一级圆锥齿轮减速器虚拟装配及仿真设计_本科毕业设计(编辑修改稿)

一级圆锥齿轮减速器虚拟装配及仿真设计_本科毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

虚拟企业。 围绕产品从概念设计到终止使用的整个生命周期，再从决策者、设计师、制造商、销售商和用户等全方位地去观察和研究产品，仿真技术已显示出它强大的生命力和发展潜力。 面向 21 世纪，同其他领域一样，制造领域的仿真技术的仿真规 模正在不断地扩大，仿真功能也在不断地朝智能化、可视化、集成化、并行化、分布交互化的方向发展。 CAD/CAE 技术应用、研究现状 （ 1） 国内本领域的现状 用 CAD 技术进行产品设计不但可以使设计人员 “ 甩掉图板 ” ，更新传统的设计思想，实现设计自动化，降低产品的成本，提高企业及其产品在市场上的竞争能力；还可以使企业由原来的串行式作业转变为并行作业，建立一种全新的设计和生产技术管理体制，缩短产品的开发周期，提高劳动生产率。 三维 CAD 造型技术 也称建模 技术 ，它是 CAD 技术 的核心。 建模 技术 的研究、发展和 应用 ，代表了 CAD 技术 的研究、发展和 应用。 从 20 世纪 60 年代至今， 三维 建模 技术 的发展经历了线框建模、曲面建模、实体建模、特征建模、参数化建模、变量化建模，以及正在研究的产品集成建模、行为建模等发展过程。 三维 CAD 以 三维 造型 设计为基础，只要形成了 三维 模型，各种二维视图唾手可得。 三维 CAD/CAE 技术 在产品的 三维 造型、虚拟状配、工程图生成、动态干涉检验、机构运动分析和动态仿一级圆锥齿轮减速器虚拟装配及仿真设计 陕西理工学院毕业设计 第 8 页 共 74 真、有限元分析等方面带来了革命性得突破，提高了 设计 效率和 设计 质量。 三维设计 的真正意义不 仅仅在于 设计 模型本身，而是 设计 出模型的后处理工作。 三维 CAD/CAE 技术 主要包括以下内容： 三维 造型 /三维 设计 、计算机辅助工程分析、机构运动分析 /仿真、装配干涉检验、 三维 转二维、图样档案管理等。 利用这种全过程的 三维 CAD/CAE 系统完成 设计 以后，不仅使 设计 对象的几何形状和性能满足要求，而且使各方面的指标（强度、刚度、重量和成本等）都达到最佳状态，这是计算机辅助 设计 和辅助工程分析的根本目的。 三维 CAD/CAE 符合 设计 者的思维习惯，可以充分发挥 设计 者创造力和想象力。 三维 CAD/CAE技术 不仅解决了产品 设计 和工程图绘制的问题，更重要的是利用 三维 CAD/CAE技术 实现产品的虚拟 设计 、运动仿真和优化 设计 ，所生产的 三维 零件可以直接与CAE/CAM/CAPP 等 CIMS 技术 进行数据交换和衔接，是将来实现无图样生产的关键 技术 之一，是实现虚拟制造的重要手段。 掌握 三维 CAD/CAE 技术 的使用，已经逐步同使用计算机进行文字处理一样，成为产品开发、 设计 人员的一种基本技能。 目前在我国 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。 但 很多企业，也只是做到用手工出图转变为计算机出图的现状，当然计算机出图是有很多优点的，漂亮、规范、修改容易、存档方便等。 但是如果只是停留在这个阶段，就失去了 CAD 的作用，因为 CAD 是辅助设计，不是辅助绘图。 既然是设计就不但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。 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。 然而，提高产品竞争力不但需要提高产品的性能与质量，而且要降低产品的成本，因此人们需要找到最合理和最经济的设计方案。 虽然分析人员可以不厌其烦地在屏幕前一次次修改设计参数以寻找最 理想方案，但缩短开发周期的压力通常要求分秒必争，人们可能没有更多的时间对数据参数进行手工调整。 