基于SolidWorks的行星减速机的三维设计及虚拟装配

贵州大学本科毕业论文（设计）本科毕业论文（设计）论文（设计）题目：基于SolidWorks的行星减速机的三维设计及虚拟装配学 院： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 机自118 学 号： 1108030249 学生姓名： 郑凯 指导教师： 吴扬东 2015 年 5 月 30 日贵州大学本科毕业论文（设计）诚信承诺书本人郑重承诺：本人的毕业论文（设计），是在导师指导下独立完成。本人恪守学术道德遵守学术规范，毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。 论文（设计）作者签名： 日 期： 年 月 日贵州大学本科毕业论文（设计）摘要 行星减速机与其它的普通定轴减速器相比，它具有传动比大、承载能力大、重量轻、体积小以及效率高等特点。然而我国研发行星减速机产品与其它发达国家的产品相比，在质量和性能上存在很大的差别，其中的原因除了加工工艺的不同以及采用的材料不同外，更大的原因在于我们国家在设计方面落后。尤其是在体积小、传动精密以及与电机配合使用的小型行星齿轮减速机上尤为明显。 本文利用虚拟设计方法，在计算分析的基础上对行星减速机进行了设计，并对其轴系零件进行了有限元分析。 本文介绍了行星减速机的特点、分类、现状以及发展前景。并对本次设计的行星减速机和Solidworks软件进行了介绍。根据给定的原始数据，对行星机构进行分析，主要设计轴和齿轮的尺寸和外观，计算数据，并对其进行强度校核。然后利用Solidworks软件进行对所设计出的零件进行三维建模和整体装配，并举例其中的部分零件的三维建模过程和整体装配过程，并对轴系零件进行了有限元分析。关键字：2K-H行星减速机 Solidworks软件 三维建模 有限元分析III贵州大学本科毕业论文（设计）AbstractPlanetary gear compared to other common fixed axis reducer having transmission ratio, load capacity, light weight, small size and high efficiency. However, the development of a planetary gear products, compared with other products in developed countries, there is a big difference in quality and performance, for reasons in addition to the different materials used different and process technology, the bigger reason is that in our country design behind. Especially in the small, the transmission precision and small planetary gear reducer and motor for use particularly evident.This paper, virtual design method, based on the calculation and analysis of the planetary gear unit design and Finite Element Analysis of its shaft parts.This article describes the characteristics of planetary gear unit, classification, current situation and development prospects. The design of the planetary gear boxes and Solidworks software were introduced. According to the given raw data, analyzing planetary bodies, the size and appearance of the main shaft and gear design, calculations, and its strength check. Then use Solidworks software for the design of the parts and the