Inventor征文--設(shè)計加速器與減速機(jī)設(shè)計結(jié)合

1、Inventor征文：Autodesk Inventor Professional實(shí)際應(yīng)用設(shè)計加速器與減速機(jī)設(shè)計結(jié)合減速機(jī)的作用是利用齒輪的速度轉(zhuǎn)換器，將馬達(dá)的回轉(zhuǎn)數(shù)減速到所要的回轉(zhuǎn)數(shù)，并得到較大轉(zhuǎn)矩的機(jī)構(gòu)。減速機(jī)種類很多，主要形式有斜齒輪減速機(jī)（見圖一）、行星齒輪減速機(jī)、擺線針輪減速機(jī)、蝸輪蝸桿減速機(jī)、行星摩擦式機(jī)械無級變速機(jī)等等，就傳動的級數(shù)而言有兩級、三級、四級的減速機(jī)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是典型的齒輪傳動機(jī)構(gòu)，其根據(jù)工況需要，傳動齒輪可以是直齒齒輪，斜齒輪或人字齒及其他類型的齒輪，如果輸入輸出的方向發(fā)生變化，內(nèi)部結(jié)構(gòu)中則需要添加傘齒輪。減速機(jī)在我們的實(shí)際生活應(yīng)用很廣。  

2、60; 圖一 AIP11設(shè)計的斜齒輪減速機(jī)    因其應(yīng)用范圍廣，傳動結(jié)構(gòu)具有典型性，所以大學(xué)機(jī)械系老師都會把減速機(jī)的設(shè)計作為機(jī)械系學(xué)生的必修課，以提高機(jī)械制造基礎(chǔ)的知識和繪圖技能。一個簡單的二級圓柱齒輪減速機(jī)，需要繪制的圖紙不超過10張A1圖紙，要出具的其內(nèi)部傳動件的選型說明和相關(guān)的計算報告需要10-15頁左右，采用傳統(tǒng)的手動計算耗費(fèi)的時間，通常是繪制圖紙的1.5倍，手工計算過程的繁瑣及計算量的浩大可想而知，大量枯燥的計算，極容易讓設(shè)計者出現(xiàn)人為疲勞，造成設(shè)計誤差。    今天Autodesk公司的Autodesk Inventor

3、 Professional 2008 （以下簡稱AIP2008）提供了一套完整的解決傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計問題的解決方案。我們就討論一下，如何使用AIP2008完成一個我們大學(xué)時代中必修的二級圓柱齒輪減速機(jī)的設(shè)計（見圖二）。    圖二 帶式運(yùn)輸機(jī)的展開式二級圓柱齒輪減速示意圖    在大學(xué)課設(shè)中減速機(jī)的設(shè)計大致分為三部分標(biāo)準(zhǔn)件選擇、設(shè)計計算、出圖。制定設(shè)計任務(wù)書，明確從電機(jī)選擇開始到出具所有設(shè)計圖紙共有12個流程。在這些流程步驟中，AIP2008可以輔助我們解決其中9個設(shè)計流程中的問題：    1.傳動方案的設(shè)計

4、和擬定；（可使用Inventor軟件）；    2.電動機(jī)的選擇；    3.傳動裝置運(yùn)動及動力參數(shù)計算（可使用Inventor軟件）；    4.傳動零件的設(shè)計計算(可使用Inventor軟件)；    5.軸的計算（可使用Inventor軟件）；    6.滾動軸承的設(shè)計和計算（可使用Inventor軟件）；    7.鍵聯(lián)接的選擇和計算（可使用Inventor軟件）；    8.減

5、速箱的設(shè)計和計算 （可使用Inventor軟件）；    9.連軸器的選擇；    10.箱體的模態(tài)分析（可使用Inventor軟件）；    11.潤滑方式、潤滑油牌號及密封裝置的選擇；    12.出具工程圖（可使用Inventor軟件）；    這9個流程中，其中1和12 直接使用AIP2008基本建模和工程圖功能就可以完成，3、8、10需要AIP2008中運(yùn)動仿真和有限元分析模塊輔助設(shè)計者完成工作，3至7則需要使用AIP2008中的設(shè)計加

