基于ProE的单级圆柱齿轮减速器的设计与仿真

关键词： 齿轮 传动 减速器

基于ProE的单级圆柱齿轮减速器的设计与仿真（精选7篇）

篇1：基于ProE的单级圆柱齿轮减速器的设计与仿真

广东石油化工学院

课程设计说明书

题目:基于Pro/E的单级圆柱齿轮减速器的设计与仿真

班级： 姓名： 学号： 指导老师：

I

广东石油化工学院

课程设计任务书

摘要

本次课程设计要求基于Pro/E的单级圆柱齿轮减速器的设计与仿真主要用于《机械设计基础》课程的教学过程中，使学生能够直观的看到减速器的外观和内部结构，并能观察传动过程。对于《机械设计基础》课程的教学资源库提供更好的资料，能够更好的实现项目化教学改革。要求学生根据所给定的参数，完成所有零件的尺寸设计和结构设计。用Pro/e完成三维建模，然后装配成减速器整体，并生成装配爆炸图，最后还要完成运动仿真。本次课程设计具体按排，第一周指导教师讲解设计题目、设计思路和说明书格式；学生查阅资料，根据条件计算单级圆柱齿轮减速器的各技术参数和主要零件尺寸；用Pro/E对减速器零件进行三维建模；第二周运动仿真，输出工程图；整理设计说明书，再进行答辩。

关键词：单级圆柱齿轮减速器PRO/E三维建模运动仿真

II

目录

摘要............................................................IⅠ 第一章 引言（绪论）............................................1

第二章 主要零件工程图与设计

2.1 单级圆柱齿轮减速器结构分析...........................3 2.2 固定箱体底座的设计...................................3 2.3 上箱体零件的造型设计.................................5 2.4 减速器内部轴的设计...................................6 2.5 齿轮的设计..........................................8 2.6 其他零件的设计......................................11 第三章 装配减速器

3.1分析减速器的模型....................................14 3.2减速器模型创建步骤..................................14 3.3减速器分解视图......................................17

第四章减速器运动仿真

4.1运动仿真概述........................................18 4.2元件连接............................................19 4.3机构仿真............................................19

第五章设计总结.................................................22 III IV

第一章 前言绪论

绪论

设计要求：单级圆柱齿轮减速器：输入功率2.169kw，输入转速480r/min，总传动比4，效率0.95，其他技术参数计算或者按照给定图纸；按计算结果和给定图纸进行减速器零件的三维建模，并装配，进行运动仿真检查零件间是否存在运动干涉；将主要零件（传动轴和齿轮）和装配体（标注关键尺寸）输出为工程图。要求螺栓、螺母等用简化画法，不用画出实际的螺纹。设计说明书的主体为Pro/E的操作（70%以上），参数计算占小部分（小于30%）

减速器的工作原理及其运用：减速器是一种动力传达机构，利用齿轮的速度转换器，将电机（马达）的回转数减速到所需要的回转数，并得到较大转矩的机构。在目前用于传递动力与运动的机构中，减速机的应用范围相当广泛。几乎在各式机械的传动系统中可以见到它的踪迹。从交通的船舶，汽车，机车，建筑用的重型机具，机械工业所用的加工机具及自动化生产设备，到日常生活中常见的家电，钟表等等。其应用从大动力的传输工作，到小负荷，精确的角度传输都可以见到减速器的应用，且在工业应用上，减速器具有减速及增加转矩功能。因此广泛应用在速度与扭矩的转换设备。在目前用于传递动力和运动的机构中，减速器的应用范围非常广泛。减速器的作用主要有：

（1）降速同时提高输出扭矩，扭矩输出比例按电机输出成减速比，但要注意不能超出减速器的额定扭矩。

（2）减速同时降低了负载的惯量，惯量的减少为减速比的平方。减速器一般用于低转速大扭矩的传动设备，把电动机，内燃机或其他高速运转的动力通过减速器的输入轴上的齿数少的齿轮啮合输出轴上的大齿轮来达到减速的目的，普通的减速器也会有几对相同原理齿轮达到理想的减速效果，大小齿轮的齿数之比，就是传动比。减速器是一种相对精密的机械，使用它的目的是降低转速，增加转矩。它的种类繁多，型号各异，不同种类用不同的用途。减速器的种类繁多，按照传动类型可以分为齿轮减速器，蜗杆减速器和行星齿轮减速器；按照传动级数不同可以分为单级和多级减速器；按照齿轮形状可以分为圆柱齿轮减速器，圆锥齿轮减速器和圆锥一圆柱齿轮减速器；按照传动的布置又可以分为展开式，分流式和同轴式减速器

PRO/E在机械设计中的应用：经过漫长的发展岁月，产品设计手段在不断

生产制造等几个大的方面，分别提供了完整的产品设计解决方案。在这里我们将利用Pro/E的机械设计及模具设计的功能进行三维的建模。是建立在统一基层上的数据上，不像一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓的单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。3.全相关性

Pro/E的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体，设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。4.基于特征的参数化造型

Pro/E使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要求。5.数据管理

加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了Pro/E独特的全相关性功能，因而使之成为可能。

6.针对产品设计的不同阶段，Pro/E将产品分为工业设计，机械设计，功能模拟，生产制造等几个大的方面，分别提供了完整的产品设计解决方案。在这里我们将利用Pro/E的机械设计及模具设计的功能进行三维的建模。

2)创建底座上的孔

同样单击孔工具，接受默认项创建直孔，选取底座作为孔的放置平面，在孔的操作板上选取直孔，用草绘定义所钻孔的轮廓及剖面，注意在一些环节中要定义孔的中心轴，否则会出现草绘平面不成功，然后单击完成，用同样方法创作出其他的孔。3)创建轴承座上的孔

