1、 毕业设计说明书 某型号 铣床减速器三维设计 学生姓名： 学号： 学 院： 专 业： 指导教师： 年 月 机械设计制造及其自动化 中北 大学 2013 届毕业 设计说明 书 1 第一章 前言 1.1 选题的依据、发展情况及其意义 减速器 是 在原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和传递 转矩 的作用，在现代机械中应用极为广泛。减速器按用途可分为通用减速器和专用减速器两大类，两者的设计、制造和使用特点各不相同。 20 世纪 70 80 年代，世界上减速器技术有了很大的发展，且与新技术革命的发展紧密结合。其主要类型： 齿轮减速器 ；蜗杆减速器；齿轮 蜗杆减速器；行星齿轮减速器。 减速器设计 过程
2、几乎涉及机械设计各个方面，如几何参数设计、结构设计、标准件选型、强度设计、动力学设计、润滑与密封设计等。如果采用传统的设计方法，则因计算过程相当繁琐，容易出错，而且设计周期长、浪费人力财力。而随着计算机技术、信息技术在机械制造中的广泛应用，改变了制造业的传统观念和生产组织方式。利用计算机辅助手段进行设计，可提高设计质量，缩短设计周期。计算机辅助设计 (Computer Aided Design，简称 CAD)是指工程技术人员以计算机为工具进行设计活动的全过程：包括资料检索、方案构思、分析计算、工程绘图和编制 技术文件等，是随着计算机、外围设备及软件的发展而形成的一门综合性很高的新技术。经过多年
3、发展， CAD 技术的广泛应用己经引起了一场工程设计领域的技术革命，特别是近二十年来，由于计算机硬件性能的不断提高， CAD 技术有了大规模的发展。目前 CAD 技术己经应用于许多领域，如机械、汽车、飞机、船舶、电子、建筑、化工、纺织及服装等。 本设计是以数控龙门铣床伺服系统精密行星减速器为例，基于 SolidWorks 软件完成一台减速器的三维造型和装配，使设计结果的正确性最终得到最直接的体现。采用此方法实现一台减速器，可缩短设计周期， 节约设计成本，提高设计正确性。通过完成本设计，可使我们掌握机械设计的一般程序、方法、设计规律、技术措施，了解现代 CAD设计方法，为以后的学习和 工作积累经
4、验，锻炼解决问题的能力，所以本课题的研究具有重要意义。 1.齿轮减速器的研究现状 齿轮是使用量大面广的传动元件。目前世 界 上齿轮最大传递功率已达 6500kW，最大中北 大学 2013 届毕业 设计说明 书 2 线速度达 210m s(在实验室中达 300m/s)；齿轮最大重量达 200t，最大直径达 m6.25 (组合式 )，最大模数 m达 50mm。我国自行设计的高速齿轮 (增 )减速器 的功率已达44000kW，齿轮圆周速度达 150m s 以上。 由齿轮、轴、轴承及箱体组成的齿轮减速器，用于原动机和工作机或执行机构之间，起匹配转速和传递转矩的作用，在现代机械中应用极为广泛。 20世纪
5、末的 20 多年，世界齿轮技术有了很大的发展。产品发展的总趋势是小型化、高速化、低噪声、高可靠度。技术发展中最引人注目的是硬齿面技术、功率分支技术和模块化设计技术。 硬齿面技术到 20 世纪 80年代时在国外日趋成熟。采用优质合金钢锻件渗碳淬火磨齿的硬齿面齿轮，精度不低于 IS01328 一 1975 的 6级，综合承载能力为 中硬齿面调质齿轮的 4 倍，为软齿而齿轮的 5 一 6倍。一个中等规格的硬齿面齿轮减速器的重量仅为软齿面齿轮减速器的 1/3 左右。 功率分支技术主要指行星及大功率齿轮箱的功率双分及多分支装置，如中心传动的水泥磨主减速器，其核心技术是均载。 模块化设计技术对通用和标准减
6、速器旨在追求高性能和满足用户多样化大覆盖面需求的同时，尽可能减少零部件及毛坯的品种规格，以便于组织生产，使零部件生产形成批量，降低成本，取得规模效益。 其他技术的发展还表现在理论研究 (如强度计算、修形技术、现代设计方法的应用，新齿形、新结构的应用等 )更完善 、更接近实际；普遍采用各种优质合金钢锻件；材料和热处理质量控制水平的提高；结构设计更合理；加工精度普遍提高到 ISO 的 4一 6 级；轴承质量和寿命的提高；润滑油质量的提高；加工装备和检测手段的提高等方面。 这些技术的应用和日趋成熟，使齿轮产品的性能价格比大大提 .高，产品越来越完美。如非常粗略地估计一下，输出 IOONm 转矩的齿轮
