基于CAXA&ALGOR的齒輪減速器的聯合設計

吳志光，孫 亮,陳鎖修

(1．池州職業技術學院 機電系，安徽 池州247000；2.鳳陽縣職業教育中心，安徽 鳳陽233100)

基于CAXA&ALGOR的齒輪減速器的聯合設計

吳志光1，孫 亮1,陳鎖修2

(1．池州職業技術學院 機電系，安徽 池州247000；2.鳳陽縣職業教育中心，安徽 鳳陽233100)

文章應用CAXA和ALGOR兩個軟件配合使用，以減速器為例,對減速器的軸與齒進行設計，用CAXA實體設計軟件進行三維模型設計，然后將CAXA中的三維模型導入到ALGOR中，進行分析、比較，優化減速器上關鍵零件的設計。

CAXA實體制造 ；ALGOR有限元分析 ；齒輪減速器

1 引言

本文應用ALGOR軟件對減速器軸及齒輪進行有限元設計分析，預測和檢驗在真實狀態下的各種情況,快速、低成本地完成更安全可靠的設計項目。CAXA對于靜力學等分析方面只能靠理論計算，另外理論設計都需要計算[1-3]，且不能確定結果是否合理，將CAXA和ALGOR分析模塊配合使用，將設計和分析集合起來，即能加快設計周期，且保證設計質量。這里作者以減速器作為例子進行研究。齒輪減速器是機械系統中運用最廣泛的傳動設備之一，其動態性能的好壞對整個機械設備的綜合動態性能以及由此帶來的故障和壽命等有著重大的影響。研究運用智能優化算法優化齒輪減速器包括動態性能、體積和可靠性等的綜合性能，解決機械設備振動問題。

圖1 設計流程圖

2 齒輪減速器的設計及三維建模

2.1 齒輪減速器的設計

設計用于帶式運輸機的傳動裝置，如圖2。

數據：運輸帶工作壓力F=2800N，運輸帶工作速度V=1.4m/s，卷筒直徑D=350mm。

工作條件：一班制，連續單向運轉。載荷平穩，室內工作，有粉塵（運輸帶與卷筒及支承間，包括卷筒軸承的摩擦阻力影響已在F中考慮）。

傳動裝置的總效率 η=0.99×0.982×0.98×0.95×0.96=0.8672

2.1.2減速器關鍵零部件設計 一級齒輪減速器，主要零件包括一根高速軸、一根低速軸、兩個齒輪及上、下箱體，現對這幾個關鍵零部件進行設計。

（1）高速軸設計

圖2 高速軸零件圖

根據軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度，具體設計如圖2所示。作為簡支梁的軸的支承跨度為144mm+73.5mm+73.5mm+20mm=314mm。根據軸的計算簡圖做出軸的彎矩圖和扭轉圖，如圖3所示：

圖3 高速軸受力圖

從軸的結構圖以及彎矩圖和扭轉圖中可以看出截面C是軸的危險截面。現將計算出截面C出的、及的值列于下表1[6-8]。

表1 高速軸載荷

經計算，輸出軸上的功率P1=4.04KW，轉速n1=76.43r/min和轉矩T1=503.59N·m，作用在齒輪上的力，因為已知小齒輪的分度圓直徑,初步確定軸的最少直徑，選取軸的材料為45鋼，調質處理，取A0=112。，圓整為50mm。

