基于Solidworks的减速器设计及仿真毕业设计论文

毕业设计论文

基于Solidworks的减速器设计及仿真

摘要

本论文是对减速器的结构进行分析并对其进行设计，通过对减速器的设计获得如轴承、齿轮、轴等零件的各种数据，再利用Solidworks软件对这些数据进行三维造型，最后再利用Solidworks软件进行装配及仿真。可见计算机辅助技术在机械行业中的应用日渐广泛。对于复杂零件的设计与加工以及仿真起到了重要作用。通过计算机辅助技术的帮助可以有效的提高工作效率。

关键词：减速器；Solidworks软件；装配及仿真

Based on the reducer Solidworks design and simulation

Abstract

This paper is reducer analysis of the structure and its design, through access to the design of reducer such as bearings, gears, shaft and other parts of the data and then use these data to Solidworks software for 3D modeling, and then use Solidworks assembly and simulation software. This shows that computer-assisted technology in the machinery industry of increasingly widespread. For complex parts of the design and processing and simulation has played an important role. Through the help of computer-assisted technology can effectively improve their work efficiency.

Key words: Reducer；Solidworks software；Assembly andSimulation

目录

1 绪论 (1)

1.1仿真技术的发展趋势 (1)

2 一级圆柱齿轮减速器的设计 (2)

2.1 设计参数 (2)

2.2 传动方案 (2)

2.3 选择电机 (3)

2.3.1 电动机的类型 (3)

2.3.2 电动机的型号 (3)

2.4 传动比分配 (4)

2.5 传动装置的运动和动力参数 (4)

2.5.1 电动机轴的运动和动力参数 (4)

2.5.2 齿轮的高速轴的运动和动力参数 (5)

2.5.3 齿轮的低速轴的运动和动力参数 (5)

2.5.4 工作轴的运动和动力参数 (6)

2.6 齿轮设计 (6)

2.6.1 设计准则 (6)

2.6.2 齿轮的设计参数 (7)

2.6.3 齿轮的选材 (7)

2.6.4 按齿面接触强度设计计算小齿轮直径 (7)

2.6.5 确定齿轮的主要参数和计算几何尺寸 (9)

2.6.6 校核齿轮传动的弯曲疲劳强度 (11)

2.6.7 计算齿轮的圆周速度，并确定齿轮精度 (11)

2.7 轴的设计 (12)

2.7.1 轴的材料及其选择 (12)

2.7.2 初算轴径 (13)

2.7.3 轴的结构设计 (13)

2.7.4 轴的受力计算 (16)

2.8 轴承的选择 (16)

2.8.1 轴承的初选 (16)

2.8.2 轴承的额定载荷的计算 (17)

2.9 键的选择 (19)

3.0 减速器的上下箱体的设计 (21)

3.0.1 减速器的箱体结构以及其作用 (21)

3.0.2 减速器箱体的主要结构尺寸 (21)

3.0.3 减速器箱体上的附件结构和作用 (22)

3 关于对Solidworks的介绍 (23)

4 关于Solidworks对减速器各个零件的三维造型 (25)

4.1 齿轮的三维造型 (25)

4.2 齿轮轴的三维造型 (26)

4.3 低速轴的三维造型 (29)

4.4 上箱体的三维造型 (31)

4.5 下箱体的三维造型 (36)

5 利用Solidworks对减速器进行装配仿真 (41)

结论 (46)

致谢 (47)

参考文献 (48)

1 绪论

随着科技技术的飞速发展，CAD/CAM（计算机辅助设计/计算机辅助制）技术在数控加工、模具制造等制造领域中的广泛普及应用，社会迫切需要一大批既懂得CAD/CAM设计，又熟悉CAM加工的专业人才。而Solidworks软件是在CAD/CAM的基础上发展而来的，它具有更为强大的功能。Solidworks软件广泛应用于电子、机械、模具、工业设计、汽车、机车、自行车、航天、家电和玩具等各行业。Solidworks软件可谓是个全方位的3D产品开发软件，集成了零件设计、产品装配、模具开发、NC加工、钣金设计、铸造件设计、造型设计、自动测量、机构仿真、应力分析、和产品数据管理等功能。

