基于UG的減速器的建模及運(yùn)動(dòng)仿真畢業(yè)論文
目 錄
摘 要 - 3 -
Abstract - 4 -
引 言 - 5 -
第一章 緒論 - 6 -
1.1減速器簡介 - 6 -
1.2、Unigraphics軟件簡介 - 6 -
1.3、減速器設(shè)計(jì)與UG的結(jié)合 - 6 -
1.4、本次設(shè)計(jì)工作內(nèi)容 - 6 -
1.5、本章小結(jié) - 7 -
第二章 減速器的理論設(shè)計(jì) - 7 -
2.1 減速器傳動(dòng)裝置總體設(shè)計(jì) - 7 -
2.2 V帶設(shè)計(jì) - 8 -
2.3各齒輪的設(shè)計(jì) - 9 -
2.4 軸的設(shè)計(jì) - 11 -
2.5 選定軸承 - 13 -
2.6 鍵的選定 - 14 -
2.7 聯(lián)軸器的選定 - 14 -
2.8 各軸的輸入功率和轉(zhuǎn)矩 - 14 -
2.9 箱體的尺寸設(shè)計(jì) - 15 -
2.10 減速器的潤滑 - 15 -
2.11 本章小結(jié) - 16 -
第三章 UG建模及裝配 - 17 -
3.1 軸的建模 - 17 -
3.2齒輪建模 - 20 -
3.3 箱體建模 - 22 -
3.4 其它零件的建模 - 24 -
3.5 軸與齒輪的裝配 - 30 -
3.6 減速器裝配 - 31 -
3.7 本章小結(jié) - 33 -
第四章 減速器的運(yùn)動(dòng)仿真 - 34 -
4.1 UG中插件“機(jī)構(gòu)” - 34 -
4.2 UG的運(yùn)動(dòng)分析模塊 - 35 -
4.3 UG的運(yùn)動(dòng)仿真 - 36 -
4.4 減速器的運(yùn)動(dòng)仿真 - 37 -
4.5 分析驗(yàn)證 - 40 -
4.6 本章小結(jié) - 41 -
結(jié)論和展望 - 42 -
參 考 文 獻(xiàn) - 43 -
感謝信 - 44 -
插 圖 清 單
…
表 格 清 單
基于UG的減速器的建模及仿真運(yùn)動(dòng)
摘 要
齒輪傳動(dòng)是現(xiàn)代機(jī)械中應(yīng)用最廣的一種傳動(dòng)形式。
它的工作條件是:
連續(xù)單向運(yùn)轉(zhuǎn),工作時(shí)有輕微振動(dòng),使用期限為10年,小批量生產(chǎn),單班制工作(8小時(shí)/天)。運(yùn)輸速度允許誤差為5%。
設(shè)計(jì)方案為:
外傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為V帶傳動(dòng),減速器為二級展開式圓柱齒輪減速器。
它的主要優(yōu)點(diǎn)是:
① 工作平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、成本低且傳動(dòng)效率高;
② 工作可靠、使用壽命長;
③ 適用的功率和速度范圍廣 ;
④ 傳動(dòng)裝置的總效率,=0.85。
⑤ 外輪廓尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊。
關(guān)鍵字:UG 減速器 建模 裝配 運(yùn)動(dòng)仿真
UG-based modeling and simulation of sports gear
Abstract
.
Key word: Reduction gear、 Bearing 、gear 、mechanical drive
引 言
機(jī)械設(shè)計(jì)在機(jī)械工程中十分重要,它是理論聯(lián)系實(shí)際的重要紐帶。本次課程設(shè)計(jì)不僅加深了我們對與課本理論知識的理解,更是將機(jī)械的理論與實(shí)際中的運(yùn)用有機(jī)的結(jié)合并進(jìn)行深層次的實(shí)踐訓(xùn)練,使學(xué)生對于理論聯(lián)系實(shí)際認(rèn)識更加清晰,為以后社會(huì)的經(jīng)驗(yàn)埋下重要的伏筆,即鍛煉了我們的設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力,又增強(qiáng)了機(jī)械設(shè)計(jì)構(gòu)思。
本次的設(shè)計(jì)任務(wù)是二級展開式圓柱齒輪減速器,減速器在原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間起匹配轉(zhuǎn)速和傳遞轉(zhuǎn)矩的作用,在現(xiàn)代機(jī)械中應(yīng)用極為廣泛。減速器按用途可分為通用減速器和專用減速器兩大類,兩者的設(shè)計(jì)、制造和使用特點(diǎn)各不相同。20世紀(jì)70-80年代,世界上減速器技術(shù)有了很大的發(fā)展,且與新技術(shù)革命的發(fā)展緊密結(jié)合。
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)綜合運(yùn)用了機(jī)械設(shè)計(jì)及其他機(jī)械課程的知識,使已學(xué)的知識得以鞏固、加深和拓展。提高了自己的計(jì)算、畫圖和運(yùn)用手冊的能力。同時(shí)也給了我們電腦畫圖的機(jī)會(huì)。
最后借此機(jī)會(huì)向?qū)Ρ敬握n程設(shè)計(jì)提供過幫助的老師和同學(xué)表示由衷的感謝。
第一章 緒論
1.1減速器簡介
減速器:用于降低轉(zhuǎn)速、傳遞動(dòng)力、增大轉(zhuǎn)矩的獨(dú)立傳動(dòng)部件。
