solidworks二级减速器的运动仿真与有限元分析(本科毕业论文).doc
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学校代码:
11517
学号:
201050616255
HENANINSTITUTEOFENGINEERING
毕业设计
题目减速器的运动仿真与有限元分析
学生姓名xyz
专业班级机械设计制造及其自动化xx22班
学号201050616255
系(部)机械工程系
指导教师(职称)xx(xx)
完成时间2012年5月21日
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论文作者签名:
年月日
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本人郑重声明:
所呈交的论文,是本人在指导教师指导下,进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外,本论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。
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本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。
论文作者签名:
年月日
河南工程学院
毕业设计(论文)任务书
题目减速器的运动仿真与有限元分析
专业机械设计制造及其自动化学号201050616255姓名xxx
1.主要内容
完成减速器的书面设计,利用三维软件可建立齿轮减速器所有零件的三维模型;在虚拟装配的基础上,高度仿真减速器的运动,完成了模拟设计减速器。
掌握设计步骤,解决设计过程中以及装配、干涉检查、运动仿真过程出现的问题。
理解减速器设计与加工工艺之间的关系,了解减速器各个零件的装配关系。
2.基本要求
利用自己所学的专业知识完成减速器的设计,利用相关三维软件完成对减速器的各个零件造型,将各个零件装配在一起完成减速器的三维装配,进行装配零件之间的动、静态干涉检查。
一旦发现设计不合理之处及时调整与修改设计图纸,从而可缩短产品制造与装配生产过程的时间,降低产品的装配成本,提高设计质量,最后对装配好的减速器进行运动仿真。
3.主要参考资料
[1]黄晓荣.机械设计基础课程设计指导书[M].中国电力出版社,2005:
43-53.
[2]陈立德.机械设计基础(第三版)[M].高等教育出版社,2007.8:
183-188.
[3]濮良贵,纪名刚.机械设计(第八版)[M].高等教育出版社,2006.5:
189-212
[4]DSSolidWorks公司.SolidWorksSimulation基础教程(2010版)[M].机械工业出版社2010.5
[5]吕瑛波,赵秋林,孙学江.SolidWorks2009机械设计行业应用实践[M]机械工业出版社
[6]赵健胡仁喜康士延SolidWorks2007中文版机械设计[M].机械工业出版社,2007
[7]SolidWorks公司.SolidWorks装配体建模[M].机械工业出版社2005
[8]江洪,陆利锋,魏峥.SolidWorks动画演示与运动分析[M].机械工业出版社2007.2
[9]钟日铭.AutoCAD机械制图实例教程[M].清华大学出版社2007.4
[10]王久.Solidworks在《机械基础》教学中的应用[J].现代农村科技2010(16)
[11]
[12]顾忠新,黄恺,石洋.减速器箱体类零件的参数化设计[J]辽宁工业大学学报自然科学版2011(31)
[13]段成燕,王东胜,须莹,等.基于SolidWorks的减速器三维参数化建模与运动仿真[J]黑龙江科技信息2008(36)
[14]ThomasWT.TheoryofVibrationwithapplications.Prentice-Hall,1981
[15]meirovitchL.ElementsofVibrationAnaiysis.McGraw-Hill,1975
完成期限:
指导教师签名:
专业负责人签名:
年月日
目录
摘要 I
第一章概述 1
第一节减速器的设计现状 1
第二节设计任务 1
一主要内容 1
二基本要求 2
三设计任务分析 2
第二章减速器的一般设计过程 3
第一节 前言 3
一传动方案布置 3
二传动方案规划 3
第二节电机的选择及主要性能参数计算 3
一电机的选择 4
二传动比的确定 4
三传动功率计算 5
第三节结构设计 6
一齿轮的计算 6
