蜗轮蜗杆减速器虚拟设计

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1、目 录第一章 设计说明2第二章 PEO/E三维建模62.1蜗杆建模 62.2蜗轮建模 92.3蜗轮轴建模 132.4轴承建模 132.5下箱体建模 142.6上箱体建模 17第三章 PROE/E装配18第四章ADAMS分析224.1模型导入设置224.2adams分析前处理264.3仿真结果28第五章ANSYS分析 315.1 Pro/E模型导入ANSYS进行有限元分析的过程 315.2 蜗杆静力学分析315.3蜗轮轴静力学分析33第一章 设计说明任务分配：组长：杜宇鹏Proe建模负责人：王朝伟：涡轮蜗杆的建模 蜗轮轴的建模苏雷：上下箱体与轴承的建模Proe装配负责人：白银Adams负责人：杜

2、宇鹏Ansys负责人：代思民数据说明：此设计涉及到涡轮蜗杆一级减速器的虚拟设计，要做虚拟设计，就要用到许多数据和参数，但是老师给的数据又非常不全，所以就不用老师给的数据了。还好在大三学机械设计这门课时，我所做的课设题目也是涡轮蜗杆一级减速器的设计，所以此设计用到的相关数据都是大三做设计时得到的数据。由于之前做的设计已经将计算部分算完了，此次设计的目的是三维建模、装配、仿真。以下是此设计用到的相关数据：（1）其他尺寸：模数m=8，中心距a=225，蜗杆头数Z1=4。（2）蜗杆尺寸：轴向齿距Pa1=25.133mm，直径系数q=10.00;齿顶圆直径Da1=96mm；齿根圆直径Df1=60mm，分

3、度圆导程角=21.8 （右旋）；轴向齿厚S2=12.566mm。图1-1为蜗杆轴的其他尺寸。图1-1（3）蜗轮尺寸：蜗轮齿数Z2=47；变位系数X2=-0.375；蜗轮分度圆直径D2=376mm，蜗轮齿顶圆直径Da2=386mm，蜗轮齿根直径Df2=356mm；蜗轮轮缘宽度b=72mm。（4）蜗轮轴尺寸：如图1-2所示为蜗轮轴的尺寸。图1-2（5）轴承的型号：7312c（6）箱体的部分尺寸：箱体的材料及制造方法：选用铸铁HT100砂型铸造。铸铁箱体主要结构尺寸和关系如表1-1、表1-2所示。表1-1铸铁减速器箱体主要结构尺寸参数名 称称 号一级齿轮减速器计算结果箱座壁厚0.04a+3mm8mm

4、12箱盖壁厚10.8511箱座凸缘厚度b1.518箱盖凸缘厚度b11.5117箱座底凸缘厚度b22.530地脚螺钉直径df0.036a+12mm22地脚螺钉数目nn =(L+B)/(200300)4轴承旁连接螺栓直径d10.75 df18箱座与箱盖连接螺栓直径d2(0.50.6) df14连接螺栓d2的间距l125200mm160轴承端螺钉直径d3按选用的轴承端盖选用或(0.40.5) df12窥视孔盖螺钉直径d4(0.30.4) df8定位销直径d(0.70.8) d212df、d1 、d2至外机壁距离c1见表230,24,20df 、d1 、d2至缘边距离c2见表226,22,18轴承旁凸

5、台半径R1c226凸台高度h根据低速轴承座外径确定55箱机壁到轴承端面距离l1c1+ c2+(510)mm55箱座底部凸缘宽度l2+ c1+ c2+(510)mm77蜗轮齿顶圆与内箱壁距离11.215蜗轮端面与内箱壁的距离212蜗杆箱体轴承座孔的轴向长度lcLc=（11.2）D，D为轴承孔120箱座肋厚mm0.8511箱盖肋厚m1m10.8510轴承端盖外径D2轴承座孔直径+(55.5) d3166轴承端盖凸缘厚度e(11.2) d315轴承旁连接螺栓距离s尽量靠近，以Md1和Md3不发生干涉为准210表1-2 凸台及凸缘的结构尺寸螺栓直径M6M8M10M12M14M16M18M20M22C1

