一級(jí)圓錐齒輪減速器虛擬裝配及仿真設(shè)計(jì)_畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、一級(jí)圓錐齒輪減速器的CAE技術(shù)摘要 隨著科學(xué)技術(shù)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的開展，漸開線齒輪傳動(dòng)減速器的需求量越來越大，質(zhì)量要求也越來越高，傳統(tǒng)的減速器設(shè)計(jì)方法己不能滿足用戶的需求，CAD/CAE技術(shù)的迅速開展使得它無論在機(jī)械、電子、航空、建筑等領(lǐng)域都獲得了成功的應(yīng)用。這對(duì)于提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低本錢和增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力起了巨大的作用。對(duì)減速器進(jìn)行CAD/CAE下的建模和仿真，是傳統(tǒng)技術(shù)和現(xiàn)代技術(shù)的緊密結(jié)合，它不但符合科技開展的規(guī)律，也會(huì)使各自的應(yīng)用、研究及開展獲得意想不到的效果。ProMECHANICA Structure 是集靜態(tài)、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)分析于一體的有限元模塊，它不僅能夠模擬真實(shí)環(huán)境為模

2、型施加約束及載荷，而且能夠測(cè)算模型的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)、模態(tài)、翹曲、疲勞、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、振動(dòng)等分析。本課題主要以Pro/E軟件為工具，進(jìn)行了圓錐齒輪減速器的虛擬設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真，齒輪齒闊的靜應(yīng)力分析，完成了減速器的CAE過程。 關(guān)鍵詞 圓錐齒輪減速器 裝配 運(yùn)動(dòng)仿真 參數(shù)化設(shè)計(jì) Pro/Mechanic Structure 有限元分析The CAE technology of Level taper gear reducerAbstract：Along with the science and technology and the national economy developmen

3、t, the demand of involute gears transmission reducer is biger and biger, the quality requirement is also higher and higher, and the design method of traditional gear reducer oneself can not satisfy the users the demand, the CAD/CAE technology rapid development causes it regardless of in domains and

4、so on machinery, electron, aviation, building has all obtained the successful application. This regarding play the huge role to enhance product performance and quality, reduce product development cycle, reduce the cost and strengthen the market competitive power。The gear for modeling and simulation

5、under CAD/CAE is the combination of traditional and modern technology, it not only conform to the rules, also can make their application, research and development to acquire the result that is not expected. ProMECHANICA Structure is a static and dynamic structural analysis in one of the finite eleme

6、nt module，it not only simulate the real environment and impose restraint and load for a model, also can measure the model of stress, strain, displacement and other parameters, besides it can also realize the static, modal, warping, fatigue, dynamic response, vibration analysis, etc. This subject mai

7、nly make use of the Pro/E software to achieve taper gear reducer of virtual design and motion simulation, and the static stress anylsys of gear tooth, and complete CAE process of the reducer.Keywords： Taper gear reducer assembly Motion simulation Parametric design Pro/Mechanic Structure Finite eleme

8、nt analysis 目 錄1 引 言11.1 概述21.2 減速器的類型及綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)3減速器的分類31.2.2 綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)31.3 減速器的現(xiàn)狀及開展趨勢(shì)4計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用和開展現(xiàn)狀5計(jì)算機(jī)仿真在制造業(yè)中的應(yīng)用和開展現(xiàn)狀51.4.2 CAD/CAE技術(shù)應(yīng)用、研究現(xiàn)狀72 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)122.1 傳動(dòng)方案擬定122.2 電動(dòng)機(jī)類型選擇122.3 確定傳動(dòng)裝置的中傳動(dòng)比和分配級(jí)傳動(dòng)比122.4 傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)的設(shè)計(jì)132.5 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)14選定齒輪傳動(dòng)類型、材料、熱處理方式、精度等級(jí)14按齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核14按齒跟彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)16齒輪幾何尺寸計(jì)算17錐齒輪

9、齒跟彎曲疲勞強(qiáng)度校核19錐齒輪的結(jié)構(gòu)192.6 軸及軸承的設(shè)計(jì)與選擇19求輸出軸、輸入軸上的功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩19求作用在齒輪上的力19初步確定軸的最小直徑20軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)21求軸上的載荷22按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度24箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)24潤(rùn)滑方式及密封件選擇263圓錐齒輪減速器的三維建模27輸入、輸出軸的三維建模27輸入軸的三維建模27輸出軸的三維建模29輸入、輸出軸上錐齒輪的參數(shù)化建模29輸入軸上錐齒輪的參數(shù)化建模29輸出軸上錐齒輪的三維建模36減速器箱體的三維建模37減速器上箱體的建模37減速器下箱體的三維建模40軸承端蓋及其它零部件的三維建模414 圓錐齒輪減速器的裝配與運(yùn)動(dòng)仿真43裝配4

10、3零件裝配根本流程43裝配過程中常用的方法43裝配齒輪減速器44運(yùn)動(dòng)仿真50運(yùn)動(dòng)仿真概述50齒輪減速器的運(yùn)動(dòng)仿真505 有限元分析555.1 Pro/Mechanic Structure有限元分析55的主要功能55的分析類型56圓錐齒輪的有限元分析56圓錐齒輪的有限元分析結(jié)果63總 結(jié)64致 謝65參考文獻(xiàn)66附 錄671 引 言原動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)和工作機(jī)執(zhí)行機(jī)是機(jī)械系統(tǒng)的三大根本構(gòu)成。原動(dòng)機(jī)提供根本的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。工作機(jī)是機(jī)械具體功能的執(zhí)行系統(tǒng)，隨機(jī)械功能的不同，工作機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式和結(jié)構(gòu)形式千差萬(wàn)別。由于原動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的單一性、簡(jiǎn)單性與工作機(jī)運(yùn)動(dòng)的多樣性、復(fù)雜性之間的矛盾，需用傳動(dòng)機(jī)將原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力

11、，如速度、力或力矩的大小和方向等進(jìn)行轉(zhuǎn)換并傳遞給工作機(jī)，以適應(yīng)工作機(jī)的需要。可見，只要原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力輸出不能滿足工作機(jī)的要求，傳動(dòng)機(jī)的存在就是必然的。目前在工程實(shí)際中，廣泛使用的傳動(dòng)裝置有齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，鏈傳動(dòng)、皮帶傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)等。在普通齒輪傳動(dòng)中，單級(jí)傳動(dòng)比小，且由于重合度的限制，其承載能力受到一定的影響，因此研究一種新型，高性能的傳動(dòng)裝置顯得十分必要。在傳動(dòng)裝置中，國(guó)內(nèi)外大多采用的是齒輪傳動(dòng)及其變形，同時(shí)擺線針輪減速器等相繼研制成功并推廣使用。與齒輪減速器相比，連桿凸輪減速器的單級(jí)傳動(dòng)比大；借助一齒差原理大幅度提高了重合度，因而承載能力提高；高副處為滾動(dòng)摩擦因而摩擦力小，機(jī)械效率高

