舉例闡述設(shè)計(jì)全流程

1、舉例闡述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)全流程-增速齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)對(duì)于一個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)工程師來(lái)講，僅僅會(huì)使用軟件是完全不夠的，關(guān)鍵是對(duì)設(shè)計(jì)、工藝、加工制造、工程圖表達(dá)、甚至是動(dòng)畫(huà)展示等整個(gè)流程都要有一個(gè)全面地了解。事實(shí)上，如果不懂生產(chǎn)，你的軟件水平也只能停留在入門階段。其實(shí)我一直想做一個(gè)比較全面的教程，苦于找不到一個(gè)比較通用的結(jié)構(gòu)案例，最后決定還是用齒輪來(lái)做。廢話少說(shuō)，下面就開(kāi)始講解。為了方便大家學(xué)習(xí)參考，每一個(gè)步驟下面相應(yīng)的都有設(shè)計(jì)文件的下載。設(shè)計(jì)一個(gè)增速器，采用漸開(kāi)線人字齒硬齒面齒輪對(duì)。低速軸（電機(jī)端）轉(zhuǎn)速1485r/min，高速軸（風(fēng)機(jī)端）轉(zhuǎn)速5390r/min，電機(jī)功率8600kw，要求傳遞功率有15%余量。 （其

2、實(shí)就是在用PROE進(jìn)行設(shè)計(jì)前先確定齒輪的齒數(shù)、模數(shù)、螺旋角等）,（這部分很枯燥，但我還是建議大家能看看，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本功，如果實(shí)在不感興趣，可以直接略過(guò)） （1） 初始設(shè)計(jì)參數(shù) n1=1485 (r/min) n2=5390 (r/min) P=8600 (1+15%) kW = 9890(kW)原動(dòng)機(jī)載荷特性 SF=均勻平穩(wěn)工作機(jī)載荷特性 WF=輕微振動(dòng)預(yù)定壽命 H=10000(小時(shí))（2） 選擇材料大齒輪：40Cr 調(diào)制、表面淬火 HRC 4855小齒輪：35CrMo 調(diào)制、表面淬火 HRC 4555按MQ級(jí)質(zhì)量要求，查得大小齒輪的齒面接觸疲勞極限Hlim、齒根彎曲疲勞極限Flim及基本

3、值FE為：（如下圖） Hlim1= 1180N/mm2 Hlim2=1200 N/mm2 Flim1=360 N/mm2 Flim2=370 N/mm2 FE1=700 N/mm2 FE2=720 N/mm2 （3） 初選主要參數(shù)因?yàn)槭怯昌X面齒輪，所以優(yōu)先考慮齒根彎曲強(qiáng)度。用下面的人字齒輪簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)計(jì)算公式以齒根彎曲強(qiáng)度初步確定模數(shù)：-式中參數(shù)：l 大齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩T1：l 載荷系數(shù)K：考慮到齒輪對(duì)稱軸承分布、傳遞功率較大、原動(dòng)機(jī)為電動(dòng)機(jī)等因素，取K=1.4。l 大齒輪齒數(shù)z1：根據(jù)高速齒輪傳動(dòng)推薦的模數(shù)和齒數(shù)范圍（下表）傳遞功率/kW模數(shù)/mm推薦齒數(shù)3 00026一般z128，透平齒輪z13

4、0。應(yīng)盡量使z1和z2互為質(zhì)數(shù)3 0006 000576 00010 000610初步設(shè)定小齒輪齒數(shù)為z2=33，所以大齒輪齒數(shù)為：取整并考慮到盡量使得z1、z2互為質(zhì)數(shù)，取：z1=119l 初取螺旋角=30，并初步計(jì)算大齒輪的當(dāng)量齒數(shù) l 復(fù)合齒形系數(shù)YFS：根據(jù)、等條件，查得YFS1=3.95。（如下圖）l 齒寬系數(shù)取值：=25l 大齒輪許用彎曲應(yīng)力：設(shè)抗彎強(qiáng)度計(jì)算的最小安全系數(shù)SFmin=1.4，則大齒輪許用彎曲應(yīng)力簡(jiǎn)化計(jì)算值為：將以上參數(shù)代入式得：， ?。褐行木酁椋簣A整為標(biāo)準(zhǔn)中心距：精求螺旋角： 所以：=302442（4） 校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算接觸應(yīng)力：-式中參數(shù)：l 分度圓上的圓

