基于UG的蝸輪蝸桿減速器課程設(shè)計研究與開發(fā)

肖 萍

（新疆工業(yè)高等?？茖W(xué)校，新疆 830091）

0 引言

傳統(tǒng)的減速器設(shè)計通常以一些設(shè)計手冊為依據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)并運(yùn)用公式進(jìn)行設(shè)計。在設(shè)計中存在很大的局限性。通常設(shè)計與制造過程不平行，如果設(shè)計出來的產(chǎn)品零部件裝配失敗只能重新設(shè)計，重新裝配來檢驗(yàn)產(chǎn)品的合規(guī)性。為了提高減速器設(shè)計的質(zhì)量和效率，本文以蝸輪蝸桿減速器設(shè)計為例，利用UG軟件實(shí)現(xiàn)減速器的設(shè)計、建模、裝配。根據(jù)已經(jīng)建立的三維零件模型，UG的各種應(yīng)用功能模塊既可以對模型進(jìn)行裝配仿真操作，創(chuàng)建二維工程圖，也可以對模型機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動仿真，尺寸干涉檢查和運(yùn)動干涉檢查和運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)分析和有限元分析，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的錯誤，還可以根據(jù)模型設(shè)計工裝夾具，進(jìn)行加工處理，直接生成數(shù)控程序，用于產(chǎn)品的加工。這種可視化設(shè)計和分析，大大提高了設(shè)計成本和提高了設(shè)計質(zhì)量。基于UG的蝸輪蝸桿減速器課程設(shè)計主要分為以下四部分：蝸輪蝸桿減速器的參數(shù)設(shè)計、三維實(shí)體建模、虛擬裝配和運(yùn)動仿真。因?yàn)槠鋮?shù)設(shè)計的主要設(shè)計過程及步驟都已經(jīng)很熟悉，在此不做詳細(xì)介紹。本文主要介紹其他三部分的內(nèi)容。

1 基于UG的蝸輪蝸桿減速器主要部件的三維建模和強(qiáng)度分析

1.1 零部件的三位實(shí)體建模

蝸輪蝸桿減速器主要部件有：上下箱體，蝸輪，蝸桿，軸承，端蓋，擋油板和螺栓等。UG提供了多種建模方法，在建立減速器各零部件模型時,可以通過對曲線、草圖的拉伸、旋轉(zhuǎn)建立各種掃描實(shí)體,也可以用系統(tǒng)提供的特征復(fù)制功能創(chuàng)建各種特征體。我們應(yīng)針對各類零件的特點(diǎn),選擇合適建模方案,以提高建模的效率。具體零部件的建模過程在此不作介紹。

1.2 基于UG的三維實(shí)體特征分析和有限元分析

“強(qiáng)度向?qū)А盋AE（計算機(jī)輔助工程）軟件程序用來模擬組件在結(jié)構(gòu)性負(fù)載條件下的行為。模擬結(jié)果使人們可以了解組件的表現(xiàn)及應(yīng)該如何改進(jìn)設(shè)計。蝸輪蝸桿減速器中，蝸桿和蝸輪軸的強(qiáng)度對整個減速器的性能起到至關(guān)重要的影響。為了驗(yàn)證設(shè)計的可靠性，以UG設(shè)計平臺為基礎(chǔ)，進(jìn)行有限元分析，確定其最大應(yīng)力分布區(qū)，將評估結(jié)果與設(shè)計工程師和分析員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，并最終結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合評估，指導(dǎo)減速器的設(shè)計。

1.2.1 蝸桿的有限元建模和分析

進(jìn)行蝸桿強(qiáng)度分析時，首先要引入已知條件，本文假設(shè)其材料特性已知條件為：

質(zhì)量密度＝7.829×10-6(kg/mm3)、楊氏模量＝ 2.069×108(mN/mm2)、 泊松比＝ 0.2880、熱膨脹系數(shù)＝1.131×10-5(1/C)、熱導(dǎo)性＝55701(micro W/(mm×C))、屈曲強(qiáng)度＝ 1.379×105、最終強(qiáng)度＝ 2.813×105、體積＝ 1.290×106mm3、質(zhì)心 x＝-0.06592, y＝-0.6853, z＝-0.6853。引入載荷幅值F＝50N，矢量方向見下圖：x＝0, y＝0, z＝1。經(jīng)分析得到其部件信息圖如圖1(a)，結(jié)構(gòu)性功能圖1(b)，應(yīng)力圖如圖1(c)，位移圖 1(d)。