轴承座上孔的创作方法与其在凸缘上创建孔的方法基本相同，在此不作赘述。4)底板去除材料特征的创建

选取拉伸命令，选择底座作为草绘平面，然后绘制其剖面轮廓，然后在拉伸的操作板中选择去除材料选项，定义尺寸，然后单击完成。

倒圆角特征的创建:在工程工具栏中选取倒圆角命令，选取模型中需要倒圆角的边，在输入对应的值之后，单击完成。

创建辅助特征:下箱体的辅助特征包括放油尺凸台，创建该特征仅用到几个基本的特征命令，如拉伸，剪切，倒圆角等，创建过程不再详细介绍，完成所有的特征创建后的实体如下图所示：

图1减速器固定箱体

图2减速器上箱体

2.4 减速器内部轴的设计

1.新建零件

按照上一节建零件的方法建立一个新的零件，命名。a.创建齿轮轴的特征

单击旋转命令，在其操作板上选择放置，选取TOP平面作为草绘平面，打开草绘编辑器，绘制其剖截面，单击确定完成对草图的绘制，然后在旋转的操作板上输入要旋转的角度为360度，然后单击确定完成对轴的基本特征的创建如下图所示：

图4键槽

其中，另外一根轴的创建方法与其类似，在这里也不再做出详细的建模步骤。

2.5 齿轮的设计

齿轮的创建需要用到拉伸，剪切，倒角，镜像，阵列等，下面介绍一下齿轮的创建。

1.新建零件

按照第一节中的方法创建一个新的零件并命名。

2.创建齿轮基本圆

齿轮的基本圆尺寸是由齿轮的基本参数确定的，其创建过程分为以下三个步骤： a.创建任意尺寸的基本圆曲线。

单击基准工具栏栏中的创建草绘基准曲线对话框，在工作区中选择基准平面FRONT作为草绘平面，接受系统默认的其他放置参照，单击确定进入草绘编辑器，绘制四个任意尺寸的基本圆曲线，单击确定完成相应的草绘。b.添加齿轮参数

选择菜单工具中的参数选项，在弹出的参数对话框中，单击添加，将齿轮的各参数依次添加到参数列表中，并设置参数的类型数值以及指定的方式等，单击确定，完成对齿轮参数的添加。

4.创建齿轮的基本实体

创建齿顶圆的圆柱形实体特征和创建基本实体上的倒角特征。

5.创建齿轮的轮齿特征

创建齿轮的轮齿特征是依据实际加工齿轮的工艺原理，即在齿轮的基本实体上切出所有齿槽特征，同时生成齿轮的轮齿特征。其中生成的第一个齿槽特征如下图所示：

图6齿轮的轮齿特征

6.创建齿轮的辅助特征

齿轮的辅助特征包括辐板，齿轮轴孔等，齿轮孔的创建需要用到阵列，完成所有的齿轮的创建如下图所示：

其他零件包括端盖，滚动轴承螺钉，键等等，在这里不再作详细的叙述它们的创建步骤，其中端盖与轴承的创建如下图所示：

图9端盖

第三章 装配减速器

3.1分析减速器的模型

减速器中的零件包括上，下箱体，齿轮，齿轮轴，键，轴承，端盖，顶盖等主要零件和螺钉等辅助零件。在装配过程中为简便起见，可先将齿轮，齿轮轴，键，轴承装配成一个子组件，再将子组件与其他零件装配成整体模型。这样可以方便零件在整体模型中的定位，简化操作过程。而分解视图的目的是为了在不改变元件间实际设计距离的前提下，清楚的表示出零件模型元件之间的结构关系，生成组件后，还可以在组件中创建并修改多个分解状态来定义所有元件的分解位置等等。

3.2 减速器模型创建步骤

1.新建组件

打开新建对话框，选择组件，输入文件名字，单击使用默认模板复选框取消选中标志，单击确定，打开新文件选项对话框，选择mmns_asm_design模板，建立单位为公制的新文件。

2.新建子组件

单击工程特征工具栏中的创建选项，选择元件类型为子组件，类型为标准，输入名称，单击确定，进入组件创建环境，这时模型树中的子组件标识显示为激活状态，可以进行子组件的装配。

3.添加大轴和键两个元件到子组件

单击添加中的文件打开对话框，添加轴零件到工作区域，系统将添加到子组件的每一个元件放置到默认位置，即元件坐标系与子组件坐标系重合，不需要再对该元件进行定位约束。再添加键，过程如上，在元件放置对话框中设置元件的每一个约束类型为插入，根据提示选取正确的曲面作为两个放置参照，系统自动添加第二个约束，设置类型为插入，选择元件曲面作为参照，单击添加第三个约束，设置类型为匹配，选择正确的元件曲面作为放置参照，根据工作区域中显示的偏移方向输入偏移值为零，单击确定，完成对键的添加。

4.添加齿轮与滚动轴承到子组件

选择插入选项中的元件，在文件打开中选中齿轮文件，将齿轮元件放入到工作区域，在元件放置对话框中设置第一个约束类型为插入，选择元件曲面与组件曲面作为两个放置参照，设置第二个约束类型为匹配，选择元件曲面和组件曲面为放置参照，输入匹配值为零，添加第三个约束，设置类型为匹配，选择元件曲面和组件曲面作为放置参照，根据提示输入偏移值为零，单击确定完成对齿轮元件的添加。

滚动轴承的添加同上面所述，在此也不作多赘述。完成的子组件如下图所示：

图12小齿轮的子组件

1.添加元件底座和箱盖两个元件到组件

右击目录树的组件标识，在弹出的下拉菜单中，单击激活按钮将组建切换到激活状态，继续添加的元件将成为原组件中的元件，步骤如上面所述，添加辅助元件以后完整的装配体如下图所示：

