毕业设计---斜齿圆柱齿轮减速器三维建模及运动仿真分析

毕业设计---斜齿圆柱齿轮减速器三维建模及运动仿真分析

河南科技学院2011届本科毕业论文（设计）论文题目：斜齿圆柱齿轮减速器三维建模及运动仿真分析学生姓名:所在院系：所学专业：导师姓名：完成时间：2011年5月27日\n摘要本文在对二级斜齿圆柱齿轮减速器参数优化的基础上，利用Pro/E软件建立了减速器的三维实体模型并进行虚拟装配，其重点是关键部件斜齿圆柱齿轮的参数化建模过程。最后对该模型进行运动学仿真分析，给输入轴一定转速，由仿真分析得出中间轴和输出轴转速，并将仿真结果与理论计算进行对比，从而验证该结构的有效性和可行性。关键词：减速器，Pro/E，建模，运动分析AbstractThispaperisbasedonthedesignofmechanicaldesigncourseteachingpracticeintwo-stagehelicalgearreduceronthebasisoffurtheroptimization,usingPro/Esoftwaretoestablishathree-dimensionalmodelreducerandthevirtualassembly,focusingonkeycomponentsoftheprocessofparametricmodelinggear.Finally,kinematicsimulationofthemodel,somegiveninputshaftspeed,obtainedbythesimulationspeedintermediateshaftandoutputshaft,thesimulationresultswillbecomparedwiththetheoreticalcalculation,toverifytheeffectivenessandfeasibilityofthestructure.朗读显示对应的拉丁字符的拼音Keywords:Reducer,Pro/E,Modeling,KinematicsAnalysis\n目录1引言11.1设计研究的意义11.2文中采用软件简介11.3本文主要研究内容22减速器相关参数确定22.1已知参数及初步计算分析22.2减速器相关零部件尺寸确定33减速器三维模型创建43.1渐开线斜齿圆柱齿轮参数化建模方法53.1.1渐开线斜齿圆柱齿轮参数化建模过程63.2轴的三维模型建造方法163.2.1轴的设计思路163.2.2轴的建模过程163.3箱体及其他零部件模型建造174减速器装配过程简介185Pro/E环境中的运动仿真196结论22致谢23参考文献24\n1引言1.1设计研究的意义我国是世界制造大国，齿轮减速器由于具有固定传动比、结构紧凑、机体封闭并有较大刚度、传动可靠等特点而成为工程应用中普遍使用的机械传动装置，被广泛应用于建材、起重、运输、冶金、化工和轻工等行业。一些类型的减速器已有系列标准，并由专业厂生产。但在传动布置、结构尺寸、功率、传动比等有特殊要求，由标准不能选出时，需自行设计制造。由于有特殊要求的减速器其设计过程繁琐、周期长、效率低，因而在整个设计过程中对其进行实体建模，并进行运动仿真等分析显得十分重要[1]。而计算机辅助设计/工程（CAD/CAE）等技术经过几十年的发展已经日趋成熟，计算机辅助绘图作为计算机辅助设计、计算机辅助制造的重要组成部分，由于绘图速度快且精度高，正广泛应用于航空、机械、电子、建筑等行业[2]。将计算机辅助设计与传统机械设计过程相结合，能够大大缩短产品设计周期，提高效率，减轻劳动强度，同时在设计过程中对产品进行仿真分析，能够有效避免原材料的浪费，最大限度降低生产成本。因此基于目前我国由制造业大国向制造业强国迈进的基本国情，减速器的实体建模及运动仿真分析对其设计过程显得尤为重要。本文研究内容能够在一定程度上缩短减速器的设计周期，降低生产成本，降低劳动者的劳动强度，提高劳动生产率，提高减速器设计质量。1.2文中采用软件简介本设计中减速器的实体模型及运动仿真分析均在Pro/E三维设计软件中进行。（1）Pro/E三维设计软件简介Pro/ENGIEERWildfire是美国参数技术公司（ParametricTechnologyCorporation，简称PTC）推出的工程设计软件，其最显著的特征就是使用参数化的特征造型。涵盖了产品从概念设计、工业造型设计、三维模型设计、分析计算、动态模拟与仿真，到工程图的输出、生产加工成产品的全过程。