举例阐述设计全流程

1举例阐述结构设计全流程------增速齿轮传动设计对于一个机械结构工程师来讲，仅仅会使用软件是完全不够的，关键是对设计、工艺、加工制造、工程图表达、甚至是动画展示等整个流程都要有一个全面地了解。事实上，如果不懂生产，你的软件水平也只能停留在入门阶段。其实我一直想做一个比较全面的教程，苦于找不到一个比较通用的结构案例，最后决定还是用齿轮来做。废话少说，下面就开始讲解。为了方便大家学习参考，每一个步骤下面相应的都有设计文件的下载。设计题目设计一个增速器，采用渐开线人字齿硬齿面齿轮对。低速轴（电机端）转速1485r/min，高速轴（风机端）转速5390r/min，电机功率8600kw，要求传递功率有15%余量。齿轮相关参数设计过程（其实就是在用PROE进行设计前先确定齿轮的齿数、模数、螺旋角等）,（这部分很枯燥，但我还是建议大家能看看，这是结构设计基本功，如果实在不感兴趣，可以直接略过）设计过程（1）初始设计参数n1=1485(r/min)n2=5390(r/min)P=8600×(1+15%)kW=9890(kW)原动机载荷特性SF=均匀平稳工作机载荷特性WF=轻微振动预定寿命H=10000(小时)（2）选择材料大齿轮：40Cr调制、表面淬火HRC48～552小齿轮：35CrMo调制、表面淬火HRC45～55按MQ级质量要求，查得大小齿轮的齿面接触疲劳极限σHlim、齿根弯曲疲劳极限σFlim及基本值σFE为：（如下图）σHlim1=1180N/mm2σHlim2=1200N/mm2σFlim1=360N/mm2σFlim2=370N/mm2σFE1=700N/mm2σFE2=720N/mm2（3）初选主要参数因为是硬齿面齿轮，所以优先考虑齿根弯曲强度。用下面的人字齿轮简化设计计算公式以齿根弯曲强度初步确定模数：3115.11FPmFSnzYKTm------------------------------------------------------------------------------①式中参数：大齿轮传递的转矩T1：mNmNnPT63603148598909549954911载荷系数K：考虑到齿轮对称轴承分布、传递功率较大、原动机为电动机等因素，取K=1.4。大齿轮齿数z1：根据高速齿轮传动推荐的模数和齿数范围（下表）3初步设定小齿轮齿数为z2=33，所以大齿轮齿数为：7777.1191485539033zz1221nn取整并考虑到尽量使得z1、z2互为质数，取：z1=119初取螺旋角β=30º，并初步计算大齿轮的当量齿数183.23(0.866)119cos3311zzv复合齿形系数YFS：根据20n、1/mhnap、1.25/mhnfp、23.831zv1、等条件，查得YFS1=3.95。（如下图）传递功率/kW模数/mm推荐齿数＜30002～6一般z1≥28，透平齿轮z1＞30。应尽量使z1和z2互为质数3000～60005～76000～100006～104齿宽系数m取值：m=25大齿轮许用弯曲应力FP：设抗弯强度计算的最小安全系数SFmin=1.4，则大齿轮许用弯曲应力简化计算值为：22min1/500/4.1700mmNmmNSFFEFP将以上参数代入式①得：mmmmzYKTmFPmFSn1.7500332595.3636034.15.115.113311，取：mmmn8中心距a为：702.0579mm30cos2)33119(8cos2)(21mmzzman圆整为标准中心距：705mma精求螺旋角β：0.86247052)33119(82)(cos21azzmn所以：=30º24’42’’mmmmmbmmmmzmmmmmzmmmmmnmttnt200825118.30633276.9d882.1103119276.9d9.276mm8624.08cos2211（4）校核齿面接触疲劳强度5计算接触应力：HHVAtEHHKKKKuubdFZZZ11-------------------------------②式中参数：分度圆上的圆周力：115239N103844.1636032211NdTFt使用系数KA：考虑到原动机是电机（均匀平稳），工作机是风机（轻微震动），故而查表得KA=1.25齿数比：0.2771193312zzu动载系数：2212111001uuvzKbFKKKtAV其中smsmndv/8.85/1000601485882.110310006011根据齿轮的圆周速度，参考本增速器的用途，查表选择齿轮的精度等级为：5-5-5GB10095-1988。并因此查得系数K1=6.7，K2=0.0087。