一級(jí)圓弧齒輪減速器設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析研究

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1、 摘 要 減速器作為一種最常用的傳動(dòng)裝置，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)的各行各業(yè)中，根據(jù)減速器應(yīng)用場(chǎng)合的不一樣，對(duì)減速器的結(jié)構(gòu)和性能要求也有所區(qū)別。但是，由于在減速器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)者主要根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合大量的經(jīng)驗(yàn)公式和設(shè)計(jì)參數(shù)來進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)，很難實(shí)現(xiàn)減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了解決減速器的設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，設(shè)計(jì)成本高，傳動(dòng)質(zhì)量較低等問題，本文把虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用到減速器的設(shè)計(jì)優(yōu)化中。虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種嶄新的產(chǎn)品開發(fā)方法，它是一種基于產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)仿真模型的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法。利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，可以使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者、使用者和制造者在產(chǎn)

2、品研制的早期，在虛擬的環(huán)境中直觀形像地對(duì)虛擬的產(chǎn)品原型進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化、性能測(cè)試、制造仿真和使用仿真，這對(duì)啟迪設(shè)計(jì)創(chuàng)新、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、加快產(chǎn)品開發(fā)周期有重要意義。本文在虛擬樣機(jī)技術(shù)理論的指導(dǎo)下，在特征造型工具SolidWorks、機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS(Automatic Dynamic Analysis Mechanical System)集成系統(tǒng)基礎(chǔ)上，對(duì)圓弧齒輪減速器進(jìn)行了研究。首先利用SolidWorks軟件對(duì)其進(jìn)行了三維建模和裝配，并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，驗(yàn)證了模型的正確性和合理性；然后利用機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS對(duì)減速器傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算了齒輪激振力的大

3、小，為后面的有限元分析提供了必須的邊界條件；在此邊界條件下，利用有限元分析元件ANSYS對(duì)圓弧齒輪減速器的關(guān)鍵零部件——齒輪、軸等進(jìn)行了有限元靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，并闡述了利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)圓柱齒輪減速器進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論思想和方法。 關(guān)鍵詞：圓弧齒輪；減速器；虛擬樣機(jī) I Abstract The most commonly used as a speed reducer gear, has been widely used in the production of all walks of life, according t

4、o the reducer application is not the same, the gear unit structure and performance requirements are also different. However, due to the tradition of the gearbox design process, designers primarily based on past experience in the design, combined with the large number of empirical formula and design

5、parameters for the specific design, it is difficult to achieve the optimal design reducer. In order to solve the design cycle is long reducer, design costs are high, and low transmission quality problem, we applied to the virtual prototype technology reducer design optimization. Virtual prototyping

6、technology is a new approach to product development, it is a product-based computer simulation model of digital design methods. Use of virtual prototyping technology that can make the product designer and manufacturer of users early in the product development, in a virtual environment vividly visual

7、 prototypes for virtual product design optimization, performance testing, manufacturing simulation and use of simulation, this inspired design innovation, improve the design quality and reduce design errors, speed up product development cycle is important. In this paper, the theory of virtual protot

8、yping technology under the guidance of feature-based modeling tools in SolidWorks, mechanical dynamics simulation software ADAMS (Automatic Dynamic Analysis Mechanical System) integrated system, based on the arc gear reducer studied. The first was carried out using the SolidWorks software, 3D modeli

9、ng and assembly, and kinematic analysis carried out to verify the correctness and rationality of the model; then use the mechanical dynamics simulation software ADAMS reducer drive system for a dynamic analysis, calculate the size of the gear excitation force, for the back of the finite element anal

10、ysis provides the necessary boundary conditions; in this boundary conditions, using ANSYS finite element analysis component arc gear reducer for key components - gears, shafts, etc. the finite element static and dynamic analysis, and describes the use of virtual prototyping technology for cylindrica

11、l gear reducer system optimization design theory and methods of thinking. Keywords：Arc gear ；Reducer；Virtual Prototyping II 目 錄 第一章 緒論 1 1.1 課題研究背景及意義 1 1.2 圓弧齒輪的發(fā)展和應(yīng)用前景 1 1.3 論文結(jié)構(gòu) 4 第二章 虛擬樣機(jī)技術(shù) 5 2.1 虛擬樣機(jī)概述 5 2.2 虛擬樣機(jī)的特點(diǎn) 6 2.3 虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究情況 8 2.4 虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用 9 2.5 虛擬樣機(jī)技

12、術(shù)的局限性 11 2.6小結(jié) 12 第三章 基于SolidWorks的減速器的設(shè)計(jì)與虛擬裝配 13 3.1 圓弧齒輪的工作原理及特點(diǎn) 13 3.2齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 15 3.3 齒輪減速器的三維建模 19 3.4 齒輪減速器的虛擬裝配 24 3.5小結(jié) 25 第四章 減速器虛擬樣機(jī)的建模與應(yīng)力分析 26 4.1 虛擬樣機(jī)的建模 26 4.2 虛擬樣機(jī)的仿真 28 4.3 應(yīng)力分析 29 4.4小結(jié) 31 第五章 小結(jié)與展望 32 5.1 小結(jié) 32 5.2 展望 32 致 謝 33 參考文獻(xiàn) 34 第一章 緒