減速器在原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間起匹配轉(zhuǎn)速和傳遞轉(zhuǎn)矩的作用,在現(xiàn)代機(jī)械中應(yīng)用極為廣泛。減速器按用途可分為通用減速器和專用減速器兩大類,兩者的設(shè)計(jì)、制造和使用特點(diǎn)各不相同。20世紀(jì)70-80年代,世界上減速器技術(shù)有了很大的發(fā)展,且與新技術(shù)革命的發(fā)展緊密結(jié)合。
1.2、Unigraphics軟件簡介
UG是Unigraphics的縮寫,這是一個(gè)交互式CAD/CAM(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助制造)系統(tǒng),它功能強(qiáng)大,可以輕松實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜實(shí)體及造型的建構(gòu)。它在誕生之初主要基于工作站,但隨著PC硬件的發(fā)展和個(gè)人用戶的迅速增長,在PC上的應(yīng)用取得了迅猛的增長,目前已經(jīng)成為模具行業(yè)三維設(shè)計(jì)的一個(gè)主流應(yīng)用。
UG具有三個(gè)設(shè)計(jì)層次,即結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(architecturaldesign)、子系統(tǒng)設(shè)計(jì)(subsystemdesign)和組件設(shè)計(jì)(componentdesign)。
1.3、減速器設(shè)計(jì)與UG的結(jié)合
針對減速器設(shè)計(jì)的繁瑣與重復(fù)性,結(jié)合UG技術(shù)設(shè)計(jì)減速器,并進(jìn)行減速器的仿真運(yùn)動(dòng),目的市減少減速器的設(shè)計(jì)周期。
1.4、本次設(shè)計(jì)工作內(nèi)容
A、減速器的理論設(shè)計(jì):
B、減速器傳動(dòng)裝置總體設(shè)計(jì)
C、V帶設(shè)計(jì)
D、各齒輪的設(shè)計(jì)
E、軸的設(shè)計(jì)
F、箱體的設(shè)計(jì)
G、UG建模與裝配
H、運(yùn)動(dòng)仿真
1.5、本章小結(jié)
本章主要介紹了減速器的定義及需要設(shè)計(jì)的內(nèi)容,UG的定義;總體概括了本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容,為下章設(shè)計(jì)埋下伏筆。
第二章 減速器的理論設(shè)計(jì)
2.1 減速器傳動(dòng)裝置總體設(shè)計(jì)
本次設(shè)計(jì)的減速器為帶式運(yùn)輸機(jī)的傳動(dòng)裝置。其工作條件為:連續(xù)單向運(yùn)轉(zhuǎn),工作時(shí)有輕微振動(dòng),使用期限為10年,小批量生產(chǎn),單班制工作(8小時(shí)/天)。運(yùn)輸速度允許誤差為5%。
原始數(shù)據(jù):
運(yùn)輸機(jī)工作軸轉(zhuǎn)矩T為690N.m;
運(yùn)輸機(jī)帶速V為0.8m/s;
卷筒直徑D為320mm。
設(shè)計(jì)方案為:
外傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為V帶傳動(dòng),減速器為二級展開式圓柱齒輪減速器。
傳動(dòng)裝置簡圖如下:
圖2-1 傳動(dòng)裝置簡圖
經(jīng)研究,該傳動(dòng)裝置滿足工作機(jī)的性能要求,適應(yīng)工作條件,且工作可靠,此外,該裝置結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、成本低且傳動(dòng)效率高。
原動(dòng)機(jī)選擇為Y系列三相交流異步電動(dòng)機(jī)。
電動(dòng)機(jī)的輸出功率: Pd
(式2-1)
在減速器的設(shè)計(jì)中,涉及到許多數(shù)據(jù)的計(jì)算,其中的計(jì)算公式就不一一寫出,分別參考《機(jī)械設(shè)計(jì)》、《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》、《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》等文獻(xiàn)中。
取Pd=5.5KW
選擇電動(dòng)機(jī)為Y132M1-6型。
其額定功率為4KW,滿載轉(zhuǎn)速為960r/min;
其額定轉(zhuǎn)矩為2.0Nm,最大轉(zhuǎn)矩為2.0Nm。
查機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)表19-3,其外型尺寸為(mm):
A:216 B:178 C:89 D:38 E:80 F:10 G:33 H:132
K:12 AB:280 AC:270 AD:210 HD:315 BB:238 L:235
傳動(dòng)裝置總效率:
(式2-2)
=0.85
總傳動(dòng)比為:i= i 1 i2 i3=20 (式2-3)
各級傳動(dòng)比分別為:i 1=2.5 i2=2.62 i3=3.07
2.2 V帶設(shè)計(jì)
外傳動(dòng)帶選為A型V帶。
參考《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖5-12a及表5-3,選?。?
