一级圆柱齿轮减速器仿真设计

2014-12-23李碧波

湖南人文科技学院学报 2014年6期

关键词：减速器网格建模

胡建，李碧波

(湖南人文科技学院能源与机电工程系，湖南娄底417000)

减速器作为一种匹配原动机与工作机的转速并传递转矩作用的机械装置，在各行业中的应用越来越广泛［1］。在减速器传统设计中，一般是按照设计任务书提供的初始设计数据，大量使用经验公式以及各种设计系数进行设计［2］，这样的设计过程主要有以下缺陷:

(l)设计过程主要依靠设计者的经验以及设计手册来完成设计，这样势必会造成结果的不稳定。

(2)物理样机的制造周期长、制造的成本高，局部修改困难，这将会造成企业的竞争力下降。

(3)设计安全系数的选择往往偏大，特别是设计人员无法或很难测量齿轮动态特性并得到动态的接触力。

UG 作为一个交互式CAD/CAE/CAM 系统，能在虚拟环境中进行产品建模、虚拟装配和制造［3］，对相关传动装置进行运动仿真，干涉检测和结构分析，查漏补缺加以改善，提高设计效率，还能进一步为减速器进行优化设计。

一减速器结构分析

减速器包括很多零部件，它的设计是根据原动机原始参数以及工作机的载荷计算传动装置的运动和动力参数，进而对减速器各零部件进行设计计算与选择。如图1 所示，减速器设计的主要任务是传动零件、轴、轴承、连接件、联轴器和箱体等零部件的设计计算与选择［4］。

图1 减速器结构分析

二减速器建模及虚拟装配

图2 箱体

三维建模是运动仿真的基础，根据各零部件设计尺寸及结构建立三维实体。UG 有着强大的建模功能，在模型的建立过程中，模型编辑与修改工具要灵活的使用，设计内容要不断完善与修改。尽管减速器的零部件很多，但大多是回转类零件，模型的建立比较简单。运用旋转建模的方式，按照需求作必要的剪切、拉伸或孔的处理，建立所需要的零件模型。模型完成后，必须给每一个零件设定正确的材质与颜色，使模型更逼真。此外，为了清楚地看到减速器内部的运动过程，可以把减速器缸体隐藏或者把颜色设置为半透明状态。箱体三维模型如图2 所示。

图4 爆炸图

完成圆柱齿轮减速器各零部件的三维实体建模后，可使用UG 的装配模块功能来建立各零部件在UG 中的装配关系［5］。减速器装配不仅是要将各减速器组件固定组装在正确的位置，而且还要求各组件之间具有正确的约束关系，使各组件具有合适的自由度。减速器的装配采用自底向上的装配方式来完成［6］，装配如图3 所示，图4 为爆炸图。装配完成之后，将进行零部件之间的干涉检查，检查装配体有无干涉以及干涉位置，如有干涉可立即对模型进行修改。

三减速器运动仿真

运动仿真分析模块是UG 中CAE 模块的重要组成部分，它被用来建立运动机构的模型，分析运动规律［7］。在建立三维实体模型后，用UG 仿真功能为三维实体模型子部件设置特定运动学特性，各个部件创建一定的连接关系［8］。

运用仿真模块能够完成机构的干涉分析，并可以跟踪查看各个零件的运动轨迹，还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项参数，它的分析结果对零件结构设计的修改或零件材料的调整有着重要的作用。设计方案的变化反映在模型的备份分析方案中，对新的设计方案重新进行分析，优化方案确定之后，设计方案改变就能够直观的反映在模型中。其仿真步骤如下:

Step1:打开总装配图;

Step2:创建仿真方案;

Step3:创建连杆;

Step4:创建运动副;

Step5:解算方案及求解。

四有限元分析

有限元分析是现代设计制造过程中必要的有效手段。有限元分析主要分为三个阶段:前处理(Preprocessing)、分析(Analysis)及后处理(Post Processing)。在运动仿真过程中，对关键承载零部件轴做了有限元分析，在前处理阶段主要是对轴进行网格划分和载荷与边界条件的添加，网格划分的质量对有限元分析结果精度有很大的影响，轴采用的是典型的三面体网格划分。分析阶段主要是选择求解器根据网格划分进行求解。后处理阶段主要是对求解结果用直观的、彩色的图形化方式来表达，在同一个窗口中对不同分析方案进行比较，复杂的可用动画的方式展示。从动轴分析结果如图5 所示。位移，旋转，应力，反作用力，反作用力矩的分析都可以从分析报告看出。