图14减速器的分解视图

4.3 机构仿真

单击应用程序Mechanism，进入机械模式

1.定义齿轮从动连接结构

单击工具栏中的齿轮选项，弹出齿轮副对话框，单击新建按钮，弹出齿轮副定义，对话框，接受系统默认名称和默认的传动类型，选取大齿轮的连接轴，系统会自选取齿轮的主体和托架，在直径输入框中输入值，单击齿轮2选项卡，显示有关齿轮2的对话框，选取齿轮2的连接为连接轴，系统会自动选取齿轮的主体和托架，在直径输入栏中输入数值，接受属性中的齿轮比选项为节圆直径。单击确定在齿轮副对话框中显示齿轮副的名称，此时点击关闭按钮。此时在齿轮中就会显示出齿轮副连接的标识。

2.添加驱动器

单击工具栏中的伺服电动机对话框，单击新建，在显示的对话框中接受系统默认的从动实体类型，选取相应的连接为连接轴，单击轮廓选项卡，在位置旁边选取速度规范，接受当前轴的位置为零位置，接受系统默认的模为常数，输入A值，即确定传动轴的转速，单击确定，此时在工作区域上就会显示出驱动器的标识。

3.运动分析

在分析对话框中，单击新建按钮，显示伺服电动机定义对话框，接受系统默认的分析类型和开始时间。设置运动的结束时间与帧频，系统会自动计算帧数和最小间隔时间，接受系统默认的电动机driverl。单击运动可以查看齿轮的运行情况。在分析对话框中显示分析结果的名称，单击运行按钮，把运动结果存入结果集，单击关闭按钮关闭对话框。

4.结果回放

单击工具栏中的播放按钮，弹出回放的对话框，单击回放的播放键，从中可以将仿真结果制作成动画进行播放。单击捕获按钮，在弹出的对话框中可以对结果进行一系列格式的动画制作，用保存副本可以将动画保存。

篇2：基于ProE的单级圆柱齿轮减速器的设计与仿真

毕业设计[论文]

题

基于Unigraphics NX的单级圆

柱齿轮减速器建模

2010年 5月 26日

I

目：

华中科技大学文华学院毕业设计（论文）

目 录

篇3：基于ProE的单级圆柱齿轮减速器的设计与仿真

如图1所示, 为一个单级直齿圆柱齿轮减速器。其输入功率N=280KW, 输入转速n1=980r/min, 传动比i=5, 小齿轮为实体结构, 大齿轮为腹板式结构 (带有四个减重孔) , 两齿轮各部分尺寸的符号如图2所示, 用传统设计方法的设计结果为:齿宽B1=B2=13cm, 小齿轮齿数Z1=21, 模数m=0.8cm, l1=42cm, ds1=12cm, ds2=16cm。现要求在保证承载能力的条件下, 通过优化上述有关参数, 使减速器轴系部件的体积达到最小。

2建立优化模型

2.1建立优化目标函数

如图1所示, 减速器的轴系部件主要由两个齿轮和两根轴组成。为了简化计算, 将轴视为光轴, 则有

根据结构设计经验公式, 齿轮各部分尺寸关系为

优化设计中的设计变量可取为

将目标函数整理后得

2.2确定约束条件

按单目标非线性有约束的标准型, 将约束条件给出如下 (在这里省略了推导过程)

2.2.1避免发生根切

2.2.2保证齿轮均布承载能力

2.2.3传递动力模数要求

2.2.4根据工艺装备条件

2.2.5主、从动轴直径范围

2.2.6轴的支撑跨距结构要求

2.2.7按齿轮的接触疲劳强度条件

2.2.8按齿轮的弯曲疲劳强度条件

2.2.9主动轴的刚度条件

2.2.10主动轴的弯曲强度条件

2.2.11从动轴的弯曲强度条件

总结上述, 可得本题目的优化数学模型为:

是一个具有十六个不等式约束的六维优化问题。采用Matlab的优化工具箱来求解。优化后的结果比传统设计体积减少了35.51%。

3结论

从上面的计算结果来看, 在满足结构及强度的条件下, 对单级直齿圆柱齿轮减速器轴系部件采用优化设计比传统设计体积减少了35.51%。由此可见, 优化设计在机械设计中是很重要的。

摘要：本文对单级直齿圆柱齿轮减速器轴系部件的体积为目标进行优化设计, 与传统设计方法相比较, 其体积减少了35.51%。

关键词：单级直齿圆柱齿轮减速器,优化,约束条件

参考文献

[1]薛嘉庆.最优化原理与方法[M].北京:冶金工业出版社, 1995, 12.

[2]李涛.Matlab工具箱应用指南——应用数学篇[M].北京:电子工业出版社, 2000, 5.

