一级圆锥齿轮减速器的CAE技术毕业设计

一级圆锥齿轮减速器的CAE技术摘要 随着科学技术和国民经济的发展，渐开线齿轮传动减速器的需求量越来越大，质量要求也越来越高，传统的减速器设计方法己不能满足用户的需求，CAD/CAE技术的迅速发展使得它无论在机械、电子、航空、建筑等领域都获得了成功的应用。这对于提高产品性能和质量、缩短产品开发周期、降低成本和增强市场竞争力起了巨大的作用。对减速器进行CAD/CAE下的建模和仿真，是传统技术和现代技术的紧密结合，它不但符合科技发展的规律，也会使各自的应用、研究及发展获得意想不到的效果。ProMECHANICA Structure 是集静态、动态结构分析于一体的有限元模块，它不仅能够模拟真实环境为模型施加约束及载荷，而且能够测算模型的应力、应变、位移等参数，实现静态、模态、翘曲、疲劳、动态响应、振动等分析。本课题主要以Pro/E软件为工具，进行了圆锥齿轮减速器的虚拟设计和运动仿真，齿轮齿阔的静应力分析，完成了减速器的CAE过程。 关键词 圆锥齿轮减速器 装配 运动仿真 参数化设计 Pro/Mechanic Structure 有限元分析The CAE technology of Level taper gear reducerAbstract：Along with the science and technology and the national economy development, the demand of involute gears transmission reducer is biger and biger, the quality requirement is also higher and higher, and the design method of traditional gear reducer oneself can not satisfy the users the demand, the CAD/CAE technology rapid development causes it regardless of in domains and so on machinery, electron, aviation, building has all obtained the successful application. This regarding play the huge role to enhance product performance and quality, reduce product development cycle, reduce the cost and strengthen the market competitive power。The gear for modeling and simulation under CAD/CAE is the combination of traditional and modern technology, it not only conform to the rules, also can make their application, research and development to acquire the result that is not expected. ProMECHANICA Structure is a static and dynamic structural analysis in one of the finite element module，it not only simulate the real environment and impose restraint and load for a model, also can measure the model of stress, strain, displacement and other parameters, besides it can also realize the static, modal, warping, fatigue, dynamic response, vibration analysis, etc. This subject mainly make use of the Pro/E software to achieve taper gear reducer of virtual design and motion simulation, and the static stress anylsys of gear tooth, and complete CAE process of the reducer.Keywords： Taper gear reducer assembly Motion simulation Parametric design Pro/Mechanic Structure Finite element analysis 目 录1 引 言11.1 概述21.2 减速器的类型及综合评价指标31.2.1减速器的分类31.2.2 综合评价指标31.3 减速器的现状及发展趋势41.4计算机辅助技术在制造业中的应用和发展现状51.4.1计算机仿真在制造业中的应用和发展现状51.4.2 