二級圓柱齒輪減速器的設(shè)計(jì)與仿真分析

□ 華晨輝 □ 王 鵬

成都工業(yè)學(xué)院 智能制造學(xué)院 成都 611730

1 設(shè)計(jì)背景

二級圓柱齒輪減速器是一種常見的減速機(jī)構(gòu),作用是降低轉(zhuǎn)速,增大轉(zhuǎn)矩,常常用于礦山、港口、航空、建筑、起重、汽車等領(lǐng)域。

在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中,運(yùn)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與校核是最煩瑣的工作。目前多采用軌跡圖法或求解法進(jìn)行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),但對于運(yùn)動部件多于三個的機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì)時非常麻煩,并且設(shè)計(jì)不直觀,設(shè)計(jì)結(jié)果也不能令人滿意。

Unigraphics軟件是集設(shè)計(jì)與運(yùn)動校核于一體的應(yīng)用軟件,建模速度快,直觀,并且能夠充分顯示部件運(yùn)動中相互之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。運(yùn)用Unigraphics軟件的仿真功能,還可以快速驗(yàn)證減速器的設(shè)計(jì)是否合理。

2 總體設(shè)計(jì)

二級圓柱齒輪減速器的結(jié)構(gòu)一般分為展開式、同軸式等,筆者以展開式二級圓柱齒輪減速器為例進(jìn)行設(shè)計(jì),所設(shè)計(jì)的二級圓柱齒輪減速器系統(tǒng)簡圖如圖1所示。減速器的初始數(shù)據(jù)如下:輸送帶的工作拉力為2 500 N,輸送帶速度為1.4 m/s,卷筒直徑為390 mm。減速器使用壽命為10 a,1 a共300個工作日,每個工作日工作16 h,兩班制工作,連續(xù)單向運(yùn)轉(zhuǎn),載荷較平穩(wěn),用于小批量生產(chǎn)。

二級圓柱齒輪減速器結(jié)構(gòu)較精密,包含很多部件,每一個部件都需要設(shè)計(jì)尺寸,計(jì)算工作狀態(tài)。減速器設(shè)計(jì)的主體思路是根據(jù)所需功率選定電動機(jī),計(jì)算并分配傳動比,設(shè)計(jì)傳動裝置及其動力參數(shù),設(shè)計(jì)軸、齒輪、三角膠帶等關(guān)鍵部件。對每個部件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,選定型號尺寸,并進(jìn)行強(qiáng)度校驗(yàn),根據(jù)傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)減速器的箱體結(jié)構(gòu)尺寸。

▲圖1 二級齒輪減速器系統(tǒng)簡圖

筆者以輸出軸的設(shè)計(jì)計(jì)算為例,通過仿真分析,驗(yàn)證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的正確性。根據(jù)初始數(shù)據(jù)計(jì)算得到輸出軸的轉(zhuǎn)速為68.64(°)/s,按彎扭合成強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算,得到輸出軸的彎曲應(yīng)力為14.35 MPa,小于輸出軸材料的許用彎曲應(yīng)力(60 MPa),所以輸出軸的強(qiáng)度滿足要求。

3 三維建模

二級圓柱齒輪減速器中的部件有箱體、箱蓋、軸承、齒輪、齒輪軸、螺栓、螺母等。基于Unigraphics軟件進(jìn)行箱體建模時,先根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算得到的箱體尺寸繪制草圖,然后進(jìn)行拉伸、對稱、切除等操作,繪制出箱體的主體外形,最后利用Unigraphics軟件中拔模、倒圓角、孔、鏡像等功能完成箱體的三維建模。

進(jìn)行齒輪軸三維建模時,先利用設(shè)計(jì)計(jì)算的數(shù)據(jù)在Unigraphics軟件中繪制草圖,建立主體,然后通過拉伸、旋轉(zhuǎn)等操作,繪制齒輪軸的三維圖。

二級圓柱齒輪減速器各部分三維建模后,進(jìn)行裝配。為了裝配的方便,以先主后次的順序,先裝配箱體、齒輪、齒輪軸等主要部件,再裝配螺栓、螺母等標(biāo)準(zhǔn)件,這樣便于整個裝配的定位。

裝配過程中對部件設(shè)置條件約束,將各個部件裝配為一個整體。為了看清內(nèi)部結(jié)構(gòu),調(diào)整箱蓋的透明度,透明度為70%左右即可。二級圓柱齒輪減速器三維裝配圖如圖2所示。

▲圖2 二級圓柱齒輪減速器三維裝配圖

4 仿真分析

運(yùn)動仿真的目的在于檢查干涉及分析運(yùn)動狀態(tài)。筆者設(shè)計(jì)中,運(yùn)動仿真用于運(yùn)動狀態(tài)的分析,干涉問題在裝配完成后進(jìn)行。通過為輸入軸添加設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速,在輸出軸可以測出輸出速度。通過比較仿真結(jié)果和設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果,可以對設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行判斷。

二級圓柱齒輪減速器運(yùn)動仿真分析的過程為創(chuàng)建運(yùn)動方案,干涉和動畫演示,仿真分析。

(1) 運(yùn)動方案創(chuàng)建。選擇連桿,建立輸入軸、中間軸、輸出軸所在的三個連桿。創(chuàng)建三個旋轉(zhuǎn)副,輸入軸的連桿為主動連桿,該連桿的旋轉(zhuǎn)副驅(qū)動速度設(shè)置為966.67(°)/s,同時指定原點(diǎn)和矢量,中間軸和輸出軸的連桿為從動連桿,無驅(qū)動速度。創(chuàng)建兩個齒輪副,指定接觸的齒輪,并標(biāo)注半徑。

(2) 干涉和動畫演示。干涉檢查可以確認(rèn)二級圓柱齒輪減速器裝配是否合理,動畫演示可以直觀看出二級圓柱齒輪減速器運(yùn)動是否平穩(wěn)。干涉檢查中,裝配體沒有高亮顯示,說明裝配體合理。通過動畫演示,確認(rèn)二級圓柱齒輪減速器運(yùn)動平穩(wěn)。

(3) 仿真分析。通過仿真分析,可以得到輸出軸的仿真轉(zhuǎn)速曲線圖。由于速度非常平穩(wěn),仿真轉(zhuǎn)速曲線幾乎為一條直線。仿真分析得到的輸出軸轉(zhuǎn)速為66(°)/s～67.5(°)/s,而理論計(jì)算得到的輸出軸轉(zhuǎn)速為68.64(°)/s,相對誤差為1.6%～3.8%,在誤差允許的范圍內(nèi)。綜合以上分析,可以驗(yàn)證二級圓柱齒輪減速器的設(shè)計(jì)是合理的。

5 結(jié)束語

通過對二級圓柱齒輪減速器進(jìn)行設(shè)計(jì)、三維建模及運(yùn)動仿真分析,有利于擺脫二級圓柱齒輪減速器在設(shè)計(jì)中對實(shí)體樣機(jī)及實(shí)體裝配的依賴,降低了設(shè)計(jì)開發(fā)成本,縮短了開發(fā)周期。

應(yīng)用Unigraphics軟件對二級圓柱齒輪減速器進(jìn)行三維建模,使二級圓柱齒輪減速器的設(shè)計(jì)更直觀、合理,且效率更高。通過對二級圓柱齒輪減速器進(jìn)行運(yùn)動仿真,可以準(zhǔn)確判斷二級圓柱齒輪減速器的設(shè)計(jì)是否合理。