高固有特性的减速器箱体结构设计

本科毕业设计 论文 题目 高固有特性减速器箱体结构设计 院 系 机械工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 学 号 姓 名 指导教师 2016 年 4 月 摘要 减速器是原动机和工作机之间独立的闭式机械传动装置 用来降低原动机转速 或增大转矩 以满足工作机的需要 由于减速器具有结构紧凑 传动效率高 传动 准确可靠 使用维护方便等优点 故在工矿企业及运输 建筑等部门中运用极为广 泛 本文研究了减速器箱体的固有频率 主振型等方面 并且利用有限元对减速器 箱体模型进行了模态分析 从而得到了减速器箱体的振型和固有频率 最后讨论了 箱壁厚度对减速器箱体结构固有特性的影响 并用三维 PROE 软件对该减速器箱体进 行了三维建模和有限元分析 关键词 传动装置 减速器箱体 频率 分析 ABSTRACT The speed reducer is a closed mechanical transmission of the prime mover and work machine device To reduce the original motivation to speed or torque in order to meet the needs of working machine The speed reducer has the advantages of compact structure high transmission efficiency accurate and reliable transmission easy operation and convenient maintenance so in the industrial and mining enterprises and transportation construction and other departments in the widely used Is studied in this paper deceleration box of natural frequency and main vibration type and the use of finite element modal analysis of the reducer box model so as to get the gear box vibration mode and natural frequency finally discusses the box wall thickness of the reduction box structure inherent characteristics and using 3 D proe software of the reducer box were 3D modeling and finite element analysis Key words transmission device reducer box frequency analysis 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 1 引 言 1 1 1 研 究 的 目 的 和 意 义 1 1 2 主 要 内 容 2 1 3 研 究 现 状 4 1 4 减 速 器 组 成 的 主 要 零 件 4 2 减 速 器 箱 体 的 三 维 设 计 6 2 1 上 箱 体 下 箱 体 的 三 维 建 模 11 2 2 减 速 器 箱 体 的 附 件 选 择 12 2 2 1 窥 视 孔 和 视 孔 盖 12 2 2 2 通 气 器 13 2 2 3 轴 承 盖 14 2 2 4 定 位 销 15 2 2 5 油 面 指 示 装 置 16 2 2 6 油 塞 17 2 2 7 起 盖 螺 钉 17 2 