谐波齿轮工作状态下的应力分析

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1、e题 目 谐波齿轮工作状态下的应力分析 学生姓名 e 学号 e 所在学院 e 专业班级 e 指导教师 e _ _ 完成地点 e 2009 年 06 月 12 日谐波齿轮工作状态下的应力分析e（e）指导老师：e摘要谐波齿轮传动作为一种新型的传动技术在最近的几十年里发展的速度非常快。谐波齿轮传动主要是依靠柔轮的弹性变形来传递运动和载荷的。由于谐波齿轮传动过程的复杂性，至今还有不少问题没有很好的解决。所以对谐波齿轮传动过程的研究具有重要的实际意义。本文主要对谐波齿轮传动关键零件的力学特性进行了研究，同时对柔轮的运动特性作出了一定的分析。本文主要内容：阐述及分析了谐波齿轮传动技术的发展趋势、研究现状，

2、介绍了谐波齿轮传动的原理、结构及特点，谐波齿轮传动中柔轮变形规律；在三维造型软件proe中建立谐波齿轮传动装置的实体模型，通过有限元接触分析对齿间的接触力进行分析。分析了柔轮壳体中的应力大小和分布规律。 由于柔轮的应力应变情况在波发生器的作用下发生连续性的弹性变形，长时间承受着交变应力的作用，谐波齿轮传动的使用寿命在相当大的程度上取决于柔轮的强度。本文中关于柔轮应力分布的研究方法和研究结论，为提高谐波齿轮使用寿命的具有重要的参考意义。关键词:谐波齿轮传动，柔轮，有限元分析，力学特性Analysis of Mechanical Characteristics of Harmonic Drivee

3、eTutor：eAbstractAs a new transmission technology，the development speed of harmonic gear drive is very fast in recent decades. Harmonic gear drive mainly relies on the elastic deformation to transmit motion and loads. Because of the complexity of the harmonic gear drive process, since there are many

4、problems not well solved. So the study of harmonic gear drive process has important practical significance. In this paper, the mechanical characteristics of the key parts of the harmonic gear drive is studied, and the motion characteristics of the flexible wheel made some analysis. The main contents

5、 of this paper: the description and analysis of the research status, development trend of harmonic gear drive technology, introduces the principle, structure and characteristic of harmonic gear drive, Flexspline in harmonic gear driving deformation; solid model of the harmonic gear drive based on 3D

6、 modeling software PROE, the finite element contact analysis on the tooth contact stress between analysis. Analysis of flexible wheel in the stress size and distribution.Because of the flexspline stress strain occurs in continuity of wave generator under the effect of elastic deformation, long time

7、under the action of alternating stress, the life of harmonic gear drive to a large extent depends on the strength of the flexible wheel. In the article about soft round the research method and conclusion of stress distribution, to improve the service life of the harmonic gear has important reference

8、 significance.Keywords: Harmonic gear drive, Flexible gear, Finite element analysis, Mechanical properties目 录引 言6第一章 绪论61.1谐波齿轮传动国内外发展现状61.1.1谐波齿轮传动国外发展现状61.1.2谐波齿轮传动国内发展现状71.2谐波齿轮传动研究趋势71.3谐波齿轮传动应用91.4研究内容及意义101.4.1研究内容101.4.2研究意义111.5本章小结12第2章 谐波齿轮传动原理及建模132.1谐波齿轮传动的组成132.2谐波齿轮传动装置传动的基本原理及特点142.2.

9、1 谐波齿轮传动装置传动的基本原理142.2.2谐波齿轮传动的特点152.3 谐波齿轮设计162.3.1 设计要求162.3.2 主要参数162.4建立模型172.5本文的模型简化主要有以下几点:192.6本章小结20第三章 有限元分析法的介绍213.1有限元分析基本理论213.1.1有限元法概述213.1.2有限元法分析步骤213.2谐波齿轮传动应力分析233.2.1建立有限元模型233.2.2实体模型简化233.3 本章小结24第四章 谐波齿轮的有限元分析254.1谐波齿轮的有限元模型254.1.1 谐波齿轮有限元模型的建立254.1.2 单元类型选择264.1.3 接触定义264.1.4

10、 网格划分274.1.4 加载与约束294.1.5 求解计算324.2 有限元结果及分析324.3 本章小结34第五章 总结与展望355.1总结355.2展望35致 谢36参考文献37附 件引 言波传动是20世纪50年代中期随着空间科学技术的发展，在薄壳弹性变形的理论基础上发展起来的一种新型传动技术。其传动比大而且范围宽，同时啮合的齿数多，传动精度高，可以在密闭空间和介质辐射的工况下传递运动，并在真空条件下具有足够高的工作能力。再者其结构简单、体积小、重量轻、噪音低、承载能力高而且传动间隙非常小。近几十年来，已由空间技术领域被迅速推广到能源、通讯、机床、仪器仪表、机器人、汽车及医疗器械等领域。

11、第一章 绪论1.1谐波齿轮传动国内外发展现状1.1.1谐波齿轮传动国外发展现状1955 年对于机械传动领域来说是一个新的转折点，美国的 C.M.Musser 在这一年制造了全球第一台谐波齿轮减速器，这就意味着一种新型的传动技术谐波齿轮传动技术从此诞生。世界上各个工业发达的国家都有一大批研究人员在接下来的几十年里专门从事谐波齿轮传动技术的研究和创新，特别是一些科技强国（像美国、日本、前苏联等）更是花费了相当大的人力和财力，这就使这些国家的谐波齿轮传动技术得到了飞速的发展。近几年来，一些西欧国家（例如德国、英国、法国等）也开始投入大量的人力和财力对谐波齿轮传动技术进行深层的研究。日本作为一个科技强

