二级圆柱齿轮减速器的设计与仿真分析

2021-03-24华晨辉

机械制造 2021年3期

关键词：圆柱齿轮减速器箱体

□ 华晨辉 □ 王鹏

成都工业学院智能制造学院成都 611730

1 设计背景

二级圆柱齿轮减速器是一种常见的减速机构,作用是降低转速,增大转矩,常常用于矿山、港口、航空、建筑、起重、汽车等领域。

在机构设计中,运动机构的设计与校核是最烦琐的工作。目前多采用轨迹图法或求解法进行运动机构的设计,但对于运动部件多于三个的机构,设计时非常麻烦,并且设计不直观,设计结果也不能令人满意。

Unigraphics软件是集设计与运动校核于一体的应用软件,建模速度快,直观,并且能够充分显示部件运动中相互之间的协调关系。运用Unigraphics软件的仿真功能,还可以快速验证减速器的设计是否合理。

2 总体设计

二级圆柱齿轮减速器的结构一般分为展开式、同轴式等,笔者以展开式二级圆柱齿轮减速器为例进行设计,所设计的二级圆柱齿轮减速器系统简图如图1所示。减速器的初始数据如下:输送带的工作拉力为2 500 N,输送带速度为1.4 m/s,卷筒直径为390 mm。减速器使用寿命为10 a,1 a共300个工作日,每个工作日工作16 h,两班制工作,连续单向运转,载荷较平稳,用于小批量生产。

二级圆柱齿轮减速器结构较精密,包含很多部件,每一个部件都需要设计尺寸,计算工作状态。减速器设计的主体思路是根据所需功率选定电动机,计算并分配传动比,设计传动装置及其动力参数,设计轴、齿轮、三角胶带等关键部件。对每个部件进行设计计算,选定型号尺寸,并进行强度校验,根据传动机构设计减速器的箱体结构尺寸。

▲图1 二级齿轮减速器系统简图

笔者以输出轴的设计计算为例,通过仿真分析,验证设计数据的正确性。根据初始数据计算得到输出轴的转速为68.64(°)/s,按弯扭合成强度进行校核计算,得到输出轴的弯曲应力为14.35 MPa,小于输出轴材料的许用弯曲应力(60 MPa),所以输出轴的强度满足要求。

3 三维建模

二级圆柱齿轮减速器中的部件有箱体、箱盖、轴承、齿轮、齿轮轴、螺栓、螺母等。基于Unigraphics软件进行箱体建模时,先根据设计计算得到的箱体尺寸绘制草图,然后进行拉伸、对称、切除等操作,绘制出箱体的主体外形,最后利用Unigraphics软件中拔模、倒圆角、孔、镜像等功能完成箱体的三维建模。

进行齿轮轴三维建模时,先利用设计计算的数据在Unigraphics软件中绘制草图,建立主体,然后通过拉伸、旋转等操作,绘制齿轮轴的三维图。

二级圆柱齿轮减速器各部分三维建模后,进行装配。为了装配的方便,以先主后次的顺序,先装配箱体、齿轮、齿轮轴等主要部件,再装配螺栓、螺母等标准件,这样便于整个装配的定位。

装配过程中对部件设置条件约束,将各个部件装配为一个整体。为了看清内部结构,调整箱盖的透明度,透明度为70%左右即可。二级圆柱齿轮减速器三维装配图如图2所示。

▲图2 二级圆柱齿轮减速器三维装配图

4 仿真分析

运动仿真的目的在于检查干涉及分析运动状态。笔者设计中,运动仿真用于运动状态的分析,干涉问题在装配完成后进行。通过为输入轴添加设计的转速,在输出轴可以测出输出速度。通过比较仿真结果和设计计算结果,可以对设计的合理性进行判断。

二级圆柱齿轮减速器运动仿真分析的过程为创建运动方案,干涉和动画演示,仿真分析。

(1) 运动方案创建。选择连杆,建立输入轴、中间轴、输出轴所在的三个连杆。创建三个旋转副,输入轴的连杆为主动连杆,该连杆的旋转副驱动速度设置为966.67(°)/s,同时指定原点和矢量,中间轴和输出轴的连杆为从动连杆,无驱动速度。创建两个齿轮副,指定接触的齿轮,并标注半径。

(2) 干涉和动画演示。干涉检查可以确认二级圆柱齿轮减速器装配是否合理,动画演示可以直观看出二级圆柱齿轮减速器运动是否平稳。干涉检查中,装配体没有高亮显示,说明装配体合理。通过动画演示,确认二级圆柱齿轮减速器运动平稳。

(3) 仿真分析。通过仿真分析,可以得到输出轴的仿真转速曲线图。由于速度非常平稳,仿真转速曲线几乎为一条直线。仿真分析得到的输出轴转速为66(°)/s～67.5(°)/s,而理论计算得到的输出轴转速为68.64(°)/s,相对误差为1.6%～3.8%,在误差允许的范围内。综合以上分析,可以验证二级圆柱齿轮减速器的设计是合理的。