减速器设计范文
时间：2023-09-27 09:29:37
减速器设计篇1
【关键词】减速器优化设计
传统的减速器设计一般通过反复的试凑、校核确定设计方案，虽然也能获得满足给定条件的设计效果，但一般不是最佳的。为了使减速器发挥最佳性能，必须对减速器进行优化设计，减速器的优化设计可以在不同的优化目标下进行。除了一些极为特殊的场合外，通常可以分为从结构形式上追求最小的体积(重量)、从使用性能方面追求最大的承载能力、从企业的劳动组织、管理水平、设备构成、人员素质和材料价格等因素。但对于设计人员而言，该目标最终还是归结为第一类或第二类目标，即减小减速器的体积或增大其承载能力。
一、单级圆柱齿轮减速器的优化设计
单级主减速器可由一对圆锥齿轮、一对圆柱齿轮或由蜗轮蜗杆组成，具有结构简单、质量小、成本低、使用简单等优点。但是其主传动比i0不能太大，一般i0≤7，进一步提高i0将增大从动齿轮直径，从而减小离地间隙，且使从动齿轮热处理困难。单级主减速器广泛应用于轿车和轻、中型货车的驱动桥中。单级圆柱齿轮减速器以体积最小为优化目标的优化设计问题，是一个具有16个不等式约束的6维优化问题，其数学模型可简记为：
minf(x)x=[x1x2x3x4x5x6]T∈R6
S.t.gj(x)≤0(j=1，2，3∧，16)
采用优化设计方法后，在满足强度要求的前提下，减速器的尺寸大大地降低，减少了用材及成本，提高了设计效率和质量。优化设计法与传统设计密切相关，优化设计是以传统设计为基础，沿用了传统设计中积累的大量资料，同时考虑了传统设计所涉及的有关因素。优化设计虽然弥补了传统设计的某些不足，但该设计法仍有其局限性，因此可在优化设计中引入可靠性技术、模糊技术，形成可靠性优化设计或模糊可靠性优化设计等现代设计法，使工程设计技术由“硬”向“软”发展。
二、混凝土搅拌运输车减速器的优化设计
1.主要参数
混凝土搅拌运输车搅拌筒(罐)的设计容积为8～10m3，最大安装角度12°，工作转速2～4r/min和10～12r/min(卸料时的反向转速)；减速器设计传动比131∶1，最大输出转矩60kN·m，要求传动效率高、密封性好、噪声低、互换性强。2.2结构设计主要包括前盖组件、被动轮组件、第一级行星轮总成、第二级行星轮总成、机体中部组件和法兰盘组件6大部分。机体间采用螺栓和销钉连接与定位，机体与内齿圈之间采用弹性套销的均载机构。为便于用户在使用时装配与拆卸，减速器主轴线与安装面设计有15°的倾角，法兰盘轴线可以向X、Y和Z方向摆动±6°，并选用专用球面轴承作为支承。轴承装入行星轮中，弹簧挡圈装在轴承外侧且轴向间隙≤0.2mm，减速器最大外形尺寸467mm×460mm×530mm，总质量(不含油)为290kg。
2.传动系统设计
该减速器采用3级减速方案：第一级为高速圆柱齿轮传动，其余两级为NGW型行星齿轮传动。其中，第二、三级分别有3个和4个中空式行星轮，行星轮安装在单臂式行星架上，行星架浮动且采用滚动轴承作为支承；第二级行星架与法兰盘之间采用鼓形齿双联齿轮联轴器连接，混凝土搅拌运输车减速器对齿面接触疲劳强度、齿根弯曲疲劳强度和齿面磨损等要求十分苛刻，因此合理地选择变位系数和进行修形计算十分重要。
三、减速器优化设计的数学模型
1.目标函数
对于C型问题，目标函数是A=min{f(x)}=min{f(x1，x2，…，xn)}式中：A——减速器总中心距，即各级中心距之和；x——各设计变量(包括各级中心距、模数、螺旋角、齿数、齿宽和变位系数等)；n——设计变量的个数。对于P型问题，目标函数是P=max{f(x)}=max{f(x1，x2，…，xn)}。式中：P——减速器的许可承载功率；x——同C型；n——同C型。
2.约束条件
约束条件是判断目标函数中设计变量的取值是否可行的一些规定，因此减速器优化设计过程中提出的每一个供选择的设计方案；都应当由满足全部约束条件的优化变量所构成。对于减速器来说，在列出优化设计的约束条件时，应当从各个方面细致周全的予以考虑。例如，设计变量本身的取值规则，齿轮与其它零件之间应有的关系等等。减速器优化设计应考虑以下约束条件：
（1）设计变量取值的离散性约束
齿数：每个齿轮的齿数应当是整数；模数：齿轮模数应符合标准模数系列(GB1357-78)；中心距：为避免制造和维护中的各种麻烦，中心距以10mm为单位步长。
（2）设计变量取值的上下界约束
螺旋角：对直齿轮为零，斜齿轮按工程上的使用范围取8°~15°；总变位系数：由于总变位系数将影响齿轮的承载能力，常取为0~0.8。
（3）齿轮的强度约束
齿轮强度约束是指齿轮的齿面接触疲劳强度与轮齿的弯曲疲劳强度，这两项计算根据国家标准GB3480-83中的方法进行。强度是否够，根据实际安全系数是否达到或超出预定的安全系数进行检验。
（4）齿轮的根切约束
为避免发生根切，规定最小齿数，直齿轮为17，斜齿轮为14~16。
（5）零件的干涉约束
要求中心距、齿顶圆和轴径这三者之间满足无干涉的几何关系。对于三级传动的减速器(如图1)，干涉约束相当于两个约束：第二级中心距应大于第一级大齿轮齿顶圆半径与第三级小齿轮顶圆半径之和；第三级中心距应大于第二级大齿轮顶圆半径与第4轴半径之和。而二级齿轮传动类推。
图1三级减速器示意图
四、结语
机械优化设计是在常规机械设计的基础上发展和延伸的新设计方法，而减速器的优化就是其中之一，是以传统设计为基础、沿用了传统设计中积累的大量资料，同时考虑了传统设计所涉及的有关因素。在实际应用中已产生了较好的技术经济效果，减少了用材及成本，提高了设计效率和质量，使减速器发挥了最佳性能。
参考文献：
[1]孙元骁等著.圆柱齿轮减速器优化设计.机械工业出版社，1988.