13、論 1.1 課題研究背景及意義 傳動(dòng)裝置是機(jī)器的重要組成部分，機(jī)器工作性能的好壞很大程度上取決于傳動(dòng)裝置的優(yōu)劣。因此，不斷提高傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)和制造水平具有極其重要的意義。齒輪傳動(dòng)是最常采用的一種傳動(dòng)形式，其主要特點(diǎn)有： (1)效率高：在常用的機(jī)械傳動(dòng)中，齒輪傳動(dòng)的效率為最高； (2)結(jié)構(gòu)緊湊：在同樣的使用條件下，齒輪傳動(dòng)所占用的空間一般較??； (3)工作壽命長(zhǎng)：設(shè)計(jì)合理、維護(hù)良好的齒輪傳動(dòng)，其使用壽命可長(zhǎng)達(dá)二十年； (4)傳動(dòng)比穩(wěn)定：常用的漸開線圓柱齒輪滿足定比傳動(dòng)條件，且具有可分性。 由于具備了上述特點(diǎn)，因此齒輪傳動(dòng)被廣泛應(yīng)用。 1.2 圓弧齒輪的發(fā)展和應(yīng)用前景 1.2

14、.1圓弧齒輪的發(fā)展史 圓弧齒形的設(shè)想最早是由英國人Humphris在1907年提出的；1922年，威克一波斯托克一布朗萊(Vichers—Bostock—Bramley)提出并研究了VBB齒輪。其特點(diǎn)為：齒輪幅在端面內(nèi)仍然有重合度存在，小齒輪為凸齒，大齒輪為凹齒，齒廓面J司為凸凹搭配，具有較小的誘導(dǎo)曲率，因此接觸強(qiáng)度大大增加。然而，這種齒輪出于凹齒齒頂厚度小，彎曲強(qiáng)度低，易于折斷，這樣使得VBB齒輪未能得到廣泛應(yīng)用，但它卻是對(duì)漸開線齒輪挑戰(zhàn)的一種嘗試。 1926年由美國格利森公司的瑞士人維爾特哈泊(E．wildhaber)在上述概念的基礎(chǔ)上，首次提出圓弧齒輪的方案，并取得專

15、利。他所提出的圓弧齒輪是指凹齒齒廓圓弧半徑的圓心在齒條型刀具的節(jié)線上，當(dāng)齒面嚙合時(shí)，凹齒齒廓圓心和節(jié)點(diǎn)重合，凸齒齒廓圓弧半徑比凹齒齒廓圓弧半徑減少一個(gè)數(shù)值。其本質(zhì)是法面為圓弧的圓弧齒輪，凸齒只有齒頂部分，凹齒只有齒根部分，但卻沒有能應(yīng)用到工業(yè)中去。 1956年，前蘇聯(lián)學(xué)者諾維柯夫(M．L Novikov)對(duì)維爾特哈泊的設(shè)想進(jìn)行完善，并在完成實(shí)用性研究后正式進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用階段。他所發(fā)明的齒輪是一種端面為圓弧的圓弧齒輪，該齒輪與E．wi ldhaber提出的正好相反：是以凸齒齒廓的圓心落在齒條型刀具的節(jié)線上，凹齒齒廓圓弧半徑比凸齒齒廓圓弧半徑大一個(gè)數(shù)值。同時(shí)，他對(duì)該種齒輪作了系統(tǒng)的理論分析

16、和強(qiáng)度計(jì)算，使該齒輪在工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用。1960年lO月在聯(lián)邦德國埃森C Essen)召開的國際齒輪會(huì)議上，將其定義為Nildhaber—Novikov齒輪，簡(jiǎn)稱為卜N齒輪，在我國被稱為圓弧點(diǎn)嚙合齒輪。圓弧齒輪傳動(dòng)與漸開線齒輪傳動(dòng)相比，具有以下特點(diǎn)： a．圓弧齒輪為凸凹搭配，具有很小的誘導(dǎo)曲率，因此接觸強(qiáng)度高，承載能力大： b．圓弧齒輪的瞬時(shí)接觸線在端面附近，傳動(dòng)過程中接觸線由齒輪的一端向另一端迅速移動(dòng)，有利于油膜的形成，因而具有優(yōu)良的潤(rùn)滑性能，提高了齒輪的使用壽命： c．由于凸凹齒廓圓弧存在半徑差，齒廓面間理論上為點(diǎn)接觸，降低了齒輪副對(duì)誤差的敏感度。 圓弧

17、齒輪一經(jīng)提出，在世界各國都得到廣泛重視。 1.2.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 早在1694年，法國學(xué)Philippe De La Hare首先提出漸開線可作為齒形曲線。1733年，法國人M.Clause 提出輪齒接觸點(diǎn)的公法線必須通過中心連線上的節(jié)點(diǎn)。一條輔助瞬心線分別沿大輪和小輪的瞬心線（節(jié)圓）純滾動(dòng)時(shí)，與輔助瞬心線固聯(lián)的輔助齒形在大輪和小輪上所包絡(luò)形成的兩齒廓曲線是彼此共軛的，這就是Camus定理。它考慮了兩齒面的嚙合狀態(tài)，明確建立了現(xiàn)代關(guān)于接觸點(diǎn)軌跡的概念。1765年瑞士的LEuler提出漸開線齒形解析研究的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，闡明了相嚙合的一對(duì)齒輪，其齒形曲線的曲率半徑和曲率中心位置的