從圖1中，可看出蝸桿沒有應(yīng)力集中，強(qiáng)度符合要求。

圖1 蝸桿的有限元分析圖

1.2.2 軸的有限元建模和分析

軸的強(qiáng)度分析與蝸桿的強(qiáng)度分析步驟相同，在此省略。

2 蝸輪蝸桿減速器的虛擬裝配

2.1 蝸輪蝸桿減速器的虛擬裝配

在蝸輪蝸桿減速器的裝配體中一共有18零件組成，包括蝸輪、蝸輪軸、蝸桿軸、上箱體、下箱體、軸承、端蓋、擋油板等。UG裝配模塊中有兩種裝配模式:自底向上裝配和自頂向下裝配。本課題中裝配所采用的裝配模式是第一種，即：自底向上。

下面簡單介紹蝸輪蝸桿減速器的裝配過程：首先以蝸桿軸為基準(zhǔn)，將軸承、檔油板零件裝配好，如圖3(a),再將蝸輪軸裝配起來如圖3(b)所示，其中1）為擋圈；2）為軸承；3）為蝸輪軸；4）為擋油板；5）為蝸輪。 然后將裝配好的蝸桿軸與蝸輪軸裝配到下箱體上，如圖3(c)。再將窺視孔上的蓋子裝配上，最后再將螺栓和定位銷釘裝配上，這樣整個蝸輪蝸桿減速器裝配就完成了如圖3(d)。裝配完成后，生成的爆炸圖3(e)。

2.2 裝配干涉檢驗(yàn)和分析

當(dāng)蝸輪蝸桿減速器裝配完成時，并不能完全肯定這個裝配沒有出錯的地方，比如裝配時，兩個部件在空間位置上有重合的情況我們稱為干涉。發(fā)生裝配干涉是不希望出現(xiàn)的，但在裝配時又不能完全肯定不出現(xiàn)裝配干涉，所以一般可以通過裝配干涉分析報告來確定在裝配時是否發(fā)生干涉。進(jìn)行裝配干涉研究的步驟如圖2所示。

圖2 裝配干涉研究的步驟

圖3 蝸輪蝸桿減速器裝配

1）在建模時，所產(chǎn)生的尺寸誤差。

2）裝配時，所產(chǎn)生的誤差。

3）軸與軸承內(nèi)圈、箱體與軸承的外圈等都是過盈配合。

圖4 渦輪蝸桿減速器裝配干涉圖

3 蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真

運(yùn)動分析模塊可以進(jìn)行機(jī)構(gòu)的干涉分析，跟蹤零件的運(yùn)動軌跡，分析機(jī)構(gòu)中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等。運(yùn)動分析模塊的分析結(jié)果可以指導(dǎo)修改零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計如調(diào)整齒輪比或調(diào)整零件的材料等。

3.1 蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動建模

圖5 蝸桿軸的運(yùn)動副

將裝配好的蝸輪蝸桿減速器的文件打開，先給蝸桿軸定義運(yùn)動副，再給蝸桿軸定義運(yùn)動驅(qū)動，在“位移”、“速度”欄中填如相應(yīng)的值蝸桿軸的運(yùn)動副就定義完成了，如圖5所示。蝸輪與蝸輪軸的運(yùn)動副定義方法與蝸桿軸運(yùn)動副的定義方法類似。

3.2 蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)減速器的機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真及運(yùn)動分析

蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)減速器的機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真只需選擇“運(yùn)動”工具欄中的“運(yùn)動仿真”在“時間”與“步數(shù)”欄中填如相應(yīng)的值，這時蝸桿就可以帶動蝸輪和蝸輪軸按事先設(shè)定好的運(yùn)動方式、運(yùn)動位移和速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)了，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動仿真。運(yùn)動仿真做完后就可以對它進(jìn)行運(yùn)動分析了，主要就是對“位移”、“速度” 、“加速度”還有“力”等，進(jìn)行分析，并且得到相應(yīng)曲線。由于蝸輪蝸桿減速器的運(yùn)動比較簡單，所以“位移”、“速度”、“加速度”的曲線都是一條水平直線。如圖6為蝸桿軸的“位移”曲線。圖7為“速度”曲線。圖8為“加速度”曲線，由于沒有加速度，所以加速度為“0”。

圖6 蝸桿軸的“位移”曲線

圖7 蝸桿軸的“速度”曲線

圖8 蝸桿軸的“加速度”曲線

4 結(jié)論

基于UG 的蝸輪蝸桿減速器的的設(shè)計，可以實(shí)現(xiàn)在減速器設(shè)計階段可視化的對減速器個部件進(jìn)行運(yùn)動干涉檢查，和強(qiáng)度分析。大大縮減的設(shè)計周期，提高了設(shè)計質(zhì)量。

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