蓋的外端面與半聯(lián)軸器右端面的距離為48mm，即取
5)選取齒輪和箱體之間的距離為△=16mm，又因為箱體存在鍛造誤差，所以滾動軸承的位置不能與箱體靠的太近，要留出一部分空間，于是取
到現(xiàn)在為止，我們把大齒輪軸的各段的直徑和長度都確定了下來。
(2)軸上零件的周向定位
用平鍵連接來限制齒輪及聯(lián)軸器的周向轉(zhuǎn)動自由度。通過，在濮良貴主編的第九版《機械設(shè)計手冊》中查表6-1中得平鍵截面尺寸,選用銑刀加工鍵槽，長為63mm，于此同時為了保證齒輪與軸對齊良好，能夠配合，因此，選擇齒輪輪轂與軸的配合為；然后，半聯(lián)軸器與軸采用相同的連接，選用平鍵尺寸為,半聯(lián)軸器的配合選擇為。選用過渡配合來限制滾動軸承與軸的周向轉(zhuǎn)動的自由度，這里選擇的軸的直徑公差是
（3）確定軸上的圓角和倒角尺寸
以軸端的倒角為C2，每個肩部的圓角半徑如圖7所示。
圖7：大齒輪軸工程圖
2.6.3小齒輪軸的尺寸計算
2.6.3.1求小齒輪軸（輸入軸）上的功率,轉(zhuǎn)速，和轉(zhuǎn)矩
2.6.3.2求作用在齒輪上的力
因已知低速大齒輪的分度圓直徑，可求：
圓周力：
徑向力：
軸向力：
2.6.3.3初步確定軸的最小直徑
首先，初次估計軸的最小直徑。由于所選軸的材料為45鋼，因此要淬火加回火（調(diào)質(zhì)處理）?？梢缘玫?，,于是可以得到
由于輸出軸的最小直徑分明是裝配聯(lián)軸器處軸的直徑與聯(lián)軸器的內(nèi)孔徑相符合，因此，必須同時選擇聯(lián)軸器類型。。
參閱《機械設(shè)計》書表14-1，結(jié)合聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩公式，又斟酌到轉(zhuǎn)矩變化很小，故取,則：
根據(jù)聯(lián)軸器公稱轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于計算轉(zhuǎn)矩的前提，參閱《機械設(shè)計手冊》后，使用LT5型彈性聯(lián)軸器。半聯(lián)軸器的孔徑d=30mm，故。
2.6.3.4軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
（1）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度
2）以滾動軸承為第一選擇。因為軸承既承擔(dān)軸向力又承擔(dān)徑向力的作用，所以深溝球軸承。同時參考工作中的要求并根據(jù)，在軸承產(chǎn)品目錄中以0基本游隙組、標(biāo)準(zhǔn)精度級的深溝球軸承6305為第一選擇，所以選取；而。
3）選擇安裝齒輪處的軸段3-4的直徑為；2-3軸段與左軸承之間通過套筒定位。為使套筒端面牢固的銜接軸承，取,齒輪的右端選取軸肩定位，軸肩高度h=(2-3)R，取
到現(xiàn)在為止，我們把小齒輪軸的各段的直徑和長度都確定了下來。
(2)軸上零件的周向定位
用平鍵連接來限制齒輪及聯(lián)軸器的周向轉(zhuǎn)動自由度。通過，《機械設(shè)計手冊》中的表6-1中查得平鍵截面尺寸,選用銑刀加工鍵槽，長為38mm，63mm，于此同時為了保證齒輪與軸對齊良好，能夠配合，因此選擇齒輪輪轂與軸的配合為；然后，半聯(lián)軸器采用與軸相同的連接，選用平鍵尺寸為,半聯(lián)軸器的配合選擇為。選用過渡配合來限制滾動軸承與軸的周向轉(zhuǎn)動的自由度，這里選擇的軸的直徑公差是
（3）確定軸上的圓角和倒角尺寸
以軸端的倒角為C1，每個肩部的圓角半徑如圖8所示：
圖8：小齒輪軸工程圖
（3）.軸建模及裝配
根據(jù)設(shè)計結(jié)論用proe畫出各個零部件（主要是軸）的三維模型，并完成裝配，并且生成工程圖。如下所示：
圖9：大齒輪軸建模
圖10：小齒輪軸建模
只有錐齒輪副中的兩個錐齒輪合理設(shè)計并且建模尺寸無誤，才能實現(xiàn)錐齒輪副的精確裝配，也只有這樣才能保證錐齒輪副在仿真運行中不發(fā)生卡死和機構(gòu)性干涉。直齒圓錐齒輪的嚙合條件是分度圓錐度和為90度，即δ1+δ2=90°，還要保證兩個齒輪的大端模數(shù)和齒形角分別相等，標(biāo)準(zhǔn)壓力角為20度。
