1、基于 solidworks的双级圆柱齿轮减速器机械实体造型设计目录摘 要 .11 绪论 .31.1 减速器及其研究方法的现状和发展趋势 .31.2 SolidWorks及其在工程中的应用 .61.3 课题的提出和研究意义 .71.4课题的主要内容 .82 双级圆柱齿轮减速器的设计计算及分析 .92.1 减速器的结构 .92.2 设计的条件及要求 .92.3 方案设计及电机选择 .92.4 设计 V带和带轮 .122.5 齿轮的设计 .142.6 减速器机体结构尺寸 .162.7 轴的设计 .172.8 高速轴大齿轮的设计 .282.9 联轴器的选择 .292.10 润滑方式的确定 .292.1
2、1其他附件 .303 减速器的三维实体建模 .313.1三维建模原理 .313.2零件模型的建立 .313.2.1 典型零件建模过程分析 .313.2.2 小结 .343.3 虚拟装配 .353.3.1 虚拟装配的意义 .353.3.2 装配过程 .363.4 干涉分析 .383.5 物理模拟及动画制作 .393.6 导出工程图 .404 全文总结与展望 .41谢辞 .42参考文献 .43上海海洋大学 2008届毕业设计论文 基于 SolidWorks的双级圆柱齿轮减速器机械实体造型设计第 1 页 共 43 页基于 SolidWorks的双级圆柱齿轮减速器机械实体造型设计摘要:机械工业为国民经
3、济提供设备，它的技术和现代化程度极大的影响着整个国民经济的技术水平。现代化的工业、农业、交通等各个部门的发展要求设计出更多生产效率高，性能良好的机械设备。为此，必将对机械设计或机构设计提出更高的要求。目前，我国的机械工业水平和世界一流技术还存在不少的差距，甚至某些行业仍然存在着仿制和类比设计，缺乏自主的创新性，关键问题之一就是设计水平落后。要改变这一现状，就必须要重视现代设计方法的研究、推广和应用。在此背景下，基于计算机的虚拟技术，虚拟产品开发就越来越显出其独特的优势。本课题的主要目的就是把虚拟技术与传统减速器相结合，基于 SolidWorks虚拟环境，对双级圆柱齿轮结构进行三维建模、装配，然
4、后对其虚拟模型进行运动仿真，实现了计算机和传统机械的结合分析，对传统减速器的设计、改进提供一个方便有利的研究平台。本文从双级圆柱齿轮减速器入手，分析双级圆柱齿轮减速结构的组成及工作过程，对其内部结构、工作方式和原理做了一个比较详细的论述，分析了应用虚拟设计方法到达快速开发传统减速器的可行性和优越性。并对虚拟建模技术在今后的机械行业中将能起到的巨大推动作用，进行了展望。经过研究和分析，可以说虚拟装配技术的应用能够有效的检验零部件及装配的合理性，缩短设计周期，而且可以更方便、更准确的进行部分优化设计，并可以与其他的现代技术相接轨，实现科学研究的与时俱进。这项技术的广泛合理应用，将会给机械行业的发展
5、带来巨大的飞跃。关键词：SolidWorks，双级圆柱齿轮减速器上海海洋大学 2008届毕业设计论文 基于 SolidWorks的双级圆柱齿轮减速器机械实体造型设计第 2 页 共 43 页Double-cylinder Gear Reducer Design Based on SolidWorksAbstract:Machinery Industry provides equipment for the national economy. Its technology and modernization greatly impact on the national economy as a w
6、hole level of skills. The modernization of industry, agriculture, transportation and other requirements for the development of various departments need to design more efficient production, the good performance of the mechanical equipment. So it is bound to mechanical design or institutions designed
