一级圆弧齿轮减速器设计及应力分析研究

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 performance 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 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 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, 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 SolidWorks, 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 correctness 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 conditions, 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.Keywords：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。 1926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Camus定理。它考虑了两齿面的啮合状态，明确建立了现代关于接触点轨迹的概念。1765年瑞士的LEuler提出渐开线齿形解析研究的数学基础，阐明了相啮合的一对齿轮，其齿形曲线的曲率半径和曲率中心位置的关系后来Savary进一步完成这-方法，成为现在的EulerSavary方程对渐开线齿形应用作出贡献的是Robert Willis.他提出中心距变化时，渐开线齿轮具有角速比不变的优点1873年德国工程师Hoppe提出，对不同齿数的齿轮在压力角改变时的渐开线齿形，从而奠定了现代变位齿轮的思想基础。 以上是国外对圆弧齿轮的研究与应用情况。国内对圆弧齿轮的应用与实验也相当重视。自1959年春朱景梓教授将圆弧齿轮的资料由前苏联带回国内，各大院校、高校与工厂迅速开展了有关圆弧齿轮的研究工作，并与当年分别在天津和洛阳召开全国圆弧齿轮技术会议。1961年11月，中国机械工程学会在北京举行的十周年年会上，将“圆弧齿轮在我国的应用与发展”列为中心议题之一，在对圆弧齿轮传动充分肯定的基础上，根据生产中迫切需要解决的问题，从啮合原理、强度计算、减速器设计、计量与检验等四个方面进行了深入热烈的讨论。这次会议对圆弧齿轮的理论研究与生产应用起到了巨大的推动作用。1962年12月，在上海召开了圆弧齿轮技术会议，对圆弧齿轮所取得的成就进行了总结。1965年，在杭州召开了高速圆弧齿轮传动经验交流会，重点讨论如何提高圆弧齿轮的传动质量问题。同年11月，在鞍山召开了中、低速圆弧齿轮会议，对大模数圆弧齿轮的主要失效形式，中、小模数圆弧齿轮的弯曲强度、塑性变形，以及提高精度等重大问题进行了深入研究。经过十多年的努力，在圆弧齿轮制造工艺的改进、制造精度的提高等方面都取得了很大的成绩。尤其是在中低速重载齿轮传动方面，将圆弧齿轮用于轧钢机上，技术和经济效果最为显著，与原来使用的渐开线齿轮减速器相比，大大提高了使用功率，延长了齿轮使用寿命。在高速齿轮传动方面，圆弧齿轮也广泛应用于中小型汽轮机、离心式鼓风机、空气压缩机等产品中。 为了提高动力传动齿轮的使用寿命并减小其尺寸。除从材料、热处理及结构等方面改进了外圆弧齿形的齿轮获得了发展。1907年，英国人Frank Humphris最早发表了圆弧齿形1926年瑞士人Eruest Wildhaber取得法面圆弧齿形斜齿轮的专利权。1955年，苏联的MLNovikov完成了圆弧齿形齿轮的实用研究并获得列宁勋章。1970年。英国RollsRoyce公司工程师RM.Studer取得了双圆弧齿轮的美国专利。这种齿轮现已日益为人们所重视，在生产中发挥了显著效益。新中国成立后，当时基本上没有生产齿轮的能力，经过第一、二个五年计划的努力。我国初步形成了一套包括汽车、机床、重型机械。电站设备、石油化工与通用设备等机械制造能力，同时，齿轮制造业也随着发展起来。到1963年左右。我国不仅已能成批生产齿轮，而且一般规格的齿轮机床与刀具、量仪也能由国内制造。