12、国非常重视新技术的研究，所以在谐波齿轮传动技术上投入了大量的精力。除此之外，日本国内还有很多公司也在致力于这项技术的研究，例如，日本的 Hasegawa 齿轮公司在 1964 年研制了谐波齿轮减速器，在实际生产和工作中非常实用；之后 Hasegawa 公司与 USM 公司于 1970 年又在日本东京联合创办了谐波传动系统有限公司（Harmonic Drive System Inc.）。谐波传动系统有限公司在这次的合作中从 Hasegawa 公司手中得到了谐波齿轮传动装置的商业权益。与此同时，日本在 70 年代以后开始从美国引进谐波齿轮传动的先进技术，并在此技术基础上进一步研究和创新，现在不但可

13、以根据实际工作和生产需要研制各种各样的谐波齿轮传动机构，而且还在理论上和实践上实现了谐波齿轮传动机构的标准化、系列化。60 年代初期，前苏联也投入了大量的人力和财力开始致力于谐波齿轮传动的技术的研究和探索。为了对该领域进行深入的、较系统的研究，他们专门集中了一大批研究人员从基础理论和试验分析两个方面进行深入研究。除此之外，还有一些科研机构（例如莫斯科褒曼工业大学、前苏联减速器研究所、苏联机械研究所、列宁格勒光学精密机械研究所等）也都致力于这方面的开发研究。目前在谐波齿轮传动的结构、类型、应用等方面取得了显著的成果。接下来又在 70年代实现了“全苏通用谐波减速器标准 FOCT21108-78”标

14、准系列化。1.1.2谐波齿轮传动国内发展现状1961 年，我国也投入了大量的人力和财力开始致力于谐波齿轮传动技术的科研工作，经过众多科研工作者的共同努力我国已经在研制、实际应用等方面取得了很大的成果。迄今为止，在全国已经有几十家科研单位开始致力于谐波齿轮传动技术的研究与开发，而且前后根据实际工作和生产的需要开发研制了各种各样的谐波齿轮传动装置。例如一种高精度的谐波齿轮传动装置，其回差非常小，最大值还不到 4，而且传动精度也非常高，传动误差在 9以下；用于水下探测用的谐波齿轮传动装置，其中最典型的就是水下激光探测仪，其内部的驱动装置就是谐波齿轮传动装置；谐波齿轮传动装置也广泛应用于军事方面，导弹

15、发射架和雷达传动系统中的使用的就是这种装置；以及高灵敏度的小型谐波齿轮传动装置，其最大噪声值还不到 45 dB。基于实际应用需要的开发和研究，使我国谐波齿轮传动的科研工作向前迈了关键性的一步。为了系统的深入的研究谐波齿轮传动技术，我国在 1983 年成立了谐波齿轮传动研究室，一年之后在北京通过了“谐波减速器标准系列产品”的鉴定，我国科研工作者在此基础上又做了大量的工作，终于在 1993 年制定了 GB/T14118-93谐波传动减速器的标准。除此之外，我国还有很多的科研单位在谐波齿轮传动技术的研究上投入了大量的精力，像北方精密机械研究所、北京谐波传动技术研究所、燕山大学、北京中技克美谐波传动有

16、限责任公司等都在这方面做了大量的贡献。通过多方的努力我国已经在研制、应用方面取得了骄人的成绩，打破了这项技术在国内的空白现状。为我国谐波齿轮传动技术的开发及应用普及打下了坚实的基础。我国的一些科研单位在 70 年代中期开始致力于谐波齿轮传动技术的开发及研制工作。当时我国在这方面技术上的科研水平还是有限的，那时使用的谐波齿轮传动轮齿齿廓依旧是直线三角形齿廓。这种齿廓是麦塞尔在实验中通过测量柔轮轮齿的径向变形位移而得到的齿廓近似形状，这种齿廓的刚轮压力角为=28.6，鉴于这种齿廓不管是在加工工艺还是在传动性能方面都存在着很多的缺陷，因此，人们又开发了一种新的谐波齿轮传动设计方法，这种方法使用的是渐

17、开线齿廓。谐波齿轮传动渐开线齿廓在 70 年代后期被得到了广泛的应用，正是因为当时我国有很多的科研工作者都在极力的推荐和使用这种齿廓。后来我国的很多工厂和研究所对渐开线齿廓的研究也投入了大量的精力，并且设计和制造了渐开线齿廓的谐波齿轮减速器；通过实验分析和实际应用之后，这种减速器渐渐的被人们所认同，渐渐有了小批量的生产，目前我国的谐波齿轮减速器更以商品的形式参与了国外的市场竞争。我国的国防工业和很多民用机械产品领域广泛使用了谐波齿轮传动产品，有些产品还出口到国外市场，目前我国的谐波齿轮传动技术已经比较成熟。1.2谐波齿轮传动研究趋势谐波齿轮传动技术在机械传动领域发展的很快，有很多学者都在这方面

