二級斜齒圓柱齒輪減速器虛擬仿真與可靠性分析

吳桂玲，金福占

（1.遼寧工貿學校，遼寧 110000；2.遼寧東煤基本建設有限責任公司，遼寧 110000）

1 研究任務和內容

本文通過查閱相關資料，進行減速器傳動零件、標準件、箱體及其附件的設計，為Pro/E的建模提供理論基礎，使用具有強大參數化建模功能的Pro/E軟件，來建立圓柱齒輪減速器三維參數化的模型，再依據其進行裝配；用Pro/E來實現虛擬裝配和運動仿真；再對其中的重要零部件齒輪和軸可靠性分析。明確設計的優點及有待改進的地方，為以后的設計總結經驗。Pro/E是現代產品工業設計中不可或缺的軟件工具，Pro/E已不僅是工業設計人員所必須掌握的，也正在成為更廣大的工程技術人員的必修內容。Pro/E廣泛應用于機械、工業設計等相關行業。

本課題主要有以下三個任務。

（1）在Pro/Engineer中建立輸出減速器中各個的三維實體模型。

（2）虛擬裝配和動畫演示的制作與調試。

（3）將三維繪圖軟件Pro/E 建立的減速器箱體三維實體模型導入到ANSYS中對其進行有限元應力分析。

本課題主要是拆畫減速器零件圖運用AUTOCAD和Pro/E來完成帶減速器的裝配圖、零件建模、裝配動畫和運動仿真。

1.1 Pro/E的零件建模

零件建模是產品設計的基礎，而組成零件的基本單元是特征。要確定建模方法，先應該清楚模型的結構。建模過程中，做到模型編輯和修改工具會熟練使用，使設計內容不斷優化。盡管我們設計的零件多，但多為軸和齒輪，建模方法對于回轉體很適用。零件三維模型就是使用旋轉建模法，進行拉伸、剪切或孔的處理得到的。

要使所有模型有區別而且具有真實感，我們可以在建模后，給每個零件顏色和材質，一般設計缸體顏色為半透明，以便看清內部的運動過程。

1.2 圓柱齒輪減速器三維建模

Pro/E的組件模塊具有裝配工具。在此軟件的“組件”模式下，把元件和子組件裝配在一起構成組件，Pro/E可以對組件修改、分析或重新定向，還可以在組件中重新組合設計零件。

1.3 Pro/E的虛擬裝配

虛擬裝配就是機構裝配結束后，按拆裝順序抓拍某些特別方位的快照，通過關鍵幀的設定確定各快照之間轉換的速度，以得到一個機構的裝配動畫。所裝配動畫的主要工作是拆裝位置的正確擺放、快照的準確抓拍和關鍵幀的時間設定等。

1.4 Pro/E的干涉檢驗和運動仿真

我們要對已裝配的產品進行干涉檢驗，來保證運動仿真過程的順利進行。我們選擇在產品裝配模式下點擊菜單中的【分析】—【模型分析】，選擇全局干涉選項，再點擊【計算】按鈕，干涉分析就會開始了。Pro/E中的干涉檢驗簡單易行。使用Pro/E實現減速器虛擬裝配和運動仿真獲得產品模型，對于提高產品質量和優化設計，減少研發時間和成本，帶來極大好處。Pro/E裝配模式中有運動仿真模塊，組件間的運動仿真是專門用Mechanism來處理。創建齒輪連接和設置伺服電動機是設計中首要任務， 并進行運動學分析，機構的“動力”是伺服電動機，它實現旋轉和平移運動，從而達到運動仿真的目的。

2 拆畫零件圖

為了后期PRO/E建模工作可以順利完成，減少三維裝配過程中不必要的干涉問題。根據零件圖已有的尺寸拆畫出各個零件的完整數據，來創建準確的三維造型。

3 減速器的虛擬裝配及運動仿真

傳統的設計是用平面圖形反映機械零件和裝配關系，顯然機器運轉過程中各零件的運動狀態及其相對位置關系無法在這種靜態圖形中表現出來，無法直觀的其運動是否合理，零件的干涉等問題都無法直觀反映出來。PRO/E三維建模裝配和計算機運動仿真技術很好的實現了機器的運動仿真分析。

首先，用Pro/E來實現虛擬裝配，得到裝配圖，然后進行減速器的虛擬裝配, 之后開始干涉檢驗和運動仿真。運用軟件Pro/E的具有直觀性能的動畫模塊來實現減速器的虛擬裝配，運動仿真模塊來實現減速器的傳動系統干涉檢驗和運動仿真。