[2]胡新华.单级圆柱齿轮减速器的优化设计[J].组合机床与自动化加工技术，2006.
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[5]范顺成，马治平，马洛刚.机械设计基础.机械工业出版社，2002.
减速器设计篇2
关键词：卷取机；齿轮箱；设计
引言
铝板带重卷机组是用于成品铝卷材的纵向切边及重卷的设备系统。其整个机列由多个相互关联的单元组成，共同完成生产任务，卷取机组是其中的一个关键单元。该单元将成品带材进行卷取，并在重卷过程产生前张力，使轧制完的带材卷紧、卷齐。其组成主要包括高强度的涨缩卷筒、活动支撑、立式或卧式减速器、推料板、涨缩油缸及传动部分。下图是一种卷取机立式硬齿面减速器的结构形式。本文以该减速器的主要性能参数和结构形式展开设计讨论，为感兴趣的设计者进一步优化设计和创新提供一点思路。
1.减速器简介
该结构形式的卷取机减速器，动力由安装在减速器箱体上的Z4型直流电机输入，经两级斜齿轮传动，输出扭矩传递至低速输出轴，低速轴带动与其联接为一体的卷筒转动，卷取成品带材。根据生产工艺要求，减速器的传动比通常设计为两挡，即高速挡和低速挡，根据卷材不同厚度范围使用不同的速比挡。该减速器要具有比较高的安全性，一旦失效，会引起机组、生产线或全厂停产。目前，这种类型的减速器，在涿神有色金属加工专用设备有限公司生产的重卷机上很常用，诸如1550、1850、1900型，使用效果非常良好。国内一些有实力的减速器制造公司，已经能够设计和制造这种与国际先进水平媲美的同类机型。
2.减速器设计
以某型号卷取机减速器设计为例，探讨设计的方法和手段。设计的主要条件为：立式结构，两级传动，可高低速换挡，高速挡i=7.027，低速挡i=14.29，电机输入功率P=DC180KW，转速n=450/1500r/min，最小输入扭矩Tmin=1146N.m，最大输入扭矩Tmax=3820N.m，过载能力为200%，齿轮及轴承设计寿命为10年。
2.1 设计内容
（1）采用硬齿面齿轮传动，齿轮精度等级为6级，材质20CrMnMo，渗碳淬火+磨齿加工，齿轮进行齿廓和齿向修行。按满足齿轮最小弯曲强度SFmin=1.6和最小接触强度SHmin=1.25要求，确定减速器的中心距、模数，按各级传动承载能力大致相等分配传动比，得到如下结果：高速级/低速级中心距分别为450mm和630mm，模数分别为8mm和12mm，传动比高速挡i=64/45×84/17=7.027，低速挡 i=81/28×84/17=14.29。通过计算软件，还可以对以上参数继续优化。
（2）两挡速比通过花键联轴器和换挡机构实现。具体作法是，将高速级的两个大齿轮一端分别加工出外花键（m=6，z=60），装配位置呈相对方向，在两大齿轮之间的中间轴上装配有内外花键副（m=6，z=60），外花键靠平键固定在轴上，内花键套在外花键上可左右自由移动，通过减速器设置的换挡机构，在高速与低速之间实现转换。内花键套由换挡机构的拨动手柄进行位置固定。拨动手柄转过的弧线位移等于内花键套平移的距离。为了使花键副平滑对接啮入，要对两个大齿轮的花键齿部倒圆和倒角，且外齿齿部每隔一齿，在结合端齿宽上少1mm。换挡动作可通过手动机构或液压缸方式完成。
（3）箱体设计。箱体设计为立式安装形式，采用焊接机构，强度和刚度充足，中箱体和下箱体承担安装电机、制动器和输出大轴的功能。根据需要，下箱体底部设置了防滑筋板，结合面设置了水平安装基面，整机起吊吊耳沿低速轴方向设置，分布于下箱体四角。
（4）复杂的系统。减速器的稀油系统由总管路、支管路和分支管路组成。经冷却的油由总管路进入，到达各个轴承的点和齿轮副啮合区进行，并带走产生的热量，然后汇集到箱体内，从箱体的回油法兰再回到的站，循环流动。每个分支管路中都设置截止阀、油流指示器，通过指示器观察进油量大小并作出调节。是否充分，将决定齿轮和轴承的使用寿命，因此系统的设计须确保管路油流通畅。
（5）低速输出轴。低速轴一端联接涨缩卷筒，另一端联接旋转油缸。整个大轴由两盘高承载力的大型双列圆锥滚子轴承支承，支点跨距较大，受力状况合理。选择轴承，计算轴承寿命是大轴设计的关键步骤。
2.2技术要点
（1）滚动轴承在换挡中的运用。减速器中间轴设计了两套齿轮和三套花键副，花键副起传递不同速比的扭矩作用。当变换到高速档或低速档后，余下的一档齿轮副就不参与传递动力，跟着空转，用一对滚动轴承支承大齿轮，以达到传动分开的目的。
（2）立体化的传动机构形式。与卧式结构相比，本例的结构大大节省了平面布置的面积，开拓了空间利用，将电机、制动器与减速器集成为一体，符合当前减速器设计发展的趋势。
（3）密封和回油结构设计。在每个轴承孔下方，钻出两排或三排孔，通向箱体内部，轴承的油，在此形成不了涡流，快速流向箱体内，并使轴承迅速降温。输入轴和输出轴，采用两道密封措施，即机械迷宫密封和骨架油封密封。对于强制，采取这样的设计，防漏效果非常好。
3.结论
卷取机立式硬齿面减速器，设计构思巧妙，在传动方面，集合了双速比与换挡机构功能；在安装方面，箱体特殊的结构承担了多种功能；与密封方面，采用了新结构和新措施。该减速器的优秀设计理念，对其它减速器的设计创新具有很高的借鉴价值。
参考文献：
[1]齿轮手册编委会编.齿轮手册（第二版）上册[M].北京：机械工业出版社，2000，8（2006.5 ）
[2]GB/T3480-1997.渐开线圆柱齿轮承载能力计算[S].