2 8 起 吊 装 置 17 3 减 速 器 箱 体 有 限 元 分 析 18 4 设 计 总 结 18 结 论 19 致 谢 20 参 考 文 献 21 0 1 引言 1 1 研 究 的 目 的 和 意 义 减速器箱体自从上世纪九十年代开始就陆续地被应用在各种机械设备以及车辆 工程等方面 但传统的减速器箱体由于传动精度不高 维修困哪 有好多生产减速 器箱体的企业做出来的减速器都达不到正常水平 所以此次设计的减速器箱体 在 传统的减速器箱体的基础上进行了优化设计 应用合理的结构以及动力机构 从而 来克服以往的减速器箱体所不能克服的问题 此次对于减速器箱体的设计 对后续 的减速器箱体的设计制造有一定的参考意义和价值 由于机械工程的知识总量已经 远远超越个人掌握所有 一些专业知识是必不可少的 但是过度的专业知识分割 使视野狭隘 可以多多参加技术交流 和参加科研项目 缩小范围 提升新技术的 进步和整个块的技术 提高外部条件变化的适应能力 封闭的专业知识的太狭隘 考虑的问题太特殊 在工作中协调困难 不利于自我提高 我国生产的减速器箱体 结构简陋 切割效率始终不高 虽然经过几十年的发展 近期产品的质量较早期有 所提高 但受国产配套件质量及设计水平等的影响 我国目前生产的减速器箱体的 总体水平与进口产品及港口用户的要求仍有较大差距 减速器箱体的生产也是如此 为满足市场需求 开发出一种新型的减速器箱体势在必行 本次设计的此种减速器箱体的出现将会大大提高减速器的传动质量 为企业的 生产的年产能方面 以及经济效益方面能够带来显著的进步 同时也在某种程度上 推进了机械工业的不断发展 目前半自动减速器箱体将逐渐被全自动减速器箱体所代替 传统的机械式的减 速器箱体已经不能完全满足当今市场的需要 迫切需要各种多功能的减速器箱体来 满足市场需求 因此上海格尔公司加大人力开发出了五个规格十种类型的减速器箱 体 然而我国所需的减速器箱体全部依赖进口 这使得国产机械人配备减速器箱体 后 成本增加很大 而装备自行开发生产减速器箱体 其成本提高不大 说明减速 器箱体的市场前景令人乐观 齿轮传动是工程中最常用的传动形式 但齿轮传动在运转过程中会产生振动噪 声 这种振动噪声对齿轮传动装置的性能和寿命有着明显影响 齿轮箱是齿轮传动 装置的重要组成部分 其固有特性对传动装置的振动和噪声有着明显的影响 因此 1 通过对齿轮箱进行结构设计 提高其固有特性有着非常重要的意义 通过本次毕业 设计要求掌握固有频率 主振型等基本概念及模态分析的基本方法 提高学生运用 所学知识分析问题 解决问题的能力 1 2 主 要 内 容 本论文主要是对高固有特性减速器箱体结构进行设计 在设计过程中 了解模 态分析 研究箱壁厚度的改变对固有特性的影响 本次设计的主要内容为 1 查阅相关文献 了解模态分析的意义 掌握固有频率 主振型等基本概念 2 给定箱体的二维模型 在此基础上用 Pro E 绘制箱体的三维实体模型 3 用有限元分析软件对箱体进行模态分析 4 改变箱壁厚度 并对其进行模态分析 研究箱壁厚度的改变对固有特性的影 响 5 改变箱壁宽度 并对其进行模态分析 研究箱壁厚度的改变对固有特性的影 响 6 绘制齿轮和轴的零件图两张 要求 A3 的图纸 绘制减速器的装配图一张 要求 A1 的图纸 1 3 研 究 现 状 在第十九世纪 机械工程的知识总量仍然是有限的 大学在欧洲 它与一般的 土木工程是一门综合性的学科 称为土木工程 下半场的第十九个世纪成为一门独 立的学科 在第二十世纪 随着机械工程和知识增长的发展开始分解 机械工程专 业 有分支机构 在第二十世纪中期趋势分解 在时间之前和之后的第二次世界大 战结束时达到的峰值 由于机械工程的知识总量已经远远从个人掌握所有 一些专 业是必不可少的 但是过度的专业知识使分割 视野狭隘 可以查看和统筹大局和 全球工程和技术交流 缩小范围 新技术的进步和整个块的技术 外部条件变化的 适应能力差 封闭的专业知识的专家太狭 考虑的问题太特殊 