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1、武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）开题报告课题名称 NGW型周转轮系的应力分析研究使用专业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 学生学号 开题教师 职 称 教授 2016年 02 月 28 日毕业设计（论文）开题报告毕业设计（论文）题目NGW型周转轮系的应力分析研究学生姓名 机制03班指导教师姓名 职称教授一、 课题背景传动装置是机器的重要组成部分，机器工作性能的好坏很大程度上取决于传动装置的优劣。因此，不断提高传动装置的设计和制造水平具有极其重要的意义。齿轮传动是最常采用的一种传动形式，其主要特点有：(1)效率高：在常用的机械传动中，齿轮传动的效率为最高；(2)结构紧凑：在同样的使
2、用条件下，齿轮传动所占用的空间一般较小；(3)工作寿命长：设计合理、维护良好的齿轮传动，其使用寿命可长达二十年；(4)传动比稳定：常用的渐开线圆柱齿轮满足定比传动条件，且具有可分性。由于具备了上述特点，因此齿轮传动被广泛应用。在齿轮传动中，当一系列互相啮合的齿轮把原动机的转速和扭矩传递给执行机构时，这种齿轮传动系统就称为轮系。当轮系中至少有一个齿轮轴线绕其它定轴齿轮的轴线回转，且机构的自由度为1，则轮系为行星轮系，即行星齿轮传动。其主要特点为：(1)体积小、重量轻：在承受相同载荷条件下，行星齿轮传动的外廓尺寸和重量通常仅为定轴齿轮传动的1/21/6；(2)传动效率高：行星齿轮传动的效率可高达9
3、9.4%；(3)工作可靠：行星齿轮传动平稳，抗冲击和振动能力强。行星传动机构因具有重量轻、传递效率高等优点而得到广泛的应用，研究行星轮系 的动态啮合应力具有重要的价值。在行星传动齿轮系统的设计过程中，行星轮系的结构 比较庞大,传统的基于有限元齿轮强度设计方法只是针对齿轮的一个啮合位置进行计算 分析口，得到的结果只是齿根和齿轮轴上的应力，无法得到准确的轮齿上的当量应力和 接触应力，同时对这种多齿轮系统在整个啮合过程中的应力变化情况缺乏系统地模拟。 通过建立行星轮系的整体有限元模型，利用动态接触分析的方法，不仅能够观察到整个 啮合过程中行星齿轮和主动齿轮的当量应力和接触应力的变化情况，进而确定工作
4、过程 中的危险点，还能够对危险点的应力随时间的变化情况进行分析，为疲劳分析提供一个输入依据。随着计算机技术的发展，目前已广泛采用有限元法对齿轮传动强度进行分析 计算，因为有限元法能很好地处理齿轮受载后啮合接触面力学和边界条件，从而可对齿 轮传动系统作更为准确的应力变肜分析。齿轮系统是历史最悠久的机械传动形式之一，也是各种机器和机械装备中应用最广的动力和运动传递装置。齿轮系统力学特征和工作性能对整个机器有重要影响，近些年来，齿轮系统力学特征的研究主要集中在两个方面，一是传动过程中，齿轮副的动力学研究;二是齿轮啮合时，齿面接触应力和应变方面的研究。齿轮系统工作时通过一对齿轮副的连续相互作用来传递动
5、力和运动，由于齿轮力学特性研究的复杂性与计算条件的限制，针对一对齿轮副力学特性的研究，仍是研究齿 轮动系统的重点。随着机械工业的飞速发展，齿轮传动装置因其具有传递功率范围大、传动效率高、传动比准确、使用寿命长工作安全可靠等特点，己被广泛应用于机械、 电子、纺织、冶金、采矿、航空、航天、船舶、汽车等领域，是机械中最常用的传动形 式之一。为了使行星轮间载荷分布均匀，有多种多样的均载方法。对于主要靠机械的方法来 实现均载的系统，其系统类型可分为静定系统和静不定系统。静定系统的均载原理是通 过系统中附加的自由度来实现均载的。采用基本构件自动调位的均载机构是属于静定系 统。当行星轮间的载荷不均衡时，构件