3.1 漸開線圓柱齒輪的三維參數化造型

齒輪在三維實體造型中，需要參數和關系式等輔助工具和掃描混合等高級特征功能來達到設計要求。

3.2 圓柱齒輪減速器的虛擬裝配及拆裝動畫

虛擬裝配依據產品設計的形狀特性、精度特性，仿真產品的三維裝配過程，用戶以交互方式控制產品的三維仿真裝配過程，來預估產品的可裝配性能．及早發現缺陷,以便改進,這樣大大節省資金,提高開發效率，有效降低產品的成本，降低市場銷售價格,提升企業的競爭力。

3.3 圓柱齒輪減速器的干涉檢驗和運動仿真

3.3.1 減速器干涉檢驗

要先把裝配完的產品干涉檢驗，以便保證機構運動仿真過程順利進行。進行Pro/E中產品裝配關系的干涉檢驗，點擊菜單中的【分析】—【模型分析】，選全局干涉選項，點擊【計算】，干涉分析開始運行，分析結果：齒輪軸與大齒輪間干涉體積是0．02448mm。

有2個產生干涉的原因。

（1）進行數據處理時，系統對零件做復雜的大量運算，算法的精度可能不夠高，計算機計算位數的局限性，會不可避免地出現與真實數據細微的偏差。

（2）齒輪漸開線的公式的也會存在舍入時的誤差。誤差只能減小,無法避免這些系統的精度和公式的應用過程中的舍入誤差必然會造成微小干涉的出現，毫無疑問設計和裝配理論沒有問題。根據多年的經驗，在實際裝配中,這樣微小的體積干涉可以做些技術處理完全可以處理掉的。最后我們可以得出結論：裝配的結果正確。

3.3.2 減速器機構的運動仿真

建立、評估和優化部件在現場工作環境中的運轉可以用運動仿真軟件包來實現，來判斷是否能滿足工程和性能需求。早期階段應用運動仿真，對產品性能可以進行預估，不合適可以修改,減少不必要損失,節約資金,裝配(Assembly)模式中的Pro/E運動仿真模塊，Mechanism的功能是專門用來處理組件間的運動仿真。

組件裝配完畢，執行【應用程序】—【機構】命令，機構運動模擬的下一階段的設定如下。

（1）創建齒輪連接。

①選擇【連接】—【齒輪】，建一個新的齒輪副。

②在【齒輪1】中選取高速傳動軸，使其與箱體的銷釘接頭連接， Pro/E會自動選主體和支架，給出節圓的直徑。在【齒輪2】中選擇中速傳動軸，使其與箱體的銷釘接頭連接，Pro/E自動選取主體和支架，給出節圓直徑，單擊確定，這樣就完成了第1、2兩個齒輪副的構建。

（2）創建伺服電動機。

為機構提供“動力”的伺服電動機可以實現旋轉及平移運動，同時能確定運動輪廓,其步驟如下。

①選取【電動機】【伺服電動機】或單擊圖標，建一個伺服電動機。

②選擇【連接軸】，選取高速傳動軸，與箱體的銷釘接頭連接。

③在【輪廓】選項卡上，將【規范】設為【速度】，【模】設為【常數】 ,1440r．min-1(即傳動軸的轉速)輸入。

（3）運動學分析。

①選【機構】—【分析】，【分析】對話框打開。

②單擊【新建】，選【運動】，在【時域】選項卡上，默認缺省值。

③單擊【運行】機構運動就可以顯示了。

（4）保存并查看結果。

①單擊【機構】 【回放】，干涉檢查開始。

②在回放對話框中，單擊，打開動畫對話框，單擊【捕捉】把運動動畫輸出成MPEG、JPG等格式影像文件。

4 結語

此文帶式運輸機減速器借助Pro/E進行的虛擬裝配和運動仿真，是將圓柱齒輪減速器設計與Pro/E的虛擬裝配和運動仿真技術相結合的一種設計方式，它的優點和弊端總結如下。

（1）利用Pro/E的動畫模塊，可以更直觀的對減速器的內部結構進行體現，比二維繪圖更為直觀、實用。

（2）在Pro/E的仿真動畫中進行的干涉檢驗檢測結果證明，所設計的減速器的各傳動齒輪齒輪之間無相互干涉現象，可以生產。

（3）由于初次使用動畫仿真，在抓取快照和選擇視角以及動畫處理等方面，可進一步優化。

（4）使用Pro/E實現減速器虛擬裝配和運動仿真，能更加直觀地看到減速器的檢測和進行各個部件的間隙調整。此設計大幅度縮短減速器的研發設計的周期，使產品生產成本明顯降低，可以更加高效的優化減速器的設計。

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