5、周力：l 使用系數(shù)KA：考慮到原動(dòng)機(jī)是電機(jī)（均勻平穩(wěn)），工作機(jī)是風(fēng)機(jī)（輕微震動(dòng)），故而查表得KA=1.25l 齒數(shù)比：l 動(dòng)載系數(shù)：其中 根據(jù)齒輪的圓周速度，參考本增速器的用途，查表選擇齒輪的精度等級(jí)為：5-5-5 GB10095-1988。并因此查得系數(shù)K1=6.7，K2=0.0087。將相關(guān)的參數(shù)值代入動(dòng)載系數(shù)的計(jì)算式得：l 齒向載荷分布系數(shù)查表得：l 徑向載荷分布系數(shù)：按照查表得：（如下表）l 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)ZH：按照=302442， 查圖得到（如下圖）l 根據(jù)大小齒輪的材料，查得材料彈性系數(shù)（如下圖）l 接觸強(qiáng)度計(jì)算的重合度及螺旋角系數(shù)：首先精確計(jì)算當(dāng)量齒數(shù)， 求當(dāng)量齒輪的端面重合度：按

6、照=302442， ，分別查出、，（如下圖）所以：按、=302442查得縱向重合度（如下圖）按、=302442查得（如下圖）將以上個(gè)數(shù)值代入式中：計(jì)算安全系數(shù)： 式中，壽命系數(shù)：先計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：根據(jù)算得的N1、N2值，查得接觸強(qiáng)度的計(jì)算壽命系數(shù)為: 、。（如下圖）潤(rùn)滑油膜影響系數(shù)：按照、硬齒面、5級(jí)精度，查得：。（如下圖）工作硬化系數(shù)。接觸強(qiáng)度計(jì)算的尺寸系數(shù)：查圖得：。（如下圖）將以上數(shù)值代入安全系數(shù)的計(jì)算公式得：查表，選較高可靠度，取，故安全。（5） 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的計(jì)算應(yīng)力為：-式中，為了安全考慮，彎曲強(qiáng)度計(jì)算的載荷分布系數(shù)：，載荷分配系數(shù)。復(fù)合齒形系數(shù)YFS：根

7、據(jù)、等條件，查得YFS1=3.95、YFS2=3.98。彎曲強(qiáng)度計(jì)算的重合度與螺旋角系數(shù)：按、=302442、查得。（如下圖）將以上數(shù)值代入式得：計(jì)算安全系數(shù): 上式中：壽命系數(shù)：分別根據(jù)、查得：、。（如下圖）相對(duì)齒根圓角敏感系數(shù)：因?yàn)楹投即笥?.5，查表得出：。（如下表）尺寸系數(shù)查表得：（如下圖）將以上數(shù)據(jù)代入安全系數(shù)的計(jì)算公式得：查表，選高可靠度，取，故安全。（6） 主要幾何尺寸?。?） 齒輪的結(jié)構(gòu)和零件工作圖（附頁(yè)）前面我們已經(jīng)得到了齒輪的基本參數(shù)，包括：齒數(shù)、模數(shù)、螺旋角、齒寬等，下面開(kāi)啟Pro/E我們開(kāi)始真正的三維設(shè)計(jì)吧。對(duì)于漸開(kāi)線圓柱齒輪的建模方法，網(wǎng)上有很多教程，詳細(xì)的過(guò)程我這里