7、to higher requirements. At present, Chinas machinery industry standard and world-class technology there are still many gaps, even some industries there are still imitation and analog design, lack of independent innovation. To change this situation, it is necessary to attach importance to modern desi
8、gn methods of research, extension and application. In this context, computer-based virtual technology, virtual product development on the increasingly show its unique advantages.The main purpose of this task is to virtual technology combined with traditional reducer, based on SolidWorks virtual envi
9、ronment, the dual-class structure of Gear 3-D modeling, assembly and movement of their virtual model simulation, a computer realize the combination of traditional mechanical analysis, the design of the traditional reducer, improved to provide a convenient favourable research platform.This article fr
10、om the double-cylinder gear reducer start of double-cylinder gear slowdown in the composition and structure of the work process, its internal structure, working methods and principles to do a more detailed exposition of the application of virtual design method at Rapid Development Traditional reduce
11、r the feasibility and superiority. And virtual modeling technology of the machinery industry in the future will be able to play a tremendous role in promoting, for the future.After research and analysis, it can be said of the virtual assembly technology can be effectively applied the test of compone
12、nts and assembly is reasonable to shorten the design cycle, but also more convenient and more accurate part-optimized design, and with other modern technology convergence , and scientific research to advance with the times. The technology of the extensive application of reasonable, to the machinery