為了保證兩對齒有可能同時在嚙合線上接觸，要求做到在小錐齒輪上，相鄰兩齒同側(cè)齒廓沿法線的距離，應(yīng)該與大錐齒輪上相鄰兩齒同側(cè)齒廓沿法線的距離相等。在組合裝配的時候，要嚴(yán)格滿足兩齒輪的錐頂，以及兩個錐齒輪的輪齒分度圓錐角素線相重合的約束條件，只有這樣才能夠獲得正確的錐齒輪副組合，也只有這樣才能實現(xiàn)正常的運動仿真。即要實現(xiàn)錐齒輪副的正確配合，必須做到以下幾點：
（1） 兩個錐齒輪的頂點相互重合；
（2） 兩個錐齒輪的節(jié)圓彼此相切
（3） 兩個錐齒輪的節(jié)錐素線互相重合
（4） 兩個錐齒輪的節(jié)錐半徑相等
（5） 兩個錐齒輪的節(jié)錐角互補
圖11為錐齒輪副的精準(zhǔn)裝配圖：
圖11：齒輪與軸裝配圖
因為篇幅限制箱體箱蓋的設(shè)計以及軸承軸承蓋等零部件的設(shè)計過程就不在此說明書中詳細展示。下圖為減速器整體裝配圖及爆炸圖:
圖12：整體裝配圖
圖13：裝配體爆炸圖
3．傳動齒輪接觸應(yīng)力的有限元分析
3.1有限元分析的意義及思路
傳動齒輪龐雜的應(yīng)力分布環(huán)境和變形原理是造成齒輪設(shè)計障礙的關(guān)鍵源由,有限元分析理論和各式有限元分析軟件的嶄露,讓日常策畫人員沒有必要針對齒輪受力作前期巨大的準(zhǔn)備和斟酌,就可以大致上了解齒輪的受力和變形的狀況,并且可以遵從有限元計算成果,找出設(shè)計中的不足和缺陷,以方便對齒輪實行修正。
ANSYS軟件是一種大型通用有限元分析軟件,是寰球領(lǐng)域內(nèi)前景最好的計算機輔助工程(CAE)軟件,能與絕大部分計算機輔助設(shè)計軟件接口,如CAD,proe，solidwowks等。能與pc端模擬仿真軟件達成數(shù)據(jù)的共享和交流,例如AutoCAD，Creo, CATIA等。本文所分析的齒輪傳動的主要數(shù)據(jù)為：齒數(shù)Z、厚度D、分度圓直徑d、模數(shù)m，首先生成齒輪模型，然后完整分析齒輪模型。將建立好的三維模型導(dǎo)入ANSYS中，按網(wǎng)格劃分、施加載荷和求解分析等步驟對齒輪進行分析。要對錐齒輪進行接觸分析的有限元計算，劃分網(wǎng)格的程度是很重要的。如果直接用自由網(wǎng)格劃分功能對整個錐齒輪系進行劃分網(wǎng)格，劃分出的是四面體形狀的單元，齒輪輪體上的網(wǎng)格劃分的相對較粗而齒輪輪齒上的網(wǎng)格卻劃分的相對較細，這會導(dǎo)致輪齒和輪體上的單元大小相差很大，在計算的時候會出現(xiàn)不合常規(guī)的剛度矩陣。但是，為了有條件能夠更方便的控制實體各個部分的網(wǎng)格大小，我們采用的方法劃分單元 。通過這種方式劃分的單元網(wǎng)格形狀是六面體的。我們要對兩個齒輪實體三維模型進行合適的分塊，以便夠進行體掃掠網(wǎng)格劃分，其中每一個分塊都是只包含一個目標(biāo)面和一個源面的小實體。為了保證劃分網(wǎng)格是相連接的，這些小實體也應(yīng)當(dāng)是相互聯(lián)結(jié)的。所以要把握每一個小實體的網(wǎng)格劃分。如果要確保兩個齒輪在接觸齒上有足夠多的單元接觸，則不僅要對齒輪上的輪齒做精細劃分而且要盡量使輪齒和輪體上的網(wǎng)格劃分足夠均勻。按照這種方式劃分出來的網(wǎng)格計算結(jié)果更精確。還有，要調(diào)整的線及軸向的線劃分的單元數(shù)。
3.2齒輪的建模
使用proe進行實體建模。把傳動的齒輪嚙合到一起，并且確保無誤的嚙合位置之后，才可以執(zhí)行齒輪接觸應(yīng)力分析。明確兩個齒輪在嚙合線上互相配合的所有位置，保證兩齒輪在節(jié)點處相嚙合。正確嚙合模型如圖14所示：
圖14:：齒輪實體建模結(jié)果
3.3創(chuàng)建接觸對
利用ANSYS接觸向?qū)Ш洗簖X輪的齒廓面1和小齒輪的齒廓面2設(shè)置為接觸對，使齒廓面2為源接觸面，齒廓面1為目標(biāo)接觸面。設(shè)置摩擦系數(shù)為0.15。同理，設(shè)置嚙合大齒輪的齒廓面3和小齒輪的齒廓面4為接觸對。如圖15：
圖15：創(chuàng)建接觸對
3.4模型的網(wǎng)格劃分
有限元分析的最重要程序是網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格是實體建模的主要目的，為了生成節(jié)點和單元。網(wǎng)格劃分以生成節(jié)點和單元的過程包括3個環(huán)節(jié)：
