北京工業(yè)大學(xué)耿丹學(xué)院畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )基于 Solidwork 的行星齒輪的三維建模與運動仿真所 在 學(xué) 院專 業(yè)班 級姓 名學(xué) 號指 導(dǎo) 老 師年 月 日摘 要行星齒輪減速器是一種至少有一個齒輪的幾何軸線繞著固定位置轉(zhuǎn)動圓周運動的傳動，變速器通常和若干行星輪和傳遞載荷的作用，為了使功率分流。漸開線行星齒輪傳動具有以下優(yōu)點：傳動比大，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小、質(zhì)量小，效率高，噪音低，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，因此被廣泛應(yīng)用于冶金，工程機械，起重，運輸，航空，機床，電氣機械及國防工業(yè)等部門，作為減速、變速或增速的齒輪傳動裝置NGW 型行星齒輪傳動機構(gòu)的傳動原理：當(dāng)高速軸由電機驅(qū)動，帶動太陽輪，然后帶動行星輪轉(zhuǎn)動，內(nèi)齒圈固定，然后帶動行星架輸出運動的，在行星架上的行星輪既自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，具有相同的結(jié)構(gòu)。二級，三級或多級傳輸。NGW 型行星齒輪傳動機構(gòu)主要由太陽齒輪，行星齒輪，內(nèi)齒圈，行星架，命名為基本成分后，也被稱為 zk-h 型行星齒輪傳動機構(gòu)。本設(shè)計是基于行星齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點，和 SolidWorks 三維建模和運動仿真。行星齒輪和各種類型的特性的比較，確定方案；其次根據(jù)輸入功率，相應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)速，傳動比的傳動設(shè)計、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計；三維建模并最終完成了 SolidWorks，和模型的裝配，并完成了傳動部分的運動仿真和運動分析。關(guān)鍵詞： 行星齒輪減速器、運動仿真、裝配、三維建模AbstractPlanetary gear reducer is driving a at least one gear geometric axis rotated around a circular motion of fixed position, the transmission is usually and planetary gear and transfer load, in order to make the power split. Involute planetary gear transmission has the following advantages: large transmission ratio, compact structure, small volume, small mass, high efficiency, low noise, smooth operation, so it is widely used in metallurgy, engineering machinery, lifting, transportation, aviation, machine tools, electrical machinery and defense industry and other departments, as gear reducer, gear or the growthThe transmission principle of NGW type planetary gear transmission mechanism: when the high-speed shaft driven by a motor, to drive the sun gear, and the planet wheel is driven to rotate, the inner gear ring is fixed, and then drives the planetary frame outputting motion, on the planet carrier planet wheel both rotation and revolution, has the same structure. The two level, three level or multilevel transmission. The NGW type planetary gear transmission mechanism mainly consists of a