whole assembly of three-dimensional modeling and three-dimensional modeling process, for example, and overall assembly process in which some parts of the shaft parts and Finite Element Analysis.Keywords: 2K-H planetary reducer Solidworks software 3D modeling Finite Element Analysis 目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1研究的目的及其意义11.2国内外研究虚拟装配现状11.3行星减速机的概述31.3.1行星减速机的应用31.3.2行星减速机国内外的发展情况31.3.3行星减速机的研究现状4第二章 行星减速机的机构分析62.1行星轮系的组成和分类62.1.1 周转轮系的分类62.1.2周转轮系的组成62.2 行星传动的分类和符号72K-H型行星齿轮分类72.3行星减速机的方案选定82.3.1初始条件82.3.2选定方案82.4电机选择82.5 2K-H型行星减速机的运动学简述82.5.1系统组成92.5.2运动学分析9第三章 重要零部件的设计与计算113.1轴的设计与计算113.1.1轴的结构选取和材料选取113.1.2输入轴的计算与校核113.1.3输出轴的计算与校核133.2齿轮的计算153.2.1材料的选择153.2.2 行星齿轮传动齿轮齿数应满足的条件153.2.3配齿计算173.2.4齿轮主要参数的设计计算183.2.5行星齿轮传动的强度校核203.2.6齿轮结构的设计243.3其他零件的选择243.3.1轴承的选择243.3.2键的选择253.3.3箱体的设计263.3.4润滑方式26第四章 2K-H行星减速机的三维建模以及虚拟装配274.1 Solidworks的介绍274.1.1Solidworks的简介274.1.2Solidworks的参数化建模274.2零件的建模274.2.1部分标准零件的建模274.2.2非标准零部件的建模294.3虚拟装配以及爆炸图344.3.1减速机的虚拟装配344.3.2减速机的爆炸视图37第五章 利用对轴进行有限元分析385.1有限元分析简介385.2轴零件的有限元分析385.2.1输入轴的有限元分析385.2.2输出轴的有限元分析39第六章 总结40参考文献41致谢42第 41 页贵州大学本科毕业论文（设计）第一章 绪论1.1研究的目的及其意义 随着现代科学的急速发展，机械这一行业也发生着巨大的改变，特别是近几十年来受到了机电一体化的影响，在机械行业、航空航天正在向着高速、高载、高精度以及自动化方向发展，使得各个机械领域不得不对设备的性能和稳定性提出了更高的要求，当前机械领域运用最多、最广泛的手段之一就是虚拟设计。 为了减少减速机上的轴和轴承上的载荷，行星减速机的功率由多个行星轮分流然后同轴输出，它比其它普通的定轴减速器，它的承载能力更大、传动比更大、重量较轻、体积较小、以及效率高等特点1。在航空航天、汽车、大型机械以及航海被广泛的使用。我国的行星减速机产品和其他发达国家的产品相比，在质量和性能上存在很大的差别，其中的原因除了加工工艺的不同，采用的材料不同外，更大的原因在于我们国家在设计方面落后。在发达国家，他们在设计机械产品时已经早早的就运用到了虚拟分析设计，他们往往利用现代的计算机辅助设计技术，将现代设计方法（有限元分析、优化设计等）应用到他们想要设计的产品中去，采用机械CAD系统在计算机上进行建模、仿真、分析和检查。采取这样的方式，投入生产后往往需要改动很少很少，实现了真正的三维设计。而我国，才刚刚由二维设计步入到三维设计，二维设计在投入产品生产中往往要进行许多的改动，使得产品开发周期变长、性能质量得不到保证。由于刚进入三维设计阶段，我国的设计在许多方面不成熟，尤其是传动精密、体积小、能与电机一起配套使用的小型行星齿轮减速机，三维虚拟设计的普遍应用以及快速发展直接影响了社会和生产的巨大改变。 然而，三维设计在我国又是处于较为薄弱阶段。因此，学生对行星轮减速机的三维设计、模拟装配和有限元分析，是一次十分有意义设计。1.2国内外研究虚拟装配现状 虚拟装配基于虚拟现实的产品虚拟拆装技术在新产品开发、产品的维护以及操作培训方面具有独特的作用。在交互式虚拟装配环境中，用户使用各类交互设备(数据手套/位置跟踪器、鼠标/键盘、力反馈操作设备等)犹如在真实环境中对产品的零件进行各类装配操作一样，在虚拟装配操作过程中，系统会对要装配的零件进行碰撞检测、装配约束和装配路径等指令，从而使设计人员能够对产品的可装配性进行分析、对产品零部件装配序列进行验证和规划2。