（1） 單元的選擇
點擊如圖16所示選項設(shè)置單元類型。
圖16：設(shè)置單元類型
常用的三維實體單元有SOILD45，S0ILD92，S0ILD94，S0ILD185，S0ILD186，S0ILD187。
對于非線性材料應(yīng)主要采用S0ILD185，S0ILD186，S0ILD187單元。因為他們有更多的材料模式，采用最新的單元技術(shù)。對于自由網(wǎng)格的應(yīng)用最好采用有中間節(jié)點的單元，否則單元的退化形式精度將會大受影響。
其中S0ILD92單元是十節(jié)點四面體單元。由于該單元使用節(jié)點較少，幾何適應(yīng)性強，經(jīng)常應(yīng)用于曲線邊界建模。因此，本設(shè)計錐齒輪模型采用S0ILD92單元劃分網(wǎng)格，如圖17所示：
圖17：單元的選擇
（2） 材料特性選擇
在前處理模塊中找到選項設(shè)置材料特性，定義材料為線彈性材料。如圖18所示：
圖18：定義材料屬性
選擇齒輪材料為40Cr，淬火和表面硬化后，齒面硬度為350——430HBS。它的機械性能為彈性模量：EX=200GPa，泊松比：PRXY=0.3，如圖19所示
圖19：輸入彈性模量和泊松比
（3） 劃分網(wǎng)格
產(chǎn)生節(jié)點和單元的模型網(wǎng)格劃分囊括了兩個步驟：(1)定義單元特質(zhì);(2)定義網(wǎng)格的生成并控制生成網(wǎng)格。
左右有限元分析準(zhǔn)確性的一大要素就是網(wǎng)格的劃分，一般來說，網(wǎng)格劃分的越密，數(shù)據(jù)模型越精密，公式越復(fù)雜，所占用的計算機CPU內(nèi)存也越多,同樣的，計算時間也越多。所以，實施有限元分析時通常首先需要對電腦配置有較高要求；其次，對模型進行的處理要到位，只有做到這兩點才能夠?qū)π枰治龅闹匾课贿M行網(wǎng)格的生成及控制。
在單元庫中選擇S0LID42兩齒輪的實體單元，因為S0LID42為四邊形單元，有四個節(jié)點，相對于三角形單元而言，計算精度更高，沒有它那樣的不可改變，而關(guān)于中心節(jié)點的四邊形來說，相比之下更少節(jié)點數(shù)，不僅能夠節(jié)約計算時間，而且計算精度的變化不大。于是材料屬性中彈性模量 ，泊松比PRXY=0.3，摩擦系數(shù)為MU=0.3。網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖20,21,22：
圖20：劃分網(wǎng)格后的齒輪
下面是嚙合部分的放大圖：
圖21:齒輪小端細節(jié)圖 圖22：齒輪大端細節(jié)圖
3.5施加邊界條件和載荷
施加邊界載荷的原則是：接觸區(qū)域要足夠保證該接觸區(qū)域能夠準(zhǔn)確表達必需的接觸過程。Ansys的面-面接觸單元采用高斯積分作為檢閱接觸點的默認(rèn)值，他比牛頓-羅伯特的節(jié)點積分項有著更為細致的拆分，用柱坐標(biāo)系代替節(jié)點坐標(biāo)系之后，點擊應(yīng)用菜單中的“選擇”按鈕在彈出的對話框中選擇“方法”→“通過選取和數(shù)值”選擇小齒輪中小端內(nèi)徑圓的四條線，之后在選擇“節(jié)點”→“附上”→“所有線條”再單擊“預(yù)處理程序”→“造型”→“運動”→“修飾”→“旋轉(zhuǎn)節(jié)點”→“激活”，這會把小齒輪的小端的內(nèi)徑圓上的節(jié)點坐標(biāo)系全部轉(zhuǎn)換為柱坐標(biāo)系，此時X,Y分別代表R,θ。單擊“預(yù)處理程序”→“解決辦法”→“定義負(fù)載”→“代替”→“執(zhí)行”，在彈出的對話框中定義X方向固定不動，使其只有繞齒輪回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動自由度，也就是約束X軸，再次單擊“預(yù)處理程序”→“解決辦法”→“定義負(fù)載”→“力和力矩”→“執(zhí)行”，在彈出的對話框中選擇fy，輸入fy的值為-88.6N，則至此小齒輪小端上的邊界條件和載荷施加完畢。同理，約束小齒輪大端，大齒輪小端，大齒輪大端安裝孔表面上的節(jié)點的所有自由度。需重復(fù)以上步驟3次。保證這兩個齒輪僅具有圍繞它們各自齒輪的中心軸線的旋轉(zhuǎn)自由度。