而制造企业的市场竞争十分激烈，要在市场中站有一席之地就必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本,制造出合乎市场需要和性能合适的产品。而产品质量的优劣可以通过Solidworks软件对产品进行测量和应力分析,从而使产品质量和性能得到保证。通过Solidworks软件对产品进行设计及仿真可以缩短产品的制造周期。从而最大程度上提高了企业的生产效率。所以Solidworks软件在制造业中有着重要的地位。

1.1仿真技术的发展趋势

随着计算技术在软硬件方面的发展，大型工程软件系统开始有减少模型的简化、减少模型解藕的趋势，力争从模型和算法上保证仿真的准确性。更强更优化的算法，配合专业的库，将提供大型工程对象的系统整体仿真的可能性。在高性能计算方面，将支持包括并进行处理、网格计算技术和高速计算系统等技术。

仿真作为总体优化的系统级设计分析工具，必要条件之一是跨专业多学科协同仿真。

要求仿真工具能够提供建模、运算、数据处理（包括二次开发后的集成和封装）、数据传递等全部仿真工作流程要求的功能，并且通过数据流集成在更大的PDM/PLM平台上。同时，在时间尺度上支持全面开发流程的仿真要求，在空间尺度上支持不同开发团队甚至是交叉型组织架构间的协同工作以及数据的管理。

整合化：将出现主流的标准工具。其特征是功能涵盖了现代工业领域的主要系统仿真需求，并与其他主流软件工具通过接口或后台关系数据库级别的数据交

互，有协同工作的能力；软件自身的技术进展迅速，具有强大的发展后劲。

专业化：随着市场需求的细分，走专业化道路，将出现极专业的工具。这些工具将在某些具体的专业领域提供深入研究的特殊支持，如开发特殊的库或模型，专注于具有鲜明行业特征的技术，满足特殊的行业标准。

因具有智能化的求解器及模型管理。不断改进GUI，让软件使用者直接体验到数值计算专家开发的后台工具提供的强大功能，同时减少软件学习和使用的困难。提供易学易用的强大工具。

提供源代码级的二次开发支持，开放的架构满足不同用户的专业开发要求。在强大的工具平台上，根据自身的需要，进行二次开发。这已经是目前许多研发单位开发专有技术的标准方式。今后的系统仿真工具必须支持用户在进行二次开发的时候，从源代码级别开始的创新和工程化定制，并能够通过封装集成到原有平台中去。这种技术将成为用户在实现知识和技术组织内共享和传承的同时，保护自身知识产权的必然选择。

2 一级圆柱齿轮减速器的设计

2.1 设计参数

⑴运输带工作拉力：KN

=

F3

ν

⑵运输带工作速度：s

6.1

m/

=

⑶滚筒直径：mm

=

D400

⑷工作寿命：10年，2班制，大修期3年，所以，300

=

H

?

8

?

10

2?

⑸工作条件：载荷平稳，空载启动，室内工作，有粉尘；。

2.2 传动方案

展开式一级圆柱齿轮减速器。

图2-1 减速器的传动方案图 2.3 选择电机 2.3.1 电动机的类型

Y 系列一般用途的全封闭自扇冷鼠笼型三相异步电动机； 2.3.2 电动机的型号

工作机所需输入功率：1000ν

F W =

P ； 电机所需功率：η

W d P ≥P 由电动机至工作机的传动装置总效率η为：

543

321ηηηηηη????=

查机械设计手册——机械传动和摩擦副的效率概略值得：

V 带的传动的效率96.01=η； 圆柱齿轮传动的效率985.02=η； 滚动轴承的效率99.03=η； 联轴器的效率97.04=η； 平带传动的效率98.05=η；