CAD/CAE技术应用、研究现状72 系统结构总体设计122.1 传动方案拟定122.2 电动机类型选择122.3 确定传动装置的中传动比和分配级传动比122.4 传动装置的运动和动力参数的设计132.5 齿轮传动设计142.5.1选定齿轮传动类型、材料、热处理方式、精度等级142.5.2按齿面接触疲劳强度校核142.5.3按齿跟弯曲强度设计162.5.4齿轮几何尺寸计算172.5.5锥齿轮齿跟弯曲疲劳强度校核192.5.6锥齿轮的结构192.6 轴及轴承的设计与选择192.6.1求输出轴、输入轴上的功率、转速和转矩192.6.2求作用在齿轮上的力192.6.3初步确定轴的最小直径202.6.4轴的结构设计212.6.5求轴上的载荷222.6.6按弯扭合成应力校核轴的强度242.7箱体结构设计242.8润滑方式及密封件选择263圆锥齿轮减速器的三维建模273.1输入、输出轴的三维建模273.1.1输入轴的三维建模273.1.2输出轴的三维建模293.2输入、输出轴上锥齿轮的参数化建模293.2.1输入轴上锥齿轮的参数化建模293.2.2输出轴上锥齿轮的三维建模363.3减速器箱体的三维建模373.3.1减速器上箱体的建模373.3.2减速器下箱体的三维建模403.4轴承端盖及其它零部件的三维建模414 圆锥齿轮减速器的装配与运动仿真434.1装配434.1.1零件装配基本流程434.1.2装配过程中常用的方法434.1.3装配齿轮减速器444.2运动仿真504.2.1运动仿真概述504.2.2齿轮减速器的运动仿真505 有限元分析555.1 Pro/Mechanic Structure有限元分析555.1.1Pro/Mechanic Structure的主要功能555.1.2Pro/Mechanic Structure的分析类型565.1.3圆锥齿轮的有限元分析565.1.4圆锥齿轮的有限元分析结果63总 结64致 谢65参考文献66附 录67III1 引 言原动机、传动机和工作机（执行机）是机械系统的三大基本构成。原动机提供基本的运动和动力。工作机是机械具体功能的执行系统，随机械功能的不同，工作机的运动方式和结构形式千差万别。由于原动机运动的单一性、简单性与工作机运动的多样性、复杂性之间的矛盾，需用传动机将原动机的运动和动力，如速度、力或力矩的大小和方向等进行转换并传递给工作机，以适应工作机的需要。可见，只要原动机的运动和动力输出不能满足工作机的要求，传动机的存在就是必然的。目前在工程实际中，广泛使用的传动装置有齿轮传动机构，链传动、皮带传动、蜗轮蜗杆传动等。在普通齿轮传动中，单级传动比小，且由于重合度的限制，其承载能力受到一定的影响，因此研究一种新型，高性能的传动装置显得十分必要。在传动装置中，国内外大多采用的是齿轮传动及其变形，同时摆线针轮减速器等相继研制成功并推广使用。与齿轮减速器相比，连杆凸轮减速器的单级传动比大；借助一齿差原理大幅度提高了重合度，因而承载能力提高；高副处为滚动摩擦因而摩擦力小，机械效率高。采用的是一齿差原理，是一种传动比大，承载能力大，机械效率高的传动装置。在摆线针轮减速器中转臂轴承受力较大，其转速又高于高速轴的转速，而且转臂轴承的尺寸又受到限制，故转臂轴承成为薄弱环节。为克服上述减速传动的缺点并保留其优点，实现机械传动装置的高性能、低成本和小型轻量化，从传动原理上创新了一种新型的连杆凸轮减速器，该减速器与近年来成功研制的双曲柄环板针摆行星减速器类似，不仅保留了环板式传动可省去输出机构而输出轴刚性好；转臂轴承由行星轮内移至行星轮外，尺寸不再受限制，从而传递的转矩可以较现有的摆线针轮减速器更大等优点，而且又保留了原摆线针轮行星减速器同时啮合齿数多，总法向力与总圆周力间夹角小、摆线轮与针轮齿均为硬齿面等本质上的优点，克服了现有以渐开线为齿形的诸种环板式减速器难以避免的缺点。因此，连杆凸轮减速器是一种体积小、重量轻、传动比范围大、传动效率高、传动平稳、输出轴刚性大、传动转矩范围更大、并具有很高实用价值的新型减速器。在我国CAD、CAE已经得到了广泛的应用，在大多数的大型制造企业已经相当的成熟。因为CAD是辅助设计，不是辅助绘图，设计不但要想到产品的机械模型，还应想到产品的结构分析、运动机构分析和生产加工处理等，只有这样才能真正发挥CAD的作用。要真正做到这一点，单凭二维设计是不够的，虽传统制图方法是通过二维视图描述三维实体，但它做不到进一步的结构、运动机构分析和数控加工，不能真正做到生产的自动化，甚至二维视图描述会出现二意性和理解错误，于是必须找到更先进合理的三维设计手段，使CAD、CAM、CAE以及PDM容为一体。激烈市场竞争已使工业产品的设计与生产厂家清楚意识到：能更快地推出优秀的新产品，就能占领更多的市场。为此，CAD/CAE方法作为能缩短产品开发周期的得力工具，被越来越频繁地引入产品设计与生产的各个环节，以提高竞争力。从设计产品和对性能的简单校核，逐步发展到性能的准确预测，再到工作过程的精确模拟，使人们对CAD/CAE方法充满信赖。计算机辅助技术已经成为现代设计研究的主要手段和工具，在产品开发制造的各个阶段发挥重大作用。此次设计是在以前有关连杆凸轮减速器的研究基础上，基于现代化的CAD、CAE软件对连杆凸轮减速器进行3D建模、虚拟装配，构造虚拟数字样机进行各类进行动力学仿真与运动学仿真。