二級圓柱齒輪減速器的設計與仿真分析

□ 華晨輝 □ 王 鵬

成都工業學院 智能制造學院 成都 611730

1 設計背景

二級圓柱齒輪減速器是一種常見的減速機構,作用是降低轉速,增大轉矩,常常用于礦山、港口、航空、建筑、起重、汽車等領域。

在機構設計中,運動機構的設計與校核是最煩瑣的工作。目前多采用軌跡圖法或求解法進行運動機構的設計,但對于運動部件多于三個的機構,設計時非常麻煩,并且設計不直觀,設計結果也不能令人滿意。

Unigraphics軟件是集設計與運動校核于一體的應用軟件,建模速度快,直觀,并且能夠充分顯示部件運動中相互之間的協調關系。運用Unigraphics軟件的仿真功能,還可以快速驗證減速器的設計是否合理。

2 總體設計

二級圓柱齒輪減速器的結構一般分為展開式、同軸式等,筆者以展開式二級圓柱齒輪減速器為例進行設計,所設計的二級圓柱齒輪減速器系統簡圖如圖1所示。減速器的初始數據如下:輸送帶的工作拉力為2 500 N,輸送帶速度為1.4 m/s,卷筒直徑為390 mm。減速器使用壽命為10 a,1 a共300個工作日,每個工作日工作16 h,兩班制工作,連續單向運轉,載荷較平穩,用于小批量生產。

二級圓柱齒輪減速器結構較精密,包含很多部件,每一個部件都需要設計尺寸,計算工作狀態。減速器設計的主體思路是根據所需功率選定電動機,計算并分配傳動比,設計傳動裝置及其動力參數,設計軸、齒輪、三角膠帶等關鍵部件。對每個部件進行設計計算,選定型號尺寸,并進行強度校驗,根據傳動機構設計減速器的箱體結構尺寸。

▲圖1 二級齒輪減速器系統簡圖

筆者以輸出軸的設計計算為例,通過仿真分析,驗證設計數據的正確性。根據初始數據計算得到輸出軸的轉速為68.64(°)/s,按彎扭合成強度進行校核計算,得到輸出軸的彎曲應力為14.35 MPa,小于輸出軸材料的許用彎曲應力(60 MPa),所以輸出軸的強度滿足要求。

3 三維建模

二級圓柱齒輪減速器中的部件有箱體、箱蓋、軸承、齒輪、齒輪軸、螺栓、螺母等。基于Unigraphics軟件進行箱體建模時,先根據設計計算得到的箱體尺寸繪制草圖,然后進行拉伸、對稱、切除等操作,繪制出箱體的主體外形,最后利用Unigraphics軟件中拔模、倒圓角、孔、鏡像等功能完成箱體的三維建模。

進行齒輪軸三維建模時,先利用設計計算的數據在Unigraphics軟件中繪制草圖,建立主體,然后通過拉伸、旋轉等操作,繪制齒輪軸的三維圖。

二級圓柱齒輪減速器各部分三維建模后,進行裝配。為了裝配的方便,以先主后次的順序,先裝配箱體、齒輪、齒輪軸等主要部件,再裝配螺栓、螺母等標準件,這樣便于整個裝配的定位。

裝配過程中對部件設置條件約束,將各個部件裝配為一個整體。為了看清內部結構,調整箱蓋的透明度,透明度為70%左右即可。二級圓柱齒輪減速器三維裝配圖如圖2所示。

▲圖2 二級圓柱齒輪減速器三維裝配圖

4 仿真分析

運動仿真的目的在于檢查干涉及分析運動狀態。筆者設計中,運動仿真用于運動狀態的分析,干涉問題在裝配完成后進行。通過為輸入軸添加設計的轉速,在輸出軸可以測出輸出速度。通過比較仿真結果和設計計算結果,可以對設計的合理性進行判斷。

二級圓柱齒輪減速器運動仿真分析的過程為創建運動方案,干涉和動畫演示,仿真分析。

(1) 運動方案創建。選擇連桿,建立輸入軸、中間軸、輸出軸所在的三個連桿。創建三個旋轉副,輸入軸的連桿為主動連桿,該連桿的旋轉副驅動速度設置為966.67(°)/s,同時指定原點和矢量,中間軸和輸出軸的連桿為從動連桿,無驅動速度。創建兩個齒輪副,指定接觸的齒輪,并標注半徑。

(2) 干涉和動畫演示。干涉檢查可以確認二級圓柱齒輪減速器裝配是否合理,動畫演示可以直觀看出二級圓柱齒輪減速器運動是否平穩。干涉檢查中,裝配體沒有高亮顯示,說明裝配體合理。通過動畫演示,確認二級圓柱齒輪減速器運動平穩。

(3) 仿真分析。通過仿真分析,可以得到輸出軸的仿真轉速曲線圖。由于速度非常平穩,仿真轉速曲線幾乎為一條直線。仿真分析得到的輸出軸轉速為66(°)/s～67.5(°)/s,而理論計算得到的輸出軸轉速為68.64(°)/s,相對誤差為1.6%～3.8%,在誤差允許的范圍內。綜合以上分析,可以驗證二級圓柱齒輪減速器的設計是合理的。

5 結束語

通過對二級圓柱齒輪減速器進行設計、三維建模及運動仿真分析,有利于擺脫二級圓柱齒輪減速器在設計中對實體樣機及實體裝配的依賴,降低了設計開發成本,縮短了開發周期。

應用Unigraphics軟件對二級圓柱齒輪減速器進行三維建模,使二級圓柱齒輪減速器的設計更直觀、合理,且效率更高。通過對二級圓柱齒輪減速器進行運動仿真,可以準確判斷二級圓柱齒輪減速器的設計是否合理。