汽车发动机装配车间带式运输机传动装置的虚拟设计及运动学分析

业 设 计 说 明 书 题目 ： 汽车发动机装配车间带式运输机传动装置的虚拟设计及运动学分析 二级学院（直属学部）： 机电工程学院 专业： 机械设计制造及其自动化化 班级： 08 机三 学生姓名： 陈瑜 学号： 08010302 指导教师姓名： 刘羽 职称： 副教授 评阅教师姓名： 苏纯 职称： 副教授 2012 年 6 月 州工学院机电工程学院毕业论文 I 摘 要 本文首先介绍了带式输送机传动装置的研究背景，阐述了齿轮、减速器等的相关内容；根据带式输送机传动装置的结构设计，论述电动机，传动装置的总传动比及其分配，传动装置的运动和动力装置参数，带传动设计，密封与润滑轴承的选择，轴的设计，键的选择，减速机箱体的设计，减速器附件 设计，齿轮传动设计，齿轮和轴的选择及其基本参数的选择和几何尺寸的计算，两个主要强度的验算。 本文完成了减速器的机械设计后，利用 件的有关命令完成一个一级圆柱齿轮减速器的三维模型及齿轮、轴、箱体等各个零件的三维建模，通过各个零件之间的配合关系加以约束，将各个零件模型装配起来，标准零件由 入，装配到减速器实体中去，完成装配体，并利用该软件生成二维工程图，用干涉对零件各个部分进行检查，通过修改配合约束或者尺寸大小，消除零件之间的干涉情况，通过 仿真运动功能，检查、优化设计方案，观察齿轮的啮合情况，并在最后输出齿轮啮合的动画。实现了减速器的运动仿真，完成了减速器在计算机上的虚拟设计。 关键词 ： 带式输送机 传动装置 减速器 三维建模 仿真 常州工学院机电工程学院毕业论文 a to to on to of In of it of of of to do in to up to of to of of to to to to in of by or to in of of of on 常州工学院机电工程学院毕业论文 录 绪论 . 1 究课题的 背景 . 式输送机传动装置 研究现状 . 式输送机传动装置 应用发展现状 . 在的主要问题 . 题的研究内容及 研究意义 . 文的主要研究内容 . 文的研究目标 . 课题研究得意义 . 第二章 传动装置 的设计 . 动装置的总体设计 . 动方案的确定 . 动 机 的 选择 . 动比的计算 及分配 . 动装置运动、动力参数的计算 . 动件的设计 计算 . 传动 的设计 . 速级斜齿圆柱齿轮的设计计算 . 速级斜齿圆柱齿轮的设计计算 . . 齿轮圆柱齿轮上作用力的计算 . 轴 的设计 计算 . 速轴 的设计与计算 . 速轴 的设计与计算 . 间 轴 的设计与计算 . 速器 箱体的结构尺寸 . 滑 油的选择与计算 . 件的设计 与选择 . 第三章 传动装置 零件的三维建模与虚拟装配 . 件介绍 . 轮 的三维建模 . 的三维建模 . 体、箱盖的三维建模 . 承的三维建模 . . 盖、油标尺、观察盖 、放油螺塞 及通气器的三维建模 . 第四章 传动装置 的装配和仿真 . 速器的 虚拟 装配 . 常州工学院机电工程学院毕业论文 高速轴组件 的装配 . 速轴组件 的装配 . 间轴组件 的装配 . 和箱体的装配 . 盖、端盖、观察盖等的装配 . 钉、 销、螺栓、起盖螺钉的装配 . 速器干涉检查 . . 件介绍 . 动仿真 . 动分析 . 设计总结 . 致谢 . 参考文献 . 常州工学院机电工程学院毕业论文 1 第一章 绪论 究课题的背景 随着现代化生产的不断发展，机械设计中标准件的数量日益增多，这主要是因为采用标准件给产品的设计、制造、装配带来了很大的方便。设计人员如果能从 统的标准件库中获得满足设计要求的标准件，则可大大减少重复劳动，提高设计效率，从而缩短新产品的研制周期，所以，提供标准件库或 者提供开发标准件库的工具是 统的一个重要组成部分，也是评价 统的一个重要指标。 1995 年 11 月问世的一个大型三维 件，它一经问世，即代表了三维 件的主流。它所具有的各种优良性能吸引了越来越多的用户，尤其是它对大型装配的处理能力更是无与伦比的。