于是，对 CAD/CAE 技术及其一级圆锥齿轮减速器虚拟装配及仿真设计 陕西理工学院毕业设计 第 9 页 共 74 应用的研究也 达到一个新高度。 （ 2） CAD/CAE 协同设计 计算机辅助技术已经成为现代设计方法的主要手段和工具，而其中的 CAE技术又成为现代设计流程的核心， CAE 具有以下功能 : (a) 应用数学模型，借助计算机分析计算，确保产品设计的合理性； (b) 与优化技术配合，找出产品设计最佳方案 ； (c) CAE 所起到的虚拟样机作用能预测产品在整个生命周期内的可靠性，甚至产品与产品、 产品与环境等之间的相容性； (d) 知识的获取是现代设计的关键， CAE 才能真正提高设计者的知识技能，而其他手段通常都只能起到使设计者工作更顺手、能更好地表达设计意图等作用，较少增加关键知识。 历经数十年的发展， CAE 技术的应用已经深入到设计流程的各个环节。 CAE分析利用现代计算机强大的数值计算能力所起到的 “ 虚拟样机 ” 作用在很大程度上替代了传统设计中资源消耗极大的 “ 物理样机验证设计 ” 过程，极大地缩短了设计周期、减少了成本。 但是，目前众多的设计单位将 “CAD” 与 “CAE 分析 ”截然分开，由不同的人或部门来完 成设计与分析工作，存在工作和数据交接、结果等待和评判等过程，造成了整个设计流程的不畅通。 事实上，在理想的现代设计过程中， CAE 应该融入产品设计的各个阶段和环节，实现设计分析一体化。 “ CAE 融入设计全过程 ” 的观点已经得到世界上 许多著名公司的广泛认可。 设计工程师将其工作经验与系列软件相结合，以准确了解设计细节、及时把握设计方向，从而省时省钱，在竞争中取胜。 （ 3） CAE 优化方法 设计过程实际上就是寻找最佳设计方案的过程。 在保证产品达到某些性能目标并满足一定约束条件的前提下，通过改变某些允许改变的设 计变量，使产品的指标或性能达到最期望的目标，就是优化方法。 因此 CAE 优化设计技术所起的作用是极其重要的 ， 与常规的优化技术相比，这种优化技术可大大提高设计效率。 它可进行如下工作： (a)在有限元分析矩阵上利用高阶级数展开的方法求解目标函数与设计变量之间的复杂关系； (b)“ 一次有限元计算 ” 即可完成整个优化设计过程； (c)与 CAD 软件联合进行形状参数优化。 一级圆锥齿轮减速器虚拟装配及仿真设计 陕西理工学院毕业设计 第 10 页 共 74 优化作为一种数学方法，通常是利用对解析函数求极值的方法来达到寻求最优值的目的。 基于数值分析技术的 CAE 方法，显然不可能对我们的目标得到一个解析函数， CAE 计算所求得的结果只是一个数值。 然而，样条插值技术又使 CAE中的优化成为可能，多个数值点可以利用插值技术形成一条连续的可用函数表达的曲线或曲面，如此便回到了数学意义上的极值优化技术上来。 样条插值方法当然是种近似方法，通常不可能得到目标函数的准确曲面，但利用上次计算的结果再次插值得到一个新的曲面，相邻两次得到的曲面的距离会越来越近，当它们的距离小到一定程度时，可以认为此时的曲面可以代表目标曲面。 那么，该曲面的最小值，便可以认为是目标最优值。 这 就是 CAE 方法中的优化处理过程 ，其 通常需要经过参数化建模 、 求解 、 优 化参数评价 等 步骤完成。 现代 CAE 技术的发展已使人们的分析领域扩展到了各行各业的每个角落，所研究问题的深度及综合程度都在逐步提高，研究者的目光已从单一场分析转向了多场耦合分析，以追求更为真实的模拟结果。 CAE 软件的优化技术的适应范围也必然随之扩展，不但要求它能解决各种单场问题，而且应该能处理多场耦合过程的优化。 （ 4） CAD/CAE 技术发展趋势 现代产品设计力求高效率、高质量、低成本，这对 CAE 分析工具也提出了更高的要求 ： 有足够技术手段来真实地模拟产品工作行为。 即 真实模拟 ，它 涉及到许多高难问题：高度 非线性、多物理场耦合及产品系统级复杂装配体模型等。 把设计工作的实际经验和计算机技术结合起来 ,将 提高系统的实用性和先进性。 因此，分析面广、分析程度深、分析对象复杂 及应用便捷 是现代 CAE 应用的发展方向，只有在这样的分析手段配置下，才能真正解决 “ 真实模拟 ” 的问题。 