6、速器模塊中的功能實(shí)現(xiàn)。    設(shè)計加速器是Autodesk公司在計算機(jī)輔助設(shè)計領(lǐng)域著重強(qiáng)調(diào)的功能導(dǎo)向設(shè)計中的一部分。傳統(tǒng)的三維設(shè)計軟件，采用參數(shù)化設(shè)計方法，能夠生成精美的三維模型，但需要制造樣機(jī)，然后進(jìn)行試驗(yàn)，如果不能滿足需求，則要修改三維模型，重新制造樣機(jī)，再進(jìn)行試驗(yàn)，因此這種效率很低。而通過功能導(dǎo)向設(shè)計，不僅用CAD軟件來造型，而且可以通過數(shù)字化的工程知識庫來指導(dǎo)設(shè)計工程，并且在設(shè)計的早期階段就可以通過虛擬仿真、可視化等方式，結(jié)合設(shè)計者的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計出更好的產(chǎn)品，大大縮短設(shè)計周期，快速投放市場。    以減速機(jī)設(shè)計為例，以往設(shè)計人員

7、的幾何模型的設(shè)計和相關(guān)計算是完全分開的，利用設(shè)計手冊中的公式的手工進(jìn)行傳動件的選型和強(qiáng)度計算，再轉(zhuǎn)到機(jī)械設(shè)計軟件中一根線一根線的繪制出相應(yīng)的二維工程圖，或者一個特征一個特征搭建出三維模型。AIP2008中的設(shè)計加速器把幾何模型的創(chuàng)建和專業(yè)的機(jī)械理論知識結(jié)合到了一起，由設(shè)計理論得出的報告結(jié)果，然后直接轉(zhuǎn)化為符合實(shí)際需求的設(shè)計模型，設(shè)計知識與概念的直接模型相關(guān)聯(lián)，形成一條龍似的設(shè)計鏈條?，F(xiàn)在我們就看一下AIP2008的設(shè)計加速器是如何把設(shè)計理論與三維造型相結(jié)合，從而快速解決傳統(tǒng)設(shè)計中的問題。    采用AIP2008設(shè)計減速機(jī)和我們以前設(shè)計減速機(jī)的設(shè)計思路是一樣的，都

8、是先從傳動系統(tǒng)開始設(shè)計，根據(jù)已知工況、輸入條件和輸出要求，確定初步設(shè)計方案。我們設(shè)計的減速機(jī)是用在傳輸設(shè)備中，所以在這里選用通過V帶把電動機(jī)動力傳遞給減速機(jī)，減速機(jī)采用閉式齒輪傳動結(jié)構(gòu)（見圖二）。根據(jù)電動機(jī)滿載轉(zhuǎn)速和工作機(jī)軸轉(zhuǎn)速，得出總傳動比為21.53，所以各軸動力參數(shù)為：    1、齒輪的設(shè)計和校核    1.1 齒輪的參數(shù)輸入    初步方案確定以后，進(jìn)入AIP2008的設(shè)計加速器環(huán)境點(diǎn)選“圓柱齒輪”的計算（見圖三），開始對每個齒輪進(jìn)行設(shè)計和強(qiáng)度校核，出具相關(guān)的計算報告。在“圓柱齒輪”命令中，有兩個

9、主要工具條，分別為“設(shè)計”和“計算”，可以對內(nèi)嚙合和外嚙合的直齒和斜齒輪直接生成三維模型和進(jìn)行強(qiáng)度校核。在這里我們希望通過定義高速傳動齒輪的輸入功率，轉(zhuǎn)速，材料等條件，讓軟件通過計算自動幫我們設(shè)計出尺寸合理的一對斜齒輪。所以我們只在“設(shè)計”界面輸入我們設(shè)計的斜齒輪已確定的參數(shù)：傳動比、1軸齒輪齒數(shù)，及一個預(yù)估參數(shù)中心距的范圍值，和我們的以前手動計算一樣，預(yù)定義一個螺旋角 =15°。注意“設(shè)計向?qū)А敝羞x擇“模數(shù)”方式，同時要把“正在接近中心距”設(shè)成“齒校正”模式。這樣我們才能算出斜齒輪中第一個重要的參數(shù)：斜齒輪的中心距（見圖四 注意紅色標(biāo)示部分）。   