6、min121416182022242630C2min101214161820222426沉头座直径152024283234384244第二章 PEO/E三维建模个人认为在三维建模的时候一定要养成良好的一个良好的习惯，这个好习惯会让你在装配或者文件导入adams中简化操作，因为这里存在一个定位问题，比如装配的时候如果装配是用到基准面没有或者位置不对的话，还要在建立，比较麻烦。习惯就是：尽可能将模型对称处理，比如在草绘中图形对称于中心线，用拉伸命令拉伸时对称拉伸等还有就是在装配过程中遇到零件尺寸步合适在修改零件后，切记要保存，养成习惯。1、蜗杆建模蜗杆设计成品：如图2-1图2-1此设计蜗杆为普通圆

7、柱蜗杆阿基米德蜗杆，蜗杆参数在设计说明中已知，其主要设计思路如下： 利用螺旋扫描、阵列命令，创建蜗杆螺纹 利用旋转命令，创建轴体。 利用倒角、圆角命令，创建倒角。 利用拉伸命令切除材料，创建键槽。具体步骤：第一步，选中旋转扫描伸出项命令（如图2-2）创建蜗杆轴螺纹。按命令要求，在草绘中建立一条扫描的轨迹，如图2-3，接着草绘你要螺旋扫描的界面，如图2-4，最后输入螺距，图2-5。图2-2图2-3图2-4图2-5第二步，因为设计的模数m=4，所以要绘制四条螺纹，用阵列命令陈列出四条螺纹线，如图2-6图2-6第三步，绘制轴上其他尺寸，利用旋转命令一次完成尺寸绘制，草绘尺寸，如图2-7图2-7第四步

8、，绘制键槽的时候，用偏移平面做绘制面，草绘键槽如图2-8，在用倒角命令创建两边的倒角。图2-82、蜗轮建模建模思路：先建立渐开线曲线，再镜像渐开线，接着创建蜗轮毛坯，利用最开始创建的两条渐开线建立一个齿的形状，再切除蜗轮毛坯材料创建一个齿，再阵列出所有齿，最后做蜗轮的结构设计。蜗杆设计成品：如图2-9图2-9第一步，镜像渐开线：用曲线创建渐开线，渐开线方程：r=353.3/2theta=t*45x=r*cos(theta)+r*sin(theta)*theta*pi/180y=r*sin(theta)-r*cos(theta)*theta*pi/180z=0在渐开线所在平面上，草绘齿根圆、基圆

9、、分度圆、齿顶圆四个圆，接着用点命令建立渐开线与分度圆的交点（如图2-10），随后创建点所在平面，再以这个面为起始面创建镜像面，最后用镜像命令创建另一条渐开线（如图2-11，红线所示的为镜像面）。图2-10 图2-11第二步，创建蜗轮毛坯：用旋转命令完成，草绘平面如图2-12图2-12 图2-13第三步，创建一个齿：利用旋转命令，切除蜗轮毛坯上的材料，草绘截面如图2-13。第四步，蜗轮结构设计：由于蜗轮齿顶圆直径为392mm，所以采用腹板式的结构。用旋转去除界面来命令完成，草绘界面如图2-14、2-15。图2-14图2-153、蜗轮轴建模轴的建模不过多介绍，简单的用旋转拉伸命令即可，设计成品如

10、图2-16。图2-164、轴承建模轴承为角接触球轴承7312c。建模思路：先创建轴承内外圈，再创建中间的滚动体，阵列滚动体。第一步，创建轴承内外圈：用旋转命令做，草绘截面如图2-17图2-17第二步，用旋转命令创建滚动体，草绘如图2-18，并阵列。图2-185、下箱体建模此设计由于蜗杆转速不太高，考虑润滑是否方便，所以蜗杆下置。由说明已经给出部分尺寸，建模思路：先建中间箱体，再建下部箱座结构，接着创建轴承座，最后再创建肋板、倒角。倒圆等结构。设计成品：如图2-19图2-19第一步，根据蜗轮、蜗杆、轴承座的尺寸等，先建中间箱体，如图2-20图2-20第二步，创建箱座结构等局部结构，如图2-21图