篇4：基于ProE的单级圆柱齿轮减速器的设计与仿真

关键词：差速器；虚拟样机；动力学分析；仿真

中图分类号：S223.99 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）07-0018-04

汽車行驶时，左右车轮在同一时间内所滚过的路程通常不等，如果驱动桥的左右车轮刚性连接，则行驶时驱动轮在路面上会不可避免地滑移或滑转，不仅会加剧轮胎磨损与功率、燃料的消耗，而且可能导致转向和操作性能恶化。为防止这些现象发生，汽车左右轮间都装有轮间差速器。但是当汽车越野行驶或在泥泞、冰雪路面上行驶，一侧驱动车轮与地面的附着系数很小时，尽管另一侧车轮与地面有良好的附着，其驱动转矩也会随之减小，无法发挥潜在的牵引力，进而使汽车停驶。为保证汽车行驶，越野汽车通常装设差速锁和防滑差速器，这些结构通常比较复杂，不适用于农业机械。

农业机械的驱动系统通常不安装差速器，所以转向比较困难。轮距窄的开沟机、田园管理机等转向时，利用人力强行扭转机械使机具的左右轮在地面相对滑动。轮距相对较宽的移栽机、插秧机等，靠人力扭转机械基本不能转向。所以通常在驱动系统中采用牙嵌式转向离合器，转向时通过分离该侧的牙嵌式离合器，切断动力传递，另外一侧因动力没有被切断而继续行驶，实现大轮距农业机械转向。牙嵌式离合器转向虽然可以满足上述要求，但操作复杂、转向灵活性差、牙嵌齿轮有冲击。为此，设计一种滑动齿轮式差速器，差速时保证至少有一只动力输出轴运动，能够可靠的传递驱动力矩，且结构简单、使用方便、实用性强。

1 滑动齿轮差速器的总体结构

滑动齿轮差速器（见图1）主要由滑动齿轮、滚轮、滚轮轴、滚轮架、弹簧、滚轮轴卡箍、支撑轴、输出轴等组成。其中支撑轴通过动力输出轴内端的圆孔定位和支撑，滑动齿轮安装在支撑轴上，滚轮通过滚轮轴安装在滚轮架上组成滚轮传动组件，滚轮传动组件相对滑动齿轮对称布置；滑动齿轮两端圆周方向均布凸台，滚轮安装在凸台凹槽一半处，当动力输出轴两端阻力矩相同时，滑动齿轮位于两滚轮架中间，动力输出轴同向等速旋转，当动力输出轴两端助力矩不同时，滑动齿轮向力矩小的一端移动，小力矩端驱动转速加快，大力矩断转速降低；当两端助力矩相差在一定程度时，大力矩端动力中断，小力矩端保持动力传递，实现差速。该差速器能产生一定的差速锁紧扭矩，特别适合低速车辆和农业机械动力传递使用。

2 滑动齿轮差速器的工作原理

滑动齿轮式差速器工作时，滑动齿轮在一定范围内左右移动，实现对两侧驱动轮的差速驱动。

2.1 直线行驶运动分析

滑动齿轮差速器的核心工作部件是滑动齿轮。在滑动齿轮的两侧端面分别对称设置凸台。凸台（见图2）由两侧斜面、底端面、顶端面、内台面、外台面组成。

初始状态时，在弹簧弹力的作用下，滑动齿轮凸台底端面与滚轮体相距半个滚轮体半径位置，滚轮体与滑动齿轮凸台斜面接触。在直线行驶时，两侧滚轮对应的驱动力矩相等，滑动齿轮处于正中心位置，等速驱动两侧车辆。直线行驶示意图如图3所示。

2.2 转向行驶运动分析

以水平公路左转向为例，如驾驶员小扭矩扭转机械，相当于在滑动齿轮中心作用一个扭矩M1（见图4）。由于扭矩M1的作用，左侧滚轮作用在凸台斜面的轴向分力大于右侧滚轮作用在凸台斜面的轴向分力，设此分力为F1。当F1的分力小于右侧弹簧在x/2位置变相的胡克力F2时，在F1的作用下，滑动齿轮开始向左侧滑动一个小于x/2的位置t，同时左侧滚轮向后移动一段距离b，右侧滚轮向前移动一段相同距离b，从而两轮走过的路程出现差别，实现小幅度转向差速。驾驶员大扭矩扭转机械时，扭矩M1增大，分力F1增加。当分力F1大于右侧弹簧在x/2位置变相的胡克力F2时，滑动齿轮滑动到右侧极限位置，使左侧滚轮向后移动距离b1，到凸台顶面并向下继续移动至下一个凸台斜面，左侧滚轮向后移动，左侧驱动力在此位置打滑，直至分力F1小于右侧弹簧在x/2位置变相的胡克力F2，停止打滑。同时右侧滚轮向前移动距离b2，右侧滚轮继续保持直线行驶，两侧动力轮走过的路程差加大，实现大幅度转向差速或原地掉头，F2即为该差速器的锁紧力。同理可实现向右转向。

3 Adams运动仿真分析

在Adams中建立复杂三维模型的难度较大，为此先在UG软件中建立模型，再导入ADAMS中进行约束和运动幅等相关参数设置和分析。建立的Adams模型如图5所示。

3.1 等速行驶（两轮阻力相同）运动仿真

对于两轮所受地面给其阻力相同的情况，可看成直线行驶，即齿轮中间位置带动两个半轴同速转动。分别给两半轴和中心轴之间添加一个固定幅，定义构建方式类型为两体一点定位。测量两轮的输出力矩，如图6所示。

3.2 差速行驶（两轮阻力不同）运动仿真

对于差速转向行驶的情况，以右转弯为例，右轮受到的阻力大于左轮受到的阻力，根据该差速器原理，中间齿轮受到右边弹簧的力大于左边弹簧的力，齿轮被压到与左边半轴啮合的更多一些，从而带动左轮更快速转动，实现差速。在软件环境中，给右轮加载一个额外的阻力矩，而左轮受力情况不变，其差速仿真结果如图7所示。测量左右轮的速度、加速度、位移等情况，如图8所示。

仿真结果表明，左轮基本保持测试形态，而右侧车轮的速度、加速度发生了大幅变化，位移不断增大，右轮位移先保持一段距离，然后后移。当转向力消除后继续前进，表明差速效果明显，将上述图形集成后如图9所示。

4 结论

仿真分析结果表明，该差速器符合低速农业机械差速转向要求。仿真结果与机构的运动原理相符合，说明UG建立的实体模型与Adams建立的数据模型真实可靠。

参考文献

[1] 陈立平，张云清，任卫群，等.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程[M].北京：清华大学出版社，2005.