所以电动机至工作机的传动装置总效率872.0543

321=????=ηηηηηη；则

W F W K ?==

P 8.410006.130001000ν； W W d K =P ≥P 50.5872

.08

.4η

查JB 30474—82：Y 系列（IP44）电动机的技术数据 选用电机型号为：Y132S-4

电机同步转速n 选：1500/min r ；

电机参数：额定功率：W K =P 5.5 满载转速：min /1440r n m = 查JB 30474—82：机座带底脚、端盖无凸缘电动机的安装及外形尺寸

则根据参数选用电机轴直径：mm D d 018.0002.038++=

2.4 传动比分配

传动装置总传动比w

m

n n i =

其中：min /43.76100060r D

n w =??=πν

所以84.1843

.761440===

w m n n i 分配传动装置的各级传动比：齿△i i i ?=

其中：i △为高速级传动比；i 齿为低速级传动比，且，()i i 5.1~3.1=△； 则取齿△i i 4.1=，则有：76.3=齿i 14.5=△i 2.5 传动装置的运动和动力参数 2.5.1 电动机轴的运动和动力参数

电动机功率的选择直接影响到电动机的工作性能合经济性能的好坏。如果所选的电动机的功率小于工作要求，则不能保证作机正常工作，使电动机经常过载而损坏；如果所选电动机的功率过大，则电动机经常不能满载运行，功率因数和效率较低，从而增加电能消耗、造成浪费。因此在设计中一定要选择合适的电动机功率。

在设计的题目中，电动机一般为长期连续运载、载荷不变或很少变化的机械，

确定电动机功率的原则是电动机的额定功率P 稍大于电动机工作功率d P ，即

d P ≥P ，这样电动机在工作时就不会过热。一般情况下可以不校验电动机的启动转矩和发热。

则：工作机所需的电动机输出功率为W W

d K =

P =P 50.5872

.08

.4η

；

满载转速：min /1440r n m = 电动轴的转矩：m N n m

d

m .48.369550=P ?

=T 2.5.2 齿轮的高速轴的运动和动力参数

KW 23.599.096.05.531=??=??P =P ηη高

查机械设计手册——机械传动和摩擦副的效率概略值得：

V 带的传动的效率96.01=η；滚动轴承的效率99.03=η 所以通过计算得：高速轴的转速min /16.28014

.51440r i n n m ===

△高 高速轴的转矩m N n .28.17816

.28023

.595509550=?

=P ?

=T 高

高高

2.5.3 齿轮的低速轴的运动和动力参数

KW 10.599.0985.096.05.522

321=???=???P =P ηηη低

查机械设计手册——机械传动和摩擦副的效率概略值得：

V 带的传动的效率96.01=η； 圆柱齿轮传动的效率985.02=η； 滚动轴承的效率99.03=η； 所以通过计算得：低速轴的转速min /43.7684

.181440

r i i nm n ==?=

齿△低

低速轴的转矩m N n .25.63743

.7610

.595509550=?

=P ?

=T 低

低低 2.5.4 工作轴的运动和动力参数

根据运输带工作数据计算工作轴的功率：W F W K ?==

P 8.41000

6

.130001000ν 查JB 30474—82：Y 系列（IP44）电动机的技术数据 选用额定功率为KW W 5.5=P 的Y132S-4电动机 工作轴的转速min /43.76100060r D

n w =??=πν

；

工作轴的转矩m N n P T W W

W .76.59943

.768.495509550?=?=

综合将以上所计算的各个轴的运动的动力参数列表如下：

表2-1 各轴的数据参数

2.6 齿轮设计 2.6.1 设计准则

齿轮的失效形式很多，但对于某个情况而言，它们不可能同时发生。因此，可以针对其主要失效形式确定相应的设计准则。

⑴ 闭式齿轮转动

软齿面（硬度≤350HBS ）。齿轮的主要失效形式是齿面点蚀，故应先按齿面接触疲劳强度进行齿轮几何参数设计，然后按齿根弯曲疲劳强度进行校核。

硬齿面（硬度＞350HBS ）。齿轮的主要失效形式是齿根的弯曲疲劳折断，故应先按齿根弯曲疲劳强度进行齿轮几何参数设计，然后按齿面接触疲劳强度进行校核。

⑵ 开式齿轮传动

齿轮的主要失效形式是齿面磨粒磨损和齿根的弯曲疲劳折断。对齿面磨损目前尚无成熟的计算方法，故通常按齿根弯曲疲劳强度进行齿轮几何参数设计，并将计算结果增大10%~20%，以补偿磨损量。 2.6.2 齿轮的设计参数

根据表2-1得到下列已知参数：

高速轴的功率KW 23.599.096.05.531=??=??P =P ηη高 高速轴的转速min /16.28014

.51440

r i n n m ===

△高 高速轴的转矩m N n .28.17816

.28023

.595509550=?