11、2-21第三步，创建蜗杆轴承座等局部结构，如图2-22图2-23第四步，创建蜗轮轴承座等局部结构，如图2-24图2-24第五步，创建螺栓孔、倒角、倒圆等结构，如图2-25图2-256、上箱体建模上箱体的建模过程与下箱体类似，这里就不再叙述，设计成品：如图2-26如图2-26第三章 PROE/E装配装配思路：在进行装配的时候，注意几个问题：1.一定要根据你装配的三维图形，适当把握其先后顺序，正确的装配顺序会减少许多操作2.根据零件之间的关系，选择合适的连接方式。首先要知道用pro/e进行装配时，装配的第一个件通常是不动的。先将蜗轮与蜗轮轴装配，然后再建立一个装配，装配顺序是：下箱体蜗杆轴承座处的

12、轴承装配蜗杆装配蜗轮轴承座处的轴承装配蜗轮组建的装配上箱体装配装配成品：如图3-1图3-1具体步骤如下：第一步，蜗轮与蜗轮轴的装配：两个件相互配合，应该固定在一起，先缺省放置蜗轮轴，然后再装蜗轮，如图3-2所示装配。图3-2第二步，再新建一个装配图，先缺省放置下箱体，再刚性装配蜗杆轴承处的轴承，注意两个轴承之间的距离，不好安装配轴，可以将下箱体切除一块。如图3-3图3-3第二步，因为蜗杆要做圆周转动，所以用销钉连接进行定义，其中装动角度可以不设置，如图3-4。图3-4第三步，刚性装配蜗轮轴承座处的轴承，接着另一端也是，因为蜗轮组件要做圆周转动，所以用销钉连接进行定义，其中装动角度可以不设置，如

13、图3-5。图3-5第四步，最后刚性装配上箱体，如图3-6，至此装配过程完成。图3-6第四章 ADAMS分析本文运用三维软件PRO/E建立了蜗杆传动机构的实体简化模型，运用A D A M S 仿真分析软件对蜗杆传动机构进行分析,通过输入初始运动条件，计算机可自动进行分析 绘出蜗轮蜗杆的受力及转速、电动机的驱动力矩。1、模型导入设置鉴于整体模型比较复杂 ，根据仿真的需要，将蜗杆减速器的上箱体、下箱体、轴承等固定构件简化为大地模型，简化后的蜗杆传动模型只包括蜗杆、蜗轮。为了在 A D A M S 中建立蜗杆传动刚体模型，本文采用模型 以 parasoli d 格式 导 出 ，导 入到 A D A M

14、 S 软件中文中用的方法是将CAD图形保存为x-t、Igs的格式来进行操作的。本文CAD图形导入是导入的装配体。CAD图形导入ADAMS之前要做以下设置：（1）设置单位：ADAMS的单位“毫米千克秒”，PROE默认单位“毫米牛顿秒”，导入之前应该将单位改过来。具体设置是在装配图（你要导入adams的那个图）中的“编辑”“设置”中将单位改为“毫米千克秒”，再从菜单“应用程序”切换到“Mechancia”,就会出现单位不统一的提示窗口,点转换Convert即可(如图4-1)再次从菜单“应用程序”切换回到标准设计环境 。图4-1（2）保存装配体：在PROE里将装配体保存副本，另存为格式为“x-t”。

15、图形保存的画面是proe保存时的最后画面，建议保存之前要调整好图形的视角，自己认为合适即可。（3）导入adams中：在ADAMS里把刚才保存的x_t文件import。文件类型File type：Parasolid,注意保存的路径File to Read不能有中文名称。模型名称model name:右击选modelcreate。如图4-2如图4-2但是图形导入之后，蜗杆图形失真，螺纹无法显示。如图4-3如图4-3如图4-4既然x-t格式导入蜗杆图形失真，再使用Igs格式导入adams中，我觉得导入的实际效果不是太好（Igs格式导入如图4-4）虽然图形没有失真，但是运行起来太慢，单单是修改图形外观

16、这一个步骤，就要运行很长很长时间，所以就自己掌握的现有知识来说，不建议使用igs格式。最后我决定简化蜗杆中的螺纹特征。这虽然改变了其实际尺寸，但是不影响分析。将整理之后的装配图导入adams中如图4-5。如图4-5（4）修改构建质量：右键单击构件，之后弹出如图4-6所示菜单进行操作。将蜗杆材料类型设置为铁，蜗轮设置为铜。如果导入的件多的话，建议这样操作：左手Ctrl+E （弹出editmodify命令）在弹出的对话框中选择修改的构件，之后再修改材料的质量属性，在Define Mass By 中选择name and position 修改构建名字，关闭之后建议再单击构件修改构建外观颜色。如图4-