12、。采用的是一齒差原理，是一種傳動(dòng)比大，承載能力大，機(jī)械效率高的傳動(dòng)裝置。在擺線針輪減速器中轉(zhuǎn)臂軸承受力較大，其轉(zhuǎn)速又高于高速軸的轉(zhuǎn)速，而且轉(zhuǎn)臂軸承的尺寸又受到限制，故轉(zhuǎn)臂軸承成為薄弱環(huán)節(jié)。為克服上述減速傳動(dòng)的缺點(diǎn)并保存其優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械傳動(dòng)裝置的高性能、低本錢和小型輕量化，從傳動(dòng)原理上創(chuàng)新了一種新型的連桿凸輪減速器，該減速器與近年來成功研制的雙曲柄環(huán)板針擺行星減速器類似，不僅保存了環(huán)板式傳動(dòng)可省去輸出機(jī)構(gòu)而輸出軸剛性好；轉(zhuǎn)臂軸承由行星輪內(nèi)移至行星輪外，尺寸不再受限制，從而傳遞的轉(zhuǎn)矩可以較現(xiàn)有的擺線針輪減速器更大等優(yōu)點(diǎn)，而且又保存了原擺線針輪行星減速器同時(shí)嚙合齒數(shù)多，總法向力與總圓周力間夾角小、擺

13、線輪與針輪齒均為硬齒面等本質(zhì)上的優(yōu)點(diǎn)，克服了現(xiàn)有以漸開線為齒形的諸種環(huán)板式減速器難以防止的缺點(diǎn)。因此，連桿凸輪減速器是一種體積小、重量輕、傳動(dòng)比范圍大、傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)平穩(wěn)、輸出軸剛性大、傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩范圍更大、并具有很高實(shí)用價(jià)值的新型減速器。在我國(guó)CAD、CAE已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，在大多數(shù)的大型制造企業(yè)已經(jīng)相當(dāng)?shù)某墒?。因?yàn)镃AD是輔助設(shè)計(jì)，不是輔助繪圖，設(shè)計(jì)不但要想到產(chǎn)品的機(jī)械模型，還應(yīng)想到產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分析、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析和生產(chǎn)加工處理等，只有這樣才能真正發(fā)揮CAD的作用。要真正做到這一點(diǎn)，單憑二維設(shè)計(jì)是不夠的，雖傳統(tǒng)制圖方法是通過二維視圖描述三維實(shí)體，但它做不到進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析和數(shù)控加工

14、，不能真正做到生產(chǎn)的自動(dòng)化，甚至二維視圖描述會(huì)出現(xiàn)二意性和理解錯(cuò)誤，于是必須找到更先進(jìn)合理的三維設(shè)計(jì)手段，使CAD、CAM、CAE以及PDM容為一體。劇烈市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)已使工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)廠家清楚意識(shí)到：能更快地推出優(yōu)秀的新產(chǎn)品，就能占領(lǐng)更多的市場(chǎng)。為此，CAD/CAE方法作為能縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的得力工具，被越來越頻繁地引入產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，以提高競(jìng)爭(zhēng)力。從設(shè)計(jì)產(chǎn)品和對(duì)性能的簡(jiǎn)單校核，逐步開展到性能的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，再到工作過程的精確模擬，使人們對(duì)CAD/CAE方法充滿信賴。計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)研究的主要手段和工具，在產(chǎn)品開發(fā)制造的各個(gè)階段發(fā)揮重大作用。此次設(shè)計(jì)是在以前有關(guān)連桿凸輪減

15、速器的研究根底上，基于現(xiàn)代化的CAD、CAE軟件對(duì)連桿凸輪減速器進(jìn)行3D建模、虛擬裝配，構(gòu)造虛擬數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行各類進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。該過程將方案設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、零件建模、動(dòng)態(tài)模擬裝配、模態(tài)分析、高級(jí)渲染、動(dòng)力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)仿真以及工程圖繪制等設(shè)計(jì)全過程集于一個(gè)軟件當(dāng)中，這樣做可以更加有效地更加快捷地對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，大大縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)周期，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，大大降低產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)本錢，全面實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造工程，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。本設(shè)計(jì)說明書介紹有關(guān)減速器的根本情況，了解連桿凸輪減速器的研發(fā)過程和工作原理，主要對(duì)該減速器的零件進(jìn)行數(shù)字化3D建模設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)單裝配及運(yùn)動(dòng)仿真的研究

16、。1.1 概述減速器是指原動(dòng)機(jī)與工作機(jī)之間獨(dú)立的閉式傳動(dòng)裝置，用來降低轉(zhuǎn)速并相應(yīng)的增大轉(zhuǎn)矩，它是機(jī)械系統(tǒng)的重要組成局部，并直接影響機(jī)械系統(tǒng)的性能。由齒輪、軸、軸承及箱體組成的齒輪減速器，用在原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間，起匹配轉(zhuǎn)速和傳遞扭矩的作用，在現(xiàn)代機(jī)械中應(yīng)用極為廣泛，是一種不可缺少的機(jī)械傳動(dòng)裝置此外；在某些場(chǎng)合，也有作增速的裝置，并稱為增速器。減速器是工程實(shí)際應(yīng)用中常用的傳動(dòng)裝置。就目前現(xiàn)有的機(jī)械系統(tǒng)開展情況來看，一般的機(jī)械系統(tǒng)通常包括三局部：原動(dòng)機(jī)局部，執(zhí)行局部，傳動(dòng)局部，其中傳動(dòng)局部位于原動(dòng)機(jī)與執(zhí)行局部之間。由于機(jī)械的功能是各式各樣的，所以要求的運(yùn)動(dòng)形式也是各式各樣的。同時(shí)，所要克服