[3]成大先.机械设计手册.第二册（第5版）[M].北京：化学工业出版社，2008.1.
减速器设计篇3
关键词：MATLAB 行星减速器 优化设计
Abstract: this paper researched optimum tool of MATLAB. The paper solves optimum design for planet speed reducer of construction machinery. Through a practical example, it is concluded that using MATLAB can availably solve optimum design for planet speed reducer.
Key word: MATLAB, planet speed reducer,optimum design
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
工程机械是一种运行缓慢，体积大，承受的载荷也大的设备。它的行走驱动系统有两种方案：一为高速方案，即用高速液压马达和齿轮减速器组合驱动；二是低速方案，即采用低速大扭矩液压马达驱动。后者可省去减速装置，使机构大为简化，但由于低速大扭矩液压马达的成本较高，维修困难，所以一般的工程机械都采用前者。又因行星减速器相对于其它类型的齿轮减速器具有较大减速比，所以工程机械的行驶系统驱动中多采用行星减速器实现减速增扭的目的。
1、MATLAB语言及优化设计简介
MATLAB语言是由美国Mathworks公司开发的集科学计算、数据可视化和程序设计为一体的工程应用软件，现已成为工程学科计算机辅助分析、设计、仿真以至教学等不可缺少的基础软件，它由MATLAB主包、Simulink组件以及功能各异的工具箱组成。MATLAB优化工具箱的应用包括：线性规划和二次规划，求函数的最大值和最小值，多目标优化，约束优化，离散动态规划等，其简洁的表达式、多种优化算法的任意选择、对算法参数的自由设置，可使用户方便地使用优化方法。[1]
通常多目标优化问题在求解时应作适当的处理，一种方法是将多目标优化问题重新构成一个新的函数，即评价函数，从而将多目标优化问题转变为求评价函数的单目标优化问题，如线性加权和法，理想点法，目标达到法等。另一种是将多目标优化转化为一系列单目标优化问题来求解，如分层序列法等。MATLAB优化工具箱采用改进的目标达到法使目标达到问题变为最大最小问题来获取合适的目标函数值。
该论文中，行星减速器的设计就采用将多目标的优化问题转化为单目标，多约束条件的优化问题。
2、行星减速器模型的建立
工程机械使用行星减速器的设计是一项较复杂的工作，一般采用经验设计。经验设计不仅对于一个新的企业很难进行设计，而且往往找到的不是最优方案。
2.1确定优化设计的目标函数
工程机械的体积较大，对其灵活运行带来一定的影响，因此对行星减速器进行最优化设计时，取行星减速器最小重量为优化目标，不但可以减小行星减速器的重量，而且可以改善工程机械的灵活机动性、节约材料和降低成本。
行星减速器由太阳轮、行星轮、行星架和齿圈构成。由于太阳轮和全部行星轮的重量之和能影响和决定齿圈和整个机构的重量，由于太阳轮和全部行星轮的重量与它们的体积成正比，因此可选择太阳轮和全部行星轮的体积为最优化设计的目标函数。
…………………（1）
式中： 为太阳轮的体积； 为行星轮的体积； 为行星轮的个数； 为太阳轮或行星轮模数； 为太阳轮或行星轮齿宽； 为太阳轮齿数； 为行星轮齿数。
2.2约束条件：
（1）传动比条件[2]：
…………………（2）
式中： 为齿圈的齿数。
（2）为了使内外啮合齿轮副强度接近相等，并提高外啮合承载能力，应限制齿轮内外啮合角在给定的范围内，即：
…………………（3）
…………………（4）
式中： 、 为太阳轮和行星论、行星轮和齿圈的啮合角。
（3）齿轮不发生根切的最少齿数为17，但太阳轮的齿数常小于规定的标准齿轮不根切最小齿数17，为保证不根切，太阳轮变位系数应满足以下条件：
…………………（5）
式中： 太阳轮的最小变位系数
（4）各齿轮应满足强度要求，即齿轮的齿面接触强度和弯曲强度的安全系数均大于给定值，亦即
…………………（6）
…………………（7）
式中： 、 ——给定的齿轮接触强度、弯曲强度安全系数；
、 ——各齿轮的接触强度、弯曲强度的安全系数。
（5）为了保证传动连续和平稳性，齿轮的重合度必须大于规定值，即
…………………（8）
…………………（9）
式中： 、 ——分别为太阳轮和行星轮、内齿圈与行星轮的重合度
（6）行星轮根圆直径 不宜过小，以保证在行星轮内孔能安装上符合寿命要求的滚动轴承，即
…………………（10）
式中： ——滚动轴承外径 ;
m——齿轮的模数
（7）模数约束
…………………（11）
（8）齿宽约束
…………………（12）
（9）行星轮个数约束
…………………（13）
（10）变位系数的约束[3]
…………………（14）
…………………（15）
…………………（16）
式中： 、 、 分别为太阳轮、行星轮和齿圈的变位系数
通过以上分析，知以上建立的模型是一个具有7个设计变量，15个约束条件的单目标优化设计。
3、应用举例：
某工程机械的轮边减速器采用行星减速器，其具体要求为：转速： ；功率： ；寿命：10a；工况：中等冲击；日工作时间：14h；年工作天数300天；传动比： ； ；精度：6级；太阳轮：材料为20CrMnTi，热处理为渗氮渗碳；行星轮：材料为20CrMnTi，热处理为渗碳淬碳；内齿轮为40Cr，热处理为调质[4]。
经使用MATLAB程序优化设计后行星减速器的主要参数和采用常规设计的主要参数的比较，如表1。
表1使用MATLAB优化设计和常规设计的参数比较
4、结论
（1）利用MATLAB优化设计的行星减速器的体积比常规设计的少了12%。
（2）建立目标函数时只考虑太阳轮和行星轮的体积，对内齿圈和行星架的体积没有考虑，这样可以减小计算量和提高计算速度。但是也存在着相应的问题，目标函数中没有将齿圈的强度考虑在内，会对设计的结果产生一定的影响。
参考文献
[1]薛定宇，陈阳泉.基于matlab/simulink的系统仿真技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2002
[2]徐灏.机械设计手册.[M]北京:机械工业出版社
