二级圆柱齿轮减速器的设计与仿真分析

□ 华晨辉 □ 王 鹏

成都工业学院 智能制造学院 成都 611730

1 设计背景

二级圆柱齿轮减速器是一种常见的减速机构,作用是降低转速,增大转矩,常常用于矿山、港口、航空、建筑、起重、汽车等领域。

在机构设计中,运动机构的设计与校核是最烦琐的工作。目前多采用轨迹图法或求解法进行运动机构的设计,但对于运动部件多于三个的机构,设计时非常麻烦,并且设计不直观,设计结果也不能令人满意。

Unigraphics软件是集设计与运动校核于一体的应用软件,建模速度快,直观,并且能够充分显示部件运动中相互之间的协调关系。运用Unigraphics软件的仿真功能,还可以快速验证减速器的设计是否合理。

2 总体设计

二级圆柱齿轮减速器的结构一般分为展开式、同轴式等,笔者以展开式二级圆柱齿轮减速器为例进行设计,所设计的二级圆柱齿轮减速器系统简图如图1所示。减速器的初始数据如下:输送带的工作拉力为2 500 N,输送带速度为1.4 m/s,卷筒直径为390 mm。减速器使用寿命为10 a,1 a共300个工作日,每个工作日工作16 h,两班制工作,连续单向运转,载荷较平稳,用于小批量生产。

二级圆柱齿轮减速器结构较精密,包含很多部件,每一个部件都需要设计尺寸,计算工作状态。减速器设计的主体思路是根据所需功率选定电动机,计算并分配传动比,设计传动装置及其动力参数,设计轴、齿轮、三角胶带等关键部件。对每个部件进行设计计算,选定型号尺寸,并进行强度校验,根据传动机构设计减速器的箱体结构尺寸。

▲图1 二级齿轮减速器系统简图

笔者以输出轴的设计计算为例,通过仿真分析,验证设计数据的正确性。根据初始数据计算得到输出轴的转速为68.64(°)/s,按弯扭合成强度进行校核计算,得到输出轴的弯曲应力为14.35 MPa,小于输出轴材料的许用弯曲应力(60 MPa),所以输出轴的强度满足要求。

3 三维建模

二级圆柱齿轮减速器中的部件有箱体、箱盖、轴承、齿轮、齿轮轴、螺栓、螺母等。基于Unigraphics软件进行箱体建模时,先根据设计计算得到的箱体尺寸绘制草图,然后进行拉伸、对称、切除等操作,绘制出箱体的主体外形,最后利用Unigraphics软件中拔模、倒圆角、孔、镜像等功能完成箱体的三维建模。

进行齿轮轴三维建模时,先利用设计计算的数据在Unigraphics软件中绘制草图,建立主体,然后通过拉伸、旋转等操作,绘制齿轮轴的三维图。

二级圆柱齿轮减速器各部分三维建模后,进行装配。为了装配的方便,以先主后次的顺序,先装配箱体、齿轮、齿轮轴等主要部件,再装配螺栓、螺母等标准件,这样便于整个装配的定位。

装配过程中对部件设置条件约束,将各个部件装配为一个整体。为了看清内部结构,调整箱盖的透明度,透明度为70%左右即可。二级圆柱齿轮减速器三维装配图如图2所示。

▲图2 二级圆柱齿轮减速器三维装配图

4 仿真分析

运动仿真的目的在于检查干涉及分析运动状态。笔者设计中,运动仿真用于运动状态的分析,干涉问题在装配完成后进行。通过为输入轴添加设计的转速,在输出轴可以测出输出速度。通过比较仿真结果和设计计算结果,可以对设计的合理性进行判断。

二级圆柱齿轮减速器运动仿真分析的过程为创建运动方案,干涉和动画演示,仿真分析。

(1) 运动方案创建。选择连杆,建立输入轴、中间轴、输出轴所在的三个连杆。创建三个旋转副,输入轴的连杆为主动连杆,该连杆的旋转副驱动速度设置为966.67(°)/s,同时指定原点和矢量,中间轴和输出轴的连杆为从动连杆,无驱动速度。创建两个齿轮副,指定接触的齿轮,并标注半径。

(2) 干涉和动画演示。干涉检查可以确认二级圆柱齿轮减速器装配是否合理,动画演示可以直观看出二级圆柱齿轮减速器运动是否平稳。干涉检查中,装配体没有高亮显示,说明装配体合理。通过动画演示,确认二级圆柱齿轮减速器运动平稳。

(3) 仿真分析。通过仿真分析,可以得到输出轴的仿真转速曲线图。由于速度非常平稳,仿真转速曲线几乎为一条直线。仿真分析得到的输出轴转速为66(°)/s～67.5(°)/s,而理论计算得到的输出轴转速为68.64(°)/s,相对误差为1.6%～3.8%,在误差允许的范围内。综合以上分析,可以验证二级圆柱齿轮减速器的设计是合理的。

5 结束语

通过对二级圆柱齿轮减速器进行设计、三维建模及运动仿真分析,有利于摆脱二级圆柱齿轮减速器在设计中对实体样机及实体装配的依赖,降低了设计开发成本,缩短了开发周期。

应用Unigraphics软件对二级圆柱齿轮减速器进行三维建模,使二级圆柱齿轮减速器的设计更直观、合理,且效率更高。通过对二级圆柱齿轮减速器进行运动仿真,可以准确判断二级圆柱齿轮减速器的设计是否合理。