主動(dòng)帶輪直徑D1=112mm 從動(dòng)帶輪直徑D2=iD1=280mm
帶速V=5.63m/s
傳動(dòng)比為 i1=2.5 從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速為n2=960/2.5=380R/min
中心距為α=720mm
中心距調(diào)整范圍為αmin=690mm αmax=780mm
小帶輪包角為a1=1660
經(jīng)計(jì)算確定V帶根數(shù)為5根
其中小帶輪采用實(shí)心式結(jié)構(gòu),大帶輪采用孔板式結(jié)構(gòu)。
2.3各齒輪的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)中齒輪都采用直齒圓柱齒輪,材料都選用45號鋼,鍛選項(xiàng)毛坯,大齒輪正火處理,小齒輪調(diào)質(zhì),均采用軟齒面。齒輪精度用8級,輪齒表面粗糙度為Ra1.6,軟齒面閉式傳動(dòng),失效形式為占蝕。
齒輪的結(jié)構(gòu)形式為:兩小齒輪采用實(shí)心結(jié)構(gòu),兩大齒輪采用復(fù)板式結(jié)構(gòu)。
設(shè)計(jì)準(zhǔn)則:按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算,再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。
以高速級齒輪設(shè)計(jì)為例??紤]傳動(dòng)平穩(wěn)性,齒數(shù)宜取多些,取Z1=34,則Z2=Z1i2=342.62=89,按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì),
(式2-4)
T1=9.55106P/n=9.551065.42/384=134794Nmm
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖(7-6)選取材料的接觸疲勞,極限應(yīng)力為:
бHILim=580 бHILin=560
由圖(7-7)選取材料彎曲疲勞極限應(yīng)力為:
бHILim=230 бHILin=210
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N計(jì)算
N1=6.64109
N2=N1/u=6.64109/2.62=2.53109
由圖7-8查得接觸疲勞壽命系數(shù)為:
ZN1=1.1 ZN2=1.04
由圖7-9查得彎曲疲勞壽命系數(shù)為:
YN1=1 YN2=1
由圖7-2查得接觸疲勞安全系數(shù)為:
SFmin=1.4 又YST=2.0 試選 Kt=1.3
求許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力:
(式2-5)
(式2-6)
將有關(guān)值代入下式得
(式2-7)
則 V1=(πd1tn1/601000)=1.3m/s
( Z1 V1/100)=1.3(34/100)m/s=0.44m/s
查圖7-10得Kv=1.05,由表7-3查得KA=1.25,由表7-4查得Kβ=1.08,取Kα=1.05,則KH=KAKVKβKα=1.42,修正
(式2-8)
M=d1/z1=1.96mm
取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù): m=2
計(jì)算幾何尺寸
d1=mZ1=234=68
d2=mZ2=289=178
齒輪Z1和Z2之間中心距為a=m(Z1+Z2)/2=123
b=Φddt=168=68
取b2=65 b1=b2+10=75
校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度:
可查得,YFS1=4.1, YFS2=4.0, 取Yε=0.7
由下式校核大小齒輪的彎曲強(qiáng)度:
(式2-9)
(式2-10)
同理設(shè)計(jì)出另兩個(gè)齒輪,最終設(shè)計(jì)出的各個(gè)齒輪的相關(guān)數(shù)據(jù)如下:
高速軸上小齒輪Z1:
齒數(shù)Z=34 分度圓d1=68 模數(shù)m=2 安裝軸處直徑d=44 齒寬b=75
齒頂高h(yuǎn)a=2mm 齒根高h(yuǎn)f=2.5mm 齒高h(yuǎn)=4.5mm
齒頂圓da=72mm 齒根圓df=63mm
齒距p=6.28mm 齒厚s=3.14mm 齒槽寬e=3.14mm 頂隙c=0.5mm
中間軸上大齒輪Z2:
Z=89 d2=178 m=2 d=49 b=65
ha=2 hf=2.5 h=4.5
da=182 df=173
p=6.28 s=e=3.14 c=0.5
D1=78.4 D2=162 D0=120 D3=20
R=5 C=13
中間軸上小齒輪Z3:
Z=34 d3=85 m=2.5 d=49 b=95
ha=2.5 hf=3.125 h=5.625
da=90 df=78.75
p=7.85 s=e=3.925 c=0.625
低速軸上大齒輪Z4:
Z=104 d4=260 m=2.5 d=64 b=85
ha=2.5 hf=3.125 h=5.625
da=265 df=253.75
p=7.85 s=e=3.925 c=0.625
D1=102.4 D2=235 D0=168.7 D3=33.15
R=5 C=17
2.4 軸的設(shè)計(jì)
以高速軸的設(shè)計(jì)為例:
(1)、選擇軸的材料及熱處理
由于減速器傳遞的功率不大,對其重量和尺寸也無特殊要求,故選擇常用材料45鋼,調(diào)質(zhì)處理。
(2)、初估軸徑
按扭矩初估軸的直徑,查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表10-2,得C=106~117,考慮到安裝聯(lián)軸器的軸段僅受扭矩作用。取C=110,,則:
D1min= (式2-11)
D2min=
D3min=
(3)、初選軸承
高速軸1選軸承為6008
中間軸2選軸承為6009
低速軸3選軸承為6012
(4)、軸各段直徑的確定
初估軸徑后,可按軸上零件的安裝順序,從左端開始確定直徑。該軸軸段1安裝軸承,該段直徑選為40mm。2段裝齒輪,為了便于安裝,取2段為44mm。齒輪右端用軸肩固定,計(jì)算得軸肩的高度為4.5mm,故取3段為53mm。4段不裝任何零件,但考慮到軸承的軸向定位,及軸承的安裝,取4段為42mm。5段裝軸承,直徑和一段一樣為40mm。6段應(yīng)與密封毛氈圈的尺寸同時(shí)確定,查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊,選用JB/ZQ4606-1986中d=36mm的毛氈圈,故取6段為36mm。7段裝大帶輪,取為32mm>dmin。