后来，国家新建和改建了一大批齿轮与齿轮箱的专业厂与专业车间。进一步扩大了齿轮配套的生产能力，到70年代末，已基本上形成我国齿轮制造工业的完整体系。1959年以后针对当时渐开线齿轮齿面接触强度差、工艺水平低、质量差的薄弱环节，我国从苏联引进了圆弧齿轮的科技成果，利用轴向共轭代替端面共轭和利用圆弧齿轮齿面接触强度比较高的特点，代替了不少机械产品的渐开线齿轮，70年代末，在一系列高速与低速传动中成功地应用单圆弧齿轮的基础上，采用双圆弧齿轮代替单圆弧齿轮，使抗弯强度提套40%60%,工艺上改善了，应用范围获得了进一步扩大1970年以来，工业发达国家随着机械产品功率与参数的提高，对齿轮结构尺寸、性能与可靠性要求也提高了，硬齿面齿轮日益发展目前正在对硬齿面齿轮的设计、工艺、材料热处理、试验等进行一系列研究我国已经研制出一批较高设计参数的硬齿面齿轮，如应用于压缩机与轧钢机的齿轮功率30004500kw，圆周速度140152m/s，负荷系数180310N/cm2精度等级45级；已能成批制造用于加工硬齿面的超硬刀具；国产新系列滚齿机巳能适应加工硬齿面齿轮的需要。为了进一步提高齿轮的精度水平，我国正在贯彻JB179-83渐开线圆柱齿轮精度标准，普遍提高了对齿轮量仪的要求。目前对于中等尺寸以下的中小模数齿轮，各种量仪巳基本配套，大模数齿轮上置式周节测量仪已研制出来；1968年我国首创了齿轮整体误差测量理论和方法，1970年运用这一方法研制成了截面整体误差测量仪，从而将我国齿轮测量技术发展到动态综合测量的新阶段。汽车、拖拉机、矿山及运输设备等所用的螺旋园锥齿轮，大多采用美国格利森制。这种齿轮生产批量大，但因切齿计算与调整繁复，生产上难以获得理想的轮齿接触区，制造质量差，使用寿命不高七十年代以来，在引进国外加工设备与整套电算程序基础上；开展对螺旋锥齿轮啮合理论的研究消化掌握其程序软件。在生产上已取得成效。 我国越来越多的人掌握了齿轮啮合原理的分析方法，对复杂曲面的几何计算还提供了各种计算方法，一般能从啮合理论的观点，分析计算各种齿轮的参数。因而提高了我国齿轮设计的水平。我国在齿轮材料、热处理技术与齿轮试验技术与测试方法方面也积累了不少的经验。综上所述，我国齿轮生产已达相当规模。设计与工艺水乎不断提高，有一批齿轮产品已经接近或达到国际水平，但就总体来讲还有一定差距，需要我们共同努力，狠抓薄弱环节，才能有更大进展。 1.2.3 发展趋势 齿轮传动技术是机械工程技术的重要组成部分，在一定程度上标志着机械工程技术的水平。因此，齿轮被公认为工业和工业化的象征。电子计算机在各工业领域的应用促进了各项技术的发展同样，在齿轮的设计、计算方面进展也很快，人们利用计算机能对各种可能的设计方法进行计算、分析和比较，并通过优选，取得较为理想的结果例如在分析齿面接触区，求啮合线与相对速度夹角中，对弹流润滑计算以及几何参数计算等方面编制了程序。还有，在齿轮修形计算与齿轮承载能力计算方面都编有程序我国已编制了GB3480-83渐开线圆柱齿轮承载能力计算标准的程序软件,供生产应用在齿轮加工方面，可以利用计算机控制整个切齿过程使制造质量稳定可靠目前，国内在研究应用微机对弧齿锥齿轮的切齿调整卡进行计算，可对加工偏差及时调整使齿面接触达到比较理想的位置，并大大提高了工效。此外，根据数控原理，应用微机对环面蜗杆螺旋齿面进行抛物线修形，已经应用于生产。虽然这方面的工作在国内还处于起步阶段，但它对提高齿轮制造质量和技术水平具有重要意义。1.3论文结构本论文包含的内容有中英文摘要，第一章绪论，第二章至第四章为论文主题，第五章小结，再加参考文献和致谢词。第一章绪论主要介绍了圆弧齿轮减速器的研究背景意义和国内外的发展过程以及应用前景。第二章至第四章分别对虚拟样机技术、基于Solidworks的减速器的设计与虚拟装配、减速器虚拟样机的建模与应力分析进行了讲解。第五章则是对本论文的一个小结和对圆弧齿轮减速器的一个展望。第二章 虚拟样机技术2.1 虚拟样机概述2.1.1 产生背景传统的设计方式要经过图纸设计、样机制造，测试改进、定型生产等步骤，为了使产品满足设计要求，往往要多次制造样机，反复测试，费时费力、成本高昂。虚拟样机技术的出现，改变了传统的设计方式，采用数字技术进行设计。