在工作协调困难 不利于自我提高 因此 自上世纪第二十年代末 出现了一体化的趋势 人们越来 越重视基础理论 拓宽领域 对专业合并的分化 综合职业分化和发展知识循环过 2 程的合成 是合理和必要的 从不同的专业和专业知识的专家 也有综合的知识了 解不够 看看其他学科和项目作为一个整体 从而形成一种相互强烈的集体工作 综合和专业水平 有机械工程全面而专业的冲突 在综合性工程技术也有综合和专 业问题 在人类所有的知识 包括社会科学 自然科学和工程技术 有一个更高的 水平 更广泛的综合性和专业性的问题 由于机械工程的知识总量已经远远超越个人掌握所有 一些专业知识是必不可少的 但是过度的专业知识分割 使视野狭隘 可以多多参加技术交流 和参加科研项目 缩小范围 提升新技术的进步和整个块的技术 提高外部条件变化的适应能力 封 闭的专业知识的太狭隘 考虑的问题太特殊 在工作中协调困难 不利于自我提高 因此 自上世纪第二十年代末 出现了一体化的趋势 人们越来越重视基础理论 拓宽领域 对专业合并的分化 机械工程可以增加产量 提高劳动生产率 提高生 产的经济效益为目标 并研制和发展新的机械产品 在未来 新产品的开发 降低 资源消耗 清洁的可再生能源 成本的控制 减少或消除环境污染作为一个超级经 济目标和任务 机器能完成人的手和脚 耳朵和眼睛等等器官完全不能直接完成的 任务 现代机械工程机械和机械设备创造出更多 更精美的越来越复杂 很多幻想 成为过去的现实 人类现在能成为天空的上游和宇宙 潜入海洋 数十亿光年的密 切观察 细胞和分子 电子计算机硬件和软件 人类的新兴科学已经开始加强 并 部分代替人脑科学 这是人工智能 这一新的发展已经显示出巨大的作用 但在未 来几年还将继续创造出不可思议的奇迹 人类智慧的增长并没有减少手的效果 而 是要求越来越精致 手工制作 更复杂的工作 从而促进手功能 又一方面实践促 进人脑智力 在人类的进化过程中 以及在每个人的成长过程中 大脑和手是互相 促进和平行进化 目前国内外对减速器箱体高固有特性的研究现状主要体现在以下几个方面 1 运用现代的设计方法对箱体进行优化设计 一般优化的过程为提出优化目标 建立合理的数学模型 施加约束 求解 得出结果并进行分析 2 对箱体结构的结构力学分析 应用有限元软件对箱体进行有限元分析 3 3 对箱体受热方面的研究 通过不同尺寸减速器箱体在不同温度下的数据的 采集 运用数值分析的方法 得出箱体的某些参数与温度的关系 从而可以改变减 速器箱体的某些参数来改善箱体的受热状况 4 减速器箱体的参数可视化研究 Visual C 6 0 环境下 利用 OpenGL 对减 速器箱进行可视化编程 实现了减速器箱体的参数化三维建模和基本的动画显示 5 对箱体的振动方面进行研究 按箱体工作振型频率响应函数的分析方法 找出了对噪声贡献最具有代表性的测点 为通过测试振动信号实现声压级的测量奠 定了基础 1 4 减 速 器 组 成 的 主 要 零 件 1 箱体和箱盖 箱体和箱盖是减速机中传动零件的支撑件和包容件 结构复杂 其中的箱体承 受压力 要求有良好的钢度 减振性和密封性 箱盖 箱体在单件小批量生产时 采用灰铸铁材料 HTl50 或 HT200 用手工造型方法铸造成形 或采用碳素结构钢 Q235A 手工电弧焊焊接而成 大批量生产时 采用灰铸铁 用机器造型方法铸造 成形 2 轴 齿轮轴和齿轮 轴 齿轮轴和齿轮均为减速机中重要的传动零件 轴和齿轮轴的轴杆部分受弯 短和扭短的联合作用 要求具有较好的综合力学性能 齿轮轴与齿轮的轮齿部分受 较大的接触应力和弯曲应力 应具有良好的耐磨性和较高的强度 单件生产时 采 用中碳钢 45 钢 用自由锻方法或胎模锻方法成形 也可采用中碳钢的圆钢棒车削而 成 大批量生产时 采用中碳钢模锻方法成形 3 滚动轴承 减速机中的滚动轴承受径向和轴向压应力 要求较高的强度和耐磨性 滚动轴 承为标准件 其内外环采用波动轴承钢 GCrl5 扩孔锻造 滚珠采用滚动轴承钢 GCrl5 螺旋斜轧 