17、的阻力也會(huì)隨著工作情況而異。但是原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)卻是有限的，而且是確定的，這就提出了必須把原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行局部所需的運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)局部及運(yùn)動(dòng)參數(shù)問題，而這個(gè)任務(wù)就是傳動(dòng)局部來完成的，因此，傳動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)械系統(tǒng)中不可缺少的重要局部。另外，我們使用機(jī)械時(shí)，所用的原動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)其輸出轉(zhuǎn)速是一定的，如果要到達(dá)需要的轉(zhuǎn)速時(shí)，只需選用足夠大的傳動(dòng)比即可，相反，如果采用低速電動(dòng)機(jī)，經(jīng)濟(jì)上不劃算，且低速電機(jī)體積龐大。因此，在機(jī)械系統(tǒng)中，最主要的是傳動(dòng)局部，其傳動(dòng)裝置以減速器為代表。1.2 減速器的類型及綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)減速器的種類很多，常見的減速器按其傳動(dòng)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可劃分為以

18、下幾種：1齒輪減速器 主要有圓柱齒輪減速器，圓錐齒輪減速器和圓錐圓柱齒輪減速器。2蝸桿齒輪減速器 主要有圓柱蝸桿減速器，環(huán)面蝸桿減速器和錐蝸桿減速器3蝸桿齒輪減速器及齒輪蝸桿減速器4行星齒輪減速器5擺線針輪減速器6諧波齒輪減速器上述六種減速器已有標(biāo)準(zhǔn)系列產(chǎn)品，使用時(shí)只需結(jié)合傳動(dòng)功率，轉(zhuǎn)速，傳動(dòng)比，工作條件和機(jī)器的總體布置等具體要求，從產(chǎn)品目錄或有關(guān)手冊(cè)中選擇便可。新型減速器的研發(fā)將為用戶提供更大的選擇范圍，并為現(xiàn)有減速器增添一種新傳動(dòng)理論。1.2.2 綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)減速器性能的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是減速器的一項(xiàng)重要的技術(shù)要求，一臺(tái)減速器性能的優(yōu)劣完全是由其綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系來表達(dá)的。往往產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過程

19、中必須遵循一定的指標(biāo)，當(dāng)設(shè)計(jì)完成后，又必須建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)體系看產(chǎn)品的實(shí)際情況可以到達(dá)多少。目前，減速器的評(píng)價(jià)體系包括以下幾方面： 1傳動(dòng)比 傳動(dòng)比是減速器的重要指標(biāo)，從而以滿足減速要求，目前減速器的傳動(dòng)比種類很多，最小可是1，如果用三級(jí)圓柱齒輪減速器傳動(dòng)比可到達(dá)500。2效率 效率反映的是傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞動(dòng)力的能力大小的指標(biāo)。3承載能力 與效率相似，承載能力亦是傳動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)，它反映裝置在額定條件下，裝置單位重量所傳遞扭矩的多少。4制造本錢 按照通俗的看法對(duì)產(chǎn)品的要求就物美價(jià)廉，制造本錢反映的是指價(jià)廉，一臺(tái)產(chǎn)品必須在滿足傳動(dòng)比、效率、承載能力、抗振、噪聲以外，力求節(jié)約本錢，這樣才能在同類產(chǎn)

20、品中具有競(jìng)爭(zhēng)力。5振動(dòng)、噪聲 振動(dòng)、噪聲也是機(jī)械系統(tǒng)的重要指標(biāo)，降低噪聲和振動(dòng)不但可以延長(zhǎng)機(jī)器壽命而且可以表達(dá)機(jī)器在結(jié)構(gòu)上的緊湊性。1.3 減速器的現(xiàn)狀及開展趨勢(shì)當(dāng)前所用原動(dòng)機(jī)大都是電動(dòng)機(jī)。在調(diào)速電機(jī)還沒完全普及時(shí)，減速器仍有較大潛力可挖，應(yīng)用前景廣闊。減速器主要應(yīng)用于機(jī)械制造、輕工、化工、冶金、礦山機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械等行業(yè)，減速器的應(yīng)用仍很廣。從生產(chǎn)方面來看，減速器的生產(chǎn)大局部由專門減速器廠生產(chǎn)。所以在供需方面減速器并不是主導(dǎo)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品市場(chǎng)的，但它的市場(chǎng)前景是樂觀的。就目前的工作過程應(yīng)用中的減速器來分析，作為機(jī)械系統(tǒng)中起著重要作用的傳動(dòng)部件來，減速器的局限性也非常明顯。首先，從傳動(dòng)比方面來說，作為

21、一個(gè)重要的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，傳動(dòng)比并不是任意設(shè)定的，它的變化給減速器的設(shè)計(jì)帶來了數(shù)字變化的設(shè)計(jì)重復(fù)性。其次，從效率方面來說，它是機(jī)械系統(tǒng)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，直接反映系統(tǒng)傳遞動(dòng)力的能力大小，而傳遞的動(dòng)力除受其輸出系統(tǒng)的影響外，就受減速器本身的影響，而目前采用的減速器均為傳動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)，例如，連桿凸輪減速器裝置在同類產(chǎn)品中應(yīng)當(dāng)算比擬高的效率了，可以達(dá)99%以上，這在目前是一個(gè)極限數(shù)字。最后，目前采用的減速器均使用機(jī)械傳動(dòng)。其接觸副均為點(diǎn)、線接觸。這將導(dǎo)致摩擦、誤差產(chǎn)生，從而使傳動(dòng)效率降低。因此，常見的齒輪、蝸桿、滾子等減速器均是從傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路來的，它們可以歸結(jié)為同一類型。所以減速器在其設(shè)計(jì)思路上有一定局

22、限性。當(dāng)前齒輪減速器普遍存在著體積大、重量大，或者傳動(dòng)比大而機(jī)械效率過低的問題。當(dāng)前各國(guó)齒輪和齒輪減速器向著高承載能力、高齒面硬度、高轉(zhuǎn)速、高精度、高可靠性、高效率、低本錢、低噪聲、標(biāo)準(zhǔn)化和多樣化方向開展，即六高、二低、二化開展的總趨勢(shì)。減速器和齒輪的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的開展，在一定程度上標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家的工業(yè)水平。總之，隨著科技的進(jìn)步，減速器領(lǐng)域?qū)?huì)有一次大的突破。然而，任何產(chǎn)品的開展都是以整個(gè)行業(yè)為背景的，受各行業(yè)現(xiàn)有水平的限制，這也就是說減速器的開展仍會(huì)有較大的潛力可挖。在工程技術(shù)界，系統(tǒng)仿真是通過對(duì)系統(tǒng)模型實(shí)驗(yàn)，去研究一個(gè)存在或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)仿真已成為系統(tǒng)仿真的一個(gè)重要分支，系統(tǒng)仿真很