18、關(guān)系．后來Savary進(jìn)一步完成這-方法，成為現(xiàn)在的Euler－Savary方程．對(duì)漸開線齒形應(yīng)用作出貢獻(xiàn)的是Robert Willis.他提出中心距變化時(shí)，漸開線齒輪具有角速比不變的優(yōu)點(diǎn)．1873年德國工程師Hoppe提出，對(duì)不同齒數(shù)的齒輪在壓力角改變時(shí)的漸開線齒形，從而奠定了現(xiàn)代變位齒輪的思想基礎(chǔ)。 以上是國外對(duì)圓弧齒輪的研究與應(yīng)用情況。國內(nèi)對(duì)圓弧齒輪的應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)也相當(dāng)重視。自1959年春朱景梓教授將圓弧齒輪的資料由前蘇聯(lián)帶回國內(nèi)，各大院校、高校與工廠迅速開展了有關(guān)圓弧齒輪的研究工作，并與當(dāng)年分別在天津和洛陽召開全國圓弧齒輪技術(shù)會(huì)議。1961年11月，中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)在北京舉行的

19、十周年年會(huì)上，將“圓弧齒輪在我國的應(yīng)用與發(fā)展”列為中心議題之一，在對(duì)圓弧齒輪傳動(dòng)充分肯定的基礎(chǔ)上，根據(jù)生產(chǎn)中迫切需要解決的問題，從嚙合原理、強(qiáng)度計(jì)算、減速器設(shè)計(jì)、計(jì)量與檢驗(yàn)等四個(gè)方面進(jìn)行了深入熱烈的討論。這次會(huì)議對(duì)圓弧齒輪的理論研究與生產(chǎn)應(yīng)用起到了巨大的推動(dòng)作用。1962年12月，在上海召開了圓弧齒輪技術(shù)會(huì)議，對(duì)圓弧齒輪所取得的成就進(jìn)行了總結(jié)。1965年，在杭州召開了高速圓弧齒輪傳動(dòng)經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)，重點(diǎn)討論如何提高圓弧齒輪的傳動(dòng)質(zhì)量問題。同年11月，在鞍山召開了中、低速圓弧齒輪會(huì)議，對(duì)大模數(shù)圓弧齒輪的主要失效形式，中、小模數(shù)圓弧齒輪的彎曲強(qiáng)度、塑性變形，以及提高精度等重大問題進(jìn)行了深入研究。經(jīng)過十

20、多年的努力，在圓弧齒輪制造工藝的改進(jìn)、制造精度的提高等方面都取得了很大的成績(jī)。尤其是在中低速重載齒輪傳動(dòng)方面，將圓弧齒輪用于軋鋼機(jī)上，技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果最為顯著，與原來使用的漸開線齒輪減速器相比，大大提高了使用功率，延長(zhǎng)了齒輪使用壽命。在高速齒輪傳動(dòng)方面，圓弧齒輪也廣泛應(yīng)用于中小型汽輪機(jī)、離心式鼓風(fēng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)等產(chǎn)品中。 為了提高動(dòng)力傳動(dòng)齒輪的使用壽命并減小其尺寸。除從材料、熱處理及結(jié)構(gòu)等方面改進(jìn)了外圓弧齒形的齒輪獲得了發(fā)展。1907年，英國人Frank Humphris最早發(fā)表了圓弧齒形．1926年．瑞士人Eruest Wildhaber取得法面圓弧齒形斜齒輪的專利權(quán)。1955年，蘇

21、聯(lián)的MLNovikov完成了圓弧齒形齒輪的實(shí)用研究并獲得列寧勛章。1970年。英國Rolls－Royce公司工程師RM.Studer取得了雙圓弧齒輪的美國專利。這種齒輪現(xiàn)已日益為人們所重視，在生產(chǎn)中發(fā)揮了顯著效益。 新中國成立后，當(dāng)時(shí)基本上沒有生產(chǎn)齒輪的能力，經(jīng)過第一、二個(gè)五年計(jì)劃的努力。我國初步形成了一套包括汽車、機(jī)床、重型機(jī)械。電站設(shè)備、石油化工與通用設(shè)備等機(jī)械制造能力，同時(shí)，齒輪制造業(yè)也隨著發(fā)展起來。到1963年左右。我國不僅已能成批生產(chǎn)齒輪，而且一般規(guī)格的齒輪機(jī)床與刀具、量?jī)x也能由國內(nèi)制造。后來，國家新建和改建了一大批齒輪與齒輪箱的專業(yè)廠與專業(yè)車間。進(jìn)一步擴(kuò)大了齒輪配套的生產(chǎn)能力，到

22、70年代末，已基本上形成我國齒輪制造工業(yè)的完整體系。 1959年以后．針對(duì)當(dāng)時(shí)漸開線齒輪齒面接觸強(qiáng)度差、工藝水平低、質(zhì)量差的薄弱環(huán)節(jié)，我國從蘇聯(lián)引進(jìn)了圓弧齒輪的科技成果，利用軸向共軛代替端面共軛和利用圓弧齒輪齒面接觸強(qiáng)度比較高的特點(diǎn)，代替了不少機(jī)械產(chǎn)品的漸開線齒輪，70年代末，在一系列高速與低速傳動(dòng)中成功地應(yīng)用單圓弧齒輪的基礎(chǔ)上，采用雙圓弧齒輪代替單圓弧齒輪，使抗彎強(qiáng)度提套40%~60%,工藝上改善了，應(yīng)用范圍獲得了進(jìn)一步擴(kuò)大 1970年以來，工業(yè)發(fā)達(dá)國家隨著機(jī)械產(chǎn)品功率與參數(shù)的提高，對(duì)齒輪結(jié)構(gòu)尺寸、性能與可靠性要求也提高了，硬齒面齒輪日益發(fā)展．目前正在對(duì)硬齒面齒輪的設(shè)計(jì)、工藝、材料熱處理

