基于PROE的行星齒輪減速器建模及仿真

摘 要：闡述了PROE技術在行星齒輪減速器設計中的優勢，利用PROE 5.0建立了行星齒輪減速器三維模型，并進行了運動仿真，結果表明，利用PROE進行實體造型能方便的對產品進行優化，提高了設計效率，減少了設計缺陷，為行星齒輪減速器的廣泛運用奠定了基礎。

關鍵詞：PROE技術；漸開線行星齒輪減速器；參數化設計

引言

目前，在以網絡化、智能化、信息化、全球化為基本特征的設計制造業正在蓬勃發展。減速器作為不可缺少的獨立的驅動元部件，相比于與普通定軸齒輪，她具有體積小、重量輕、承載能力大、傳動比大、傳動平穩及傳動效率高、傳遞動力時可以分流等眾多顯著優點，在建筑機械、起重運輸、工程機械等工業部門有著廣泛的運用。采用Pro/e來實現這一過程，不但能使系列產品的技術數據庫、圖形庫的建立和查詢成為可能，而且還可以縮短設計周期，減少設計缺陷。

1 Pro/E軟件主要功能

Pro/E是美國PTC公司旗下的產品Pro/Engineer軟件的簡稱。經過多年的完善與創新，Pro/E具有很多獨特之處，第一，Pro/Engineer是采用參數化設計的、基于特征的實體模型化系統，工程設計人員可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。第二，Pro/E是建立在統一基層上的數據庫，即在整個設計過程的任何一處發生改動，亦可以前后反應在整個設計過程的相關環節上。第三，Pro/E的所有模塊都是全相關的。也就意味著在產品開發過程中某一處進行的修改，能夠擴展到整個設計中，同時自動更新所有的工程文檔，包括裝配體、設計圖紙，以及制造數據。第四，Pro/E使用用戶熟悉的特征作為產品幾何模型的構造要素。第五，Pro/E的基本結構能夠利用一些直觀的命令，例如“嚙合”、“插入”、“對齊”等很容易的把零件裝配起來，同時保持設計意圖。

2 行星齒輪減速器類型的確定

根據基本參數要求，即輸入功率P1，輸入轉速n1，傳動比ip，工作時間，并且需要該行星齒輪傳動結構緊湊，外輪廓尺寸較小，短期間斷工作和傳動效率高的要求，選定具有雙齒圈行星齒輪的3Z（Ⅰ）型行星齒輪，其傳動簡圖如圖1所示。其中a、b、e為中心輪，c、d為行星輪。

圖13Z（Ⅰ）型行星齒輪傳動簡圖 圖2行星齒輪減速箱總裝配圖

3 3Z（Ⅰ）型行星齒輪減速箱的參數化設計

3Z（Ⅰ）型行星輪系是具有雙齒圈行星輪的3Z型的行星齒輪傳動。它的基本構件有三個中心輪a、b和e。其結構特點是：內齒輪b固定，而旋轉的中心輪a和e分別與行星輪c和d相嚙合，其轉臂X不受外力矩的作用，僅用它來支承行星輪心軸，其傳動比范圍為20～300，傳動效率是0.8～0.9，該類型減速箱結構緊湊，傳動比范圍較大，適用于短期，間斷工作的中小功率的動力傳動。

在設計行星傳動時，太陽輪的結構取決于所采用的均載機構。當太陽輪不動時，它可簡支安裝或懸臂安裝。在本設計中，由于考慮到太陽輪尺寸比較小，因此設計成齒輪軸。

行星輪和行星架是行星傳動中結構較復雜的一個重要零件。行星架可分為雙臂整體式、雙臂分離式和單臂式三種。其中，雙臂分離式行星架的結構較復雜，剛性較差。單臂式行星架，結構簡單，裝配方便，軸向尺寸小。雙臂整體式行星架的結構剛性比較好。本次設計部分即采用雙臂整體式結構?？刹捎描T造、鍛造和焊接式等方法制造毛坯。3Z（Ⅰ）型行星齒輪減速箱總裝配見圖2。

4 行星齒輪減速器的運動仿真分析

運動仿真，即機構設計擴展。Pro/E的運動分析模塊，能夠對設計進行模擬仿真的校驗，例如運動仿真顯示、運動干涉檢測、運動軌跡、速度、加速度等等。

仿真的工作流程如下：

（1）建立運動模型：包括連接建立及連接軸、運動副、及伺服電機的設置。

（2）設置運動環境：包括重力、、執行電機、彈簧、阻尼、力/扭矩、初始條件的設置。

（3）運動機構的分析：運動學、動態、靜態、力平衡、重復組件分析。

（4）分析結果的獲?。喊嘶胤?、運動干涉檢測、軌跡曲線的獲取。

為了確定該行星齒輪箱的設計是否合理，對其進行了運動仿真，運動仿真可測量任意時刻任意位置的齒輪箱運轉時各個齒輪與軸的位置、轉速和加速度信息等。選取主動輪節圓上一點并得到如下測量結果：齒輪c、齒輪d、輸入軸的位置值分別為-27.8233mm、62.2738mm、136.347mm；輸出軸、輸入軸的轉速分別為-1.23675deg/sec、35deg/sec；輸入軸加速度：9.91039mm/sec^2。

為了更直觀的反映數據，利用Pro/E自動的將數據以圖表的形式反映出來。

得到數據圖表如圖3所示：

圖3仿真數據圖表

由仿真得到的輸入軸轉速和輸出軸轉速可知：

傳動比=35÷1.23675=28.29998，本設計要求的傳動比為28，仿真結果與理論值的相對誤差為（28.29998-28）÷28=0.0107<，誤差在合理范圍內，滿足傳動比誤差要求，故可以設計是合理的。

5 結束語

在Pro/E環境下，通過定義各種約束，在裝配模塊中確定了齒輪副的相對位置和嚙合關系。參數化設計的本質是在可變參數的作用下，系統能夠自動維護所有的不變參數，參數化設計可以大大的提高模型的生成和修改的速度，在產品的系列設計、相似設計及專用的CAD系統開發方面都具有較大的應用價值。通過在計算機軟件平臺下對整套裝置的設計分析，能夠及時地發現設計中的缺陷，并根據分析結果進行實時改進。參數化建模、虛擬裝配貫穿于整個計算機輔助設計的全過程，能顯著地縮短開發周期，降低設計成本，提高工作效率。本次設計與三維建模對現實齒輪制造過程有一定的指導意義。

參考文獻

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[5]林清安.Pro/ENGINEER野火3.0中文版[M].基礎零件設計下.北京：電子工業出版社，2008.

作者簡介：韓慶瑤，男，華北電力大學保定。

趙長梅，女，華北電力大學保定。

伏冬孝，男，華北電力大學保定。