23、大程度上指的就是計(jì)算機(jī)仿真。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的開展與控制工程、系統(tǒng)工程及計(jì)算機(jī)工程的開展有著密切的聯(lián)系。一方面，控制工程、系統(tǒng)工程的開展，促進(jìn)了仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用；另一方面，計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的開展，又為仿真技術(shù)的開展提供了強(qiáng)大的支撐。計(jì)算機(jī)仿真作為必不可少的工具，在減少損失、節(jié)約經(jīng)費(fèi)、縮短周期、提高質(zhì)量等方面發(fā)揮著重要作用。 1計(jì)算機(jī)仿真在制造業(yè)的應(yīng)用和開展現(xiàn)狀 制造業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中一般都占有最大的比重，自70年代以來，全球性的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益劇烈，產(chǎn)品消費(fèi)結(jié)構(gòu)不斷向多元化、個(gè)性化方向開展，產(chǎn)品的更新期和交貨期都在縮短，一些自動(dòng)化技術(shù)如CAD、CAM、CAPP、NC、FMS、MRP及CIMS

24、都得到快速開展。系統(tǒng)仿真作為一種重要手段，通?？梢詽B透到它們當(dāng)中去，并幫助它們實(shí)現(xiàn)集成，從而促進(jìn)了一些先進(jìn)制造技術(shù)的開展。到80年代，仿真領(lǐng)域逐步轉(zhuǎn)向了制造系統(tǒng)，并且呈現(xiàn)出一種生機(jī)勃勃的局面。本質(zhì)上講，仿真技術(shù)就是建立仿真模型和對(duì)模型實(shí)驗(yàn)的一種技術(shù).計(jì)算機(jī)仿真過程的實(shí)現(xiàn)一般都可由計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言、仿真語(yǔ)言和仿真軟件來完成。典型的仿真軟件有仿真環(huán)境、仿真語(yǔ)言和程序包3種形式，其功能覆蓋是不完全相同的。從下到上，大體反映了仿真軟件的開展過程。到80年代中后期，開始出現(xiàn)了一體化仿真環(huán)境?，F(xiàn)在，面向制造系統(tǒng)的仿真出現(xiàn)了一體化支撐軟件，實(shí)現(xiàn)了仿真建模、仿真運(yùn)行、輸出分析的集成環(huán)境，仿真監(jiān)控運(yùn)用了并發(fā)執(zhí)行機(jī)

25、制，在數(shù)據(jù)庫(kù)管理的根底上實(shí)現(xiàn)了模型數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、仿真結(jié)果的統(tǒng)一管理，人工智能技術(shù)也應(yīng)用在仿真建模、仿真運(yùn)行和仿真結(jié)果的分析中。2計(jì)算機(jī)仿真的研究熱點(diǎn)及對(duì)制造業(yè)的影響 80年代以來，系統(tǒng)仿真不斷地朝著縱、橫方向開展，在制造業(yè)方面，一個(gè)比擬明顯的進(jìn)展就是“虛擬制造.根據(jù)虛擬制造的概念，整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造首先在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，這樣可以發(fā)現(xiàn)并解決該產(chǎn)品在制造之前可能出現(xiàn)的各種問題。 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VRVirtual Reality)亦稱虛擬環(huán)境技術(shù)、靈境技術(shù)，是一種最有效地模仿人在自然環(huán)境中的視、聽、動(dòng)等行為的高級(jí)人機(jī)交互技術(shù).它是在綜合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、傳感技術(shù)等多門科學(xué)技術(shù)的根底上開

26、展起來的。它有“靈境(Immersive)和“交互感(Interactive)2個(gè)根本特征。通過根本特征，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能描述事物內(nèi)部及相互間真實(shí)的作用和交互，使用戶仿佛置身于一個(gè)虛擬的世界中，從而拉近了用戶與環(huán)境之間的距離，改變了人機(jī)交流的方式。利用VR技術(shù)的這些特性，可以對(duì)產(chǎn)品的各個(gè)階段提供支持，例如在虛擬環(huán)境下設(shè)計(jì)產(chǎn)品及其生產(chǎn)流水線，測(cè)試和裝配產(chǎn)品的零部件，客戶可以驗(yàn)證產(chǎn)品是否符合要求等。 近年來，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在制造業(yè)應(yīng)用的另一個(gè)研究熱點(diǎn)虛擬產(chǎn)品開發(fā)也是引人注目的。虛擬產(chǎn)品開發(fā)(VPDVirtual Product Development)首先源于并行工程CE思想。這種思想將現(xiàn)代先進(jìn)的組

27、織形式跟現(xiàn)代的哲學(xué)、文化混合為一體，是對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及其相關(guān)過程(制造過、使用和支持過程)進(jìn)行并行的、一體化設(shè)計(jì)的一種系統(tǒng)化模式的工作。CE能在產(chǎn)品開發(fā)一開始就考慮到投資、制造、裝配、銷售和維護(hù)及報(bào)廢等整個(gè)生命周期的所有因素，這對(duì)解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)的矛盾非常有益。VPD就是在CE方法論的指導(dǎo)下，把CAD、CS和大規(guī)模產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)綜合起來，形成一個(gè)虛擬產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境，使產(chǎn)品開發(fā)人員能夠在這種環(huán)境下籌劃產(chǎn)品、設(shè)計(jì)產(chǎn)品、預(yù)測(cè)產(chǎn)品在真實(shí)環(huán)境下的性能、特征以及真實(shí)工況下所具有的響應(yīng)，從而減少反復(fù)和變更的次數(shù)，減少甚至取消制作物理原型樣機(jī)，如此就能很好地檢驗(yàn)設(shè)計(jì)、指導(dǎo)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效地縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期和大

28、量地節(jié)省開發(fā)費(fèi)用。VPD仿真技術(shù)是仿真技術(shù)開展的又一重要領(lǐng)域，它能深入到各種復(fù)雜產(chǎn)品的制造中，能夠產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。現(xiàn)在，仿真技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)從單一的系統(tǒng)走向開放復(fù)雜的大系統(tǒng)。當(dāng)仿真對(duì)象分布于廣闊的時(shí)空領(lǐng)域，仿真任務(wù)要求將不同地理位置、不同類型(包括人在內(nèi))的仿真對(duì)象構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一整體進(jìn)行仿真時(shí)，產(chǎn)生了分布交互化仿真(DIS)。這種仿真系統(tǒng)包含有不同類型的實(shí)體虛體、真實(shí)實(shí)體和構(gòu)造實(shí)體，這些實(shí)體可以基于不同目的系統(tǒng)、不同年代的技術(shù)、不同廠商的產(chǎn)品和不同產(chǎn)品組成，并允許它們交互操作。DIS實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將不同地點(diǎn)的仿真設(shè)備連接起來，通過實(shí)體間的數(shù)據(jù)交換構(gòu)成時(shí)空到合成仿真環(huán)境的一種先進(jìn)仿真技術(shù)。在這