[2] 杜中华，王兴贵，狄长春.用Pro/E和ADAMS联合建立复杂机械系统的仿真模型[J].机械，2002，29（增刊）：153-154.

[3] 李三群，贾长治，武彩岗，等.基于虚拟样机技术的齿轮啮合动力学仿真研究[J].系统仿真学报，2007，19（4）：901-902.

[4] 龙凯，程颖.齿轮啮合力仿真计算的参数选取研究[J].计算机仿真，2002，19（6）：87-88.

[5] 曲红.FD420 型集装箱叉车转向机构优化设计[J].叉车技术，2004（1）：25-26.

[6] 李军，邢俊文，覃文洁.ADAMS实例操作教程[M].北京：北京理工大学出版社，2002.

篇5：单级齿轮减速器机械优化设计范文

机械优化设计

课题名称：单级齿轮减速器的优化设计 学院：机电工程系

专业班级：机械设计及其自动化143 学号 学生： 指导老师：

青岛理工大学教务处 2016年11月27日

《单级齿轮减速器的优化设计》说明书

摘要

机械优化设计是一种非常重要的现代设计方法，能从众多的设计方案中找出最佳方案，从而大大提高设计的效率和质量。每一种优化方法都是针对某一种问题而产生的，都有各自的特点和各自的应用领城。常用的机械优化设计方法包括无约束优化设计方法、约束优化设计方法、基因遗传算方法等并提出评判的主要性能指标。

机械优化设计的目的是以最低的成本获得最好的效益,是设计工作者一直追求的目标,从数学的观点看,工程中的优化问题,就是求解极大值或极小值问题,亦即极值问题。本文从优化设计的基本理论、优化设计与产品开发、优化设计特点及优化设计应用等方面阐述优化设计的基本方法理论。

关键词： 机械优化设计；优化方法；优化应用。

II

目录

摘要.........................................................II 1设计任务.....................................................1 2 齿轮的传统设计..............................................2 3优化设计的数学模型...........................................7

3.1确定设计变量和目标函数................................................7 3.2确定约束条件..........................................................7 Matlab计算机程序............................................9 5结果分析....................................................11 参考文献.....................................................12

《单级齿轮减速器的优化设计》说明书

1设计任务

设计如图2-40所示的单级直齿圆柱齿轮减速器，其齿数比u3.2，工作寿命要求10年两班制，原动机采用电动机，工作载荷均匀平稳，小齿轮材料为40Cr,调质后表面淬火，齿面硬度HB=235~275，[H]1531MPa,[F]1297.5MPa,大齿轮材料为45钢，调质，齿面硬度为HB=217~255，[H]2513MPa，[F]2251.4MPa，载荷系数k=1.3，P=28KN，n=1440rad/min要求在满足工作要求的前提下使两齿轮的重量最轻。

《单级齿轮减速器的优化设计》说明书 齿轮的传统设计

一、按齿面接触疲劳强度设计(1)由式子试算小齿轮分度圆直径，即

d131）

2KH1T1d*u1ZHZEZ2*()[H] u[H]确定公式中的各参数值

1.试选KH11.3

2.计算小齿轮传递的转矩。

T19.55106P/n9.5510628/1440Nmm18.569104Nmm

3.查表并查图选取齿宽系数d1，区域系数ZH2.5，材料的弹性影响系数ZE189.8MPa，4.计算接触疲劳强度用重合度系数Z*a1arccos[z1cos/(z12ha)]arccos[24cos20/(2421)]29.841*a1arccos[z2cos/(z22ha)]arccos[77cos20/(7721)]23.666

[z1(tana1tan`)z1(tana2tan`)]/2

[24(tan29.841tan20)77(tan23.666tan20)]/21.711Z441.7110.873 335.计算接触疲劳强度许用应力[H]

查图得小齿轮和大齿轮测接触疲劳极限分别为[Hlm1]590MPa、[Hlm2]540MPa

计算应力循环次数：

N160n1jLh6014401(2830010）4.1472109

N 2N1/u4.147210/(77/24)1.29310查图取接触疲劳寿命系数KHN10.90、KHN20.95。

《单级齿轮减速器的优化设计》说明书

取失效概率为1%、安全系数S=1，由式子得[H]1KHN1Hlim10.90590MPa531MPaS1KHN2Hlim20.95540MPa513MPa

S1[H]2取[H]1和[H]2中的较小者作为该齿轮副的接触疲劳许用应力，即

[H]1[H]2513MPa

2）试算小齿轮分度圆直径

d132KH1T1d*u1ZHZEZ2*()u[]74.466mm421.39.94810（77/24）12.5189.80.87323()mm

1（77/24）513

（2）调整小齿轮分度圆直径 1）计算实际载荷系数前的数据准备。

1、圆周速度v。

vd1tn160100074.4661440601000m/s5.6m/s

2、齿宽b.bdd1t174.466mm74.466mm2)计算实际载荷系数Ku。

1、查表取使用系数KA1。

2、根据v5.6m/s、7级精度，查图得动载荷系数Kv1.2。

3、齿轮的圆周力。

F t12T1/d1t29.948104/74.466N4.987103NKF t1b13.32910/74.466N/m66.9N/mm100N/mm查表得齿间载荷分配系数KH1.2