保持架采用优质碳素结构钢 08 钢 冲压而成 4 轴承端盖 轴承端盖主要是防止轴承窜动 并起防护作用 单件 小批生产时 采用灰铸 铁 HT150 手工造型铸造成形 或采用碳素结构钢 Q235 圆钢车削而成 大批量生产 时 采用灰铸铁机器造型铸造成形 4 5 螺栓和螺母 螺栓和螺母起固定箱盖和箱体的作用 螺栓杆受纵向 轴向 拉应力 曲应力和 横向切应力 2 减速器箱体的三维设计 2 1 上 箱 体 下 箱 体 的 三 维 建 模 Pro Engineer 操作软件是美国参数技术公司 PTC 旗下的 CAD CAM CAE 一体 化的三维软件 Pro Engineer 软件以参数化著称 是参数化技术的最早应用者 在 目前的三维造型软件领域中占有着重要地位 Pro Engineer 作为当今世界机械 CAD CAE CAM 领域的新标准而得到业界的认可和推广 是现今主流的 CAD CAM CAE 软件之一 特别是在国内产品设计领域占据重要位置 减速器上 下箱体的建模如下图所示 图 1 上 箱 体 5 图 2 下 箱 体 2 2 减 速 器 箱 体 的 附 件 选 择 2 2 1 窥视孔和视孔盖 在传动啮合区上方的减速箱盖上开设检查孔 用于检查传动件的啮合情况和润 滑情况等 还可以由该孔向减速箱内注入润滑油 2 2 2 通气器 安装在窥视孔板上 用于保证箱内和外气压的平衡 一面润滑油眼相体结合面 轴伸处及其他缝隙渗漏出来 2 2 3 轴承盖 轴向固定轴及轴上零件 调整轴承间隙 这里使用凸缘式轴承盖 因其密封性 能好 易于调节轴向间隙 2 2 4 定位销 为了保证箱体轴承孔的镗削精度和装配精度 在减速器的两端分别设置一个定 位销孔 6 2 2 5 油面指示装置 在箱座高速级端靠上的位置设置油面指示装置 用于观察润滑油的高度是否符 合要求 2 2 6 油塞 用于更换润滑油 设在与设置油面指示装置同一个面上 位于最低处 2 2 7 起盖螺钉设置在箱盖的凸缘上 数量为 2 个 一边一个 用于方便开启箱盖 2 2 8 起吊装置 在箱盖的两头分别设置一个吊耳 用于箱盖的起吊 而减速器的整体起吊使用 箱座上的吊钩 在箱座的两头分别设置两个吊钩 3 减速器箱体有限元分析 有限元法 Finite Element Method FEM 是计算力学中一种重要的方法 是 计算机辅助工程 CAE 中的一种 从其出现至今已经过了约半个世纪的发展 有限元 法作为一个具有巩固理论基础和广泛应用效力的数值分析工具 是现代力学 计算 数学和计算机技术等学科相结合的产物 在国民经济建设和科学技术发展中发挥了 巨大的作用 步骤 1 建模 在 ANSYS 中直接建模有一定的难度 考虑到其与多数绘图软件具有良好的数据 接口 可以方便的转化 而 PRO E 软件以其参数化 全相关的特点在零件造型方面 表现突出 可以通过参数控制模型尺寸的变化 因此本文采用通过 PRO E 软件对齿 轮进行参数化建模 然后将模型导入到 ANSYS 软件中的方法 步骤 2 导入模型启动 ANSYS 单击菜单 Utility Menu FILE IMPORT 然后把路径 指向之前保留的文件 单击 OK 按钮提取模型 再选择 UtilityMenu PlotCtrls Style Solid Model Facets 在弹出窗口中的 Style of area and volumeplots 选项中选择 Normal Faceting 以实体形式显示模型 如 图 2 1 7 步骤 3 设单元属性 1 定义单元类型 1 从主菜单中选择 Main Menu Preference 命令 将打开 Preference of GUI filtering 对话框 选中 Structural 复选框 单击 ok 按钮确定 如图 2 2 2 从主菜单中选择 Main Menu Preprocessor Element Type Add Edit Delete 命 令 将打开 Element Type 