29、種復(fù)雜的分布綜合的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真時(shí)，必須提供快速、高效、大量的信息通道和相應(yīng)的處理。美國(guó)是最早研究這種技術(shù)并投入使用的國(guó)家，已經(jīng)完成了多項(xiàng)基于虛擬仿真的DIS工程工程，相關(guān)的協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)完成或正在完成。在制造行業(yè)，已經(jīng)產(chǎn)生了類似于DIS的虛擬研究開發(fā)中心或虛擬企業(yè)。此外，為了適應(yīng)快速變化的世界市場(chǎng)，克服單個(gè)企業(yè)難以在短期內(nèi)具備所需資源的局限性，出現(xiàn)了在一定時(shí)限內(nèi)，為了某一市場(chǎng)機(jī)遇，通過網(wǎng)絡(luò)臨時(shí)聯(lián)結(jié)的一種動(dòng)態(tài)聯(lián)盟虛擬企業(yè)。圍繞產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到終止使用的整個(gè)生命周期，再?gòu)臎Q策者、設(shè)計(jì)師、制造商、銷售商和用戶等全方位地去觀察和研究產(chǎn)品，仿真技術(shù)已顯示出它強(qiáng)大的生命力和開展?jié)摿ΑＣ嫦?1世紀(jì)，同其

30、他領(lǐng)域一樣，制造領(lǐng)域的仿真技術(shù)的仿真規(guī)模正在不斷地?cái)U(kuò)大，仿真功能也在不斷地朝智能化、可視化、集成化、并行化、分布交互化的方向開展。1.4.2 CAD/CAE技術(shù)應(yīng)用、研究現(xiàn)狀1 國(guó)內(nèi)本領(lǐng)域的現(xiàn)狀用CAD技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)不但可以使設(shè)計(jì)人員“甩掉圖板，更新傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自動(dòng)化，降低產(chǎn)品的本錢，提高企業(yè)及其產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力；還可以使企業(yè)由原來的串行式作業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿凶鳂I(yè)，建立一種全新的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)管理體制，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。三維CAD造型技術(shù)也稱建模技術(shù)，它是CAD技術(shù)的核心。建模技術(shù)的研究、開展和應(yīng)用，代表了CAD技術(shù)的研究、開展和應(yīng)用。從20世紀(jì)60年代至今，三

31、維建模技術(shù)的開展經(jīng)歷了線框建模、曲面建模、實(shí)體建模、特征建模、參數(shù)化建模、變量化建模，以及正在研究的產(chǎn)品集成建模、行為建模等開展過程。三維CAD以三維造型設(shè)計(jì)為根底，只要形成了三維模型，各種二維視圖唾手可得。三維CAD/CAE技術(shù)在產(chǎn)品的三維造型、虛擬狀配、工程圖生成、動(dòng)態(tài)干預(yù)檢驗(yàn)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)態(tài)仿真、有限元分析等方面帶來了革命性得突破，提高了設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。三維設(shè)計(jì)的真正意義不僅僅在于設(shè)計(jì)模型本身，而是設(shè)計(jì)出模型的后處理工作。三維CAD/CAE技術(shù)主要包括以下內(nèi)容：三維造型/三維設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助工程分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析/仿真、裝配干預(yù)檢驗(yàn)、三維轉(zhuǎn)二維、圖樣檔案管理等。利用這種全過程的三

32、維CAD/CAE系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)以后，不僅使設(shè)計(jì)對(duì)象的幾何形狀和性能滿足要求，而且使各方面的指標(biāo)強(qiáng)度、剛度、重量和本錢等都到達(dá)最正確狀態(tài)，這是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助工程分析的根本目的。三維CAD/CAE符合設(shè)計(jì)者的思維習(xí)慣，可以充分發(fā)揮設(shè)計(jì)者創(chuàng)造力和想象力。三維 CAD/CAE技術(shù)不僅解決了產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工程圖繪制的問題，更重要的是利用三維CAD/CAE技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)，所生產(chǎn)的三維零件可以直接與CAE/CAM/CAPP等CIMS技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和銜接，是將來實(shí)現(xiàn)無圖樣生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，是實(shí)現(xiàn)虛擬制造的重要手段。掌握三維CAD/CAE技術(shù)的使用，已經(jīng)逐步同使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行文字處

33、理一樣，成為產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計(jì)人員的一種根本技能。目前在我國(guó)CAD、CAE已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，在大多數(shù)的大型制造企業(yè)已經(jīng)相當(dāng)?shù)某墒?。但很多企業(yè)，也只是做到用手工出圖轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)出圖的現(xiàn)狀，當(dāng)然計(jì)算機(jī)出圖是有很多優(yōu)點(diǎn)的，漂亮、標(biāo)準(zhǔn)、修改容易、存檔方便等。但是如果只是停留在這個(gè)階段，就失去了CAD的作用，因?yàn)镃AD是輔助設(shè)計(jì)，不是輔助繪圖。既然是設(shè)計(jì)就不但想到產(chǎn)品的機(jī)械模型，還應(yīng)想到產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分析、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析和生產(chǎn)加工處理等，只有這樣才能真正發(fā)揮CAD的作用。要真正做到這一點(diǎn)，單憑二維設(shè)計(jì)是不夠的，雖傳統(tǒng)制圖方法是通過二維視圖描述三維實(shí)體，但它做不到進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析和數(shù)控加工，不能真正做

34、到生產(chǎn)的自動(dòng)化，甚至二維視圖描述會(huì)出現(xiàn)二意性和理解錯(cuò)誤，于是必須找到更先進(jìn)合理的三維設(shè)計(jì)手段，使CAD、CAM、CAE以及PDM容為一體。為此，CAD/CAE方法作為能縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的得力工具，被越來越頻繁地引入產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，以提高競(jìng)爭(zhēng)力。從設(shè)計(jì)產(chǎn)品和對(duì)性能的簡(jiǎn)單校核，逐步開展到性能的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，再到工作過程的精確模擬，使人們對(duì)CAD/CAE方法充滿信賴。然而，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力不但需要提高產(chǎn)品的性能與質(zhì)量，而且要降低產(chǎn)品的本錢，因此人們需要找到最合理和最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方案。雖然分析人員可以不厭其煩地在屏幕前一次次修改設(shè)計(jì)參數(shù)以尋找最理想方案，但縮短開發(fā)周期的壓力通常要求分秒必爭(zhēng)，人們可能