它能够在计算机上实现设计试验设计的反复过程，大大降低了研发周期和研发资本，能够快速响应市场，适应现代制造业对产品T（time）、Q（quality）、C（cost）、S（services）、E（environment）的要求，极大地促进了敏捷制造的发展，推动了制造业的数字化、网络化、智能化。2.1.2 虚拟样机技术定义 虚拟样机技术3-4(Virtual Prototyping, VP)是指在产品设计开发过程中,将分散的零部件设计和分析技术(指在某一系统中零部件的CAD和FEA 技术)揉合在一起,在计算机上建造出产品的整体模型,并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析,预测产品的整体性能,进而改进产品设计,提高产品性能的一种新技术。虚拟样机技术是一门综合多学科的技术,它的核心部分是多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现。CAD/ FEA 技术的发展为虚拟样机技术的应用提供了技术环境和技术支撑。虚拟样机技术改变了传统的设计思想,将分散的零部件设计和分析技术集成于一体,提供了一个全新的研发机械产品的设计方法。虚拟样机技术设计流程见图2-1。 图2-1 虚拟样机技术设计流程2.1.3 虚拟样机分类虚拟样机按照实现功能的不同可分为结构虚拟样机、功能虚拟样机和结构与功能虚拟样机。结构虚拟样机主要用来评价产品的外观、形状和装配。新产品设计首先表现出来的就是产品的外观形状是否满意,其次,零部件能否按要求顺利安装,能否满足配合要求,这些都是在产品的虚拟样机中得到检验和评价的。功能虚拟样机主要用于验证产品的工作原理,如机构运动学仿真和动力学仿真。新产品在满足了外观形状的要求以后,就要检验产品整体上是否符合基于物理学的功能原理。这一过程往往要求能实时仿真,但基于物理学功能分析,计算量很大,与实时性要求经常冲突。结构与功能虚拟样机主要用来综合检查新产品试制或生产过程中潜在的各种问题。这是将结构虚拟样机和功能虚拟样机结合在一起的一种完备型的虚拟样机。它将结构检验目标和功能检验目标有机结合在一起,提供全方位的产品组装测试和检验评价,实现真正意义上的虚拟样机系统。这种完备型虚拟样机是目前虚拟样机领域研究的主要方向。2.1.4 虚拟样机技术特点虚拟样机技术具有以下特点新的研发模式传统的研发方法是一个串行过程,而虚拟样机技术真正地实现了系统角度的产品优化。它基于并行工程使产品在概念设计阶段就可以迅速地分析、比较多种设计方案,确定影响性能的敏感参数,并通过可视化技术设计产品、预测产品在真实工况下的特征以及所具有的响应,直至获得最优的工作性能。更低的研发成本、更短的研发周期、更高的产品质量通过计算机技术建立产品的数字化模型,可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验,从而无需制造及试验物理样机就可获得最优方案,因此不但减少了物理样机的数量,而且缩短了研发周期、提高了产品质量。实现动态联盟的重要手段动态联盟的概念即为了适应快速变化的全球市场,克服单个企业资源的局限性,出现了在一定时间内,通过Internet 临时缔结的一种虚拟企业。为实现并行设计和制造,参盟企业之间产品信息的交流尤显重要。而虚拟样机是一种数字化模型,通过网络输送产品信息,具有传递快速、反馈及时的特点,进而使动态联盟的活动具有高度的并行性。2.2 虚拟样机的特点2.2.1 虚拟样机的功能组成虚拟样机技术的实现,必备的三个相关的技术领域是: CAD技术、计算机仿真技术和以虚拟现实(Virtual Reality )为最终目标的人机交互技术。虚拟样机技术生成的前提是虚拟部件的“制造”。成熟的SolidWorks三维几何造型软件能快速、便捷地设计和生成三维造型。虚拟部件必须包含颜色、材质、外表纹理等外在特征以显示真实的外观,同时还必须包含质量、重心位置、转动惯量等内在特征,用来进行精确的机械系统动力学仿真运算。SolidWorks5-6生成的三维造型数据只有在导入虚拟样机环境,在虚拟环境中能测量和装配,并能显示出三维的外观造型后才能成为真正意义上的虚拟部件。 SolidWorks三维造型还是实现最终从虚拟部件“制造”到现实部件制造的基础。虚拟样机是代替物理样机进行检测的数学模型。它的内核是包含组成整机的不同学科子系统的大模型,即Digital Mock-UP,简称DMU。