8、不再贅述。這里只給出大小齒輪的“關(guān)系”和“參數(shù)”，以供大家參考。 三維網(wǎng)技術(shù)論壇# b$ h Z% n# X. M下載 (52.6 KB)2008-8-3 00:55/下載 (46.73 KB)2008-8-3 00:55下載 (45.44 KB)2008-8-3 00:55下載 (41.63 KB)2008-8-3 00:55感興趣的朋友可以把我的模型自己打開(kāi)改改參數(shù)，定制自己的齒輪。 充分理解各參數(shù)的意義。模型文件（包括后面講到的動(dòng)畫(huà)分析文件和生成的傳動(dòng)動(dòng)畫(huà)）下載： 前面我們對(duì)齒輪的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)確認(rèn)，并成功建立了齒輪的模型裝配，下面我們利用前面的模型，進(jìn)入Pro/E的“機(jī)構(gòu)”模塊，進(jìn)行運(yùn)

9、動(dòng)模擬，并輸出mpeg格式的一段動(dòng)畫(huà)。 1. 定義“齒輪副連接”。點(diǎn)擊如下左圖所示的按鈕，進(jìn)行齒輪副的定義。分別指定“齒輪1”和“齒輪2”到大小兩個(gè)齒輪，并給定兩個(gè)齒輪得分度圓直徑。如圖： 2. 定義伺服電動(dòng)機(jī)（其實(shí)就是動(dòng)力源）。點(diǎn)擊如下左圖所示圖標(biāo)。由于是增速齒輪，所以大齒輪是主動(dòng)輪，把伺服電機(jī)指定給它的“旋轉(zhuǎn)軸”，并如下圖所示定義各項(xiàng)參數(shù)。 3. 接下來(lái)必須要做的就是定義“分析”。點(diǎn)擊如下左圖所示圖標(biāo)?！胺治觥笔呛竺妗盎胤拧焙汀安东@動(dòng)畫(huà)”的基礎(chǔ)。在“分析”中制定“電動(dòng)機(jī)”為前一步所定義的電動(dòng)機(jī)，制定分析的起止時(shí)間如圖： 點(diǎn)擊“運(yùn)行”，Pro/E會(huì)對(duì)這一運(yùn)動(dòng)設(shè)置進(jìn)行分析，你會(huì)看到齒輪副在運(yùn)動(dòng)

10、，分析完點(diǎn)擊“確定”退出。這一部看上去什么也沒(méi)有做，其實(shí)內(nèi)存中已經(jīng)形成了一個(gè)分析的結(jié)果集，而這個(gè)結(jié)果集在隨后的“回放”中是必不可少的。4. 分析完了，接下來(lái)要對(duì)之前定義的“分析”進(jìn)行“回放”，點(diǎn)擊如下左圖所示按鈕。你會(huì)看到“結(jié)果集”一欄中已經(jīng)自動(dòng)顯示了AnalysisDefinition1的結(jié)果集，這是前面分析的結(jié)果。你可以選擇把這個(gè)結(jié)果集保存在硬盤上，以便再次調(diào)用。結(jié)果集在硬盤上會(huì)存儲(chǔ)為*.pbk的格式。 下載 (15.22 KB)2008-8-3 02:19好了，直接點(diǎn)擊“回放”（就是左上角兩個(gè)箭頭背靠背的圖標(biāo)），終于出現(xiàn)“動(dòng)畫(huà)”的對(duì)話框了。如下圖所示。5. 做動(dòng)畫(huà)。在前面，我們已經(jīng)可以像

11、看電影一樣隨意察看齒輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。假如我們不滿足于此，我們還可以輸出一段動(dòng)畫(huà)視頻。so, 點(diǎn)擊“捕獲”的按鈕。出現(xiàn)如下圖所示的對(duì)話框。下載 (21.26 KB)2008-8-3 03:27ok, 你就可以根據(jù)自己的需要輸出動(dòng)畫(huà)了。記得制定自己找得到的路徑。 格是可以選擇mpeg格式，還可以有諸如bmp之類的其他格式。/ . $ c4 u$ & C三維網(wǎng)技術(shù)論壇: d- 3 M7 y# m2 q1 R i( T3 H5 我們的工作還遠(yuǎn)沒(méi)有結(jié)束，因?yàn)樽鳛楣こ處?，產(chǎn)品生產(chǎn)才是我們的目的-而不是動(dòng)畫(huà)或者三維模型。然而事實(shí)上，工程圖才是體現(xiàn)一個(gè)工程師設(shè)計(jì)水平的舞臺(tái)。產(chǎn)品選材