sun gear, planet gear, inner gear ring, a planetary frame, named after the basic components, also known as the ZK-H type planetary gear transmission mechanism.This design is the design of planetary gear structure based on SolidWorks, and 3D modeling and motion simulation. Comparison of characteristics of planetary gears, and various types of determination scheme; secondly according to the input power, the output speed of the overall design, transmission design, ratio; 3D modeling and finished SolidWorks, assembly and model, and the motion simulation and motion analysis of the transmission part.Keywords: planetary gear reducer, assembly, motion simulation, 3D modeling目 錄摘 要 .1Abstract.2第 1 章 緒論 51.1 國內(nèi)外的研究狀況及其發(fā)展方向 51.2 SOLIDWORKS 行星齒輪的選題分析及設(shè)計內(nèi)容 61.3 主要的工作內(nèi)容 6第 2 章 NGW 型行星輪減速器方案確定 82.1 機構(gòu)簡圖的確定 82.2 周轉(zhuǎn)輪系部分的選擇 82.3 NGW 型行星輪減速器方案確定 .82.4 行星輪系中各輪齒數(shù)的確定 11第 3 章 NGW 型行星減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計 .133.1 基本參數(shù)要求與選擇 133.1.1 基本參數(shù)要求 .133.1.2 電動機的選擇 .133.2 方案設(shè)計 133.2.1 機構(gòu)簡圖 .133.2.2 齒形及精度 .143.2.3 齒輪材料及性能 .143.3 齒輪的計算與校核 153.3.1 配齒數(shù) .153.3.2 初步計算齒輪主要參數(shù) .153.3.3 按彎強度曲初算模數(shù) m 183.3.4 齒輪疲勞強度校核 .193.4 軸上部件的設(shè)計計算與校核 253.4.1 軸的計算 .253.4.2 行星架設(shè)計 .303.5 鍵的選擇與校核 343.5.1 鍵的選擇 .343.5.2 鍵的校核 .353.6 聯(lián)軸器的選擇 363.7 箱體尺寸及附件的設(shè)計 37第 4 章 SOLIDWORKS 的建模與運動仿真 424.1 建模軟件的介紹 424.2 行星齒輪機構(gòu)的建模 424.2.1 對行星齒輪的建模 .424.2.2 行星齒輪其他部件的建模 .444.3 行星齒輪機構(gòu)的虛擬裝配 464.4 裝配體的實現(xiàn) 574.5 減速機的運動仿真 594.5.1 仿真一般步驟 .594.5.2 機構(gòu)運動分析的任務(wù)和方法 .604.5.3 運動的生成 .614.5.4 運動分析 .61總 結(jié) .63參考文獻 .64致 謝 65第 1 章 緒論1.1 國內(nèi)外的研究狀況及其發(fā)展方向國內(nèi)對行星齒輪傳動比較深入的研究最早開始于 20 世紀 60 年代后期， 20 世紀 70 年代制定了 NGW 型漸開線行星齒輪減速器標準系列 JB1799-1976。一些專業(yè)定點廠已成批生產(chǎn)了 NGW 型標準系列產(chǎn)品，使用效果很好。已研制成功高速大功率的多種行星齒輪減速器，如列車電站燃氣輪機（3000KW） 、高速氣輪機（500KW）和萬立方米制氧透平壓縮機（6300KW）的行星齒輪箱。低速大轉(zhuǎn)矩的行星齒輪減速器已成批生產(chǎn)，如礦井提升機的 XL-30 型行星齒輪減速器（800kW） ，雙滾筒采煤機的行星齒輪減速器（375kW ） 。世界上一些工業(yè)發(fā)達的國家，如： 日本、德國、英國、美國和俄羅斯等，對行星齒輪傳動的應(yīng)用、生產(chǎn)和研究都十分重視，在結(jié)構(gòu)化、傳動性能、傳遞功率、轉(zhuǎn)矩和速度等方面均處于領(lǐng)先地位；并出現(xiàn)了一些新型的傳動技術(shù)，如封閉行星齒輪傳動、行星齒輪變速傳動和微型行星齒輪傳動等早已在現(xiàn)代的機械傳動設(shè)備中獲得了成功的應(yīng)用。