由于DMU同时包含了产品设计的所有学科提供的多个视角,并对产品的外形、功能等方面进行了科学、连贯的评价,因此通过虚拟样机,能进行产品综合性能评测。传统设计方法注意力集中于单学科,重视子系统细节,而忽视了整机性能,就是因为无法同时从多视角对产品综合性能进行评定。虚拟样机必须具备交互的功能。设计师通过交户界面对参数化“软模型”进行控制,实现虚拟样机原型多样化。而虚拟样机反过来通过动画、曲线和图表等方式向设计师提供产品感知和性能评价。最好的交互手段是虚拟现实技术。除了应用上述传统方式,设计师还能通过数据手段,修改虚拟部件的参数,对虚拟部件重新装配,生成新的虚拟样机。虚拟样机仿真模型,通过力反馈操纵杆等传感装置,向设计师传递虚拟样机操纵力感,通过立体眼镜向设计师提供实时的立体图像,有了这些人类对产品的直观感知,就能使设计师产生强烈的“虚拟现实”沉浸感,协助设计师和用户对产品性能做出评价。计算机网络、计算机支持的协同工作技术(Computer Supported Cooperative Work,简称CSCW) 、产品数据管理( PDM)和知识管理等是虚拟样机技术实现的重要低层次技术支撑。通过这些技术将产品的各个设计、分析小组人员联系在一起,共同完成新产品从概念设计、初步设计、详细设计直到方案评估的整个开发过程。2.2.2虚拟样机的生产流程生成虚拟样机的具体流程如图2-2所示。图2-2 虚拟样机的生产流程在第一阶段,描述虚拟部件的CAD 数据必须产生,并且做针对实时应用的预处理。CAD 数据的产生,可以采用反求工程方法,从现有产品上获取,或直接由CAD三维造型软件设计产生。第二阶段是针对DMU 仿真的需要对CAD几何造型进行后处理。首先是对模型的几何部分进行分层管理，以支持对每个零件的交互访问,实现参数修改。这一点在常用的三维造型软件中都能做到；其次是给零件添加颜色、材质等属性，赋予虚拟部件的真实外观；最后为CAD几何造型能准确导入到虚拟样机仿真环境中进行处理,建立参照坐标系。第三阶段是将处理好的CAD三维模型连接到虚拟样机内核上，使之与定义好的运动联结( joints) 、运动约束(Constraints)的机构系统以及其它子系统有机联系在一起，最后在虚拟样机仿真环境下生成虚拟样机。2.3虚拟样机技术的研究情况美国Iowa 大学与Caterpillar 公司合作,开发了装载机专用仿真软件IDS ( Iowa Driving Simulator) 。装载机专用仿真软件IDS 的开发经历了3 个阶段:IDS 开发的第1 阶段:在考虑了轮胎和液压系统作用的前提下,建立装载机开环模型、仿真装载机行驶过程中的操作性能以及仿真装载机行走过程中和工作过程中驾驶员的运动。IDS 开发的第2 阶段:开发了图形用户界面,建立矿山路面和矿山场景的装载机虚拟仿真环境。图形用户界面能够修改装载机仿真模型的参数,包括底盘参数、传动系统参数、液压系统参数和轮胎参数。修改所需要研究的参数后,仿真软件在虚拟环境中快速改变设计参数,装载机按照修改后的参数重新装配,精确性较高,实时性较强。IDS 开发的第3 阶段:考虑到装载机发动机的驱动液压马达,仿真模型中连接了液压系统与传动系统,对装载机底盘和工作装置模型进行细化,进一步提高仿真精度。模型仿真工作装置的工作过程,研究解决了机械系统与液压系统的协调性能。瑞典Volvo公司与瑞典Linkping大学、瑞典Royal Institute of Technology 等合作,为解决复杂工程车辆多学科仿真问题,发展多学科仿真集成软件技术,合作制订了VISP 研究项目。VISP 目标针对工程人员采用合适的方法,开发界面友好的动力学分析研究软件平台,进行复杂工程车辆的建模和准确的仿真。VISP 以装载机为研究对象,仿真内容包含装载机整车机械系统、控制系统和液压系统。国外的虚拟样机技术已走向商业化，目前比较有影响力的软件有美国机械动力学公司（Mechanical Dynamics Inc1）的ADAMS（Automatic Dynamic analysis of Mechanical System）机械系统自动动力学分析软件，CADSI 的DADS（Dynamic Analysis and Design System） 动力学分析和设计系统软件，德国航天局的SIMPACK。其中美国机械动力学公司的ADAMS 占据了市场的50 %以上，其它软件的还有Working Model 、Folw3D、IDEAS、ANSYS 等等。