[3]王永乐.机械优化设计基础.[M]哈尔滨:黑龙江科学技术出版社
[4]韩翔.2K-H行星减速器可靠性优化设计.[J]重型机械.2003（5）
减速器设计篇4
【关键词】加减速控制；FPGA；VHDL；步进电机
0、引言
几十年来，数字技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展，为步进电机的应用开辟了广阔的前景。由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常可靠。此外，步进电机还广泛应用于诸如打印机、雕刻机、绘图仪、绣花机及自动化仪表等。正因为步进电机的广泛应用，对步进电机的控制的研究也越来越多，在启动或加速时若步进脉冲变化太快，转子由于惯性而跟随不上电信号的变化，产生堵转或失步；在停止或减速时由于同样原因则可能产生超步。为防止堵转、失步和超步，提高工作频率，要对步进电机进行升降速控制。本文介绍一个用于自动磨边机的步进电机升降速控制器，由于考虑了通用性，它可以应用于其他场合。
从步进电机的矩频特性可知，步进电机的输出转矩随着脉冲频率的上升而下降，启动频率越高，启动转矩就越小，带动负载的能力越差，启动时会造成失步，而在停止时又会发生过冲。要使步进电机快速的达到所要求的速度又不失步或过冲，其关键在于使加速过程中加速度所要求的转矩既能充分利用各个运行频率下步进电机所提供的转矩，又不能超过这个转矩。因此，步进电机的运行一般要经过加速、匀速、减速三个阶段，要求加减速过程时间尽量的短，恒速时间尽量长。特别是在要求快速响应的工作中，从起点到终点运行的时间要求最短，这就必须要求加速、减速的过程最短，而恒速时的速度最高。而以前升速和降速大多选择按直线规律，采用这种方法时，它的脉冲频率的变化有一个恒定的加速度。在步进电机不失步的条件下，驱动脉冲频率变化的加速度和步进电机转子的角加速度成正比。在步进电机的转矩随脉冲频率的上升保持恒定时，直线规律的升降速才是理想的升降速曲线，而步进电机的转矩随脉冲频率的上升而下降，所以直线就不是理想的升降速曲线。因此，按直线规律升降速这种方法虽然简单，但是它不能保证在升降速的过程中步进电机转子的角加速度的变化和它的输出力矩变化相适应，不能最大限度的发挥电机的加速性能。本系统寻求一种基于FPGA控制的按指数规律升降速的离散控制算法，经多次运行，达到预期目标。
1、加减速控制算法
1.1加减速曲线
本设计按照步进电机的动力学方程和矩频特性曲线推导出按指数曲线变化的升降速脉冲序列的分布规律，因为矩频特性是描述每一频率下的最大输出转矩，即在该频率下作为负载加给步进电机的最大转矩。因此把矩频特性作为加速范围下可以达到（但不能超过）的最大输出转矩来拟订升降速脉冲序列的分布规律，就接近于最大转矩控制的最佳升降速规律。这样能够使得频率增高时，保证输出最大的力矩，即能够对最大的力矩进行跟随，能充分的发挥步进电机的工作性能，使系统具有良好的动态特性。
由步进电机的动力学方程和矩频特性曲线，在忽略阻尼转矩的情况下，可推导出如下方程：
式中， ， 为转子转动惯量，K为假定输出转矩按直线变化时的斜率， 为决定升速快慢的时间常数，在实际工作中由实验来确定。fm为负载转矩下步进电机的最高连续运行频率，步进电机必须在低于该频率下运行才能保证不失步。（1）式为步进电机的升速特性，由此方程可绘制出电机升速曲线。（1）式表明驱动脉冲的频率f应随时间t作指数规律上升，这样就可以在较短的时间内使步进电机的转速上升至要求的运行速度。鉴于大多数的步进电机的矩频特性都近似线性递减的，所以上述的控制规律为最佳。
1.2加减速离散处理
在本系统中，FPGA使用分频器的方式来控制步进电机的速度，升降速控制实际上是不断改变分频器初载值的大小。指数曲线由于无法通过程序编制来实现，可以用阶梯曲线来逼近升速曲线，不一定每步都计算装载值。
如图l所示，纵坐标为频率，单位是步/秒，其实反映了转速的高低。横坐标为时间，各段时间内走过的步数用N来表示，步数其实反映了行程。图中标出理想升速曲线和实际升速曲线。
步进电机的升速过程可按以下步骤进行处理。
（1）若实际运行速度为fg，从（3.4）式中可算出升速时间为：
（2）将升速段均匀地离散为n段即为阶梯升速的分档数，上升时间为 ，则每档速度保持时间为：
（3）每一档的频率为：
（4）各分档速度内的运行步数为：
（5）升速的总步数：
程序执行过程中，对每档速度都要计算在这档速度应走的步数，然后以递减方式检查，即每走一步，每档步数减1。当减至零时，表示该档速度应走的步数己走完，应进入下一档速度。一直循环到给出的速度大于或等于给定的速度为止。减速过程与升速过程刚好相反。
2、频率脉冲的实现
频率脉冲模块的核心是可控分频器，由外部的晶振产生标准频率，只要在分频器的输入端输入相应的分频系数，就可以得到所需的频率。本模块是利用VHDL硬件描述语言，通过QuartusII开发平台，使用Altera公司的FPGA，设计了一种能够满足上述各种要求的较为通用的可控分频器。图2为分频器的原理图，图3为分频器的仿真波形图。
3、结语
减速器设计篇5
[关键词]行星减速器 虚拟装配 运动仿真 干涉检验
中图分类号：TH132.46 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）25-0349-02
[Abstract]In order to improve the assembly efficiency of machinery product， this paper introduces several key problems in the virtual assembly of the planetary gear， and virtual assembly， motion simulation， interference test and identity test are verified. Successfully realized the product development and design process of the planetary reducer in computer virtual environment and shortened the period of product development cycle.