(5)、軸各段長度的確定
軸段1的長度為軸承6008的寬度和軸承到箱體內(nèi)壁的距離再加上箱體內(nèi)壁到齒輪端面的距離,取L1=32mm。2段應(yīng)比齒輪寬略小2mm,故L2=73mm。3段的長度按軸肩寬度公式計(jì)算,L3=6mm。4段:L4=109mm。L5和軸承6008同寬取L5=15mm。L6=55mm,7段同大帶輪同寬取L7=90mm。其中L4和L6是在確定其它段長度和箱體內(nèi)壁寬后確定的。
(6)、軸上零件的周向固定
為了保證良好的對中性,齒輪與軸選用過盈配合H7/r6。與軸承內(nèi)圈配合軸勁選用k6,齒輪與大帶輪均采用A型普通平鍵聯(lián)接,分別為1263 GB1096-1979及鍵1080
GB1096-1979。
(7)、軸上倒角與圓角
為保證6008軸承內(nèi)圈端面緊靠定位軸肩的端面,根據(jù)軸承手冊的推薦,取軸肩圓角半徑1mm,其它軸肩圓角半徑均為2mm。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB6403.4-1986,軸的左右端倒角均為145。
經(jīng)軸的彎扭合成強(qiáng)度校核和軸的安全系數(shù)校核,均符合要求。
各軸的設(shè)計(jì)如下簡圖所示:
圖2-2 高速軸
圖2-3 中間軸
圖2-4 低速軸
2.5 選定軸承
通過軸的設(shè)定,確定軸承。
高速軸上軸承選為6008
中間軸上軸承選為6009
低速軸上軸承選為6012
經(jīng)校核各軸承壽命符合要求。
2.6 鍵的選定
高速軸上的鍵選為:
鍵1 1263 鍵2 1080
中間軸上的鍵選為:
鍵3 1456 鍵4 1480
低速軸上的鍵選為:
鍵5 1870 鍵6 14100
經(jīng)校核各鍵的強(qiáng)度都符合要求。
2.7 聯(lián)軸器的選定
聯(lián)軸器選擇為TL8型彈性聯(lián)軸器 GB4323—84
2.8 各軸的輸入功率和轉(zhuǎn)矩
各軸的輸入功率
電動(dòng)機(jī)軸 Pd=5.5KW
高速軸1 P1=Pdη8η7=5.50.950.99=5.42
中間軸2 P2=P1η6η5=5.420.970.99=5.20
低速軸3 P3=P2η4η3=5.200.970.99=5.00
工作機(jī)軸 P4=P3η2η1=5.000.990.99=4.90
各軸的輸入轉(zhuǎn)矩
T1=9550Pdi1η8η7=95505.52.50.950.99=128.65
T2=T1i2η6η5=128.652.620.970.99=323.68
T3=T2i3η4η3=323.683.070.970.99=954.25
T4=T3η2η1=954.230.990.99=935.26
軸號
功率p
轉(zhuǎn)矩T
轉(zhuǎn)速n
傳動(dòng)比i
效率
電機(jī)軸
5.5
2.0
960
1
1
高速軸
5.42
128.65
384
2.5
0.94
中間軸
5.20
323.68
148
2.62
0.96
低速軸
5.00
954.25
48
3.07
0.96
工作機(jī)軸
4.90
935.26
48
1
0.98
2.9 箱體的尺寸設(shè)計(jì)
經(jīng)綜合考慮,箱體的主要數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)如下:
箱體壁厚 10mm
箱蓋壁厚 10mm
箱座凸緣厚度 15mm
箱蓋凸緣厚度 15mm
箱座底凸緣厚度 25mm
地腳螺栓直徑 M12
地腳螺栓數(shù)目 4
軸承旁聯(lián)結(jié)螺栓直徑 M12
軸承端蓋螺釘直徑 M8
箱座,箱蓋肋厚 7mm
2.10 減速器的潤滑
1、齒輪的潤滑
因齒輪的圓周速度〈12m/s,所以才用浸油潤滑的潤滑方式。
高速齒輪浸入油里約0.7個(gè)齒高,但不小于10mm,低速級齒輪浸入油高度約為1個(gè)齒高(不小于10mm),1/6齒輪。
2、滾動(dòng)軸承的潤滑
因潤滑油中的傳動(dòng)零件(齒輪)的圓周速度V≥1.5~2m/s,所以采用飛濺潤滑。
2.11 本章小結(jié)
本章主要介紹了減速器的相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì),以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該章是本次設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),它為后序工作提供了依據(jù),在設(shè)計(jì)中占有一定分量。
第三章 UG建模及裝配
要進(jìn)行減速器的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,必須首先建立減速器的三維參數(shù)化模型。通過第二章對減速器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的設(shè)計(jì),現(xiàn)在可以通過UG軟件對減速器的各零部件進(jìn)行三維造型并實(shí)現(xiàn)裝配。
3.1 軸的建模
由第二章中軸設(shè)計(jì)的相關(guān)數(shù)據(jù),在UG NX4.0中實(shí)現(xiàn)對軸的三維造型。圖形分別如下所示:
圖3-1 高速軸
在對軸的建模中,操作步驟一般為:先進(jìn)入草圖,畫出草圖。
將軸線約束到X軸上,對上圖完成約束后,完成草圖,選擇所畫草圖為對象,繞X軸旋轉(zhuǎn)即可。再在軸上拉伸兩個(gè)鍵槽,最后對軸兩端倒45o邊角,對個(gè)軸肩倒半徑為1的圓角。
圖3-2 中間軸
圖3-3 低速軸
3.2齒輪建模
在對齒輪造型過程中,主要步驟是先建立一個(gè)圓柱,直徑與齒根圓直徑相同,高度為齒輪寬度,再進(jìn)入草圖中畫出齒廓形狀,完成草圖后拉伸,并求和,再對拉伸后的輪齒進(jìn)行環(huán)行陣列,輪齒完成后再建立插鍵孔[3]。
由于小齒輪是實(shí)心體結(jié)構(gòu),建模易完成;而大齒輪為了節(jié)省材料和減輕重量,采用的是孔板式結(jié)構(gòu),再進(jìn)行上述步驟后,還要進(jìn)行打孔操作。各齒輪造型如下:
圖3-4 齒輪Z1
圖3-5 齒輪Z2
圖3-6 齒輪Z3
圖3-7 齒輪Z4
3.3 箱體建模
對箱體的建模包括上箱體和下箱體。箱體結(jié)構(gòu)復(fù)雜,通過UG對其造型步驟繁多,造型結(jié)果如下:
圖3-8 上箱體
圖3-9 下箱體
3.4 其它零件的建模
(1)軸承
設(shè)計(jì)中選用的軸承為深溝球軸承,它包括內(nèi)外圈、滾動(dòng)體(球)、保持架,故要在UG中先對其子零件進(jìn)行三維造型,在通過裝配功能實(shí)現(xiàn)對軸承的造型。分別如下:
圖3-10 內(nèi)外圈
圖3-11 球體
圖3-12 保持架
圖3-13 軸承裝配
該減速器中共有6個(gè)軸承,每個(gè)軸上有一對同樣的軸承,而三對軸承雖然大小有所區(qū)別,但是形狀相同,故此,只取高速軸上其中的一個(gè)為例。
(2)軸承端蓋
軸承端蓋與軸承相對應(yīng),也有6個(gè),每根軸上一對。雖然每對大小相同,但在高速軸和低速軸上兩端的軸承端蓋是有區(qū)別的,因?yàn)楦咚佥S為輸入軸,它的一端伸出箱體外面,與大帶輪相連;故其中有個(gè)軸承端蓋的蓋中間要打通孔,且孔的直徑應(yīng)比對應(yīng)該段軸的直徑大些。低速軸為輸出軸,它的一端也伸出箱體外,故情況和高速軸相同。
雖然三對軸承端蓋有所區(qū)別,但形狀一樣,只是尺寸不同,故以高速軸上的兩個(gè)為例。造型如下:
圖3-14 軸承端蓋
圖3-15 軸承端蓋
(3)螺釘、螺栓、螺母
因?yàn)閳D中螺釘、螺栓、螺母較多,故分別選取其中一個(gè)為例。圖形如下
圖3-16 螺釘
圖3-17 螺母
圖3-18 螺栓
(4)平鍵、定位銷
圖3-19 平鍵
圖3-20 銷
(5)窺視孔蓋
圖3-21 窺視孔蓋
3.5 軸與齒輪的裝配
在軸和齒輪建模都完成后,可將齒輪裝配到軸上,通過鍵將齒輪在軸圓周方向上固定,在總裝配中,軸向上通過套筒固定齒輪和軸承。
在軸與齒輪的裝配中,可先將鍵裝配到軸上,通過三次面配對約束即可,在通過兩次面配對約束即可將齒輪裝配到軸上。圖形分別如下:
圖3-22 高速軸齒輪裝配
圖3-23 中間軸齒輪裝配
圖3-24 低速軸齒輪裝配
3.6 減速器裝配
虛擬裝配是根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的形狀特征和精度特性,真實(shí)地模擬產(chǎn)品三維裝配過程,并允許用戶以交互方式控制產(chǎn)品的三維裝配,在減速器的開發(fā)過程中應(yīng)用這種方法可以大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期,減少樣機(jī)實(shí)驗(yàn)次數(shù),迅速地對市場作出反映,并降低產(chǎn)品的成本,提高企業(yè)的競爭力[4]。
減速器在UG中進(jìn)行裝配,主要是通過(面、線、點(diǎn)、邊緣等)配對、對齊、角度、平行、中心、距離、相切約束實(shí)現(xiàn)的。為了便于觀看,裝配如下:
圖3-25 減速器裝配
在完成上圖裝配后,再將上箱體和其它零件(包括螺栓、螺母、螺釘、定位銷、窺視孔蓋、油標(biāo)、螺塞等)完全裝配上去。結(jié)果如下圖:
圖3-26 減速器總裝配
對上圖創(chuàng)建爆炸視圖,所謂裝配爆炸圖是將各個(gè)部件按照一定的模式,偏離原來的裝配位置的拆分圖形。如下:
圖3-27 減速器裝配爆炸圖
3.7 本章小結(jié)
本章主要展示了通過UG NX4.0軟件對減速器各零件進(jìn)行建模,最后并實(shí)現(xiàn)裝配。通過UG建模是本次設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié),只有正確的建模和裝配才能為減速器運(yùn)動(dòng)仿真的實(shí)現(xiàn)提供可靠的保障。故本章內(nèi)容在本次設(shè)計(jì)中起著重要的作用。
第四章 減速器的運(yùn)動(dòng)仿真
運(yùn)動(dòng)仿真能讓設(shè)計(jì)工程師建立、評估和優(yōu)化部件在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的運(yùn)動(dòng),以便最佳地滿足工程和性能需求。當(dāng)在產(chǎn)品開發(fā)的早期階段應(yīng)用運(yùn)動(dòng)仿真、并且作為設(shè)計(jì)過程的一個(gè)完整部分時(shí),運(yùn)動(dòng)仿真可以對產(chǎn)品性能提供寶貴見解,這些見解可以幫助發(fā)現(xiàn)和解決設(shè)計(jì)問題。運(yùn)動(dòng)仿真有助于從一開始就獲得產(chǎn)品模型,因此,它可以提高產(chǎn)品質(zhì)量和發(fā)揚(yáng)設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)。
通過第三章對減速器建模和裝配的完成,接下來便可以通過UG對減速器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。
4.1 UG中插件“機(jī)構(gòu)”
在UG軟件下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,必須添加“機(jī)構(gòu)”插件,才能操作,可見“機(jī)構(gòu)”插件在UG中發(fā)揮著重要的作用?!皺C(jī)構(gòu)”插件的添加步驟如下:
單擊“程序”→“控制面板” 進(jìn)入控制面板界面如下圖
圖4-1 控制面板界面
單擊“添加/刪除程序”進(jìn)入界面,找到UGS NX4.0,選中后,選擇“更改”,再點(diǎn)擊“下一步”,選擇“修改”單擊“下一步”,出現(xiàn)如下界面:
圖4-2 自定義安裝界面
選擇“MECH”即“機(jī)構(gòu)”插件,單擊“下一步”便可以安裝了。安裝完后,將計(jì)算機(jī)重新啟動(dòng)后便可使用了。
4.2 UG的運(yùn)動(dòng)分析模塊
UG NX4.0的運(yùn)動(dòng)分析模塊是用于建立運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模型,分析結(jié)構(gòu)模型運(yùn)動(dòng)規(guī)律的CAE模塊。每種運(yùn)動(dòng)分析方案歸根結(jié)底都來自于運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝配主模型,而獨(dú)立于主模型和其它方案的模型。UG公司主模型是單一數(shù)據(jù)源的設(shè)計(jì)思想在這里得到體現(xiàn)。