在装配或拆卸完成以后，为了以后的分析和使用，系统往往能够及时完成记录装配过程，并生成报告单以及录像等参考文件。 早在1995年，美国华盛顿州立大学与NIST联合，进行了最早的虚拟装配的研究，他们一起开发了一款名为VADE（Viryual Assembly Design Environmen）虚拟装配设计系统。 (1)虚拟装配在国外的现状在国外，虚拟设计、装配的研究起步较早，无论是在理论上的研究或者是实践操作方面，都有较早和广泛的研究应用3。比如：美国华盛顿州立大学的Jyaaram等开发研制了一个称为“虚拟装配设计环境”(VADE)的虚拟装配设计系统。 美国Sandia国家实验室研究开发了一个名为Archimedes的用于生成优化和检查装配工艺的交互式装配规划系统。 德国的MichaelWeyrich等人通过调用OpenGL,InventorPerformer和Vega库，实现了面向虚拟制造的“虚拟工作台”交互环境4等。 (2)虚拟装配在国内的现状 在我国，虚拟设计、装配的研究发展起步较晚。我国是在90年代中后期开始进行虚拟装配方面的探索和研究工作5。虚拟装配技术的研究可分为三个阶段：虚拟装配技术理论知识的提出和完善阶段，虚拟装配技术原型系统的研发阶段， 虚拟装配技术在机械行业以及其他工业上的应用研究阶段。 国内开始进入第三阶段。 我国虚拟装配技术的应用研究尚处于发展阶段，起初只有为数不多的机构如清华大学、浙江大学、武汉理工大学和西北产业大学等院校作了有益的研究6-7， 由于虚拟现实设备非常昂贵，国内大多数研究被限制在介绍国外的进展理论探讨范围内。现在，由于机械行业对虚拟装配越来越注重，越来越多的科研机构已经在工业应用研究上使用了虚拟装配技术。1.3行星减速机的概述行星减速机经多个行星轮分流而同轴输出，它合理采用了齿轮的内外啮合，它与其它普通定轴减速器相比，具有承载能力大、效率高、重量轻、体积小、刚性好、传动比大以及性能安全可靠等优点。如图1.1所示。 图1.1 行星减速机1.3.1行星减速机的应用 行星减速机性价比高，至少可以代替现代80%以上的传统减速机，尤其是重型减速机8，因此被广泛用于工业上。如适用于起重运输、冶金、工程机械、建筑机械、石油化工、矿山、轻工纺织、仪器仪表、医疗器械、兵器、汽车、船舶以及航空航天等工业部门。另外，行星减速机与伺服电机一体化作为一种先进的控制匹配方案，具有模块化、系列化等优点。所以说，行星减速机在未来具有很大的发展前景。1.3.2行星减速机国内外的发展情况在我国，祖冲之在南北朝时期就发明了一款差动式指南车，该指南车初步的应用到了行星齿轮传动。自从19世纪以来，由于工程机械行业的大力崛起，扩大了齿轮传动的使用范围，同时促进了行星齿轮减速机的使用范围。1880年，首个行星齿轮传动装置的专利在德国出现，1951年，德国研发了首个高速大功率行星齿轮传动并在实际应用上取得了成功1，并且广泛运用到了船舶、航空及工程机械等领域。相比之下，国内开始行星减速机的研发要比国外晚很多，我国是在20世纪60年代的进行行星减速器的研究，当时研究的行星减速器大多是参照苏联20世纪4050年代的技术制造生产的，后来先辈经过不懈努力研发，虽有所发展，但是限于当时的设计、工艺水平及装备条件，减速机的总体水平与国际水平相比还是有较大差距。从改革开放以来，中国陆陆续续的从国外引进了一批又一批的先进加工装备，通过引进、消化、吸收国外先进的技术，慢慢逐步掌握了各种高速和低速重载行星齿轮装置的设计制造技术9。国内研发行星齿轮传动的机构和公司也有很多，他们专心于行星齿轮减速机的研究，并且取得一定的成绩。比如郑州机械研究所，他们对行星减速机研究就比较早，他们不仅在理论上取得一些有用的经验，而起对行星齿轮传动的结构以及传动的特性研究取得了较大的研究成果。但由于国外对此技术的大力封锁，即使不少的研究机构和公司取得不小成就，但相比国外，还是在精度和效率方面有着不小的差距，这一差距直接阻碍了我国行星减速机研究和现代工业行业的发展。在行星减速机这一领域，德国对行星齿轮传动技术的研究一直是世界的领头羊。在行星减速机的生产技术开发方面来看，国际上的行星减速机系列产品主要由德国的力士乐、SEW、卓伦、美国的菲尔费德、意大利的住友等公司提供，他们生产的减速机效率和传动精度相对来说较高10。1.3.3行星减速机的研究现状行星减速机的产品设计的好坏直接影响到了其在工作中的传动性能，也决定了该产品的性能和效益。其中，最为关键的部分就是行星齿轮传动部分，为了追求其传动性能好、传动效率高已经传动功率大等特点，许多的机构以及人员都在积极研究。