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1、（VR 虚拟现实）直齿减 速器的三维设计与虚拟仿 真 直齿减速器的三维设计与虚拟仿真 【摘要】本文针对减速器的设计来探讨机械结构设计中所涉及的细致问题， 并通过 Solidworks 绘制减速器的过程中所遇到的问题，探讨了软件三维设计 与虚拟仿真对当今机械设计发展中的作用。介绍了减速器的零件绘制原理与装 配及其爆炸视图的方法。以直齿轮为例的基于 SolidWorks 的减速器模拟仿真 设计，详细介绍了运用 SolidWorks 软件进行减速器的三维实体建模过程，实 现减速器设计的虚拟仿真。 关键词：减速器，Soildworks，三维实体建模，装配和模拟仿真 Abstract:Inthispap
2、er,thedesignofgeartoexplorethemechanicaldesignoft hedetailedissuesinvolved,andbySolidworksreducerintheprocessofdrawi ngproblems,discussesthethree- dimensionaldesignandvirtualsimulationsoftware,todaysmechanicaldesi gndevelopmentrole.Drawingpartsreducerintroducedtheprincipleandme thodofassemblyandthee
3、xplodedview.CaseStudyofastraightgearreducer basedSolidWorksSimulationdesign,detailingtheuseofSolidWorkssoftwa reforthree- dimensionalsolidmodelingprocessreducer,Reducerdesigntoachieveavirt ualsimulation. Keywords:reducer,Solidworks,three- dimensionalsolidmodeling,assemblyandsimulation 目录 1.减速器的概述 4
4、1.1 减速器的概念 4 1.2 减速器的主要型式及其特性 4 2.虚拟仿真技术 6 2.1 虚拟仿真技术简介 6 2.2 虚拟仿真技术在机械设计中的应用 6 2.2.1 虚拟产品设计（Virtual Product Design）6 2.2.2 虚拟装配设计（Virtual Assembly Design）7 2.2.3、虚拟仿真设计在新产品开发中应用前景 7 3.减速器的结构设计 9 3.1 减速器原始数据及传动装置总体设计 9 3.1.1 设计要求及原始数据 9 3.1.2 确定传动方案 9 3.1.3 选择电动机 10 3.1.4 传动装置总传动比的确定及各级传动比的分配 11 3.1
5、.5 装置运动和动力参数的计算 12 3.2 传动零件的设计计算及联轴器的选择 13 3.2.1 减速器外传动零件的设计 13 3.2.2 减速器内传动零件的设计要点 14 3.2.3 联轴器的选择 14 3.3 减速器的构造 15 3.3.1 轴系部件 15 3.3.2 箱体 15 3.3.3 附件 15 4. 基于 SOLIDWORKS 的减速器三维设计与动态仿真 16 4.1 仿真平台及功能架构 16 4.2 减速器零件的三维实体建模 17 4.2.1 齿轮的三维实体建模的过程 18 4.2.2 从动轴的三维实体建模过程 22 4.2.3 齿轮轴的三维实体建模过程 26 4.3 减速器的