国内的企业在虚拟样机技的应用上，主要是集成现成的国外软件，如PRO/E、ADAMS、MATLAB、ANSYS 等。对国外软件的依赖性强，单位投资大。有些单位采用对市场上现有软件进行二次开发的方式，来满足设计分析的需要。关于虚拟样机技术的研究主要是依托专业研究机构及高校研究机构，如清华大学、北京航空航天大学、国防科技大学、天津大学、中国农业大学、西南交通大学等高校都针对不同的领域有各自得研究成果。北京航空航天大学、国防科技大学等单位，很早就投入了虚拟样机技术的研究和应用，在开发系统仿真平台、协同环境研究、使用并行工程等方面都取得了一定的研究成果，并提出了设计分析仿真一体化设计方法。国内有些高校正试图针对专业领域，开发实用化软件，力求开发出国产的商业化软件。技术方面，对可视化的研究已经较为成熟，但在分析方面仍比较欠缺。由于虚拟样机技术涉及多领域知识的综合应用，不同的研究机构，在建模仿真、动力学分析、热特性分析等方面各有优势，在大型复杂系统的开发中，常采用多个机构合作的方式，协同设计、复杂产品的开发方法等方面仍有待研究。我国已有单位在着手开发复杂产品的虚拟系统，寻找研究方法和思路，已经取得了阶段性的成果，建立了研究框架，但仍需要长时间的研究和努力。2.4 虚拟样机技术的应用在美国、德国等发达国家虚拟样机技术已被广泛应用，应用的领域涉及汽车制造、机械工程、航空航天、军事国防、医学等各个领域，涉及的产品由简单的照相机快门到庞大的工程机械。虚拟样机技术使高效率、高质量的设计生产成为可能。美国波音飞机公司的波音777 飞机是世界上首架以无图纸方式研发及制造的飞机，其设计、装配、性能评价及分析均采用了虚拟样机技术，这不但使研发周期大大缩短（其中制造周期缩短50%），研发成本大大降低（如减少设计更改费用94%），而且确保了最终产品一次接装成功。通用动力公司1997 年建成了第一个全数字化机车虚拟样机，并行地进行产品的设计、分析、制造及夹具、模具工装设计和可维修性设计。日产汽车公司，利用虚拟样机进行概念设计、包装设计、覆盖件设计、整车仿真设计等。Caterpillar 公司采用了虚拟样机技术，从根本上改进了设计和试验步骤，实现了快速虚拟试验多种设计方案，从而使其产品成本降低，性能却更加优越。John Deere 公司利用虚拟样机技术找到了工程机械在高速行驶时的蛇行现象及在重载下的自激振动问题的原因，提出了改进方案，且在虚拟样机上得到了验证。美国海军的NAVAIR/APL 项目，利用虚拟样机技术，实现多领域多学科的设计并行和协同，形成了协同虚拟样机技术（collaborative virtual prototyping），他们研究发现，协同虚拟样机技术不仅使得产品的上市时间缩短，还使得产品的成本减小了至少20%。我国虚拟样机技术最早应用于军事、航空领域，如飞行器动力学设计、武器制造、导弹动力学分析等。随着计算机技术的发展，虚拟样机技术已经广泛的应用到了机械工程、汽车制造、航空航天、军事国防等各个领域，在很多具体机械产品的设计制造中发挥了作用。如复杂高精度数控机床的设计优化、机构的几何造型、运动仿真、碰撞检测、运动特性分析、机构优化设计、热特性和热变性分析、液压系统设计等等。在虚拟造型设计、虚拟加工、虚拟装配、虚拟测试、虚拟现实技术培训、虚拟试验、虚拟工艺等方面都取得了相应的成果。例如将虚拟样机技术应用于机车车辆这样复杂产品的研发中，将传统经验与虚拟样机技术相结合，使动力学计算、结构强度分析、空气动力学计算、疲劳可靠性分析等问题得到更好的解决，为铁路机车车辆虚拟样机的国产化提供了一条有效的解决途径。在机构设计中，采用虚拟样机技术对机构进行动力学仿真，分析机构的精度和可靠性。虚拟样机技术应用在重型载货汽车的平顺性研究上，可以有效的评价汽车的平顺性，虚拟样机技术还可以对复杂零件进行虚拟加工，检验零件的加工工艺性，为物理样机研制提供保障。虚拟样机技术应用于内燃机系统动力学研究，为内燃机的改进设计提供依据。 虚拟样机技术在减速器动力学研究方面也有很多应用。目前，将虚拟样机技术运用到减速器动力学性能分析的也并不少见。我校的谌先文完成了对减速器标准零件和产品库的建立，并在此基础上建立了S42减速器的刚体虚拟样机模型，检验了该减速器虚拟样机的传动比，系统的稳定性，动态啮合仿真等分析。