应用solidworks和有限元分析进行课程设计

目录

第1章 绪论 1

1.1 Solidworks软件简介 1

1.2 SolidWorks特点 2

1.3 减速器简介 3

第2章

第3章 任务要求 4 基于SolidWorks的减速器虚拟样机的创建 10

3.1 齿轮的建模 10

3.2 轴的建模 14

3.3 减速器的装配 16

第4章 传动件的应力分析 18

4.1 应力分析步骤 18

4.2 轴的应力分析 19

4.3 齿轮的应力分析 27

4.4 键的应力分析 35

第5章 总结 48 致谢 49 参考文献 50

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第1章 绪论

1.1 SolidWorks软件简介

SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于

技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，SolidWorks公司于两年间成为

CAD/CAM产业中获利最高的公司。功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks的三大特点，使得SolidWorks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。

SolidWorks不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。

如果您熟悉微软的Windows系统，那您基本上就可以用SolidWorks来设计了。SolidWorks独有的拖拽功能使您能在比较短的时间内完成大型装配设计。SolidWorks资源管理器是同Windows资源管理器一样的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。使用SolidWorks，您能在比较短的时间内完成更多的工作，能够更快地将高质量的产品投放市场。

在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，设计过程最简便、最方便的莫过于SolidWorks了。就象美国著名咨询公司Daratech所评论的那样：“在基于Windows平台的三维CAD软件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者。”无与伦比的设计功能和易学易用的操作（包括Windows风格的拖/放、点/击、剪切/粘帖），使用SolidWorks，整个产品设计是可百分之百编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。

动感的界面,视觉的享受

SolidWorks提供了一整套完整的动态界面和鼠标拖动控制。“全动感的”的用户界面减少设计步骤，减少了多余的对话框，从而避免了界面的零乱。崭新的属性管理员用来高效地管理整个设计过程和步骤。属性管理员包含所有的设计数据和参数，而且操作方便、界面直观。 用SolidWorks资源管理器可以方便地管理CAD文件。SolidWorks资源管理器是唯一一个同Windows资源管理器类似的CAD文件管理器。 独有的任务板管理器。它将特征库、标准件库、网上三维零部件（行业标准件）、PDMWorks以及资源管理器整合在一起，为用户提供方

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便快捷的设计资源。它能让用户高效地进行特征、零部件及文档的查询，并通过拖放操作方便地进行设计的重复利用。SolidWorks提供的AutoCAD模拟器，使得AutoCAD用户可以保持原有的作图习惯，顺利地从二维设计转向三维实体设计。

产品设计信息的共享和协同设计

SolidWorks提供了技术先进的工具，帮助您跨越交流的障碍。协同设计版本使得用其他CAD软件，甚至根本不用CAD软件的用户进行方便地交流。通过eDrawings方便地共享CAD文件。eDrawings是世界上第一个*e-mail实现的交流工具，能够在产品开发过程中，对三维和二维的数据进行评估。用户无需购买eDrawings，就可以对用户的方案进行评估。直接将产品发布到互联网上。通过3D Instant Website插件，这一技术创新工具，用户可以瞬间创建并发布一个即时网站，用户可以在异地共享三维设计模型。用户可以对三维设计进行浏览、旋转、缩放和漫游。在创建网站时可以选择现成的模板，并让SolidWorks的服务器托管。 SolidWorks还支持局域网多用户环境，一个零件可由多个用户同时打开，并通过对内存读写权限的控制和更改通知机制，真正实现多用户实时协同设计从而最大限度发挥设计的威力。

1.2 SolidWorks特点

（1）基于特征及参数化的造型

Solidworks装配体由零件组成，而零件由特征（例如凸台、螺纹孔、筋板

等）组成。这种特征造型方法，直观地展示人们所熟悉的三维物体，体现设计者的设计意图。

（2）巧妙的接解决了多重关联性

Solidworks创作过程包含三维与二维交替的过程，因此完整的设计文件包

括零件文件、装配文件和二者的工程图文件。Solidworks软件成功的处理了创作过程中存在多重关联性，使得设计过程顺畅、简单及准确。

（3）易学易用

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Solidworks软件易于使用者学习，便于使用者进行设计、制造和交流。

熟悉windows系统的人基本上都可以用solidworks软件进行设计，而且软

件图标的设计简单明了，帮助文件详细，自带教程丰富，有采用核心汉化，易学易懂。其他三维CAD软件通常需要三个月学，而solidworks只需要两个星期。

1.3 减速器简介

减速器，也称减速机，是一种由封闭在刚性壳体内的齿轮传动、蜗杆传动、齿轮-蜗杆传动所组成的独立部件，常用作原动机和工作机之间传动装置，用来降低转速和增大转矩，以满足工作需要，在某些场合也用来增速，称为增速器。主要由传动零件(齿轮或蜗杆)、轴、轴承、箱体及其附件所组成。