23、、試驗(yàn)等進(jìn)行一系列研究．我國已經(jīng)研制出一批較高設(shè)計(jì)參數(shù)的硬齒面齒輪，如應(yīng)用于壓縮機(jī)與軋鋼機(jī)的齒輪功率3000~4500kw，圓周速度140~152m/s，負(fù)荷系數(shù)180~310N/cm2精度等級(jí)4~5級(jí)；已能成批制造用于加工硬齒面的超硬刀具；國產(chǎn)新系列滾齒機(jī)巳能適應(yīng)加工硬齒面齒輪的需要。 為了進(jìn)一步提高齒輪的精度水平，我國正在貫徹JB179-83"漸開線圓柱齒輪精度標(biāo)準(zhǔn)"，普遍提高了對(duì)齒輪量?jī)x的要求。目前對(duì)于中等尺寸以下的中小模數(shù)齒輪，各種量?jī)x巳基本配套，大模數(shù)齒輪上置式周節(jié)測(cè)量?jī)x已研制出來；1968年我國首創(chuàng)了齒輪整體誤差測(cè)量理論和方法，1970年運(yùn)用這一方法研制成了截面整體誤差測(cè)量?jī)x，從

24、而將我國齒輪測(cè)量技術(shù)發(fā)展到動(dòng)態(tài)綜合測(cè)量的新階段。 汽車、拖拉機(jī)、礦山及運(yùn)輸設(shè)備等所用的螺旋園錐齒輪，大多采用美國格利森制。這種齒輪生產(chǎn)批量大，但因切齒計(jì)算與調(diào)整繁復(fù)，生產(chǎn)上難以獲得理想的輪齒接觸區(qū)，制造質(zhì)量差，使用壽命不高．七十年代以來，在引進(jìn)國外加工設(shè)備與整套電算程序基礎(chǔ)上；開展對(duì)螺旋錐齒輪嚙合理論的研究消化掌握其程序軟件。在生產(chǎn)上已取得成效。 我國越來越多的人掌握了齒輪嚙合原理的分析方法，對(duì)復(fù)雜曲面的幾何計(jì)算還提供了各種計(jì)算方法，一般能從嚙合理論的觀點(diǎn)，分析計(jì)算各種齒輪的參數(shù)。因而提高了我國齒輪設(shè)計(jì)的水平。我國在齒輪材料、熱處理技術(shù)與齒輪試驗(yàn)技術(shù)與測(cè)試方法方面也積累了不少的經(jīng)驗(yàn)。綜上

25、所述，我國齒輪生產(chǎn)已達(dá)相當(dāng)規(guī)模。設(shè)計(jì)與工藝水乎不斷提高，有一批齒輪產(chǎn)品已經(jīng)接近或達(dá)到國際水平，但就總體來講還有一定差距，需要我們共同努力，狠抓薄弱環(huán)節(jié)，才能有更大進(jìn)展。 1.2.3 發(fā)展趨勢(shì) 齒輪傳動(dòng)技術(shù)是機(jī)械工程技術(shù)的重要組成部分，在一定程度上標(biāo)志著機(jī)械工程技術(shù)的水平。因此，齒輪被公認(rèn)為工業(yè)和工業(yè)化的象征。電子計(jì)算機(jī)在各工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用促進(jìn)了各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展．同樣，在齒輪的設(shè)計(jì)、計(jì)算方面進(jìn)展也很快，人們利用計(jì)算機(jī)能對(duì)各種可能的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算、分析和比較，并通過優(yōu)選，取得較為理想的結(jié)果．例如在分析齒面接觸區(qū)，求嚙合線與相對(duì)速度夾角中，對(duì)彈流潤(rùn)滑計(jì)算以及幾何參數(shù)計(jì)算等方面編制了程序。還

26、有，在齒輪修形計(jì)算與齒輪承載能力計(jì)算方面都編有程序．我國已編制了GB3480-83漸開線圓柱齒輪承載能力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的程序軟件,供生產(chǎn)應(yīng)用．在齒輪加工方面，可以利用計(jì)算機(jī)控制整個(gè)切齒過程．使制造質(zhì)量穩(wěn)定可靠．目前，國內(nèi)在研究應(yīng)用微機(jī)對(duì)弧齒錐齒輪的切齒調(diào)整卡進(jìn)行計(jì)算，可對(duì)加工偏差及時(shí)調(diào)整．使齒面接觸達(dá)到比較理想的位置，并大大提高了工效。此外，根據(jù)數(shù)控原理，應(yīng)用微機(jī)對(duì)環(huán)面蝸桿螺旋齒面進(jìn)行拋物線修形，已經(jīng)應(yīng)用于生產(chǎn)。雖然這方面的工作在國內(nèi)還處于起步階段，但它對(duì)提高齒輪制造質(zhì)量和技術(shù)水平具有重要意義。 1.3論文結(jié)構(gòu) 本論文包含的內(nèi)容有中英文摘要，第一章緒論，第二章至第四章為論文主題，第五章小結(jié)，

27、再加參考文獻(xiàn)和致謝詞。 第一章緒論主要介紹了圓弧齒輪減速器的研究背景意義和國內(nèi)外的發(fā)展過程以及應(yīng)用前景。 第二章至第四章分別對(duì)虛擬樣機(jī)技術(shù)、基于Solidworks的減速器的設(shè)計(jì)與虛擬裝配、減速器虛擬樣機(jī)的建模與應(yīng)力分析進(jìn)行了講解。 第五章則是對(duì)本論文的一個(gè)小結(jié)和對(duì)圓弧齒輪減速器的一個(gè)展望。 第二章 虛擬樣機(jī)技術(shù) 2.1 虛擬樣機(jī)概述 2.1.1 產(chǎn)生背景 傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式要經(jīng)過圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、樣機(jī)制造，測(cè)試改進(jìn)、定型生產(chǎn)等步驟，為了使產(chǎn)品滿足設(shè)計(jì)要求，往往要多次制造樣機(jī)，反復(fù)測(cè)試，費(fèi)時(shí)費(fèi)力、成本高昂。虛擬樣機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)，改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方