18、工作上面投入了大量的精力。即使国内的研究者对这方面的问题的研究已经做了大量的工作，但是有很多问题迄今为止还没有解决，一些实用的规律至今还没有被发现。例如谐波齿轮传动的强度计算和传动精度的分析等问题，还需要我们进一步的研究和探讨。从这几年的研究和分析资料中我们可以总结出，谐波齿轮传动的研究主要内容有以下几点：（1）柔轮疲劳强度自从谐波齿轮传动技术诞生以来，柔轮的强度计算就成了研究工作的重点。由于柔轮强度问题的约束，以至于谐波齿轮传动的单级传动比的最小值一般只能在 80 左右。为了提高谐波齿轮传动工业减速器的应用前景，我们需要尽最大的努力去降低谐波齿轮传动的单级传动比，正是由于实际应用的迫切需求，

19、谐波齿轮传动的强度计算问题变得更是尤为重要，因此在日、美等国对此问题非常重视。80 年代中期，日、美等国研制出一种新型的谐波齿轮传动装置，这种装置的单级传动比只有 50，但是这样就增加了柔轮中的应力，从而就大大降低了柔轮的承载能力，在传动比一定时普通谐波齿轮传动的承载能力要比它大得多。（2）结构工艺性我国目前成功研究设计的圆柱形柔轮的长径比是 0.81，而日本研制的是0.50.8。俄罗斯的科研工作者正在研究一种新的圆柱形柔轮，它的长径比仅在0 .52左右，并且已经成功研制出一种超短柔轮的 DP 系列谐波齿轮传动装置，这种装置的传动比在 85 115的范围内，其柔轮在额定的载荷作用下可以安全的工

20、作时间不小于 500h。（3）啮合原理为了提高谐波齿轮传动的啮合性能和寻找更好的齿轮加工工艺，我们就有必要对谐波齿轮传动的啮合原理进行深一层的研究。早期人们主要是通过经验和实验分析对谐波齿轮传动的啮合原理进行研究和探索，主要是因为其齿轮的相对运动关系比较繁琐，例如对柔轮的运动轨迹进行巨大的简化，这样柔轮的齿廓就变成了直线齿廓。后来出现了很多种的啮合分析理论，它们的分析机理都是柔轮的弹性变形。所以目前在谐波齿轮传动啮合性能的研究中对载荷作用下柔轮的弹性变形的分析就显得非常重要。（4）加工工艺性谐波齿轮传动关键零件的加工繁琐程度都不一样。加工最繁琐的要数柔轮。这主要是因为加工零件的绝大多数的工作量

21、都用在了对轮齿的加工，所以针对柔轮和刚轮的实际加工需要去设计加工工艺就显得十分重要。基于这种原因，苏联从 80 年代开始在这方面就做了大量的工作，在柔轮的加工过程中已经成功的使用了滚轧加工技术，在很大程度上减少了加工工作量，现在把滚压加工工艺应用在刚轮内齿的加工中的实验已经取得了骄人的成绩。我国的研究者也正在进行滚轧技术的实验研究。（5）新齿形在谐波齿轮传动的研究中一开始使用的是直线齿廓，它的压力角是=28.6，后来人们成功开发设计的渐开线齿廓在实际的生产和分析中得到了广泛的使用，针对渐开线齿廓很多科研工作者也对其共轭性给予了证明。70 年代开始，圆弧齿形最早在前苏联提出和研究并且在日、美等国

22、应用于实际生产当中。到现在为止还不能得到和圆弧谐波齿轮传动相关的详细资料，只能从零星的报道了解到其轮齿齿廓采用的是切线式双圆弧齿形。这都要归因于日、美等国对于这方面资料的封锁。现在，人们在提高谐波齿轮传动的啮合性能、承载能力和传动寿命的几个方面做了大量工作，力求设计出具有这些特点的圆弧齿廓谐波齿轮传动技术，在众多学者的努力下已经取得了前期的理论研究成果。（6）传动精度苏联学者在谐波齿轮传动精度这方面的研究上投入了大量的人力和财力。迄今为止，只有 S.A.Shuwalov 等学者提出的谐波齿轮传动误差估计公式是比较符合实际工作情况的。因为谐波齿轮传动的运动转换机理和啮合齿轮的工作情况和一般的齿轮

23、传动有很大的区别，这就对谐波齿轮传动的建模产生很大误差。现在在轮齿的啮合区主要是采用当量圆柱齿轮传动，这样得到的传动误差近似值及误差的频谱分析结果和实际情况大致吻合。1.3谐波齿轮传动应用由于谐波齿轮传动的突出特点，近几十年来，谐波齿轮传动已经被应用于各个领域，主要有以下几个领域：（1）雷达系统雷达系统在实际的工作中，雷达系统的驱动装置应该具有体积小、传动比大、零回差等特点，基于谐波齿轮传动装置具有这些特点，因此广泛地应用于雷达系统中。美国自 60 年代开始，把谐波齿轮传动普遍应用在各种的雷达系统中。最典型的像，把传动比为 172 的谐波齿轮传动装置应用在导弹对地跟踪雷达的天线方位驱动系统中。