=P ?

=T 高

高高

高速轴的传动比14.5=高i 2.6.3 齿轮的选材

材料的基本要求是：应使齿轮的齿面具有较高的抗磨损、抗腐蚀、抗胶合及抗塑性变形的能力，而齿根应具有足够的抗断裂的能力。应具有良好的加工和热处理工艺性。

齿轮选材：45，调质处理表面淬火，硬度40~50HBS ； 2.6.4 按齿面接触强度设计计算小齿轮直径

[]

312

1)

1()671

(

μ

ψμσd H KT d ±=

确定公式内的各项参数值：

表2-2 载荷系数K

通过查表2-2得：载荷系数K=1.2；

表2.-3 齿宽系数ψd

通过查表2-3得：齿宽系数1=d ψ；齿数比14.5==高i μ； 已知高速轴的转矩m N

n .28.17816

.28023

.595509550=?

=P ?=T 高

高高

查机械设计手册—齿轮材料的ζFlim 值得：a F MP =5501

lim σ； a F MP =3801lim σ

表2-4 最小安全系数S

查表2-4得：最小安全系数1min =F S 最小安全系数1=n S Hm i 查机械设计手册——齿轮材料的ζ

Hlim 值得：

a H MP =7001lim σ a H MP =5402lim σ

由式[]min

lim

F F F S σσ=

得： []a F MP =5501σ， []a F MP =3802σ

[]a H MP =7001σ []a H MP =5402σ

选用较小的齿轮材料的[]H σ值，则[]a H MP =5402σ，所以按接触疲劳强度

条件计算小齿轮的直径

[]

m m

KT d d H 35.73)

1()671

(

312

1=±=μ

ψμσ

2.6.5 确定齿轮的主要参数和计算几何尺寸 （1）确定齿轮齿数

齿轮不根切的最小齿数为17，如果允许少量根切，齿数可以减少到14。但是，如果提高齿轮传动的重合度，使传动平稳，应适当增加齿轮齿数。因此，一般在满足弯曲强度条件的前提下，齿数适当多些，模数取小些。对于闭式硬齿面齿轮传动或开式传动，齿数通常取30~171=Z ；对于闭式软齿面齿轮传动，通常取40~241=Z 。齿轮齿数的选取应满足强度计算要求。一对啮合传动齿轮的齿数Z 1和Z 2最好互为质数，以防止轮齿的磨损集中在几个轮齿上。

所以取小齿轮的齿数251=Z ，则大齿轮5.12814.52512=?=?Z =Z 高i ；则取5.1282=Z 。

传动比误差：%39.014

.514.512.5=-=

'-=

i

i i i △

%3%39.0 =i △,齿轮合格。i 为理论传动比，i '为实际传动比（1

2

Z Z =

'i ） （2）确定齿轮模数

mm d m 934.225

35.7311=Z =

表2-5 渐开线齿轮的模数（GB 1357-87）

查表2-5得：渐开线齿轮的模数3=m （3）计算齿轮传动中心距 中心距：()()mm m 5.2292

128253221+=Z +Z =

α。

（4）计算齿轮的分度圆直径参数

小齿轮的分度圆直径mm m d 7525311=?=Z ?=分； 大齿轮的分度圆直径mm m d 384128322=?=Z ?=分； （5）计算齿轮的齿宽参数

小齿轮的齿宽mm d b d 7517511=?=?=ψ分； 大齿轮的齿宽mm b 802=

（6）计算齿轮的齿根圆以及齿顶圆直径参数

小齿轮的齿根圆直径mm z m d 5.67)5.225(3)5.2(=-=-=根 小齿轮的齿顶圆直径mm z m d 81)225(3)2(=+=+=顶 大齿轮的齿根圆直径mm z m d g 5.376)5.2128(3)5.2(=-=-= 大齿轮的齿顶圆直径mm z m d d 390)2128(3)2(=+=+= （7）其他几何参数从略，根据装配图确定其几何参数。