13、industry will be the development of huge leap.Keywords: SolidWorks, double-cylinder gear reducer上海海洋大学 2008届毕业设计论文 基于 SolidWorks的双级圆柱齿轮减速器机械实体造型设计第 3 页 共 43 页1 绪论1.1 减速器及其研究方法的现状和发展趋势减速器是一种动力传达机构，利用齿轮的速度转换器，将马达的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩的机构。减速器的作用有以下两点：一是降速同时提高输出扭矩，扭矩输出比例按电机输出乘减速比，但要注意不能超出减速器额定扭矩；二则降速同时降低
14、了负载的惯量，惯量的减少为减速比的平方。减速器的种类很多，按照传动类型可以分为齿轮减速器、蜗杆减速器和行星减速器以及它们相互组合起来的减速器；按照传动的级数可以分为单级和多级减速器；按照齿轮形状可以分为圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器和圆锥-圆柱齿轮减速器；按照传动的布置形式又可以分为展开式、分流式和同轴式减速器。20世纪末的 20多年，世界齿轮技术有了很大的发展。产品发展有 5大趋势：高速化、小型化、低噪声、高效率、高可靠度。技术发展 3大趋势引人注目：硬齿面技术、功率分支技术、模块化设计技术。其他技术的发展，例如：加工检测、修形、材料和热处理的质量控制、精度提高、设计方法和手段等也令人惊喜。
15、这些技术的应用和日趋成熟，使齿轮产品的性能价格比大大提高，产品越来越完美，齿轮在传动领域中仍牢牢地占据着不可替代的位置。我国 20世纪 70年代至 90年代初，高速齿轮技术经历了测绘仿制、技术引进（和技术攻关） 、到能独立设计制造三个阶段。现在我国自己的设计制造能力基本上可满足国内生产的需要，南高齿设计制造的最高参数为: 最大功率 44MW（正制造 55MW） ，最高线速度 168m/s，最高转速67000r/min。低速重载齿轮技术，特别是硬齿面齿轮技术也是经历了测绘仿制等阶段，从无到有逐渐发展起来。除了摸索撑握制造技术外，在推广硬齿面技术过程中，还作了解决“断轴” 、 “选用”等一系列有意
16、义的工作。在七八十年代一直认为国内重载齿轮两大难题“水泥磨减速器”和“轨钢机减速器” ，现在可以说已完全解决。八十年代末至九十年代初，伴随着渗碳淬火硬齿面齿轮减速器技术的推广，我国的通用齿轮减速器曾经历了一次大的发展，相继制订了几个硬齿面减速器的系列标准，如几个硬齿面减速器标准: ZBJ19004-88、ZBJ19026-90、YB/T050-93。我国有自己知识产权的标准，如“三环” ，行成了以南京高速齿轮箱厂为代表的能够生产硬齿面减速器的一批企业，对推进我国齿轮技术的进步，缩短与国外先进水平的差距，对促进国民经济的发展作出了重要贡献。八十年代，仅有 FLENDER等少数国外公司进入了中国市
17、场，虽然他们在技术上占有优势，但对于迅猛发展起来的中国硬齿面减速器行业来说，尚构不成太大的威胁。九十年代中期以来，随着国门越来越敞开，国外公司开始大举抢占中国市场，仅在天津就有德国的 SEW亚洲制造中心、芬兰圣坦撒上海海洋大学 2008届毕业设计论文 基于 SolidWorks的双级圆柱齿轮减速器机械实体造型设计第 4 页 共 43 页罗、德国 FLENDER、日本的住友、德国佐轮、日本三木等多家国外公司独资办厂，美国的福克、比利时的 HANSEN等许多知名公司也纷纷把自己的通用减速器往中国市场上打（国外公司在中国争的都是通用减速器这一块的市场，专用减速器他们成本高，不占优势） 。这些公司不仅
18、是全球经营，而且是全球制造，它们凭装备、技术、资金和规模的优势大有把中国企业一举打垮之势。有的为了占领中国市场，甚至毫不掩饰地宣传自己在中国奉行 5年内不赢利的倾销方针。九十年代，国外的通用减速器普遍都经历了一次新的更新的更新换代，它们不断推出的新的更新换代的硬齿面通用减速器标准，不但在承载能力等主要技术指标上又有大的提高，而且在模块化设计方面都作了新的努力，相比之下，我们的标准都已落后，而且已逐渐失去了价格上的优势。可以说，从 1995年开始，我国的硬齿面通用减速器就没有能与国外相抗衡产品了，致使我们的企业在与国外公司的竞争中连连失利，仅几年的时间，眼睁睁看着中国需求高档通用减速器的市场基本