28、式，采用數(shù)字技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。它能夠在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)——試驗(yàn)——設(shè)計(jì)的反復(fù)過程，大大降低了研發(fā)周期和研發(fā)資本，能夠快速響應(yīng)市場(chǎng)，適應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)產(chǎn)品T（time）、Q（quality）、C（cost）、S（services）、E（environment）的要求，極大地促進(jìn)了敏捷制造的發(fā)展，推動(dòng)了制造業(yè)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化。 2.1.2 虛擬樣機(jī)技術(shù)定義 虛擬樣機(jī)技術(shù)[3-4](Virtual Prototyping, VP)是指在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中,將分散的零部件設(shè)計(jì)和分析技術(shù)(指在某一系統(tǒng)中零部件的CAD和FEA 技術(shù))揉合在一起,在計(jì)算機(jī)上建造出產(chǎn)品的整體模型,并針對(duì)該產(chǎn)

29、品在投入使用后的各種工況進(jìn)行仿真分析,預(yù)測(cè)產(chǎn)品的整體性能,進(jìn)而改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì),提高產(chǎn)品性能的一種新技術(shù)。 虛擬樣機(jī)技術(shù)是一門綜合多學(xué)科的技術(shù),它的核心部分是多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)建模理論及其技術(shù)實(shí)現(xiàn)。CAD/ FEA 技術(shù)的發(fā)展為虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用提供了技術(shù)環(huán)境和技術(shù)支撐。虛擬樣機(jī)技術(shù)改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想,將分散的零部件設(shè)計(jì)和分析技術(shù)集成于一體,提供了一個(gè)全新的研發(fā)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法。虛擬樣機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)流程見圖2-1。 圖2-1 虛擬樣機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)流程 2.1.3 虛擬樣機(jī)分類 虛擬樣機(jī)按照實(shí)現(xiàn)功能的不同可分為結(jié)構(gòu)虛擬樣機(jī)、功能虛擬樣

30、機(jī)和結(jié)構(gòu)與功能虛擬樣機(jī)。 結(jié)構(gòu)虛擬樣機(jī)主要用來評(píng)價(jià)產(chǎn)品的外觀、形狀和裝配。新產(chǎn)品設(shè)計(jì)首先表現(xiàn)出來的就是產(chǎn)品的外觀形狀是否滿意,其次,零部件能否按要求順利安裝,能否滿足配合要求,這些都是在產(chǎn)品的虛擬樣機(jī)中得到檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)的。 功能虛擬樣機(jī)主要用于驗(yàn)證產(chǎn)品的工作原理,如機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和動(dòng)力學(xué)仿真。新產(chǎn)品在滿足了外觀形狀的要求以后,就要檢驗(yàn)產(chǎn)品整體上是否符合基于物理學(xué)的功能原理。這一過程往往要求能實(shí)時(shí)仿真,但基于物理學(xué)功能分析,計(jì)算量很大,與實(shí)時(shí)性要求經(jīng)常沖突。 結(jié)構(gòu)與功能虛擬樣機(jī)主要用來綜合檢查新產(chǎn)品試制或生產(chǎn)過程中潛在的各種問題。這是將結(jié)構(gòu)虛擬樣機(jī)和功能虛擬樣機(jī)結(jié)合在一起的一種完備型的虛擬樣

31、機(jī)。它將結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和功能檢驗(yàn)?zāi)繕?biāo)有機(jī)結(jié)合在一起,提供全方位的產(chǎn)品組裝測(cè)試和檢驗(yàn)評(píng)價(jià),實(shí)現(xiàn)真正意義上的虛擬樣機(jī)系統(tǒng)。這種完備型虛擬樣機(jī)是目前虛擬樣機(jī)領(lǐng)域研究的主要方向。 2.1.4 虛擬樣機(jī)技術(shù)特點(diǎn) 虛擬樣機(jī)技術(shù)具有以下特點(diǎn) ①新的研發(fā)模式 傳統(tǒng)的研發(fā)方法是一個(gè)串行過程,而虛擬樣機(jī)技術(shù)真正地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)角度的產(chǎn)品優(yōu)化。它基于并行工程使產(chǎn)品在概念設(shè)計(jì)階段就可以迅速地分析、比較多種設(shè)計(jì)方案,確定影響性能的敏感參數(shù),并通過可視化技術(shù)設(shè)計(jì)產(chǎn)品、預(yù)測(cè)產(chǎn)品在真實(shí)工況下的特征以及所具有的響應(yīng),直至獲得最優(yōu)的工作性能。 ②更低的研發(fā)成本、更短的研發(fā)周期、更高的產(chǎn)品質(zhì)量 通過計(jì)算機(jī)技術(shù)建立產(chǎn)品的數(shù)