24、迄今为止，约有四分之一的雷达定位系统使用谐波齿轮传动装置。（2）光学仪器光学仪器领域也广泛采用了谐波齿轮传动装置。最典型的像国外光学显微镜的影像清晰度调节机构，使用的就是用塑料制成的谐波齿轮传动装置。我国研发的高灵敏度小型谐波马达减速器被广泛应用在各种变焦距镜头的控制系统，正是由于其具有体积小、重量轻，噪声小等突出特点。除此之外，在很多的大型光学仪器的驱动系统中也广泛采用了谐波齿轮传动装置。（3）航空航天领域把谐波齿轮传动技术应用在航空航天领域最完美的是美国和苏联。美国 USM等公司一起研发了一种新的谐波齿轮传动机构，这种装置可以作为卫星上的恒速传动装置，这种传动装置具有双钟形形状的柔轮，这就

25、保证了在很小的轴向尺寸时所需要的径向变形。实际应用表明：由于在实际工作时有很多对轮齿同时啮合，这就使轮齿承受较小的接触应力，大大提高了传动精度，从而提高了整个传动装置的传动性能，与此同时，再加上在真空的工作环境下没有发生轮齿的磨损等现象，所以该装置具有很高的可靠性。70 年代初期，基于社会的飞速发展对高性能飞机的技术要求越来越高，美国埃米斯研究中心在风洞动态稳定装置的各种传动系统中都应用了谐波齿轮传动装置。正是因为使用了谐波齿轮传动装置，大大降低了能量消耗，从而大大提高工作效率，给创建大型风洞提供了新的技术支持。（4）通用机械领域国内外的通用机械领域也广泛的应用了谐波齿轮传动装置。最典型的像国

26、外把传动比为 1206576 的谐波齿轮传动装置应用在自动生产线的精密设备中，实现了可以自动改变精密锁磨机的锁磨头半径；在铣床的双速横向走刀机构中采用了谐波齿轮传动以后，提高了工作效率；在自动给转辙执行机构中采用谐波齿轮传动机构，提高了承载能力等。（5）原子反应堆和高能加速器原子反应堆和高能加速器的工作环境要求传动装置可以在密封空间运行，具有很大的承载能力，而且还需要可以在高温高压下的环境里安全的工作，正是因为谐波齿轮传动具有这些特点，所以密闭谐波齿轮传动在这些领域中发挥了非常重要的作用。正是因为谐波齿轮传动具有很大的传动比，它可以把外面的高速回转运动，转变为里面的慢速直线运动，除此之外，它还

27、可以把有害介质与外界隔离而不用密封结构。（6）机器人领域谐波齿轮传动具有结构简单、体积小、传动比大的突出特点，迄今为止，应用在机器人上的传动装置绝大多数是谐波齿轮传动装置。最典型的像登月机器人，美国成功研制了一种移动式机器人，它的各个关节都采用谐波减速器装置连接的，除此之外，它行走用的轮子采用的也都是谐波齿轮传动装置。正是因为谐波齿轮传动的特点突出，决定了某些领域只能用谐波齿轮传动装置，所以谐波齿轮传动的具有广阔的应用空间。1.4研究内容及意义1.4.1研究内容本文主要是通过查阅资料和实际应用分析，研究谐波齿轮传动关键零件的力学特性分析，因为谐波齿轮传动的各种优点，所以应用领域广泛。但还是存在

28、一些问题，就是柔轮的设计复杂，需要进行进一步的研究和创新。本文主要内容：（1）全面的介绍和分析了谐波齿轮传动技术的发展趋势、研究现状，发现国内外谐波齿轮传动装置的现有产品在性能上还是有一定的差别，实际工作环境对谐波齿轮传动装置的要求非常高，特别是对传动装置在安装空间、使用寿命、承载能力等方面的要求比较高，基于这种问题提出了对谐波齿轮传动装置关键零件的力学特性有限元分析。（2）介绍了谐波齿轮传动的原理、结构及特点，谐波齿轮传动中柔轮变形规律；根据柔轮变形的基本公式，计算出柔轮受四力作用时各点位移，得到柔轮的变形形状。最后在三维造型软件proe中建立谐波齿轮传动装置的实体模型，为谐波齿轮传动装置关

29、键零件的力学特性有限元分析奠定了基础。（3）谐波齿轮传动装置是依靠柔轮齿与刚轮齿之间的啮合来传递运动和载荷的，柔轮是在波发生器作用的情况下柔轮齿与刚轮齿才发生啮合，柔轮壳体的弹性变形带动着柔轮齿的运动，再通过柔轮齿与刚轮齿的啮合来实现轮齿的共轭运动及错齿运动。齿廓啮合接触力的分布体现了谐波齿轮传动装置的啮合性能。所以通过有限元接触分析对齿间的接触力进行分析。（4）柔轮是谐波齿轮传动装置的主要构件，柔轮是一个薄壁壳体，柔轮壳体在实际工作环境中在交变应力的作用下，很容易发生疲劳破坏，整个谐波齿轮传动装置的使用寿命取决于柔轮壳体的强度，因此分析柔轮壳体的强度在对谐波齿轮传动的研究中的具有重要意义。本

30、文分析了柔轮壳体中的应力大小和分布规律。（5）进行了有限元动力学分析，确定了结构振动特性。对模型进行模态分析可以确定某个振型在特定方向上参与振动的程度，即可以确定模型的固有频率、振型。为了避免结构共振或以特定频率进行振动，对模型进行模态分析非常有效，这样使设计人员可以得到模型在不同固有频率下的不同振型，对刚轮和柔轮啮合的模型进行模态分析就可以得到模拟真实工作的振动情况，在此基础上可以对其它力学特性进行分析。1.4.2研究意义谐波齿轮传动作为一种新型的传动技术在最近的几十年里发展的速度非常快。谐波齿轮传动主要是依靠柔轮的弹性变形来传递运动和载荷的，所以设计谐波齿轮传动的工作量非常大。随着社会的进