对话框 3 单击 Add 按钮 将打开 Library of Element Type 4 在对话框的左边列表框中选择 Solid 选项 5 在对话框的右边列表框中选择 8node185 选项 6 单击 ok 按钮 在单击 Close 按钮 如图 2 3 8 图 2 2 图 2 3 2 定义材料属性 1 从主菜单中选择 Main Menu Preprocessor Material props Material Model 命令 打开 Define material Model Behavior 窗口 2 依次单击 Structural Linear Elastic Isotropic 将打开材料的弹性模量和 泊松比的定义对话框 3 在 EX 文本框中输入弹性模量 1 16e 5 在 PRXY 文本框中输入泊松比 0 194 如 图 2 4 9 4 单击 ok 按钮 5 设置密度 DENS 7 0E 9 kg mm3 6 关闭 Define material Model Behavior 窗口 步骤 4 分网格 1 从主菜单中选择 Main Menu Preprocessor Meshing Mesh Tool 打开 Mesh Tool 网格工具 2 单击 Global 项的 Set 按钮 设置 size 6 单击 ok 按钮 3 选择 Mesh 域中的 volumes 单击 Mesh 按钮 打开面选择对话框 单击对话框的 PickAll 按钮 4 ANSYS 网格划分结果如图 2 5 所示 10 步骤 4 分网格 1 从主菜单中选择 Main Menu Preprocessor Meshing Mesh Tool 打开 Mesh Tool 网格工具 2 单击 Global 项的 Set 按钮 设置 size 6 单击 ok 按钮 3 选择 Mesh 域中的 volumes 单击 Mesh 按钮 打开面选择对话框 单击对话框的 PickAll 按钮 4 ANSYS 网格划分结果如图 2 5 所示 1XYZFile 桌面 22222 x t JUL 11 201217 08 38ELEMENTS 图 2 5 步骤 5 求解 1 添加约束 从主菜单中选择 Main Menu Solution Define Loads Apply structural Displacement on Area 命令 在减速器箱体底盘时 间约束 单击左侧的拾取对话框中的 ok 按钮 在施加约束的对话框中选择 ALL DOF 单击 OK 按钮 如图 2 6 2 添加载荷 从主菜单中选择 Main Menu Solution Define Loads Apply structural Pressure On Areas 拾取与轴的接触面 在 VALUE Load PRES value 输入 1000 施加压力 点击 ok 按钮完成有限元模型 单击 SAVE DB 按钮 保存数据库 如图 2 6 11 YZ 面上的应力分布 12 步骤 7 结果分析 计算完成后 计算结果在 ANSYS 后处理器中显示 从这些应力分布图来看 箱 体的各轴承座受载区域的应力大于其它区域 箱体的轴承座附近的筋板处的应力较 大 13 4 设计总结 通过本次设计 让我学习到了许多知识 特别是对传动机构的应用方面 是我收 获最大的地方 在相关的实际问题的讨论中 我的导师总是孜孜不倦的引导着我 帮助着我 每周一次的进度检查和问题讨论 促使我在正确的道路上大步前进 不仅工作的按 时保质保量的完成得到了保证 我本人的研究能力 工作的态度也得到了充分的锻 炼和提高 这些宝贵的品质影响着我 毫无疑问 它们对我以后的工作 学习 生 活都会起到深远而长久的良好影响 也能为人生打下一个夯实地基础 在具体的研究设计过程中 同学们也在平日的学习与生活中提供了无私与周到 的帮助 充分用他们的工作热情感染着我 鼓励着我 让我少走了很多弯路 再次 一并致谢 另外也感谢我的父母 朋友和同学们的帮助 