7、装置，如果在 1950 年时重 10kg，到 80 年代就可做到仅约 lkg。 20世纪 70年代至 90 年代初，我国的高速齿轮技术经历了测绘仿制、技术引进 (技术攻关 )到独立设计制造 3个阶段。现在我国的设计 制造能力基本上可满足国内生产需要，设计制造的最高参数 :最大功率 44MW,最高线速度 168m/s，最高转速 67000r/min。 中北 大学 2013 届毕业 设计说明 书 3 我国的低速重载齿轮技术，特别是硬齿面齿轮技术也经历了测绘仿制等阶段，从无到有逐步发展起来。除了摸索掌握制造技术外，在 20 世纪 80 年代末至 90 年代初推广硬齿面技术过程中，我们还作了解决 “
8、断轴 ” 、 “ 选用 ” 等一系列有意义的工作。在 20世纪 70-80年代一直认为是国内重载齿轮两大难题的 “ 水泥磨减速器 ” 和 “ 轧钢机械减速器 ” ，可以说已完全解决。 20世纪 80年代至 90 年代初，我国相继制订了一批 减速器标准，如 ZBJ19004 一 88圆柱齿轮减速器、 ZBJ19026 一 90运输机械用减速器和 YB/T050 一 93冶金设备用 YNK 齿轮减速器等几个硬齿面减速器标准，我国有自己知识产权的标准，如 YB/T079 - 95三环减速器。按这些标准生产的许多产品的主要技术指标均可达到或接近国外同类产品的水平，其中 YNK 减速器较完整地吸取了德国
9、 FLENDER 公司同类产品的特点，并结合国情作了许多改进与创新。 （ 1） 渐开线行星齿轮效率的研究 行星齿轮传动的效率作为评价器传动性能优劣的重要指标之一，国内外有 许多学者对此进行了系统的研究。现在，计算行星齿轮传动效率的方法很多，国内外学者提出了许多有关行星齿轮传动效率的计算方法，在设计计算中，较常用的计算方有 3种：啮合功率法、力偏移法、和传动比法（克莱依涅斯法），其中以啮合功率法的用途最为广泛，此方法用来计算普通的 2K2H 和 3K 型行星齿轮的效率十分方便。 （ 2） 渐开线行星齿轮均载分析的研究现状 行星齿轮传动具有结构紧凑、质量小、体积小、承载能力大等优点。这些都是由于在
10、其结构上采用了多个行星轮的传动方式，充分利用了同心轴齿轮之间的空间，使用了多个行星轮来分担载荷， 形成功率流，并合理的采用了内啮合传动，从而使其具备了上述的许多优点。但是，这只是最理想的情况，而在实际应用中，由于加工误差和装配误差的存在，使得在传动过程中各个行星轮上的载荷分配不均匀，造成载荷有集中在一个行星轮上的现象，这样，行星齿轮的优越性就得不到发挥，甚至不如普通的外传动结构。所以，为了更好的发挥行星齿轮的优越性，均载的问题就成了一个十分重要的课题。在结构方面，起初人们只努力地提高齿轮的加工精度，从而使得行星齿轮的制造和装配变得比较困难。后来通过时间采取了对行星齿轮的基本构件径向不加限制的专
11、门措施和其中北 大学 2013 届毕业 设计说明 书 4 它可自动调位的方法，即采用各种机械式地均载机构，以达到各行星轮间的载荷分布均匀的目的。典型的几种均载机构有基本构件浮动的均载机构、杠杆联动均载机构和采用弹性件的均载机构。 2.齿轮减速器的发展趋势 随着我国市场经济的推进， “ 九五 ” 期间，齿轮行业的专业化生产水平有了明显提高，如一汽、二汽等大型企业集团的齿轮变速箱厂、车轿厂，通过企业改组、改制，改为相对独立的专业厂，参与市场竞争；随着军工转民用，农机齿轮企业转加工非农用齿轮产品，调整了企业产品结构；私有企业的堀起，中外合资企业的涌现，齿轮行业的整体结构得到优化 ，行业实力增强，技术
12、进步加快。 近十几年来，计算机技术、信息技术、自动化技术在机械制造中的广泛应用，改变了制造业的传统观念和生产组织方式。一些先进的齿轮生产企业已经采用精益生产、敏捷制造、智能制造等先进技术。形成了高精度、高效率的智能化齿轮生产线和计算机网络化管理。 适应市场要求的新产品开发，关键工艺技术的创新竞争，产品质量竞争以及员工技术素质与创新精神，是 2l世纪企业竞争的焦点。在 2l 世纪成套机械装备中，齿轮仍然是机械传动的基本部件。由于计算机技术与数控技术的发展，使得机械加工精度、加工效率太为提高，从而 推动了机械传动产品多样化，整机配套的模块化、标准化，以及造型设计艺术化，使产品更加精致、美观。 CN