该过程将方案设计、优化设计、零件建模、动态模拟装配、模态分析、高级渲染、动力学分析、运动仿真以及工程图绘制等设计全过程集于一个软件当中，这样做可以更加有效地更加快捷地对产品进行设计，大大缩短产品设计研发周期，提高了产品设计的准确性，大大降低产品开发设计成本，全面实现产品的数字化设计制造工程，提高产品的市场竞争力。本设计说明书介绍有关减速器的基本情况，了解连杆凸轮减速器的研发过程和工作原理，主要对该减速器的零件进行数字化3D建模设计和简单装配及运动仿真的研究。1.1 概述减速器是指原动机与工作机之间独立的闭式传动装置，用来降低转速并相应的增大转矩，它是机械系统的重要组成部分，并直接影响机械系统的性能。由齿轮、轴、轴承及箱体组成的齿轮减速器，用在原动机和工作机或执行机构之间，起匹配转速和传递扭矩的作用，在现代机械中应用极为广泛，是一种不可缺少的机械传动装置此外；在某些场合，也有作增速的装置，并称为增速器。减速器是工程实际应用中常用的传动装置。就目前现有的机械系统发展情况来看，一般的机械系统通常包括三部分：原动机部分，执行部分，传动部分，其中传动部分位于原动机与执行部分之间。由于机械的功能是各式各样的，所以要求的运动形式也是各式各样的。同时，所要克服的阻力也会随着工作情况而异。但是原动机的运动形式、运动及动力参数却是有限的，而且是确定的，这就提出了必须把原动机的运动形式、运动及动力参数转变为执行部分所需的运动形式、运动部分及运动参数问题，而这个任务就是传动部分来完成的，因此，传动系统是机械系统中不可缺少的重要部分。另外，我们使用机械时，所用的原动机（电动机）其输出转速是一定的，如果要达到需要的转速时，只需选用足够大的传动比即可，相反，如果采用低速电动机，经济上不划算，且低速电机体积庞大。因此，在机械系统中，最主要的是传动部分，其传动装置以减速器为代表。1.2 减速器的类型及综合评价指标1.2.1减速器的分类减速器的种类很多，常见的减速器按其传动和结构特点可划分为以下几种：（1）齿轮减速器 主要有圆柱齿轮减速器，圆锥齿轮减速器和圆锥圆柱齿轮减速器。（2）蜗杆齿轮减速器 主要有圆柱蜗杆减速器，环面蜗杆减速器和锥蜗杆减速器（3）蜗杆齿轮减速器及齿轮蜗杆减速器（4）行星齿轮减速器（5）摆线针轮减速器（6）谐波齿轮减速器上述六种减速器已有标准系列产品，使用时只需结合传动功率，转速，传动比，工作条件和机器的总体布置等具体要求，从产品目录或有关手册中选择便可。新型减速器的研发将为用户提供更大的选择范围，并为现有减速器增添一种新传动理论。1.2.2 综合评价指标减速器性能的综合评价指标体系是减速器的一项重要的技术要求，一台减速器性能的优劣完全是由其综合评价指标体系来体现的。往往产品在设计过程中必须遵循一定的指标，当设计完成后，又必须建立相应的评价体系看产品的实际情况可以达到多少。目前，减速器的评价体系包括以下几方面： （1）传动比 传动比是减速器的重要指标，从而以满足减速要求，目前减速器的传动比种类很多，最小可是1，如果用三级圆柱齿轮减速器传动比可达到500。（2）效率 效率反映的是传动系统传递动力的能力大小的指标。（3）承载能力 与效率相似，承载能力亦是传动系统的一个重要指标，它反映装置在额定条件下，装置单位重量所传递扭矩的多少。（4）制造成本 按照通俗的看法对产品的要求就物美价廉，制造成本反映的是指价廉，一台产品必须在满足传动比、效率、承载能力、抗振、噪声以外，力求节约成本，这样才能在同类产品中具有竞争力。（5）振动、噪声 振动、噪声也是机械系统的重要指标，降低噪声和振动不但可以延长机器寿命而且可以体现机器在结构上的紧凑性。1.3 减速器的现状及发展趋势当前所用原动机大都是电动机。在调速电机还没完全普及时，减速器仍有较大潜力可挖，应用前景广阔。减速器主要应用于机械制造、轻工、化工、冶金、矿山机械、运输机械等行业，减速器的应用仍很广。从生产方面来看，减速器的生产大部分由专门减速器厂生产。所以在供需方面减速器并不是主导经济产品市场的，但它的市场前景是乐观的。就目前的工作过程应用中的减速器来分析，作为机械系统中起着重要作用的传动部件来，减速器的局限性也非常明显。首先，从传动比方面来说，作为一个重要的性能评价指标，传动比并不是任意设定的，它的变化给减速器的设计带来了数字变化的设计重复性。其次，从效率方面来说，它是机械系统的重要评价指标，直接反映系统传递动力的能力大小，而传递的动力除受其输出系统的影响外，就受减速器本身的影响，而目前采用的减速器均为传动的机械传动，例如，连杆凸轮减速器装置在同类产品中应当算比较高的效率了，可以达99%以上，这在目前是一个极限数字。最后，目前采用的减速器均使用机械传动。其接触副均为点、线接触。这将导致摩擦、误差产生，从而使传动效率降低。因此，常见的齿轮、蜗杆、滚子等减速器均是从传统的设计思路来的，它们可以归结为同一类型。所以减速器在其设计思路上有一定局限性。当前齿轮减速器普遍存在着体积大、重量大，或者传动比大而机械效率过低的问题。当前各国齿轮和齿轮减速器向着高承载能力、高齿面硬度、高转速、高精度、高可靠性、高效率、低成本、低噪声、标准化和多样化方向发展，即六高、二低、二化发展的总趋势。减速器和齿轮的设计与制造技术的发展，在一定程度上标志着一个国家的工业水平。总之，随着科技的进步，减速器领域将会有一次大的突破。