運(yùn)動(dòng)分析模塊可以進(jìn)行機(jī)構(gòu)的干涉分析,跟蹤零件在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中的軌跡,分析機(jī)構(gòu)中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等。分析結(jié)果可以指導(dǎo)零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì),使零件設(shè)計(jì)在運(yùn)動(dòng)分析中不斷趨于合理[5]。
UG NX4.0在運(yùn)動(dòng)分析模塊中的幾個(gè)概念如下:
(1)連桿。指運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中所有的運(yùn)動(dòng)零件。因?yàn)樗械倪\(yùn)動(dòng)零件必須和連桿相連,所以必須有一個(gè)連桿不能有位移。
(2)運(yùn)動(dòng)副。就是將機(jī)構(gòu)中的連桿連接在一起,從而是連桿一起運(yùn)動(dòng)。另外,運(yùn)動(dòng)副約束連桿在規(guī)定餓范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。
(3)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。使賦在運(yùn)動(dòng)副上控制運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副參數(shù)。在UG NX4.0中有5種類型,分別是無、恒定的、諧波、一般和球鉸。
① 無。指沒有外加的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)賦在運(yùn)動(dòng)副上。
② 恒定的。設(shè)置某一運(yùn)動(dòng)副為等常運(yùn)動(dòng),需要輸入的參數(shù)包括位移、速度和加速度。
③ 諧波。產(chǎn)生一個(gè)光滑的向前或向后的正弦運(yùn)動(dòng),需要輸入的參數(shù)包括振幅、頻率、相位角和位移。
④ 一般。用數(shù)學(xué)函數(shù)描述復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。
⑤ 球鉸。運(yùn)動(dòng)副以特定的步長和特定的步數(shù)運(yùn)動(dòng),需要輸入的參數(shù)為步長和步數(shù)。
在UG NX4.0中文版的操作界面中,單擊“標(biāo)準(zhǔn)”工具條中的“起始”→“所有應(yīng)用模塊”→“運(yùn)動(dòng)仿真”命令,便進(jìn)入運(yùn)動(dòng)分析模塊。
單擊繪圖工作區(qū)右側(cè)資源條上的“運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航器”按鈕,顯示如下所示界面
圖4-3 “運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航器”界面
運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航器用于管理運(yùn)動(dòng)分方案的部件文件。一個(gè)部件的裝配文件可以有多個(gè)運(yùn)動(dòng)分析方案,也就是說在根節(jié)點(diǎn)下可以有多個(gè)運(yùn)動(dòng)分析方案節(jié)點(diǎn)。
4.3 UG的運(yùn)動(dòng)仿真
(1)創(chuàng)建連桿
在UG下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,首先得創(chuàng)建連桿。
在“運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航器”中的根節(jié)點(diǎn)上單擊鼠標(biāo)右鍵,在彈出的快捷菜單中單擊“新建仿真”命令,建立新的運(yùn)動(dòng)分析方案。
界面上會(huì)顯示“運(yùn)動(dòng)”工具條。單擊“運(yùn)動(dòng)”工具條中的(連桿)工具,彈出“連桿”對話框,便可以創(chuàng)建連桿了。
(2)創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副
創(chuàng)建完連桿后,接下來便創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副。
在運(yùn)動(dòng)副創(chuàng)建前,機(jī)構(gòu)中的連桿是沒有任何約束的,具有6個(gè)自由度。分別是沿X方向的移動(dòng)、沿Y方向的移動(dòng)、沿Z方向的移動(dòng)、繞X方向的轉(zhuǎn)動(dòng)、繞Y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)和繞Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副后,會(huì)約束一個(gè)或幾個(gè)方向上的自由度。
UG NX4.0運(yùn)動(dòng)分析模塊提供13種運(yùn)動(dòng)副類型,共分為兩大類,其中普通類型9種,特殊類型4種。普通類型的運(yùn)動(dòng)副只與自身有關(guān),而特殊類型的運(yùn)動(dòng)副是在兩個(gè)普通類型運(yùn)動(dòng)副基礎(chǔ)上定義了兩者之間特殊運(yùn)動(dòng)關(guān)系的運(yùn)動(dòng)副(如旋轉(zhuǎn)副+滑動(dòng)副=螺旋副)。
在減速器的運(yùn)動(dòng)仿真中,主要是創(chuàng)建簡單的旋轉(zhuǎn)副。創(chuàng)建簡單旋轉(zhuǎn)副分為3步。
①選擇運(yùn)動(dòng)副約束的連桿;
②選擇運(yùn)動(dòng)副的原點(diǎn);
③確定運(yùn)動(dòng)副的方向。
在選擇連桿時(shí),選擇待約束的連桿中任意屬于連桿的對象。當(dāng)選中對象后,屬于連桿的所有對象自動(dòng)高度顯示。
(注意:UG運(yùn)動(dòng)分析模塊用首先選中的對象推斷要?jiǎng)?chuàng)建的運(yùn)動(dòng)副的原點(diǎn)和方向。)
如果首先選中的對象是圓弧或圓,則運(yùn)動(dòng)副的原點(diǎn)設(shè)在圓弧或圓的圓心,運(yùn)動(dòng)副的Z軸方向垂直于圓的平面。