世界各先進工業(yè)國家，經(jīng)由工業(yè)化、信息時代化，正在進入知識化時代，行星齒輪傳動在設(shè)計上日趨完善，制造技術(shù)不斷進步，使行星齒輪傳動已達到較高的水平。我國與世界先進水平雖存在明顯的差距，但隨著改革開放帶來設(shè)備引進、技術(shù)引進，在消化吸收國外先進技術(shù)方面取得很大的進步。目前行星齒輪傳動正在向以下幾個方面發(fā)展：1）向高速大功率及低速大轉(zhuǎn)矩的方向發(fā)展。例如年產(chǎn) 300kt 合成氨透平壓縮機的行星齒輪增速器，其齒輪圓周速度已達 150m/s；日本生產(chǎn)了巨型船艦推進系統(tǒng)用的行星齒輪箱，功率為 22065kW；大型水泥磨中所用 80/125 型行星齒輪箱，輸出轉(zhuǎn)矩高達 4150kN m。在這類產(chǎn)品的設(shè)計與制造中需要繼續(xù)解決均載、平衡、密封、潤滑、零件材料與熱處理及高效率、長壽命、可靠性等一系列設(shè)計制造技術(shù)問題。2）向無級變速行星齒輪傳動發(fā)展。實現(xiàn)無級變速就是讓行星齒輪傳動中三個基本構(gòu)件都傳動并傳遞功率，這只要對原行星機構(gòu)中固定的構(gòu)件附加一個轉(zhuǎn)動（如采用液壓泵及液壓馬達系統(tǒng)來實現(xiàn)） ，就能成為變速器。3）向復(fù)合式行星齒輪傳動發(fā)展。近年來，國外將蝸桿傳動、螺旋齒輪傳動、圓錐齒輪傳動與行星齒輪傳動組合使用，構(gòu)成復(fù)合式行星齒輪箱。其高速級用前述各種定軸類型傳動，低速級用行星齒輪傳動，這樣可適用相交軸和交錯軸間的傳動，可實現(xiàn)大傳動比和大轉(zhuǎn)矩輸出等不同用途，充分利用各類型傳動的特點，克服各自的弱點，以適應(yīng)市場上多樣化需要。4）向少齒差行星齒輪傳動方向發(fā)展。這類傳動主要用于大傳動比、小功率傳動。1.2 SOLIDWORKS 行星齒輪的選題分析及設(shè)計內(nèi)容本設(shè)計以本設(shè)計基于 Solidworks 便于交互及強大的二維、三維繪圖功能。先確定總體思路、設(shè)計總體布局，然后設(shè)置零部件，最后完成一個完整的設(shè)計。利用SOLIDWORKS 模塊實現(xiàn)裝配中零部件的裝配、運動學(xué)仿真等功能。行星齒輪減速器的體積、重量及其承載能力主要取決于傳動參數(shù)的選擇，設(shè)計問題一般是在給定傳動比和輸入轉(zhuǎn)矩的情況下，確定各輪的齒數(shù)，模數(shù)和齒寬等參數(shù)。其中優(yōu)化設(shè)計采用 Solidworks 自帶的模塊， ，模擬真實環(huán)境中的工作狀況進行運動仿真，對元件進行運動分析。減速器作為獨立的驅(qū)動元部件，由于應(yīng)用范圍極廣，其產(chǎn)品必須按系列化進行設(shè)計，以便于制造和滿足不同行業(yè)的選用要求。針對其輸人功率和傳動比的不同組合，可獲得相應(yīng)的減速器系列。在以往的人工設(shè)計過程中，在圖紙上盡管能實現(xiàn)同一機座不同規(guī)格的部分系列表示，但其圖形受到極大限制。采用 Solidworks 工具來實現(xiàn)這一過程，不僅能完善上述工作， ，方便設(shè)計操作，而且使系列產(chǎn)品的技術(shù)數(shù)據(jù)庫，圖形庫的建立、查詢成為可能，使設(shè)計速度加快。在設(shè)計過程中，我利用互聯(lián)網(wǎng)對本課題的各設(shè)計步驟與任務(wù)進行了詳細了解。采用計算機輔助設(shè)計的技術(shù)，利用 Solidworks 參數(shù)化建模動態(tài)仿真。1.3 主要的工作內(nèi)容1. 設(shè)計計算部分：分析行星齒輪機構(gòu)傳動方案；并通過計算分析，確定行星輪系齒輪的齒數(shù)、模數(shù)和軸、行星架的各項參數(shù)，校核齒輪的接觸和彎曲強度；完成內(nèi)外嚙合齒輪、軸、行星架的設(shè)計計算；在整機設(shè)計開發(fā)背景下，結(jié)合運動參數(shù)完成建模。2. 工程仿真分析部分：本論文利用三維軟件 Solidworks 對行星輪減速器進行三維建模，并完成與整機的裝配；利用 Solidworks 減速器機構(gòu)模型進行全局運動仿真，對內(nèi)外嚙合齒輪傳動進行運動學(xué)分析。第 2 章 NGW 型行星輪減速器方案確定NGW 型行星齒輪減速器的工作過程和結(jié)構(gòu)2.1 機構(gòu)簡圖的確定減速器傳動比 i=5.4,故屬于 1 級 NGW 型行星傳動系統(tǒng)。查《漸開線行星齒輪傳動設(shè)計》書表 4-1 確定 =2 或 3。從提高傳動裝置承載力，pn減小尺寸和重量出發(fā)，取 =3。pn計算系統(tǒng)自由度 W=3*3-2*3-2=12.2 周轉(zhuǎn)輪系部分的選擇周轉(zhuǎn)輪系的類型很多，按其基本構(gòu)件代號可分為 2Z-X、3Z 和 Z-X-F 三大類(其中 Z—中心輪)。