本软件采用单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念，改变了机械CAD／CAE／CAM的传统观念，这种全新的概念已成为当今世界机械CAD／CAE／CAM领域的新标准。Pro/E引入了行为建模功能，可以通过对用户的设计要求和目标的分析，自动得到最优结果。它所涉及的主要行业包括工业设计、机械、仿真、制造和数据管理、电路设计、汽车、航天、玩具等[3]。将现代化的Pro/E三维技术应用到在机械产品的设计中，可以解决传统设计开发中存在的很多不足。24\n（2）Pro/E软件系统主要功能如下：1）真正的全相关性，任何地方的修改都会自动反应到所有相关地方；2）具有管理并发进程，实现并行工程的能力；3）具有强大的装配功能，能够始终保持设计者的设计意图；4）容易使用，可以极大的提高设计效率。Pro/E系统用户界面简洁，概念清晰，符合工程设计人员的设计思想和习惯，整个系统建立在统一的数据库基础上，具有完整而统一的模型[4]。1.3本文主要研究内容文中减速器参数选择参考机械设计课程设计中的二级斜齿圆柱齿轮减速器的数据，并在此基础上对其进行适当的简化和优化后，利用Pro/E软件进行三维实体建模，包括箱体、轴、齿轮轴、斜齿圆柱齿轮及部分标准件，其中详述斜齿圆柱齿轮的参数化建模过程、减速器装配及其运动学仿真过程，并将仿真分析结果与理论计算结果对比，以验证该设计的正确性和可行性。该设计过程包括：（1）系统的总体介绍；（2）斜齿圆柱齿轮参数化设计；（3）轴的设计；（4）箱体及其他零部件设计；（5）运动仿真分析；（6）仿真结果与理论计算结果比较。2减速器相关参数确定2.1已知参数及初步计算分析本设计中减速器已知参数见表1：表1减速器已知参数工作阻力F（N）10000卷筒轴线速度V（m/s）0.375卷筒轴直径(mm)500经过初步计算后确定电机及传动装置传动比见表2：表2电机及传动装置传动比电机型号额定功率（Kw）电机转速（r/min）传动装置传动比同步转速满载转速总传动比开式齿轮减速器Y132S2-45.515001440100.495.817.3324\n利用已知参数和计算分析结果，可初步确定传动装置结构简图，如图1所示。图1传动装置结构简图2.2减速器相关零部件尺寸确定（1）齿轮（齿轮轴）尺寸确定经过设计计算后确定减速器各齿轮（齿轮轴）相关参数见表3：表3齿轮（齿轮轴）尺寸确定齿轮法面模数（mm）齿数压力角螺旋角分度圆直径（mm）齿宽（mm）齿顶高系数顶隙系数传动比中心距（mm）齿轮轴2242015.9949.935510.255.20155齿轮221252015.99260.065010.25齿轮33282015.687.218810.253.33190齿轮43942015.6292.799310.25（2）轴结构草图参照表3的结构尺寸，确定轴的结构草图，见图2—图4所示。图2轴1结构草图24\n图3轴2结构草图图4轴3结构草图（3）轴承结构草图根据设计要求，轴承依次为：高速轴30208；中间轴30308；低速轴30311（GB/T297-1994）。以轴承30311为例，其半截面草图形状见图5所示：（4）键的选取轴1：由公称直径d=32mm查手册得平键的尺寸为10×8mm，由联轴器处轴长L=58mm选键长为45mm；轴2：安装小齿轮处轴的公称直径d=46mm，查手册键尺寸为14×9mm，由小齿轮宽度B=93mm选键长L=80mm；安装大齿轮处轴的公称直径d=44mm，查手册键尺寸为12×8mm，由大齿轮宽度B=50mm选键长L=40mm；轴3：安装齿轮处轴的公称直径d=58mm，查手册键尺寸为16×10mm，由齿轮宽度B=88mm选键长L=80mm；安装联轴器处轴的公称直径d=45mm，查手册选键尺寸为14×9mm，由轴长度L=84mm选键长L=70mm；图5轴承30311草图半截面（5）其他相关零部件包括销、螺钉、螺螺栓（含螺母）、箱体等，其尺寸如表4所示：3减速器三维模型创建减速器24\n的三维模型创建是本设计过程的重要部分之一，同时也是后续运动仿真分析的基础，仿真分析结果与理论计算值的吻合程度在一定程度上依赖模型创建的可行性和正确性。