35、沒有更多的時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行手工調(diào)整。于是，對(duì)CAD/CAE技術(shù)及其應(yīng)用的研究也到達(dá)一個(gè)新高度。2CAD/CAE協(xié)同設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的主要手段和工具，而其中的CAE技術(shù)又成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)流程的核心，CAE具有以下功能: (a) 應(yīng)用數(shù)學(xué)模型，借助計(jì)算機(jī)分析計(jì)算，確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性；(b) 與優(yōu)化技術(shù)配合，找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)最正確方案 ； (c) CAE所起到的虛擬樣機(jī)作用能預(yù)測(cè)產(chǎn)品在整個(gè)生命周期內(nèi)的可靠性，甚至產(chǎn)品與產(chǎn)品、產(chǎn)品與環(huán)境等之間的相容性；(d) 知識(shí)的獲取是現(xiàn)代設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，CAE才能真正提高設(shè)計(jì)者的知識(shí)技能，而其他手段通常都只能起到使設(shè)計(jì)者工作更順手、能更好地表達(dá)設(shè)計(jì)意

36、圖等作用，較少增加關(guān)鍵知識(shí)。 歷經(jīng)數(shù)十年的開展，CAE技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)深入到設(shè)計(jì)流程的各個(gè)環(huán)節(jié)。CAE分析利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力所起到的“虛擬樣機(jī)作用在很大程度上替代了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中資源消耗極大的“物理樣機(jī)驗(yàn)證設(shè)計(jì)過程，極大地縮短了設(shè)計(jì)周期、減少了本錢。但是，目前眾多的設(shè)計(jì)單位將“CAD與“CAE分析截然分開，由不同的人或部門來完成設(shè)計(jì)與分析工作，存在工作和數(shù)據(jù)交接、結(jié)果等待和評(píng)判等過程，造成了整個(gè)設(shè)計(jì)流程的不暢通。事實(shí)上，在理想的現(xiàn)代設(shè)計(jì)過程中，CAE應(yīng)該融入產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各個(gè)階段和環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)分析一體化?！癈AE融入設(shè)計(jì)全過程的觀點(diǎn)已經(jīng)得到世界上許多著名公司的廣泛認(rèn)可。設(shè)計(jì)工程師將其工作

37、經(jīng)驗(yàn)與系列軟件相結(jié)合，以準(zhǔn)確了解設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)、及時(shí)把握設(shè)計(jì)方向，從而省時(shí)省錢，在競(jìng)爭(zhēng)中取勝。 3CAE優(yōu)化方法 設(shè)計(jì)過程實(shí)際上就是尋找最正確設(shè)計(jì)方案的過程。在保證產(chǎn)品到達(dá)某些性能目標(biāo)并滿足一定約束條件的前提下，通過改變某些允許改變的設(shè)計(jì)變量，使產(chǎn)品的指標(biāo)或性能到達(dá)最期望的目標(biāo)，就是優(yōu)化方法。因此CAE優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)所起的作用是極其重要的，與常規(guī)的優(yōu)化技術(shù)相比，這種優(yōu)化技術(shù)可大大提高設(shè)計(jì)效率。它可進(jìn)行如下工作：(a)在有限元分析矩陣上利用高階級(jí)數(shù)展開的方法求解目標(biāo)函數(shù)與設(shè)計(jì)變量之間的復(fù)雜關(guān)系；(b)“一次有限元計(jì)算即可完成整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程；(c)與CAD軟件聯(lián)合進(jìn)行形狀參數(shù)優(yōu)化。優(yōu)化作為一種數(shù)學(xué)方法，

38、通常是利用對(duì)解析函數(shù)求極值的方法來到達(dá)尋求最優(yōu)值的目的。基于數(shù)值分析技術(shù)的CAE方法，顯然不可能對(duì)我們的目標(biāo)得到一個(gè)解析函數(shù)，CAE計(jì)算所求得的結(jié)果只是一個(gè)數(shù)值。然而，樣條插值技術(shù)又使CAE中的優(yōu)化成為可能，多個(gè)數(shù)值點(diǎn)可以利用插值技術(shù)形成一條連續(xù)的可用函數(shù)表達(dá)的曲線或曲面，如此便回到了數(shù)學(xué)意義上的極值優(yōu)化技術(shù)上來。樣條插值方法當(dāng)然是種近似方法，通常不可能得到目標(biāo)函數(shù)的準(zhǔn)確曲面，但利用上次計(jì)算的結(jié)果再次插值得到一個(gè)新的曲面，相鄰兩次得到的曲面的距離會(huì)越來越近，當(dāng)它們的距離小到一定程度時(shí)，可以認(rèn)為此時(shí)的曲面可以代表目標(biāo)曲面。那么，該曲面的最小值，便可以認(rèn)為是目標(biāo)最優(yōu)值。這就是CAE方法中的優(yōu)化處理

39、過程，其通常需要經(jīng)過參數(shù)化建模、求解、優(yōu)化參數(shù)評(píng)價(jià)等步驟完成。現(xiàn)代CAE技術(shù)的開展已使人們的分析領(lǐng)域擴(kuò)展到了各行各業(yè)的每個(gè)角落，所研究問題的深度及綜合程度都在逐步提高，研究者的目光已從單一場(chǎng)分析轉(zhuǎn)向了多場(chǎng)耦合分析，以追求更為真實(shí)的模擬結(jié)果。CAE軟件的優(yōu)化技術(shù)的適應(yīng)范圍也必然隨之?dāng)U展，不但要求它能解決各種單場(chǎng)問題，而且應(yīng)該能處理多場(chǎng)耦合過程的優(yōu)化。4CAD/CAE技術(shù)開展趨勢(shì)現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)力求高效率、高質(zhì)量、低本錢，這對(duì)CAE分析工具也提出了更高的要求：有足夠技術(shù)手段來真實(shí)地模擬產(chǎn)品工作行為。即真實(shí)模擬，它涉及到許多高難問題：高度非線性、多物理場(chǎng)耦合及產(chǎn)品系統(tǒng)級(jí)復(fù)雜裝配體模型等。把設(shè)計(jì)工作的實(shí)際