31、步和发展，在谐波齿轮传动出现后的几十年里，不仅仅科技强国在研究这项技术，世界上各工业比较发达的国家都有一大批的研究人员致力于这类新型传动技术的开发，针对这种新型传动技术在实际应用中出现的全部问题，各国学者针对这些问题的出现都做了大量的工作。正是因为谐波齿轮传动本身所带有的复杂性和广泛性问题，所以至今还有不少问题没有完全彻底的解决。所以，研究谐波齿轮传动具有非常重要的意义。谐波齿轮传动是由刚轮、柔轮和波发生器三个基本运动构件组成的，柔轮作为传递运动和动力的中间挠性构件是其中最关键的元件。谐波齿轮传动动力和运动的传递主要是依靠柔轮的弹性变形带动柔轮和刚轮之间的错齿运动来实现的。柔轮的应力应变情况在

32、载荷的作用下变得非常复杂。特别是波发生器的输入转速一般都比较高，柔轮在波发生器的作用下发生连续性的弹性变形，长时间承受着交变应力的作用，谐波齿轮传动的使用寿命在相当大的程度上取决于柔轮的强度。柔轮轮齿和壳体的疲劳断裂是谐波齿轮传动最主要的失效形式，因此在提高谐波齿轮使用寿命的研究中柔轮应力的分布状况显得十分重要。以前很多时候是在空载的模拟环境下对谐波齿轮传动进行有限元分析的.但是当谐波齿轮受到载荷作用情况下，柔轮就会发生很大的变形，这就会直接影响柔轮和刚轮齿间的啮合，很容易导致传动的回差，在很多时候严重影响了传递运动的精度和平稳性。所以对谐波齿轮传动进行有限元分析研究时考虑有载荷的作用势在必行

33、，并在此基础上对谐波齿轮传动进行应力分布研究才能对实际应用有指导作用。本文所研究的主要内容，就是利用有限元软件对载荷作用下的谐波齿轮传动的轮齿啮合以及壳体进行应力分析。基于以上内容的叙述，建立柔轮与刚轮啮合的实体仿真模型、选用合理的单元类型、用有限元软件较系统地计算和分析工作状态下的柔轮齿圈和筒体的应力大小及分布规律，对实际应用情况有着重要的指导意义。有限元法作为一种新型的结构分析方法在近几年来应用非常广泛。把要分析的连续体转换成离散结构是有限元法的主要特点。在对谐波齿轮传动装置进行有限元分析时，将空间实体简化为一定的模型，根据实际工作情况定义边界条件后再进行分析计算。有限元方法的缺点主要就是

34、边界条件很不好确定，分析前要对模型进行很多的简化。但是利用现有的有限元软件（如 ANSYS)进行计算分析时，可以对建模进行简化、划分网格、后处理工作等操作。而且，这种方法还可以根据不同的分析要求选取不同的网格，不但分析灵活，而且还可以方便的对整个柔轮进行应力、位移的分析。本文主要使用这种方法对谐波齿轮传动关键零件的力学特性进行有限元分析。1.5本章小结本章简要介绍谐波齿轮传动在国内和国外发展的现状和发展动向，以及谐波齿轮传动的未来发展趋势和谐波齿轮传动在技术上的发展前景；并且概述介绍谐波齿轮传动在各个领域的应用；另外，简要说明本课题的研究内容和课题研究的意义。通过本章的介绍使读者对本文有一个概

35、括的了解，希望对本文的深入理解有所帮助。2.电机选择2.1电动机选择（倒数第三页里有东东）2.1.1选择电动机类型2.1.2选择电动机容量电动机所需工作功率为：；工作机所需功率为：；传动装置的总效率为：；传动滚筒 滚动轴承效率 闭式齿轮传动效率 联轴器效率 代入数值得：所需电动机功率为：略大于 即可。选用同步转速1460r/min ；4级 ；型号 Y160M-4.功率为11kW2.1.3确定电动机转速取滚筒直径1.分配传动比（1）总传动比(2)分配动装置各级传动比取两级圆柱齿轮减速器高速级传动比则低速级的传动比2.1.4 电机端盖组装CAD截图 图2.1.4电机端盖2.2 运动和动力参数计算2

36、.2.1电动机轴 2.2.2高速轴2.2.3中间轴2.2.4低速轴2.2.5滚筒轴3.齿轮计算3.1选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1按传动方案，选用斜齿圆柱齿轮传动。2绞车为一般工作机器，速度不高，故选用7级精度（GB 10095-88）。3材料选择。由表10-1选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280 HBS，大齿轮材料为45钢（调质）硬度为240 HBS，二者材料硬度差为40 HBS。4选小齿轮齿数，大齿轮齿数。取5初选螺旋角。初选螺旋角3.2按齿面接触强度设计由机械设计设计计算公式（10-21）进行试算，即3.2.1确定公式内的各计算数值（1）试选载荷系数1。（2）由机械设计第

