一级圆弧齿轮减速器设计及应力分析研究.doc

1、 摘 要减速器作为一种最常用的传动装置，目前已经广泛应用于生产的各行各业中，根据减速器应用场合的不一样，对减速器的结构和性能要求也有所区别。但是，由于在减速器的传统设计过程中，设计者主要根据以往的设计经验，结合大量的经验公式和设计参数来进行具体的设计，很难实现减速器的优化设计。为了解决减速器的设计周期长，设计成本高，传动质量较低等问题，本文把虚拟样机技术应用到减速器的设计优化中。虚拟样机技术是一种崭新的产品开发方法，它是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法。利用虚拟样机技术，可以使产品的设计者、使用者和制造者在产品研制的早期，在虚拟的环境中直观形像地对虚拟的产品原型进行设计优化、性能测

2、试、制造仿真和使用仿真，这对启迪设计创新、提高设计质量、减少设计错误、加快产品开发周期有重要意义。本文在虚拟样机技术理论的指导下，在特征造型工具SolidWorks、机械动力学仿真软件ADAMS(Automatic Dynamic Analysis Mechanical System)集成系统基础上，对圆弧齿轮减速器进行了研究。首先利用SolidWorks软件对其进行了三维建模和装配，并进行了运动学分析，验证了模型的正确性和合理性；然后利用机械动力学仿真软件ADAMS对减速器传动系统进行了动力学分析，计算了齿轮激振力的大小，为后面的有限元分析提供了必须的边界条件；在此边界条件下，利用有限元分析

3、元件ANSYS对圆弧齿轮减速器的关键零部件齿轮、轴等进行了有限元静力学和动力学分析，并阐述了利用虚拟样机技术对圆柱齿轮减速器进行系统优化设计的理论思想和方法。关键词：圆弧齿轮；减速器；虚拟样机IAbstract The most commonly used as a speed reducer gear, has been widely used in the production of all walks of life, according to the reducer application is not the same, the gear unit structure and per

4、formance requirements are also different. However, due to the tradition of the gearbox design process, designers primarily based on past experience in the design, combined with the large number of empirical formula and design parameters for the specific design, it is difficult to achieve the optimal

5、 design reducer. In order to solve the design cycle is long reducer, design costs are high, and low transmission quality problem, we applied to the virtual prototype technology reducer design optimization. Virtual prototyping technology is a new approach to product development, it is a product-based

6、 computer simulation model of digital design methods. Use of virtual prototyping technology that can make the product designer and manufacturer of users early in the product development, in a virtual environment vividly visual prototypes for virtual product design optimization, performance testing,

7、manufacturing simulation and use of simulation, this inspired design innovation, improve the design quality and reduce design errors, speed up product development cycle is important. In this paper, the theory of virtual prototyping technology under the guidance of feature-based modeling tools in Sol

8、idWorks, mechanical dynamics simulation software ADAMS (Automatic Dynamic Analysis Mechanical System) integrated system, based on the arc gear reducer studied. The first was carried out using the SolidWorks software, 3D modeling and assembly, and kinematic analysis carried out to verify the correctn

9、ess and rationality of the model; then use the mechanical dynamics simulation software ADAMS reducer drive system for a dynamic analysis, calculate the size of the gear excitation force, for the back of the finite element analysis provides the necessary boundary conditions; in this boundary conditio

10、ns, using ANSYS finite element analysis component arc gear reducer for key components - gears, shafts, etc. the finite element static and dynamic analysis, and describes the use of virtual prototyping technology for cylindrical gear reducer system optimization design theory and methods of thinking.K

11、eywords：Arc gear ；Reducer；Virtual PrototypingII目 录第一章 绪论11.1 课题研究背景及意义11.2 圆弧齿轮的发展和应用前景11.3 论文结构4第二章 虚拟样机技术52.1 虚拟样机概述52.2 虚拟样机的特点62.3 虚拟样机技术的研究情况82.4 虚拟样机技术的应用92.5 虚拟样机技术的局限性112.6小结12第三章 基于SolidWorks的减速器的设计与虚拟装配133.1 圆弧齿轮的工作原理及特点133.2齿轮的设计计算15 3.3 齿轮减速器的三维建模193.4 齿轮减速器的虚拟装配243.5小结25第四章 减速器虚拟样机的建模与应