[Key words]Planetary Reducer； Virtual Assembly； Motion Simulation； Interference Detection
1 虚拟装配概况
虚拟装配（Virtual Assembly）是虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）在装配领域的应用，是虚拟现实技术的重要分支。它从产品装配设计的角度出发，利用虚拟现实技术建立一个具有听觉、视觉、触觉的多模式虚拟环境，借助于虚拟现实的输入输出设备，设计者在虚拟环境中人机交互式地进行装配和拆卸操作，检验和评价产品的装配性能，从而生成经济、合理、实用的装配方案。虚拟装配对优化产品设计、避免或减少物理模型制作、缩短装配周期、降低装配成本，提高装配操作人员的培训速度、提高装配质量和效率具有重要意义。
近年来，随着虚拟现实技术的发展，国内外学者对虚拟装配系统进行的大量的研究。美国华盛顿州立大学与美国国家标准技术研究所合作开发的虚拟装配设计环境VADE[1]是第一个具有代表性的虚拟装配系统；美国纽约州立大学机械与航空工程系虚拟现实技术实验室开发了基于虚拟原型的装配验证环境VPAVE[2]；新加坡南洋理工大学机械与产品工程系开发了桌面式虚拟环境系统V-REALISM[3]；意大利Bologna大学应用增强现实技术开发了基于CAD技术的装配规划与验证系统PAA（Personal Active Assistant）[4]；英国索尔福德大学的CVE（centre for virtual environments）集成了CAD建模、碰撞检测和虚拟环境管理等功能，开发了基于约束的沉浸式虚拟环境[5-6]。国内，华中理工大学的熊有伦等[7]开发了基于虚拟原型的装配序列规划及评价系统VPASPE；浙江大学开发的VDVAS[8]系统集成了虚拟设计与虚拟装配过程，用户可以运用三维操作和语音命令建立零件及其装配模型；北京理工大学的宁汝新、刘检华等[9]研究了基于虚拟现实的装配工艺规划理论、方法及实现技术；浙江大学的刘振宇、谭建荣等[10]研究了基于语义识别的虚拟装配操作。
2 行星减速器虚拟装配技术
（1）建立行星减速器主体模型
模型必须要保证减速器各零部件数据的完整性， 实现减速器在装配系统中的高度集成。根据行星减速器的总体参数，应用PRO/E软件建立减速器各零件的三维实体模型。主要模型如图1所示。
（2）虚拟装配区域分层和划分
装配层次建立在减速器各个零件的三维实体模型基础上，按照设计要求划分出几个装配区域，然后再进一步划分装配层次。
（3）装配数据管理
设计数据的流动和数据的有效管理是实现虚拟装配的重要环节。为了便于对设计数据的管理，所有的信息都要存储在统一的数据库中，并且由信息管理系统进行统一的产品数据管理，这样可以保证顺利实现整个行星减速器自上向下的设计。
（4）建立虚拟装配约束
进行行星减速器模型虚拟装配前应先将其功能和设计意图转化为约束，并进行数据管理，确保模型具有设计者所定义的约束关系，如平行、垂直、共轴和共面等，使行星减速器约束模型能够管理所有组件的形状特征、装配特征及它们之间的约束关系。若某个特征发生改变，虚拟模型能够根据约束关系发生相应的特征变化，从而保证整个数据的一致性。由于行星减速器是典型的齿轮机构， 运动元件有太阳轮和行星轮，这两个齿轮轴处建立销钉联接即可。图2为借助PRO/E 软件建立的减速器装配图。
（5）装配运动仿真和干涉分析
首先对减速器进行运动学仿真，模拟减速器的实际工作状态，检查各运动机构间的协调关系。图3为减速器的运动仿真图。
然后根据零部件的干涉和运动情况，修改原三维设计模型。在保证减速器所有零件的干涉自由和运动协调的条件下，完善减速器所有零件的设计工作。图4、图5分别为减速器的装配序列表和干涉检验图。
3 结语
本文针对产品装配过程中出现的问题，以Pro/E软件为平台，以行星减速器组件为研究对象，利用虚拟装配技术，成功地应用计算机虚拟环境完成了产品的装配过程。对装配体进行干涉检验、动态仿真等，根据检验结果进行修改设计，大大缩短了新产品的开发设计过程，降低了成本、提高了产品质量；采用适当的虚拟装配方法，对设计数据进行有效的管理。虚拟装配技术将在以后产品的设计和制造中发挥越来越重要的作用。
参考文献
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作者简介：
减速器设计篇6
【关键词】：斜齿圆柱齿轮；齿轮减速器；优化设计
中图分类号：TG15 文献标识码：A
随着机械自动传送设备逐渐得到广泛应用，齿轮减速器作为原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，在工业生产中的作用显得更加重要。齿轮减速器可以用来降低转速、增大转矩，是减速电机和大型减速机的结合，能够满足小空间高扭矩输出的需要。然而，齿轮减速器的设计和制造技术非常传统，传动效率比较低。就目前来看，常规齿轮减速器的优化设计将静态性能作为约束条件，没有考虑到齿轮强度的可靠性，受多种因素的影响，本文主要以双级斜齿圆柱齿轮减速器为对象，来进行优化设计，达到降低齿轮的中心距，减小其装置体积的目的，
一、建立可靠性优化设计的数学模型