表4减速器相关零部件尺寸机座壁厚δ（mm）8机座凸缘厚度b（mm）12机座底凸缘厚b2（mm）20地脚螺栓直径df（mm）20地脚螺栓数目n6轴承旁联接螺栓直径d1（mm）16机座与机盖联接螺栓直径d2（mm）12联接螺栓间距L（mm）170轴承端盖螺钉直径d3（mm）10定位销直径d（mm）8df、d1、d2至外机壁距离C1（mm）26、22、18df、d2至凸缘边缘距离C2（mm）24、16轴承旁凸台半径R1（mm）20凸台高（mm）依据C1、C2定机盖壁厚δ1（mm）8机盖凸缘厚b1（mm）12窥视孔盖螺钉直径d4（mm）83.1渐开线斜齿圆柱齿轮参数化建模方法文中对减速器关键零部件之一——齿轮采用通用参数化设计方法来构建其三维模型。Pro/E中Program模块是自动化产品设计的一项辅助工具，其功能是运用简单的程序来控制特征的形成、尺寸的大小、零部件的形成、零部件的显示、零部件的个数。当零件或部件的程序设计完成后，后续再读取该零件或组件时，即可以通过对程序的修改得到不同的几何形状，达到产品设计的要求。渐开线齿轮作为应用最广的通用机械零件，在Pro/E中没有该零件的标准库，不同齿数、模数和压力角的齿轮虽然可以通过复杂的造型设计完成，但每次设计时总要做大量的重复工作，能否有效的建立齿轮的精确齿廓形状对于提高齿轮的加工精度、优化齿轮的机构设计非常重要。24\n渐开线的形成是一直线沿一圆周做滚动时，直线上任一点的轨迹，该点到圆心的距离逐渐增大。因此利用可变剖面扫描的作法，使一条直线沿着圆弧线做扫描，而在扫描过程中，以渐开线数学式控制直线到圆心的距离，扫描出一个轮齿的面组后，镜像出另一个轮齿的面组，然后通过阵列来创建出齿轮的3D几何模型，在创建齿轮的过程中，通过程序的设计，能在单纯的输入齿轮设计的已知条件下（如齿数Z、压力角α、模数m等），系统即可自动创建齿轮的3D几何模型，便于以后的齿轮参数化建模[5]。3.1.1渐开线斜齿圆柱齿轮参数化建模过程渐开线斜齿圆柱齿轮的基本参数：齿数z，压力角α，螺旋角β，法面模数mn，分度圆直径d，齿宽B，齿顶高系数ha*，顶隙系数c*。编辑程序及齿轮参数关系，以形成基本齿轮模型，基本齿轮模型形成的过程如下：1）输入参数、关系式，创建齿轮基本圆；2）创建渐开线；3）创建齿根圆及分度圆曲面；4）创建扫描轨迹；5）创建扫描混合截面；6）创建轮齿。下面以齿轮3为例，对上述斜齿圆柱齿轮创建步骤逐一介绍：（1）输入基本参数、关系式，创建齿轮基圆①单击，在新建对话框中输文件名“helical_gear2-1”，然后单击确定；②在主菜单上单击“工具”/“参数”，系统弹出“参数”对话框。在“参数”对话框内单击按钮，可以看到“参数”对话框增加了一行，依次输入新参数的名称、值和说明等。需要输入的参数见表5所示：表5创建齿轮参数名称值说明名称值说明Mn3法面模数HA齿顶高Z28齿数HF齿根高ALPHA20压力角X变位系数BETA15.6螺旋角D分度圆直径B93齿轮宽度DB基圆直径HAX1.0齿顶高系数DA齿顶圆直径CX0.25顶隙系数DF齿根圆直径注意：表中未填的参数值，表示是由系统通过关系式将自动生成的尺寸，用户无需指定。完成后的参数对话框如图6所示：24\n③在主菜单上依次单击“工具”/“关系”，系统弹出“关系”对话框。在“关系”对话框内输入齿轮的分度圆直径关系、基圆直径关系、齿根圆直径关系和齿顶圆直径关系，由这些关系式，系统便会自动生成表5中的未指定参数的值。图6“参数”对话框输入的关系式如下：ha=(hax+x)*mnhf=(hax+cx-x)*mnd=mn*z/cos(beta)da=d+2*hadb=d*cos(alpha)df=d-2*hf完成后的“关系”对话框如图7所示。图7“关系”对话框24\n④在工具栏内单击按钮，系统弹出“草绘”对话框。选择“FRONT”面作为草绘平面，选取“RIGHT”面作为参考平面，参考方向为向“右”，单击“草绘”进入草绘环境。在绘图区以系统提供的原点为圆心，绘制四个任意大小的圆，并且标注圆的直径尺寸，如图8所示。在工具栏内单击按钮，完成草图的绘制；⑤用关系式驱动圆的大小。在模型中右键单击刚刚创建的草图，在弹出的快捷菜单中单击选取“编辑”；在主菜单上依次单击“工具”/“关系”，系统弹出关系对话框，在“关系”对话框中输入尺寸关系如下：d0=dfd1=dbd2=dd3=da此时“关系”对话框如图9所示；图8绘制二维草图图9“关系”对话框其中d0、d1、d2、d3为圆的直径尺寸代号，注意尺寸代号视具体情况会有所不同。da、db、df、d为用户自定义的参数，即为齿顶圆直径、基圆直径、齿根圆直径、分度圆直径。通过该关系式创建的圆即为基本圆。