12、、公差配合、工藝要求等等細(xì)節(jié)，沒(méi)有三五年時(shí)入不了門的。很遺憾本人proe工程圖很遜，因?yàn)锳utoCAD用得太舒服了，實(shí)在是舍不得扔。我在這里只貼出我畫(huà)的工程圖一角，供大家參考。) I4 ) Itb, 7 Z三維網(wǎng)技術(shù)論壇 下載 (56.48 KB)2008-8-3 03:27三維,cad,機(jī)械,技術(shù),汽車,catia,pro/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,時(shí)空,鎮(zhèn)江6 S1 R; Dk. ?9 z9 c& h下載 (199.93 KB)2008-8-3 03:27下載 (19.99 KB)2008-8-3 03:27三維網(wǎng)技術(shù)論壇& ?, A/

13、 t! A5 J; R3 m9 X, u這里面尤其要注意的是紅色方框內(nèi)的公差項(xiàng)，這些都是經(jīng)過(guò)非常繁瑣的計(jì)算得到的，感興趣的朋友可以找一些機(jī)械工程相關(guān)的資料學(xué)習(xí)一下。9 G7 |; h) ( n2 I# I) T三維網(wǎng)技術(shù)論壇提供小齒輪dwg格式工程圖下載（半成品，僅供參考）：小齒輪.rar (53.37 KB) 下載次數(shù): 5812008-8-3 03:275 p7 S( Q7 W; w1 Q) 1 u三維,cad,機(jī)械,技術(shù),汽車,catia,pro/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,時(shí)空,鎮(zhèn)江三維|cad|機(jī)械|汽車|技術(shù)|catia|pro/

14、e|ug|inventor|solidedge|solidworks|caxa2 I/ l3 X% d$ X3 S2 % I. A/ c P5 P4 Hl! U/ | r6 i+ 7 E8 O3 G& z8 Ge- 8 T1 4 6 T* ! 8 D三維|cad|機(jī)械|汽車|技術(shù)|catia|pro/e|ug|inventor|solidedge|solidworks|caxa除了上述工作以外，有時(shí)候我們還必須針對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行一些有限元分析，以驗(yàn)證其強(qiáng)度或使用壽命是否能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。我個(gè)人認(rèn)為，其實(shí)有限元分析是一門很牛的學(xué)科，因?yàn)槲覍?duì)此也是一知半解。針對(duì)本例中的齒

15、輪對(duì)，我試著做了一部分分析，也只是劃分了網(wǎng)格，定義了一些邊界條件，并沒(méi)有分析出什么結(jié)果來(lái)，實(shí)在是慚愧得很。下面是我的一些截圖，大家看看那有問(wèn)題。三維網(wǎng)技術(shù)論壇4 D; O h. 7 m; i9 * 0 d下載 (57.92 KB)2008-8-3 04:045 O- A& M) k x. G4 j1 r下載 (85.72 KB)2008-8-3 04:04* P1 C4 A( F+ p* q4 f. w* _ 下載 (65.76 KB)2008-8-3 04:04) 1 m U2 d- S |三維|cad|機(jī)械|汽車|技術(shù)|catia

16、|pro/e|ug|inventor|solidedge|solidworks|caxa/ Z4 x$ B- A: E* ez; p. Q除了有限元分析，有時(shí)候我們還需要把設(shè)計(jì)的東西用比較炫的方式表達(dá)出來(lái)，無(wú)論是圖片還是動(dòng)畫(huà)。而另一方面，proe、ug這些設(shè)計(jì)軟件并不擅長(zhǎng)制作效果圖或渲染動(dòng)畫(huà)，這就要求我們至少要掌握一門3D動(dòng)畫(huà)軟件（比較典型通用的就是3DMax）、一門圖像處理軟件（例如photoshop）、和一門后期特效合成軟件（例如premiere以及aftereffect）。在必要的時(shí)候，也許還需要虛擬現(xiàn)實(shí)的展示手段，這方面我不熟，不敢擅自發(fā)言。三維,cad,機(jī)械,技術(shù),汽車,catia,