40、經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來,將提高系統(tǒng)的實(shí)用性和先進(jìn)性。因此，分析面廣、分析程度深、分析對(duì)象復(fù)雜及應(yīng)用便捷是現(xiàn)代CAE應(yīng)用的開展方向，只有在這樣的分析手段配置下，才能真正解決“真實(shí)模擬的問題。因而在這樣的背景下，CAD技術(shù)主要具有以下幾方面的開展趨勢(shì)標(biāo)準(zhǔn)化、開放性、集成化、智能化和虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)與CAD的集成。這種趨勢(shì)將表達(dá)在以下幾方面真三維圖形處理與虛擬現(xiàn)實(shí)、面向?qū)ο蟮墓こ虜?shù)據(jù)庫(kù)及其管理系統(tǒng)、多相多態(tài)介質(zhì)耦合、多物理場(chǎng)耦合以及多尺度耦合分析、適應(yīng)于超級(jí)并行計(jì)算機(jī)和機(jī)群的高性能CAE求解技術(shù)、GUI多媒體的用戶介面。5CAD/CAE技術(shù)應(yīng)用展望CAD/CAE技術(shù)的開展必定推動(dòng)其應(yīng)用范圍的擴(kuò)大和

41、層次的加深，在產(chǎn)品開發(fā)制造的各個(gè)階段發(fā)揮更大的作用。(a)概念設(shè)計(jì)階段主要進(jìn)行較為詳細(xì)的、帶有一定目標(biāo)性的預(yù)演。主要有三個(gè)方面的應(yīng)用：市場(chǎng)調(diào)研；技術(shù)設(shè)計(jì)，包括各種方案的計(jì)算機(jī)效果模擬和分析仿真論證；評(píng)估、準(zhǔn)備相關(guān)生產(chǎn)設(shè)施。(b)在概念設(shè)計(jì)完成以后，緊接著就是詳細(xì)設(shè)計(jì)。這一階段要繪制各種零部件圖樣，確定彼此間的裝配關(guān)系，評(píng)估產(chǎn)品的性能(結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、動(dòng)力特性和生產(chǎn)性等)。該階段需要操作簡(jiǎn)單、使用方便的CAE軟件，以便用最少的時(shí)間完成評(píng)估工作。(c)樣機(jī)制造階段是根據(jù)詳細(xì)設(shè)計(jì)提供的模型或數(shù)據(jù)完成試驗(yàn)樣機(jī)的加工制造。該階段是生產(chǎn)階段，所以較少使用CAE軟件，但可以用一些專業(yè)軟件，如鑄造分析軟件、板

42、料成形軟件來指導(dǎo)生產(chǎn)。(d)產(chǎn)品測(cè)試評(píng)估階段主要是利用各種測(cè)試和評(píng)估手段對(duì)產(chǎn)品本錢、產(chǎn)品性能、產(chǎn)品質(zhì)量和加工特性做出全面真實(shí)的評(píng)價(jià)，從而為設(shè)計(jì)更改和產(chǎn)品的生產(chǎn)提供可靠依據(jù)。隨著科學(xué)技術(shù)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的開展，漸開線齒輪傳動(dòng)減速器的需求量越來越大，質(zhì)量要求也越來越高，傳統(tǒng)的減速器設(shè)計(jì)方法己不能滿足用戶的需求，CAD/CAM技術(shù)的迅速開展使得它無論在機(jī)械、電子、航空、建筑等領(lǐng)域都獲得了成功的應(yīng)用。這對(duì)于提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低本錢和增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力起了巨大的作用?？傊?，對(duì)連桿減速器進(jìn)行CAD/CAE下的建模和仿真，是傳統(tǒng)技術(shù)和現(xiàn)代技術(shù)的緊密結(jié)合，它不但符合科技開展的規(guī)律，也會(huì)使各自的應(yīng)用

43、、研究及開展獲得意想不到的效果。2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)2.1 傳動(dòng)方案擬定1工作條件：使用年限10年，300天為一年，工作為兩班工作制。2原始數(shù)據(jù)：變速箱傳遞作功率約為1.8(KW)；n1w為250r/min；傳動(dòng)比為2.3；軸夾角為90°。方案擬定：由設(shè)計(jì)要求知采用V帶傳動(dòng)與一級(jí)圓錐齒輪傳動(dòng)，即可滿足傳動(dòng)比要求。2.2 電動(dòng)機(jī)類型選擇1電動(dòng)機(jī)類型和結(jié)構(gòu)的選擇：選擇Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)，此系列電動(dòng)機(jī)屬于一般用途的全封閉自扇冷電動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，價(jià)格低廉，維護(hù)方便，適用于不易燃，不易爆，無腐蝕性氣體和無特殊要求的機(jī)械。2電動(dòng)機(jī)功率選擇式d總 (kw) 其中總為電動(dòng)機(jī)至工作機(jī)之間

44、傳動(dòng)裝置的總效率?？?×2×式中：1、2、3、分別為齒輪傳動(dòng)、軸承、帶傳動(dòng)的傳動(dòng)效率。取=，6，那么：總×2×0.96 =0.89.所以：電機(jī)所需的工作功率：d總2.02(KW)3確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ndixnw2.3x250575r/min根據(jù)所得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速查取手冊(cè)選擇電動(dòng)機(jī)型號(hào)為：Y112M6，其同步轉(zhuǎn)速為1000r/min，滿載轉(zhuǎn)速為940 r/min，額定功率2.2KW。2.3 確定傳動(dòng)裝置的中傳動(dòng)比和分配級(jí)傳動(dòng)比由選定的電動(dòng)機(jī)滿載轉(zhuǎn)速nm和工作機(jī)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速nw1可得傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比為： 總傳動(dòng)比等于各傳動(dòng)比的乘積分配傳動(dòng)裝置傳動(dòng)比 ia=i0

45、5;i 式中i0、i分別為帶傳動(dòng)和減速器的傳動(dòng)比 2分配各級(jí)傳動(dòng)裝置傳動(dòng)比： 所以： i02.4 傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)的設(shè)計(jì)將傳動(dòng)裝置各軸由高速至低速依次定為軸，軸：i0,i1，.為相鄰兩軸間的傳動(dòng)比01，12，.為相鄰兩軸的傳動(dòng)效率P，P，.為各軸的輸入功率 KWT，T，.為各軸的輸入轉(zhuǎn)矩 N·mn,n,.為各軸的輸入轉(zhuǎn)矩 r/min 1各軸轉(zhuǎn)速軸：n=nm/ i0=940/1.63=575(r/min軸：n= n1w=250(r/min)2各軸功率軸： P=Pd××0.96=1.94KW軸： P= P×××0.98=1.8KW