二轴的计算 10
三轴承的选择 12
四轴的校核及计算 13
五键的计算 16
六箱体的结构设计 16
第三章减速器的虚拟装配与运动仿真 21
第一节减速器的三维建模 21
一布置装配图 21
二轴类零件的三维建模 22
三齿轮的三维建模 24
四套筒、轴承及端盖的三维建模 27
五箱体及箱盖的建模 28
六减速器附件的建模 29
第二节减速器的虚拟装配 30
一轴与齿轮的装配 30
二齿轮与齿轮的装配 31
三子装配体与箱体的装配 32
四箱盖与箱盖附件的配合 34
五其他附件的装配 35
第三节减速器的运动仿真 36
一运动仿真 36
二仿真动画制作 36
第四章减速器的有限元分析 41
第一节轴的有限元分析 41
第二节齿轮的有限元分析 44
结束语 48
致谢 49
参考文献 50
减速器的运动仿真与有限元分析
摘要
减速器作为一种重要的动力传递装置,在机械化生产中起着不可替代的作用。
研究开发产品设计为目标,全过程综合应用CAD及其相关一体化集成技术已经成为必然趋势。
本文主要阐述了二级圆柱齿轮减速器的一般设计过程,采用Solidworks软件生成了二级圆柱齿轮减速器的三维模型,通过该软件特有的仿真运动功能,检查干涉等,实现了减速器的运动仿真,对关键零部件进行有限元分析,保证设计的性能要求。
通过运动仿真和有限元分析来体现现代机械化生产过程中的优越性、经济性,从而减轻设计人员的劳动重复性,给予设计人员的新的设计思路和设计理念,使之在设计过程中减少工作量,提高产品的设计研发效率,缩短研发周期,节约成本。
关键词减速器/虚拟装配/运动仿真/有限元
Themovementofthereducersimulationandfiniteelementanalysis
Abstract
Reducerasanimportantpowertransmissiondevice,themechanizationofmanufacturingplaysanirreplaceablerole.Researchanddeveloptheproductsdesignasthegoal,thecomprehensiveapplicationofCADandrelatedprocessintegrationtechnologyhasbecomeaninevitabletrend.Thisarticlemainlyexpoundsthelevel2cylindricalgearsreductiongeargeneraldesignprocess,USEStheSolidworkssoftwaregeneratedthelevel2cylindricalgearreducer3dmodel,throughthespecialsimulationsoftwaremovementfunction,checktheinterference,realizethegearreducermovementsimulation,keypartsofthefiniteelementanalysis,toensurethatthedesignofperformancerequirements.Throughthesimulationmovementandfiniteelementanalysistoreflectmodernmechanizationproductionprocessofsuperiority,economy,andtolessendesignstafflaborrepeatability,giventhenewdesignpersonneldesignideasanddesignconcept,reduceworkloadinthedesignprocess,improveproductdesigndevelopmentefficiency,shortenthedevelopmentcycle,thecostsavings.
KEYWORDSreducer,Virtualassembly,Movementsimulation,Finiteelementanalysis
第一章概述
第一节减速器的设计现状
减速器作为一种传动装置广泛用于各种机械产品和装备中,因此,提高其承载能力,延长使用寿命,减小其体积和质量等,都是很有意义的,而目前在二级传动齿轮减速器的设计方面,许多企业和研究所都是应用手工设计计算的方法,设计过程琐碎而且在许多方面都是通过先估计出参数然后再校核计算的过程。
这对于设计者来说是枯燥无味的,进行的是重复性工作,基本没有创造性;对于企业来说增加了产品的成本且不易控制产品质量。