经过查找资料，有关行星减速机设计的研究主要有：童舟的曲柄式渐开线少齿差行星减速机运动、效率和转矩分析11。文中分析了减速机的运动、效率以及转矩，最后采取了实例验证，对比了效率的损失因素对总体效率的影响。姚文席、张志强和黄蔚的摆线针轮行星减速机的回程误差分析12。文中分析了摆线齿轮的齿廓修行对回程误差以及传动误差的影响，相比较摆线齿轮的齿廓修行对回程误差影响较大对传动误差的影响较小。等人对于减速机进行了多目标优化设计13-14。文章中研究了减速机与装配和生产的约束变量，分析研究，得到完善的减速机方案。等人研究分析了行星减速齿轮传动中的传动误差15。研究了行星减速机的稳健性16。由此可见，利用计算机辅助系统对行星减速机的研究分析也越来越多，越来越深入。所以说针对三维设计开发的软件系统已经成为推动机械行业以及其他行业发展的一大推力，尤其实在行星减速机的研究上随着时代的进步，这一研究也会更加广泛。第2章 行星减速机的机构分析2.1行星轮系的组成和分类轮系是世界机械行业中运用最为广泛的机械传动之一，它通过齿轮与齿轮之间的一系列的相互啮合，将输入轴的运动传输到输出轴，实现运动传递。2.1.1 周转轮系的分类 在齿轮传动中，轮系中有一个或者多个的齿轮，它们的轴线绕固定的几何轴线回转，这样的轮系称为周转轮系，也称动轴线轮系17。周转轮系按照平面机构自由度的数目，可以分为以下两类： （1）行星齿轮轮系 在周转轮系中，平面机构的自由度为1的称为行星齿轮轮系。在实际运用中，动力只需要由一个个基本构件同时输入，该轮系就会有确定的运动。 （2）行星差动轮系 在周转轮系中，平面机构的自由度为2的称为行星齿轮轮系。在实际运用中，动力需要由两个基本构件同时输入，该轮系才会有确定的运动。2.1.2周转轮系的组成 周转轮系的主要构成如下： （1）行星轮：在周转轮系中，像行星一样拥有自转和公转的齿轮，称为行星轮，用符号g表示。 （2）中心轮：轴线与主轴线相同且与行星轮啮合的齿轮，称为中心轮。外齿中心轮（也称太阳轮）用符号a表示，内齿中心轮（也称内齿圈，内齿圈固定不动）用符号b表示。（3）行星架：用来支撑行星轮并让其公转的构件称为行星架，也可以称为转臂或系杆，用H表示。 （4）基本构件：当构件的轴线线与主轴线相重合，同时又承受外力矩，这样的构件称为基本构件。一般周转轮系都具有太阳轮、内齿圈和行星架这三个基本构件17 。2.2 行星传动的分类和符号根据基本构件的组成，行星传动可分为：2K-H、3K和K-H-V。根据迟来的啮合方式，可分为：NGW型、NW型、NN型、WW型、WGW型、NGWN型以及N型。其中字母代表的含义为：K代表中心轮；H代表行星架；V代表输出轴。N代表内啮合；W代表外啮合；G代表公用的行星轮。2K-H型行星齿轮分类 在2K-H传动中，基本构件是两个中心轮（太阳轮a和内齿圈b）和一个行星架H18。 图2.1为0的2K-H传动， a为WW型：由两个太阳轮和两个行星轮组成，行星轮同轴布置，形成两对外啮合。 b为NW型 c为NN型：由两个内齿圈和两个行星轮组成，行星轮同轴布置，形成两对内啮合。图2.1 2K-H行星传动（0）2.3行星减速机的方案选定2.3.1初始条件 输入功率，输入转速，传动比，允许的传动比偏差为。 要求：该减速机传动效率高、结构紧凑、质量轻以及体积小。2.3.2选定方案本次设计以型机为主。按照要求，该减速机的体积小、质量轻、效率要高，按照机械传动设计手册表6-1-1选取2K-H型的NGW型减速装置。为了结构紧凑，拆装方便，选取单齿圈行星轮减速机。该减速机有一个太阳轮a、一个内齿圈b以及三个行星轮g。2.4电机选择 输入功率，输入转速，经过查表，总和考虑选取Y160M-4型三相异步电动机，该电机的额定功率，同步转速19。2.5 2K-H型行星减速机的运动学简述为了后面的计算和虚拟设计，需要了解2K-H行星减速机各个构件之间的受力、角速度以及传动比情况，首先需要对运动学和动力学20的相关内容进行了解。2.5.1系统组成 本次设计的2K-H行星齿轮传动主要有一个太阳轮a，一个内齿圈b,3个行星轮g和行星架H组成。在安装时，必须满足一定的传动比、同心等的装配条件，否者会出现如下情况：不能正确安装，出现干涉等情况。2.5.2运动学分析 在行星齿轮传动中，由于行星轮的运动不是定轴线传动，不能用计算定轴传动比的方法来计算，而是采用固定行星架的所谓转化机构法以及图解法、矢量法、力矩法等来计算。现在采用行星架固定法21-22。 （1）行星齿比的计算在2K-H行星齿轮传动中，假设太阳轮a、内齿圈b、行星轮g和行星架H的转速分别为na、ng、nb和nH，并设各个齿轮的转向相同，取顺时针为正，行星架H固定。给该行星轮系添加一个转速，该转速与行星架H大小相同，方向相反。