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1、一级圆锥齿轮减速器的CAE技术摘要 随着科学技术和国民经济的发展，渐开线齿轮传动减速器的需求量越来越大，质量要求也越来越高，传统的减速器设计方法己不能满足用户的需求，CAD/CAE技术的迅速发展使得它无论在机械、电子、航空、建筑等领域都获得了成功的应用。这对于提高产品性能和质量、缩短产品开发周期、降低成本和增强市场竞争力起了巨大的作用。对减速器进行CAD/CAE下的建模和仿真，是传统技术和现代技术的紧密结合，它不但符合科技发展的规律，也会使各自的应用、研究及发展获得意想不到的效果。ProMECHANICA Structure 是集静态、动态结构分析于一体的有限元模块，它不仅能够模拟真实环境为模
2、型施加约束及载荷，而且能够测算模型的应力、应变、位移等参数，实现静态、模态、翘曲、疲劳、动态响应、振动等分析。本课题主要以Pro/E软件为工具，进行了圆锥齿轮减速器的虚拟设计和运动仿真，齿轮齿阔的静应力分析，完成了减速器的CAE过程。 关键词 圆锥齿轮减速器 装配 运动仿真 参数化设计 Pro/Mechanic Structure 有限元分析The CAE technology of Level taper gear reducerAbstract：Along with the science and technology and the national economy developmen
3、t, the demand of involute gears transmission reducer is biger and biger, the quality requirement is also higher and higher, and the design method of traditional gear reducer oneself can not satisfy the users the demand, the CAD/CAE technology rapid development causes it regardless of in domains and
4、so on machinery, electron, aviation, building has all obtained the successful application. This regarding play the huge role to enhance product performance and quality, reduce product development cycle, reduce the cost and strengthen the market competitive power。The gear for modeling and simulation
5、under CAD/CAE is the combination of traditional and modern technology, it not only conform to the rules, also can make their application, research and development to acquire the result that is not expected. ProMECHANICA Structure is a static and dynamic structural analysis in one of the finite eleme
6、nt module，it not only simulate the real environment and impose restraint and load for a model, also can measure the model of stress, strain, displacement and other parameters, besides it can also realize the static, modal, warping, fatigue, dynamic response, vibration analysis, etc. This subject mai
7、nly make use of the Pro/E software to achieve taper gear reducer of virtual design and motion simulation, and the static stress anylsys of gear tooth, and complete CAE process of the reducer.Keywords： Taper gear reducer assembly Motion simulation Parametric design Pro/Mechanic Structure Finite eleme
8、nt analysis 目 录1 引 言11.1 概述21.2 减速器的类型及综合评价指标31.2.1减速器的分类31.2.2 综合评价指标31.3 减速器的现状及发展趋势41.4计算机辅助技术在制造业中的应用和发展现状51.4.1计算机仿真在制造业中的应用和发展现状51.4.2 CAD/CAE技术应用、研究现状72 系统结构总体设计122.1 传动方案拟定122.2 电动机类型选择122.3 确定传动装置的中传动比和分配级传动比122.4 传动装置的运动和动力参数的设计132.5 齿轮传动设计142.5.1选定齿轮传动类型、材料、热处理方式、精度等级142.5.2按齿面接触疲劳强度校核142