齿轮减速器应根据工作机的选用条件、技术参数、动力机的性能以及经济性等诸多因素，通过不同类型、品种减速器的外廓尺寸以及传动效率、承载能力、质量和价格等进行综合比较，然后做出选择。齿轮减速器结构较为紧凑、效率高、维护简单、传递运动比较可靠，不过其参数并没有达到最优化。现在的很多优化方法虽然已经渐近成熟，但是齿轮传动效率普遍不高，对双级斜齿圆柱齿轮的优化设计势在必行。
（一）设计要求和设计变量
设计要求是双级斜齿圆柱齿轮减速器设计最基础的依据，其要根据实际情况，在齿面接触疲劳强度、齿根弯曲疲劳强度的可靠性等一些约束条件下，来达到使体积变小、重量减轻的目的。例如，在设计某一个双级斜齿圆柱齿轮减速器的时候，已知输入功率=110 k w, 第一级小齿轮转速n l = 14 80 r/ m in, 总传动比i = 10 , 高、低速级大、小齿轮材料选择20 Cr Mn Ti , 渗碳淬火，58-62 H R c, 齿轮加工精度为6 级。
在设计中，可以用一组对设计性能指标有影响的基本参数表示某一个设计方案，并可以根据工艺、安装和使用要求预先预定，而另一些则需要在设计过程中进行选择，那些需要在设计过程中进行选择的基本参数则被称为设计变量。机械中常用的主要有：几何外形尺寸、材料性质、速度、效率、温度等。
（二）求解目标函数
目标函数指的是所关心的目标(某一变量)与相关的因素(某些变量)之间的函数关系。目标函数在优化设计过程中具有一定的复杂性，简单来说，目标函数就是求解，在求解前函数是未知的，求解后所得出的那个函数就是目标函数，求解目标函数就是要利用已知的存在条件，去求解未知量的函数关系式，这种函数关系式就是目标函数。
在可靠性数学模型的优化设计中，双级斜齿圆柱齿轮减速器优化的目标可以有很多, 但最重要的目标就是减小体积。体积小在一定程度上可以节省材料、降低成本，在相应的程度内提高效率。因此, 本文对双级斜齿轮减速器进行优化设计, 使其在传递一定功率、转速和满足使用寿命要求下具有最小体积，尽可能地达到最大的效率。
（三）划定约束条件
约束条件指的是运用单纯形法解某些线性规划问题时，该问题已知的并必须遵守的前提条件，主要分为静态性能的约束条件、边界约束条件和可靠性约束条件。在静态性能约束条件下，斜齿圆柱齿轮的轮齿面接触应力和其根部弯曲应力都应当小于许用值；齿轮的可靠性约束条件要求齿面接触应力和接触疲劳强度服从对数正态分布，可靠度与可靠度的系数之间存在着相对应的关系。
约束条件的划定由齿轮的转速和传递的功率因素来确定，在界定时，变量因子的上限与下限要以传动的平稳性为基准，应当注意齿面接触强度的范围以及齿轮弯曲应力范围。
二、关于斜齿圆柱齿轮减速器优化方法
在斜齿圆柱齿轮减速器优化设计中，目标函数和约束条件相对来说比较复杂，需要很多数值进行计算，可以通过采用复合形法进行计算求解。复合形法对目标函数的要求不是很苛刻，比较适合解决约束条件的优化问题，是求解最优化问题的一种算法。它是多个单纯形合并成的超多面体，顶点个数≥n+1（n维空间），与单纯形法极为相似，但是也有不同的地方：复合形法是由n+1个以上的顶点组合而成的多面体，在可行域内构造初始复合型，通过比较各顶点的目标函数值，在可行域内找目标函数值有所改善的新点，并用其替换目标函数值比较差的顶点，构成新的复合形。
复合形法寻优方法主要工作是生成初始复合形和更新复合形。复合形法思路清晰，比较容易掌握；不需要求导数，也不需要作一维搜索，对函数的形态没有特定要求；程序结构简单，计算量不大；对初始点要求很低，能够较快地找到最优解，算法很可靠。在求解时需要给出变量取值区间及初始复合形，随着变量维数的增加计算效率降低，对约束条件较多的非凸问题，常出现多次想形心收缩，使收敛速度减慢。复合形法适用于变量少约束条件不多的优化问题，是机械优化设计比较广泛而可靠的算法之一。
三、可靠性优化结果分析
优化结果要注重基本参数的选择，一定要确保双级斜齿圆柱齿轮的承载能力在条件允许范围内，以降低齿轮的中心距、减小齿轮体积以及系统转动的惯量为目标进行优化，由图可以看出，斜齿圆柱齿轮减速器在优化后与优化前体积下降幅度较大，有明显的的差别。
齿轮参数 初始值 优化值
mn1(mm) 1.957954 2
mn3(mm) 2.335842 2.25
Z1 22.356 23
Z2 122.4436 123
Z3 29.64513 31
B1( o ) 11.06024 9.3447843
B3( o ) 10.727298 9.28961191
b1(mm) 34.8225 32.06315
b3(mm) 78.462 76.41584
优化前、后两级斜齿轮各参数值比较
四、结束语
作为工业生产所需的重要机械设备，双级斜齿圆柱齿轮减速器对于工业生产十分重要。双级斜齿圆柱齿轮减速器的可靠性优化设计对工业生产的效率提升和机械制造业的发展带来较为有益的影响。从小的方面说，数学模型的优化设计使传动效率提高，齿轮体积变小，从大的方面来说，在一定程度上促进了机械工业水平的提高，推动了社会的发展。
【参考文献】：
[1] 杜海霞.斜齿圆柱齿轮减速器的优化设计[J].机械工程与自动化,2011,(2):50-51,54.
[2] 徐元,陈.二级斜齿圆柱齿轮减速器可靠性优化设计[J].现代制造工程,2004,(11):79-81.
