河南工程学院

本科毕业论文（设 计）

基于SolidWorks二级减速器的设计及其运动仿真

I

基于SolidWorks的二级减速器三维造型设计

摘 要

减速器是一种重要的动力传递装置，但其内部结构复杂，不易准确表达。三维造型设计将减速器的关键部件很清晰地展现出来。本设计以SolidWorks软件为主，并结合AutoCAD、CAXA电子图板等二维绘图软件，设计了一个二级圆柱齿轮减速器，实现了减速器的三维模型，以及由此生成二维工程图的设计思想。通过SolidWorks软件特有的三维设计功能，检查、优化设计方案，实现了减速器的运动仿真，完成了减速器在计算机中的模拟设计。

关键词：减速器，结构设计，三维造型，运动仿真

II

Abstract

Mechanized production, the gear unit is an important power transmission device but its internal structure is complicated, difficult to accurately express. Three-dimensional design of the key components of the reducer is clearly demonstrated. The design SolidWorks software-based design, combined with AutoCAD, CAXA electronic drawing board, and two-dimensional drawing software, designed a two-stage cylindrical gear reducer, reducer three-dimensional model, and thereby generate a two-dimensional engineering drawings thought. SolidWorks software unique three-dimensional design features, check, optimize, design, motion simulation of the reducer, reducer completed in the computer simulation design. .

Key words: reducer, design of structures, three-dimensional modeling, kinematics simulation

III

目 录

1 绪 论 ................................................................. 1

1.1 三维造型软件概述 ................................................. 1

1.1.1 AutoCAD介绍 ................................................ 1

1.1.2 CAD技术的发展方向 .......................................... 1

1.1.3 SolidWorks介绍 ............................................. 1

2 二级直齿圆柱齿轮减速器总体方案设计 ..................................... 1

2.1 确定减速器的工作条件 ............................................. 1

2.2 传动装置的总体设计 ............................................... 2

2.3 选择电机 ......................................................... 2

2.3.1 电机功率Pd计算 ............................................. 2

2.3.2 电机转速和型号确定 ......................................... 3

2.4 分配传动比 ....................................................... 3

2.5 传动装置运动和动力参数的计算 ..................................... 3

2.5.1 计算各轴转速 ............................................... 3

2.5.2计算各轴输入功率 ............................................ 4

2.5.3 计算各轴输入转矩 ........................................... 4

3 V带的设计 .............................................................. 4

4 齿轮的设计 ............................................................. 6

4.1 高速级齿轮的设计 ................................................. 6

4.2 低速级齿轮的设计 ................................................. 8

5 轴的设计 ............................................................... 9

5.1 高速轴的设计 ..................................................... 9

5.1.1 确定各轴段直径和长度 ....................................... 9

5.1.2 校核高速轴和轴承 .......................................... 10

5.1.3 轴承寿命校核 .............................................. 12

5.1.4 键的设计与校核 ............................................ 12

5.2 中间轴的设计 .................................................... 12

5.2.1 确定各轴段直径和长度 ...................................... 12

5.2.2 校核高速轴和轴承 .......................................... 13

5.2.3 轴承寿命校核 .............................................. 15

5.2.4 键的设计与校核 ............................................ 15

5.3 从动轴设计 ...................................................... 15

5.3.1 确定各轴段直径 ............................................ 15

5.3.2 确定各轴段长度 ............................................ 16

5.3.3 校核高速轴和轴承 .......................................... 16

5.3.4 轴承寿命校核 .............................................. 18

5.3.5 键的设计与校核 ............................................ 18

6 选择联轴器 ............................................................ 19

7 减速器箱体结构设计 .................................................... 19

8 确定润滑方式 .......................................................... 22

9 减速器零件的三维建模 .................................................. 22

9.1 齿轮三维模型 .................................................... 22

9.2 轴的三维模型 .................................................... 23

9.3 箱体的三维模型 .................................................. 24

9.4 其他零件三维模型成型 ............................................ 25

9.4.1 轴承的三维模型成型 ........................................ 25

9.4.2 轴承盖、油标、通气塞的三维模型 ............................ 25

10 减速器的运动模拟仿真 ................................................. 26

总 结 .................................................................. 27

致 谢 .................................................................. 28

参 考 文 献 ............................................................. 29 2

1 绪 论

1.1 三维造型软件概述

1.1.1 AutoCAD介绍

AutoCAD是由美国Autodesk公司开发的通用计算机辅助设计软件，是当今设计领域广泛使用的绘图工具之一。随着计算机技术的发展和用户的设计需要，软件性能不断完善，AutoCAD由原来的侧重于二维绘图技术为主，发展到二维绘图、三维绘图，以及三位参数化造型，渲染显示，数据库管理和Internet通信等为一体的通用计算机辅助设计软件包。