10、圖三 AIP2008設(shè)計加速器界面    圖四 在圓柱齒輪生成器計算界面定義參數(shù)1.2 計算生成求解齒輪尺寸    初步定義完成后，轉(zhuǎn)到“計算”工具條，注意在“強(qiáng)度計算類型”中選取“幾何圖元設(shè)計”方式，這樣軟件才能利用強(qiáng)度計算求解出“設(shè)計”工具條中斜齒輪的尺寸參數(shù)。接著確定“載荷計算類型”，根據(jù)設(shè)計者的實(shí)際需要，可選擇合適的類型，我們這次選取了第一種，轉(zhuǎn)矩為未知量的方式。輸入功率和轉(zhuǎn)速和傳遞效率，通過列表選擇齒輪材料，齒輪材料默認(rèn)是按機(jī)械設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行排序的（見圖五），由于材料規(guī)格復(fù)雜種類繁多，手動查找非常不便，所以我們采用直接輸入材料

11、規(guī)格型號的方式進(jìn)行材料篩選似查找（見圖六）。材料列表是開放的，如果列表中沒有所需的材料，可以進(jìn)行手動添加，以備日后重復(fù)使用。在手動添加時，彎曲疲勞極限、接觸疲勞極限、彈性模量、熱處理、泊松比，這五項的值一定要按照材料手冊填寫正確，它們是齒輪強(qiáng)度計算的基本條件。    圖五 齒輪材料表    圖六 篩選齒輪材料    輸入“計算”工具條所需的必要參數(shù)，高速軸上的小齒輪根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)材料選擇20CrMnTi，齒面硬度為59HRC。中間軸上的嚙合齒輪材料選擇20Cr，齒面硬度為59HRC。斜齒輪按8級精度制造（見

12、圖七），載荷系數(shù)K取1.3，齒面接觸疲勞安全系數(shù)SH1.2，齒面彎曲疲勞系數(shù)SF=1.5，設(shè)計壽命為每天工作8-16小時，輸入完成后（見圖八）進(jìn)行計算，轉(zhuǎn)入“設(shè)計”工具條，我們會看到軟件已經(jīng)根據(jù)設(shè)計者的設(shè)計條件給出了一對外嚙合斜齒輪的尺寸參數(shù)。    圖七 定義齒輪的加工精度    圖七定義齒輪的載荷系數(shù)    圖八 定義完成的“計算”工具條    在“計算”工具中（見圖九）軟件已經(jīng)給我們設(shè)計的斜齒輪提供了尺寸方案，在螺旋角=15°時，推薦中心距為125mm，法向模

13、數(shù)為2.75，并出現(xiàn)了變位系數(shù)（AIP2008中把變位系數(shù)稱為嚙合校正）。由于此次設(shè)計中不希望在斜齒輪上添加變位系數(shù)。我們采用修改斜齒輪螺旋角的方法，調(diào)整中心矩，從而影響變位系數(shù)讓其值成為0。采用“校驗(yàn)計算”方式，“正在接近中心距”選項中點(diǎn)選“螺旋角”，計算。    1.3 齒輪強(qiáng)度校核優(yōu)化齒輪參數(shù)    通過調(diào)整，我們看到軟件按照我們的設(shè)計意圖，調(diào)整了螺旋角，以求把變位系數(shù)成為0，同時我們看到法向模數(shù)從原來的2.75換成了2.5，新的法向模數(shù)是我們能夠接受的，因?yàn)榉ㄏ蚰?shù)2.75是機(jī)械設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)第二系列中的數(shù)值，而2.5機(jī)械設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)第