吉林大学的关喜春对三自由度非线形齿轮传动减速器进行仿真，通过添加辅助轮的办法考虑了齿轮内部因素如啮合刚度，啮合阻尼以及啮入啮出冲击对系统运动特性的影响。中国农业大学的李伟，何胜勇等人建立了摆线针轮减速器虚拟样机模型，对天津减速器总厂XW81751l型摆线针轮减速器的传动比进行了计算，对针齿与摆线轮啮合状况进行了仿真分析，并在此基础上进行产品的优化设计。总的来说，仿真过程可以划分为以下几个步骤： (1)传动比检验，验证虚拟样机的证确性。 (2)载荷历程分析，例如齿轮的接触力，轴承处的受力，轴承孔处的支反力，为在后续的有限元软件中分析提供载倚谱。 (3)根据分析问题的需要，选择输出响应。例如输入输出轴角加速度等振动分析。以及减速器内外部激励变化对其的影响用以检查其系统的稳定性。 (4)选出对系统影响比较大的参数，选择合适的目标函数，对减速器的结构进行优化设计。 但所有这些研究也存在如下问题： (1)论文中减速器虚拟样机是在理想环境下进行仿真分析的，忽略了零部件的受力变形，这与真实的物理环境下的分析有一定的误差。为了提高该虚拟样机仿真的置信度以及实现对实际系统的准确模拟，在本论文中，把关键部件转化为柔性体进行分析：其中，轴作为减速器机构中承受较大负载且容易扭曲的部件，齿轮作为传动过程中承受较大动载倚的部件，均可以作为柔性体来分析，考察受力变形等。 (2)在减速器动力学仿真研究的基础上，未见将建立的虚拟样机模型在Solidworks模块中进行振动分析，以更全面的研究减速器系统的振动和噪声，这是减速器动力学性能一个很重要的指标。(3)没有考虑温度升高对齿轮，齿轮轴及输出轴的变形对减速器动力学性能的影响。2.5 虚拟样机技术的局限性2.5.1 虚拟样机技术复杂应用难度大虚拟样机技术是对计算机技术、CAD技术、数学方法等多学科技术的综合应用，这对设计者提出了很高的要求。设计者如想要得心应手的应用虚拟样机技术就必须具有广泛的知识面，尤其是对计算机技术、CAD 技术、数学方法要非常熟悉，并能够将专业领域的知识综合到虚拟样机中。产品的复杂性、各学科的难度，知识的综合及设计者本身知识的不全面，给虚拟样机技术的应用带来相当大的难度，任何知识的欠缺，都将影响虚拟结果的正确性。复杂产品涉及的学科领域多，开发过程复杂，涉及团队、管理、技术诸多要素的集成和优化，涉及信息流、工作流、物流的集成和优化。传统的设计方法，主要重在几何信息的描述，对其他信息描述较弱，很难在系统层次上进行统一的描述。虚拟样机技术采用分布的、并行的方法来建立产品模型，要求能够一致的、有效的描述组织管理和协同运行这些模型。要给用户提供逻辑上一致的、可描述的与产品全生命周期相关的各类信息，并且支持各类信息的共享、集成与协同运行，能够从系统的层次上模拟产品的外观、功能、行为，支持不同领域人员从不同角度对同一产品并行地进行测试、分析、评估。目前对虚拟样机的研究很多都是集中在复杂产品的开发上，但在技术上非常复杂，开发难度相当大。2.5.2限制虚拟样机发展的因素 有些技术本身的不成熟，方法的不完善，限制了虚拟样机的发展。虚拟样机技术是比较前沿的技术，其中应用到的很多技术本身并不够成熟，有些方法本也不完善。对于复杂的问题，无法得到精确的解，多是将误差控制在允许的范围内。例如有限元方法是利用离散的简单图形去逼近实际的连续域，图像处理中的延迟时间、数值计算中得到的近似解等等这些方法上的不精确，会影响最终结果的精确性。再如设计和分析软件之间的数据交换存在信息丢失的问题。由于各个软件的信息格式和语法的不同，使得数据交换存在同构和异构两种数据交换，同构数据交换中信息丢失比较少，但异构数据交换中信息丢失比较严重，例如，几何模型转化为分析模型时的信息丢失的现象。目前设计软件与分析软件之间没有完全无缝的接口，通常是将几何模型数据转化为中间的文件格式（如IGES、STEP 格式等）再导入分析软件，但由于商业软件对这些格式的支持程度不同，这些中间格式本身也存在不完善之处，仍存在一定程度的信息丢失。有的单位在研究采用模型间的映射的方法来解决异构应用间的数据交换问题，但并未完全解决信息丢失问题。由此可见虚拟样机技术的发展，还依赖于相关技术和方法的发展。2.5.3虚拟样机无法完全取代物理样机对产品进行建模时，很难建立理想的、准确的、完整的模型。由于模型的建立多有近似之处，尤其是是分析模型。即使是建立了精确的几何模型，分析时受知识、技术的限制，常要对模型进行简化，尤其是复杂系统模型。