32、字化模型,可以完成無數(shù)次物理樣機(jī)無法進(jìn)行的虛擬試驗(yàn),從而無需制造及試驗(yàn)物理樣機(jī)就可獲得最優(yōu)方案,因此不但減少了物理樣機(jī)的數(shù)量,而且縮短了研發(fā)周期、提高了產(chǎn)品質(zhì)量。 ③實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聯(lián)盟的重要手段 動(dòng)態(tài)聯(lián)盟的概念即為了適應(yīng)快速變化的全球市場(chǎng),克服單個(gè)企業(yè)資源的局限性,出現(xiàn)了在一定時(shí)間內(nèi),通過Internet 臨時(shí)締結(jié)的一種虛擬企業(yè)。為實(shí)現(xiàn)并行設(shè)計(jì)和制造,參盟企業(yè)之間產(chǎn)品信息的交流尤顯重要。而虛擬樣機(jī)是一種數(shù)字化模型,通過網(wǎng)絡(luò)輸送產(chǎn)品信息,具有傳遞快速、反饋及時(shí)的特點(diǎn),進(jìn)而使動(dòng)態(tài)聯(lián)盟的活動(dòng)具有高度的并行性。 2.2 虛擬樣機(jī)的特點(diǎn) 2.2.1 虛擬樣機(jī)的功能組成 虛擬樣機(jī)技術(shù)的實(shí)現(xiàn),必備的三個(gè)

33、相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域是: CAD技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和以虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality )為最終目標(biāo)的人機(jī)交互技術(shù)。 虛擬樣機(jī)技術(shù)生成的前提是虛擬部件的“制造”。成熟的SolidWorks三維幾何造型軟件能快速、便捷地設(shè)計(jì)和生成三維造型。虛擬部件必須包含顏色、材質(zhì)、外表紋理等外在特征以顯示真實(shí)的外觀,同時(shí)還必須包含質(zhì)量、重心位置、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等內(nèi)在特征,用來進(jìn)行精確的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真運(yùn)算。 SolidWorks[5-6]生成的三維造型數(shù)據(jù)只有在導(dǎo)入虛擬樣機(jī)環(huán)境,在虛擬環(huán)境中能測(cè)量和裝配,并能顯示出三維的外觀造型后才能成為真正意義上的虛擬部件。 SolidWorks三維造型還是實(shí)現(xiàn)最終從虛

34、擬部件“制造”到現(xiàn)實(shí)部件制造的基礎(chǔ)。 虛擬樣機(jī)是代替物理樣機(jī)進(jìn)行檢測(cè)的數(shù)學(xué)模型。它的內(nèi)核是包含組成整機(jī)的不同學(xué)科子系統(tǒng)的大模型,即Digital Mock-UP,簡(jiǎn)稱DMU。由于DMU同時(shí)包含了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的所有學(xué)科提供的多個(gè)視角,并對(duì)產(chǎn)品的外形、功能等方面進(jìn)行了科學(xué)、連貫的評(píng)價(jià),因此通過虛擬樣機(jī),能進(jìn)行產(chǎn)品綜合性能評(píng)測(cè)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法注意力集中于單學(xué)科,重視子系統(tǒng)細(xì)節(jié),而忽視了整機(jī)性能,就是因?yàn)闊o法同時(shí)從多視角對(duì)產(chǎn)品綜合性能進(jìn)行評(píng)定。 虛擬樣機(jī)必須具備交互的功能。設(shè)計(jì)師通過交戶界面對(duì)參數(shù)化“軟模型”進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)虛擬樣機(jī)原型多樣化。而虛擬樣機(jī)反過來通過動(dòng)畫、曲線和圖表等方式向設(shè)計(jì)師提供產(chǎn)品感知

35、和性能評(píng)價(jià)。最好的交互手段是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。除了應(yīng)用上述傳統(tǒng)方式,設(shè)計(jì)師還能通過數(shù)據(jù)手段,修改虛擬部件的參數(shù),對(duì)虛擬部件重新裝配,生成新的虛擬樣機(jī)。虛擬樣機(jī)仿真模型,通過力反饋操縱桿等傳感裝置,向設(shè)計(jì)師傳遞虛擬樣機(jī)操縱力感,通過立體眼鏡向設(shè)計(jì)師提供實(shí)時(shí)的立體圖像,有了這些人類對(duì)產(chǎn)品的直觀感知,就能使設(shè)計(jì)師產(chǎn)生強(qiáng)烈的“虛擬現(xiàn)實(shí)”沉浸感,協(xié)助設(shè)計(jì)師和用戶對(duì)產(chǎn)品性能做出評(píng)價(jià)。 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作技術(shù)(Computer Supported Cooperative Work,簡(jiǎn)稱CSCW) 、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理( PDM)和知識(shí)管理等是虛擬樣機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的重要低層次技術(shù)支撐。通過這些技術(shù)將產(chǎn)品的各

36、個(gè)設(shè)計(jì)、分析小組人員聯(lián)系在一起,共同完成新產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)直到方案評(píng)估的整個(gè)開發(fā)過程。 2.2.2虛擬樣機(jī)的生產(chǎn)流程 生成虛擬樣機(jī)的具體流程如圖2-2所示。 圖2-2 虛擬樣機(jī)的生產(chǎn)流程 在第一階段,描述虛擬部件的CAD 數(shù)據(jù)必須產(chǎn)生,并且做針對(duì)實(shí)時(shí)應(yīng)用的預(yù)處理。CAD 數(shù)據(jù)的產(chǎn)生,可以采用反求工程方法,從現(xiàn)有產(chǎn)品上獲取,或直接由CAD三維造型軟件設(shè)計(jì)產(chǎn)生。 第二階段是針對(duì)DMU 仿真的需要對(duì)CAD幾何造型進(jìn)行后處理。首先是對(duì)模型的幾何部分進(jìn)行分層管理，以支持對(duì)每個(gè)零件的交互訪問,實(shí)現(xiàn)參數(shù)修改。這一點(diǎn)在常用的三維造型軟件中都能做到；其次是給零件添加顏色、材質(zhì)