（2）创建渐开线①创建渐开线依次在主菜单上单击“插入”/“模型基准”/“曲线”，或者在工具栏上单击按钮，系统弹出“曲线选项”菜单管理器；在“曲线选项”菜单管理器上依次单击“从方程”/“完成”，弹出“得到坐标系”菜单管理器，②在绘图区单击选取系统坐标系为曲线的坐标系，弹出“设置坐标类型”菜单管理器，在“设置坐标类型”菜单管理器中单击“笛卡尔”，系统弹出一个记事本窗口；24\n③在弹出的记事本窗口中输入曲线的方程，如下： ang=90*t r=db/2 s=pi*r*t/2 xc=r*cos(ang) yc=r*sin(ang) x=xc+s*sin(ang) y=yc-s*cos(ang)z=0图10完成后的渐开线保存数据，退出记事本，完成后的渐开线如图10所示。④在工具栏内单击按钮，系统弹出“基准点”对话框，选取分度圆曲线和渐开线作为参照，单击“确定”，完成基准点“PNT0”的创建；单击按钮，系统弹出“基准轴”对话框，选取“TOP”面和“RIGHT”面作为参考，单击“确定”，完成“A_1”轴的创建；单击按钮，系统弹出“基准平面”对话框，选取“A_1”轴和基准点“PNT0”作为参照，创建“DTM1”平面；继续单击按钮，系统弹出“基准平面”对话框，选取“DTM1”面和“A_1”轴作为参考。在偏距文本框内输入旋转角度为“360/（4*z）”，系统提示是否要添加特征关系，单击“是”，在“基准平面”对话框内单击“确定”，完成基准平面的创建；在模型树中右键单击基准平面“DTM2”，在弹出的菜单上单击“编辑”。在主菜单上单击“工具”/“关系”，系统弹出“关系”对话框。此时系统显示“DTM1”面和“DTM2”面间的夹角尺寸代号。单击该尺寸代号，尺寸代号将自动显示在“关系”对话框中，输入的关系式为：d6=360/(4*z)，完成后的“关系”对话框如图11所示，单击“确定”完成添加关系式；⑤镜像渐开线：在绘图区单击渐开线特征，然后在工具栏内单击按钮，系统弹出“镜像”特征定义操控面板，在绘图区单击选取刚刚创建的“DTM2”平面作为镜像平面，在“镜像”特征定义操控面板内单击按钮，完成渐开线的镜像。完成后的曲线如图12所示。（3）创建齿根圆及分度圆曲面①在工具栏内单击按钮，弹出“拉伸”定义操控面板，在面板内单击“放置”/“定义”，弹出“草绘”定义对话框；选择“FRONT”面为草绘平面，“RIGHT”面作为参考平面，参考方向为“顶”，单击“草绘”进入草绘环境；24\n②在工具栏内单击按钮，在绘图区单击选取齿根圆曲线，如图13所示。在工具栏内单击按钮，完成草图的绘制；图11“关系”对话框图12完成后的渐开线③在“拉伸”特征定义操控面板内单击选取“实体”按钮、“拉伸到指定深度”按钮，在拉伸深度文本框内输入深度值为B。回车后系统提示是否添加特征关系，单击“是”，拉伸深度自动调整到用户设置的参数B的值，单击按钮，完成齿根圆的创建，完成后的齿根圆如图14所示；④将关系式添加到“关系”对话框，在模型树中右键单击齿根圆厚度尺寸代号，在弹出的快捷菜单中单击“编辑”；在主菜单上单击“工具”/“关系”，系统弹出“关系”对话框。此时系统显示齿根圆厚度尺寸代号。单击该尺寸代号，尺寸代号将自动显示在“关系”对话框中，输入的关系式为d7=b，单击“确定”完成添加关系式，至此完成齿根圆的创建；图13选取齿根圆曲线图14齿根圆拉伸特征⑤进入草绘环境与创建齿根圆相同，不赘述。在工具栏内单击按钮，在绘图区单击选取分度圆曲线，如图15所示。在工具栏内单击按钮，完成草图的绘制；⑥在“拉伸”特征定义操控面板内单击选取“曲面”按钮、“拉伸到指定深度”按钮，在拉伸深度文本框内输入深度值为B，24\n回车后系统提示是否添加特征关系，单击“是”；拉伸深度自动调整到用户设置的参数B的值，在“拉伸”特征定义操控面板内单击按钮，完成分度圆曲面的创建，完成后的分度圆曲面如图16所示。图15选取分度圆曲线图16分度圆拉伸特征⑦将关系式添加到“关系”对话框，在模型树中右键单击分度圆曲面特征，在弹出的快捷菜单中单击“编辑”；在主菜单上单击“工具”/“关系”，系统弹出“关系”对话框。此时系统显示分度圆厚度尺寸代号，单击该尺寸代号，尺寸代号将自动显示在“关系”对话框中，输入的关系式为：d8=b，单击“确定”完成添加关系式。（4）创建扫描轨迹首先在“RIGHT”平面创建一个斜直线，然后将这个曲线投影到分度圆曲面上。①在工具栏内单击按钮，系统弹出“草绘”对话框；选择“RIGHT”面作为草绘平面，“TOP”面为参考平面，参考方向为“右”，单击“草绘”进入草绘环境，绘制如图17所示直线，在工具栏内单击按钮，完成草图的绘制；图17绘制二维草图24\n②将关系式添加到“关系”对话框，在模型树中右键单击刚刚的草绘特征，在弹出的快捷菜单中单击“编辑”，在主菜单上单击“工具”/“关系”，系统弹出“关系”对话框。