其他各種復(fù)雜的周轉(zhuǎn)輪系，大抵可以看成這三類輪系的聯(lián)合貨組合機構(gòu)。按傳動機構(gòu)中齒輪的嚙合方式、又可分為許多傳動形式，如 NGW 型、 NW 型、 NN 型、WW 型、ZUWGW 型、 NGWN 型、 N 型等（其中 N—內(nèi)嚙合，W—外嚙合，G—公用齒輪，ZU—錐齒輪） 。其傳動類型與傳動特點如表 1-1。2.3 NGW 型行星輪減速器方案確定NGW 行星輪系由內(nèi)外嚙合和公用行星輪組成。結(jié)構(gòu)簡單、軸向尺寸小、工藝性好、效率高；然而傳動比較小。但 NGW 性能多級串聯(lián)成傳動比打的輪系，這樣便克服了淡季傳動比較小的缺點。表 1-1 行星齒輪傳動的類型與傳動特點傳 動 類 型 傳 動 特 性類 組 性機構(gòu)簡圖 傳動比范圍傳動比推薦值傳遞功率KW應(yīng)用特點NGW1.13 ~13.7= ibaX2.7~ 9不限廣泛地用于動力及輔助傳動中，工作制度不限，可作為減速、增速和差速裝置軸向尺寸小，便于串聯(lián)多級傳動，工藝性好2Z-X負號機構(gòu)NW 1~50= ibaX5~25不限7iaXb時，徑向尺寸比 NGW型小，可推薦采用工作制度不限NN 1700?一個行星輪時=30ibXa~100 三個行星輪時3L61?1STY試驗齒輪應(yīng)力修正系數(shù)按所給 區(qū)域圖取Flim?Flim2a.relT?太陽輪齒根圓角敏感系數(shù)查【5】圖 6-35 0.96cY.relT?行星齒輪齒根圓角敏感系數(shù)查【5】圖 6-35 0.97Trel齒根表面形狀系數(shù)，查【5】圖 6-354.2?ZR1.045limFS最小安全系數(shù) 按高可靠度，查【5】表 6-8 1.6① 太陽輪： 彎曲應(yīng)力基本值： a0F。?=a0F。? 2Fa /9.105)2.7/(1.584.276b/ mNYSt ??????（3-13）彎曲應(yīng)力： = . . . . .Y =aFp。?alimSTYNaFrelTY.relX 2470.5N/m1/.6.05961237.5???（3-14）故 , 彎曲強度通過Faap。② 行星輪 = . . /bm= 103.79N/mmcF0。?tcFYas.?? ???1.25)/(70.172.5468 2= . / =cp。 limcSTNaY.relT?rllimFS2301/.04597126.5???= . . . . .cF。?c0。 AKV?F?FPK= 2/4.5179.354.01.29713故 ,彎曲強度通過cF。 cp。（2）內(nèi)嚙合① 齒輪接觸疲勞強度、 仍用【5】式（6-19） 、 （6-20） 、 （6-21）計算，其中與外嚙合取值，不同的H?P參數(shù)為 u=77/29=2.655 , =0.87, =1.03, =0.97, =1.11?ZNRZWH0= . . . .ZZE??ubd1.Ft?947.125.36817.0895.2????（3-15）2/879.35mN? 2HPVAH0 m8.36N/.01.0.2530.879.K. ????（3-16）= mmHP /1.56325.1.973.6limliSZHXWRVLN ??? 2（3-17）故 H?P②齒根彎曲疲勞強度只需計算內(nèi)齒輪，計算公式仍為書【5】 （6-34） 、 （6-35）和式 6-36，其中取值與外嚙合不同的系數(shù)： ， ， =0.683 = 1.02 =1.045 3.2a?FY.81sa?YrelT?TYrel=F? 2a /94.8)25.17/(63.0.765b/ mNmSt ?????（3-18）= . . . . .cF。 0AKV?F?FPK= (3-19)2.59N/m1.354.1.2948???= . / =Fp?limcSTYNa.relT?YrlliFS(3-20)268/20175故 ,彎曲強度通過Fp3.4 軸上部件的設(shè)計計算與校核3.4.1 軸的計算3.4.1.1 輸出軸1.輸出軸上的功率 eeTP和 轉(zhuǎn) 矩轉(zhuǎn) 速 ,ne,( 為齒輪嚙合效率)KWpde 38.29.04.2?????m.15.595NnTee2求齒輪上的力 dFet 4213875.132???0tan,153costan?????r FNF2.初步確定軸的最小直徑先按書【1】式（15-2）初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為 40Cr,調(diào)質(zhì)處理根據(jù)表【1】式（15-3） ，取 ,于是得10A? mnPAe 2.34.59810d30min ???軸的輸出最小直徑顯然是安裝聯(lián)軸器的直徑 dⅠ-Ⅱ,為了所選軸直徑孔徑相適，故需同時選取聯(lián)軸器型號，聯(lián)軸器查 【1】表 14-1，取 ，則1.3KA?