2.6.6 校核齿轮传动的弯曲疲劳强度

查机械设计手册——外齿轮的复合齿形系数

则标准齿轮（x=0）复合齿形系数2.41=FS Y 9.32=FS Y 验算齿根弯曲疲劳强度：

[]a a m

b d Y KT F FS F MP =

55049.10621111

11σσ分

[]a a Y Y F FS FS F F MP =

.496

.349.1062121

2σσσ 经验算，齿根弯曲疲劳强度满足要求，故合格。 2.6.7 计算齿轮的圆周速度，并确定齿轮精度

通过计算圆周速度s m v /536.12=，所以根据圆周速度确定齿轮的精度。

表2-6 常用精度等级的齿轮加工方法及其应用范围

查表2-6得：齿轮传动为8级精度

2.7 轴的设计

2.7.1 轴的材料及其选择

轴的主要失效形式为疲劳断裂，轴的材料应具有较好的强度、韧性和耐磨性。轴的材料主要碳钢和合金钢。由于碳钢比合金钢廉价，对应力集中的敏感性较低，同时也可以通过热处理提高其耐磨性和抗疲劳强度，故制造时广泛采用碳钢，其中最常用的是45钢。轻载或不重要的轴，可用Q235、Q275 等普通碳素钢。合金钢比碳钢具有更高的力学性能和更好的淬火性能。因此，在传递大动力，并要求减小尺寸与质量，提高轴颈的耐磨性，常采用合金钢。如滑动轴承的高速轴，常用20Cr、20CrMnTi等合金渗碳钢。

一般情况下，选择钢的种类和决定钢的热处理方法时，主要根据强度，而不是轴的弯曲或扭转刚度。但也应当注意，在既定条件下，有时也可以选择强度较低的钢材，而采用适当增大轴横截面面积的办法来提高轴的刚度。

2.7.2 初算轴径

3

n

P

A d =（轴的材料均用45号钢，调质处理） 高速轴的最小轴径：mm d 71.2916

.28023

.51123

min =?≥高，

轴外伸端安装联轴器，考虑补偿轴的可能位移，选用弹性柱销联轴器。由n 和转矩m N C .176.21393448.1782782.1=?=KT =T 查GB5014—1985选用HL3弹性柱销联轴器，轴孔采用Y 型；若高速轴的标准孔径选择mm d 35min =；（外伸轴，联轴器轴孔长度L =82），根据联轴器参数选择 mm d 35min =；

低速轴的最小轴径：mm d 43.45.

43.7610

.51123min =≥低 查GB5014-1985：弹性柱销联轴器

选用HL4弹性柱销联轴器，轴孔选用Y 型轴孔。低速轴的标准孔径mm d 48min =；（外伸轴，联轴器轴孔长度L=112），根据联轴器参数可以选择轴孔直径mm d 55min =低。 2.7.3 轴的结构设计

⑴ 轴上零件的定位，固定和装配

一级展开式圆柱齿轮减速器中可将齿轮安排在箱体两侧，齿轮由轴肩定位，套筒轴向固定，联接以平键作过渡配合固定，两轴承分别以轴肩定位，轴承两端分别用端盖密封与固定。采用过渡配合固定。

⑵ 确定高速轴各段直径和长度 高速轴的草图：

在确定轴的直径时，应注意当截面上开有键槽时，应增大轴径以考虑键槽对

轴的强度的削弱。对于直径mm d 100>的轴，有一个键槽时，轴径增大3%；有两个键槽时，应增大7%。对于直径mm d 100≤的轴，有一个键槽时，轴径增大5%~7%；有两个键槽时，应增大10%~15%。然后将轴径圆整为标准直径，并与相配合零件（如联轴器、带轮等）的孔径相吻合，作为转轴的最小直径。再根据定位轴肩和非定位轴肩的高度h 确定各轴直径。

