一級圓柱齒輪減速器仿真設(shè)計

胡 建，李碧波

(湖南人文科技學(xué)院 能源與機電工程系，湖南 婁底417000)

減速器作為一種匹配原動機與工作機的轉(zhuǎn)速并傳遞轉(zhuǎn)矩作用的機械裝置，在各行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛［1］。在減速器傳統(tǒng)設(shè)計中，一般是按照設(shè)計任務(wù)書提供的初始設(shè)計數(shù)據(jù)，大量使用經(jīng)驗公式以及各種設(shè)計系數(shù)進行設(shè)計［2］，這樣的設(shè)計過程主要有以下缺陷:

(l)設(shè)計過程主要依靠設(shè)計者的經(jīng)驗以及設(shè)計手冊來完成設(shè)計，這樣勢必會造成結(jié)果的不穩(wěn)定。

(2)物理樣機的制造周期長、制造的成本高，局部修改困難，這將會造成企業(yè)的競爭力下降。

(3)設(shè)計安全系數(shù)的選擇往往偏大，特別是設(shè)計人員無法或很難測量齒輪動態(tài)特性并得到動態(tài)的接觸力。

UG 作為一個交互式CAD/CAE/CAM 系統(tǒng)，能在虛擬環(huán)境中進行產(chǎn)品建模、虛擬裝配和制造［3］，對相關(guān)傳動裝置進行運動仿真，干涉檢測和結(jié)構(gòu)分析，查漏補缺加以改善，提高設(shè)計效率，還能進一步為減速器進行優(yōu)化設(shè)計。

一 減速器結(jié)構(gòu)分析

減速器包括很多零部件，它的設(shè)計是根據(jù)原動機原始參數(shù)以及工作機的載荷計算傳動裝置的運動和動力參數(shù)，進而對減速器各零部件進行設(shè)計計算與選擇。如圖1 所示，減速器設(shè)計的主要任務(wù)是傳動零件、軸、軸承、連接件、聯(lián)軸器和箱體等零部件的設(shè)計計算與選擇［4］。

圖1 減速器結(jié)構(gòu)分析

二 減速器建模及虛擬裝配

圖2 箱體

三維建模是運動仿真的基礎(chǔ)，根據(jù)各零部件設(shè)計尺寸及結(jié)構(gòu)建立三維實體。UG 有著強大的建模功能，在模型的建立過程中，模型編輯與修改工具要靈活的使用，設(shè)計內(nèi)容要不斷完善與修改。盡管減速器的零部件很多，但大多是回轉(zhuǎn)類零件，模型的建立比較簡單。運用旋轉(zhuǎn)建模的方式，按照需求作必要的剪切、拉伸或孔的處理，建立所需要的零件模型。模型完成后，必須給每一個零件設(shè)定正確的材質(zhì)與顏色，使模型更逼真。此外，為了清楚地看到減速器內(nèi)部的運動過程，可以把減速器缸體隱藏或者把顏色設(shè)置為半透明狀態(tài)。箱體三維模型如圖2 所示。

圖4 爆炸圖

完成圓柱齒輪減速器各零部件的三維實體建模后，可使用UG 的裝配模塊功能來建立各零部件在UG 中的裝配關(guān)系［5］。減速器裝配不僅是要將各減速器組件固定組裝在正確的位置，而且還要求各組件之間具有正確的約束關(guān)系，使各組件具有合適的自由度。減速器的裝配采用自底向上的裝配方式來完成［6］，裝配如圖3 所示，圖4 為爆炸圖。裝配完成之后，將進行零部件之間的干涉檢查，檢查裝配體有無干涉以及干涉位置，如有干涉可立即對模型進行修改。

三 減速器運動仿真

運動仿真分析模塊是UG 中CAE 模塊的重要組成部分，它被用來建立運動機構(gòu)的模型，分析運動規(guī)律［7］。在建立三維實體模型后，用UG 仿真功能為三維實體模型子部件設(shè)置特定運動學(xué)特性，各個部件創(chuàng)建一定的連接關(guān)系［8］。

運用仿真模塊能夠完成機構(gòu)的干涉分析，并可以跟蹤查看各個零件的運動軌跡，還可以分析零件的加速度、速度、作用力、反作用力以及力矩等各項參數(shù)，它的分析結(jié)果對零件結(jié)構(gòu)設(shè)計的修改或零件材料的調(diào)整有著重要的作用。設(shè)計方案的變化反映在模型的備份分析方案中，對新的設(shè)計方案重新進行分析，優(yōu)化方案確定之后，設(shè)計方案改變就能夠直觀的反映在模型中。其仿真步驟如下:

Step1:打開總裝配圖;

Step2:創(chuàng)建仿真方案;

Step3:創(chuàng)建連桿;

Step4:創(chuàng)建運動副;

Step5:解算方案及求解。

四 有限元分析

有限元分析是現(xiàn)代設(shè)計制造過程中必要的有效手段。有限元分析主要分為三個階段:前處理(Preprocessing)、分析(Analysis)及后處理(Post Processing)。在運動仿真過程中，對關(guān)鍵承載零部件軸做了有限元分析，在前處理階段主要是對軸進行網(wǎng)格劃分和載荷與邊界條件的添加，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量對有限元分析結(jié)果精度有很大的影響，軸采用的是典型的三面體網(wǎng)格劃分。分析階段主要是選擇求解器根據(jù)網(wǎng)格劃分進行求解。后處理階段主要是對求解結(jié)果用直觀的、彩色的圖形化方式來表達，在同一個窗口中對不同分析方案進行比較，復(fù)雜的可用動畫的方式展示。從動軸分析結(jié)果如圖5 所示。位移，旋轉(zhuǎn)，應(yīng)力，反作用力，反作用力矩的分析都可以從分析報告看出。

圖5 軸有限元分析

五 結(jié)論

通過對減速器的結(jié)構(gòu)進行分析，利用UG 建立減速器三維可視化模型并且虛擬裝配采用仿真分析方法真實模擬齒輪傳動裝置運動過程，對運動進行干涉檢驗和結(jié)構(gòu)分析，還對主要承載零件做了有限元分析，進而對減速器優(yōu)化設(shè)計。仿真分析方法在工程機械、汽車等行業(yè)具有可推廣性。

［1］田永松.萬向減速器的分析與設(shè)計［D］.上海：同濟大學(xué)，2006.

［2］余麗.ZDH100 系列減速器箱體有限元分析及優(yōu)化設(shè)計［D］.鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2013.

［3］孫欽揚.虛擬裝配集成系統(tǒng)的建模及公差與配合檢驗的方法研究［D］.沈陽：東北大學(xué)，2003.

［4］陳青，邱志剛.基于UG 軟件的減速器三維參數(shù)化設(shè)計［J］.煤礦機械，2007(12)：96-98.

［5］李艷嬌.減速器虛擬測繪平臺的研發(fā)［D］.邯鄲：河北工程大學(xué)，2013.

［6］宋興華.基于NX 和ADAMS 的減速器設(shè)計及運動仿真研究［J］.CAD/CAM 與制造業(yè)信息化，2013(9)：59-62.

［7］吳一凡.基于UG 二次開發(fā)的整體葉輪測量規(guī)劃與仿真［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2011.

［8］梁新平.基于UG7.0 的減速箱設(shè)計和運動仿真［J］.新技術(shù)新工藝，2014(2)：33-35.