37、八版图10-30选取区域系数。（3）由机械设计第八版图10-26查得，则。（4）计算小齿轮传递的转矩。（5）由机械设计第八版表10-7 选取齿宽系数（6）由机械设计第八版表10-6查得材料的弹性影响系数（7）由机械设计第八版图10-21d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 。13计算应力循环次数。（9）由机械设计第八版图（10-19）取接触疲劳寿命系数; 。（10）计算接触疲劳许用应力。取失效概率为1%，安全系数S=1，由机械设计第八版式（10-12）得（11）许用接触应力3.2.2计算（1）试算小齿轮分度圆直径=49.56mm（2）计算圆周速度（3）计算齿宽及

38、模数 =2mmh=2.252.252=4.5mm49.56/4.5=11.01（4）计算纵向重合度0.318124tan=20.73（5）计算载荷系数K。已知使用系数根据v= 7.6 m/s,7级精度，由机械设计第八版图10-8查得动载系数由机械设计第八版表10-4查得的值与齿轮的相同，故由机械设计第八版图 10-13查得由机械设计第八版表10-3查得.故载荷系数11.111.41.42=2.2（6）按实际的载荷系数校正所算得分度圆直径，由式（10-10a）得（7）计算模数 3.3按齿根弯曲强度设计由式（10-17）3.3.1确定计算参数（1）计算载荷系数。 =2.09（2）根据纵向重合度 ，

39、从机械设计第八版图10-28查得螺旋角影响系数（3）计算当量齿数。（4）查齿形系数。由表10-5查得（5）查取应力校正系数。由机械设计第八版表10-5查得（6）由机械设计第八版图10-24c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 ；大齿轮的弯曲强度极限 ；（7）由机械设计第八版图10-18取弯曲疲劳寿命系数 ，；（8）计算弯曲疲劳许用应力。取弯曲疲劳安全系数S1.4,由机械设计第八版式（10-12）得（9）计算大、小齿轮的 并加以比较。=由此可知大齿轮的数值大。3.3.2设计计算对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数 大于由齿面齿根弯曲疲劳强度计算 的法面模数，取2，已可满足弯曲强度。但为了同时

40、满足接触疲劳强度，需按接触疲劳强度得的分度圆直径100.677mm 来计算应有的齿数。于是由取 ，则 取 3.4几何尺寸计算3.4.1计算中心距a=将中以距圆整为141mm.3.4.2按圆整后的中心距修正螺旋角因值改变不多，故参数、等不必修正。3.4.3计算大、小齿轮的分度圆直径3.4.4计算齿轮宽度圆整后取.低速级取m=3;由 取圆整后取表 1高速级齿轮：名称代号计 算 公 式 小齿轮大齿轮模数m22压力角2020分度圆直径d=227=54=2109=218齿顶高齿根高齿全高h齿顶圆直径表 2低速级齿轮：名称代号计 算 公 式 小齿轮大齿轮模数m33压力角2020分度圆直径d=327=54=

41、2109=218齿顶高齿根高齿全高h齿顶圆直径4.轴的设计4.1低速轴4.1.1求输出轴上的功率转速和转矩 若取每级齿轮的传动的效率,则4.1.2求作用在齿轮上的力因已知低速级大齿轮的分度圆直径为圆周力 ,径向力 及轴向力 的4.1.3初步确定轴的最小直径先按式初步估算轴的最小直径.选取轴的材料为45钢,调质处理.根据机械设计第八版表15-3,取 ,于是得输出轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径.为了使所选的轴直径与联轴器的孔径相适应,故需同时选取联轴器型号.联轴器的计算转矩, 查表考虑到转矩变化很小,故取 ,则:按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件,查标准GB/T 5014-2003或手

42、册,选用LX4型弹性柱销联轴器,其公称转矩为2500000 .半联轴器的孔径 ,故取 ,半联轴器长度 L=112mm ,半联轴器与轴配合的毂孔长度.4.1.4轴的结构设计（1）拟定轴上零件的装配方案 图4-1（2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度1)根据联轴器为了满足半联轴器的轴向定位要示求,1-2轴段右端需制出一轴肩,故取2-3段的直径 ;左端用轴端挡圈,按轴端直径取挡圈直径D=65mm.半联轴器与轴配合的毂孔长度,为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上,故1-2 段的长度应比 略短一些,现取.2)初步选择滚动轴承.因轴承同时受有径向力和轴向力的作用,故选用单列圆锥滚子轴

43、承.参照工作要求并根据,由轴承产品目录中初步选取 0 基本游子隙组 、标准精度级的单列圆锥滚子轴承30313。其尺寸为dDT=65mm140mm36mm，故 ；而。3）取安装齿轮处的轴段4-5段的直径 ；齿轮的右端与左轴承之间采用套筒定位。已知齿轮轮毂的宽度为90mm，为了使套筒端面可靠地压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，故取 。齿轮的左端采用轴肩定位，轴肩高度 ，故取h=6mm ，则轴环处的直径 。轴环宽度 ，取。4）轴承端盖的总宽度为20mm（由减速器及轴承端盖的结构设计而定）。根据轴承端盖的装拆及便于对轴承加润滑脂的要求，取端盖的外端面与半联轴器右端面间的距离l=30mm，故取 低速轴的