17、pro/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,時(shí)空,鎮(zhèn)江9 r v1 X+ R) y5 - - a0 f; 下面是我在3dmax里面渲的兩張圖以及之前之前作過(guò)的一些東西的圖片，大家參考一下。三維|cad|機(jī)械|汽車|技術(shù)|catia|pro/e|ug|inventor|solidedge|solidworks|caxa: sd; d# B5 r3 P2 Q# P _下載 (40.28 KB)2008-8-3 04:04+ z( j( w; X8 _0 iC0 U 下載 (61.13 KB)2008-8-3 04:04三維|

18、cad|機(jī)械|汽車|技術(shù)|catia|pro/e|ug|inventor|solidedge|solidworks|caxa: i# |; Q! a3 OJ 1.swf (1.11 MB) 下載次數(shù): 4422008-8-3 04:46三維,cad,機(jī)械,技術(shù),汽車,catia,pro/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,時(shí)空,鎮(zhèn)江2 3 4 e* o- 9 u% o# Y下載 (170.16 KB)2008-8-3 04:046 ? N4 ; x8 a3 B7 D/ s! C+ B下載 (37.98 KB)2008-8-3 04:04下載 (88.

19、55 KB)2008-8-3 04:04) D) |5 Y i$ kh, ?三維網(wǎng)技術(shù)論壇最后，本人初到三維網(wǎng)，很渴望在這個(gè)平臺(tái)上跟大家交流技術(shù)，共同進(jìn)步。希望這篇東西能給剛踏入機(jī)械行業(yè)的兄弟們一點(diǎn)啟示。也請(qǐng)各路高手就這個(gè)帖子多多指點(diǎn)。謝謝啦* U8 t+ ; j/ _2 J三維,cad,機(jī)械,技術(shù),汽車,catia,pro/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,時(shí)空,鎮(zhèn)江樓主的文章很不錯(cuò)！涵蓋了產(chǎn)品零件設(shè)計(jì)的全過(guò)程，其實(shí)在整個(gè)過(guò)程中PTC都提供有對(duì)應(yīng)的解決方案，如樓主第一部分計(jì)算過(guò)程可以用Mathcad來(lái)做，那么這個(gè)就可以形成樓主單位里的一個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

20、規(guī)范，以后給出不同的設(shè)計(jì)參數(shù)，馬上可以自動(dòng)得出計(jì)算結(jié)果；工程圖完全也可以用pro/e工程圖模塊實(shí)現(xiàn)；最后的渲染可以用擴(kuò)展模塊ARX來(lái)做，野火4.0的渲染功能已經(jīng)得到了增強(qiáng)。三維|cad|機(jī)械|汽車|技術(shù)|catia|pro/e|ug|inventor|solidedge|solidworks|caxa, 所有這些用PTC產(chǎn)品的好處是：保持關(guān)聯(lián)性。% k* |7 O, q( b/ _: FMathcad可以集成到pro/e,那么計(jì)算過(guò)程中的變更在pro/e中馬上可以自動(dòng)得到更新，pro/e中零件的變更，在ARX渲染模塊中自動(dòng)更新。這個(gè)是PTC真正強(qiáng)大的地方！ 9 Z6 o# n+ o* F. x