如果首先選中的對象是直線,則運(yùn)動(dòng)副的原點(diǎn)設(shè)在直線最近的控制點(diǎn)上,且運(yùn)動(dòng)副的Z軸方向平行于直線。
如果首先選中的對象不能明確確定運(yùn)動(dòng)副的原點(diǎn)和方向,則運(yùn)動(dòng)副的原點(diǎn)和方向必須在創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副過程的第2步和第3步定義。所以如果選擇好初始的連桿則可以方便地定義好運(yùn)動(dòng)副的原點(diǎn)和方向,可以省略定義原點(diǎn)和方向。如果運(yùn)動(dòng)副的原點(diǎn)和方向都定義正確就可以選擇第3步。
(3)創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)
運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)是賦予運(yùn)動(dòng)副上用于控制運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副參數(shù)。當(dāng)創(chuàng)建或編輯一個(gè)運(yùn)動(dòng)副時(shí),“運(yùn)動(dòng)副”對話框中會(huì)顯示“運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)”選項(xiàng)框,其中包括5種驅(qū)動(dòng)類型,分別是無、恒定的、諧波、一般和球鉸。
(4)運(yùn)動(dòng)仿真功能
在設(shè)置好運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)后,即可進(jìn)入運(yùn)動(dòng)分析。
單擊運(yùn)動(dòng)分析工具條中的“動(dòng)畫”工具,彈出“分析選項(xiàng)”對話框。
運(yùn)動(dòng)分析按輸入的時(shí)間和步數(shù)進(jìn)行仿真分析,“時(shí)間”表示模型分析的時(shí)間,“步數(shù)”代表在此時(shí)間段內(nèi)分幾個(gè)順態(tài)位置進(jìn)行分析和顯示。
仿真分析結(jié)束后系統(tǒng)會(huì)創(chuàng)建后綴為“res”的結(jié)果文件,每次運(yùn)動(dòng)仿真會(huì)覆蓋上一次結(jié)果文件,可以將每次結(jié)果文件重新命名以備日后查看[6]。
4.4 減速器的運(yùn)動(dòng)仿真
本次設(shè)計(jì)對減速器的運(yùn)動(dòng)仿真主要是能觀測軸和齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)以及齒輪間的傳動(dòng)。為了便于操作和觀測,選擇第三章中的減速器裝配圖3-25的裝配文件來建立運(yùn)動(dòng)仿真的文件。
在UG下打開裝配圖3-25的文件(cgjzp2),單擊“標(biāo)準(zhǔn)”工具條中的“起始”→“所有應(yīng)用模塊” →“運(yùn)動(dòng)仿真”命令,進(jìn)入運(yùn)動(dòng)分析模塊,再單擊繪圖工作區(qū)右側(cè)的資源條上的“運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航器”按鈕,在“運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航器”中的根節(jié)點(diǎn)(cgjzp2)上單擊鼠標(biāo)右鍵,在彈出的快捷菜單中單擊“新建仿真”命令,建立新的運(yùn)動(dòng)分析方案文件motion1、motion2,以motion2為例:
按著UG運(yùn)動(dòng)仿真的一般步驟,對減速器運(yùn)動(dòng)仿真的實(shí)現(xiàn),首先創(chuàng)建連桿。
(1)選擇高速軸及軸上的齒輪作為連桿L001;
(2)選擇中間軸及軸上的兩個(gè)齒輪作為連桿L002;
(3)選擇低速軸及軸上的齒輪作為連桿L003。
再創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副。
(4)選擇高速軸其中一端的軸端圓,則軸端圓的圓心就是運(yùn)動(dòng)副的原點(diǎn),軸線方向就是運(yùn)動(dòng)副的方向,作為運(yùn)動(dòng)副J001。
(5)同理選擇中間軸一端的軸端圓,作為運(yùn)動(dòng)副J002。
(6)選擇低速軸一端的軸端圓,作為運(yùn)動(dòng)副J003
接下來創(chuàng)建齒輪傳動(dòng)
(7)單擊“運(yùn)動(dòng)”工具條中的“齒輪和齒條副”,出現(xiàn)如下界面
圖4-4 “齒輪和齒條副”界面
單擊“齒輪”出現(xiàn)如下界面
圖4-5 “齒輪”界面
選擇創(chuàng)建好的運(yùn)動(dòng)副J001和J002的原點(diǎn)Z1和Z2,就可以在上述“齒輪”對話框中的比率里輸入齒輪Z1和Z2之間的傳動(dòng)比,傳動(dòng)比為2.62,點(diǎn)擊應(yīng)用。
同理選擇運(yùn)動(dòng)副J002和J003的原點(diǎn)Z2和Z3,,輸入傳動(dòng)比3.07,點(diǎn)擊應(yīng)用。
再創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)
(8)點(diǎn)擊“運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航器”下的motion2,右擊J001(可選擇運(yùn)動(dòng)副中的任何一個(gè)),點(diǎn)擊編輯,出現(xiàn)對話框如圖4-6
在“運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)”行內(nèi)選擇恒定的,顯示對話框如圖4-7
在“速度”欄內(nèi)輸入15,應(yīng)用。
圖4-6 “運(yùn)動(dòng)副”對話框 圖4-7 “運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)”選項(xiàng)框
最后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真功能。
(9)單擊“運(yùn)動(dòng)分析”工具條中的“動(dòng)畫”工具,彈出“分析選項(xiàng)”對話框如下:
圖4-8 “分析選項(xiàng)”對話框