6、装配过程 29 4.4 减速器工作原理动态仿真 33 结束语 36 谢 辞 37 文 献 38 1.减速器的概述 1.1 减速器的概念 减速器是一种由封闭在刚性壳体内的齿轮传动、蜗杆传动或齿轮蜗杆传 动所组成的独立部件，常用在动力机与工作机之间作为减速的传动装置；在少 数场合下也用作增速的传动装置，这时就称为增速器。减速器由于结构紧凑、 效率较高、传递运动准确可靠、使用维护简单，并可成批生产，故在现代机械 中应用很广。 1.2 减速器的主要型式及其特性 减速器类型很多，按传动级数主要分为：单级、二级、多级；按传动件类 型又可分为：齿轮、蜗杆、齿轮-蜗杆、蜗杆-齿轮等。 减速器系统框图 以下对几
7、种减速器进行对比： 1）圆柱齿轮减速器 当传动比在 8 以下时，可采用单级圆柱齿轮减速器。大于 8 时，最好选用 二级(i=840)和二级以上(i40)的减速器。单级减速器的传动比如果过大，则 其外廓尺寸将很大。二级和二级以上圆柱齿轮减速器的传动布置形式有展开式、 分流式和同轴式等数种。展开式最简单，但由于齿轮两侧的轴承不是对称布置， 因而将使载荷沿齿宽分布不均匀，且使两边的轴承受力不等。为此，在设计这 种减速器时应注意：1)轴的刚度宜取大些；2)转矩应从离齿轮远的轴端输入， 以减轻载荷沿齿宽分布的不均匀；3)采用斜齿轮布置，而且受载大的低速级又 正好位于两轴承中间，所以载荷沿齿宽的分布情况显
8、然比展开好。这种减速器 的高速级齿轮常采用斜齿，一侧为左旋，另一侧为右旋，轴向力能互相抵消。 为了使左右两对斜齿轮能自动调整以便传递相等的载荷，其中较轻的龆轮轴在 轴向应能作小量游动。同轴式减速器输入轴和输出轴位于同一轴线上，故箱体 长度较短。但这种减速器的轴向尺寸较大。 圆柱齿轮减速器在所有减速器中应用最广。它传递功率的范围可从很小至 40000kW，圆周速度也可从很低至 60m/s 一 70ms，甚至高达 150ms。 传动功率很大的减速器最好采用双驱动式或中心驱动式。这两种布置方式可由 两对齿轮副分担载荷，有利于改善受力状况和降低传动尺寸。设计双驱动式或 中心驱动式齿轮传动时，应设法采取
9、自动平衡装置使各对齿轮副的载荷能得到 均匀分配，例如采用滑动轴承和弹性支承。 圆柱齿轮减速器有渐开线齿形和圆弧齿形两大类。除齿形不同外，减速器 结构基本相同。传动功率和传动比相同时，圆弧齿轮减速器在长度方向的尺寸 要比渐开线齿轮减速器约 30。 2）圆锥齿轮减速器 它用于输入轴和输出轴位置布置成相交的场合。二级和二级以上的圆锥齿 轮减速器常由圆锥齿轮传动和圆柱齿轮传动组成，所以有时又称圆锥圆柱齿 轮减速器。因为圆锥齿轮常常是悬臂装在轴端的，为了使它受力小些，常将圆 锥面崧，作为，高速极：山手面锥齿轮的精加工比较困难，允许圆周速度又较 低，因此圆锥齿轮减速器的应用不如圆柱齿轮减速器广。 3）蜗杆
10、减速器 主要用于传动比较大(j10)的场合。通常说蜗杆传动结构紧凑、轮廓尺寸 小，这只是对传减速器的传动比较大的蜗杆减速器才是正确的，当传动比并不 很大时，此优点并不显著。由于效率较低，蜗杆减速器不宜用在大功率传动的 场合。 蜗杆减速器主要有蜗杆在上和蜗杆在下两种不同形式。蜗杆圆周速度小于 4m/s 时最好采用蜗杆在下式，这时，在啮合处能得到良好的润滑和冷却条件。 但蜗杆圆周速度大于 4m/s 时，为避免搅油太甚、发热过多，最好采用蜗杆在 上式。 4）齿轮-蜗杆减速器 它有齿轮传动在高速级和蜗杆传动在高速级两种布置形式。前者结构较紧 凑，后者效率较高。 通过比较，我们选定圆柱齿轮减速器。 2.