然而，任何产品的发展都是以整个行业为背景的，受各行业现有水平的限制，这也就是说减速器的发展仍会有较大的潜力可挖。1.4计算机辅助技术在制造业中的应用和发展现状1.4.1计算机仿真在制造业中的应用和发展现状在工程技术界，系统仿真是通过对系统模型实验，去研究一个存在或设计中的系统。计算机仿真已成为系统仿真的一个重要分支，系统仿真很大程度上指的就是计算机仿真。计算机仿真技术的发展与控制工程、系统工程及计算机工程的发展有着密切的联系。一方面，控制工程、系统工程的发展，促进了仿真技术的广泛应用；另一方面，计算机的出现以及计算机技术的发展，又为仿真技术的发展提供了强大的支撑。计算机仿真作为必不可少的工具，在减少损失、节约经费、缩短周期、提高质量等方面发挥着重要作用。 （1）计算机仿真在制造业的应用和发展现状 制造业在国民经济中一般都占有最大的比重，自70年代以来，全球性的市场竞争日益激烈，产品消费结构不断向多元化、个性化方向发展，产品的更新期和交货期都在缩短，一些自动化技术如CAD、CAM、CAPP、NC、FMS、MRP及CIMS都得到快速发展。系统仿真作为一种重要手段，通常可以渗透到它们当中去，并帮助它们实现集成，从而促进了一些先进制造技术的发展。到80年代，仿真领域逐步转向了制造系统，并且呈现出一种生机勃勃的局面。本质上讲，仿真技术就是建立仿真模型和对模型实验的一种技术.计算机仿真过程的实现一般都可由计算机高级语言、仿真语言和仿真软件来完成。典型的仿真软件有仿真环境、仿真语言和程序包3种形式，其功能覆盖是不完全相同的。从下到上，大体反映了仿真软件的发展过程。到80年代中后期，开始出现了一体化仿真环境。现在，面向制造系统的仿真出现了一体化支撑软件，实现了仿真建模、仿真运行、输出分析的集成环境，仿真监控运用了并发执行机制，在数据库管理的基础上实现了模型数据、实验数据、仿真结果的统一管理，人工智能技术也应用在仿真建模、仿真运行和仿真结果的分析中。（2）计算机仿真的研究热点及对制造业的影响 80年代以来，系统仿真不断地朝着纵、横方向发展，在制造业方面，一个比较明显的进展就是“虚拟制造”.根据虚拟制造的概念，整个产品的设计和制造首先在计算机上进行，这样可以发现并解决该产品在制造之前可能出现的各种问题。 虚拟现实技术(VRVirtual Reality)亦称虚拟环境技术、灵境技术，是一种最有效地模仿人在自然环境中的视、听、动等行为的高级人机交互技术.它是在综合计算机图形学、计算机仿真技术、传感技术等多门科学技术的基础上发展起来的。它有“灵境(Immersive)”和“交互感(Interactive)”2个基本特征。通过基本特征，虚拟现实技术能描述事物内部及相互间真实的作用和交互，使用户仿佛置身于一个虚拟的世界中，从而拉近了用户与环境之间的距离，改变了人机交流的方式。利用VR技术的这些特性，可以对产品的各个阶段提供支持，例如在虚拟环境下设计产品及其生产流水线，测试和装配产品的零部件，客户可以验证产品是否符合要求等。 近年来，计算机仿真技术在制造业应用的另一个研究热点虚拟产品开发也是引人注目的。虚拟产品开发(VPDVirtual Product Development)首先源于并行工程（CE）思想。这种思想将现代先进的组织形式跟现代的哲学、文化混合为一体，是对产品设计及其相关过程(制造过、使用和支持过程)进行并行的、一体化设计的一种系统化模式的工作。CE能在产品开发一开始就考虑到投资、制造、装配、销售和维护及报废等整个生命周期的所有因素，这对解决产品设计与开发的矛盾非常有益。VPD就是在CE方法论的指导下，把CAD、CS和大规模产品数据管理系统综合起来，形成一个虚拟产品开发环境，使产品开发人员能够在这种环境下策划产品、设计产品、预测产品在真实环境下的性能、特征以及真实工况下所具有的响应，从而减少反复和变更的次数，减少甚至取消制作物理原型样机，如此就能很好地检验设计、指导和优化设计，有效地缩短产品的开发周期和大量地节省开发费用。VPD仿真技术是仿真技术发展的又一重要领域，它能深入到各种复杂产品的制造中，能够产生巨大的经济效益。现在，仿真技术的应用已经从单一的系统走向开放复杂的大系统。当仿真对象分布于广阔的时空领域，仿真任务要求将不同地理位置、不同类型(包括人在内)的仿真对象构成一个统一整体进行仿真时，产生了分布交互化仿真(DIS)。这种仿真系统包含有不同类型的实体虚体、真实实体和构造实体，这些实体可以基于不同目的系统、不同年代的技术、不同厂商的产品和不同产品组成，并允许它们交互操作。DIS实现用计算机网络将不同地点的仿真设备连接起来，通过实体间的数据交换构成时空到合成仿真环境的一种先进仿真技术。在这种复杂的分布综合的系统进行实时仿真时，必须提供快速、高效、大量的信息通道和相应的处理。美国是最早研究这种技术并投入使用的国家，已经完成了多项基于虚拟仿真的DIS工程项目，相关的协议与标准已经完成或正在完成。在制造行业，已经产生了类似于DIS的虚拟研究开发中心或虚拟企业。此外，为了适应快速变化的世界市场，克服单个企业难以在短期内具备所需资源的局限性，出现了在一定时限内，为了某一市场机遇，通过网络临时联结的一种动态联盟虚拟企业。围绕产品从概念设计到终止使用的整个生命周期，再从决策者、设计师、制造商、销售商和用户等全方位地去观察和研究产品，仿真技术已显示出它强大的生命力和发展潜力。