这些对提高生产力,提高经济效益都是不利的。
现代最优化技术的发展为解决这些问题提供了有效途径。
随着CAD技术的发展和生产实际的需要,如何实现零件的快速造型、虚拟装配以及运动仿真分析显得越来越重要。
减速器是各行各业普遍使用的传动装置,它包含不同种类常用件和标准件,本文通过对二级圆柱直齿轮减速器所有零件采用SolidWorks三维造型并完成虚拟装配,运用SolidWorks的Motion模块进行运动仿真,直观动态地观察机构的啮合和运动情况,检查测试机构的运动情况是否符合设计要求;通过Simulation模块,对减速器的关键零件进行有限元分析,找出危险截面的最大应力是否小于材料的许用应力,通过仿真和有限元分析大幅度简化设计机构的设计开发过程。
第二节设计任务
一主要内容
完成减速器的书面设计,利用三维软件可建立齿轮减速器所有零件的三维模型;在虚拟装配的基础上,高度仿真减速器的运动,完成了模拟设计减速器。
掌握设计步骤,解决设计过程中以及装配、干涉检查、运动仿真过程出现的问题。
理解减速器设计与加工工艺之间的关系,了解减速器各个零件的装配关系。
运用相关设计软件对减速器的重要零件进行有限元分析实现优化设计。
二基本要求
(一)做好毕业设计的准备工作,包括书记和准备设计资料、绘图工具及用品。
(二)设计之前要认真研究任务书,分析题目,了解工作条件,明确设计要求和内容,制定出设计计划。
(三)设计中要认真复习所遇到的课程内容,如齿轮传动、轴、轴承、箱体等。
在老师的指导下,提倡独立思考,独立设计、独立制图,完成毕业设计。
(四)设计根据设计任务书上的时间安排及学院的规定,遵循作息时间,按计划循序渐进,保质、保量、按时完成设计任务。
三设计任务分析
从设计任务可知本设计的任务分为六个部分:
(一)进行二级圆柱直齿轮减速器的一般设计;
(二)运用三维软件对减速器的各个零件进行三维造型;
(三)运用三维软件对减速器进行装配并进行干涉检查;
(四)运用软件对装配体进行运动仿真并出爆炸视图;
(五)对关键零件进行有限元分析,校核设计
(六)整理相关设计文档、图纸等;
第二章减速器的一般设计过程
第一节前言
一传动方案布置
机器一般是由原动机、传动装置和工作装置组成。
传动装置是用来传递原动机的运动和动力、变换其运动形式以满足工作装置的需要,是机器的重要组成部分。
传动装置是否合理将直接影响机器的工作性能、重量和成本。
合理的传动方案除满足工作装置的功能外,还要求结构简单、制造方便、成本低廉、传动效率高和使用维护方便。
~'6=tsIv
本设计中原动机为电动机,工作机为皮带输送机。
传动方案采用了两级传动,第一级传动为二级直齿圆柱齿轮减速器,第二级传动为链传动。
GgnP
齿轮传动的传动效率高,适用的功率和速度范围广,使用寿命较长,是现代机器中应用最为广泛的机构之—。
本设计采用的是二级圆柱直齿轮传动。
二传动方案规划
原始条件:
胶带运输机由电动机通过减速器减速后通过链条传动(传动比为2,传动效率为0.88),连续单向远传输送谷物类散粒物料,工作载荷较平稳,设计寿命10年,每天工作8小时,每年300工作日,运输带速允许误差为
原始数据:
运输机工作拉力
运输带工作转速
卷筒直径
第二节电机的选择及主要性能参数计算
一电机的选择
(一)电机类型的选择
按已知工作要求和条件选用Y系列一般用途的全封闭自扇鼠笼型三相异步电动机,电压380V。
(二)电动机的选择
滚筒工作所需功率为:
(式2-1)
确定各个部分的传动效率为:
链条传动效率,滚动轴承效率(一对),闭式齿轮传动效率,二级减速器传动效率,带入得(式2-2)
所需电动机功率为:
(式2-3)
因载荷平稳,电动机额定功率大于所需功率,查电动机技术数据选择电动机的额定功率为5.5kW。
(三)确定电动机的转速
滚筒轴的工作转速为:
(式2-4)
根据推荐的传动比范围,二级圆柱齿轮减速器为8~40,链传动比为2,总传动比,故电动机转速可选范围为
(式2-5)
符合这一范围的同步转速有1500和3000两种,考虑到传动装置及电动机的价格和质量,查参考书中Y系列电动机技术数据,选电动机选用1500电动机,型号为Y132S-4。
额定功率5.5kW,转速1440,额定转矩2.2[1]。
二传动比的确定
确定传动示意图如图2-1所示。
总传动比为:
(式2-6)
分配传动比:
链传动传动比为1.86,则减速器的传动比为:
取二级圆柱齿轮减速器高速级传动比
低速级传动比
图2-1传动示意图
三传动功率计算
轴1:
(式2-8)
(式2-9)
轴2:
轴3:
轴4:
将以上算得的运动和动力参数见表2-1。
表2-1运动和动力参数
轴名
参数
电动机轴
