二级斜齿圆柱齿轮减速器虚拟仿真与可靠性分析

吴桂玲，金福占

（1.辽宁工贸学校，辽宁 110000；2.辽宁东煤基本建设有限责任公司，辽宁 110000）

1 研究任务和内容

本文通过查阅相关资料，进行减速器传动零件、标准件、箱体及其附件的设计，为Pro/E的建模提供理论基础，使用具有强大参数化建模功能的Pro/E软件，来建立圆柱齿轮减速器三维参数化的模型，再依据其进行装配；用Pro/E来实现虚拟装配和运动仿真；再对其中的重要零部件齿轮和轴可靠性分析。明确设计的优点及有待改进的地方，为以后的设计总结经验。Pro/E是现代产品工业设计中不可或缺的软件工具，Pro/E已不仅是工业设计人员所必须掌握的，也正在成为更广大的工程技术人员的必修内容。Pro/E广泛应用于机械、工业设计等相关行业。

本课题主要有以下三个任务。

（1）在Pro/Engineer中建立输出减速器中各个的三维实体模型。

（2）虚拟装配和动画演示的制作与调试。

（3）将三维绘图软件Pro/E 建立的减速器箱体三维实体模型导入到ANSYS中对其进行有限元应力分析。

本课题主要是拆画减速器零件图运用AUTOCAD和Pro/E来完成带减速器的装配图、零件建模、装配动画和运动仿真。

1.1 Pro/E的零件建模

零件建模是产品设计的基础，而组成零件的基本单元是特征。要确定建模方法，先应该清楚模型的结构。建模过程中，做到模型编辑和修改工具会熟练使用，使设计内容不断优化。尽管我们设计的零件多，但多为轴和齿轮，建模方法对于回转体很适用。零件三维模型就是使用旋转建模法，进行拉伸、剪切或孔的处理得到的。

要使所有模型有区别而且具有真实感，我们可以在建模后，给每个零件颜色和材质，一般设计缸体颜色为半透明，以便看清内部的运动过程。

1.2 圆柱齿轮减速器三维建模

Pro/E的组件模块具有装配工具。在此软件的“组件”模式下，把元件和子组件装配在一起构成组件，Pro/E可以对组件修改、分析或重新定向，还可以在组件中重新组合设计零件。

1.3 Pro/E的虚拟装配

虚拟装配就是机构装配结束后，按拆装顺序抓拍某些特别方位的快照，通过关键帧的设定确定各快照之间转换的速度，以得到一个机构的装配动画。所装配动画的主要工作是拆装位置的正确摆放、快照的准确抓拍和关键帧的时间设定等。

1.4 Pro/E的干涉检验和运动仿真

我们要对已装配的产品进行干涉检验，来保证运动仿真过程的顺利进行。我们选择在产品装配模式下点击菜单中的【分析】—【模型分析】，选择全局干涉选项，再点击【计算】按钮，干涉分析就会开始了。Pro/E中的干涉检验简单易行。使用Pro/E实现减速器虚拟装配和运动仿真获得产品模型，对于提高产品质量和优化设计，减少研发时间和成本，带来极大好处。Pro/E装配模式中有运动仿真模块，组件间的运动仿真是专门用Mechanism来处理。创建齿轮连接和设置伺服电动机是设计中首要任务， 并进行运动学分析，机构的“动力”是伺服电动机，它实现旋转和平移运动，从而达到运动仿真的目的。

2 拆画零件图

为了后期PRO/E建模工作可以顺利完成，减少三维装配过程中不必要的干涉问题。根据零件图已有的尺寸拆画出各个零件的完整数据，来创建准确的三维造型。

3 减速器的虚拟装配及运动仿真

传统的设计是用平面图形反映机械零件和装配关系，显然机器运转过程中各零件的运动状态及其相对位置关系无法在这种静态图形中表现出来，无法直观的其运动是否合理，零件的干涉等问题都无法直观反映出来。PRO/E三维建模装配和计算机运动仿真技术很好的实现了机器的运动仿真分析。

首先，用Pro/E来实现虚拟装配，得到装配图，然后进行减速器的虚拟装配, 之后开始干涉检验和运动仿真。运用软件Pro/E的具有直观性能的动画模块来实现减速器的虚拟装配，运动仿真模块来实现减速器的传动系统干涉检验和运动仿真。