44、相关参数：表4-1功率转速转矩1-2段轴长84mm1-2段直径50mm2-3段轴长40.57mm2-3段直径62mm3-4段轴长49.5mm3-4段直径65mm4-5段轴长85mm4-5段直径70mm5-6段轴长60.5mm5-6段直径82mm6-7段轴长54.5mm6-7段直径65mm（3）轴上零件的周向定位齿轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。按查表查得平键截面b*h=20mm12mm，键槽用键槽铣刀加工，长为L=63mm,同时为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为 ；同样，半联轴器与轴的连接，选用平键为14mm9mm70mm，半联轴器与轴的配合为。滚动轴承与

45、轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径公差为m6。4.2中间轴4.2.1求输出轴上的功率转速和转矩4.2.2求作用在齿轮上的力（1）因已知低速级小齿轮的分度圆直径为：（2）因已知高速级大齿轮的分度圆直径为：4.2.3初步确定轴的最小直径先按式初步估算轴的最小直径.选取轴的材料为45钢,调质处理.根据表15-3,取 ,于是得：轴的最小直径显然是安装轴承处轴的直径。图 4-24.2.4初步选择滚动轴承.（1）因轴承同时受有径向力和轴向力的作用,故选用单列圆锥滚子轴承，参照工作要求并根据,由轴承产品目录中初步选取 0 基本游子隙组 、标准精度级的单列圆锥滚子轴承。其尺寸为dD*T=35mm

46、72mm18.25mm，故，；（2）取安装低速级小齿轮处的轴段2-3段的直径 ；齿轮的左端与左轴承之间采用套筒定位。已知齿轮轮毂的宽度为95mm，为了使套筒端面可靠地压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，故取 。齿轮的右端采用轴肩定位，轴肩高度，故取h=6mm，则轴环处的直径。轴环宽度，取。（3）取安装高速级大齿轮的轴段4-5段的直径齿轮的右端与右端轴承之间采用套筒定位。已知齿轮轮毂的宽度为56mm，为了使套筒端面可靠地压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，故取。 4.2.5轴上零件的周向定位齿轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。按查表查得平键截面b*h=22mm14mm。键槽用键槽铣刀加工，长

47、为63mm,同时为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为 ；同样，半联轴器与轴的连接，选用平键为14mm9mm70mm，半联轴器与轴的配合为 。滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径公差为m6。中间轴的参数：表4-2功率10.10kw转速362.2r/min转矩263.61-2段轴长29.3mm1-2段直径25mm2-3段轴长90mm2-3段直径45mm3-4段轴长12mm3-4段直径57mm4-5段轴长51mm4-5段直径45mm4.3高速轴4.3.1求输出轴上的功率转速和转矩若取每级齿轮的传动的效率,则4.3.2求作用在齿轮上的力因已知低速级大齿轮

48、的分度圆直径为4.3.3初步确定轴的最小直径先按式初步估算轴的最小直径.选取轴的材料为45钢,调质处理.根据表15-3,取 ,于是得：输出轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径.为了使所选的轴直径与联轴器的孔径相适应,故需同时选取联轴器型号.联轴器的计算转矩 , 查表 ,考虑到转矩变化很小,故取 ,则:按照计算转矩 应小于联轴器公称转矩的条件,查标准GB/T 5014-2003 或手册,选用LX2型弹性柱销联轴器,其公称转矩为560000 .半联轴器的孔径 ,故取 ,半联轴器长度 L=82mm ,半联轴器与轴配合的毂孔长度.4.4轴的结构设计4.4.1拟定轴上零件的装配方案图4-34.4.2根

49、据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度1)为了满足半联 轴器的轴向定位要示求,1-2轴段右端需制出一轴肩,故取2-3 段的直径 ;左端用轴端挡圈,按轴端直径取挡圈直径D=45mm .半联轴器与轴配合的毂孔长度 ,为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上 而不压在轴的端面上,故 段的长度应比 略短一些,现取.2)初步选择滚动轴承.因轴承同时受有径向力和轴向力的作用,故选用单列圆锥滚子轴承.参照工作要求并根据 ,由轴承产品目录中初步选取 0 基本游子隙组 、标准精度级的单列圆锥滚子轴承。其尺寸为d*D*T=45mm*85mm*20.75mm，故 ；而 ，mm。3）取安装齿轮处的轴段4-5段,做成齿轮轴；已

50、知齿轮轴轮毂的宽度为61mm，齿轮轴的直径为62.29mm。4）轴承端盖的总宽度为20mm（由减速器及轴承端盖的结构设计而定）。根据轴承端盖的装拆及便于对轴承加润滑脂的要求，取端盖的外端面与半联轴器右端面间的距离l=30mm，故取。 5）轴上零件的周向定位齿轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。按 查表查得平键截面b*h=14mm*9mm ，键槽用键槽铣刀加工，长为L=45mm,同时为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为 ；同样，半联轴器与轴的连接，选用平键为14mm9mm70mm，半联轴器与轴的配合为 。滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径公

51、差为m6。高速轴的参数：表4-3功率10.41kw转速1460r/min转矩1-2段轴长80mm1-2段直径30mm2-3段轴长45.81mm2-3段直径42mm3-4段轴长45mm3-4段直径31.75mm4-5段轴长99.5mm4-5段直径48.86mm5-6段轴长61mm5-6段直径62.29mm6-7段轴长26.75mm6-7段直径45mm5.齿轮的参数化建模5.1齿轮的建模（1）在上工具箱中单击按钮，打开“新建”对话框，在“类型”列表框中选择“零件”选项，在“子类型”列表框中选择“实体”选项，在“名称”文本框中输入“dachilun_gear”，如图5-1所示。图5-1“新建”对话框