19、上已全被国外公司一个一个地占去，中国的通用减速器行业已面临严重的危机。国内通用减速器的市场份额示意图如下。图 1-1简而言之，我国原有减速器与国外的差距主要表现在两个方面：技术水平的差距和生产规模的差距。现结合介绍国外技术的发展，着重讲技术水平的差距。（1）承载能力又大幅度提高。以 FLENDER公司为例，同样（或基本接近）的中心距 1995年样本的额定功率比 1988年样本提高 1020%，1997 年样本又比 1995年样本提高了约 20% ，1999 年样本又比 1997年样本提高了约 10%。除个别公司外，国外著名公司产品样本的承载能力大致在同一条水平线上。承载能力能提高的主要原因，是
20、技术的成熟、质量控制水平的提高和稳定，部分公司采用了修形技术等。而我国现在仍然一直在唱主角的 ZBJ19004-88和 TB/T050-93减速器的额定功率仅分别和 FLENDER 1985，1988 年样本值相当，即使能达到标准的水平(很多厂达不到)，也比人家落后 16年，且差距越来越大。同时，由于国外质量控制水平的提高和稳定，选用系数减小。实际选下来，有时国外的减速器可能比我们国产的轻一半左右，就造成选国外的报价会比国产的便上海海洋大学 2008届毕业设计论文 基于 SolidWorks的双级圆柱齿轮减速器机械实体造型设计第 5 页 共 43 页宜。质量不如人家，价格上的优势又丧失，国产减
21、速器就压根没法与国外竞争。（2）模块化设计方面作了新的努力。比利时 HANSEN公司最早在减速器设计中成功地应用了模块化技术，开发出 HPP系列。住友公司引进 HANSEN技术，推广了 HPP产品。80 年代国外大多公司的产品（FLENDER、SEW、Thyssen）的中心距等主要参数都采用了 R20优先数，大大减少了主要件的品种规格，部分实现了模块化设计，我国的几个标准基本上都以此为母型开发的。这类方法总地说仍是模块化程度不高，零件难以形成大的批量。90 年代 FLENDER彻底甩掉原来的系列体制，按模块化的思路开发出方形的 HB系列。HANSEN 又丢弃了多面安装的 HPP的长方外形，开发
22、出 P4系列，其小规格仍继承了 HPP的中心距。Sew（Santasalo）在继续保留原优先数中心距的产品外，又在中小常用规格开发出 M、MC 系列。住友公司仍是采用 HPP的外形，采用 25齿形角，2、3、4 级用同样的箱体的办法，开发出8000系列，2001 年又开发出 9000系列。各公司的模块化设计各有特色，共同点几乎都是把输入锥齿轮轴部分作成单独模块组装到圆柱齿轮箱体上，使两类产品的箱体通用。（3）进一步采取降噪措施。FLENDER、HANSEN 都是通过改进齿轮的参数和箱体的结构设计来降低噪声。按 HANSEN公司标准，P4 的噪声比 HPP低 2.5-9 dB(A)。（4）进一步
23、改进密封和外观。密封是各国外公司的重点改进点之一，既要无渗漏，又要摩擦磨损少，功耗发热少。HANSEN，FLENDER，SEW，FALK 等公司都研制了自己的密封结构。高速轴多为非接触的迷宫式。许多公司越来越重视减速器的外观造型设计，如 HANSEN的 P4减速器的外型就是请专业人员设计的。许多减速器都像工艺品一样漂亮。而国产减速器不但外形差，漏油等现象仍很普遍，难以根制。国产减速器技术水平的差距还表现在传动效率低，热功率低，可靠性差等方面。国外公司的通用减速器生产都已形成相当的规模，因而可有效地降低成本，增强竞争力。如日本住友公司的一个制造所就月产齿轮电机 25000台；月产模块化通用减速器
24、 850台。而我国生产齿轮减速器的专业厂虽高达近 200家，但能生产硬齿面齿轮减速器且有一定量的也就是 30家左右。硬齿面齿轮通用减速器这一块，都是单件小批生产，产量最高的年产数百台，产值不超过 5000万元，低的也就是几百万。把所有骨干企业加到一起，产值产量也或许敌不上国外公司的一个厂。（5）ISO 开始着手制订减速器的技术条件标准。截止目前为止，除 AGMA外，世界各公司的产品都是按各自的经验和条件生产自己的产品，没有统一的标准，使得工况系数的选用不一致，使用寿命没有统一的规定，热功率计算不准，某些商业炒作因素难以排除，给用户的选用带来很大的不便。90 年代 ISO开始起草 ISO/WD1
25、3593工业闭式齿轮传动装置“Enclosed Gear Drives for Industrial Applications”的技术报告草案，其内容包含: 直齿、斜齿轮装置、承载能力，计算上海海洋大学 2008届毕业设计论文 基于 SolidWorks的双级圆柱齿轮减速器机械实体造型设计第 6 页 共 43 页规则，应用范围的通则。其中的工况系数 KSF值采用 AGMA的值，给出了两种详细计算热功率的方法，并首次提出按满足 100%的载荷运行 10000小时加上 200%的载荷运行 10000次的循环次数来确定额定功率的方法。ISO 标准的制订，必将进一步规范世界减速器行业的行为，促进减速器