《单级齿轮减速器的优化设计》说明书

4、查表用插值法查得7级精度、小齿轮相对支承非对称布置时，得齿向载荷分布系数KH1.421。由此，得到实际载荷系数

KHKAKvKHK H11.21.21.4212.0513)由式子得，可得按实际载荷系数算得的分度圆直径d1d13KH2.05174.46686.675mm KHt1.3 及相应的齿轮模数

md1/z186.675/24mm3.611mm

二、按齿根弯曲疲劳强度设计（1）由式子试算模数，即

m132KF1T1YYFaYSA*()[F]dz121)确定公式中的各参数值

1、试选KF11.3。

2、由式子计算弯曲疲劳强度用重合度系数。

Y0.250.750.250.750.688 1.7113、计算YFaYsa。[F]查图得YFa12.65、YFa22.23。应力修正系数Ysa11.58、Ysa21.76。小齿轮和大齿轮的齿根弯曲疲劳极限分别为Flim1490MPa、Flim2400MPa。弯曲疲劳寿命系数 KFN10.85、KFN20.88。取弯曲疲劳安全系数S=1.4。由式子得

[F]1KFN1Flim10.85490MPa297.5MPa S1.4KFN2Flim20.88400MPa251.4MPa S1.4[F]2 4

《单级齿轮减速器的优化设计》说明书

YFa1Ysa12.651.580.0141 [F]1297.5YFa2Ysa22.231.760.0156 [F]2251.4因为大齿轮的YFaYsa大于小齿轮，所以取 [F]YFaYsaYFa2Ysa20.0156 [F][F]22）试算模数

m132KF1T1YYFaYSA21.39.9481040.6883*()0.015622[F]dz1124

2.080mm

（2）调整齿轮模数

1）计算实际载荷系数前的数据准备。

1、圆周速度v。

dmtz12.08024mm49.92mm

vd1tn160100049..921440601000m/s3.76m/s

2、齿宽b。

bdd1149.92mm49.92mm3、宽高比b/h

**h(2hac)m1(210.25)2.080mm4.68mmd

b/h49.92/4.6810.672)计算实际载荷系数KF

1、根据v.3.76m/s，7级精度，查图得动载荷系数Kv1.08

2、由F t12T1/d1t29.948104/49.92N7.44103N，查表得齿间KAF t1/b17.44103/49.92N/mm149N/m100N/mm载荷分配系数KF1.0。

《单级齿轮减速器的优化设计》说明书

3、查表用插值法查得KH1.417，结合b/h10.67查图得KF1.34。则载荷系数为

KFKAKvKFK F11.171.421.42.333)由式子，可得按实际载荷系数算得的齿轮模数

mm13KF2.332.0802.527mm KFt1.3对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲疲劳强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，可取由弯曲疲劳强度算得的模数2.527mm并就近圆整为标准值m3mm，按接触疲劳强度算得的分度圆直径d186.675mm，算出小齿轮齿数z1d1/m86.675/328.89。取z129，则大齿轮齿数z2uz13.22992.4，取z292，z1与z2互为质数。

这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。

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3优化设计的数学模型

3.1确定设计变量和目标函数

取设计变量和目标函数x[x1,x2,x3]T[m,z1,d]T，其中m为齿轮模数，z1为小齿轮齿数，d为齿宽系数。

设小齿轮分度圆直径为d1，大齿轮分度圆直径为d2，齿轮宽度为b，要求圆柱齿轮的重量最轻，也就要求体积最小，因此可建立目标函数：

f(x)（d1d22)b

4由齿数比ud2b，齿宽系数d，目标函数转化为：

d1d1f(x)（1u2（）mz1)3d48.8279x1x2x3

3.2确定约束条件

（1）边界约束条件

模数限制：2x110； 齿数限制：20x240； 齿宽系数限制：0.8x31.4；

（2）性能约束

（接触疲劳强度的限制：g1x)H-[H]ZHZE2KT1u1*[H]0 3udd1式中：H为齿面接触疲劳强度；K为载荷系数，K=1.3；ZH为节点区域系数，ZH=2.5；ZE为弹性影响系数，ZE=189.8，代入以上参数得g(x)377717.238xxx333125500

2KT1YFYS[F]0 32mz1d弯曲疲劳强度的限制：F-[F]

《单级齿轮减速器的优化设计》说明书

式中，为齿根弯曲疲劳强度； 为齿形系数； 为齿根应力校正系数。YF112.518612.51862.063，YF22.063

uz13.01794z13.0179422.70422.704Y1.97，F1

z134.6uz134.6YF11.97代入以上参数得：

g（（2x)48279412.518622.70422.063)(1.97)/(x13x2x3)2900

x23.01794x234.612.518622.70422.063)(1.97)/(x13x2x3)21003.2x23.017943.2x234.6g（（3x)48279

4《单级齿轮减速器的优化设计》说明书 Matlab计算机程序

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5结果分析

(1)对比分析发现：在齿轮可靠性得到保证的前提下，优化后的目标值比原设计目标值减少24%；

(2)优化结果表明：优化方案比给定方案节省材料，降低成本，效益明显，对减速设计具有良好的参考价值。

《单级齿轮减速器的优化设计》说明书

参考文献

【1】《机械设计基础》（主编 李国斌）机械工业出版社

【2】《机械制图与公差》（主编：王志泉、项仁昌；主审：金潇明）清华大学出版社

篇6：基于ProE的单级圆柱齿轮减速器的设计与仿真

齿轮减速器优点明显, 具体表现为拥有平稳的传动系统、紧凑的结构、较高的传动效率、较强的承载能力等, 因此在各个领域应用广泛, 尤其是在重载传动方面[1]。据统计齿轮减速器各个零部件中齿轮失效的比例占60%之多, 是导致减速器发生故障的主要原因[2]。由此可见齿轮的寿命和精度对齿轮减速器来说是至关重要的, 因此对齿轮的监测分析是非常有必要的。