37、等屬性，賦予虛擬部件的真實(shí)外觀；最后為CAD幾何造型能準(zhǔn)確導(dǎo)入到虛擬樣機(jī)仿真環(huán)境中進(jìn)行處理,建立參照坐標(biāo)系。 第三階段是將處理好的CAD三維模型連接到虛擬樣機(jī)內(nèi)核上，使之與定義好的運(yùn)動(dòng)聯(lián)結(jié)( joints) 、運(yùn)動(dòng)約束(Constraints)的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)以及其它子系統(tǒng)有機(jī)聯(lián)系在一起，最后在虛擬樣機(jī)仿真環(huán)境下生成虛擬樣機(jī)。 2.3虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究情況 美國Iowa 大學(xué)與Caterpillar 公司合作,開發(fā)了裝載機(jī)專用仿真軟件IDS ( Iowa Driving Simulator) 。裝載機(jī)專用仿真軟件IDS 的開發(fā)經(jīng)歷了3 個(gè)階段: IDS 開發(fā)的第1 階段:在考慮了輪胎和液

38、壓系統(tǒng)作用的前提下,建立裝載機(jī)開環(huán)模型、仿真裝載機(jī)行駛過程中的操作性能以及仿真裝載機(jī)行走過程中和工作過程中駕駛員的運(yùn)動(dòng)。 IDS 開發(fā)的第2 階段:開發(fā)了圖形用戶界面,建立礦山路面和礦山場(chǎng)景的裝載機(jī)虛擬仿真環(huán)境。圖形用戶界面能夠修改裝載機(jī)仿真模型的參數(shù),包括底盤參數(shù)、傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)、液壓系統(tǒng)參數(shù)和輪胎參數(shù)。修改所需要研究的參數(shù)后,仿真軟件在虛擬環(huán)境中快速改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù),裝載機(jī)按照修改后的參數(shù)重新裝配,精確性較高,實(shí)時(shí)性較強(qiáng)。 IDS 開發(fā)的第3 階段:考慮到裝載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá),仿真模型中連接了液壓系統(tǒng)與傳動(dòng)系統(tǒng),對(duì)裝載機(jī)底盤和工作裝置模型進(jìn)行細(xì)化,進(jìn)一步提高仿真精度。模型仿真工作裝置的

39、工作過程,研究解決了機(jī)械系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性能。 瑞典Volvo公司與瑞典Linkǒping大學(xué)、瑞典Royal Institute of Technology 等合作,為解決復(fù)雜工程車輛多學(xué)科仿真問題,發(fā)展多學(xué)科仿真集成軟件技術(shù),合作制訂了VISP 研究項(xiàng)目。VISP 目標(biāo)針對(duì)工程人員采用合適的方法,開發(fā)界面友好的動(dòng)力學(xué)分析研究軟件平臺(tái),進(jìn)行復(fù)雜工程車輛的建模和準(zhǔn)確的仿真。VISP 以裝載機(jī)為研究對(duì)象,仿真內(nèi)容包含裝載機(jī)整車機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)。 國外的虛擬樣機(jī)技術(shù)已走向商業(yè)化，目前比較有影響力的軟件有美國機(jī)械動(dòng)力學(xué)公司（Mechanical Dynamics Inc1）的AD

40、AMS（Automatic Dynamic analysis of Mechanical System）機(jī)械系統(tǒng)自動(dòng)動(dòng)力學(xué)分析軟件，CADSI 的DADS（Dynamic Analysis and Design System） 動(dòng)力學(xué)分析和設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件，德國航天局的SIMPACK。其中美國機(jī)械動(dòng)力學(xué)公司的ADAMS 占據(jù)了市場(chǎng)的50 %以上，其它軟件的還有Working Model 、Folw3D、IDEAS、ANSYS 等等。 國內(nèi)的企業(yè)在虛擬樣機(jī)技的應(yīng)用上，主要是集成現(xiàn)成的國外軟件，如PRO/E、ADAMS、MATLAB、ANSYS 等。對(duì)國外軟件的依賴性強(qiáng)，單位投資大。有些單位采用對(duì)市

41、場(chǎng)上現(xiàn)有軟件進(jìn)行二次開發(fā)的方式，來滿足設(shè)計(jì)分析的需要。 關(guān)于虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究主要是依托專業(yè)研究機(jī)構(gòu)及高校研究機(jī)構(gòu)，如清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、國防科技大學(xué)、天津大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、西南交通大學(xué)等高校都針對(duì)不同的領(lǐng)域有各自得研究成果。北京航空航天大學(xué)、國防科技大學(xué)等單位，很早就投入了虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究和應(yīng)用，在開發(fā)系統(tǒng)仿真平臺(tái)、協(xié)同環(huán)境研究、使用并行工程等方面都取得了一定的研究成果，并提出了設(shè)計(jì)——分析——仿真一體化設(shè)計(jì)方法。國內(nèi)有些高校正試圖針對(duì)專業(yè)領(lǐng)域，開發(fā)實(shí)用化軟件，力求開發(fā)出國產(chǎn)的商業(yè)化軟件。技術(shù)方面，對(duì)可視化的研究已經(jīng)較為成熟，但在分析方面仍比較欠缺。 由于虛擬樣機(jī)技術(shù)涉及多領(lǐng)