26、技术的发展。（6）工况系数的新变化。工况系数减小的趋势:以皮带机为例，过去载荷分类为 M、H，对应于每天工作 10h以上时的工况系数 KA为 1.5、2.0，现在按 AGMA标准已降至 1.251.5。减速器仍按每天工作小时数划分（3h，310h，10h） 。以往不同时间档次之间 KA的差值为 0.25。（7）热功率计算。普遍开始考虑海拔高度对散热的影响，增加海拔高度系数。淡化或不再考虑功率利用率的影响。FLENDER 1993年前的样本都采用功率利用系数，1997 年后修改了热功率计算方法，不再采用功率利用系数。ISO 推荐的两种热功率计算方法尚未被采用。FLENDER 从型式上改变了以往的
27、热功率计算方法，比起 SEW、往友来，FLENDER 不论是老方法，还是新方法热功率计算都细得多。国内通用齿轮减速器技术的新发展表现在下面几个方面。由于产品不能及时更新，一直停留在国外八十年代的水平上，致使和国外已经缩得很小的差距又在逐年拉大。现在，总的情况是我们的产品已落后十六年以上，面对国门的敞开，已无力对抗国外的挑战。企业在争市场，打低价位战。研究所已企业化。但是，在市场经济大潮的冲击中，在体制变革的阵痛中，我国齿轮界的科研和新产品开发的格局正在悄悄地发生着根本性变化，许多企业正在成为新产品开发和科研的主力军。例如，南高齿从 90年代中期就开始了艰苦的努力，瞄准国外最先进的水平，经过艰苦
28、的努力，开发出可与国外强手一比高低的世界一流产品。现在成果出来了，这些成果的问世，意味着我们无力抗衡国外挑战的局面的结束，到了我们应战的时候了。形势: 软齿面和中硬齿面在中国仍占据很大市场，在相当长时间内不可能被取代。形势逼迫采用这类减速器的企业必须进行改造，但又无力升级到硬齿面，迫切需要制造成本低、技术附加值高的产品。减速器由软齿面改成中硬齿面后，由于性能价格比反而降低，没有生命力，推广不开（如ZDZ、QJ 系列） ，致使软齿面减速器禁而不止，严重制约了配套主机的技术水平的提高。我国在圆弧齿面方面作了很多工作，到 90年代，双圆弧齿轮技术已经很成熟，但由于认识等方面的原因，推广得很不够，很长
29、时间没有形成通用系列产品。九十年代，一项新成果“点线啮合齿轮传动技术”的出现引起了我们高度的重视，它兼具渐开线和圆弧两种齿轮的特点，特别是加工简便、承载能力高、噪声低等优点极具特色。虽然，当时只是在软齿面获得应用，也没真正形成系列，但是我们看准了它有生命力，我们决定通过我们的努力把它转化成生产力。点线啮合传动是一种全新的传动型式，是武汉交通科技大学经十多年的研究获得的科技成果，1999 年 9月被列为“九五”重点科技上海海洋大学 2008届毕业设计论文 基于 SolidWorks的双级圆柱齿轮减速器机械实体造型设计第 7 页 共 43 页推广项目。DNK 系列点线啮合齿轮减速器，是在国内外首次
30、将点线啮合传动技术应用到中硬齿面领域，成功地研制开发出的上规模、上档次、高技术附加值的标准系列产品。1.2 SolidWorks及其在工程中的应用SolidWorks是生信国际有限公司推出的基于 windows的机械设计软件，是微机版全参数化特征造型软件，图形界面简捷友好，用户上手快。只要熟悉 Windows，不论有无 CAD的使用经验，都基本上能用 SolidWorks进行设计。SolidWorks 具有全面的零件实体建模功能、全相关的钣金设计能力、装配设计功能、从三维模型自动转换成二维工程图的功能，还具有动画和渲染的功能等。既能满足工程师的需要。又能满足艺术家的向往。SolidWorks有
31、丰富的零件实体建模功能。变量化的草图轮廓绘制，并能自动进行动态约束检查。通过拉伸、旋转、薄壁特征、抽壳、特征阵列以及打孔等操作更简便地实现产品的设计。通过带控制线的扫描、放样、填充以及拖动可控的相关操作能生成形状复杂的构造曲面，可以直观地对曲面进行修剪、延伸、倒角和缝合等操作。所有特征都可以用拖动手柄改变尺寸，并有动态的形状变化预览。可实现变半径倒圆、指定区域倒圆、填角和圆角过渡。在屏幕左侧显示的特征树，可直观有效地管理整个设计过程，可以随意地改变零件的形状和设计意图；可以进行特征的拖动、剪贴和换序；可以把一个窗口零件上的某些特征剪切、复制到另一窗口的零件上。当设计完成的零件被其他设计人员调用