减速器设计篇7
【关键词】弯游梁抽油机 减速器底座 底盘 钻模 工艺
弯游梁抽油机是吐哈油田的主力机型，该机型采用减速器前置驱动、游梁下偏复合平衡方式。减速器底座和底盘是支撑减速器和整个抽油机的重要部件，减速器底座与底盘的连接位置的精度对抽油机的整机性能影响很大。使小横梁轴线与轴承座轴线产生夹角，造成横梁轴承座的摆动。而且还会造成横梁轴承座和减速器轴承的磨损，产生异响。首先我们对生产制造的现状进行分析。
1 现状分析
1.1 减速器底座钻孔工艺现状
通过用厚度为3mm铁皮制作简易的模板靠在减速器底座上，四边对齐后打样冲眼标志出减速器各螺栓孔的相互位置。再用划线规划出螺栓孔的轮廓线，同时划出输出轴标识线，然后请检，检验员检查孔的位置尺寸合格后，最后根据样冲眼钻孔。
1.2 底盘钻孔现状
用石笔和卷尺找出底盘的中心线上两个点位置，根据点的位置用粉线弹出底盘的中心线，用同样方法找出支架连接板的纵向中心线。再用厚度为3mm铁皮制作的简易模板，侧边与中心线对齐，中心线与支架连接板纵向中心线对齐，然后打样冲眼、划螺栓孔轮廓线、请检，最后根据样冲眼钻孔。
1.3 减速器底座和底盘组焊现状
先在底盘上找出输出轴中心线位置，将减速器底座吊装在底盘上放正，用直角尺从减速器底座标识的输出轴线往减速器底座侧板上引线，调整减速器底座使两侧的引线与底盘的输出轴中心线对齐，再用钢卷尺拉对角尺寸调整减速器使二者的中心线重合，最后点焊牢固。
1.4 优点与不足
通过对现状的调查，分析现有工艺主要存在以下几个方面的优点与不足：
（1）模板才用厚度为3mm的铁皮制作而成，制造简单、取用轻巧方便；
（2）但是由于简易模板厚度较薄，易变形。加之制造比较粗糙，使用时间长了会使模板上的样冲孔磨损，造成孔的位置、尺寸精度误差加大，最终影响钻孔的位置精度；
（3）划线工序复杂，钳工为防止钻孔偏斜需要对每一个孔都要勾划轮廓线，效率较低；
（4）钳工按样冲孔找正钻孔存在一定的视觉误差，也加大了钳工的劳动强度；
（5）模板压紧不可靠，钳工在打样冲眼时，极易造成模板移动，影响打样冲孔的位置精度；
（6）用直角尺往减速器侧板引输出轴线时，无论是量具还是人为因素都存在较大误差 ；
（7）而找减速器底座与底盘中心重合时，需要两人配合用钢卷尺拉对角尺寸，钢卷尺会发生弯曲，使测量精度下降。
（8）在调整过程中至少需要两人配合，效率不高。
2 工艺研究的目的及要求
从减速器底座和底盘在钻孔和连接制造过程中存在的问题分析可以看出，要克服现有工艺的不足，通过采用钻模工装来改进工艺是比较可行的方案，从而达到提高质量精度和生产效率的目的。
2.1 钻模介绍
钻模是引导刀具在工件上钻孔或铰孔用的机床夹具。钻模的结构特点是除有工件的定位、夹紧装置外，还有根据被加工孔的位置分布而设置的钻套和钻模板，用以确定刀具的位置，并防止刀具在加工过程中倾斜，从而保证被加工孔的位置精度。
2.2 钻模的设计要求
（1）钻孔后减速器底座和底盘螺栓孔位置精度误差小；
（2）组焊中减速器输出轴到吊线孔之间位置和尺寸误差小；
（3）钻孔效率和组焊找正效率都要有所提高；
（4）结构简单，操作方便实用；
（5）制造成本低，安全可靠。
3 制造工艺的改进及工装设计
由于钻模可以减少划线工序，限制钻孔刀具的摆动，提高钻孔位置精度等优点，而减速器底座与底盘的组焊采用吊线找正，方便快捷，因此基于这种设想我们对原工艺进行了修订。
3.1 减速器底座钻模工装设计
减速器底座钻模工装主要由8个部分组成，钻模底板设计时采用与减速器底座上顶板相同的外形和尺寸。定位采用六点定位原理，限制钻模工装的六个自由度，实现完全定位。
在钻模工装底板厚度的选取上，首先要保证钻模工装具有一定的强度。要求底板下料后进行校直，再组焊装配，为了保证起吊和长期使用中的变形，要求底板在吊装中的挠度小于1mm。因此钻模底板选用厚度为20mm的Q235-A钢板，经过计算挠度只有0.68mm符合设计要求。
夹紧装置采用勾头压板进行压紧，保证工件的加工精度和安全生产。将压板位置设计到钻模工装的内环，不仅方便夹紧，而且也方便钳工操作。
钻套设计时为了提高钻模孔的耐磨度，采用带肩固定钻套。淬火热处理需要达到 HRC50～55。
钻模套尺寸精度设计时，考虑钻孔尺寸精度IT12（0-0.25mm），钻模套外径尺寸精度与钻模底板上孔的配合采用过盈量在0.05-0.1mm之间的过盈配合。而标准刀具φ39的直径公差为（0，+0.039），因此钻模套的内孔配合选用间隙配合F8/h8 。为防止钻模套转动，采用螺栓固定，也便于钻套磨损后能迅速更换。
由于图纸上尺寸精度是自由公差，为了使钻孔后的尺寸精度在图纸要求的公差范围内，因此在设计钻模底板上孔的精度高于图纸设计的尺寸精度。
3.2 底盘钻模工装设计
底盘钻模工装主要由六个部分组成，定位采用中心线定位，使用时先找出底盘的中心线以及前支撑板的中心线，然后将钻模上专门设计的开口与中心线对齐，这样将左右、前后的位置限制住，最后只要将底盘钻模工装压紧在底盘上，便可以进行钻孔加工了。而将前后端板设计成一体式结构保证16个螺栓孔的位置精度，夹紧装置以及钻套采用与减速器钻模工装相同的设计原理与结构。
3.3 减速器底座与底盘组焊设计
减速器底座与底盘组焊关键是保证减速器底座上螺栓孔的横向中心线与底盘的横向中心线重合（即减速器横向中心线与底盘的横向中心线重合），同时保证减速器输
出轴中心线投影与其在底盘的中心线重合。 因此为了保证快速而精确的定位，设计采用吊线的方法。只要通过底盘钻模工装在底盘中心线上用样冲打出减速器底座中心线上吊线孔的两点投影，安装时只要调整使减速器底座上顶板的吊线坠与底盘的投影点重合，便可点焊牢固。因此只需要在减速器底座钻模工装和底盘钻模工装上找到相匹配的孔即可解决问题。