这个为高速轴，有一个键槽，且直径mm d 100≤的轴，所以轴径按照5%~7%逐渐增大。所以高速轴的各个轴段按照6%逐渐增大直径；

L 2轴段是轴端，也是高速轴的最小轴径。根据上述对高速轴的轴径初算

mm d 35min =；因此从最小轴段L 2开始依次确定各个轴段的直径，所以轴段L 2的直径mm d 352=；又因为L 2是用于联轴器的连接，其长度要根据联轴器的轴孔来确定L 2，其中轴孔长度mm L 82=；因为联轴器选用HL3,轴孔为Y 型的联轴器，故取mm L 702=。

L3段将安装密封毡圈，()mm d 1.37%61353=+?=，查JB/ZQ 4606—86：毡圈油封及槽。再按照标准件选择毡圈的直径mm d 39=，则此轴段的直径

mm d 403=。

L4段安装轴承，()mm d 4.42%61404=+?= m ，查GB/T 276—94：深沟球轴承。初选用6209型滚动球轴承，按照国标选择标准件轴承，则根据轴承的基本直径mm d 45=，所以确定此轴段的直径mm d 454=。

L5

为齿轮部分，分度圆直径mm d 751=分，齿根高

mm m h f 75.3325.125.1=?=?=，所以齿根圆直径为mm d f 5.67=；齿顶圆直径为mm d a 81=。齿长mm L 100=。所以mm L 1265=。

L6段安装轴承，所以和L4段的直径是相同的，则有mm d d 4564==。 其余长度尺寸根据装配图来确定其数据。 ⑶确定低速轴的各段直径和长度 低速轴的草图：

这个为低速轴，有两个键槽，且直径mm d 100≤的轴，轴径增大10%~15%。轴径增大取12%。

L1段为最小轴段，根据上述对低速轴的轴径初算mm d 55min =。为了增加轴的刚度，再根据此段用于联轴器的联结。所以查GB5014—1985选用HL4弹性柱销联轴器，轴孔采用Y 型；故此段的轴径取mm d 551=；所以从轴段mm d 551=开始确定各个轴段的直径，此段用于联轴器的联结。

L2段比L1段的直径有所增加，所以()mm d 5.60%101552=+?=，此段用于安装密封毡圈，查JB/ZQ 4606—86：毡圈油封及槽。再按照标准件选择毡圈的直径mm d 58=，则此段的轴径mm d 602=。

L3用于安装轴承，()mm d 66%101603=+?=，查GB/T 276—94：深沟球轴承。 初选用6213型滚动球轴承，按照国标选择标准件轴承，则轴承的基本直径

mm d 65=，所以此段的轴径mm d 654=。

L4是轴环，用于固定、定位的作用。通过查GB/T 276—94：深沟球轴承。

选用6213型滚动球轴承，根据轴承的安装尺寸mm d a 72=，所以轴环的直径为

mm d 724=。

L5用于安装齿轮，直径d 5大于L6段的直径且小于L4轴环的直径，所以L5段的直径mm d mm 72655<<，为了保证齿轮更好的固定和定位，故此段的轴径取mm d 685=。而大齿轮的宽度mm b 802=，为了保证齿轮的固定L5必须小于80mm ，所以此段的轴径取mm L 785=。

L6用于安装轴承，所以和L3段的直径是相同的，则有mm d d 4536==。 其余长度尺寸则根据装配图来确定其数据。 2.7.4 轴的受力计算

高速轴上齿轮的圆周力：N d T F t 13.475475

28

.17822111=?==

分 高速轴上齿轮的径向力：N F F t r 36.173020tan 13.4754tan 11=?=?= α 低速轴上齿轮的圆周力：N d T F t 01.3319384

25

.63722212=?==

分 低速轴上齿轮的径向力：N Ft Ft 02.120820tan 01.3319

tan 22=?=?= α 2.8 轴承的选择 2.8.1 轴承的初选

轴承的初选用为6213型滚动球轴承和6209型滚动球轴承两种。 查GB/T 276—94：深沟球轴承：

6213型滚动球轴承的基本额定动载荷C r 为57kN ，基本额定静载荷C or 为40kN 。

6209型滚动球轴承的基本额定动载荷C r 为31.5 kN ，本额定静载荷C or 为20.5kN 。