1.1.2 CAD技术的发展方向

CAD的概念和内涵是随着计算机、网络、信息、人工智能等技术或理论的进步而不断发展的。CAD技术是以计算机、外围设备及其系统软件为基础，包括二维绘图设计、三维几何造型设计、优化设计、仿真模拟及产品数据管理等内容，逐渐向标准化、智能化、可视化、集成化、网络化方向发展。

1.1.3 SolidWorks 介绍

SolidWorks 是三维机械设计软件市场中的主流软件，是终端工程应用的通用CAD平台。SolidWorks 已经成功地应用于机械设计、机械制造、电子厂品开发。模具设计、汽车工业和产品外观设计等方面。

学习使用SolidWorks造型软件具有很强的行业竞争力。对公司，对个人，对整个社会都将带来巨大的作用。

2 二级直齿圆柱齿轮减速器总体方案设计

2.1 确定减速器的工作条件

二级直齿圆柱齿轮减速器

1）要求：拟定传动关系由电动机、V带、减速器、联轴器、工作机构成。

2）工作条件：双班工作，有轻微振动，小批量生产，单向传动，使用5年，运输带允许误差5%。

3）已知条件：运输带卷筒转速19r/min，减速箱输出轴功率P 4.25马力。 1

2.2 传动装置的总体设计

1）组成：传动装置由电机、减速器、工作机组成。

2）特点：齿轮相对于轴承不对称分布，故沿轴向载荷分布不均匀，要求轴有较大的刚度。

3）确定传动方案：考虑到电机转速高，传动功率大，将V带设置在高速级。动方案如图2-1：

图2-1 传动装置总体设计图

2.3 选择电机

2.3.1 电机功率Pd计算

查《机械设计基础课程设计指导书》第6页表2-3可得：

1－带传动效率：0.96 2－每对轴承传动效率：0.99

3－圆柱齿轮的传动效率：0.96 4－联轴器的传动效率：0.993

5—卷筒的传动效率：0.96

－电机至工作机之间的传动装置的总效率：

42

12 3 4 5

2 其传

Pw P 4 5 Pd

2.3.2 电动机的确定 Pw 3.67KW

2.4 分配传动比

1）总传动比

由于选定的电动机满载转速nm和工作机主动轴转速为n，可得传动装置总传动比为i总＝nm/n＝960/19＝50.53。

2）分配传动装置传动比

i＝i总/i0＝50.53/3.05＝16.56

根据展开式布置，考虑润滑条件，为使两级大齿轮直径相近，查图得高速级传动比为i1＝4.56，则i2＝i/i1＝16.56／4.56=3.56

2.5 传动装置运动和动力参数的计算

2.5.1 计算各轴转速

将传动装置各轴由高速到低速依次定为1轴、2轴、3轴、4轴。 1, 2, 3, 4依次为电机与轴1，轴1与轴2，轴2与轴3，轴3与轴4之间的传动效率。

n1 nm960 314.86r/min i带3.05

nn1960 m 68r/min i1i带 i13 4.63

nmn2960 19.1r/min i2i带 i1 i23 4.63 3.56n2 n3

3

2.5.2计算各轴输入功率

p1 pd 01 3.67 0.96 3.52kW

p2 p1 12 pd 01 12 3.67 0.96 0.99 0.96 3.21kW

p3 p2 23 pd 01 12 23 3.67 0.96 0.99 0.96 0.99 0.96 3.05kW p4 p3 34 pd 01 12 23 34

3.67 0.96 0.99 0.96 0.99 0.96 0.99 0.993 3kW

2.5.3 计算各轴输入转矩

Td 9550pd3.67 9550 36.5N.m nw960

T1 Td i带 01 36.5 3.05 0.96 106.9N.m

T2 T1 i1 12 Td i带 i1 01 12 36.5 3.05 4.63 0.96 0.99 0.96 470.3N.m T3 T2 i2 23 Td i带 i1 i2 01 12 23