4 预期效果与价值
该工艺运用后可以大幅提高减速器底座和底盘的钻孔质量、精度以及生产效率。该工装的运用效果对以后不断优化抽油机钻孔加工件的工艺，都有非常重要的指导价值。
5 下一步打算
根据现场使用情况不断优化改进钻模工装；
将钻模工装应用与其他抽油机钻孔加工件上。
参考文献
[1] 徐灏，等.机械设计手册[M].机械工业出版社，1999
减速器设计篇8
关键词：虚拟装配；虚拟制造；参数化设计；齿轮减速器
中图分类号：TH132.46 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）03-0084-02
虚拟制造技术是产品制造的重要环节，对产品的成本、质量以及制造周期有着重大影响。本文研究圆柱齿轮减速器的虚拟装配技术，对虚拟制造技术具有极其广泛的应用推广价值。
1 虚拟装配的一般方法和步骤
本文以齿轮减速器为基本模型，讨论虚拟装配的有关技术方法，包括箱体类零件的创建方法、齿轮的参数化设计方法、轴承的装配方法、大型组件的装配方法、装配时各个元件间的体积干涉检验方法等，基本涵盖了机械产品设计的全过程。
1.1 减速器零部件实体建模
图1和图2表示出了箱座、箱盖、轴系、端盖等的配合关系，图1中箱座、箱盖部分采用半透明化处理，图2隐藏箱盖、轴承座孔连接螺栓、箱体连接螺栓，这两种方法都能够表达清楚内部结构。模拟装配的第一步是进行零件的实体建模，或者利用已有的实体零件库，本文从零件的实体建模开始讨论，减速器零件的三维实体建模首先进行箱体、箱盖、两对齿轮传动副、三根传动轴和三对轴承设计。
1.2 减速器零部件实体建模
箱盖和箱座是减速器装配的两个大部件，在这两部分的实体造型完成后，可以先进行一次装配，检查是否有不合理或者是漏创建的部分。减速器箱座和箱座三维模型分别如图3和图4所示。
高速轴为齿轮轴，齿轮的建模过程包括绘制草图、拉伸、旋转、切除、挖槽、倒角，考虑到小齿轮尺寸与该轴段尺寸相差不多，所以将小齿轮与轴制成一体，成型后的高速轴见图5。
低速轴部分：由于是回转体，未切键槽时是轴对称图形，在草图绘制平面上绘制对称图形的一半，标注尺寸（添加约束）通过旋转即可生成模型。至于键槽部分：通过建立两个参考平面，在参考平面上绘制键槽孔草图，再拉伸切除即可。草图旋转体平面开槽腔倒棱边倒角，成型后的高速轴见图6。
中间轴同高速轴的造型方法相同，也是齿轮轴，创建过程同高速轴。齿轮是一种参数化的零件，一个齿轮的形状，可以由它的模数、齿数、压力角、齿顶高系数、顶隙系数以及齿宽完全确定，只要修改这些参数的数值，就可以改变齿轮的形状。根据斜齿轮特征，建立模型的关键在于确定螺旋线、渐开线、齿根过渡曲线和齿厚。
1.3 轴承实体的参数化设计
本研究中参数化设计选择标准件类型为圆锥滚子轴承30 000，公称直径30 208，（30 210同30 208只是参数不同）。按照所需的轴承代号，选择好类型及参数，点击确定按钮后，即可得到减速器所需的轴承型号的三维模型，添加到装配模型中，如图7所示。
2 减速器的虚拟装配
作为虚拟制造技术的重要部分，虚拟装配是在计算机上的产品仿真过程。用户根据需要能进行下述工作：装配工艺的规划与设计；在屏幕上实现零件到产品的预装配；装配过程的碰撞、干涉检查：可装配性评估；装配过程的优化分析：装配经济指标评价；装配可靠性评估。
齿轮轴、齿轮、键装配完成后的实体模型，如图8和9所示。
三根齿轮轴、齿轮等主要零部件完成虚拟装配后的三维图如图10所示：装配是对几何体的集合进行管理，而不是生成新几何体。如果组成装配的零件发生改变，装配中会自动更新。利用虚拟装配技术，在计算机上完成零部件的实体造型、装配、检查。为新产品研制提供了一种新的设计方法和实施途径。
3 零部件参数化设计
参数化设计是指在构造产品模型时，模型结构在保持模型拓扑关系不变的前提下，可随尺寸参数或改成参数的具体数值变化而自动改变，形成新的产品模型。参数化设计师使用约束来实现设计与修改产品的一种方法，约束可以理解为若干个对象之间的相互关系，即限制一个或多个对象满足一定得关系、条件。
减速器参数化设计系统由常用件设计、附件设计、标准件库、减速器设计、系统帮助五大模块组成。减速器零件很多，下面就以减速器的代表性零件轴承为例，演示一下系统中常用的标准件调用过程。通过参数化设计减速器各个零部件，最后参数化生成圆柱齿轮减速器三维实体模型，从而大大提高了减速器的设计效率。
系统中标准件的调用过程：选择标准件类型为圆锥滚子轴承30 000，公称直径30 208，（30 210同30 208只是参数不同）。按照所需的轴承代号，选择好类型及参数，点击确定按钮后，即可得到减速器所需的轴承型号的三维模型，添加到装配模型中。单从对轴承的调用，足以见得参数化设计的便捷优势，用户不仅可以享受到个性化的界面，还可以抛开厚厚的手册，将建模由几个小时缩短了几秒钟，设计的过程简化了，设计的效率也大大提高了。
4 结 语
本文对虚拟装配系统的若干理论和关键技术进行了研究和探讨，先运用CATIA对每个零部件进行三维实体造型，再利用CATIA的装配模块，完成减速器的虚拟装配。通过齿轮减速器零件的参数化设计和虚拟装配完成了减速器总成的快速虚拟制造过程，虚拟装配过程发现的问题，在设计阶段就及时发现并进行了修改，大大缩短了产品的研发周期。
参考文献：
[1] 孙桓，陈作模.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2002.
[2] 张建平.基于VRML的减速器虚拟装配技术研究[D].西安：西北工业大学，2003.