将相关的参数值代入动载系数VK的计算式得：1.544277.01277.01008.851190087.020011523925.17.6122VK齿向载荷分布系数查表得：13.12001012.0844.110320018.01.11012.018.01.132321bdbKH径向载荷分布系数HK：按照22/720/200/11523925.1/mmNmmNbFKtA查表得：1HK（如下表）6节点区域系数ZH：按照=30º24’42’’，0x查图得到2.2HZ（如下图）根据大小齿轮的材料，查得材料弹性系数2/8.189mmNZE（如下图）7接触强度计算的重合度及螺旋角系数Z：首先精确计算当量齿数185.86(0.8624)119cos3311zzv，51.54(0.8624)33cos3322zzv求当量齿轮的端面重合度：IIIv按照=30º24’42’’，185.861vz，51.542vz分别查出0.74I、0.71II，（如下图）8所以：45.171.074.0IIIv按25nmmb、=30º24’42’’查得纵向重合度05.4（如下图）按45.1v、05.4、=30º24’42’’查得77.0Z（如下图）将以上个数值代入式②中：9221/56.736/113.1544.125.1277.01277.0882.110320011523977.08.1892.21mmNmmNKKKKuubdFZZZHHVAtEHH计算安全系数：HXWLVRNTHHZZZZSlim式中，寿命系数：先计算应力循环次数：9228111023.3100001539060601091.810000114856060ktnNktnN根据算得的N1、N2值，查得接触强度的计算寿命系数为:92.01NTZ、88.02NTZ。（如下图）润滑油膜影响系数LVRZ：按照smv/8.85、硬齿面、5级精度，查得：98.0LVRZ。（如下图）10工作硬化系数14.117001302.1HBSZW。接触强度计算的尺寸系数XZ：查图得：97.0XZ。（如下图）将以上数值代入安全系数的计算公式得：1.55456.73697.014.198.088.012001.59756.73697.014.198.092.0118011lim211lim1HXWLVRNTHHHXWLVRNTHHZZZZSZZZZS查表，选较高可靠度，取3.1minHS11minHHSS，故安全。（5）校核齿根弯曲疲劳强度齿根弯曲疲劳强度的计算应力为：YYKKKKbmFFSFFVAntF---------------③式中，为了安全考虑，弯曲强度计算的载荷分布系数：13.1HFKK，载荷分配系数1HFKK。复合齿形系数YFS：根据20n、1/mhnap、1.25/mhnfp、86.851zv1、54.51zv2等条件，查得YFS1=3.95、YFS2=3.98。弯曲强度计算的重合度与螺旋角系数Y：按45.1v、=30º24’42’’、查得575.0Y。（如下图）将以上数值代入式③得：122212122211/362/95.398.3359/359/575.095.3113.1544.125.18200115239mmNmmNYYmmNmmNYYKKKKbmFFSFSFFFSFFVAntF计算安全系数:FXRrelTrelTNTFEFYYYYS上式中：寿命系数NTY：分别根据811091.8N、921023.3N查得：93.01NTY、94.02NTY。（如下图）相对齿根圆角敏感系数relTY：因为1sq和2sq都大于1.5，查表得出：1RrelTrelTYY。（如下表）13尺寸系数XY查表得：97.0XY（如下图）将以上数据代入安全系数的计算公式得：1.7536297.01193.07001111FXRrelTrelTNTFEFYYYYS1.8136297.01194.07202222FXRrelTrelTNTFEFYYYYS查表，选高可靠度，取6.1minFSminFFSS，故安全。（6）主要几何尺寸14mmmmmbddammmmhdmmmmhdmmmmzmzmmmmmzmzmmmmmzzmmmnmaaaantntntn200825705118.306882.11032121118.32282118.3062d882.111982882.11032d118.306338624.08cosd882.11031198624.08cosd9.276mm8624.08cos''42'243033119821211122211121取mmbb20021（7）齿轮的结构和零件工作图（附页）前面我们已经得到了齿轮的基本参数，包括：齿数、模数、螺旋角、齿宽等，下面开启Pro/E我们开始真正的三维设计吧。Pro/E模型设计过程对于渐开线圆柱齿轮的建模方法，网上有很多教程，详细的过程我这里不再赘述。这里只给出大小齿轮的“关系”和“参数”，以供大家参考。三维网技术论坛#b$hZ%n#X.M15/16感兴趣的朋友可以把我的模型自己打开改改参数，定制自己的齿轮。充分理解各参数的意义。模型文件（包括后面讲到的动画分析文件和生成的传动动画）下载：Pro/E运动仿真和动画前面我们对齿轮的参数进行了设计确认，并成功建立了齿轮的模型装配，下面我们利用前面的模型，进入Pro/E的“机构”模块，进行运动模拟，并输出mpeg格式的一段动画。1.定义“齿轮副连接”。点击如下左图所示的按钮，进行齿轮副的定义。分别指定“齿轮1”和“齿轮2”到大小两个齿轮，并给定两个齿轮得分度圆直径。如图：172.定义伺服电动机（其实就是动力源）。点击如下左图所示图标。由于是增速齿轮，所以大齿轮是主动轮，把伺服电机指定给它的“旋转轴”，并如下图所示定义各项参数。183.接下来必须要做的就是定义“分析”。点击如下左图所示图标。“分析”是后面“回放”和“捕获动画”的基础。在“分析”中制定“电动机”为前一步所定义的电动机，制定分析的起止时间如图：点击“运行”，Pro/E会对这一运动设置进行分析，你会看到齿轮副在运动，分析完点击“确定”退出。这一部看上去什么也没有做，其实内存中已经形成了一个分析的结果集，而这个结果集在随后的