（2）圓柱齒輪傳動的設計計算

經計算，小齒輪結構設計做成實心式，具體尺寸如圖4所示。大齒輪結構設計做成腹板式，具體結構如圖5所示。

圖4 實心式小齒輪

圖5 腹板式大齒輪

2.2 CAXA的減速器三維建模

圖6 減速器的三維模型

然后重點將上述已經建模好的主要零部件高速軸及小齒輪，在CAXA中進行繪制，圖6，設計好的高速軸三維模型如圖7所示：

圖7 高速軸的三維模型

圖8 小齒輪的三維模型

應用上面設計好的齒輪參數，齒輪模數：2.5mm；齒輪齒數：28；壓力角度數：20°；齒輪厚度：75mm。在CAXA實體設計中建立其三維模型，如圖8所示。

3ALGOR和CAXA的聯合設計分析

由于ALGOR軟件可與多種CAD軟件具有嵌入式的接口直接實現數據交換，故本文利用CAXA創建工程模型，在CAXA中設計好圖形之后，就要將模型導入到ALGOR有限元分析軟件中，給定使用單位N/mm，以50%網格大小，即：1.875 mm單元格大小對模型劃分網格。有限元網格的劃分用于三維幾何模型進行有限元單元劃分的網格類型主要包括：六面體單元、四面體單元。六面體網格具有較高的精度，但劃分難度高，較難實現自動網格劃分，所以這里我使用四面體單元。設置好后，系統可自動生成美觀、精度高的有限元網格，網格劃分好以后進入FEA編輯器，即可模擬各種結構形式及各種復雜材料[9-10]。

軸的材料的定義：首先要修改材料屬性，我選擇高速軸的材料是45號鋼。

齒輪劃分好的圖形如下圖9所示：

圖9 網格化的高速軸

圖10 網格化的小齒輪

小齒輪給定使用單位也是N/mm，以50%網格大小，即：1.875 mm單元格大小對模型劃分網格。小齒輪選用40Cr材料。

齒輪網格劃分好的齒輪圖形如圖10所示。

將所需所有參數都定義完過后，就可以對軸各段施加力，將相應的地段再對其進行約束，完成好過后，進行模擬線性分析。線性分析包括線性靜力和線性動力。線性材料靜力分析是最基本但又是應用非常廣泛的一類應力分析，用于線彈性材料，靜態加載的情況。這里用的就是線性靜力分析，所得結果如下圖11所示：

圖11 分析過后的高速軸

圖12 分析過后的小齒輪

齒輪的約束及加載，在正常工作條件下，邊界條件約束齒輪內表面各節點X，Y，Z方向的平動和繞X，Y軸的轉動。模態由系統固有特性決定，與外載荷無關，不需要設置載荷的邊界條件。模擬所得圖形如圖12所示。由上述分析模擬所得結果圖形可知哪些部位容易受損，這樣在以后設計減速器時，可以節省大量計算。

4 結論

減速器作為工業常用件，使用較為廣泛，是一種在原動機與工作機之間用來降低轉速的獨立傳動裝置，在機械設備中占有較大的比例。完成了，減速器軸類及齒輪的大體尺寸計算。

然后再CAXA實體設計制圖軟件中，繪制出軸以及齒輪的三維圖形。將在CAXA中設計好的三維圖形導入到ALGOR有限元分析軟件中，進行劃分網格，模擬分析。查看結果，合理的話說明軸及齒可用，否則就要對其結構進行修改，優化。

[1]胡仁喜,馬玉峰，等.CAXA平面與實體造型機械設計[M].北京：機械工業出版社,2006.

[2]寇曉東,田彩軍.ALGOR結構分析高級教程[M].北京：清華大學出版社,2008.

[3]孫金榮.CAXA實體設計在機械類課程教學中的應用 [J].北京：科技創新導報,2008(7):202-203.

[4]聞邦椿.機械設計手冊[M].4版北京：機械工業出版社,2010.

[5]吳綜澤,羅圣國.機械設計課程設計手冊[M].北京：清華大學出版社,2008.

[6]王步瀛.機械零件強度計算的理論和方法[M].北京：高等教育出版社,1996.

[7]單泉,余思佳,閆光榮.基于關聯的自動裝配設計[J].機械設計,2005(12):27-29.

[8]胡治民,謝志勇.圓柱齒輪減速器的優化設計[J].機電工程技術,2004(7).:84-85,97.

[9]段欽華,楊實如.2K-H型直齒行星減速器的設計研究[J].成都大學學報,2005(4):304-307.

[10]范佳.三環減速器有限元分析[D].唐山：河北理工大學,2006.

[責任編輯：桂傳友]

TH122

A

1674-1104(2014)03-0044-03

10.13420/j.cnki.jczu.2014.03.014

2013-09-16

安徽教育廳自然科學研究項目（kj2013b179,KJ2012Z276）。

吳志光（1979-），男，安徽廬江人，池州職業技術學院機電系講師，研究方向為數控技術。