14、一系列中的數(shù)值，在齒輪設(shè)計中我們應(yīng)該優(yōu)先采用第一系列中的數(shù)值（見圖十），輸入端的斜齒輪到此已經(jīng)設(shè)計完成。    圖九 “幾何圖元設(shè)計功能”取得的結(jié)果    圖十 優(yōu)化后的設(shè)計結(jié)果但是在AIP2008齒輪設(shè)計中沒有齒寬的設(shè)計，此部分我們只能利用進(jìn)行手動計算，得出合適的齒寬，這不能說是一個瑕疵。首先我們根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊選擇一個齒寬系數(shù)a，注意齒寬系數(shù)值越大，則中心距越小，而且齒寬過大容易發(fā)生載荷集中現(xiàn)象，使齒輪折斷，考慮到我們設(shè)計的屬于輕型減速機(jī)，故取齒寬系數(shù)a0.4，則齒寬 ba0.4×12550，為了補(bǔ)償安裝誤差，通常使小齒

15、輪齒寬略大些，所以 b250mm，b155mm。至此輸入端一組傳動齒輪設(shè)計完成，生成模型，并出具計算報告（見圖十一）。    圖十一 AIP2008生成的計算報告，和三維模型    1.4 手動對比校驗(yàn)    為了校驗(yàn)AIP2008的設(shè)計結(jié)果是否正確，筆者利用傳統(tǒng)手動計算的方式重新求解了斜齒輪的尺寸數(shù)值，并進(jìn)行了強(qiáng)度校核。對手算結(jié)果逐一與軟件生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對。        AIP2008給出的數(shù)值為1.505 m/s（見圖十二），由此可見A

16、IP2008的計算結(jié)果是完全可信任的，但是從計算到出具計算和尺寸參數(shù)報告及生成模型的時間，僅占用了采用傳統(tǒng)手工計算的不到1/10。同理我們利用設(shè)計加速器生成輸出端一組斜齒輪，接著開始進(jìn)行三根傳動軸的計算和設(shè)計。    圖十二 AIP2008計算出的圓周速度    2、軸的設(shè)計和校核    在設(shè)計加速器中，點(diǎn)擊“軸”命令，進(jìn)入軸的設(shè)計環(huán)境。由于軸的幾何尺寸是由產(chǎn)品的實(shí)際外形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定的，不能完全通過輸入力學(xué)參數(shù)求解，所以在這里我們只能手動設(shè)計軸的結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析。軸的材料選擇正火處理后的45#

17、鋼，其主要力學(xué)性能：硬度170217HBS，強(qiáng)度極限B=600MPa，屈服極限S=300MPa,彎曲疲勞極限-1=275MPa，許用扭切應(yīng)力=3040MPa。       得出輸入軸的最細(xì)處軸頸為27mm，考慮到要在此軸段上添加鍵槽，故增加一個3%的余量，所以d=28mm。根據(jù)設(shè)計需求和經(jīng)驗(yàn)輸入端高速軸共設(shè)計5個軸段，把每一段的直徑和長度均輸入到“軸零部件生成器”中，隨著軸段的添加以及軸段上特征的定義，我們可以直接在窗口中看到三維模型的變化，如圖十三中為在最細(xì)軸段上鍵槽的定義，直接可以在三維模型上看到鍵槽的位置和形狀。在“軸零部件生成器”中，定

18、義軸上各種特征時，在退刀槽的設(shè)計中JB/ZQ 4238 A型退刀槽的稍微有些特殊，只有選用軟件自帶的“釋壓-G（SI單位）”命令，通過自定義才能實(shí)現(xiàn)（見圖十四）。    圖十三 鍵槽的創(chuàng)建    圖十四 JB/ZQ 4238 A型退刀槽的創(chuàng)建各個軸段及軸段上的特征定義完成后，利用“計算”工具條，對軸段進(jìn)行強(qiáng)度校核，以檢驗(yàn)輸入端高速軸的尺寸是否合理。首先定義支撐位置，在輸入端定義為自由支撐，則另一端要設(shè)定為固定支撐，添加支撐時，因?yàn)槲覀冊O(shè)計時選用了軸的兩端都選用了角接觸滾珠軸承，所以在這里定義支撐類型時也要選用此類型的軸承（見圖十五）。