此时系统显示直线相关的尺寸代号。单击该尺寸代号，尺寸代号将自动显示在“关系”对话框中，输入的关系式为： d9=beta d10=b完成后的“关系”对话框如图18所示，在“关系”对话框内单击“确定”完成添加关系式；图18“关系”对话框图19创建投影曲线③单击选取刚刚草绘的曲线，在主菜单上依次单击“编辑”/“投影”，系统弹出“投影”曲线操控面板，在绘图区单击选取分度圆的曲面作为投影参照，在“投影曲线”定义面板上单击按钮，完成投影曲线的创建，如图19所示。（5）创建扫描混合截面①单击按钮，系统弹出“草绘”对话框；选择“FRONT”面为草绘平面，“RIGHT”面为参考平面，参考方向为“顶”，单击“草绘”进入草绘环境；②以已经创建的渐开线为基础，在工具栏内单击按钮，系统弹出“类型”单选框，单击选取“环”，绘制如图20所示的二维草图，在工具栏内单击按钮，完成草图的绘制；图20齿廓二维草图24\n③将圆角尺寸添加到“关系”对话框，在模型树中右键单击刚刚草绘的截面，在弹出的快捷菜单中单击“编辑”；在主菜单上单击“工具”/“关系”，系统弹出“关系”对话框。此时系统显示截面圆角的尺寸代号。单击该尺寸代号，尺寸代号将自动显示在“关系”对话框中，输入的关系式为：ifhax>=1d14=0.38*mnendififhax<1d14=0.46*mnendif  在“关系”对话框内单击“确定”完成添加关系式；下面在齿根圆的另一端面上创建相应的截面，然后将截面旋转到相应位置。④在主菜单上依次单击“编辑”/“特征操作”，在“特征”菜单管理器上依次单击“复制”/“完成”，在“复制特征菜单管理器”上依次单击“移动”/“完成”，系统弹出“选取特征”菜单管理器，在绘图区单击选取上一步创建的截面特征，单击“完成”，在“移动特征”菜单管理器上单击“平移”，在“选取方向”菜单管理器中选取“曲线/边/轴”，然后在绘图区选取齿根圆的端面作为参照，系统弹出“方向”菜单管理器，单击“正向”；输入偏移距离为b，系统提示是否添加关系式，单击“是”，在“移动特征”菜单管理器中单击“完成移动”，在“组可变尺寸”菜单管理器中单击“完成”，在随后弹出的“组元素”对话框中单击“确定”，单击“确定”，完成特征的复制，完成后的截面如图21所示；图21完成后的截面⑤将关系式添加到“关系”对话框，在模型树中右键单击刚刚的复制特征，在弹出的快捷菜单中单击“编辑”；在主菜单上单击“工具”/“关系”，系统弹出“关系”对话框，24\n此时系统显示两个截面的尺寸代号。单击该尺寸代号，尺寸代号将自动显示在“关系”对话框中，输入的关系式为：d15=b，在“关系”对话框内单击“确定”完成添加关系式；⑥旋转复制上一步复制的截面，在主菜单上依次单击“编辑”/“特征操作”，在“特征”菜单管理器上依次单击“复制”/“完成”，在“复制特征菜单管理器”上依次单击“移动”/“完成”，系统弹出“选取特征”菜单管理器，在绘图区单击选取上一步创建的复制截面特征，在“选取特征”菜单管理器上单击“完成”，在“移动特征”菜单管理器上单击“旋转”，系统弹出“选取方向”菜单管理器，在“选取方向”菜单管理器中单击选取“曲线/边/轴”，然后在绘图区单击选取齿根圆的中心轴作为参照，系统弹出“方向”菜单管理器，单击“反向”/“正向”；系统提示输入旋转角度，输入旋转角度为“asin(2*b*tan(beta/d))”,系统提示是否添加关系式，单击“是”，在“移动特征”菜单管理器中单击“完成移动”，在“组可变尺寸”菜单管理器中单击“完成”，在随后弹出的“组元素”对话框中单击“确定”，在“特征”菜单管理器中单击“确定”，完成特征的复制，完成后的截面如图22所示；图22旋转复制截面⑦旋转角度尺寸添加到“关系”对话框，在模型树中右键单击刚刚旋转复制的截面，在弹出的快捷菜单中单击“编辑”；在主菜单上单击“工具”/“关系”，系统弹出“关系”对话框。此时系统显示旋转角度的尺寸代号。