得到该行星轮系的基本构件转速关系： （2-1） 或 （2-2） 行星架H固定时： ：太阳轮a主动，内齿圈b从动时的传动比。 ：太阳轮a的转速。 ：内齿圈b的转速。 （2）行星齿轮传动中心轮转速的计算与行星轮g相对于行星架H的转速的计算公式采用行星架固定法，可得转速关系式： （2-3） （2-4） （2-5） （2-6） 行星架H固定时： ：行星轮g主动，太阳轮a从动时的传动比。 ：行星轮g主动，内齿圈b从动时的传动比。第三章 重要零部件的设计与计算3.1轴的设计与计算机器的重要零件之一就是轴，其作用主要用来支撑传动零件，如齿轮、链轮、带轮等，使其在固定的位置进行工作并具有传递运动和动力的指令。最为常见的轴有三种，分别为：软轴、直轴和曲轴。直轴又分为：转轴：承受弯矩和扭矩的，如减速器中的轴。心轴：支撑传动零件只承受弯矩不承受扭矩，如支撑滑轮的轴。传动轴：用来传递扭矩但不承受弯矩，如车辆的驱动轴。 3.1.1轴的结构选取和材料选取 （1）结构选取在本次设计的2K-H型行星减速器中，轴不仅仅承受了扭矩还承受了弯矩，它为转轴。考虑到了有利于提高轴的强度和便于装配、拆卸以及固定，一般都采用阶梯轴，阶梯轴的具体结构取决于该轴上需要装配以及固定的零件，以及装配的顺序、以及轴的结构工艺性，同时还要考虑是否有利于提高轴的疲劳强度23。 （2）材料的选取考虑到轴的加工工艺和材料来源及经济性等条件。选取45钢 调制。其主要的力学性能查表15-1，查表15-3得：取，23。3.1.2输入轴的计算与校核 （1）估算输入轴轴径由于输入轴为传动轴，按照抗扭强度估算轴径。 （3-1）由此可得输入轴的最小轴径为： （3-2） 所以取最小轴直径为30mm.如图3.1所示：图3.1 输入轴结构图从轴上看，需要配合其他零件的标准尺寸、安装尺寸以及定位、固定和装卸等情况，取轴的各段直径分别为：，。 （2）输入轴的长度计算从轴上看，需要配合其他零件的标准尺寸、安装尺寸以及定位、固定和装卸等情况，去轴的各段长度分别为：，（分为a,b两段，具体长度按照太阳轮的厚度可得：，）。 （3）输入轴的校核如图3.2太阳轮与行星轮的啮合简图，图3.3轴与齿轮结合部受力分析简图所示，可得到输入轴为传动轴，所以按抗扭强度条件校核。 图3.2太阳轮与行星轮的啮合简图 图3.3轴与齿轮结合部受力分析简图 （3-3） （3-4）由于 ，。因此，输入轴的强度满足要求。3.1.3输出轴的计算与校核 （1）估算输出轴的径由于输出轴为传动轴，按照抗扭强度估算轴径。后面的齿轮传动采取9级精度齿轮传动，取，。 （3-5）由上式可得输出轴的最小轴径为： （3-6） 所以取最小轴直径为30mm.如图3.4所示（行星架与输出轴为一体）：图3.4 输出轴结构图从轴上看，需要配合其他零件的标准尺寸、安装尺寸以及定位、固定和装卸等情况，取轴的各段直径分别为：，。 （2）输出轴的长度计算从轴上看，需要配合其他零件的标准尺寸、安装尺寸以及定位、固定和装卸等情况，去轴的各段长度分别为：，段，具体长度按照行星轮的厚度）。 （3）输入轴的校核如图3.5内齿圈与行星轮的啮合简图，图3.6轴与齿轮结合部受力分析简图所示，可得到输出轴为传动轴，所以按抗扭强度条件校核。 3.5内齿圈与行星轮的啮合简图 图3.6轴与齿轮结合部受力分析简图 （3-7） （3-8）由于 ，。因此，输出轴的强度满足要求。3.2齿轮的计算3.2.1材料的选择 按照表10-1以及选择齿轮材料介绍23，选取齿轮材料如下表3.1。表3.1 齿轮材料表齿轮种类材料热处理方法强度极限屈服极限硬度太阳轮、行星轮20GrMnTi渗碳后淬火110085060HRC内齿圈38GrAlA氮化950750950HV3.2.2 行星齿轮传动齿轮齿数应满足的条件确定行星齿轮的各个齿轮的齿数时，除了要满足给定的传动比条件以外还要满足同心条件、邻接条件以及安装条件。 （1）传动比条件在行星齿轮传动中，各个轮的齿数的选择要求与所给的传动比想符合。在2K-H型行星减速机中，传动比条件关系式为： （3-9）得 （3-10） 假设，则 （3-11）式中正整数； 太阳轮a的齿数，一般，。 （2）同心条件同心条件就是太阳轮a、内齿圈b与行星轮g之间的所有啮合齿轮副的实际中心距必须都相等。对于2K-H型行星齿轮减速机，它的是： （3-12） 式中在不变位或者高变位的齿轮啮合传动中，因为齿轮的相互重合，所以为： （3-13） 式中 在简单行星齿轮减速机的设计中，一般各个齿轮的模数m都是一样的，所以2K-H型行星减速机的同心条件为： （3）邻接条件在行星齿轮减速机的设计中，往往为了分流较大功率，从而提高减速机的承载能力。同时，为了使减速机的结构紧凑，一般都是在太阳轮a和内齿圈b之间，对称的、均匀的放置几个行星轮g。