面向21世纪，同其他领域一样，制造领域的仿真技术的仿真规模正在不断地扩大，仿真功能也在不断地朝智能化、可视化、集成化、并行化、分布交互化的方向发展。1.4.2 CAD/CAE技术应用、研究现状（1） 国内本领域的现状用CAD技术进行产品设计不但可以使设计人员“甩掉图板”，更新传统的设计思想，实现设计自动化，降低产品的成本，提高企业及其产品在市场上的竞争能力；还可以使企业由原来的串行式作业转变为并行作业，建立一种全新的设计和生产技术管理体制，缩短产品的开发周期，提高劳动生产率。三维CAD造型技术也称建模技术，它是CAD技术的核心。建模技术的研究、发展和应用，代表了CAD技术的研究、发展和应用。从20世纪60年代至今，三维建模技术的发展经历了线框建模、曲面建模、实体建模、特征建模、参数化建模、变量化建模，以及正在研究的产品集成建模、行为建模等发展过程。三维CAD以三维造型设计为基础，只要形成了三维模型，各种二维视图唾手可得。三维CAD/CAE技术在产品的三维造型、虚拟状配、工程图生成、动态干涉检验、机构运动分析和动态仿真、有限元分析等方面带来了革命性得突破，提高了设计效率和设计质量。三维设计的真正意义不仅仅在于设计模型本身，而是设计出模型的后处理工作。三维CAD/CAE技术主要包括以下内容：三维造型/三维设计、计算机辅助工程分析、机构运动分析/仿真、装配干涉检验、三维转二维、图样档案管理等。利用这种全过程的三维CAD/CAE系统完成设计以后，不仅使设计对象的几何形状和性能满足要求，而且使各方面的指标（强度、刚度、重量和成本等）都达到最佳状态，这是计算机辅助设计和辅助工程分析的根本目的。三维CAD/CAE符合设计者的思维习惯，可以充分发挥设计者创造力和想象力。三维 CAD/CAE技术不仅解决了产品设计和工程图绘制的问题，更重要的是利用三维CAD/CAE技术实现产品的虚拟设计、运动仿真和优化设计，所生产的三维零件可以直接与CAE/CAM/CAPP等CIMS技术进行数据交换和衔接，是将来实现无图样生产的关键技术之一，是实现虚拟制造的重要手段。掌握三维CAD/CAE技术的使用，已经逐步同使用计算机进行文字处理一样，成为产品开发、设计人员的一种基本技能。目前在我国CAD、CAE已经得到了广泛的应用，在大多数的大型制造企业已经相当的成熟。但很多企业，也只是做到用手工出图转变为计算机出图的现状，当然计算机出图是有很多优点的，漂亮、规范、修改容易、存档方便等。但是如果只是停留在这个阶段，就失去了CAD的作用，因为CAD是辅助设计，不是辅助绘图。既然是设计就不但想到产品的机械模型，还应想到产品的结构分析、运动机构分析和生产加工处理等，只有这样才能真正发挥CAD的作用。要真正做到这一点，单凭二维设计是不够的，虽传统制图方法是通过二维视图描述三维实体，但它做不到进一步的结构、运动机构分析和数控加工，不能真正做到生产的自动化，甚至二维视图描述会出现二意性和理解错误，于是必须找到更先进合理的三维设计手段，使CAD、CAM、CAE以及PDM容为一体。为此，CAD/CAE方法作为能缩短产品开发周期的得力工具，被越来越频繁地引入产品设计与生产的各个环节，以提高竞争力。从设计产品和对性能的简单校核，逐步发展到性能的准确预测，再到工作过程的精确模拟，使人们对CAD/CAE方法充满信赖。然而，提高产品竞争力不但需要提高产品的性能与质量，而且要降低产品的成本，因此人们需要找到最合理和最经济的设计方案。虽然分析人员可以不厌其烦地在屏幕前一次次修改设计参数以寻找最理想方案，但缩短开发周期的压力通常要求分秒必争，人们可能没有更多的时间对数据参数进行手工调整。于是，对CAD/CAE技术及其应用的研究也达到一个新高度。（2）CAD/CAE协同设计计算机辅助技术已经成为现代设计方法的主要手段和工具，而其中的CAE技术又成为现代设计流程的核心，CAE具有以下功能: (a) 应用数学模型，借助计算机分析计算，确保产品设计的合理性；(b) 与优化技术配合，找出产品设计最佳方案 ； (c) CAE所起到的虚拟样机作用能预测产品在整个生命周期内的可靠性，甚至产品与产品、产品与环境等之间的相容性；(d) 知识的获取是现代设计的关键，CAE才能真正提高设计者的知识技能，而其他手段通常都只能起到使设计者工作更顺手、能更好地表达设计意图等作用，较少增加关键知识。 历经数十年的发展，CAE技术的应用已经深入到设计流程的各个环节。CAE分析利用现代计算机强大的数值计算能力所起到的“虚拟样机”作用在很大程度上替代了传统设计中资源消耗极大的“物理样机验证设计”过程，极大地缩短了设计周期、减少了成本。但是，目前众多的设计单位将“CAD”与“CAE分析”截然分开，由不同的人或部门来完成设计与分析工作，存在工作和数据交接、结果等待和评判等过程，造成了整个设计流程的不畅通。事实上，在理想的现代设计过程中，CAE应该融入产品设计的各个阶段和环节，实现设计分析一体化。“CAE融入设计全过程”的观点已经得到世界上许多著名公司的广泛认可。设计工程师将其工作经验与系列软件相结合，以准确了解设计细节、及时把握设计方向，从而省时省钱，在竞争中取胜。 （3）CAE优化方法 设计过程实际上就是寻找最佳设计方案的过程。在保证产品达到某些性能目标并满足一定约束条件的前提下，通过改变某些允许改变的设计变量，使产品的指标或性能达到最期望的目标，就是优化方法。