36.5 3.05 4.63 3.56 0.96 0.99 0.96 0.99 0.96 1591.5N.m T4 T3 34 Td i0 i1 i2 01 12 23 34

36.5 3.05 4.63 3.56 0.96 0.99 0.96 0.99 0.96 0.99 0.993 1575.6N.m

3 V带的设计

1）确定V带型号

P201表13-6得：KA 1.2 则P查《机械设计基础》c KA Pd 1.2 3.67 4.4kW

P205图13-5，根据Pc=4.4, n0=960r/min,由《机械设计基础》选择A型V带，取d1 125。

d2 n1 d1 1 3.05 125 0.98 373.63查课本《机械设计基础》第206页表n2

13-7取d2 375。 为带传动的滑动率 =0.01～0.02。

4

2）验算带速

V

d1n1

60 1000

125 960

60 1000

6.28m/s 带速在5～25m/s范围内，合适。

3）取V带基准长度Ld和中心距a

初步选取中心距a：a0 1.5 d1 d2 1.5 125 375 750，取a0 750。由课本《机械设计基础》第203页式13-17得：L0 2a0

2

d1 d2

d2 d1

4a0

2

《机 2305.8查课本

械设计基础》第202页表13-8取Ld 2500。由《机械设计基础》第203页式13-18计算实际中心距：a a0 4）验算小带轮包角

由课本《机械设计基础》第203页式13-1得 180 5）求V带根数Z

由课本《机械设计基础》第203页式13-19得：Z

d2 d1

57.3 163 120 。 a

Ld L0

847.1。 2

Pc

，查课本《机

P0 P0K KL械设计基础》第203页表13-8由内插值法得P0 1.38, P0 0.108。

EFAF

BCAC

EF=0.1

P0=1.37+0.1=1.38

图3-1 线性图

EFAF

BCAC

EF=0.08

P0 0.10 0.108

图3-2线性图

查《机械设计基础》第201页表13-6得KL 1.09，查《机械设计基础》第

201

5

页表13-6由内插值法得K 0.959。 1=163.0

EFAF

EF=0.009 BCAC

6Q查课本《机械设计基础》第193页表13-1得m=0.10m/kg·m-1，故由课本第204页式13-20得单根V带的初拉力：

F0

500Pc2.5500 4.42.5

( 1) mv2 ( 1) 0.10 6.282 190.9N zvK 3 6.280.959

作用在轴上压力：

Fc 2ZF0sin

2

2 3 190.9 sin

163

1132.8N。 2

4 齿轮的设计

4.1 高速级齿轮的设计 1）确定材料热处理方式

高速级小齿轮选用45钢调质，齿面硬度为250HBS。高速级大齿轮选用45钢正火，齿面硬度为220HBS。 2）许用弯曲应力的计算

查课本《机械设计基础》第146页表10-5得： Hlim1 550Mpa Hlim2 540Mpa。查课本《机械设计基础》第149页表10-7得：SH 1.1 SF 1.3。

故 H1

Hlim1

SH

550Mpa Hlim2540Mpa

500Mpa H2 490Mpa。查课本1.1SH1.1

《机械设计基础》第151页表10-21C图得： Flim1 200Mpa Flim2 150Mpa故

6

F1

Flim1

SF

200Mpa Flim2150Mpa

154Mpa F2 115Mpa。 1.3SF1.3

3）齿面接触强度设计

9级精度制造，查课本《机械设计基础》第148页表10-6得：载荷系数K 1.2，取齿宽系数 a 0.4 计算中心距：由课本《机械设计基础》第149页式10-14得：