1 齿轮减速器样机模型建立

由于ADAMS主要用于仿真分析, 所以采用三维CAD软件Solid Edge建模, 具体过程如图1所示。

1.1 减速器三维实体建模

在Solid Edge中利用其强大的零件库功能并参照表的参数构造出齿轮实体模型;通过理论计算及分析及软件的拉伸、旋转、装配等功能构造出减速器三维实体模型, 如图2所示。

1.2 减速器虚拟样机的建立

减速器虚拟样机的建立利用ADAMS软件完成, 实现事实再现仿真, 了解复杂机械系统设计的运动性能。具体步骤如下:

1) 在Solid Edge中将减速器三维装配模型进行简化 (去除减速器的箱体, 轴承等零件) 并另存为*.x_t的文件。

2) 利用ADAMS菜单中的import命令将1) 中保存的文件导入, 编辑各个零件的属性。

3) 在定义完材料之后, 按照各个构件之间的运动关系定义约束, 添加运动副。约束关系如表2所示。

2 齿轮减速器样机动力学分析

2.1 齿轮传动动力学基本方程

在ADAMS中建立齿轮系统后, 齿轮传动动力学方程表示为:

式中M、K广义质量矩阵和刚度矩阵。

引入约束条件定义齿轮的啮合:

式中:g为齿廓面接触的距离函数;

Fn为法向接触力。

在齿轮动力学方程中引入约束条件后, 齿轮的动力学方程:

式中F为广义力矩阵。

2.2 对模型添加驱动

1) 在高速齿轮轴旋转副上施加M o t i o n, 单击Motion-Modify-Function, 添加驱动为6000d*time (使高速轴转速为1000r/min) 。

2) 在输出轴的轴端处施加大小为12000Nmm的反向力矩。

3) 齿轮与齿轮之间添加实体接触, 接触力的大小由表3中的参数决定。其中刚度系数K计算公式如下:

式中

R1、R2为两齿轮接触点当量半径。

E1、E2为两齿轮材料的弹性模量。

u1、u2为两齿轮材料的泊松比。

计算结果如表3所示。

3 多体动力学模型仿真校验

完成减速器虚拟样机模型前处理后要对其进行各个参数的验证, 确定其与真实情况相符合, 这是进行下一步仿真分析的重要基础, 本文以角速度这个参数来进行验证。

齿轮传动的特点是齿轮的转速之比符合传动比要求, 可以直接根据表1中齿轮的各项参数以及添加的驱动的转速, 即可计算出各轴的角速度。平稳启动后, 进行角速度仿真运算。结果如图3中 (a) 、 (b) 、 (c) 所示。

由表4可知各轴理论转速与仿真转速误差较小, 证明所建立的减速器虚拟样机的正确性。

4 减速器故障仿真和分析

4.1 断齿故障

齿轮系统中常发生的典型故障中断齿故障是齿轮系统中最严重的故障之一, 一旦断齿, 就会造成严重后果, 本文对减速器的断齿故障进行分析。

利用Solid Edge软件软件对减速器虚拟样机模型中的中速轴大齿轮的一个轮齿进行断齿处理。处理结果如图4所示。

4.2 质心偏移分析

正常齿轮啮合质心位置刚开始时受冲击会有波动, 然后趋于稳定如图5中 (a) 所示。但是故障齿轮啮合时啮合力发生周期性的冲击, 质心位置也发生了周期性的变化如图5中 (b) 所示。

4.3 齿轮啮合力分析

4.3.1时域分析

对比图6中 (a) 、 (b) 两张啮合力时域图, 可以看出故障齿轮的啮合力的幅值远大于正常齿轮的啮合力的幅值。

4.3.2频域分析

在Adams后处理模块中将故障齿轮的啮合力时域图中的坐标点数据提取出来并且保存, 然后倒入到MATLAB软件中并且写入程序, 将故障齿轮的啮合力时域图转化为频域图, 如图7所示。

对比图7中 (a) 、 (b) 可以得出中速大齿轮发生断齿后, 中速轴大齿轮与高速齿轮的啮合力发生周期性的冲击, 且有偏载现象, 啮合力的幅值分别出现在8.6Hz, 12.57Hz, 16.76Hz, 21.5Hz, 30.1Hz处, 这些频率恰好是中速轴转动频率4.29Hz的整数倍, 这说明中速轴大齿轮的断齿对中速轴大齿轮与高速齿轮的啮合影响体现为中速轴大齿轮倍频成分的幅值增加。

5 结束语

本文主要利用ADAMS软件对齿轮减速器进行动力学仿真, 验证了其角速度仿真结果的准确性。

对断齿这一典型齿轮故障特性进行分析, 当断齿故障发生后, 冲击加大, 振动会增加, 质心位置也发生了周期性的变化。对正常啮合齿轮和故障啮合齿轮的啮合力时域图进行对比, 发现故障齿轮的啮合力的幅值远大于正常齿轮的啮合力的幅值, 并且由其频域图可以知道中速轴大齿轮的断齿对中速轴大齿轮与高速齿轮的啮合影响体现为中速轴大齿轮倍频成分的幅值增加。研究结果可为减速器的齿轮故障诊断和监测提供理论依据。

摘要：利用三维CAD软件Solid Edge为基础构建了二级齿轮减速器的三维参数化模型, 将建立好的模型导入机械系统动力学仿真软件ADAMS中, 建立减速器的多体动力学模型。将模型进行仿真, 得到角速度、齿轮啮合力等参数特性曲线.将仿真结果与理论计算值进行对比, 角速度数据误差很小, 证明所用的仿真方法及参数取值的正确性;利用Solid Edge对中速轴大齿轮做断齿处理, 并对正常齿轮减速器与断齿故障齿轮减速器仿真结果对比分析, 得出故障齿轮的质心位置偏移以及啮合力周期性变化关系结论, 为减速器进一步故障诊断提供了理论依据。

关键词：SolidEdge,ADAMS,故障分析,仿真分析

参考文献

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[11]陈立平, 张云清.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程[M].北京:清华大学出版社, 2005.