因而在这样的背景下， CAD 技术主要 具有 以下几方面的发展趋势 ∶ 标准化 、 开放性 、 集成化 、 智能化 和 虚拟现实 (VR)与 CAD 的 集成。 这种 趋势将体现在以下几方面 ∶ 真三维图形处理与虚拟现实 、 面向对象的工程数据库及其管理系统 、 多相多态介质耦合、多 物理场耦合以及多尺度耦合分析 、 适应于超级并行计算机和机群的高性能 CAE 求解技术 、 GUI＋多媒体的用户介面。 （ 5） CAD/CAE 技术应用展望 CAD/CAE 技术的发展必定推动其应用范围的扩大和层次的加深，在产品开发制造的各个阶段发挥更大的作用。 一级圆锥齿轮减速器虚拟装配及仿真设计 陕西理工学院毕业设计 第 11 页 共 74 (a)概念设计阶段主要进行较为详细的、带有一定目标性的预演。 主要有三个方面的 应用： 市场调研；技术设计，包括各种方案的计算机效果模拟和分析仿真论证 ； 评估、准备相关生产设施。 (b)在概念设计完成以后，紧接着就是详细设计。 这一阶段要绘制各种零部件图样，确定彼 此间的装配关系，评估产品的性能 (结构强度、刚度、动力特性和生产性等 )。 该阶段需要操作简单、使用方便的 CAE 软件，以便用最少的时间完成评估工作。 (c)样机制造阶段 是 根据详细设计提供的模型或数据完成试验样机的加工制造。 该阶段是生产阶段，所以较少使用 CAE 软件，但可以用一些专业软件，如铸造分析软件、板料成形软件来指导生产。 (d)产品测试评估阶段 主要是利用各种测试和评估手段对产品成本、产品性能、产品质量和加工特性做出全面真实的评价，从而为设计更改和产品的生产提供可靠依据。 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/CAM 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。 总之，对连杆减速器进行 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。 一级圆锥齿轮减速器虚拟装配及仿真设计 陕西理工学院毕业设计 第 12 页 共 74 2 系统结构总体设计 传动方案拟定 （ 1）工作条件：使用年限 10 年， 300 天为一年，工作为两班工作制。 （ 2）原始数据：变速箱传递作功率约为 (KW)； n1w 为 250r/min； 传动比为 ； 轴夹角∑为 90176。 方案拟定：由设计要求知采用 V 带传动与一级圆锥齿轮传动，即可满足传动比要求。 电动机类型选择 （ 1）电动机类型和结构的选择： 选择 Y 系列三相异步电动机，此系列电动机属于一般用途的全封闭自扇冷电动机，其结构简单，工作可靠，价格低廉，维护方便，适用于不易燃，不易爆，无腐蚀性气体和无特殊要求的机械。 （ 2）电动机功率选择 式Ｐ d＝ＰＷ／η 总 (kw) 其中η 总 为电动机至工作机之间传动装置的总效率。 η 总 =η １ η ２ 2η ３ 式中：η η η 分别为齿轮传动、轴承、带传动的传动效率。 取η １ =， η ２＝ ， η ３＝ ， 则： η 总 = =. 所以：电机所需的工作功率： Ｐ d＝Ｐ Ｗ ／η 总 ＝ (KW) （ 3）确定电动机转速 nd＝ ixnw＝ ＝ 575r/min 根据所得电动机转速查取手册选择电动机型号为： Y112M— 6，其同步转速为 1000r/min，满载转速为 940 r/min，额定功率。 一级圆锥齿轮减速器虚拟装配及仿真设计 陕西理工学院毕业设计 第 13 页 共 74 确定传动装置的中传动比和分配级传动比 由选定的电动机满载转速 nm和工作机主动轴转速 nw （ 1）可得传动装置总传动比为： ia=nm/nw= 940/250= 总传动比等于各传动比的乘积 分配传动装置传动比 ia=i0 i （式中 i0、 i分别为带传动 和减速器的传动比） （ 2）分配各级传动装置传动比： 根据设计要求，取 i= 所以： i0= 传动装置的运动和动力参数的设计 将传动装置各轴由高速至低速依次定为Ⅰ轴，Ⅱ轴 ： i0,i。