32、时，能够很快地通过特征树了解此设计意图和设计过程，并可以马上按自己的设计思想进行修改。SolidWorks可以很方便地生成装配体，提供基于装配关系和运动特征的装配设计功能，支持多重的子装配。利用特征树，可以像在零件设计中那样对装配体中的零件进行任意修改。在装配模型中，可进行前后关联的设计。有严密的几何和尺寸约束管理，清楚地区分欠约束、全约束和过约束。零件实体图、装配图和工程图全程共享关联性约束，任一环节中的修改会自动反映到其他两个环节的图形上。在调用大装配时， “轻化”零部件的功能极大地减小了存储空间，提高了运行速度。在 SolidWorks中有一个插件 Animator。即动画功能。利用这一
33、功能，给定运动方式和运动路径，可以使装配体产生运动，从运动过程可以看出各零件是否会产生运动干涉，以便及时修改。Animator可以把运动过程生成 AVI动画文件，保存后可以脱离软件环境独立运行。SolidWorks可进行不同数据各式的输入输出，支持的数据标准有：IGES、DXF、DWG、SAT(ACSI)、STEP、STL，ASCII，或二进制格式 VDAFS(VDA)、VRML、Parasolid。SolidWorks软件包括零件设计建模、装配设计建模、工程图纸绘制三个基本环境，同时具有上海海洋大学 2008届毕业设计论文 基于 SolidWorks的双级圆柱齿轮减速器机械实体造型设计第 8
34、 页 共 43 页全相关的钣金设计功能。在工程设计中，软件在零件和装配的三维设计中，可方便地检查质量特性，检查静态和动态干涉，了解零件的空间关系，同时方便地与运动分析和有限元分析建立接口。为了充分发挥软件的功用，应注意以下设计技巧：正确的设计思路：确定基本体特征和合理标注尺寸，以及规范特征和参数名称。利用设计表，利用特征库：包括特征库的应用和建立特征库。1.3 课题的提出和研究意义在许多世界级大企业中被广泛应用的计算机辅助三维设计(CAD)的高端主流软件 SolidWorks的装配模块就采用了虚拟装配技术，即便是在产品设计的初期阶段，所产生的最初模型也可放人虚拟环境进行实验，可在虚拟环境中创建
35、产品模型，使产品的外表、形状和功能得到模拟，而且有关产品的人机交互性能也能得到测试和校验，产品的缺陷和问题在设计阶段就能被及时发现并加以解决。在传统的二维设计中其基本设计流程是在已有的减速器的基础上进行，设计中存在以下问题：(1)难以对所设计的产品进行装配检验、力学分析、运动分析、有限元分析等工作；(2)设计工作一般是在已有减速器基础上进行的变型设计，设计人员根据所需设计的系列，在该系列中找到最相似的减速器样机，再调出相应的零部件二维工程图纸，在该图纸上进行变型设计。由于减速器种类太多，因此设计人员花费大量时间在寻找相似产品上，造成不必要的人力浪费，加长了产品的开发周期，使得一个新产品的设计开
36、发周期一般达到 6个月以上；(3)在设计时容易忽略有些零部件已改动，而相应的其他零部件却没有改动或改动有错，导致装配时装配不上。由于不能进行装配检验，产品要到装配时才能发现有错，易造成很大的浪费；(4)虽然在零件图的绘制上采用现有的二维参数驱动，但是对于零件的构造、装配、组合等一系列产品级的设计工作，仍然非常复杂而繁琐；(5)减速器产品的管理采用传统的管理方法，图纸管理很大程度上还是手工形式，随着系列产品的增加和不断开发新产品，管理越来越麻烦，特别是管理工程图纸时传统管理费时费力且技术人员查找很不方便，而且修改时又必须重新绘制新的图纸存档，造成纸张的不必要浪费。综上所述，使用 SolidWorks进行减速器设计，同时为减速器的性能分析、运动分析、有限元分析提供三维实体模型和根据三维实体模型生成各零部件的工程图纸和装配图纸，并把减速器的各种图文档管理起来是很有效的。本课题的开展在减速器的设计、性能分析、图文档和系统化管理，缩短减速器的开发周期，减少设计人员的工作强度，提高设计效率，减少设计差错具有重要意义。1.4课题的主要内容本设计是基于 SolidWorks软件平台对双级圆柱齿轮减速器进行实体造型的，首先介绍减速器国内外发展现状，分析相关领域的最新研究成果。以及 SolidWorks介绍和在工程中的应用。然后
