基于ProE的聯(lián)合收割機(jī)二級(jí)齒輪減速器仿真分析

靳峰峰,唐光胤

(濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 濟(jì)源 459000)

0 引言

二級(jí)齒輪減速器是一種獨(dú)立傳動(dòng)器件,在原動(dòng)機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間具有轉(zhuǎn)速匹配和轉(zhuǎn)矩傳遞的作用,傳動(dòng)效率高、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性強(qiáng)、承載能力大,因此被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代機(jī)械中。傳統(tǒng)的減速器設(shè)計(jì)只能在全部的零部件試制出來(lái)后才能進(jìn)行實(shí)體的試裝配,發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷后再進(jìn)行修改、制樣,導(dǎo)致開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、研發(fā)成本高。為此,基于Pro/E實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合收割機(jī)二級(jí)齒輪減速器的設(shè)計(jì)與仿真,以期顯著提高設(shè)計(jì)效率。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的聯(lián)合收割機(jī)二級(jí)齒輪減速器主要應(yīng)用于主驅(qū)動(dòng)軸的傳動(dòng)裝置。主驅(qū)動(dòng)軸通過(guò)接收發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸的驅(qū)動(dòng)力,驅(qū)動(dòng)割取和脫粒裝置;而二級(jí)齒輪減速器則是在發(fā)動(dòng)機(jī)停止時(shí)讓割取和脫粒裝置盡快無(wú)損停止作業(yè)。二級(jí)齒輪減速器結(jié)構(gòu)分為展開(kāi)式和同軸式等兩種,本文采用展開(kāi)式設(shè)計(jì)了聯(lián)合收割機(jī)二級(jí)齒輪減速器,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 聯(lián)合收割機(jī)二級(jí)齒輪減速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 The structure diagram of two-stage gear reducer of combine harvester

聯(lián)合收割機(jī)二級(jí)齒輪減速器的初始數(shù)據(jù)如下:傳輸帶的拉力F=4150N,速度為v=2.8m/s,鼓輪直徑D=420mm=0.42m;二級(jí)齒輪減速器工作壽命為8年,每年的平均工作285天,每天平均工作12h。

聯(lián)合收割機(jī)二級(jí)齒輪減速器傳動(dòng)效率高,結(jié)構(gòu)比較精密,內(nèi)部包含較多的零部件,需要根據(jù)每個(gè)零部件的工作狀態(tài)對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。二級(jí)齒輪減速器設(shè)計(jì)的思路為:根據(jù)工作功率選擇合適的電機(jī),并通過(guò)計(jì)算確定其傳動(dòng)比;然后,對(duì)傳動(dòng)裝置及動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),計(jì)算出其總傳動(dòng)比和各級(jí)傳動(dòng)比分配,并對(duì)設(shè)計(jì)軸、齒輪、三角膠帶等部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

聯(lián)合收割機(jī)二級(jí)齒輪減速器的電機(jī)采用Y系列三相異步電動(dòng)機(jī),工作時(shí)所需轉(zhuǎn)速為

(1)

工作時(shí)需要的功率為

(2)

電機(jī)所需功率為

(3)

2 二級(jí)齒輪減速器三維建模與裝配

2.1 二級(jí)齒輪減速器建立模型

Pro/E采用參數(shù)化設(shè)計(jì)理念,通過(guò)將實(shí)體建模、曲面建模和參數(shù)化建模結(jié)合起來(lái),用于解決特征的相關(guān)性問(wèn)題。Pro/E可以分別進(jìn)行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、加工處理等處理,用戶可以根據(jù)實(shí)際需求和習(xí)慣選擇合適的建模方法。二級(jí)齒輪減速器包括齒輪軸、齒輪、滾動(dòng)軸輪和箱體等零部件。

1)漸開(kāi)線方程。根據(jù)齒輪機(jī)械工作原理,其漸開(kāi)線的極坐標(biāo)參數(shù)方程表達(dá)式為

(4)

齒輪漸開(kāi)線的直角坐標(biāo)表達(dá)式為

(5)

為了方便在Pro/E中繪制齒輪漸開(kāi)線,先定義一個(gè)變量t∈[0,1],再建立關(guān)系表達(dá)式,用于控制α角度值在0°～180°范圍內(nèi)變化,從而可以輕松地繪制0°到180°的漸開(kāi)線。

2)建立齒輪漸開(kāi)線方程。先根據(jù)漸開(kāi)線方程繪制出輸出軸大齒輪,齒輪數(shù)為Z=112,壓力角α=20°,模數(shù)m=2.5。

在Pro/E軟件環(huán)境中,在主菜單上單擊"工具"-"關(guān)系",系統(tǒng)彈出"關(guān)系"對(duì)話框,再設(shè)定如圖2所示的齒輪基本圓關(guān)系表達(dá)式,基本圓草圖如圖3所示。

圖2 齒輪基本圓關(guān)系Fig.2 The basic circle relation of gear

圖3 基本圓草圖Fig.3 The basic circle diagram

依次在主菜單上單擊"插入"-"模型基準(zhǔn)"-"曲線",再在繪圖區(qū)單擊選取系統(tǒng)坐標(biāo)系為曲線的坐標(biāo)系,彈出如圖4所示的"設(shè)置坐標(biāo)類(lèi)型"菜單管理器。

圖4 設(shè)置坐標(biāo)類(lèi)型管理菜單Fig.4 Setting the management menu of coordinate type