篇7：基于ProE的单级圆柱齿轮减速器的设计与仿真

关键词：渐开线直齿圆柱齿轮；结构样式；二次改造；参数模型；语言程序

PROE在目前广泛的CAD软件行列中占有广泛的实用地位，加上参数建模功能和数据相关能力的补充，令其主动摆脱机械设计的思想弊端，并一跃成为世界先进机械设计项目中的新型标准财富。另外，最近阶段有关复杂样式产品的三维模型转换需要耗费大量时间，如果在软件自身环境中提升开发效率，加快固定产品的更新速度，就能够相应补充企业在市场内部的竞争实力。PROE二次开发实力卓越，主要借助C语言既定格式为依托，向广大用户提供大量底层资源和最新文件，但由于程序语言应用毕竟存在一定的技术要求，因此具体的二次改造活动并不是十分广泛。这就要结合细致工程理论和计算机使用技巧进行细致分析。

1.渐开线直齿圆柱齿轮的建立过程研究

这类三维模型并不完全是利用语言程序实现开发的，而是透过某种交互方式产生，在既定的齿轮模型框架基础上，按照创新设计标准和可用变量建立另一个可以实现完全控制的齿轮形状和设计参数。齿轮设计参数遵循程序针的指示，确保必要的检索、修改和更新动作能够及时回应。这种设计过程需要建立一个稳定、可靠的三维基础模型，具体要求是：在造型设计开始时，注意不同特征元素的正确排列和科学对比，避免在压缩和删除环节中出现纰漏，进而影响结构稳定功能，导致后续更新活动无法进行；再就是运用关系表达公式和设计变量经验对结构尺寸和约束函数加以控制，至于变量的取值空间要尽量满足机械动作原理，维持加工动作的可能性。通常情况下，为了进一步巩固基础模型的精准效果，避免更新活动出现失效反应，需要进行齿根圆角约束关系的重复施加工作。

2.参数制备流程中有关用户交互界面的搭建

将初建立好的开线直齿圆柱齿轮三维模型资料打开，查看灌输的基本尺寸特征信息，重要的是将变量符号与相关参数关系梳理清楚。具体流程包括：打开PROE软件程序，同时启动AGW以确保连接成功，其中如出现任何失败状况，必须在错误原因全部挖掘之后实现再次连接；之后开启VB软件，并在新建项目对话框中选取工程类型标准；将AGW相关控件添加到新建项目中，以保证不同函数和类的定义功能。透过新建工程的Form面板结构中灌输管理控件，同时将Caption属性更改为“直齿圆柱齿轮参数化建模”，然后利用标签控件的属性次序，分别更改为齿数、模数、压力角等，涉及文本框控件中的Caption属性要设置成无。

整个工序环节中为了将设计用户界面更加形象化的表达出来，在其内部可以适当添加某种Picture控件，将之前已经设计好的齿轮模型链接到图片控件中去，之后在程序下方添加命令按钮，将其Caption属性更改为“建立齿轮模型”，整个直齿样式的圆柱齿轮参数化用户交互界面自此就算完成了。

3.参数化应用程序的创建

根据AGW对象的确立开发按钮双击事件。其工序步骤是将C盘根目录下的齿轮模型调入内存队列中，激活之后在PROE窗口显示，至于三维基础模型中的七个设计变量元素，则分别运用对应的文本框内初始值加以规划，之后将模型再生活力释放。整个过程中，一旦说所有程序代码编写完毕之后，就可悉数进行存盘处理，并保存成EXE格式的可执行文件，保证其在脱离VB环境下可以顺利执行。至于程序文件的执行动作分析，首先将PROE程序打开，在其文件菜单格式中调取渐开线直齿圆柱齿轮的基础模型框架资料；将之前在VB环境中已经生成的可执行文件双击，就可以在屏幕上显示有关用户数量的交互界面；在既定文本框中分别输入不同的齿数、模数、齿宽、压力角以及变位系数的具体数值，之后单击建立齿轮模型按键，就能确保所需的模型框架已经顺利建成。

这种借助VB语言实施的开发技术运用起来相对简便，避免技术人员编程功底不深造成的局限效应；AGW软件能够提供给PROW大量函数信息，并且自行不断扩展与更新，令用户能够随时使用。因为这类手段毕竟是利用AGW的纽带衔接作用落实，在其环境下生成的应用程序距离直接应用Pro/Toolkit开发的程序在动作的敏捷性上一定存在不足现象，但此类方案编程速度较快，并且能够实现高效率的规模化调整，程序执行动作基本不会出现太大纰漏，进而全面提升创新产品设计的技术水平。对于一些特定的工业任务部门，在维持既定效率的前提下，这种模式可以说是快速实现原定计划要求的有效途径。

4.结语

类似齿轮这类常用部件，在机械设计改造要求不断提升的时期下，如果依然遵从传统建模理念，势必影响设计者的开发动力，造成不必要的技术隐患问题全面扩散现象。透过VB等程序语言加快齿轮部件参数化、模块化改造进程，能够快捷地塑造用户所需的模型样式，保证实用价值的有力彰显，提高设计效率水准，这是贯彻先进产业优势的必要途径，应该得到有关技术人员的广泛重视和大力推广。

参考文献：

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