基于UG的蜗轮蜗杆减速器课程设计研究与开发

肖 萍

（新疆工业高等专科学校，新疆 830091）

0 引言

传统的减速器设计通常以一些设计手册为依据，根据经验并运用公式进行设计。在设计中存在很大的局限性。通常设计与制造过程不平行，如果设计出来的产品零部件装配失败只能重新设计，重新装配来检验产品的合规性。为了提高减速器设计的质量和效率，本文以蜗轮蜗杆减速器设计为例，利用UG软件实现减速器的设计、建模、装配。根据已经建立的三维零件模型，UG的各种应用功能模块既可以对模型进行装配仿真操作，创建二维工程图，也可以对模型机构进行运动仿真，尺寸干涉检查和运动干涉检查和运动学、动力学分析和有限元分析，及时发现设计中的错误，还可以根据模型设计工装夹具，进行加工处理，直接生成数控程序，用于产品的加工。这种可视化设计和分析，大大提高了设计成本和提高了设计质量。基于UG的蜗轮蜗杆减速器课程设计主要分为以下四部分：蜗轮蜗杆减速器的参数设计、三维实体建模、虚拟装配和运动仿真。因为其参数设计的主要设计过程及步骤都已经很熟悉，在此不做详细介绍。本文主要介绍其他三部分的内容。

1 基于UG的蜗轮蜗杆减速器主要部件的三维建模和强度分析

1.1 零部件的三位实体建模

蜗轮蜗杆减速器主要部件有：上下箱体，蜗轮，蜗杆，轴承，端盖，挡油板和螺栓等。UG提供了多种建模方法，在建立减速器各零部件模型时,可以通过对曲线、草图的拉伸、旋转建立各种扫描实体,也可以用系统提供的特征复制功能创建各种特征体。我们应针对各类零件的特点,选择合适建模方案,以提高建模的效率。具体零部件的建模过程在此不作介绍。

1.2 基于UG的三维实体特征分析和有限元分析

“强度向导”CAE（计算机辅助工程）软件程序用来模拟组件在结构性负载条件下的行为。模拟结果使人们可以了解组件的表现及应该如何改进设计。蜗轮蜗杆减速器中，蜗杆和蜗轮轴的强度对整个减速器的性能起到至关重要的影响。为了验证设计的可靠性，以UG设计平台为基础，进行有限元分析，确定其最大应力分布区，将评估结果与设计工程师和分析员的实践经验相结合，并最终结合实验数据，进行综合评估，指导减速器的设计。

1.2.1 蜗杆的有限元建模和分析

进行蜗杆强度分析时，首先要引入已知条件，本文假设其材料特性已知条件为：

质量密度＝7.829×10-6(kg/mm3)、杨氏模量＝ 2.069×108(mN/mm2)、 泊松比＝ 0.2880、热膨胀系数＝1.131×10-5(1/C)、热导性＝55701(micro W/(mm×C))、屈曲强度＝ 1.379×105、最终强度＝ 2.813×105、体积＝ 1.290×106mm3、质心 x＝-0.06592, y＝-0.6853, z＝-0.6853。引入载荷幅值F＝50N，矢量方向见下图：x＝0, y＝0, z＝1。经分析得到其部件信息图如图1(a)，结构性功能图1(b)，应力图如图1(c)，位移图 1(d)。

从图1中，可看出蜗杆没有应力集中，强度符合要求。

图1 蜗杆的有限元分析图

1.2.2 轴的有限元建模和分析

轴的强度分析与蜗杆的强度分析步骤相同，在此省略。

2 蜗轮蜗杆减速器的虚拟装配

2.1 蜗轮蜗杆减速器的虚拟装配

在蜗轮蜗杆减速器的装配体中一共有18零件组成，包括蜗轮、蜗轮轴、蜗杆轴、上箱体、下箱体、轴承、端盖、挡油板等。UG装配模块中有两种装配模式:自底向上装配和自顶向下装配。本课题中装配所采用的装配模式是第一种，即：自底向上。

下面简单介绍蜗轮蜗杆减速器的装配过程：首先以蜗杆轴为基准，将轴承、档油板零件装配好，如图3(a),再将蜗轮轴装配起来如图3(b)所示，其中1）为挡圈；2）为轴承；3）为蜗轮轴；4）为挡油板；5）为蜗轮。 然后将装配好的蜗杆轴与蜗轮轴装配到下箱体上，如图3(c)。再将窥视孔上的盖子装配上，最后再将螺栓和定位销钉装配上，这样整个蜗轮蜗杆减速器装配就完成了如图3(d)。装配完成后，生成的爆炸图3(e)。

2.2 装配干涉检验和分析

当蜗轮蜗杆减速器装配完成时，并不能完全肯定这个装配没有出错的地方，比如装配时，两个部件在空间位置上有重合的情况我们称为干涉。发生装配干涉是不希望出现的，但在装配时又不能完全肯定不出现装配干涉，所以一般可以通过装配干涉分析报告来确定在装配时是否发生干涉。进行装配干涉研究的步骤如图2所示。

图2 装配干涉研究的步骤

图3 蜗轮蜗杆减速器装配

1）在建模时，所产生的尺寸误差。

2）装配时，所产生的误差。

3）轴与轴承内圈、箱体与轴承的外圈等都是过盈配合。

图4 涡轮蜗杆减速器装配干涉图

3 蜗轮蜗杆机构运动仿真

运动分析模块可以进行机构的干涉分析，跟踪零件的运动轨迹，分析机构中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等。运动分析模块的分析结果可以指导修改零件的结构设计如调整齿轮比或调整零件的材料等。

3.1 蜗轮蜗杆机构运动建模

图5 蜗杆轴的运动副

将装配好的蜗轮蜗杆减速器的文件打开，先给蜗杆轴定义运动副，再给蜗杆轴定义运动驱动，在“位移”、“速度”栏中填如相应的值蜗杆轴的运动副就定义完成了，如图5所示。蜗轮与蜗轮轴的运动副定义方法与蜗杆轴运动副的定义方法类似。

3.2 蜗轮蜗杆机构减速器的机构运动仿真及运动分析

蜗轮蜗杆机构减速器的机构运动仿真只需选择“运动”工具栏中的“运动仿真”在“时间”与“步数”栏中填如相应的值，这时蜗杆就可以带动蜗轮和蜗轮轴按事先设定好的运动方式、运动位移和速度进行旋转了，实现了运动仿真。运动仿真做完后就可以对它进行运动分析了，主要就是对“位移”、“速度” 、“加速度”还有“力”等，进行分析，并且得到相应曲线。由于蜗轮蜗杆减速器的运动比较简单，所以“位移”、“速度”、“加速度”的曲线都是一条水平直线。如图6为蜗杆轴的“位移”曲线。图7为“速度”曲线。图8为“加速度”曲线，由于没有加速度，所以加速度为“0”。

图6 蜗杆轴的“位移”曲线

图7 蜗杆轴的“速度”曲线

图8 蜗杆轴的“加速度”曲线

4 结论

基于UG 的蜗轮蜗杆减速器的的设计，可以实现在减速器设计阶段可视化的对减速器个部件进行运动干涉检查，和强度分析。大大缩减的设计周期，提高了设计质量。

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