因此CAE优化设计技术所起的作用是极其重要的，与常规的优化技术相比，这种优化技术可大大提高设计效率。它可进行如下工作：(a)在有限元分析矩阵上利用高阶级数展开的方法求解目标函数与设计变量之间的复杂关系；(b)“一次有限元计算”即可完成整个优化设计过程；(c)与CAD软件联合进行形状参数优化。优化作为一种数学方法，通常是利用对解析函数求极值的方法来达到寻求最优值的目的。基于数值分析技术的CAE方法，显然不可能对我们的目标得到一个解析函数，CAE计算所求得的结果只是一个数值。然而，样条插值技术又使CAE中的优化成为可能，多个数值点可以利用插值技术形成一条连续的可用函数表达的曲线或曲面，如此便回到了数学意义上的极值优化技术上来。样条插值方法当然是种近似方法，通常不可能得到目标函数的准确曲面，但利用上次计算的结果再次插值得到一个新的曲面，相邻两次得到的曲面的距离会越来越近，当它们的距离小到一定程度时，可以认为此时的曲面可以代表目标曲面。那么，该曲面的最小值，便可以认为是目标最优值。这就是CAE方法中的优化处理过程，其通常需要经过参数化建模、求解、优化参数评价等步骤完成。现代CAE技术的发展已使人们的分析领域扩展到了各行各业的每个角落，所研究问题的深度及综合程度都在逐步提高，研究者的目光已从单一场分析转向了多场耦合分析，以追求更为真实的模拟结果。CAE软件的优化技术的适应范围也必然随之扩展，不但要求它能解决各种单场问题，而且应该能处理多场耦合过程的优化。（4）CAD/CAE技术发展趋势现代产品设计力求高效率、高质量、低成本，这对CAE分析工具也提出了更高的要求：有足够技术手段来真实地模拟产品工作行为。即真实模拟，它涉及到许多高难问题：高度非线性、多物理场耦合及产品系统级复杂装配体模型等。把设计工作的实际经验和计算机技术结合起来,将提高系统的实用性和先进性。因此，分析面广、分析程度深、分析对象复杂及应用便捷是现代CAE应用的发展方向，只有在这样的分析手段配置下，才能真正解决“真实模拟”的问题。因而在这样的背景下，CAD技术主要具有以下几方面的发展趋势标准化、开放性、集成化、智能化和虚拟现实(VR)与CAD的集成。这种趋势将体现在以下几方面真三维图形处理与虚拟现实、面向对象的工程数据库及其管理系统、多相多态介质耦合、多物理场耦合以及多尺度耦合分析、适应于超级并行计算机和机群的高性能CAE求解技术、GUI多媒体的用户介面。（5）CAD/CAE技术应用展望CAD/CAE技术的发展必定推动其应用范围的扩大和层次的加深，在产品开发制造的各个阶段发挥更大的作用。(a)概念设计阶段主要进行较为详细的、带有一定目标性的预演。主要有三个方面的应用：市场调研；技术设计，包括各种方案的计算机效果模拟和分析仿真论证；评估、准备相关生产设施。(b)在概念设计完成以后，紧接着就是详细设计。这一阶段要绘制各种零部件图样，确定彼此间的装配关系，评估产品的性能(结构强度、刚度、动力特性和生产性等)。该阶段需要操作简单、使用方便的CAE软件，以便用最少的时间完成评估工作。(c)样机制造阶段是根据详细设计提供的模型或数据完成试验样机的加工制造。该阶段是生产阶段，所以较少使用CAE软件，但可以用一些专业软件，如铸造分析软件、板料成形软件来指导生产。(d)产品测试评估阶段主要是利用各种测试和评估手段对产品成本、产品性能、产品质量和加工特性做出全面真实的评价，从而为设计更改和产品的生产提供可靠依据。随着科学技术和国民经济的发展，渐开线齿轮传动减速器的需求量越来越大，质量要求也越来越高，传统的减速器设计方法己不能满足用户的需求，CAD/CAM技术的迅速发展使得它无论在机械、电子、航空、建筑等领域都获得了成功的应用。这对于提高产品性能和质量、缩短产品开发周期、降低成本和增强市场竞争力起了巨大的作用。总之，对连杆减速器进行CAD/CAE下的建模和仿真，是传统技术和现代技术的紧密结合，它不但符合科技发展的规律，也会使各自的应用、研究及发展获得意想不到的效果。2 系统结构总体设计2.1 传动方案拟定（1）工作条件：使用年限10年，300天为一年，工作为两班工作制。（2）原始数据：变速箱传递作功率约为1.8(KW)；n1w为250r/min；传动比为2.3；轴夹角为90。方案拟定：由设计要求知采用V带传动与一级圆锥齿轮传动，即可满足传动比要求。2.2 电动机类型选择（1）电动机类型和结构的选择：选择Y系列三相异步电动机，此系列电动机属于一般用途的全封闭自扇冷电动机，其结构简单，工作可靠，价格低廉，维护方便，适用于不易燃，不易爆，无腐蚀性气体和无特殊要求的机械。（2）电动机功率选择式d总 (kw) 其中总为电动机至工作机之间传动装置的总效率。总=2式中：1、2、3、分别为齿轮传动、轴承、带传动的传动效率。取=0.96，0.98，0.96，则：总=0.960.9820.96 =0.89.所以：电机所需的工作功率：d总2.02(KW)（3）确定电动机转速ndixnw2.3x250575r/min根据所得电动机转速查取手册选择电动机型号为：Y112M6，其同步转速为1000r/min，满载转速为940 r/min，额定功率2.2KW。