单击该尺寸代号，尺寸代号将自动显示在“关系”对话框中，输入的关系式为：d22=asin(2*b*tan(beta/d))，在“关系”对话框内单击“确定”完成添加关系式；（6）创建轮齿①在主菜单上依次单击“插入”/“扫描混合”，在操控面板内单击“参照”菜单，系统弹出“参照”对话框，在“参照”对话框的“剖面控制”文本框内单击选取“垂直于轨迹”，在“水平/垂直控制”文本框内输入“垂直于曲面”，在绘图区单击选取分度圆上的投影曲线作为扫描混合的扫引线；24\n②在“扫描混合”特征定义操控面板上单击“剖面”菜单，系统弹出“剖面”定义对话框，在第一项下拉菜单中选取“所选截面”，如图23所示；在绘图区单击选取如图24所示的截面作为第一个扫描混合截面；在如图23所示的“剖面”定义对话框内单击“插入”，在“剖面”列表框内显示“剖面2”，在绘图区单击选取另一个截面；图23“剖面”定义对话框图24选取第一截面注意两个截面上扫描混合起始点的一致性，修改起始点的方法为，在如图23所示的“剖面”对话框内单击“细节”，系统弹出如图“链”对话框；在“选项”选项卡内单击选取“终点”文本框，然后在绘图区单击选取起始点；③在“扫描混合”特征定义操控面板内单击按钮，完成第一个轮齿的创建，完成后的特征如图25所示；④在模型树中单击刚刚创建的第一个轮齿特征，在工具栏内单击按钮，或者依次在主菜单上单击“编辑”/“阵列”，系统弹出“阵列”定义操控面板，在“阵列”特征定义面板内单击“轴”阵列，在绘图区单击选取齿根圆的中心轴作为阵列参照，输入阵列个数为“28”，偏移角度为“360/28”度，在“阵列”定义操控面板单击按钮，完成阵列特征的创建，如图26所示；⑤将阵列参数添加到“关系”对话框。在模型树中右键单击阵列特征，在弹出的快捷菜单中单击“编辑”；在主菜单上单击“工具”/“关系”，系统弹出“关系”对话框。此时系统显示阵列参数尺寸代号。单击该尺寸代号，尺寸代号将自动显示在“关系”对话框中，输入的关系式为： d58=360/z p61=z在“关系”对话框内单击“确定”完成添加关系式；⑥在工具栏上单击重生按钮，或者依次在主菜单上单击“编辑”/“再生”，在形成的齿轮端面上画草图，以拉伸去除材料形成轴孔，同样的方法拉伸出键槽，在端面与轴孔相交处倒45角，齿轮最终轮廓如图27所示。24\n图25创建完成地一个轮齿图26阵列形成轮齿图27齿轮最终轮廓3.2轴的三维模型建造方法3.2.1轴的设计思路轴的尺寸经过计算和校核确定后，其建模过程相对来说要简单。在Pro/E草图模式中先画出其半纵剖面大致形状，然后利用尺寸驱动的方法确定各段轴向尺寸和直径，旋转形成轴的模型后经倒角等以形成轴的基本模型，最后拉伸去除材料形成键槽，即完成轴的三维模型建造。3.2.2轴的建模过程下面以该减速器中轴Ⅱ为例，介绍轴的建模过程。①绘制草图：草图绘制方法在齿轮建造过程中已详述，不再赘述。轴Ⅱ的二维草图如前图3所示；②旋转形成实体：打开旋转选项卡，选择旋转成实体，旋转轴选择草图中已画好的虚线轴，旋转角度按默认值360°，单击确定按钮即可完成；③倒角：倒角包括轴肩过渡处倒圆角和轴两端倒45度角两部分，完成倒角后的模型如图28所示；图28轴Ⅱ结构图④创建键槽：创建键槽前需要先建立新的草绘平面，单击创建平面按钮，弹出“基准平面”对话框，选择FRONT面作为参照，偏移距离为22，单击确定按钮，即可完成平面DTM1的创建。在平面DTM1上草绘键槽的二维草图如图29所示，用拉伸除料创建键槽，同样方法建立另一键槽；图29键槽二维草图24\n轴的最终三维模型如图30所示。(a)轴Ⅰ结构图(b)轴Ⅱ结构图(c)轴Ⅲ结构图图30轴Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的三维模型结构图3.3箱体及其他零部件模型建造箱体及其他零部件的模型建造需要综合运用Pro/E中三维建模的拉伸增料、拉伸除料、筋特征、倒圆角、孔工具、阵列等方法，在各尺寸计算正确无误的情况下其建模过程相对简单，这里只给出其最终模型结构图，如图31-33所示，其建模过程不在赘述。(a)上箱体模型(b)下箱体模型图31上下箱体模型图32轴承30311模型图33通孔端盖模型其他标准件如螺栓（含螺母）、螺钉、销、键等通过Pro/E标准件库查找添加，这里只给出其模型图，如图34所示。24\n(a)键(b)销(c)螺母(d)螺栓(e)螺钉图34其他标准件模型4减速器装配过程减速器的装配过程用于将前面已经建立好的各零部件模型组装在一起，为后面的运动仿真及分析做基础。