19、接著我們把剛才設(shè)計齒輪時得到的軸向力、徑向力、轉(zhuǎn)矩等數(shù)據(jù)結(jié)果（齒輪數(shù)據(jù)結(jié)果見圖十二），輸入到軸上作為軸的載荷。轉(zhuǎn)矩的加載，主要考慮的是齒輪的圓周力，但是轉(zhuǎn)矩都是成對出現(xiàn)的，當(dāng)我們在軸上齒輪所在的位置加載了齒輪轉(zhuǎn)矩時，為保持平衡，一定要在軸的輸入端也要定義一個大小相等方向相反的轉(zhuǎn)矩（見圖十六）。開始對軸進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的校核，其結(jié)果顯示在“圖形”工具條中。    圖十五 支撐的定義    圖十六 軸上力的加載    在“圖形”工具條中，左側(cè)是計算所得圖形的種類，中間為通過選擇圖形種類生成的力學(xué)曲線圖譜，最右側(cè)

20、為整根軸的計算結(jié)果（見圖十七）。在軟件最左側(cè)的“圖形選擇”中共有十種類型，其中比較重要力學(xué)曲線有：力矩圖（彎矩圖）、轉(zhuǎn)動圖（扭矩的扭角圖）、偏差圖（撓度變形圖）、剪切圖（彎曲應(yīng)力圖）、扭轉(zhuǎn)圖（扭轉(zhuǎn)應(yīng)力圖）、拉伸圖（軸向應(yīng)力圖）、求和圖（所有應(yīng)力合成圖），由于AIP2008的這部分漢化處理不是很準(zhǔn)確，所以筆者在括號中加入了在機(jī)械手冊能查到每種圖形對應(yīng)的稱位，同時還要注意一點(diǎn)，在右側(cè)的結(jié)果欄中有一個翻譯上的錯誤max并不是最大彎曲應(yīng)力，而是軸所承受的最大應(yīng)力，既所有應(yīng)力平方和的二次方！    圖十七 軸的分析計算結(jié)果    對于這一部分的

21、計算，筆者也采用類比法，不光進(jìn)行了手動校驗(yàn)，還用一些其它的力學(xué)軟件進(jìn)行了驗(yàn)算，結(jié)果及力學(xué)曲線的走勢與AIP2008得出的完全一致。因?yàn)闄z驗(yàn)一根軸的設(shè)計是否合理，不光看材料、受力，還要考慮其結(jié)構(gòu)、加工處理方式、實(shí)際應(yīng)用工況、循環(huán)應(yīng)變特性、壽命要考慮的綜合因素比較多，所以AIP2008在這里沒有得出一個設(shè)計是否合理的結(jié)論，是可以理解的。根據(jù)機(jī)械手冊推薦的經(jīng)驗(yàn)值，齒輪軸的撓度變形一般在0.010.05mm，扭角為0.010.05°/m，和我們得出的結(jié)果對比，遠(yuǎn)小于參考值。根據(jù)45#鋼的材料特點(diǎn)，分別查出其彎曲和扭轉(zhuǎn)的疲勞極限，再除以我們得出的實(shí)際值，得到的安全系數(shù)，也完全大于機(jī)械手冊推薦的值，這說明我們設(shè)計的高速軸符合設(shè)計要求，生成該軸的生成三維模型，并輸出相應(yīng)的計算報告。其余兩根軸的設(shè)計和計算方法同理可退，所以不再過多敘述。至此減速機(jī)最關(guān)鍵部分齒輪和軸的設(shè)計已經(jīng)完成。    至于后續(xù)的軸承、鍵、V型帶等的設(shè)計與計算也都可以用設(shè)計加速器其他功能實(shí)現(xiàn)，而箱體的設(shè)計，可以采用草圖的衍生和自適應(yīng)技術(shù)輕松完成，而箱體的應(yīng)力和模態(tài)的計算，則需要AIP2008中的運(yùn)動仿真和應(yīng)力分析模塊的聯(lián)合使用，得出需要分析結(jié)果（具體內(nèi)容請參看“如何用Inventor完成減速機(jī)的設(shè)計”）。    如果讀者在使用設(shè)計加速器進(jìn)行計算時，對其中某些公