减速器的种类繁多，品种形式多样，目前已制定为行（国）标的减速器有

40余种。按传动类型可分为：齿轮减速器，蜗杆减速器、行星减速器；按传动级数可分为：单级减速器、多级减速器；按齿轮形状可分为：圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器、圆锥-圆柱齿轮减速器。

选用减速器时应根据工作机的选用条件，技术参数，动力机的性能，经济性

等因素，比较不同类型、品种减速器的外廓尺寸，传动效率，承载能力，质量，价格等，选择最适合的减速器。

与减速器联接的工作机载荷状态比较复杂，对减速器的影响很大，是减速器

选用及计算的重要因素，减速器的载荷状态即工作机（从动机）的载荷状态，通常分为三类：

①—均匀载荷;

②—中等冲击载荷;

③—强冲击载荷。

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第2章 任务要求

齿轮减速器按齿轮的级数可以分为单级、二级、三级和多级减速器几种；按

轴在空间的相互配合方式可分为立式和卧式两种，按运动简图的特点可以分为展开式、同轴式和分流式减速器等；单级圆柱齿轮减速器的最大传动比一般为8 ~ 10,作此限制主要为避免外轮廓尺寸过大。若要求i＞10时，就应采用二级圆柱齿轮减速器。二级圆柱齿轮减速器应用于i：8 ~ 50及高、低速级的中心距总和为250~ 400mm的情况下。三级圆柱齿轮减速器，用于要求传动比较大的场合。

本课程设计主要学习和研究的内容是：二级渐开线齿轮三维实体模型的结构

设计和动力学、运动学的有限元分析。该机构的原理主要是利用齿轮传动比来实现速度的变化。为了使该机构所体现出来的性能更具有直观性，我们利用

solidworks建立减速器的虚拟样机。本次课程设计的主要研究工作和成果如下：

①—利用solidworks对减速器各部件进行建模并且在此模块下完成装配； ②—利用Solidworks Simulation软件对减速器进行有限元分析，检验其是

否满足应力应变要求。

本次主要研究的二级圆柱直齿轮减速器如图2-1；其主要参数如下：

设计一用于带式运输机上的二级圆柱齿轮减速器，已知：运输带工作拉力

F=3kN；运输带工作速度v=1.3m/s（允许运输带速度误差为±5%）；滚筒直径D=400mm；两班制，连续单向运转，载荷较平稳。环境最高温度35℃；工作年限5年，小批量生产。

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图2-1 二级圆柱齿轮减速器简图

（1）电动机的参数：

按工作要求和工作条件，选用Y系列三相异步电动机，Y系列三相鼠笼式电

动机是按照国际电工委员会（IEC）标准设计的，具有国际互换性的特点。

图2-2 Y型三相异步鼠笼式电动机

其中，Y系列（IP44）电动机为一般用途全封闭自扇冷式笼型三相异步电动

机，具有防止灰尘、铁屑或其他杂物侵入电动机内部之特点，B级绝缘，工作环境温度不超过+40℃，相对湿度不超过95%，海拔高度不超过1000m，额定电压380V，频率50Hz。适用于无特殊要求的机械上，如机床、泵、风机、运输机、搅拌机、农业机械等。

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选定电动机的类型为Y112M-4,参数如下：

额定功率：4kw

满载转速：1440r/min

堵转转矩：2.2

最大转矩：2.3

质量：43kg

（2）传动齿轮的参数：

齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动。具有结

构紧凑、效率高、使用寿命长等特点。齿轮传动是指用主、从动齿轮直接传递运动和动力的装置。在所有的机械传动中，齿轮传动应用最广，可用来传递任意两轴之间的运动。同时，齿轮传动有着传动平稳、传动比精准、工作可靠、效率高、寿命长，使用的效率、速度和尺寸范围大。但是，制造齿轮需要有专门的设备，啮合传动会产生噪声。