12、力分析264.1 虚拟样机的建模264.2 虚拟样机的仿真284.3 应力分析294.4小结31第五章 小结与展望325.1 小结325.2 展望32致 谢33参考文献34 第一章 绪论1.1 课题研究背景及意义传动装置是机器的重要组成部分，机器工作性能的好坏很大程度上取决于传动装置的优劣。因此，不断提高传动装置的设计和制造水平具有极其重要的意义。齿轮传动是最常采用的一种传动形式，其主要特点有：(1)效率高：在常用的机械传动中，齿轮传动的效率为最高；(2)结构紧凑：在同样的使用条件下，齿轮传动所占用的空间一般较小；(3)工作寿命长：设计合理、维护良好的齿轮传动，其使用寿命可长达二十年；(4)传

13、动比稳定：常用的渐开线圆柱齿轮满足定比传动条件，且具有可分性。由于具备了上述特点，因此齿轮传动被广泛应用。1.2 圆弧齿轮的发展和应用前景1.2.1圆弧齿轮的发展史 圆弧齿形的设想最早是由英国人Humphris在1907年提出的；1922年，威克一波斯托克一布朗莱(VichersBostockBramley)提出并研究了VBB齿轮。其特点为：齿轮幅在端面内仍然有重合度存在，小齿轮为凸齿，大齿轮为凹齿，齿廓面J司为凸凹搭配，具有较小的诱导曲率，因此接触强度大大增加。然而，这种齿轮出于凹齿齿顶厚度小，弯曲强度低，易于折断，这样使得VBB齿轮未能得到广泛应用，但它却是对渐开线齿轮挑战的一种尝试。 1

14、926年由美国格利森公司的瑞士人维尔特哈泊(Ewildhaber)在上述概念的基础上，首次提出圆弧齿轮的方案，并取得专利。他所提出的圆弧齿轮是指凹齿齿廓圆弧半径的圆心在齿条型刀具的节线上，当齿面啮合时，凹齿齿廓圆心和节点重合，凸齿齿廓圆弧半径比凹齿齿廓圆弧半径减少一个数值。其本质是法面为圆弧的圆弧齿轮，凸齿只有齿顶部分，凹齿只有齿根部分，但却没有能应用到工业中去。 1956年，前苏联学者诺维柯夫(ML Novikov)对维尔特哈泊的设想进行完善，并在完成实用性研究后正式进入工业应用阶段。他所发明的齿轮是一种端面为圆弧的圆弧齿轮，该齿轮与Ewi ldhaber提出的正好相反：是以凸齿齿廓的圆心落

15、在齿条型刀具的节线上，凹齿齿廓圆弧半径比凸齿齿廓圆弧半径大一个数值。同时，他对该种齿轮作了系统的理论分析和强度计算，使该齿轮在工业上得到广泛的应用。1960年lO月在联邦德国埃森C Essen)召开的国际齿轮会议上，将其定义为NildhaberNovikov齿轮，简称为卜N齿轮，在我国被称为圆弧点啮合齿轮。圆弧齿轮传动与渐开线齿轮传动相比，具有以下特点： a圆弧齿轮为凸凹搭配，具有很小的诱导曲率，因此接触强度高，承载能力大： b圆弧齿轮的瞬时接触线在端面附近，传动过程中接触线由齿轮的一端向另一端迅速移动，有利于油膜的形成，因而具有优良的润滑性能，提高了齿轮的使用寿命： c由于凸凹齿廓圆弧存在半径差，齿廓面间理论上为点接触，降低了齿轮副对误差的敏感度。圆弧齿轮一经提出，在世界各国都得到广泛重视。1.2.2 国内外研究现状 早在1694年，法国学Philippe De La Hare首先提出渐开线可作为齿形曲线。1733年，法国人M.Clause 提出轮齿接触点的公法线必须通过中心连线上的节点。一条辅助瞬心线分别沿大轮和小轮的瞬心线（节圆）纯滚动时，与辅助瞬心线固联的辅助齿形在大轮和小轮上所包络形成的两齿廓曲线是彼此共轭的，这就是