6、按照所受到的作用力的不同情况，可在其自由度 的范围内相应地进行自动调位，从而使行星轮间载荷分布均匀。较常见的静不定系统有 完全刚性构件的均载系统和采用弹性件的均载系统。采用弹性件的均载系统是采用具有 弹性的齿轮和弹性支承，在不均衡载荷的作用下，使弹性件产生相应的弹性变形，以实 现均载的机械系统。目前国内外较常采用的均载机构有:太阳轮浮动，行星架浮动，内齿圈浮动，太阳轮与行星架同时浮动，太阳轮与内齿圈同时浮动，无多余约束的浮动，行星轮油膜动，杠杆联动浮动，柔性均载浮动等。各种均载机构，对于不同的应用场合，都有其突出的优点。如太阳轮浮动的结构中，由扭转变形而引起的载荷沿轮齿的分布不均匀性大大减小;
7、行星架浮动不需支承，可简化结构，尤其有利于多级行星传动。由于行星架自重大、速度高会产生较大离心力，影响浮动效果，常用于中小规格的中低 速型传动中;内齿圈浮动的主要优点是可使结构的轴向尺寸较小，或使两个基本构件(如 太阳轮和内齿圈)同时浮动时，增强均载效果。仅内齿圈浮动使行星轮间均载的效果不 如太阳轮浮动好，并且浮动内齿圈所需的均载装置的尺寸和重量较大，加工也不方便; 多个构件的组合浮动结构，其浮动效果比各自单独浮动效果好，常用于多级行星传动中。此外，柔性均载浮动机构通过弹性元件的弹性变形补偿制造、安装误差，使各行星轮均 匀分担载荷。各弹性件变形程度不同，从而影响载荷分配均匀性。行星轮间载荷不均
8、衡 系数与弹性元件的刚度、制造误差成正比.行星齿轮传动中的齿轮均载与误差的柔性均 找浮动的形式行齿轮本身的弹性变形、弹性销法、弹性件支承行星轮及柔性轴支承行星 轮。 目前，强大的三维实体造型软件为支撑软件结合国内先进的分方法，对行星轮系进行设计和应力分析的研究是十分有意义的。本文基于SolidWorks建立了齿轮传动系 统, 并进行工况下的应力分析，取得了很好的效果。 二、 国内外研究状况和应用前景自上世纪六、七十年代起，国内外许多学者对行星传动系统的动力学特性开展了大量的研究工作。其内容包括自由振动(固有频率的变化规律及其敏感度分析)、受迫振动 响应(轮齿动载荷及均载特性)、振动抑制(相位调
9、谐及附加阻尼)以及与之相关的实验研 究等诸多方面。以下将从理论研究与实验研究两个方面分别予以阐述。行星齿轮传动结构上采用多个行星齿轮来分担载荷，形成功率分汇流，并合理使用 内啮合齿轮传动实现无径向载荷的转矩传递，具有体积小、重量轻、承载能力强等优点 因此，行星齿轮传动广泛应用于中、大型风电增速箱中。但由于不可避免的制造误差、安装误差、构件的弹性变形及温度等因素的影响，行星轮间载荷分布均匀的理想受力状态实际上很难达到，则上述优点难以实现。因此，多采用均载装置来实现或者改善系统的不均载情况，所谓行星轮间载荷分布均匀(或称载荷均衡)，就是指各行星轮的啮合作 用力大小相等。用各行星轮上的最大载荷与名义
10、载荷之比值来表示载荷分配的均衡程 度，称为行星齿轮传动的均载系数(也称行星轮间载荷分配不均衡系数。不论是何种均 载方法，都涉及到如何确定结构尺寸和误差等参数以满足载荷不均匀性的要求。开展均 载设计方法的理论和实验研究，其研究成果能为风力发电机增速器的设计提供理论基 础。 此外，随着现代科学技术的迅猛发展和广泛应用，以CAD/CAE/CAM技术为核 心基础的先进制造技术己成为当前制造业发展的重要技术保证。现在激烈的市场竞争要 求产品设计制造更新快、性能价格比高，促使许多国家和企业都把发展 CAD/CAE/ CAM技术作为制造业的发展战略。包括产品性能设计分析和结构优化的CAE 技术的应 用目前还
11、处于起步阶段。依靠经验设计和样品试验的设计方法，产品开发周期长、成本 高，限制了企业CAD 应用的效果。因此在成功应用CAD 后，利用CAE 技术进行产品 的动静态性能的分析验证、调整和优化产品结构，已成为企业的当务之急。这样才能进一步缩短产品的设计周期，降低制造成本，提高产品质量和可靠性，更好地适应市场的变化，增强企业的竞争力。本文主要是将CAE 技术应用于风力机的某些关键部件分析， 验证一些假设和某些设计方法，希望对今后风力机的设计及分析工作能提供一定的帮 助。 在国内，在齿轮系统力学方面也进行了多方面的研究，并取得一系列的成果。西北 工业大学方宗德教授、华中理工大学的钟毅芳教授就齿轮传动