52、2取消选中“使用默认模板”复选项。单击“确定”按钮，打开“新文件选项”对话框，选中其中“mmns_part_solid”选项，如图5-2所示，最后单击”确定“按钮，进入三维实体建模环境。图5-2“新文件选项”对话框（2）设置齿轮参数1在主菜单中依次选择“工具”“关系”选项，系统将自动弹出“关系”对话框。2在对话框中单击按钮，然后将齿轮的各参数依次添加到参数列表框中，具体内容如图5-4所示，完成齿轮参数添加后，单击“确定”按钮，关闭对话框。图5-3输入齿轮参数（3）绘制齿轮基本圆在右工具箱单击，弹出“草绘”对话框。选择FRONT 基准平面作为草绘平面，绘制如图5-4所示的任意尺寸的四个圆。（4）

53、设置齿轮关系式，确定其尺寸参数1按照如图5-5所示，在“关系”对话框中分别添加确定齿轮的分度圆直径、基圆直径、齿根圆直径、齿顶圆直径的关系式。2双击草绘基本圆的直径尺寸，将它的尺寸分别修改为、修改的结果如图5-6所示。 图5-4草绘同心圆 图5-5“关系”对话框 图5-6修改同心圆尺寸 图5-7“曲线：从方程”对话框（5）创建齿轮齿廓线1在右工具箱中单击按钮打开“菜单管理器”菜单，在该菜单中依次选择“曲线选项” “从方程” “完成”选项，打开“曲线：从方程”对话框，如图5-7所示。2在模型树窗口中选择坐标系，然后再从“设置坐标类型”菜单中选择“笛卡尔”选项，如图5-8所示，打开记事本窗口。3在

54、记事本文件中添加渐开线方程式，如图5-9所示。然后在记事本窗中选取“文件” “保存”选项保存设置。图5-8“菜单管理器”对话框 图5-9添加渐开线方程4选择图5-11中的曲线1、曲线2作为放置参照，创建过两曲线交点的基准点PNTO。参照设置如图5-10所示。曲 线1曲 线 2图5-11基准点参照曲线的选择 图5-10“基准点”对话框5如图5-12所示，单击“确定”按钮，选取基准平面TOP和RIGHT作为放置参照，创建过两平面交线的基准轴A_1，如图6-13所示。图5-12“基准轴”对话框 图5-13基准轴A_16如图5-13所示，单击“确定”按钮，创建经过基准点PNTO和基准轴A_1的基准平面

55、DTM1,如图5-14所示。5 5-15基准平面对话框 5-15基准平面DTM17如图5-16所示，单击“确定”按钮，创建经过基准轴A_1，并由基准平面DTM1转过“-90/z”的基准平面DTM2，如图5-17所示。图5-16“基准平面”对话框 图5-17基准平面DTM28镜像渐开线。使用基准平面DTM2作为镜像平面基准曲线，结果如图5-18所示。图5-18镜像齿廓曲线（6）创建齿根圆实体特征1在右工具箱中单击按钮打开设计图标版。选择基准平面FRONT作为草绘平面，接收系统默认选项放置草绘平面。2在右工具箱中单击按钮打开“类型”对话框，选择其中的“环”单选按钮，然后在工作区中选择图5-19中的

56、曲线1作为草绘剖面。再图标中输入拉伸深度为“b”，完成齿根圆实体的创建，创建后的结果如图5-20所示。图5-19草绘的图形 5-20拉伸的结果（7）创建一条齿廓曲线1在右工具箱中单击按钮，系统弹出“草绘”对话框，选取基准平面FRONT作为草绘平面后进入二维草绘平面。2在右工具箱单击按钮打开“类型”对话框，选择“单个”单选按钮，使用和并结合绘图工具绘制如图5-21所示的二维图形。图 5-21 草绘曲线图 5-22显示倒角半径3打开“关系”对话框，如图5-22所示，圆角半径尺寸显示为“sd0”，在对话框中输入如图5-23所示的关系式。图5-23“关系“对话框（8）复制齿廓曲线1在主菜单中依次选择“

57、编辑” “特征操作”选项，打开“菜单管理器”菜单，选择其中的“复制”选项，选取“移动”复制方法，选取上一步刚创建的齿廓曲线作为复制对象。图5-24依次选取的 菜单2选取“平移”方式，并选取基准平面FRONT作为平移参照，设置平移距离为“B”，将曲线平移到齿坯的另一侧。图5-25输入旋转角度3继续在“移动特征”菜单中选取“旋转”方式，并选取轴A_1作为旋转复制参照，设置旋转角度为“asin(2*b*tan(beta/d)”，再将前一步平移复制的齿廓曲线旋转相应角度。最后生成如图5-26所示的另一端齿廓曲线。图5-26创建另一端齿廓曲线（9）创建投影曲线1在工具栏内单击按钮，系统弹出“草绘”对话框。选取“RIGUT”面作为草绘平面，选取“TOP”面作为参照平面，参照方向为“右”，单击“草绘”按钮进入草绘环境。2绘制如图5-27所示的二维草图，在工具栏内单击按钮完成草绘的绘制。图5-27绘制二维草图3主菜单中依次选择“编辑” “投影”选项，选取拉伸的齿根圆曲面为投影表面，投影结果如下图5-28所示。图5-28投影结果