在做设计感觉受挫 枯燥 与迷茫时 是他们在悉心的为我释放压力 鼓励我不要气馁 勇敢面对 每周一次 和父母的通话 与朋友和同学的长谈后都使我精神放松 斗志倍增 以饱满的热情 重新投入到工作中去 感谢他们 正是他们的不懈支持和充分理解才能使我顺利完 成毕业设计 最后 感谢学校各位领导与老师给了我在大学学习生活四年以及参加这次毕业 设计的宝贵的锻炼机会 它使我深刻认识到在知识的汪洋大海面前我是多么无知和 微不足道 这是一个最好的时代 也是尊重知识 充分学习知识 掌握知识的时代 只有持续的不间断地学习 才不会在激烈的竞争中落后于别人 也才能用自己的真 才实学为社会做出自己应有的贡献 知识是无止境的 无价的 我愿在求真的道路 上下而求索 14 总 结 至此 我的毕业论文总算接近尾声了 在最近的一段时间的毕业设计里 让我 收获很多 不仅复习所学的知识 而且还获得新的经验与启示 使我学会了各种软 件的使用和如何用最快的方法查找相关设计资料 每每遇到不清楚的作业 老师和 学生都能给予及时的指导 确保设计进度 我的毕业设计是高固有特性减速器箱体结构设计 通过前期的初稿 到处搜集 资料 准备做毕设的工作到完成毕设的这个过程 让我深深了解到知识的重要性 让我更加明白了知识要不断学习 不断研究 积极上进才能做的更好 我能顺利完 成的毕业设计 需要感谢我的同学和我的老师 是他们帮助我 给我思路 开导我 才让我顺利通过 15 致 谢 时光荏苒 转眼几个月就这样无声无息地过去了 看着论文的逐渐完成 心里 充满着成就感 在做毕设的同时 我联想到了很多 老师平时对我的无微不至关心 和虚心的教导 我打心底里很感激 记得大学这四年里来 老师说的每一句都对我 们有启发 就连课余的活动都是丰富的多姿多彩 之前我挺贪玩的 总是迷恋一些 学习外的东西 怎么也钻不到知识里去 后来老师发现了我的这个缺点 对我进行 谈话 用很多方式调整我学习的态度 让我又重新回到了课堂上 让我跟同学们好 好相处 知道敏儿好学 不耻下问 我的同学们都很帮助我 在我不懂的时候都是 虚心教我的 让我明白了知识的力量 有了知识才能结交朋友 更好的发挥自已的 特长 跟同学们一起学习 能够做到取长补短 有了知识能够让我的社交面也广 让我了解到更多 等我毕业了 步入社会的时候 用我所学的知识来报效祖国 我 的这份毕业设计里面 有很多的人的帮助 当然还有我的一点点钻研 虽然我的毕 业设计不是最好的 不是最优秀的 但是我认真尽心尽力去做的 我会很珍惜的 也珍惜和难忘这大学四年的生活 在这里我要发自内心的再次感谢我的老师 我的 同学们 谢谢您们 我会在以后的人生道路上更加努力学习 不断上进 来回报您 们的恩情 另外也感谢我的父母 朋友和同学们的帮助 在做设计感觉受挫 枯燥与迷茫 时 是他们在悉心的为我释放压力 鼓励我不要气馁 勇敢面对 每周一次和父母 的通话 与朋友和同学的长谈后都使我精神放松 斗志倍增 以饱满的热情重新投 入到工作中去 感谢他们 正是他们的不懈支持和充分理解才能使我顺利完成毕业 设计 16 参考文献 1 徐灏等 机械设计手册 第2 3册 M 第二版 北京 机械工业出版社 2003 98 100 2 程悦荪 高固有特性减速器箱体结构设计 M 北京 中国农业出版社 1981 67 69 3 周纪良 传动系统的设计 M 北京 机械工业出版社 1991 102 105 4 吉林工业大学教研室编 高固有特性减速器箱体的构造 M 北京 中国农业出版 社 1982 209 211 5 成大先主编 机械设计手册 减 变 速器 电机与电器 M 北京 化学工业 出版社 1999 81 83 6 朱冬梅 画法几何及机械制图 M 北京 高等教育出版社 2000 303 305 7 陈立德 机械设计基础 M 北京 高等教育出版社 2002 222 225 8 陈立德 机械设计基础课程设计指导书 M 北京 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