11、虚拟仿真技术 2.1 虚拟仿真技术简介 虚拟技术（VirtualReality，以下略 VR），就是由计算机直接把视觉、听 觉、触觉等多种合成信息提示给人的感觉器官，在人的周围生成一个虚拟环境， 从而把人、现实世界以及虚拟环境结合起来，融为一体，实现信息的交流和反 馈。人可以在虚拟环境中以最自然的形态实时地进行操作和行动，犹如在自身 所处现实环境中同样的感受。 2.2 虚拟仿真技术在机械设计中的应用 随着科学的发展与信息技术的应用，虚拟仿真设计技术已经开始使用于企 业的生产与制造之中，使虚拟仿真设计得到有效地提升，加强了设计人员对虚 拟仿真设计技术的应用，特别是在企业进行新产品开发的设计与制造
12、阶段更受 重视。 2.2.1 虚拟产品设计（VirtualProductDesign） CAD 技术为企业在新产品开发过程中提供了有力的支持，但目前在虚拟产 品设计中多使用软件组合来完成产品设计过程。如复杂曲面的产品造型，多采 用 Rhino、UG、Pro/Engineer 等软件的组合使用来完成虚拟产品设计模型， 其实质并没有把设计人员从二维鼠标与键盘上解放出来，设计人员也并没有真 正参与到虚拟产品设计中来，在某种角度上限制了设计人员的积极性与创造性 的发挥。 随着虚拟现实（VirtualReality）技术与多媒体技术的发展，虚拟现实技术 与多媒体技术有机结合在新产品开发过程中的使用，以及
13、科技人员在不断提高 的计算机操作的人机界面综合技术，改善了虚拟产品设计中人与计算机的交互 方式。目前，所采用的将虚拟现实技术引入 CAD 环境，这将便于模拟新产品 开发中产品的某些性能，又便于设计人员对产品的修改。技术条件好的公司， 在进行虚拟产品设计时，设计人员可以先利用现有的 CAD 系统建模，再转换 到 VR 环境中，让设计人员或准客户来感知产品。设计人员也可以利用 VR- CAD 系统，直接在虚拟环境中进行设计与修改。例如在对汽车的设计时，设计 人员在具有全交互性的设计环境中，利用头盔显示器、具有触觉反馈功能的数 据手套、操纵杆、三维位置跟踪器等装置，将视觉、听觉、触觉与虚拟概念产 品
14、模型相连，不仅可以进行虚拟的合作，产生一种身临其境的感觉，而且还可 以实时地对整个虚拟产品（VirtualProduct）设计过程进行检查、评估，实地 解决设计中的决策问题，使设计思想得到综合。在交互性的虚拟环境快速成型 设备上，设计人员对虚拟产品设计模型的直接设计，提高了设计人员积极性与 创造性的发挥。 2.2.2 虚拟装配设计（VirtualAssemblyDesign） 虚拟装配设计（VirtualAssemblyDesign）是虚拟设计在新产品开发方面 具有较大影响力的一个领域。虚拟装配（VirtualAssembly）采用计算机仿真 与虚拟现实技术，通过仿真模型在计算机上进行仿真装配
15、，实现产品的工艺规 划、加工制造、装配和调试，它是实际装配的过程在计算机上的本质体现。目 前，就其技术而言，已经成熟，虽尚没有商用虚拟装配系统，也尚未充分地应 用于新产品开发的分析和评价，但这项技术在新产品开发中已得到肯定，并具 有很重要的意义。 过去传统的产品开发，常需要花费大量的时间、人力、物力来制作实物模型进 行各种装配实验研究，力求在产品的可行性、实用性和产品性能等方面进行各 种测试分析。现代设计要求设计人员在虚拟产品开发早期就应考虑装配问题， 在进行虚拟装配的同时创建产品、分析装配精度，及时优化设计方案。 虚拟装配的第一步是在 CAD 系统创建虚拟产品模型，然后进入并利用虚拟装 配设
16、计环境（VirtualAssemblyDesignEnvironment）系统，产品开发人员在 VADE 系统中开展工作，借助虚拟装配设计环境系统，设计人员可以在虚拟环 境中使用各种装配工具对设计的机构进行装配检验，帮助设计人员及时发现设 计中的装配缺陷，全面掌握在虚拟制造中的装配过程，尽可能早地发现在新产 品开发过程中的设计、生产和装配工艺等问题。利用这个虚拟环境，评价产品 的公差、选择零部件的装配顺序、确定装拆工艺，可将结果进行可视化处理。 实验表明，虚拟装配设计的完善将有效缩短新产品开发的周期，减轻设计 返工的负担，加快了引入高级设计方法和技术的速度，提高新产品开发的质量 与可靠性，同时也降低新产品开发的成本。 随着多媒体技术软硬件飞速发展，特别是虚拟现实技术与多媒体技术有机结 合，加快了设计人员从键盘和鼠标上解脱下来的速度，使虚拟设计技术在新产 品开发应用方面也得到提升。虽然目前仅是起步阶段，在通过多种传感器与多 维的信息环境进行自然的交互方面，及实现全方位的认识方面还有待于进一步 提高，但在新产品开发设计应用方面具