a

u1 1

4.63 1 179.4 考虑高速级大齿轮与低速级大齿轮相差不大取a 210m 2.5则

Z1 Z2

2a139

168取Z1 29Z2 139实际传动比 4.79传动比误差：m29

4.7 94.63

100% 3. 5%5%b aa 0.4 210 84取b2 84b1 90高速级齿齿宽：

4.63

轮：b2 84 Z2 139。

因为da 347.5 500mm采用腹板式齿轮结构，结构尺寸见表4-1：

表4-1 齿轮结构尺寸表

4）验算轮齿弯曲强度

查《机械设计基础》第148页表10-7得：YF1 2.6 YF2 2.2按最小齿宽b2 84计算得：

2KT1YF12 1.2 106.9 2.6 103

F1 43.5Mpa F1

bm2Z184 2.52 29

7

F2

YF2

F1 36.8Mpa F2 所以安全。 YF1

5）齿轮的圆周速度

V

dn

1

1

60 1000

29 2.5 314.8

60 1000

1.19m/s 查课本《机械设计基础》第162页表

11-2知选用9级精度是合适的。

4.2 低速级齿轮的设计 1）确定材料热处理方式

低速级小齿轮选用45钢调质，齿面硬度为250HBS。低速级大齿轮选用45钢正火，齿面硬度为220HBS。 2）许用弯曲应力的计算

查课本《机械设计基础》第146页表10-5得： Hlim3 550Mpa Hlim4 540Mpa。查课本《机械设计基础》第149页表10-7得：SH 1.1 SF 1.3。故：

H3

Hlim3

SH

550Mpa Hlim4540Mpa

500Mpa H4 490Mpa 1.1SH1.1

Flim3 200Mpa Flim4 150Mpa查课本《机械设计基础》第151页表10-21C图得：故： F3

Flim3

SF

200Mpa Flim4150Mpa

154Mpa F4 115Mpa。 1.3SF1.3

3）齿面接触强度设计

采用9级精度制造，查课本《机械设计基础》第148页表10-6得：载荷系数K 1.2，取齿宽系数 0.5 4）计算中心距

由课本《机械设计基础》第149页式10-14得：

a

u2 1

m 4则Z3 Z4

3.56 1 241.3 取a 250 2a

125取Z3 27Z4 98 m

98

3.56计算传动比误差合适。齿宽b a 0.5 250 125 100% 1.9% 5%，3.56

8

则取b4 125 b3 b4 5 10 130低速级齿轮b4 125Z4 98 5）验算轮齿弯曲强度

查课本《机械设计基础》第148页表10-7得：YF3 2.65YF4 2.25按最小齿宽

2KT3YF32 1.2 1591.5 2.65 103

b4 125计算： F3 47.9Mpa F3 22

bmZ3125 4 27

F2

YF4

F3 40.7Mpa F4 ，所以工作是安全的。 YF3

6）齿轮的圆周速度

V

dn

3

2

60 1000

27 4 68

60 1000

0.12m/s查课本《机械设计基础》第162页表11-2

知选用9级的的精度是合适的。

5 轴的设计

5.1 高速轴的设计

5.1.1 确定各轴段直径和长度

该减速器的高速轴选用45号钢调质处理，根据课本《机械设计基础》第289页表18-3可取 35Mpa C=100。根据课本《机械设计基础》第289页式18-2

得：

dmin 又因为高速轴第 22.4又因为装小带轮的电动机轴径d 38，

一段轴径装配大带轮，且d1 0.8 1.2 38所以查《机械设计课程设计手册》第9页表1-16取d1 36。L1=1.75d1-3=60。

d2 40因为大带轮要靠轴肩定位，且还要配合密封圈，所以查《机械设计课程设

计手册》第85页表7-12取d2 40，L2=m+e+l+5=28+9+16+5=58。

d3段装配轴承且d d，所以查《机械设计课程设计手册》第62页表6-1取

3

2

d3 45。选用6204轴承。

L3=B+ 3+2=16+10+2=28；d4段主要是定位轴承，取d4 50。L4根据箱体内壁线确定后在确定；d5装配齿轮段直径判断是否可以做成齿轮轴：

9

e

df d4

2

t1 2.5m查《机械设计课程设计手册》第51页表4-1得 ：

e=5.9＜6.25，d6段装配轴承所以d6 d3 45，L6= L3=28，L1=73，t1 3.3mm得：

L2=211，L3=96所以，高速轴设计结果见图5-1：

图5-1 高速轴

5.1.2 校核高速轴和轴承

作用在齿轮上的圆周力为：

2T12 106.9 103

tg20 1073N作用Ft 2948N径向力为Fr Ftgt 2984

d129 2.5在轴1带轮上的外力F FQ 1132.8N 1）求垂直面的支反力

F1V

l2Fr211

1073 800N F2V Fr F1V 1073 800 273N l1 l273 211

2）求垂直弯矩，并绘制垂直弯矩图

Mav F2vl2 273 211 10 3 57.6N.m

'Mav F1vl1 800 73 10 3 57.4N.m

3）求水平面的支承力

由F1H(l1 l2) Flt2得

F1H

10

l2211

Ft 2948 2197N l1 l273 211