但是，在装配过程中，由于缺少标准件库，在调用每一个标准件时，就需要像别的非标零件一样，重新建模。而 标准件的频繁调用，大大降低了装配效率，造成了时间和精力上的浪费， 这不能不说是它的一个缺憾之处。 根 据以上所述发现，在 有必要添加这样一个三维标准件库 :它具有常用的标准件、通用件 ;具有建库、扩展标准件的能力 ;标准件库的代码少而精干，采用的技术应便于实现与其他系统的集成。专门应用领域的用户可用它扩充自己所需的标准件和通用件，既可减少开发费用，又可提高开发效率和质量。而且， 开放的体系，功能齐全的 数库为标准件库提供了强大的开发工具。 带式输送机是一种摩擦驱动以连续方式运输物料的机械。主要由机架、输送皮带、皮带辊筒、张紧装置、传动装置等组成。它可 以将物料在一定的输送线上，从最初的供料点到最终的卸料点间形成一种物料的输送流程。它既可以进行碎散物料的输送，也可以进行成件物品的输送。除进行纯粹的物料输送外，还可以与各工业企业生产流程中的工艺过程的要求相配合，形成有节奏的流水作业运输线。 带式输送机可以用于水平运输或倾斜运输，使用非常方便，广泛应用于现代化的各种工业企业中，如：矿山的井下巷道、矿井地面运输系统、露天采矿场及选矿厂中。 减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置， 减速器产品是在原动机和工作机之间用于降低速度，增大扭矩的传动装置。减速 机的种类很多，以满足于不同的机械传动要求。由于广泛应用于国防、宇航、交通、建筑、冶金、建材、矿山等领域，所以减 速机是国家建设必不可少的配套件 设备。近代计算机技术与数控技术的发展使得机械加工精度、加工效率大大提高，从而推动了传动机械产品的多样化、模块化、标准化，以及造型艺术化，使产品更加精致、美观。 但是，就目前来讲，我国企业很少具有真正意义上的减速机综合性能物理仿真试验环境。大多数企业仍然停留在传统观念和生产组织方式上，通过经验和反复试验来确定设计方案的可行性。在计算机技术迅猛发展的今天，如何把企业的产品设 计与三维仿真系统有效的结合起来，以达到制造业高效、低成本、自动化的市场要求具有重要的现实意义。 常州工学院机电工程学院毕业论文 2 式输送机传动装置研究现状 式输送机传动装置 应用发展现状 随 着国家基础建设力度的进一步加大，近年来我国的减速机行业得到快速发展。根据减变速机分会的统计数据显示，去年，全行业共生产减速机 45 万台，实现销售收入20 亿元，出口约 1 亿美元。 “ 十 二 五 ” 期间，由于国家整体经济的发展，减速机行业经济总量的增长速度仍将达到两位数。 减速机在我国的发展已有近 40 年的历史，广泛应用于国民经济及国 防工业的各个领域。产品已从最初单一的摆线减速机，发展到现在五大类产品，即摆线减速机、无级变速器、齿轮减速机、蜗轮蜗杆减速机、电动滚筒。据初步统计，减速机用量比较大的行业主要有：电力机械、冶金机械、环保机械、电子电器、筑路机械、化工机械、食品机械、轻工机械、矿山机械、输送机械、建筑机械、建材机械、水泥机械、橡胶机械、水利机械、石油机械等，这些行业使用减速机产品的数量已占全国各行业使用减速机总数的 60% 70%。 “ 十五、十一五 ” 期间，由于国家采取了积极的财政政策，固定资产投资力度加大，特别是基础建设 的投资，使冶金、电力、建筑机械、建筑材料、能源等加快了发展，因此，对减速机的需求也逐步扩大。随着国家对机械制造业的重视，重大装备国产化进程的加快以及城市改造、场馆建设等工程项目的开工，减速机市场前景看好，整个行业仍将保持快速发展态势，尤其是齿轮减速机的增长将会大幅度提高，这与进口设备大多配套采用齿轮减速机有关。因此，业内专家希望企业抓紧开发制造齿轮减速机，尤其是大型硬齿面减速机及中、小功率减速机，以满足市场的需求。 从行业内企业发展情况来看，近年来，江苏省、浙江省的民营企业发展速度很快，已经成为行 业中的一支生力军。此外，山东省淄博地区的减速机厂家也很多。一些发展速度较快的民营企业，在完成了原始积累后，不断发展壮大。他们紧跟市场变化，及时调整产品结构，对产品质量的要求也在不断提高。