基于CAXA&ALGOR的齿轮减速器的联合设计

2014-07-10吴志光陈锁修

池州学院学报 2014年3期

关键词：小齿轮减速器齿轮

吴志光，孙亮,陈锁修

(1．池州职业技术学院机电系，安徽池州247000；2.凤阳县职业教育中心，安徽凤阳233100)

基于CAXA&ALGOR的齿轮减速器的联合设计

吴志光1，孙亮1,陈锁修2

(1．池州职业技术学院机电系，安徽池州247000；2.凤阳县职业教育中心，安徽凤阳233100)

文章应用CAXA和ALGOR两个软件配合使用，以减速器为例,对减速器的轴与齿进行设计，用CAXA实体设计软件进行三维模型设计，然后将CAXA中的三维模型导入到ALGOR中，进行分析、比较，优化减速器上关键零件的设计。

CAXA实体制造；ALGOR有限元分析；齿轮减速器

1 引言

本文应用ALGOR软件对减速器轴及齿轮进行有限元设计分析，预测和检验在真实状态下的各种情况,快速、低成本地完成更安全可靠的设计项目。CAXA对于静力学等分析方面只能靠理论计算，另外理论设计都需要计算[1-3]，且不能确定结果是否合理，将CAXA和ALGOR分析模块配合使用，将设计和分析集合起来，即能加快设计周期，且保证设计质量。这里作者以减速器作为例子进行研究。齿轮减速器是机械系统中运用最广泛的传动设备之一，其动态性能的好坏对整个机械设备的综合动态性能以及由此带来的故障和寿命等有着重大的影响。研究运用智能优化算法优化齿轮减速器包括动态性能、体积和可靠性等的综合性能，解决机械设备振动问题。

图1 设计流程图

2 齿轮减速器的设计及三维建模

2.1 齿轮减速器的设计

设计用于带式运输机的传动装置，如图2。

数据：运输带工作压力F=2800N，运输带工作速度V=1.4m/s，卷筒直径D=350mm。

工作条件：一班制，连续单向运转。载荷平稳，室内工作，有粉尘（运输带与卷筒及支承间，包括卷筒轴承的摩擦阻力影响已在F中考虑）。

传动装置的总效率 η=0.99×0.982×0.98×0.95×0.96=0.8672

2.1.2减速器关键零部件设计一级齿轮减速器，主要零件包括一根高速轴、一根低速轴、两个齿轮及上、下箱体，现对这几个关键零部件进行设计。

（1）高速轴设计

图2 高速轴零件图

根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度，具体设计如图2所示。作为简支梁的轴的支承跨度为144mm+73.5mm+73.5mm+20mm=314mm。根据轴的计算简图做出轴的弯矩图和扭转图，如图3所示：

图3 高速轴受力图

从轴的结构图以及弯矩图和扭转图中可以看出截面C是轴的危险截面。现将计算出截面C出的、及的值列于下表1[6-8]。

表1 高速轴载荷

经计算，输出轴上的功率P1=4.04KW，转速n1=76.43r/min和转矩T1=503.59N·m，作用在齿轮上的力，因为已知小齿轮的分度圆直径,初步确定轴的最少直径，选取轴的材料为45钢，调质处理，取A0=112。，圆整为50mm。

（2）圆柱齿轮传动的设计计算

经计算，小齿轮结构设计做成实心式，具体尺寸如图4所示。大齿轮结构设计做成腹板式，具体结构如图5所示。

图4 实心式小齿轮

图5 腹板式大齿轮

2.2 CAXA的减速器三维建模

图6 减速器的三维模型

然后重点将上述已经建模好的主要零部件高速轴及小齿轮，在CAXA中进行绘制，图6，设计好的高速轴三维模型如图7所示：

图7 高速轴的三维模型

图8 小齿轮的三维模型

应用上面设计好的齿轮参数，齿轮模数：2.5mm；齿轮齿数：28；压力角度数：20°；齿轮厚度：75mm。在CAXA实体设计中建立其三维模型，如图8所示。

3ALGOR和CAXA的联合设计分析

由于ALGOR软件可与多种CAD软件具有嵌入式的接口直接实现数据交换，故本文利用CAXA创建工程模型，在CAXA中设计好图形之后，就要将模型导入到ALGOR有限元分析软件中，给定使用单位N/mm，以50%网格大小，即：1.875 mm单元格大小对模型划分网格。有限元网格的划分用于三维几何模型进行有限元单元划分的网格类型主要包括：六面体单元、四面体单元。六面体网格具有较高的精度，但划分难度高，较难实现自动网格划分，所以这里我使用四面体单元。设置好后，系统可自动生成美观、精度高的有限元网格，网格划分好以后进入FEA编辑器，即可模拟各种结构形式及各种复杂材料[9-10]。

轴的材料的定义：首先要修改材料属性，我选择高速轴的材料是45号钢。

齿轮划分好的图形如下图9所示：