12、副的动态特性都进行了研 究。1992 年刘更教授分别研究了斜齿轮各项参数对传动系统振动特性的影响。唐增宝用 八自由度的动力学模型建立了直齿圆柱齿轮的运动方程，并在假设齿轮的啮合刚度的前 提下，求解多级齿轮系统的动态响应，采用模态分析的方法与空间状态法相结合的方法 对运动微分方程进行了求解。重庆大学机械传动国家重点试验室对齿轮传动系统进行了 较为全面的研究，对系统的刚度激励、误差激励、啮合冲击激励以及系统的振动与噪声 进行相应的研究，王立华、李润方等用有限元理论和数值分析方法，应用三维啮合弹塑 性接触有限元方法对高速重载齿轮进行了接触强度分析，分析了离心力对齿轮传动系统 的影响。 90 年代，随
13、着大型商用有限元软件在国内广泛应用，国内学者应用分析软件对齿轮 啮合过程中的接触力与振动开展了许多研究，比如重庆大学的龙慧博士采用有限元软件 ABQUS 求解齿轮的静力学问题，对直齿轮轮齿处于不同位置处的接触应力，进行了2D 有限元分析。煤炭科学研究院的杨生华利用ANSYS 软件，采用予结构和子模型方法建 立齿轮的 2D 有限元模型，分析了齿轮啮合时的接触应力、应变，并与赫兹公式计算结 果相比较，结果表明接触单元法计算齿轮接触问题是可行的切。重庆大学的王立华、李 润方等应用I-DEAS 工程分析软件，在工作站上对齿轮与轴的整体系统进行了模态分析， 求解系统的固有频率，并用振型叠加法求解了该系统
14、的振动响应研。李润方、林腾蛟等 针对宽斜齿轮的啮合过程，提出了轮齿在不同位置啮合时有限元网格及模型的自动生成 方法，并开发出相应的三维前后处理及接触分析程序，对轮齿啮合过程中应力应变进行 数值计算，江苏大学硕士学位论文得到轮齿不同啮合位置的网格、应力分布、位移场、应力场、接触状态及接触线载衙分布。目前对斜齿轮的有限元分析，主要集中在静力学 方面，常用方法是建立齿轮系统啮合轮齿的有限元模型，采用3D接触单元，求解齿轮在一定载荷作用下的接触应力。 在保证各零部件有较高制造精度的同时，设计中采用均载机构来补偿制造、装配等 误差以及构件在载荷、惯性力、摩擦力或高温下的变形，使各行星轮均匀地分担载荷。采
15、用均载机构是实现均载简单又有效的途径。所谓行星轮间载荷分布均匀(或称均衡)，就是指各行星轮的啮合作用力的大小相等。NGW 型行星传动常用的均载机构为基本构件浮动的均载机构，主要适用于具有三个以上行星轮的行星传动，它是靠基本构件(太 阳轮、内齿圈或行星架)没有固定的径向支撑，在受力不平衡的情况下作径向游动(又称 浮动)，以使各行星轮均匀分担载荷。均载机构既能降低行星齿轮传动系统的均载系数， 又能降低噪声、提高运转的平稳性和可靠性，因而得到广泛的应用。不同的动力学模型，其建模方法及适用层面也各不相同。目前，文献中出现的行星传动动力学模型主要分为两类，即集中参数模型和有限元模型。根据构件运动特征的不同，前者又可分为纯扭转模型和平移.扭转模型。平移.扭转模型包括直齿行星传动的 平移.扭转祸合模型和斜齿行星传动的精细化动力学模型。比较而言，有限元模型过于 复杂，对计算机软、硬件的要求较高，实现动态有限元分柝的难度很大;平移.扭转模 型计入的影响因素较多，动力学响应的求解较为困难，多用于理论分析;纯扭转模型计入的影响因素较少，模型精简，具有一定的设计指导意义，但仍不够完善。三、 毕业设计主要内容和研究方案主要内容：1、NGW 型周转轮系各零件的设计计算; 2、NGW 零件的三维设计与装配体的生成; 3、用SolidWorks 三维软件进行应力分析研究; 4、运用SolidWorks 软