为了增强竞争力，他们加大购置检测设备、实验设备以及扩大厂房的资金投入，加工能力及技术水平提高很快，同时还重视人才的培养与引进，企业已开始向规范化、标准化方向发展。 在的主要问题 国内的减速器多以齿轮传动、蜗杆传动为主，但普遍存在着功率与重量比小，或者传动比大而机械效率过低的问题。另外，材料品质和工艺水平上还有许 多弱点。由于在传动的理论上、工艺水平和材料品质方面没有突破，因此，没能从根本上解决传递功率大、传动比大、体积小、重量轻、机械效率高等这些基本要求。 国外的减速器，以德国、丹麦和日本处于领先地位，特别在材料和制造工艺方面占据优势，减速器工作可靠性好，使用寿命长。但其传动形式仍以定轴齿轮传动为主，体积和重量问题，也未解决好。当今的减速器是向着大功率、大传动比、小体积、高机械效率以及使用寿 减速器广泛应用于国防、宇航、交通、建筑、冶金、建材、矿山等领域，它是进行机械传动的重要装备，规格品种数以百万计。我国传统的减 速机生产方式是按照单台套常州工学院机电工程学院毕业论文 3 设备要求进行设计与制造，由于零部件差异大，互换性能差，生产周期长，制造成本高，跟不上国际同类产品发展步伐。在设计技术方面，我国减速机的设计、生产早已指定标准、形成系列，但总体上与国际相比 (主要是欧洲国家和日本 )仍有较大差距。有关资料显示，国际上先进的减速机不仅性能突出，而且在减速机关键部件的设计及计算方法、外形尺寸设计、安装方式等方面很有借鉴价值。在机构性能方面，目前我国存在的主要问题是精度低、生产效率低、使用寿命短，其中寿命短的问题尤为突出。随着微机技术的飞速发展，在微机上进行 仿真 分析将是必然趋势，在竞争日渐激烈的市场上，能够快速的满足市场需求成为企业生存的必要条件，虚拟样机成为企业在商海中制胜的法宝。 题的研究内容及研究意义 文的主要研究内容 （ 1）第一章 :介绍减速器产品在国内外的发展现状，分析实现产品创新设计的关键所在，介绍 件的主要价值，以及选择该课题的实际意义，提出对减速器参数化模型进行性能分析研究的背景、意义和研究的主要内容。 （ 2）第二章 : 传动装置的设计计算 （ 3）第三章 : 传动装置的三维建模 （ 4）第四章 : 传动装置的 装配和仿真 （ 5）第五章 : 全文总结与展望 文的研究目标 （ 1） 参阅文献，对 带式运输机传动装置 进行了解 （ 2） 带式运输机传动装置的设计计算 （ 3） 带式运输机传动装置的零件实体建模 （ 4） 带式运输机传动装置的 三维造型和虚拟装配 （ 5） 带式运输机传动装置中 二级圆柱齿轮 的 运动学的分析 （ 6） 带 式运输机传动装置中 齿轮动力学 仿真分析 课题研究得意义 为 立一个基于事物特性表的标准件库，不仅能够弥补此软件的缺陷，使使用者更能够充分体验到它的强大的功能，而且基于事物 特性表的标准件的表达，符合向标准化靠拢的趋势及制订我国 准的方针，具有一定的现实意义。 设计基础的二维平面设计，通过经验和反复试验来确定设计方案的可行性，其设计流程是在原有减速器基础上进行的，设计中存在以下问题 : （ 1）在设计过程中无法对所设计的产品进行装配干涉检验、静力学分析、动力学分析、运动模拟等工作 ; （ 2）零件图的绘制采用二维 件，没有三维立体模型直观，零部件的设计、生产装配、试验等一系列产品开发工作非常繁琐 ; （ 3）设计工作结束后要生产出样机，通过试验来验证设计方案的可行性，造 成不必要的财力浪费，同时也延长了产品的开发周期，使得开发一种新产品的周期达到半年常州工学院机电工程学院毕业论文 4 以上 ; 综上所述，开发一套既可以进行减速器的参数化设计，实现整机装配干涉检验，又能实时验证设计的可行性，对生成的减速器三维实体模型进行静、动力学有限元分析的集成系统势在必行。本课题在减速器的参数化建模、静动力学性能分析，在缩短减速器的开发周期，减少不必要的人力、物力、财力资源浪费，提高设计人员的工作效率等方面，具有重要的现实意义。 常州工学院机电工程学院毕业论文 5 第二章 传动装置的设计 动装 置的总体设计 动方案的确定 （ 1）工作条件 要求减速器在输送带方向具有最小的尺寸，且电动机必须与输送带带轮轴平行安装。