为了保持各行星轮之间互相不产生干涉，需要保证相邻两个行星轮之间的连心线上具有一定的空间，两相邻行星轮的中心距要大于齿顶圆半径之和，所以其邻接条件为： （3-14） 行星轮数目； （4）安装条件 在行星齿轮传动中，如果仅仅只有一个行星轮，安装时只需要满足同心条件就能够正确的装配。但是为了提高减速机的承载能力，一般是同时采用几个行星轮，把这几个行星轮均匀地分布在行星架上。所以，在行星齿轮传动中，当行星轮数时，除了满足同心条件和邻接条件以外，还必须满足一定的安装条件。所以2K-H型行星传动的安装条件为：太阳轮a内齿圈b的齿数之和应是行星轮g轮数的整数倍24。3.2.3配齿计算 根据2K-H型行星齿轮的传动比公式。 （3-15） （3-16） 式中特征参数和给定的传动比有关。一般，=38。由初始条件的可知：，所以。本次设计的减速机为小型的行星减速机，为了减小2K-H型行星减速机的径向尺寸，在满足规定的传动比条件下，太阳轮a与行星轮g应该尽可能的小。因为p=3,查表13-5-525取，。，一般公差： ，满足要求。根据同心条件： 根据安装条件： 为整数，满足规定的安装条件。 根据邻接条件： （3-17） ，其满足规定的邻接条件。3.2.4齿轮主要参数的设计计算 （1）按照弯曲强度的初步计算公式计算齿轮的模数 由机械设计手册查齿轮的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，太阳轮以及行星轮取 ，内齿圈取。 由公式3-18可以求出模数 (3-18)现已知，。由于行星轮的名义为转矩，可得： (3-19)取系数；综合系数；取，；齿形系数取；齿宽系数取。得模数，取整得m=2。 变位传动的端面啮合角经过查表13-5-421，可知 。 （2）a-g齿轮副的几何尺寸 分度圆直径: 基圆直径: 齿顶圆直径: 齿根圆直径: （3）b-g齿轮副的几何尺寸：、 分度圆直径: 基圆直径: 齿顶圆直径: 齿根圆直径: 齿轮副a-g、b-g的标准中心距为： 3.2.5行星齿轮传动的强度校核（1） 按齿面接触强度的校核计算齿面接触应力为： （3-20）式中；,。 （3-21）式中，； ，直齿轮=0，=1； ，单位：N， 单位：mm；齿轮工作时的有用齿宽，指所有齿轮中的较小的齿宽，单位：mm；所有式中，“+”表示外啮合，“-”表示内啮合。经过查表21，取=1.05，使用系数=1.5，由于行星轮直径与内齿圈宽度之比大于，故取=1；查表得=1.1，=1，=2.5，。由公式得 =2254.344，b=20，。 对a-g齿轮副： 对b-g齿轮副： 许用接触应力公式： （3-22） 式中； ； ； ； ； 。 查表得=1.2，=1，=0.95，=0.92，=1，=1。 校核计算： 对a-g齿轮副： a-g齿轮副的齿轮满足了齿面接触疲劳强度的要求。 对b-g齿轮副： b-g齿轮副的齿轮满足了齿面接触疲劳强度的要求。 （2）按齿根弯曲强度的校核计算齿根弯曲应力： （3-23） 式中 查表得 =1.5,=1.05,=1,= 1,=1.05,=2.80，=2.78，=1.52，=1.53，=0.78，=1。 对a-g齿轮副： 对b-g齿轮副： 查得=2.78，=1.53，= 2.3，=1.7。 许用接触应力： （3-24） 式中； 查表得：，。 校核计算： 对于a-g齿轮副： a-g齿轮副的齿轮满足齿根弯曲强度要求。 对b-g齿轮副： b-g齿轮副的齿轮满足齿根弯曲强度要求。3.2.6齿轮结构的设计 本次设计的2K-H型行星减速机齿轮基本参数如表3.2所示：表3.2 2K-H型行星减速机齿轮基本参数表齿轮太阳轮a行星轮b内齿圈c齿数Z232267模数m2齿宽b20mm22mm20mm分度圆直径（mm）4644134基圆直径（mm）42.498540.6507123.800齿顶圆直(mm)5048130齿根圆直径（mm）4139139压力角20 为了配合输入轴，输出轴的尺寸要求以及装配时候的配合、拆卸和安装，太阳轮、行星轮和内齿圈的结构如后面所画的三维图所示，他们的具体的尺寸和形状按照设计手册23。3.3其他零件的选择3.3.1轴承的选择在减速机的工作过程中，为了减少轴与箱体之间的启动摩擦阻力矩以及运动摩擦阻力矩，在轴上需要用到轴承，如图3.7所示。由于本文输出轴与输入轴为传动轴，主要受到的载荷为径向载荷，所以选取的轴承为深沟球轴承19。其外圈带止动槽可简化轴向定位，减小轴向尺寸。其自带带防尘盖与密封件，并且防尘盖和密封件的密封性以及防尘性好，轴承内已经放入一定量润滑脂，在工作过程中较长时间内不用再加润滑油。