轉(zhuǎn)矩負(fù)載施加到小齒輪的內(nèi)表面，并且轉(zhuǎn)矩負(fù)載使用以下公式計算：
T值為負(fù)，小齒輪繞軸線順時針旋轉(zhuǎn)。
3.6求解和結(jié)果分析
利用帶矯正的現(xiàn)行類似方法來解決非線性的ANSYS的方程。這種方法將載荷瓦解成可以應(yīng)用在數(shù)個載荷步內(nèi)或者單個子部之內(nèi)的一系列的向量。ANSYS使用了Newton-Lapusen的平衡迭代的算法,在每一個載荷量的最終解時確保能夠抵達均衡收斂，在每次求解之前，用完全的 NR算法估算出殘差矢量，這個矢量屬于恢復(fù)力的一種，等于加載于外部的載荷的偏差值。然后，在某個限度內(nèi),載荷加強的最后解答直到它平衡或者收斂。接著， 圖23：齒輪接觸應(yīng)力圖
用不平衡的載荷來做線性情況求解，并且 判斷收斂性。如果不符合收斂原則 ，需要再次估計不平衡的載荷量并且改變剛度矩陣，直到獲得的新解使問題收斂。本例采用靜力學(xué)分析,應(yīng)力云圖見圖23。
由圖23可以看出在齒輪齒根處，齒面接觸應(yīng)力最為集中，最大應(yīng)力為508.7MPa經(jīng)查表得知，550MPa是材料為45鋼的錐齒輪的。所以設(shè)計滿足要求。
齒輪接觸應(yīng)力的計算公式已經(jīng)有100多年的歷史了，按赫茲公式計算齒面接觸應(yīng)力 ，見下式：
下面采用赫茲公式驗證上述分析過程的正確性。在ANSYS中計算出小齒輪的最大應(yīng)力值為508.7MPa，按照赫茲公式計算出的最大應(yīng)力值為505.8MPa ，以上兩個值相差不超過5%，在誤差允許的范圍之內(nèi)。所以，設(shè)計的齒輪滿足設(shè)計要求。
4.總論
本文通過Pro/E對錐齒輪進行精確建模，在導(dǎo)入ANSYS后進行有限元分析（齒面接觸應(yīng)力分析），并且對分析結(jié)果與計算結(jié)果進行對比，這論證了所用的理論得正確性和所建的模型的準(zhǔn)確性。通過得到的應(yīng)力云圖能夠看出，齒輪應(yīng)力主要聚焦在齒根處和接觸點處，這些地方最脆弱，是損壞最先發(fā)生的地方。仿真分析進入三維領(lǐng)域之后，計算模型會變得更加真實、更加完整、更加精準(zhǔn)，由此讓計算的結(jié)果變得更加可靠和易于理解。因此，運用有限元分析法對齒輪應(yīng)力和變形進行仿真成為齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計的必然趨勢。這樣一來，能夠在很大程度上降低加工成本，減少因為試驗新產(chǎn)品而產(chǎn)生的費用，給齒輪的創(chuàng)新設(shè)計和完善設(shè)計提供了良好的條件，能用更低的成本優(yōu)化齒輪的各方面參數(shù)。而且，可以在虛擬空間中反復(fù)模擬齒輪的加工工藝，以期找到最合適的材料和工藝。最終實現(xiàn)齒輪的工藝、材料、結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計。
第 35 頁 共 30 頁
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致 謝
馬克思說過：“實踐是檢驗真理的標(biāo)準(zhǔn)?！敝R必須通過實踐才能體現(xiàn)它的內(nèi)在價值，此次的畢業(yè)設(shè)計，驗證了實踐的重要性。在此，我們衷心感謝學(xué)校能為我們提供此次畢業(yè)設(shè)計實踐機會與條件，同時，我由衷地感謝陳愛蓮教授悉心的指導(dǎo)和孜孜不倦的教導(dǎo)。在整個畢業(yè)設(shè)計過程中我們學(xué)到很多知識，提高很多見聞，更培養(yǎng)了我獨立工作能力，增加了自己對畢業(yè)后工作的信心。由于經(jīng)驗的缺乏和設(shè)備條件的限制，我設(shè)計中仍然存在很多不足，但經(jīng)過這次實踐，我們了解了機械設(shè)計過程的一般步驟，更明確了今后努力的方向。
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