（3-mNTKA .54980623.1eca??47）按計算轉(zhuǎn)矩 小于聯(lián)軸器公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩條件，查【6】表 11-17，ZL3 彈性柱銷齒式聯(lián)軸caT器 dⅠ=38，半聯(lián)軸器長度 L=82,半聯(lián)軸器與軸配合得轂孔長度 L1=60。3.軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(1）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度1）為了滿足半聯(lián)軸器的軸向定位要求Ⅰ-Ⅱ軸端有段需制造出軸肩，故Ⅱ-Ⅲ段，dⅡ-Ⅲ=46mm，左端用軸端擋圈定位，按軸端直徑取擋圈直徑 D=50。半聯(lián)軸器與軸配合得轂孔長度 ，為了保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而不壓在軸端面上，故60mL1?Ⅰ-Ⅱ段的長度應(yīng)該 L1 略短一些，現(xiàn)取 LⅠ-Ⅱ=58mm。2）初選滾動軸承。應(yīng)為軸承只受徑向力的作用，故選用深溝球軸承 6010，其尺寸d-D-T=50mm-80mm-16mm,故 dⅢ-Ⅳ=dⅦ-Ⅷ=50mm,而 LⅦ-Ⅷ=16mm.端右滾動軸承采用軸肩進行的軸向定位。有手冊上查的 6010 軸間高度，h=3,因此選取 dⅥ-Ⅶ=56。1） 取安裝齒輪出的軸段Ⅳ-Ⅴ的直徑 dⅣ-Ⅴ=54,齒輪的左端與軸承之間采用套筒定位。已知齒輪輪轂的寬度為 60mm ,為了使套筒斷面可靠的緊壓齒輪，此軸段應(yīng)略短于輪轂寬度，故取 LⅣ-Ⅴ=56mm ,齒輪的右端采用軸肩定位，軸肩高度 h=6mm,則軸環(huán)處的直徑 dⅤ-Ⅵ=64mm 。軸環(huán)寬度取 10mm。2） 軸承端蓋的總寬度為 21mm (由減速器及軸承端蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計而定),取 LⅢ-Ⅳ=30.5。3） 取齒輪距箱體的內(nèi)壁之間的距離 a=10.5,.(2)軸上零件的周向定位齒輪、半聯(lián)軸器的周向定位均采用平減連接。由書【1】表 6-1 查的平鍵截面,鍵槽用槽銑刀加工，長度為 50mm，同時為了保證齒輪與軸配合有良mh106b??好的對中性，故選擇齒輪輪轂與軸的配合為 ；同時半聯(lián)軸器的連接，選用平鍵為6nH7，半聯(lián)軸器的配合為 。滾動軸承與軸的周向定位是由過度配合50810 k來保證的，此處的直徑尺寸公差為 m6。4.求軸上的載荷首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖做出軸的計算簡圖。軸承的支點位置為滾動軸承的中點位置。 ，因此，作為簡支梁的軸的支撐跨距為 L1+L2=72.5+127.5=200mm。令水平面為 H 面，垂直面為 V 面。圖 3-3 軸的載荷分析圖3 mNTFNert .38125,7.15,08.416F???, （3-t2NH?tV?247）, （3-0)1.(???LFFtNH48）代入數(shù)值可得： NH479.501則截面 C 處的 m2LFM?dere .14029.?,代入數(shù)值可得，F(xiàn)-L)(FrENV1??N （3-5.1201?LMreNV49） mLFMNV.5940.1?mNMeV .19234015912 ????總彎矩： （3-VH.21?50）（3-mNVH.934722??51） 5.按彎矩合成應(yīng)力校核軸的強度進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險截面 C）的強度。根據(jù)書【1】式（ 15-5）及上表中的數(shù)據(jù)，以及軸單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)應(yīng)力，取 ，軸的計算應(yīng)力.60??(3-52)MPaWTMe 16.27501.)386(249)(21ca ???????前已選定軸的材料為 40Cr,調(diào)質(zhì)處理，由【1】表 15-1 查得， ，故0][1??ca?MPa7][1??3.4.1.2 輸入軸1．輸入軸上的功率 、轉(zhuǎn)速 、和轉(zhuǎn)矩aPanaT=2.465kw， =960r/min， =8.413N.ma2．求作用在齒輪上的力 NdTa7.685/2F1t?nt49r?3. 初步確定軸的最小直徑先按書【1】式（15-2）初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為 40Cr,調(diào)質(zhì)處理根據(jù)表【1】式（15-3） ，取 ,于是得10A?