每日两班制工作，工作年限为 10 年。 （ 2）原始数据 =1300 = m/s d=300 阅相关文献资料知“ 汽车发动机装配车间带式运输机传动装置 ”为减速器装置。减速器常见有单级圆柱齿轮减速器、两级展开式圆柱齿轮减速器、两级同轴式圆柱齿轮减速器、圆锥 级锥齿轮减速 器、蜗杆减速器。工作条件 要求减速器在输送带方向具有最小的尺寸，且电动机必须与输送带带轮轴平行安装 ，查阅相关减速器特点， 知传动机构类型为：同轴式二级圆柱齿轮减速器。故只要对本传动机构进行分析论证。 本传动机构的特点是：同轴式减速器长度方向尺寸较小，但轴向尺寸较大，轴较长，刚度较差。两对齿轮浸油深度可以大致相同，有利于浸油润滑。轴线可以水平，上下或铅垂布置。 输送带滚筒带传动减速器电动机联轴器两级同轴式圆柱齿轮减速器传动装置简图 常州工学院机电工程学院毕业论文 6 电动机的选择 设计内容 计算及说 明 结 果 1、选择电动机的类型 根据用途选用选用 2、选择电动机的功率 输送带所需拉力为 2 T 2 1 3 0 0F = = N 8 6 6 7 . 3 工作机的有效功率为： 8 6 6 7 0 . 6 8 5 . 8 91 0 0 0 1 0 0 0W W 取 带 对轴承效率=轴 承 斜 齿 圆 柱 齿 轮 传 动 效 率=齿 轮 联轴器效率 =联 电机到工作机间的总效率为： 4242 = 0 . 9 9 0 . 9 7 0 . 9 9 = 0 . 8 5 9= 总 带 轴 承 齿 轮 联 以 电动机所需的工作功率为： 5 . 8 9P = = K W = 6 . 8 6 K 8 5 9总根据表选取电动机的额定功率 F=8667N 5 W = 0P =常州工学院机电工程学院毕业论文 7 3、确定电动机的转速 输送带带轮的工作转速为 0 0 6 0 v 1 0 0 0 6 0 0 . 6 8n = = r / m i n 4 3 . 3 1 r / m i 0 0 由表知 V 带传动传动比 =24两级圆柱齿轮减速传动比 =840则传动比范围为 = = 8 4 0 = i i i 总 带 齿 （ 24 ） （ ） 1 6 1 6 0 电动机的 转速范围为 0 n ( i 总 = 4 3 . 3 1 1 6 1 6 0 ) r / m i n = 6 9 3 6 9 3 0 r / m i 合这一要求的电动机同步转速1000r/1500 r/3000 r/虑 3000r/电动机转速太高，而1000r/电动机体积大且贵，故选用转速 1500 r/电动机进行试算，其满载转速为 1440r/号为 3 r/ m 4 4 0 r/ m 动比 的 计算及分配 设计内容 计算及说明 结 果 1、总传动比 1440 3 3 . 2 54 3 . 3 1n 总 = 总 2、分配传动比 根据传动比范围，取带传动的传动比 带 减速器传动比为 3 3 . 2 5= 1 3 . 32 . 5ii i总带高速机传动比为 1 21 3 . 3 3 . 6 5i i i 带 力参数的计算 设计内容 计算及说明 结 果 常州工学院机电工程学院毕业论文 8 1、各轴的转数 0 1 4 4 0 / m i n r01 1440= r / m i n = 5 7 6 r / m i 5nn i带12576= r / m i n = 1 5 7 . 8 1 r / m i 6 5nn i1231 5 7 . 8 1= r / m i n = 4 3 . 2 4 r / m i 6 5nn i23 = 4 3 . 2 4 r / m i 1 4 4 0 / m i = 576r/ m 1 5 7 r / m 3 r / m i = 4 3 r/ m 2、各轴的输出功率 10P P = K W = K W 带 6 . 8 6 0 . 9 6 6 . 5 921P = P = K W = K W 轴 承 齿 6 . 5 9 0 . 9 9 0 . 9 7 6 . 