17、6（5）修改构件外观：右键单击构件，之后弹出如图4-7所示菜单进行操作。如图4-72.adams分析前处理（1）设置工作环境 设置工作网格：修改大小size：x为 400mm y为500mm。设置单位：修改单位为MMKS。设置重力：把方向设置为Z轴负方向。（2）.建立约束要在涡轮蜗杆之间建立齿轮福，已知要建立齿轮副需要两个转动副和一个marker。在建立约束之前用布尔操作和命令将蜗轮与蜗轮轴变成一个整体，之后再建立约束。先将蜗杆与地面之间建立旋转副，再将蜗轮与蜗杆轴整体与地面建立旋转副。接着建立齿轮连接的marker，坐标为（0.0, -8.0, 0.0）。齿轮福建立如图4-8如图4-8齿轮副

18、的建立还许设置marker的方向来确定蜗杆的导程角，螺纹导程角是21.8。按其旋转方式，确定Orientation为270，68.2，180。如图4-9如图4-9（3）添加力在蜗轮所在的转动副上添加反向力矩，大小为653N。（4）添加驱动将电动机加在蜗杆所在的旋转副上，蜗杆转速n为=5820d*time（5）仿真设置时间5s，步长为2003.仿真结果仿真结束后进入PostProcessor后处理模块查看所需的结果曲线 。(1)蜗轮蜗杆轴转速分析 ，如图4-10。图4-10（2）蜗杆轴受力分析，如图4-11。图4-11（3）蜗轮轴受力分析，如图4-12.图4-12（4）电动机驱动力矩，如图4-1

19、3.图4-13结论:本节通过运用三维软件PRO/E建立了蜗杆传动机构的实体简化模型，在 A D A M S 仿真分析软件中对蜗杆传动机构进行分析，通过输入主动件初始运动条件 ，计算机可自动进行分析，绘出蜗轮蜗杆转速图、蜗轮蜗杆受力图、电动机驱动力矩图。这就省略了理论分析方法一步步繁琐的数学公式推导及求导过程，并且分析结果为可视化的图表 ，直观且清晰。通过将模拟值与实测值的比较，证明了这一计算方法的正确性与可行性。第五章 ANSYS分析1、Pro/E模型导入ANSYS进行有限元分析的过程ANSYS在默认的情况下是不能将Pro/E中的“.prt”文件直接进行转换的，必须通过相应的配置设置来激活该数

20、据连接接口使其正常工作。此设计是用Ansys10.0与proe4.0接口做的。(1) 将Pro/E模型复制到ANSYS的工作目录中，启动Pro/E，将其工作目录设置为ANSYS的工作目录，设置Pro/E的单位为国际标准单位制（m、N、sec、K），保存模型文件，单击菜单栏中的【ANSYS 10.0】-【ANSYSGeom】将模型导入ANSYS。（2）单击【Plot】-【Volumes】，以体模式显示模型，然后关闭ANSYS，选择不保存，再关闭Pro/E。（3）重新运行ANSYS，单击【File】-【Read Input from】，选择ANSYS根目录下的“xxx.inf”文件打开（xxx为P

21、ro/E模型文件的文件名）。（4）在ANSYS命令行中运行“/units,si”，将系统单位制设为国际标准单位制。2、蜗杆静力分析按如上步骤导入pro/e模型蜗杆，再设置：单元格类型：solid45 材料属性：弹性模量为29e6 、泊松比为0.3 自由划分网格在轴承处添加约束力，在蜗杆齿面处添加约束力如图5-1所示为蜗杆轴受力变形图，如图所示可看出，蜗杆齿面处受力变形最大。图5-2为蜗杆受内应力图，由图可看出，蜗杆齿面处和一端安装轴承处受力较大。图5-1图5-23、蜗轮轴静力分析按如上步骤导入pro/e模型蜗杆，再设置：单元格类型：solid45 材料属性：弹性模量为29e6 、泊松比为0.3 自由划分网格在轴承处添加约束力，在相应安装蜗轮处添加约束力如图5-3所示为蜗轮轴受力变形图，如图所示可看出，在安装蜗轮处受力变形最大。图5-4为蜗轮轴受内应力图，由图可看出，一端安装轴承处受力较大。图5-3图5-4