13、C 机床和工艺技术的发展，推动了机械传动结构的飞速发展。在传动系统设计中的电子控制、液压传动，齿轮、带链的混合传动，将成为变速箱设计中优化传动组合的方向。在传动设计中的学科交叉，将成为新型传动产品发展的重要趋势。 工业通用变速箱是指为各行业成套装备及生产线配套的大功率和中小功率变速箱。国内的变速箱将继续淘汰软齿面，向硬齿面 (50 60HRC)、高精度 (4 5级 )、高可靠度软启动、运行监控、运行状态记录、低噪声、 高的功率与体积比和高的功率与重量比的方向发展。中小功率变速箱为适应机电一体化成套装备自动控制、自动调速、多种控制与通讯功能的接口需要，产品的结构与外型在相应改变。矢量变频代替直流
14、伺服驱动，已成为近年中小功率变速箱产品 (如摆轮针轮传动、谐波齿轮传动等 )追求的目标。 中北 大学 2013 届毕业 设计说明 书 5 随着我国航天、航空、机械、电子、能源及核工业等方面的快速发展和工业机器人等在各工业部门的应用，我国在谐波传动技术应用方面已取得显著成绩。同时，随着国家高新技术及信息产业的发展，对谐波传动技术产品的需求将会更加突出。 总之，当今世界各国减速器及 齿轮技术发展总趋势是向六高、二低、二化方面发展。六高即高承载能力、高齿面硬度、高精度、高速度、高可靠性和高传动效率；二低即低噪声、低成本；二化即标准化、多样化。 减速器和齿轮的设计与制造技术的发展，在一定程度上标志着一
15、个国家的工业水平，因此，开拓和发展减速器和齿轮技术在我国有广阔的前景。 1.2 课题 分析及设计内容 本设计基于 Solidworks 便于交互及强大的二维、三维绘图功能 。先确定总体思路、设计总体布局，然后设置零部件，最后完成一个完整的设计。利用 Solidworks 软件实现 零部件的 虚拟 装配、运动学仿真 等功能。 行星齿轮减速器的体积、重量及其承载能力主要取决于传动参数的选择，设计问题一般是在给定传动比和输入转矩的情况下，确定各轮的齿数，模数和齿宽等参数。其中优化设计采用 Solidworks 自带的模块， 模拟真实 环境中 减速器的 装配 情况和 运动 情况。 减速器作为独立的驱动
16、元部件，由于应用范围极广，其产品必须按系列化进行设计，以便于制造和满足不同行业的选用要求。针对其输人功率和传动比的不同组合，可获得相应的减速器系列。在以往的人工设计过程中，在图纸上尽管能实现同一机座不同规格的部分系列表示，但其图形受到极大 限制。采用 Solidworks 工具来实现这一过程，不仅能完善上 述工作， 方便设计操作，而且使系列产品的技术数据库，图形库的建立、查询成为可能，使设计速度加快。 1.3 主要的工作内容 1.设计计算部分：分析行星齿轮机构传动方案；并通过计算分析，确定行星轮系齿轮的齿数、模数和轴、行星架的各项参数，校核齿轮的接触和弯曲强度 。 中北 大学 2013 届毕业
17、 设计说明 书 6 2.三维 建模及运动仿真部分 ：本论文利用三维软件 Solidworks 对行星 齿轮 轮减速器进行三维建模，完成 整机的 虚拟 装配 ； 并 利用 运动 算例对 减速器 进行结构 展示 与 运动仿真 。 3.概念 产品展示部分： 通过 软件自带的 PhotoView360 对 模型进行渲染，形成 真实质感和视觉效果 的 概念产品展示 。 中北 大学 2013 届毕业 设计说明 书 7 第二 章 NGW 型行星 齿 轮减速器方案确定 2.1 齿轮 传动 2.1.1 齿轮传动的特点 齿轮传动与其它传动比较，具有瞬时传动比恒定、工作可靠、寿命长、效率高、可实现平行轴任意两相交轴