其大致过程如下所示：（1）选择“新建”，选中类型中的“组件”，子类型按默认“设计”，在名称一栏输入“zhuangpei1”，取消“使用缺省模板”复选框，单击确定按钮，选中“mns_asm_design”作为装配模板；（2）选择“插入”/“元件”/“装配”，或直接单击右侧插入元件按钮，即可依次选择要装配的各元件；（3）选择要插入的元件，单击打开，系统弹出放置对话框，按默认“用户定义”、“自动”放置第一个零件，单击确定按钮即可；（4）选择需要装配的其他零件，在弹出的对话框中选择“用户定义”和合适的装配方式，单击放置按钮，依次选择两零件上将配合的部分，即可将其装配一起，重复上述步骤，直到完全约束即可单击确定按钮，完成两个零件的装配。（5）重复上述步骤，依次装配好各个单元，如图35(a)、(b)、(c)所示；（6）将三轴依次装配到下箱体上，其中先打开下箱体零件，以缺省模式放置箱体，即后面添加的零件以下箱体为参照，然后添加轴Ⅰ，以销钉定义，选取箱体上小轴承孔轴线和轴Ⅰ的轴线，则其轴线自动对齐。单击放置，在平移选项中选取两个配合较近的面，以偏距来确定其正确位置；在连接定义对话框单击确定，即装配好Ⅰ轴，同样方法来装配Ⅱ轴、Ⅲ轴，最后装配图如图35(d)所示；（7）将上箱体，轴承端盖、螺栓、螺母等零部件按照类似方法装配，最终完成后的装配图如图35(e)所示；24\n(a)轴Ⅰ装配图(b)轴Ⅱ装配图(c)轴Ⅲ装配图(d)三轴装配完成后的模型(e)减速器总装配图图35减速器各部件装配过程5Pro/E环境中的运动仿真及结果分析机构运动学分析可以完成各种机构的运动仿真，在运动分析中，可以在不考虑模型系统的作用力情况下分析机构运动，并测量主体位置、速度和加速度的改变，检查元件之间的关系等，这里介绍使用机构运动分析模拟机构运动的基本过程，由于组件模型建立已经在装配中完成，剩余过程主要包括连接设置、伺服电动机定义、建立运动特性测量、定义并执行运动学分析及查看运动分析结果等。（1）连接设置：完成组件装配后，接下来是进入机构（Mechanism）环境进行连接设置，主要是对两对齿轮副连接位置的设定，定义标准齿轮副过程如下：选择“插入”/“出轮副”命令，或单击按钮弹出“齿轮副定义”对话框，在“名称”栏输入名称或接受内定名称，在“类型”列表中选取默认的“标准”类型齿轮副，在“齿轮1”栏中单击选取按钮选取一个旋转轴Ⅰ，在“节圆”栏中输入节圆直径值49.93，单击“齿轮2”按钮以同样的方法来定义齿轮2，在“属性”栏中会自动显示齿轮比值，单击确定按钮完成齿轮副1的定义；24\n以同样的方法可完成齿轮副2的定义，完成后的模型图中显示定义的齿轮副，如图36所示；（2）伺服电动机定义：伺服电机是动力学分析的动力源，伺服电机可以为连接接头设定各种位置、速度和加速度，使机构以特定方式运转，伺服电机施加位置、速度和加速度的方式是以时间函数的形式表达的，通过定义时间函数，如常数、线性函数、自定义函数等，可以得出每一时间各个主体的位置（轮廓）。图36完成齿轮副定义的模型建立伺服电机的操作如下：选择“插入”/“伺服电动机”命令，弹出“伺服电动机定义”对话框，在“名称”栏输入伺服电动机的名称，在“类型”栏选伺服电动机的类型“运动轴”，运动轴伺服电动机用于建立某一方向上的明确定义的运动。确定类型后，在“轮廓”栏定义运动的类型，在规范下拉列表选择速度，模下拉列表选择常数，定义转速值360，完成后单击确定按钮退出伺服电动机定义；（3）建立运动特性测量：建立运动结果测量可以将机构运动分析得到的结果使用图表的形式获取每一时间点的数据，使使用者可以准确的捕获用来改进机构设计的信息，以完成机构的优化设计。建立结果测量的步骤如下：选择“分析”/“测量”命令，弹出“测量结果”对话框，单击“新建测量”按钮弹出“测量定义”对话框，在“名称”栏输入测量名称或接受内定名称，在“类型”栏下拉列表选择测量结果的类型为“速度”，在“点或运动轴”栏单击按钮，并在组件中选择要定义测量的点或运动轴，重复操作，依次选取三轴，在“评估方法”栏选择每个时间步长度，单击确定按钮额完成测量定义；（4）定义并执行运动学分析：通过设置机构建模图元定义机构的运动方式之后，建立一个运动分析计算机构运动过程中主体的各种运动特性。使用机构运动学分析模块可以建立位置分析和运动学分析。定义运动分析的操作过程如下：选择“分析”/“机构分析”命令，单击按钮弹出“分析定义”对话框，在名称栏输入分析的名称或接受内定名称，在“类型”栏下拉列表中选择分析类型“运动学”，在“优先选项”栏完成优先选项设置，在“电动机”栏中选择使用的驱动电机，单击“运行”按钮执行运动分析，完成后单击确定按钮。24\n（5）查看运动分析结果：Mechanism的结果查看主要是通过结果回放和使用图形显示测量结果的方式完成的。