分析模型常是在忽略次要因素的基础上进行简化得到的近似模型，这些忽略掉的信息，对产品的性能的影响无法考虑进去，影响分析的精度。在建立数学模型时，由于问题过于复杂，受知识和方法的限制，无法将所有因素都考虑进去，而是忽略了一些次要因素，因此得到的分析结果多是些近似的解，并不能百分百的反应现实的情况。在复杂产品的开发中，虚拟样机技术能够为产品开发提供技术支持，但不能取代物理样机，而是应与物理样机相结合，虚拟样机的分析结果可以指导物理样机的制造，物理样机的试验数据可以指导虚拟样机模型的修改，两者相互结合可有效的缩短开发周期，提高开发效率。2.6小结小结：本章首先对虚拟样机进行了介绍，讲了它的生产背景、技术定义，又对它的分类进行了简单的介绍，然后依次介绍了它的技术特点、功能组成、生产流程、研究情况以及它的技术应用和局限性，让我们对虚拟样机有了初步的了解。第三章 SolidWorks减速器的设计与虚拟装配3.1圆弧齿轮工作原理及特点3.1.1 圆弧齿轮传动原理齿轮减速器在各行各业中十分广泛地使用着，是一种不可缺少的机械传动装置。圆弧齿轮传动作为一种新型传动技术, 具有承载能力大,效率高,寿命长,工艺简单等特点, 目前已在我国石油、化工、冶金、矿山、机械等行业得到了广泛的应用。圆弧齿轮是用改变齿形的办法 ，从改善几何形貌和啮合机理 ，达到提高承载能力和使用寿命的目的。3.1.2圆弧齿轮的成形原理 圆弧齿轮是点啮合制传动齿轮，不同于渐开线齿轮的线啮合制。它的齿面是点接触共扼齿面，形成这种点啮合齿面的方法，最常用的是接触线法和包络法。在我国，圆弧齿轮的研究开始一直使用接触线法，后来又出现了包络法，但主要是接触线法，直到八十年代后，包络法的研究才开展开来。 A.接触共扼齿面接触线形成原理。 接触线法是以理论啮合点在和齿轮固连的坐标系中的轨迹一一接触螺旋线为基础，形成点接触共扼齿面的方法。因为在点接触共扼齿轮传动中，同一端截面内一对齿廓可以“任意”的选取，前提是保证对应的齿廓在啮合传动中不发生干涉。因此，我们选取一条过理论啮合点的曲线，令该曲线沿接触线作螺旋运动而形成螺旋曲面，即齿面。一般我们是选取圆弧曲线作为齿廓曲线的。若齿轮齿面是以齿轮的端面圆弧曲线作螺旋运动形成的，则为端面圆弧齿轮：若齿轮齿面是以齿轮的法面截形一一圆弧曲线作螺旋运动形成的，则为法面圆弧齿轮。理论上，我们还可形成其它形式的圆弧齿轮，如：准端面圆弧齿轮。但接触线法存在许多致命的缺点，引起许多理论、实际计算及具体应用方面的混乱，因此，有了包络法的出现。 B圆弧齿轮共扼齿面包络法形成原理 如图1-1所示，构件1的齿面1是由产形面P包络形成，而构件2的齿面2是由产形面Q包络形成。P和Q是沿某曲线JJ彼此相切并刚性的连接在一起的两个不同的曲面，那1和2就是一对点接触共扼齿面。若用cll表示P和Q。在包络形成过程中某一瞬时接触线，而用C12表示Q和2在同一时刻的接触线，当cll和C12是两条相交的曲线时，它们的交点是1和2在某一时刻的共扼点。这时，1和2称为点接触共轭齿面，1和2共扼点的集合正是P和Q的相切曲线JJ。产形面P，Q是一对彼此沿直线JJ相切的柱面，JJ直线平行于基本齿条(以产形面为齿面的齿条称为被加工齿轮的基本齿条)的节平面，与被加工齿轮的轴线之间的夹角为B。 图11 点接触共轭齿面包络过程 显然，由倾斜角为B的基本斜齿条包络形成的齿轮齿而，其节圆螺旋角必然为8，且柱面产形面P和Q彼此内切。曲率半径较小的柱面的内侧表面，在相对运动中包络形成构成之一的凸齿齿面Za， 曲率半径较大的另一柱面产形面的外侧表面在相对运动中则包络形成另一构件的凹齿齿面f。Ea和f构成了一对凸齿对凹齿的点接触共扼齿面。法面圆弧齿轮的产形面P、Q是圆柱面，其法向截面分别是半径为P。和P，的圆弧曲线(也就是圆弧齿轮基准齿形中凸齿齿廓圆弧半径和凹齿齿廓圆弧半径)。3.1.3 圆弧齿轮传动的特点 圆弧齿轮的基本齿廓是圆弧。齿轮的啮合传动依靠齿面沿轴向滚动而实现 。所以圆弧齿轮有以下优点： (1)圆弧齿轮有很大的相对曲率半径，相同尺寸的齿轮 ，圆弧齿轮的相对曲率半径为渐开线齿轮的1040倍。因此 ，圆弧齿轮的接触强度可达到渐开线齿轮的24倍 ，具有很高的承载能力。 (2)圆弧齿轮的齿高较低 ，齿根圆弧很大。对于双圆弧齿轮齿根厚度可通过增大齿厚比来增厚。