21、補(bǔ)充一下，樓主說(shuō)對(duì)有限元一知半解，這個(gè)完全不會(huì)影響到對(duì)mechanica的使用，因?yàn)閙echanica本來(lái)就是面向設(shè)計(jì)者開(kāi)發(fā)的實(shí)用工具。基本的有限元計(jì)算理論都是在mechanica底層得到了處理，我們只是要弄清楚邊界條件（如材料、受力點(diǎn)位置、大小、方向、固定支撐的位置）就可以了。* E* k4 R5 m/ f0 O9 j6 h- M附上一個(gè)用mechanica計(jì)算斜齒輪應(yīng)力的結(jié)果圖，供樓主參考。三維網(wǎng)技術(shù)論壇% y0 h4 x& P v7 U2 k6 a/ / M4 I$ p9 B+ 2 VC ?; Y三維,cad,機(jī)械,技術(shù),汽車,catia,pro/e,ug,inventor,solide

22、dge,solidworks,caxa,時(shí)空,鎮(zhèn)江下載次數(shù):412008-8-3 10:20說(shuō)實(shí)話，非常感謝您的指導(dǎo)，讓我茅塞頓開(kāi)。其實(shí)我早就意識(shí)到在設(shè)計(jì)中“保持關(guān)聯(lián)性”的重要性, 所以也正在惡補(bǔ)proe工程圖。另外有幾個(gè)問(wèn)題請(qǐng)教一下：5 1 T) J. m2 y; S3 V三維,cad,機(jī)械,技術(shù),汽車,catia,pro/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,時(shí)空,鎮(zhèn)江1. 我不了解Mathcad，我想知道，像齒輪這樣的零件，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的80%的工作其實(shí)是各項(xiàng)參數(shù)的確定，而這些參數(shù)的確定需要查各種各樣的表格、曲線等等，真正計(jì)算的工作量并不大，那

23、么如果用Mathcad來(lái)做，我很相信他一定能幫我們代勞這20%的計(jì)算，那80%的工作它能分擔(dān)多少？尤其是一些經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，它能否給出？三維網(wǎng)技術(shù)論壇, I L0 k& i, _& g/ X2. 對(duì)于野火4.0的渲染功能，閣下能不能找些效果圖欣賞一下。另外，他的動(dòng)畫(huà)功能怎么樣？因?yàn)橛袝r(shí)候需要把機(jī)構(gòu)工作原理展示清楚，不得不用到動(dòng)畫(huà)。我在野火3里面做過(guò)一些類似的工作，確實(shí)非常累。做出來(lái)的動(dòng)畫(huà)也沒(méi)有任何渲染效果，稍微有一點(diǎn)渲染效果的都是靜態(tài)圖片。再者，能否制作類似于flash動(dòng)畫(huà)一樣的“具有互動(dòng)功能”的動(dòng)畫(huà)，比如說(shuō)觀看者點(diǎn)擊渲染圖上的某個(gè)裝配，這個(gè)裝配自動(dòng)開(kāi)始演示裝配過(guò)程，演示完畢自動(dòng)返回。這些以前我都是

24、在flash里面做的。指導(dǎo)不敢當(dāng)，只是對(duì)PTC的東東稍有了解，PTC的東西是在太多，他針對(duì)整個(gè)產(chǎn)品生命周期（PLM）都有對(duì)應(yīng)的解決方案。* s( T2 c M. A( R1.你提及的80%問(wèn)題可能要涉及Mathcad的二次開(kāi)發(fā)，當(dāng)然前期的工作量會(huì)比較大，Mathcad本身已經(jīng)集成了一部分實(shí)用工程庫(kù)和擴(kuò)展包。Mathcad的主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：三維,cad,機(jī)械,技術(shù),汽車,catia,pro/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,時(shí)空,鎮(zhèn)江! HM7 T0 B: E3 O自動(dòng)化計(jì)算過(guò)程! Y. bt0 B. K可重復(fù)、可審核7 r: e - Y5 ? z, k2 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算7 O% 3 A9 9 J* z三維網(wǎng)技術(shù)論壇 專有計(jì)算 n) i; e: F: |, T/ 實(shí)時(shí)計(jì)算三維|cad|機(jī)械|汽車|技術(shù)|catia|pro/e|ug|inventor|solidedge|solidworks|caxa5 m. . B. b( y* m1 e o- T自動(dòng)“量剛單位”管理三維網(wǎng)技術(shù)論壇