3 332P P = K W = K W 轴 承 齿 6 . 3 3 0 . 9 9 0 . 9 7 6 . 0 8 = K W = K W 轴 承 齿 6 . 0 8 0 . 9 9 0 . 9 7 5 . 9 61P = K K K 轴的输出转矩 0006 . 8 69 5 5 0 9 5 5 0 N m m 4 5 . 5 N 11 16 . 5 99 5 5 0 9 5 5 0 N m m 1 0 9 . 2 6 N n 2226 . 3 39 5 5 0 9 5 5 0 N m m 3 8 3 . 0 7 N 7 . 8 1PT n 3336 . 0 89 5 5 0 9 5 5 0 N m m 1 3 4 2 . 8 3 N . 2 4PT n 5 . 9 69 5 5 0 9 5 5 0 N m m 1 3 1 6 . 3 3 N . 2 4n 0 1 1 0 9 N 2 3 8 3 N 3 1 3 4 2 N 1 3 1 6 N 动件的设计 计算 传动 的设计 设计内容 计算及说明 结 果 常州工学院机电工程学院毕业论文 9 1、确定设计功率 0 P 由表选择工作情况系数 1 . 2 6 . 8 6 8 . 2 3dP k W k W 2、 0 1 4 4 0 / m i 由图，选择 带 选择 带 3、 确定带轮基准直径 根据表，可选小带轮直径为 1 140dd ，则大带轮直径为 21 2 . 5 1 4 0 3 5 0i d m m m m 带根据表，取2 355dd 其传动比误差 5%i 故可用 1 140dd 2 355dd 4、验算带的速度 1 m a 0 1 4 4 0 / 1 0 . 5 5 / 2 5 /6 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0m s m s v m s 带带速符合要求 5、确定 根据 d 1 d 2 0 1 20 . 7 d d 2 2 d d ，初步确定中心距为 00 . 7 1 4 0 3 5 5 3 4 6 . 5 2 1 4 0 3 5 5 9 9 0m m m m a m m m m 为使结构紧凑，取偏低值，0 500a 带计算基准长度为 2210 1 202 24 d d a d d a 23 5 5 1 4 02 5 0 0 1 4 0 3 5 5 1 8 0 0 . 2 62 4 5 0 0m m m m m m m m 由表 8 800dL 则实际中心距为 1800dL 常州工学院机电工程学院毕业论文 10 6、计算小带轮包角 211 3 5 5 1 4 0= 1 8 0 - 5 7 . 3 1 8 0 5 7 . 3 1 5 5 . 3 4 1 2 04 9 9 . 8 7 1 1 5 5 . 3 4 1 2 0 合格 7、确定 P + P K K又表 8取单根 0P = 率增量为011(1 )b n K由表 8得 0 2 5 1 0，由表 8 P = 0 . 7 7 2 5 1 0 1 4 4 0 1 - k W = 0 . 1 3 4 k 1 3 7 由表8得 K =由表 8得带的根数 . 2 3z = 3 . 6 3P + P K K 2 . 2 7 0 . 1 3 4 0 . 9 3 5 1 . 0 1 取 8、计算初拉力 由表 8得 V 带质量 m kg m ，得初拉力20 2 . 5500 m vz v K 带带28 . 2 3 2 . 5 0 . 9 3 55 0 0 N 0 . 1 1 0 . 5 5 N = 1 7 4 . 3 6 0 . 5 5 0 . 9 3 5 0F =9、计算作用在轴上的压力 0 1 5 5 . 3 4Q 2 s i n 2 4 1 7 4 . 3 5 s i n 1 3 6 2 . 6 322z F N N Q 1 3 6 2 N 常州工学院机电工程学院毕业论文 11 10、带轮结构设计 （ 1）小带轮结构 采用实心式，由表 8得电动机周径0 =38表 81 5 0 ， 2110f 轮毂宽： 1 . 