分析后在“测量结果”对话框显示的结果集，在结果集列表选择一个结果集，结果测量列表将显示最后时间的测量值，单击按钮可以使用图形窗口显示测量结果，要同时显示多个测量结果，可以在测量列表按Ctrl键连续选取多个结果测量，单击可在同一窗口显示多个测量结果。如果要在同一窗口分别绘制图形，则勾选“分别绘制测量图形”复选框显示测量结果的图形，结果如图37所示。图37分别绘制测量结果（6）理论分析：前述减速器设计过程已确定该减速器第Ⅰ级理论传动比为i0=5.20，第Ⅱ级理论传动比为i1=3.33。仿真过程定义输入轴转速n1=360deg/sec，则经过理论计算如式（1）、（2）可得：中间轴转速：式（1）输出轴的转速：式（2）仿真所测结果为：中间轴转速69.1179deg/sec，输出轴转速为20.5874deg/sec。Ⅱ、Ⅲ轴转速偏差计算由式（3）、（4）可得：式（3）式（4）结果对照如下表6所示：表6转速理论值与仿真值对照轴Ⅰ轴Ⅱ轴Ⅲ24\n理论值(deg/sec)36069.2320.79仿真值(deg/sec)36069.117920.5874偏差量δ—0.16%0.97%工程应用中一般认为，凡偏差量小于或等于5%时即可认为设计满足要求。由表6可见仿真所得数据与理论计算数据基本相吻合，但仍存在一定差距，但此偏差远小于5%，造成差距原因主要是文中的理论值只记录到小数点后两位，而软件中的自动计算精度较高，因此会存在一定误差，可以认为在误差允许范围内，该机构满足传动特性要求。6结论文中应用三维造型设计软件Pro/E建立了斜齿圆柱齿轮的三维模型，并对其进行了运动仿真分析，给定输入轴转速，得到减速器其他各轴输出转速，将所得结果与理论计算值相比较基本相符，并说明了存在误差的原因，由此说明仿真模型的正确性和该设计的可行性。为减速器的优化设计等相关分析提供一定的分析基础。24\n致谢本论文是指导老师的悉心指导和帮助下完成的，从软件的学习、结构分析、零件的设计及装配过程中问题的解决到最后动画制作成功后的审阅修正，指导老师都给予了殷切指导和关注，并提出许多中肯的建议，使论文和动画演示得以最终完善。指导老师学识渊博，治学严谨，开拓进取、责任心强，毕业设计期间，我除了学到许多专业知识外，还从导师身上学到对工作高度负责的精神和对知识一丝不苟的态度。所有这些都将使我受益终生。在此，我要衷心感谢我的指导老师，感谢他们在指导我做毕业设计期间对我们无私的关怀和耐心细致的指导，同时，也衷心的感谢在毕业设计期间关心、支持、帮助过我的全体同学！并向他们致以崇高的敬意！24\n参考文献[1]龚溎义等.机械设计课程设计指导书（第二版）[M].高等教育出版社,1989[2]王兰美等.机械制图[M].高等教育出版社,2003.8,315[3]宁松,黄小龙,段大高等.计算机辅助设计——Pro/ENGINEERWildfire实用教程[M].中国水利水电出版社,2005[4]黄恺,李雷,刘杰等.Pro/E参数化设计高级应用教程[M].化学工业出版社,2008[5]胡洁,张以都.含有面齿轮的直升机主减速器的设计与运动学仿真分析[J].机械设计,2011,28(1):77-80[6]刘振军,刘飞.双离合器自动变速器齿轮轴系三维建模与仿真[J].机械设计,2011,28(1),73-76[7]万启超,巍和田.Pro/ENGINEERWildfire3.0结构、热、运动分析基础与典型范例[M].电子工业出版社,2008,317-339[8]赵自强，张春林.分流型内平动齿轮传动原理及实现[J].水利电力机械，2007,29（9）；22-25[9]何亚银，基于ADAMS的齿轮减速器的运动仿真[J].机械管理开发，2009（6）：165-166[10]赵自强，张春林，程爱明.分流型内平动齿轮传动机构设计[J].机械设计，2008,25（9）：41-44[11]LivinFL,WangJC,BosslerRB.Applicationoffacegeardrivesinhelicoptertransmissions[J].JournalofMechanicalDesign,TransactionsoftheASME,1994,116(3):672-676[12]王保华，孙厚为.双离合器变速器汽车建模与仿真[J].湖北汽车工业学院学报，2009,22（3）：1-4[13]牛铭奎，高炳钊，葛安林.双离合器式自动变速器系统[J].汽车技术，2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