18、和交错轴之间的传动，适应的圆周速度和传动功率范围大，但齿轮传动的制造成本高，低精度齿轮传动时噪声和振动较大，不适宜于两轴间距离较大的传动。 齿轮传动是以主动轮的轮齿依次推动从动轮来进行工作的 ，是是现代机械中应用十分广泛的一种传动形式。齿轮传动可按一对齿轮轴线的相对位置来划分，也可以按工作条件的不同来划分。 随着行星传动技术的迅速发展，目前，高速渐开线行星齿轮传动装置所传递的功率已达到 20000kW,输出转矩已达到 4500kN m 。据有关资料介绍，人们认为目前行星齿轮传动技术的发展方向如下。 （ 1） 标准化、多品种 目前世界上已有 50 多个渐开线行星齿轮传动系列设计；而且还演化出多种
19、型式的行星减速器、差速器和行星变速器等多品种的产品。 （ 2） 硬齿面、高精 度 行星传动机构中的齿轮广泛采用渗碳和氮化等化学热处理。齿轮制造精度一般均在 6级以上。显然，采用硬齿面、高精度有利于进一步提高承载能力，使齿轮尺寸变得更小。 （ 3） 高转速、大功率 行星齿轮传动机构在高速传动中，如在高速汽轮中已获得日益广泛的应用，其传动功率也越来越大。 （ 4） 大规格、大转矩 在中低速、重载传动中，传递大转矩的大规格的行星齿轮传动已有了较大的发展。 中北 大学 2013 届毕业 设计说明 书 8 2.1.2 轮系 的 类型 轮系可由各种类型的齿轮副组成。由锥齿轮、螺旋齿轮和蜗杆涡轮组成的轮系，
20、称为空间轮系；而由圆柱齿轮组成的轮系，称为平 面轮系。 根 据齿轮系运转时各齿轮的几何轴线相对位置是否变动， 轮系 可分为以下几类 。 （ 1）定轴轮系 当齿轮系运转时，如果组成该齿轮系的所有齿轮的几何位置都是固定不变的，则称为普通齿轮传动（或称定轴轮系）。在普通齿轮传动中，如果各齿轮副的轴线均相互平行，则称为平行轴齿轮传动；如果齿轮系中含有一个相交轴齿轮副或一个相错轴齿轮副，则称为不平行轴齿轮传动（空间齿轮传动）。 （ 2） 周转 轮系 当齿轮系运转时，如果组成该齿轮系的齿轮中至少有一个齿轮的几何轴线位置不固定，而绕着其他齿轮的几何轴线旋转，即在该齿轮系中，至 少具有 一个作行星运动的齿轮，
21、则称该齿轮传动为行星齿轮传动，即 周转 轮系。 （ 3） 复合轮系 在 工程实际中，除了采用单一的定轴轮系和单一的周转轮系外，还经常采用 既含 定轴轮系部分 又 含周转轮系部分、或者几部分周转轮系所组成的 复杂 轮系，通常 称 这种 轮系 为复合轮系或混合轮系。 2.2 行星机构的类型选择 2.2.1 行星机构的类型及特点 行星齿轮传动与普通齿轮传动相比较，它具有许多独特的优点。行星齿轮传动的主要特点如下： （ 1）体积小，质量小，结构紧凑，承载能力大。一般，行星齿轮传动的外廓尺寸和质量约为普通齿轮传动的 5121 （即在承受相同的载荷条件下）。 （ 2）传动效率高 。 在传动类型选择恰当、结
22、构布置合理的情况下，其效率值可达0.970.99。 中北 大学 2013 届毕业 设计说明 书 9 （ 3）传动比较大 。 可以实现运动的合成与分解。只要适当选择行星齿轮传动的类型及配齿方案，便可以用少数几个齿轮而获得很大的传动比。在仅作为传递运动的行星齿轮传动中，其传动比可达到几千。应该指出，行星齿轮传动在其传动比很大时，仍然可保持结构紧凑、质量小、体积小等许多优点。 （ 4）运动平稳、抗冲击和振动的能力较强。由于采用了数个结构相同的行星轮，均匀地分布于中 心轮的周围，从而可使行星轮与转臂的惯性力相互平衡。同时，也使参与啮合的齿数增多，故行星齿轮传动的运动平稳，抵抗冲击和振动的能力较强，工作
23、较可靠。 最常见的行星齿轮传动机构是 NGW 型行星传动机构。行星齿轮传动的型式可按两种方式划分：按齿轮啮合方式不同分有 NGW、 NW、 NN、 WW、 NGWN 和 N等类型。按基本结构的组成情况不同有 2Z-X、 3Z、 Z-X-V、 Z-X 等类型。 行星齿轮传动最显著的特点是：在传递动力时它可进行功率分流；同时，其输入轴与输出轴具有同轴性，即输入轴与输出轴均设置在同一主轴线上。所以，行星齿轮 传动现已被人们用来代替普通齿轮传动，而作为各种机械传动系统的中的减速器、增速器和变速装置。尤其是对于那些要求体积小、质量小、结构紧凑和传动效率高的航空发动机、起重运输、石油化工和兵器等的齿轮传动装置以及需要变速器的汽车和坦克等车辆的齿轮传动装置，行星齿轮传动已得到了越来越广泛的应用，表 2-1列出了常用行星齿轮传动的型式及特点：