在“時(shí)間”欄內(nèi)輸入50,“步數(shù)”輸入150,點(diǎn)擊確定,出現(xiàn)“動(dòng)畫”對話框如下:
圖4-9 “動(dòng)畫”對話框
點(diǎn)擊播放按鈕,便可以觀察減速器中軸、齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)及三根軸間明顯的轉(zhuǎn)速快慢。
這樣,便完成了在UG下對減速器運(yùn)動(dòng)仿真的實(shí)現(xiàn)。
4.5 分析驗(yàn)證
在運(yùn)動(dòng)仿真功能中,通過速度、時(shí)間和步數(shù)輸入的不同,得到的結(jié)果也不一樣。
當(dāng)時(shí)間與步數(shù)分別定為50和150不變時(shí)。
改變速度為5,可發(fā)現(xiàn)軸和齒輪的轉(zhuǎn)速明顯變慢。速度過慢,不便于觀察減速器的運(yùn)動(dòng)。
再改變速度為25,可發(fā)現(xiàn)軸和齒輪的轉(zhuǎn)速明顯變快,而且齒輪Z1和Z2的轉(zhuǎn)向反了,速度過快,也不便于觀察減速器的運(yùn)動(dòng)。
當(dāng)速度和步數(shù)分別定為15和150不變時(shí)。
改變時(shí)間為30,可發(fā)現(xiàn)軸和齒輪轉(zhuǎn)速變慢,運(yùn)動(dòng)過程時(shí)間過短,不便于觀察減速器運(yùn)動(dòng)。
再改變時(shí)間為80,可發(fā)現(xiàn)軸和齒輪轉(zhuǎn)速變快,且齒輪Z1和Z2轉(zhuǎn)向反了。
當(dāng)速度和時(shí)間分別定為15和50不變時(shí)。
改變步數(shù)為100,可發(fā)現(xiàn)軸和齒輪的轉(zhuǎn)速變快,且齒輪Z1和Z2轉(zhuǎn)向反了。
再改變步數(shù)為200,可發(fā)現(xiàn)軸和齒輪的轉(zhuǎn)速變慢,不便于觀察減速器運(yùn)動(dòng)。
經(jīng)上述綜合分析比較,速度、時(shí)間、步數(shù)分別為15、50、150比較合理。
4.6 本章小結(jié)
本章主要介紹了UG NX4.0軟件的運(yùn)動(dòng)仿真功能,及通過UG對減速器運(yùn)動(dòng)仿真的實(shí)現(xiàn),是本次設(shè)計(jì)的主體部分。
結(jié)論和展望
傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)通常采用平面圖形表示機(jī)械零件及其裝配關(guān)系,設(shè)計(jì)結(jié)果是在某一個(gè)位置的靜態(tài)圖形。這重方法難以反映機(jī)器在運(yùn)行過程中各零件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其相對位置關(guān)系,無法直觀地判斷其運(yùn)動(dòng)是否合理,各零件之間是否存在干涉等問題。隨著CAD技術(shù)的發(fā)展及計(jì)算機(jī)硬件性能的不斷提高,三維建模、裝配、及計(jì)算機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)逐步得到應(yīng)用,應(yīng)用這些技術(shù)就可以進(jìn)行機(jī)器的運(yùn)動(dòng)仿真分析。
Unigraphics是集CAD/CAE/CAM于一體的軟件集成系統(tǒng),它的功能覆蓋了整個(gè)產(chǎn)品的開發(fā)過程,即覆蓋了從概念設(shè)計(jì)、功能工程、分析到制造的過程。本次設(shè)計(jì)通過UG NX4.0對減速器建模、裝配及實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真,可以使減速器的設(shè)計(jì)更加直觀,易于分析,而且提高了設(shè)計(jì)的效率和降低了生產(chǎn)成本,將UG應(yīng)用到減速器的設(shè)計(jì)中,不僅優(yōu)化了產(chǎn)品設(shè)計(jì),縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)周期,還提高了產(chǎn)品的可靠性。這項(xiàng)技術(shù)在機(jī)械工程、化工設(shè)備、汽車制造等多種領(lǐng)域有很強(qiáng)的實(shí)用和推廣價(jià)值。
通過本次設(shè)計(jì),取得的成果有以下幾點(diǎn):
(1)通過查機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)手冊、減速器設(shè)計(jì)選用手冊等相關(guān)資料,完成了減速器的參數(shù)部分設(shè)計(jì)。
(2)熟練掌握UG建模的基本功能,順利地通過UG NX4.0軟件完成了對減速器各零部件的三維造型。
(3)通過UG的裝配功能,及各種約束關(guān)系,合理地將減速器各零部件裝配在一起。
(4)通過UG的運(yùn)動(dòng)分析模塊及運(yùn)動(dòng)仿真功能,選擇出合理的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了對減速器的運(yùn)動(dòng)仿真,并作出了分析驗(yàn)證。
總結(jié)本次設(shè)計(jì),存在的不足有以下幾點(diǎn):
(1)減速器結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)中,數(shù)據(jù)繁多,尤其是減速器的零部件中,很多是標(biāo)準(zhǔn)件,在選取計(jì)算中容易出現(xiàn)誤差。
(2)在UG對減速器所有零件進(jìn)行三維造型時(shí),由于許多標(biāo)準(zhǔn)件沒有現(xiàn)成的庫,所以給建模帶來很多不便,在造型中誤差難免。
(3)在UG中對減速器實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真,當(dāng)數(shù)據(jù)改變不大時(shí),無法對其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行比較,也就不好分析出最佳的數(shù)據(jù)。
由于時(shí)間的關(guān)系,此次設(shè)計(jì)的研究工作還有許多缺陷和不足,有些問題沒有進(jìn)行更深入的研究,不足之處有待于在今后的工作中發(fā)現(xiàn)和解決。
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