選擇"笛卡爾",彈出記事本窗口,再輸出齒輪漸開(kāi)線的直角坐標(biāo)表達(dá)式,得出如圖5所示的漸近線曲線。

圖5 齒輪漸近線曲線Fig.5 Gear asymptote curve

利用Pro/E曲線功能可以自動(dòng)生成齒頂圓及曲線,再通過(guò)鏡像功能獲取漸開(kāi)線曲線,便可以生成齒輪的單個(gè)輪廓,通過(guò)簡(jiǎn)單的拉伸就得到了單齒,最后通過(guò)陣列功能便可以生成整個(gè)輸出軸大齒輪。輸出軸大齒輪模型如圖6所示。

圖6 輸出軸大齒輪模型Fig.6 The large gear model of output shaft

3)減速器輸出軸設(shè)計(jì)。減速器輸出軸采用角接觸球軸承,其設(shè)計(jì)過(guò)程為:先繪制角接觸球軸承的草圖,通過(guò)旋轉(zhuǎn)畫(huà)出內(nèi)圈、外圈以及單個(gè)滾珠,并利用陣列生成軸承。角接觸球軸承草圖和模型如圖7所示。

1.軸承外圈 2.保持架 3.圓柱滾子 4.軸承內(nèi)圈圖7 角接觸球軸圖Fig.7 The ball axis diagram of angular contact

2.2 二級(jí)齒輪減速器整體裝配

設(shè)計(jì)出二級(jí)齒輪減速器各部分的三維模型后,便可以進(jìn)行減速器的裝配。為了方便在Pro/E軟件中完成裝配,需要按照由主至次的流程,先完成箱體、齒輪、齒輪軸、輸入軸、輸出軸等主要部件的裝配,再完成螺絲、螺母的等標(biāo)準(zhǔn)件的安裝。另外,為了方便裝配,對(duì)各個(gè)部件設(shè)定約束條件,再將各個(gè)部件裝配成一個(gè)整體。二級(jí)齒輪減速器整體裝配如圖8所示。

圖8 二級(jí)齒輪減速器整體裝配圖Fig.8 The overall assembly drawing of secondary gear reducer

3 二級(jí)齒輪減速器運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

Pro/E軟件包括Mechanism和Pro/MECHANICA兩個(gè)仿真模塊:前者完全集成在Pro/E中,主要用于運(yùn)動(dòng)仿真分析;后者是一個(gè)獨(dú)立的軟件包,需要下載安裝,主要用于結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)和運(yùn)動(dòng)分析。雖然兩個(gè)仿真模塊都可以用于運(yùn)動(dòng)分析,但Mechanism比Pro/MECHANICA操作更加直觀簡(jiǎn)便,其仿真結(jié)果不僅可以通過(guò)參數(shù)和數(shù)值展現(xiàn),也可以利用動(dòng)畫(huà)的方式表示出來(lái)。

Pro/E Mechanism運(yùn)動(dòng)學(xué)分析需要采用連接的方式進(jìn)行裝配,根據(jù)零部件的位置關(guān)系和運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行組件裝配,這樣才能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。在二級(jí)齒輪減速器仿真分析中,其動(dòng)力源是讓機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)起來(lái)的驅(qū)動(dòng)器。在裝配過(guò)程中,需要根據(jù)構(gòu)件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律,設(shè)定各個(gè)連接的自動(dòng)度,Pro/E Mechanism仿真模塊提供的連接方式包括平面、銷(xiāo)釘、焊接、圓柱、軸承、滑槽、滑塊、球和齒輪等。

對(duì)于二級(jí)齒輪減速器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,主要是查看輸出軸大齒輪的運(yùn)動(dòng)仿真情況。為了方便對(duì)其進(jìn)行分析,本文將二級(jí)齒輪減速器組件進(jìn)行了簡(jiǎn)化,去掉了箱蓋和密封圈等不會(huì)對(duì)實(shí)際仿真運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響的零件。二級(jí)齒輪減速器運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程如下:

1)進(jìn)入Pro/E的裝配模式,將各個(gè)零部件按照順序連接起來(lái)。減速器箱體機(jī)器底座采用剛性連接,而齒輪軸、齒輪、滾動(dòng)軸輪和軸承采用銷(xiāo)釘?shù)倪B接方式。

3)給二級(jí)齒輪減速器添加動(dòng)力源,通過(guò)單擊工具欄的添加伺服電機(jī)。

圖9 輸出軸大齒輪的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速Fig.9 The movement speed of big gear in output shaft

由圖9可以看出:開(kāi)始時(shí),輸出軸大齒輪的轉(zhuǎn)速有一個(gè)明顯的沖高回落過(guò)程,后面穩(wěn)定在4500r/min,具有較好的穩(wěn)定性,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的干涉現(xiàn)象。這說(shuō)明,二級(jí)齒輪減速器滿足設(shè)計(jì)需求。

4 結(jié)論

本文利用Pro/E仿真軟件進(jìn)行了二級(jí)齒輪減速器的產(chǎn)品設(shè)計(jì),通過(guò)對(duì)二級(jí)齒輪減速器整體建模和各個(gè)零部件的參數(shù)化設(shè)計(jì)后,完成了二級(jí)齒輪減速器的裝配工作。最后,利用Pro/E Mechanism仿真模塊對(duì)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真,對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定參考作用。