5 2 0 1 . 5 2 3 8 5 7 7 6L D m m m m 带 轮 其最终宽度结合安装带轮的轴段确定 轮缘宽： 1 2 4 1 1 5 2 1 0 6 5B z e f m m m m m m 带 轮 1H B W = 2 3 6 H B W（ 2）大带轮结构 采用轮辐式结构，轮缘宽可与小带轮相同，轮毂宽可与轴的结构设计同步进行 速级斜齿圆柱齿轮的设计计算 设计内容 计算及说明 结 果 1、选择材料、热处理方式和公差等级 考虑到带式运输机为一般机械，故大、小齿轮均选用45 钢，小齿轮调质处理，大齿轮正火处理，由表 81H B W = 2 1 7 2 5 5，2H B W = 1 6 7 2 1 7。平均硬度1H B W = 2 3 6 H B W，2190。12H B W H B W 4 6，在 3050间。选用 8级精度 45钢 小齿轮调质处理 大齿轮正火处理 8级精度 2、初步计算传动的主要尺寸 因为是软齿面闭式传动，故按齿面接触疲劳强度进行设计。其设计公式为 21312 1 Z Z Z 1） 小齿轮传递转矩为 09260N ）因 v 值未知， 不能确定，可初步选载荷系数选 州工学院机电工程学院毕业论文 12 3）由表 8齿宽系数 4）由表 8 8 9 P a5） 初选螺旋角 12，由图 9 6）齿数比1 7）初选 3，则 z2=23= 4，则端面重合度为 12111 . 8 8 3 . 2 c o 111 . 8 8 3 . 2 c o s 1 2 1 . 6 72 3 8 4 轴向 重合度为 3 1 8 z t a n = 0 . 3 1 8 1 . 1 2 3 t a n 1 2 = 1 . 7 1 由图 8得重合度 系数 Z =）由图 11 =）许用接触应力可用下式计算 N H S 由图 8 a 查 得 接 触 疲 劳 极 限 应 力 为H = 5 8 0 M P a，H = 3 9 0 M P a小齿轮与大齿轮的应力循环次数分别为 91 1 6 0 n a L = 6 0 5 7 6 1 . 0 2 8 2 5 0 1 0 = 1 . 3 8 3 1 0 9 8121N 1 . 3 8 3 1 0N = 3 . 7 8 8 1 03 . 6 5i 由图 8得寿命系数 表 8H=有 N 1 H l i m 1 . 0 5 8 0= 5 8 0 P a M P a 3 4 H 417 M 常州工学院机电工程学院毕业论文 13 N 2 H l i m 2 . 0 7 3 9 0= 4 1 7 P a M P a 取 H 417 M 初算小齿轮的分度圆直径 21312 1 Z Z Z 23 2 1 . 4 1 0 9 2 6 0 3 . 6 5 1 1 8 9 . 8 2 . 4 6 0 . 7 7 5 0 . 9 9= m 1 3 . 6 5 4 1 7 1 6 3 7td m m(1) 计算载荷系数 由表 8A=为 11 6 3 . 9 4 7 5 7 6 / 1 . 9 3 /6 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0m s m s 由图8得动载荷系数 图 8得齿向在和分配系数 ，由表 8得齿间 ，则载荷系数为 1 . 0 1 . 1 4 1 . 1 1 1 . 2 1 . 5 2 K K K （ 2）对1因 K 与 需对 3311 1 . 5 26 3 . 9 4 7 6 5 . 7 21 . 4d m m m （ 3）确定模数 1c o s 6 5 . 7 2 c o s 1 2 2 . 7 923m 按表 8 3nm 4）计算传动尺寸 中心距为 1213 ( 2 3 8 4 ) 1 6 4 . 0 92 c o s 2 c o s 1 2nm z za m m m m 圆整为 65螺旋角为 常州工学院机电工程学院毕业论文 14 12 3 2 3 8 4a r c c o s 1 3 . 4 1 22 2 1 6 5nm z 因值与初选值相差较大，故对与有关的参数进行修正，由图 9-