轴承的尺寸规格根据其轴的直径、轴段长度以及箱体的大小来选取，由轴的结构设计以及强度校核可得其尺寸如表3-3所示：图3.7装配工程图表3.3轴承尺寸表轴承标号型号内径d/mm外径D/mm宽B/mm号轴承6210509020号轴承62084080183.3.2键的选择 选择键时，要考虑到轴传递扭矩的大小，轴上零件的移动方向，是否要求键做轴上零件的轴向固定，键在轴向的位置以及轴连接处的轴径和轮毂长度等。 键为标准件，本次设计选取普通B型（平头）平键来作为连接构件，具体的标准尺寸19如下。 输入轴端的键：，； 输出轴端的键：，(单位：mm)。3.3.3箱体的设计 箱体是减速器的重要组成零件之一，它约占整个减速器重量的50%，同时也是是减速器的重要组成零件，也是结构和受力最为复杂的零件，用来支撑以及固定轴系零部件，保证转动零件的润滑，以及内部与外界之间的密封。在设计箱体时，一般要求在满足强度和刚度的前提下，同时还要考结构的紧凑性、制造和安装的方便性、重量清等使用要求来设计，本次设计箱体的材料选取灰铸铁铸造19。3.3.4润滑方式 减速器中润滑方式直接影响了转动零部件的寿命、效率以及工作性能，所以需要用润滑油或润滑脂来润滑轴承以及齿轮19。 （1）轴承润滑：滚珠轴承脂。 （2）齿轮润滑：机械油AN32。第四章 2K-H行星减速机的三维建模以及虚拟装配4.1 Solidworks的介绍4.1.1Solidworks的简介SolidWorks Corporation为达索系统(Dassault Systemes S.A)下的子公司，是3D CAD技术的主要供应商，通过提供直观、高性能的软件帮助产品设计部门开发出出一流的产品26。它是世界上第一个基于Windows系统开发的CAD三维软件，也是优秀CAD软件的典型代表之一（CATIA、Pro/Engineer、UG等）。完全融入了Windows软件使用方便和操作简单的特点，强大的设计指令可以满足一般机械产品的设计需求26。它对任何一个初学者和设计者来说，它容易学，领悟快，操作简单。4.1.2Solidworks的参数化建模利用参数化设计模型的形成过程大致如下：首先，对需要解决的具体问题进行系统的分析，根据分析出来的数据和问题确定关键的约束条件，这些约束必须能够确定和识别一确定特的形状；然后，在控制面板输入相关约束的数据，并对参数进行有效性判定，即是参数之间不能够有干涉的条件存在，并据此判定是否需要重新修改参数；最后，分析绘制出来的的三维模型是否符合要求，若零件符合要求，就保存设计出来的的产品模型，否则就需要对参数进行修改修改，重新建模和判定是否符合要求27。参数化设计的过程就是这样的。4.2零件的建模4.2.1部分标准零件的建模模采用软件分别对对减速器的各种螺母、弹性垫圈、弹性挡圈和轴承等标准零件进行了建模。一些标准零件的参数化建模出来的零件如图4.1。a螺母 b太阳轮c螺栓 d轴承e弹性垫圈 f平垫圈4.1部分参数化建模的部分零件模型 （1）行星齿轮的三维建模过程如下。1）点击新建指令，建立一个绘制零件的窗口；2）点击设计库指令，选择国标、选择传动零件、选择齿轮零件、选择正齿轮，点击鼠标右键，点击生成零件； 3）输入计算出来的数据 、，点击，就可以完成行星齿轮的建模了。4.2.2非标准零部件的建模 如图4.2所示，这些零部件需要按照计算以及查表和类比出来的尺寸来建模。图4.2部分非标准零件的的三维模型图 （1）上箱体的三维建模过程：1）点击新建指令，建立一个绘制零件的窗口；2）选取前视基准面，点击草图绘制，绘制一个的四边形，点击退出草图，利用指令，拉伸92mm；3）选取一个面为放置输入轴的面为左面，选取右视基准面，绘制一个的圆，点击退出草图，利用指令，向左拉伸切除32mm，向右拉伸切除18mm；4）继续选取右视基准面，绘制一个的圆，点击退出草图，利用指令，向右拉伸切除68mm；5）继续选取右视基准面，绘制一个的圆，点击退出草图，利用指令，向左拉伸切除56mm；6）继续选取右视基准面，绘制一个的圆，点击退出草图，利用指令，向右拉伸切除68mm；7）继续选取右视基准面，绘制一个的圆，点击退出草图，利用指令，向右拉伸切除86mm；8）继续选取右视基准面，绘制一个的圆，点击退出草图，利用指令，向右打通箱体；9）选取上一步骤绘制的图的左端断面，点击草图绘制，在左端面上绘制一个的圆，点击退出草图，利用指令，拉伸切除12mm；10）选取左端断面，点击草图绘制，在左端面上绘制两个如上所示的四边形，点击退出草图，利用指令，贯穿整个箱体，点击指令，对其倒的圆角；11）选取前视基准面，点击草图绘制，绘制如上所示的一个长方形，点击指令，以任意拉成的圆为轴心，旋转拉伸切除；12）分别选取箱体的两侧为基准面，分别绘制长方形，点击退出草图，利用指令，拉伸切除30mm；13）选取前视基准面，点击草图绘制，绘制如上所示的两个长方形，点击退出草图，点击指令，拉伸20mm；14）继续选取前视基准面，点击草图绘制，绘制如上所示的四个圆，点击退出草图，点击指令，贯穿整个箱体；15）分别在箱体外的内棱利用指令，倒R=2和R=5的圆角；16）选取前视基准面，点击草图绘制，分别绘制和两个四边形，点击退出草图，利用指令，以任意拉成的圆为轴心，旋转拉伸切除；17）选取前视基准面，点击草图绘制，分别绘制和两个四边形，利用指令，拉伸切除5mm；18)选取左边断面，绘制两个圆，点击退出草图，利用指令，拉伸切除15mm。