3.1 渐开线圆柱齿轮的三维参数化造型

齿轮在三维实体造型中，需要参数和关系式等辅助工具和扫描混合等高级特征功能来达到设计要求。

3.2 圆柱齿轮减速器的虚拟装配及拆装动画

虚拟装配依据产品设计的形状特性、精度特性，仿真产品的三维装配过程，用户以交互方式控制产品的三维仿真装配过程，来预估产品的可装配性能．及早发现缺陷,以便改进,这样大大节省资金,提高开发效率，有效降低产品的成本，降低市场销售价格,提升企业的竞争力。

3.3 圆柱齿轮减速器的干涉检验和运动仿真

3.3.1 减速器干涉检验

要先把装配完的产品干涉检验，以便保证机构运动仿真过程顺利进行。进行Pro/E中产品装配关系的干涉检验，点击菜单中的【分析】—【模型分析】，选全局干涉选项，点击【计算】，干涉分析开始运行，分析结果：齿轮轴与大齿轮间干涉体积是0．02448mm。

有2个产生干涉的原因。

（1）进行数据处理时，系统对零件做复杂的大量运算，算法的精度可能不够高，计算机计算位数的局限性，会不可避免地出现与真实数据细微的偏差。

（2）齿轮渐开线的公式的也会存在舍入时的误差。误差只能减小,无法避免这些系统的精度和公式的应用过程中的舍入误差必然会造成微小干涉的出现，毫无疑问设计和装配理论没有问题。根据多年的经验，在实际装配中,这样微小的体积干涉可以做些技术处理完全可以处理掉的。最后我们可以得出结论：装配的结果正确。

3.3.2 减速器机构的运动仿真

建立、评估和优化部件在现场工作环境中的运转可以用运动仿真软件包来实现，来判断是否能满足工程和性能需求。早期阶段应用运动仿真，对产品性能可以进行预估，不合适可以修改,减少不必要损失,节约资金,装配(Assembly)模式中的Pro/E运动仿真模块，Mechanism的功能是专门用来处理组件间的运动仿真。

组件装配完毕，执行【应用程序】—【机构】命令，机构运动模拟的下一阶段的设定如下。

（1）创建齿轮连接。

①选择【连接】—【齿轮】，建一个新的齿轮副。

②在【齿轮1】中选取高速传动轴，使其与箱体的销钉接头连接， Pro/E会自动选主体和支架，给出节圆的直径。在【齿轮2】中选择中速传动轴，使其与箱体的销钉接头连接，Pro/E自动选取主体和支架，给出节圆直径，单击确定，这样就完成了第1、2两个齿轮副的构建。

（2）创建伺服电动机。

为机构提供“动力”的伺服电动机可以实现旋转及平移运动，同时能确定运动轮廓,其步骤如下。

①选取【电动机】【伺服电动机】或单击图标，建一个伺服电动机。

②选择【连接轴】，选取高速传动轴，与箱体的销钉接头连接。

③在【轮廓】选项卡上，将【规范】设为【速度】，【模】设为【常数】 ,1440r．min-1(即传动轴的转速)输入。

（3）运动学分析。

①选【机构】—【分析】，【分析】对话框打开。

②单击【新建】，选【运动】，在【时域】选项卡上，默认缺省值。

③单击【运行】机构运动就可以显示了。

（4）保存并查看结果。

①单击【机构】 【回放】，干涉检查开始。

②在回放对话框中，单击，打开动画对话框，单击【捕捉】把运动动画输出成MPEG、JPG等格式影像文件。

4 结语

此文带式运输机减速器借助Pro/E进行的虚拟装配和运动仿真，是将圆柱齿轮减速器设计与Pro/E的虚拟装配和运动仿真技术相结合的一种设计方式，它的优点和弊端总结如下。

（1）利用Pro/E的动画模块，可以更直观的对减速器的内部结构进行体现，比二维绘图更为直观、实用。

（2）在Pro/E的仿真动画中进行的干涉检验检测结果证明，所设计的减速器的各传动齿轮齿轮之间无相互干涉现象，可以生产。

（3）由于初次使用动画仿真，在抓取快照和选择视角以及动画处理等方面，可进一步优化。

（4）使用Pro/E实现减速器虚拟装配和运动仿真，能更加直观地看到减速器的检测和进行各个部件的间隙调整。此设计大幅度缩短减速器的研发设计的周期，使产品生产成本明显降低，可以更加高效的优化减速器的设计。

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