9、.5.3按齿跟弯曲强度设计162.5.4齿轮几何尺寸计算172.5.5锥齿轮齿跟弯曲疲劳强度校核192.5.6锥齿轮的结构192.6 轴及轴承的设计与选择192.6.1求输出轴、输入轴上的功率、转速和转矩192.6.2求作用在齿轮上的力192.6.3初步确定轴的最小直径202.6.4轴的结构设计212.6.5求轴上的载荷222.6.6按弯扭合成应力校核轴的强度242.7箱体结构设计242.8润滑方式及密封件选择263圆锥齿轮减速器的三维建模273.1输入、输出轴的三维建模273.1.1输入轴的三维建模273.1.2输出轴的三维建模293.2输入、输出轴上锥齿轮的参数化建模293.2.1输入轴上
10、锥齿轮的参数化建模293.2.2输出轴上锥齿轮的三维建模363.3减速器箱体的三维建模373.3.1减速器上箱体的建模373.3.2减速器下箱体的三维建模403.4轴承端盖及其它零部件的三维建模414 圆锥齿轮减速器的装配与运动仿真434.1装配434.1.1零件装配基本流程434.1.2装配过程中常用的方法434.1.3装配齿轮减速器444.2运动仿真504.2.1运动仿真概述504.2.2齿轮减速器的运动仿真505 有限元分析555.1 Pro/Mechanic Structure有限元分析555.1.1Pro/Mechanic Structure的主要功能555.1.2Pro/Mecha
11、nic Structure的分析类型565.1.3圆锥齿轮的有限元分析565.1.4圆锥齿轮的有限元分析结果63总 结64致 谢65参考文献66附 录671 引 言原动机、传动机和工作机（执行机）是机械系统的三大基本构成。原动机提供基本的运动和动力。工作机是机械具体功能的执行系统，随机械功能的不同，工作机的运动方式和结构形式千差万别。由于原动机运动的单一性、简单性与工作机运动的多样性、复杂性之间的矛盾，需用传动机将原动机的运动和动力，如速度、力或力矩的大小和方向等进行转换并传递给工作机，以适应工作机的需要。可见，只要原动机的运动和动力输出不能满足工作机的要求，传动机的存在就是必然的。目前在工程
12、实际中，广泛使用的传动装置有齿轮传动机构，链传动、皮带传动、蜗轮蜗杆传动等。在普通齿轮传动中，单级传动比小，且由于重合度的限制，其承载能力受到一定的影响，因此研究一种新型，高性能的传动装置显得十分必要。在传动装置中，国内外大多采用的是齿轮传动及其变形，同时摆线针轮减速器等相继研制成功并推广使用。与齿轮减速器相比，连杆凸轮减速器的单级传动比大；借助一齿差原理大幅度提高了重合度，因而承载能力提高；高副处为滚动摩擦因而摩擦力小，机械效率高。采用的是一齿差原理，是一种传动比大，承载能力大，机械效率高的传动装置。在摆线针轮减速器中转臂轴承受力较大，其转速又高于高速轴的转速，而且转臂轴承的尺寸又受到限制，
13、故转臂轴承成为薄弱环节。为克服上述减速传动的缺点并保留其优点，实现机械传动装置的高性能、低成本和小型轻量化，从传动原理上创新了一种新型的连杆凸轮减速器，该减速器与近年来成功研制的双曲柄环板针摆行星减速器类似，不仅保留了环板式传动可省去输出机构而输出轴刚性好；转臂轴承由行星轮内移至行星轮外，尺寸不再受限制，从而传递的转矩可以较现有的摆线针轮减速器更大等优点，而且又保留了原摆线针轮行星减速器同时啮合齿数多，总法向力与总圆周力间夹角小、摆线轮与针轮齿均为硬齿面等本质上的优点，克服了现有以渐开线为齿形的诸种环板式减速器难以避免的缺点。因此，连杆凸轮减速器是一种体积小、重量轻、传动比范围大、传动效率高、
14、传动平稳、输出轴刚性大、传动转矩范围更大、并具有很高实用价值的新型减速器。在我国CAD、CAE已经得到了广泛的应用，在大多数的大型制造企业已经相当的成熟。因为CAD是辅助设计，不是辅助绘图，设计不但要想到产品的机械模型，还应想到产品的结构分析、运动机构分析和生产加工处理等，只有这样才能真正发挥CAD的作用。要真正做到这一点，单凭二维设计是不够的，虽传统制图方法是通过二维视图描述三维实体，但它做不到进一步的结构、运动机构分析和数控加工，不能真正做到生产的自动化，甚至二维视图描述会出现二意性和理解错误，于是必须找到更先进合理的三维设计手段，使CAD、CAM、CAE以及PDM容为一体。激烈市场竞争已
15、使工业产品的设计与生产厂家清楚意识到：能更快地推出优秀的新产品，就能占领更多的市场。为此，CAD/CAE方法作为能缩短产品开发周期的得力工具，被越来越频繁地引入产品设计与生产的各个环节，以提高竞争力。从设计产品和对性能的简单校核，逐步发展到性能的准确预测，再到工作过程的精确模拟，使人们对CAD/CAE方法充满信赖。计算机辅助技术已经成为现代设计研究的主要手段和工具，在产品开发制造的各个阶段发挥重大作用。此次设计是在以前有关连杆凸轮减速器的研究基础上，基于现代化的CAD、CAE软件对连杆凸轮减速器进行3D建模、虚拟装配，构造虚拟数字样机进行各类进行动力学仿真与运动学仿真。该过程将方案设计、优化设计、零件建模、动态模拟装配、模态分析、高级渲染、动力学分析、运动仿真以及工程图绘制等设计全过程集于一个软件当中，这样做可以更加有效地更加快捷地对产品进行设计，大大缩短产品设计研发周期，提高了产品设计的准确性，大大降低产品开发设计成本，全面实现