完成以上步骤，就得到了下箱体三维图。上箱体图的三维建模过程与下箱体的三维建模过程基本一致。 （2）输入轴的三维建模过程：1） 点击新建指令，建立一个绘制零件的窗口；2） 点击前视基准面，点击草图绘制，绘制一个的圆，利用指令，拉伸34mm；3） 以上图的右端面为基准面，点击草图绘制，绘制一个的圆，利用指令，拉伸18mm；4） 以上图的右端面为基准面，点击草图绘制，绘制一个的圆，利用指令，拉伸12mm；5） 以上图的右端面为基准面，点击草图绘制，绘制一个的圆，利用指令，拉伸24mm；6） 以上图的右端面为基准面，点击草图绘制，绘制一个的圆，利用指令，拉伸2mm；7） 以上图右端面为基准面，点击草图绘制，绘制一个的圆，利用指令，拉伸30mm；8） 以上图右端面为基准面，点击草图绘制，绘制如上的形状，利用指令，拉伸切除20mm；9） 建立一个基准面,它与上视基准面平行，绘制如上所示的四边形，利用指令，拉伸切除10mm。完成以上步骤，就得到了输入轴三维图。输出轴三维建模过程与输入轴三维建模过程基本一致。 （3）太阳轮的三维建模（太阳轮的三维建模，首先用参数化建模，绘制出齿轮后，在利用非参数化建模。）： 1）点击新建指令，建立一个绘制零件的窗口；2） 点击设计库指令，选择国标、选择传功构件、选择齿轮构件然后选择正齿轮，点击鼠标右键，点击生成齿轮零件；3）输入计算出来的数据 、，点击就可以完成齿轮的建模；4）以齿轮的右端为基准面，绘制如上的图形，利用指令，贯穿整个齿轮。完成以上步骤，就得太阳轮的三维图。内齿圈的建模过程和太阳轮的建模过程基本上一致。4.3虚拟装配以及爆炸图4.3.1减速机的虚拟装配 装配体的装配大致过程如下：（1） 点击新建一个装配体，点击插入零部件功能，插入下下箱体，此时下箱体为固定零部件；（2） 点击插入零部件功能，分别插入输入轴以及输出轴，然后点击配合功能，按照尺寸配合安装；（3） 点击插入零部件功能，插入太阳轮，然后点击配合功能，按照尺寸和配合方式与输入轴配合安装；（4） 点击插入零部件功能，插入行星轮，然后点击配合功能，按照尺寸和配合方式与输出轴上的行星架配合安装；（5） 点击圆周零件列阵，选择参数 ，按照输入的参数点击确认，就得到了3个已经配合好在输出轴上的行星轮；（6） 点击插入零部件功能，插入弹性挡圈，然后点击配合功能，按照尺寸和配合方式与输出轴上的行星架配合安装；（7） 点击圆周零件列阵，选择参数 ，按照输入的参数点击确认，就得到了3个已经配合好在输出轴上的弹簧挡圈；（8） 点击插入零部件功能，插入内齿圈，然后点击配合功能，按照尺寸和配合方式与下箱体配合安装；（9） 点击插入零部件功能，插入1号轴承以及两个1号毡圈，然后点击配合功能，按照尺寸和配合方式与下箱体以及输入轴配合安装；（10） 点击插入零部件功能，插入两个2号轴承以及两个2号毡圈，然后点击配合功能，按照尺寸和配合方式与下箱体以及输出轴配合安装；（11） 点击插入零部件功能，插入上箱体，然后点击配合功能，按照尺寸和配合方式与下箱体配合安装；（12） 点击插入零部件功能，分别插入观察窗以及观察窗橡胶垫片，然后点击配合功能，按照尺寸和配合方式与上箱体的观察窗口配合安装；（13） 点击插入零部件功能，插入两个螺钉，然后点击配合功能，按照尺寸和配合方式与观察窗配合安装；（14） 点击镜像零部件，选择两个配合好的螺钉，然后选择镜像面，点击确定，就得到了配合好的在观察窗上的4个螺钉；（15） 点击插入零部件功能，分别插入两个螺杆、两个螺帽、两个弹簧垫圈以及两个平垫圈，然后点击配合功能，按照尺寸和配合方式与下箱体和上箱体配合安装；（16） 点击镜像零部件，选择已经配合好的螺杆、螺帽、弹簧垫圈已经平垫圈，然后选择镜像面，点击确定，就得到了在上箱体以及下箱体上的配合好的4套螺栓；（17） 完成以上步骤，得到了装配体如下图4.3，去箱盖的右视图如图4.4。 图4.3 装配体图图4.4去箱盖的右视图4.3.2减速机的爆炸视图 爆炸图的设计步骤： （1）点击爆炸视图按钮，弹出一个对话框，里面有、以及等选项； （2）根据对话框里面各个选项的提示，对行星减速机点击各个零件按照顺序进行拆卸；