所以双圆弧齿轮的齿根应力较小 ，有利于提高弯曲强度，弯曲承载能力比渐开线齿轮提高约50% 。 (3)圆弧齿轮由齿面轴向滚动而实现传动，圆弧齿轮的齿面滚动速度很大 ，为圆周速度的26倍，加之采用高粘度润滑油，有利于油膜形成，它的油膜比渐开线齿轮传动约厚510倍，具有良好的润滑性能，对防止点蚀和磨损起很大作用 。 (4)圆弧齿轮沿齿高各点的滑动速度相同，因此 ，有良好的跑合性能 。由于齿高各点磨损均匀，初期磨损，有利于提高啮合精度。更由于滑动速度很小，正常磨损极小。这与渐开线齿轮磨损后，破坏齿形精度 ，导致失效有本质不同(5)基于以上优点，调质精滚的软齿面（HB230300）和中硬齿面（HB300350）圆弧齿轮的承载能力接近或达到淬火、磨齿的硬齿面（HRC58以上） 渐开线齿轮水平。由于避免了淬火和磨齿两道最复杂、成本最高的工序 ，因而圆弧齿轮有工艺简单、成本低、便于自主生产的优点，而且毋需修形（专利）工艺。这对高速传动和大型齿轮传动更具有特殊意义 。3.1.4 减速器工作原理工作原理就是利用各级齿轮传动来达到降速的目的.减速器是由各级齿轮副组成的。本文主要采用SolidWorks软件对圆弧齿轮传动中各零件建立三维几何模型、三维虚拟装配及工程图生成。再充分发挥SolidWorks设计的优点，不断优化零件结构。利用本文的方法设计单级圆弧齿轮减速器，具有方便、快捷、可靠的特点。3.2 齿轮的设计计算圆弧齿轮传动的主要参数（）对传动的承载能力和工作质量有很大影响。各参数之间有密切的联系，相互影响，相互制约，选择时应根据具体工作条件，并注意他们之间的基本关系： 3.2.1 选定齿轮的基本参数小齿轮齿数z1的选择原则：1.圆弧齿轮没有根切现象，齿数不受根切齿数限制，但齿数太少不能保证轴的强度和刚度。2.当b、d一定时，小齿轮齿数少则法向模数大，不易保证应有的纵向重合度。3.在满足弯曲强度条件下，应取较大的齿数。一般推荐中低速传动。齿数取1635，在高速传动中，小齿轮齿数取2550。 根据齿轮选择原则，将齿轮小齿齿数设计为Z1 = 25, Z2 =100 ,选取螺角初螺旋角,=10，则传动比为按齿面接触强度设计按机械设计试算1、确定公式内各计算数值 （1）试选载荷系数 （2）已知小斜齿轮传递的转矩 （3）选取齿款系数 （4）查机械设计得端面重合度为 所以， （5）齿数比 （6）由机械设计查表得 材料弹性影响系数 （7）查表得区域系数 （8）按齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限 （9）计算应力循环次数 （10）查得 （11）计算接触疲劳许用应力 取失效概率为1%，安全系数S1，有： 2、计算 （1）计算小齿轮的分度圆直径，由计算公式得 （2）计算圆周速度 （3）计算齿宽b及模数m （4）计算纵向重合度 （5）计算载荷系数K 查得使用系数 根据，8级精度，得 查表得齿间载荷分配系数，齿向载荷分配系数 由，得齿向载荷分配系数 载荷系数（6） 按实际的载荷系数K校正速算的得分度圆直径， （7） 计算法面模数 3.2.2 按齿根弯曲强度设计1、确定公式内各计算数值 （1）由机械设计查得齿轮的弯曲疲劳强度极限（2）（3）计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数S1.4,得 （4）计算载荷系数K （5）根据纵向重合度，螺旋角影响系数 （6）计算当量齿数 （7）查取齿形系数 查表得 （8）取应力校正系数 查表得 （9）计算大、小齿轮的,并加以比较 2、设计计算 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的法面模数，取（查机械原理）已可满足弯曲强度。但为同时满足接触疲劳强度，需按接触疲劳强度算得的分度圆直径来计算应有的齿数于是由 ，取，则3.2.3计算几何尺寸 1）计算中心距，取2）按圆整后的中心距修正螺旋角 误差在5%以内，螺旋角值改变不多，故参数、K、ZH等不必修正。 3）计算大、小齿轮分度圆直径 4）计算齿轮宽度 圆整后，取; 计算所得结果如下表: 表3-1 齿轮各参数 名称符号小齿轮大齿轮螺旋角10.5法面模数mn端面模数mt法面压力角20分度圆直径d齿顶高hamm齿根高hf齿顶圆直径da齿根圆直径df齿宽B 3.3 齿轮减速器的三维建模3.3.1 底座的三维模型形成 建立底