2.3 确定传动装置的中传动比和分配级传动比由选定的电动机满载转速nm和工作机主动轴转速nw（1）可得传动装置总传动比为： ia=nm/nw= 940/250=3.76总传动比等于各传动比的乘积分配传动装置传动比 ia=i0i （式中i0、i分别为带传动和减速器的传动比） （2）分配各级传动装置传动比： 根据设计要求，取i=2.3所以： i0=1.632.4 传动装置的运动和动力参数的设计将传动装置各轴由高速至低速依次定为轴，轴：i0,i1，.为相邻两轴间的传动比01，12，.为相邻两轴的传动效率P，P，.为各轴的输入功率 （KW）T，T，.为各轴的输入转矩 （Nm）n,n,.为各轴的输入转矩 （r/min） 图1.1传动装置简图（1）各轴转速轴：n=nm/ i0=940/1.63=575(r/min）轴：n= n1w=250(r/min)（2）各轴功率轴： P=Pd01 =2.020.96=1.94（KW）轴： P= P12 =1.940.960.98=1.8（KW）（3）各轴转矩电动机轴输出转矩为： Td=9550Pd/nm=95502.02/940=20.52 Nm 轴： T= Tdi001=32.2 Nm 轴： T= Ti112=32.22.30.960.98=69.7 Nm运动和动力参数的计算数值见下表：表2.1运动和动力参数表转速/r/min功率/KW转矩/ Nm轴5751.9432.2轴2501.869.72.5 齿轮传动设计2.5.1选定齿轮传动类型、材料、热处理方式、精度等级（1）齿轮类型由设计要求知选用标准直齿锥齿轮。（2）通用减速器的传动精度范围为68级，故选用7级精度。（3）查表选用小齿轮的材料为40cr(调质处理)，硬度为280HBS；大齿轮的材料为45钢（调制处理），硬度为240HBS。二者材料的硬度差为40HBS.初选小齿轮的齿数为Z1=22则大齿轮的齿数为Z2=2.322=51。2.5.2按齿面接触疲劳强度校核计算小齿轮分度圆直径 d12.92 确定公式内各参数值（1）试选载荷系数Kt=1.3（2）小齿轮传递转矩T1=9.55106P/n1=2. 99104 Nmm（3） 齿宽系数取=0.33（4）材料弹性影响系数 查表得 ZE= 189.8（5）查表得 小齿轮的接触疲劳强度极限 大齿轮的接触疲劳强度极限（6）计算应力循环次数N1=60n1jLh=605751(2830015) =2. 484109N2=1.08109（7）计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数S=1.计算（1） 试算小齿轮分度圆直径d1，代入中较小的值d12.92 =55.4mm（2）计算小齿轮的圆周速度（3）计算齿宽bRt=d1/2=69.5=b/R得 b=Rt =22.9 mm（4） 计算mt mt= d1/z1=55.4/22=2.52（5）计算载荷系数 根据小齿轮的圆周速度V=1.39，7级精度，查图得动载荷系数Kv=1.03齿间载荷分配系数 KHa=KFa=1使用系数 KN=1.00齿向载荷分布系数 KH= KF=1.5 KHbe 查表得KHbe=1.25， 则KH= KF=1.51.25=1.875齿形系数和应力校正系数 YFa YSa由于当量齿数 Zv1=Z1/cos=24 Zv2= Z2/cos(90-)=129查表得 YFa1=2.65 YSa1=1.58 YFa2=2.16 YSa2=1.81故载荷系数 K=KAKv KHa KH=1.93（6）按实际载荷系数校正所得的分度圆直径d1= d1=63.2mm（7）计算模数m= d1/Z1=63.2/22=2.872.5.3按齿跟弯曲强度设计 由设计计算公式 m确定公式内各参数值（1）由图查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 = 大齿轮的弯曲疲劳强度极限 =（2）由图差得弯曲疲劳寿命系数KFN1=0.85 KFN2=0.9（3）取弯曲疲劳安全系数 S=1.4 得 =KFN1/S=KFN2/S=（4）计算载荷系数K=KAKv KFaKF=1.931（5）齿形系数 YFa1=2.65 YFa2=2.16 YSa1=1.58 YS a2=1.81（6）计算大、小轮的 并加以比较 设计计算m 对比计算结果，得齿面接触疲劳强度计算的模数m大于齿根弯曲疲劳强度的模数。由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲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，可取弯曲强度算得的模数2.43，并圆整为标准值m=2.5mm。接触强度算得的分度圆直径d1=63.2mm，算出小齿轮齿数 Z1= d1/m=63.2/2.525大齿轮齿数 Z2=2.52558 这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。