46、3各軸轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)軸輸出轉(zhuǎn)矩為： Td=9550·Pd/nm=9550×·m 軸： T= Td·i0·01=32.2 N·m 軸： T= T·i1·×××0.98=69.7 N·m運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)的計(jì)算數(shù)值見下表：轉(zhuǎn)速/r/min功率/KW轉(zhuǎn)矩/ N·m軸575軸2502.5 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)選定齒輪傳動(dòng)類型、材料、熱處理方式、精度等級(jí)1齒輪類型由設(shè)計(jì)要求知選用標(biāo)準(zhǔn)直齒錐齒輪。2通用減速器的傳動(dòng)精度范圍為68級(jí)，應(yīng)選用7級(jí)精度。3查表選用小齒輪的材料為40cr(調(diào)質(zhì)處理)，

47、硬度為280HBS；大齒輪的材料為45鋼調(diào)制處理，硬度為240HBS。二者材料的硬度差為40HBS.初選小齒輪的齒數(shù)為Z1=22那么大齒輪的齒數(shù)為Z2×22=51。按齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算小齒輪分度圓直徑 d1× 確定公式內(nèi)各參數(shù)值2小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩T1=9.55×106×P/n1=2. 99×104 N·mm3 齒寬系數(shù)取4材料彈性影響系數(shù) 查表得 ZE5查表得 小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限6計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N1=60n1×j×Lh=60×575×1×(2

48、15;8×300×15) =2. 484×109N2×1097計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力取失效概率為1%，平安系數(shù)S=1.計(jì)算（1） 試算小齒輪分度圓直徑d1，代入中較小的值d1 2計(jì)算小齒輪的圓周速度3計(jì)算齒寬bRt=d1=b/R得 b=×Rt =22.9 mm（4） 計(jì)算mt mt= d1/z15計(jì)算載荷系數(shù) 根據(jù)小齒輪的圓周速度V=1.39，7級(jí)精度，查圖得齒間載荷分配系數(shù) KHa=KFa=1使用系數(shù) KN齒向載荷分布系數(shù) KH= KF=1.5 KHbe 查表得KHbe=1.25， 那么KH= KF×齒形系數(shù)和應(yīng)力校正系數(shù) YFa Y

49、Sa由于當(dāng)量齒數(shù) Zv1=Z1/cos=24 Zv2= Z2/cos(90-)=129查表得 YFa1=2.65 YSa1 YFa2=2.16 YSa2故載荷系數(shù) K=KAKv KHa KH6按實(shí)際載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑d1= d17計(jì)算模數(shù)m= d1/Z1按齒跟彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由設(shè)計(jì)計(jì)算公式 m確定公式內(nèi)各參數(shù)值1由圖查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 = 大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 =2由圖差得彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=0.85 KFN23取彎曲疲勞平安系數(shù) S=1.4 得 =KFN1×/S=KFN2×/S=4計(jì)算載荷系數(shù)K=KAKv KFaKF5齒形系數(shù) YFa1=2.6

50、5 YFa2 YSa1=1.58 YS a26計(jì)算大、小輪的 并加以比擬 設(shè)計(jì)計(jì)算m 比照計(jì)算結(jié)果，得齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的模數(shù)。由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力僅與齒輪直徑有關(guān)，可取彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)2.43，并圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=2.5mm。接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑d1=63.2mm，算出小齒輪齒數(shù) Z1= d125大齒輪齒數(shù) Z2×2558 這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng)，既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，防止浪費(fèi)。齒輪幾何尺寸計(jì)算1計(jì)算分度圓直徑 d1= Z1×

51、m=25× d2 = Z2×m=145mm2計(jì)算齒輪寬度b=×R R=d1 ×標(biāo)準(zhǔn)直齒錐齒輪傳動(dòng)的幾何參數(shù)及尺寸 名稱代號(hào)計(jì)算公式小齒輪大齒輪分錐角吃頂高h(yuǎn)aHa=ha*m=1×齒根高h(yuǎn)fHf=( ha*+c*)m=1.2b=3mm分度圓ddd2=145mm齒頂圓ddada1=d1+2hacosda齒根圓ddfdf1=d1-2hf cos錐距Rd1齒根角tan頂錐角根錐角分度圓齒厚ss=當(dāng)量齒數(shù)ZZ=Z/ cos=27Z=147齒寬BB=齒數(shù)ZZ=25Z=58錐齒輪齒跟彎曲疲勞強(qiáng)度校核 故 同樣可得： 并且： 由上可得： ,故滿足齒根彎曲疲勞強(qiáng)

52、度的要求。錐齒輪的結(jié)構(gòu)由于小齒輪及大齒輪的齒頂圓直徑小于160mm , 故可將大、小齒輪做成實(shí)心結(jié)構(gòu)的齒輪。2.6 軸及軸承的設(shè)計(jì)與選擇2.6.1求輸出軸、輸入軸上的功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩由前面計(jì)算可得：轉(zhuǎn)速/r/min功率/KW轉(zhuǎn)矩/ N·m軸575軸250其齒輪受力如2.2圖所示： 輸出軸上的齒輪：圓周力： 徑向力： 壓力角 軸向力： 其中由錐齒輪的受力分析可知; 且(為輸入軸上的齒輪所受的力)選取軸的材料為45鋼，調(diào)制處理。查表得A0=110： 確定輸入軸與帶輪相連接，令輸出軸與聯(lián)軸器相連接，其輸出軸的最小直徑是安裝聯(lián)軸器出軸的直徑。為使所選的軸的最小直徑與聯(lián)軸器的孔徑相適應(yīng)，故需要

53、同時(shí)選取聯(lián)軸器的型號(hào)。聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩：,查表取。那么：按照計(jì)算轉(zhuǎn)矩應(yīng)小于聯(lián)軸器公稱轉(zhuǎn)矩的條件，查表選用LX1型號(hào)的彈性柱銷聯(lián)軸器。其公稱轉(zhuǎn)矩為250Nm，半聯(lián)軸器孔徑d1=24mm(j1型)。半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長(zhǎng)度L=38mm。（1） 根據(jù)周向定位的要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度根據(jù)零件設(shè)計(jì)要求及裝配要求最終所確定的軸的各段直徑和長(zhǎng)度如下列圖所示：輸出軸： 輸入軸： （2） 軸上零件的周向定位齒輪、半聯(lián)軸器與軸的周向定位均采用平鍵連接。根據(jù)結(jié)構(gòu)要求查表選擇：18的軸鍵：b×h×L=6×6×2822的軸鍵：b×h×L=6×6×2224的軸鍵：b×h×L=8×7×2832的軸鍵：b×h×L=10×8×22（3） 確定軸上的圓角和倒角尺寸查表選擇，取軸端倒角為1×45，軸肩處的圓角半