轴1
轴2
轴3
工作轴4
转速n(r/min)
1440
1440
535.32
153
76.5
功率P(kW)
3.93
3.85
3.66
3.48
3.00
转矩T(Nm)
26.06
25.53
65.29
217.2
374.51
传动比i
1
2.77
3.66
2
效率
0.98
0.95
0.95
0.862
第三节结构设计
一齿轮的计算
(一)材料的选择
由[2]表10-1选用闭式直齿圆柱齿轮传动,为使结构紧凑,小齿轮选用40Cr(调质),硬度280HBS,大齿轮选用45钢(调质),硬度240HBS,二者材料硬度差40HBS。
由参考资料选择齿轮精度7级。
取小齿轮齿数30,则大齿轮齿数2.7730≈83,取83[2]。
(二)按齿面接触疲劳强度设计
由设计公式(10-9a)进行试算[2]:
(式2-10)
确定公式内各个计算数值
试取,
小齿轮转矩
查表,选取齿宽系数,
查表得材料的弹性影响系数
按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限,大齿轮的接触疲劳强度极限
计算的寿命系数(以工作寿命10年,每年工作300天,每天8小时设计):
小齿轮应力循环系数
(式2-11)
大齿轮应力循环系数
(式2-12)
查得按接触疲劳疲劳寿命系数,,取失效概率为1%,安全系数S=1,由式2-13得[2]:
MPa
MPa(式2-13)
2)试算齿轮分度圆直径
=75mm(式2-14)
计算圆周速度:
(式2-15)
计算齿宽:
(式2-16)
计算齿宽与齿高比
模数:
(式2-17)
齿高:
(式2-18)
计算载荷系数:
根据,查得动载系数。
查得直齿轮。
查得。
7级精度,小齿轮相对支撑非对称布置。
由齿宽与齿高比13.3及,查得[2],所以载荷系数为。
按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径,由公式(2-19)得:
(式2-19)
计算模数:
(三)按齿根弯曲强度计算
式中各个计算数值查书图10-20c得小齿轮弯曲疲劳强度极限;大齿轮的弯曲疲劳强度极限;
由书图10-18取弯曲疲劳寿命系数;
计算弯曲疲劳许用应力,取弯曲疲劳安全系数S=1.4,
,(式2-20)
计算载荷系数:
(式2-21)
查表取齿形系数:
查表取应力校正系数:
故,小齿轮,大齿轮,大齿轮的值大
故
对比计算结果,由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数,由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲疲劳强度所决定的承载能力,而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力,仅与齿轮直径有关,可取弯曲疲劳强度算得的模数2.1,并圆整为标准值2.5mm,按接触疲劳强度算得的分度圆直径mm算出[2]:
小齿轮齿数:
,
大齿轮齿数:
取。
(四)几何尺寸计算
齿宽:
所以取小齿轮齿宽:
大齿轮齿宽:
齿轮3和齿轮4的确定:
同理,通过计算,取齿轮3的齿数为,齿轮4的齿数为,模数
计算几何尺寸:
齿宽:
所以取小齿轮齿宽:
,
大齿轮齿宽:
经过总结得出所以齿轮的基本参数如表2-2所示。
表2-2齿轮基本参数
齿轮
参数
第一对齿轮
第二对齿轮
齿轮1
齿轮2
齿轮3
齿轮4
齿数Z
30
83
30
110
模数m/(mm)
2.5
2.5
3
3
分度圆直径d/(mm)
75
207.5
90
330
齿宽b/(mm)
60
54
90
84
传动比i
2.77
3.66
中心距a/(mm)
140
210
二轴的计算
输出轴即轴3的设计计算
(1)初步确定轴的最小直径:
已知kw,r/min,N•m。
选用材料为45钢,经调质处理,根据查参考资料表15-3,取,查参考资料表15-1得对称循环弯曲许用应力,按扭转强度计算,初步计算轴径[2]
(式2-22)
考虑键槽的影响,增大3%,则
轴最小直径输出直径为安装联轴器处,联轴器的孔径有标准系列,故轴最小直径处须与联轴器的孔径想适应,所以,取轴的最小直径为
(2)确定轴各段的直径和长度
①:
:
根据联轴器的长度,取
②:
半联轴器需要定位,故需设计一定位轴肩,轴肩高度,所以取则
:
根据外伸长度确定为60mm
③:
这段与轴承配合,初选轴承内径为,初定为6209
:
根据轴承宽度b=19mm,
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