2.5.4齿轮几何尺寸计算（1）计算分度圆直径 d1= Z1m=252.5=62.5mm d2 = Z2m=145mm（2）计算齿轮宽度b=R R=d1 =78.4b=0.3378.4=25.9标准直齿锥齿轮传动的几何参数及尺寸（） 表2.2锥齿轮传动的几何参数和尺寸名称代号计算公式小齿轮大齿轮分锥角=arctan(z1/z2)=23.32=90-23.32=66.68吃顶高haHa=ha*m=1m=2.5mm齿根高hfHf=( ha*+c*)m=1.2b=3mm分度圆ddd1=mZ1=62.5mmd2=145mm齿顶圆ddada1=d1+2hacos=67.1mmda2=147.0mm齿根圆ddfdf1=d1-2hf cos=57.0df2=142.6锥距Rd1=78.4齿根角tan=hf/R=2.19顶锥角根锥角分度圆齿厚ss=当量齿数ZZ=Z/ cos=27Z=147齿宽BB=齿数ZZ=25Z=582.5.5锥齿轮齿跟弯曲疲劳强度校核 故 同样可得： 并且： 由上可得： ,故满足齿根弯曲疲劳强度的要求。2.5.6锥齿轮的结构由于小齿轮及大齿轮的齿顶圆直径小于160mm , 故可将大、小齿轮做成实心结构的齿轮。2.6 轴及轴承的设计与选择2.6.1求输出轴、输入轴上的功率、转速和转矩由前面计算可得：表2.3运动和动力参数表转速/r/min功率/KW转矩/ Nm轴5751.9432.2轴2501.869.72.6.2求作用在齿轮上的力其齿轮受力如2.2图所示： 图2.2齿轮受力图 输出轴上的齿轮：圆周力： 径向力： 压力角 轴向力： 其中由锥齿轮的受力分析可知; 且(为输入轴上的齿轮所受的力)2.6.3初步确定轴的最小直径选取轴的材料为45钢，调制处理。查表得A0=110： 确定输入轴与带轮相连接，令输出轴与联轴器相连接，其输出轴的最小直径是安装联轴器出轴的直径。为使所选的轴的最小直径与联轴器的孔径相适应，故需要同时选取联轴器的型号。联轴器的计算转矩：,查表取。则：=104.6Nm按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件，查表选用LX1型号的弹性柱销联轴器。其公称转矩为250Nm，半联轴器孔径d1=24mm(j1型)。半联轴器与轴配合的毂孔长度L=38mm。2.6.4轴的结构设计（1） 根据周向定位的要求确定轴的各段直径和长度根据零件设计要求及装配要求最终所确定的轴的各段直径和长度如下图所示：输出轴： 图2.3输出轴简图输入轴： 图2.4输入轴简图（2） 轴上零件的周向定位齿轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。根据结构要求查表选择：18的轴键：bhL=662822的轴键：bhL=662224的轴键：bhL=872832的轴键：bhL=10822（3） 确定轴上的圆角和倒角尺寸查表选择，取轴端倒角为145，轴肩处的圆角半径装配图2.6.5求轴上的载荷根据轴的结构图，做出轴的计算简图，并且根据轴的计算简图做出轴的弯矩图和扭矩图，如图2.5和2.6所示。其中轴的支反力可根据静力平衡方程计算得出： 图2.5输出轴的弯扭图 图2.6输入轴的弯扭图从轴的结构图以及弯矩图和扭矩图可以看出截面C是轴的危险截面，现将危险截面C处所受的支反力、弯矩、和扭矩列于表2.4。 表2.4输入、输出轴的弯扭和支反力输出轴输入轴载荷水平面垂直面水平面垂直面支反力/N弯矩M总弯矩/Nm扭矩T/Nm69.732.22.6.6按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面的强度。轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取，则：输出轴： 前面已选定轴的材料为45钢，调制处理，查表得： ， 因此， 故满足强度校核。 输入轴：同上， 故也满足强度校核。2.7箱体结构设计（1） 窥视孔和窥视孔盖在减速器上部可以看到传动零件啮合处要开窥视孔，以便检查齿面接触斑点和赤侧间隙，了解啮合情况。润滑油也由此注入机体内。窥视孔上有盖板，以防止污物进入机体内和润滑油飞溅出来。（2）放油螺塞减速器底部设有放油孔，用于排出污油，注油前用螺塞赌注。（3）油标油标用来检查油面高度，以保证有正常的油量。油标有各种结构类型，有的已定为国家标准件。（4）通气器减速器运转时，由于摩擦发热，使机体内温度升高，气压增大，导致润滑油从缝隙向外渗漏。所以多在机盖顶部或窥视孔盖上安装通气器，使机体内热涨气自由逸出，达到集体内外气压相等，提高机体有缝隙处的密封性能。（5）启盖螺钉机盖与机座结合面上常涂有水玻璃或密封胶，联结后结合较紧，不易分开。为便于取盖，在机盖凸缘上常装有一至二个启盖螺钉，在启盖时，可先拧动此螺钉顶起机盖。在轴承端盖上也可以安装启盖螺钉，便于拆卸端盖。对于需作轴向调整的套环，如装上二个启盖螺钉，将便于调整。（6）定位销 为了保证轴承座孔的安装精度，在机盖和机座用螺栓联结后，镗孔之前装上两个定位销，孔位置尽量远些。如机体结构是对的，销孔位置不应该对称布置。（7）调整垫片调整垫片由多片很薄的软金属制成，用一调整轴承间隙。有的垫片还要起调整传动零件轴向位置的作用。（8）环首螺钉、吊环和吊钩在机盖上装有环首螺钉或铸出吊环或吊钩，用以搬运或拆卸机盖。（9）密封装置 在伸出轴与端盖之间有间隙，必须安装密封件，以防止漏油和污物进入机体内。密封件多为标准件，其密封效果相差很大，应根据具体情况选用。箱体结构尺寸选择如下表2.5： 表2.5箱体结构尺寸名称符号减速器的尺寸关系箱座壁厚8箱盖壁厚18箱座凸缘厚度b12箱盖凸缘厚度b 112箱座底凸缘厚度b 220地脚螺钉直径df20地脚螺钉数目n4轴承旁联结螺栓直径d110盖与座联接螺栓直径d26连接螺栓d2的间距l150-200