本次研究使用直齿轮二级传动.其参数如下表2-1：

表2-1 齿轮参数

高速级：

名称 符号 公式 大齿轮（mm） 小齿轮(mm) 模数 m m 3 3

齿数 z z 72 24

分度圆直径 d d=mz 216 72

齿顶高 ha ha=ha*m 3 3

齿根高 hf hf=（ha*+c*）m 3.75 3.75

齿顶圆直径 da da=d+2ha 222 78

齿根圆直径 df df=d-2hf 210 66

中心距 a a=m（z1+z2）/2 144 144

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低速级：

名称 符号 公式 大齿轮（mm） 小齿轮(mm) 模数 m m 3 3

齿数 z z 93 30

分度圆直径 d d=mz 279 90

齿顶高 ha ha=ha*m 3 3

齿根高 hf hf=（ha*+c*）m 3.75 3.75

齿顶圆直径 da da=d+2ha 285 96

齿根圆直径 df df=d-2hf 273 84

中心距 a a=m（z1+z2）/2 184.5 184.5

（3）轴的参数：

轴是组成机器的一个重要零件。它支撑着其他转动件回转并传递扭矩，同时

它又通过轴 承和机架连接。所有轴上的零件都围绕轴心线作回转运动，形成一个以轴为基准的组合体， 轴系部件。

轴按承受载荷的情况可分为：

1. 转轴 既支承传动件又传递动力，承受弯矩和扭矩两种作用。我们实

测的减速器中 的轴就属于这种轴。

2. 心轴 只起支承旋转机件的作用而不传递动力，即只承受弯矩作用。

3. 传动轴 主要传递动力，即主要承受扭矩作用。

轴按结构形状可分为：光轴、阶梯轴、实心轴、空心轴等。

最常见的是阶梯轴，它的强度接近等强度，加工也不复杂，同时轴上的零件

能可靠地固 定，并且拆卸方便。

本次设计使用的轴如下图所示:

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图2-1 输入轴的主要参数

图2-2 传动轴的主要参数

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图2-3 输出轴的主要参数

表2-2 各轴的主要参数

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第3章 基于SolidWorks的减速器虚拟样机的创建

3.1 齿轮的建模

在solidworks软件环境下，很多零部件可以通过修改零部件的各种参数得

到，用户只需要输入或修改一些基本参数，软件就可以自动生成某种类型的的三维模型，大大提高了建模的速率和效率，同时也便于修改和删除。

GearTrax就是solidworks中的一种绘制齿轮的这种插件，用户可使很方便

的建立齿轮的模型。只需要输入齿轮的齿数、模数、压力角、以及齿宽，软件便会通过草绘、拉伸、阵列等操作完成整个齿轮。绘制过程中，相关的圆角半径、参考线长度、参考平面等都与齿数、模数等相关联，能够自动得出。

下面的图3-1、图3-2、图3-3所示是在GearTrax环境下建立的高低速级齿轮的相关参数设置：

图3-1 高速级小齿轮的参数设置

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图3-2 高速级小齿轮的模型

图3-3 高速级大齿轮的参数设置

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图3-4 高速级大齿轮的模型

图3-5 低速级小齿轮的参数设置

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图3-6 低速级小齿轮的模型

图3-7 低速级大齿轮的参数设置

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图3-8 低速级大齿轮的模型

3.2 轴的建模

在solidworks软件中通过绘制草图、拉伸、拉伸切除等操作建立各轴的模型如下:

图3-8 输入轴的模型

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图3-9 传动轴的模型

图3-10 输出轴的模型

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3.3 齿轮啮合的模型

图3-11 齿轮啮合

3.4 减速器的装配图

在solidworks软件环境下建立轴、齿轮、轴承、螺栓等零件，箱体及其他零件的模型。在solidworks的装配功能下，通过虚拟装配，定义各个零件的同轴，重合等位置约束关系，从而得到减速器装配模型。

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图3-12 减速器装配图

图3-13 减速器爆炸视图

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第4章 传动件的应力分析

Solidworks Simulation是针对SolidWorks有史以来最好的原创设计验证

解决方案！使用相同的SolidWorks界面， Solidworks Simulation针对工程师与设计人员，提供了简学易用且功能强大的设计验证与最佳化工具。Solidworks Simulation完全嵌入在 SolidWorks 界面中，并且使用FeatureManager；和许多相同的鼠标和键盘命令，因此任何能够在 SolidWorks 中设计零件的人都可以对其进行分析，而无需学习如何使用新的界面。Solidworks Simulation 包含最常用的设计验证工具，提供了对零件和装配体的应力、应变和位移分析的功能，而且价格非常适中。Solidworks Simulation 提供了一系列功能强大的工具，可帮助那些熟悉分析概念的工程师对零件和装配体进行虚拟测试和分析。 对于需要更多特定分析功能的工程师来说，他们可以使用 Solidworks Simulation 对几乎任何零部件或装配体在任何载荷条件下的物理特性进行预测。

Solidworks Simulation 内所包含的分析功能外，它还提供了跌落测试、优

化分析、热传导分析、热应力分析、振动分析、疲劳分析和扭曲分析等功能。 无论用于从机械设计和消费产品到医疗设备的哪个行业，Solidworks Simulation都能够大大提高产品质量，使工程师可以快速找出设计问题，所需时间要比制造原型机短得多。

4.1 应力分析步骤

建立模型后，我们对模型进行适当的简化分析，仅分析传动部分的应力情况。运用Solidworks Simulation有限元分析对输入轴进行应力分析。

Solidworks Simulation能够进行应力分析、频率分析、失稳分析、热分析、非线性分析、间隙接触分析、优化、后动力分析、疲劳分析以及流体动力学计算。