42、域知識(shí)的綜合應(yīng)用，不同的研究機(jī)構(gòu)，在建模仿真、動(dòng)力學(xué)分析、熱特性分析等方面各有優(yōu)勢(shì)，在大型復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)中，常采用多個(gè)機(jī)構(gòu)合作的方式，協(xié)同設(shè)計(jì)、復(fù)雜產(chǎn)品的開發(fā)方法等方面仍有待研究。我國已有單位在著手開發(fā)復(fù)雜產(chǎn)品的虛擬系統(tǒng)，尋找研究方法和思路，已經(jīng)取得了階段性的成果，建立了研究框架，但仍需要長(zhǎng)時(shí)間的研究和努力。 2.4 虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用 在美國、德國等發(fā)達(dá)國家虛擬樣機(jī)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用，應(yīng)用的領(lǐng)域涉及汽車制造、機(jī)械工程、航空航天、軍事國防、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域，涉及的產(chǎn)品由簡(jiǎn)單的照相機(jī)快門到龐大的工程機(jī)械。虛擬樣機(jī)技術(shù)使高效率、高質(zhì)量的設(shè)計(jì)生產(chǎn)成為可能。 美國波音飛機(jī)公司的波音777 飛機(jī)是

43、世界上首架以無圖紙方式研發(fā)及制造的飛機(jī)，其設(shè)計(jì)、裝配、性能評(píng)價(jià)及分析均采用了虛擬樣機(jī)技術(shù)，這不但使研發(fā)周期大大縮短（其中制造周期縮短50%），研發(fā)成本大大降低（如減少設(shè)計(jì)更改費(fèi)用94%），而且確保了最終產(chǎn)品一次接裝成功。通用動(dòng)力公司1997 年建成了第一個(gè)全數(shù)字化機(jī)車虛擬樣機(jī)，并行地進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析、制造及夾具、模具工裝設(shè)計(jì)和可維修性設(shè)計(jì)。日產(chǎn)汽車公司，利用虛擬樣機(jī)進(jìn)行概念設(shè)計(jì)、包裝設(shè)計(jì)、覆蓋件設(shè)計(jì)、整車仿真設(shè)計(jì)等。Caterpillar 公司采用了虛擬樣機(jī)技術(shù)，從根本上改進(jìn)了設(shè)計(jì)和試驗(yàn)步驟，實(shí)現(xiàn)了快速虛擬試驗(yàn)多種設(shè)計(jì)方案，從而使其產(chǎn)品成本降低，性能卻更加優(yōu)越。John Deere 公司利

44、用虛擬樣機(jī)技術(shù)找到了工程機(jī)械在高速行駛時(shí)的蛇行現(xiàn)象及在重載下的自激振動(dòng)問題的原因，提出了改進(jìn)方案，且在虛擬樣機(jī)上得到了驗(yàn)證。美國海軍的NAVAIR/APL 項(xiàng)目，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域多學(xué)科的設(shè)計(jì)并行和協(xié)同，形成了協(xié)同虛擬樣機(jī)技術(shù)（collaborative virtual prototyping），他們研究發(fā)現(xiàn)，協(xié)同虛擬樣機(jī)技術(shù)不僅使得產(chǎn)品的上市時(shí)間縮短，還使得產(chǎn)品的成本減小了至少20%。 我國虛擬樣機(jī)技術(shù)最早應(yīng)用于軍事、航空領(lǐng)域，如飛行器動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)、武器制造、導(dǎo)彈動(dòng)力學(xué)分析等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬樣機(jī)技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到了機(jī)械工程、汽車制造、航空航天、軍事國防等各個(gè)領(lǐng)域，在很

45、多具體機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造中發(fā)揮了作用。如復(fù)雜高精度數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)優(yōu)化、機(jī)構(gòu)的幾何造型、運(yùn)動(dòng)仿真、碰撞檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)特性分析、機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、熱特性和熱變性分析、液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)等等。在虛擬造型設(shè)計(jì)、虛擬加工、虛擬裝配、虛擬測(cè)試、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)培訓(xùn)、虛擬試驗(yàn)、虛擬工藝等方面都取得了相應(yīng)的成果。例如將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)車車輛這樣復(fù)雜產(chǎn)品的研發(fā)中，將傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)與虛擬樣機(jī)技術(shù)相結(jié)合，使動(dòng)力學(xué)計(jì)算、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析、空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算、疲勞可靠性分析等問題得到更好的解決，為鐵路機(jī)車車輛虛擬樣機(jī)的國產(chǎn)化提供了一條有效的解決途徑。在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，分析機(jī)構(gòu)的精度和可靠性。虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用在重型

46、載貨汽車的平順性研究上，可以有效的評(píng)價(jià)汽車的平順性，虛擬樣機(jī)技術(shù)還可以對(duì)復(fù)雜零件進(jìn)行虛擬加工，檢驗(yàn)零件的加工工藝性，為物理樣機(jī)研制提供保障。虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究，為內(nèi)燃機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 虛擬樣機(jī)技術(shù)在減速器動(dòng)力學(xué)研究方面也有很多應(yīng)用。目前，將虛擬樣機(jī)技術(shù)運(yùn)用到減速器動(dòng)力學(xué)性能分析的也并不少見。我校的諶先文完成了對(duì)減速器標(biāo)準(zhǔn)零件和產(chǎn)品庫的建立，并在此基礎(chǔ)上建立了S42減速器的剛體虛擬樣機(jī)模型，檢驗(yàn)了該減速器虛擬樣機(jī)的傳動(dòng)比，系統(tǒng)的穩(wěn)定性，動(dòng)態(tài)嚙合仿真等分析。吉林大學(xué)的關(guān)喜春對(duì)三自由度非線形齒輪傳動(dòng)減速器進(jìn)行仿真，通過添加輔助輪的辦法考慮了齒輪內(nèi)部因素如嚙合剛度，

47、嚙合阻尼以及嚙入嚙出沖擊對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)特性的影響。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的李偉，何勝勇等人建立了擺線針輪減速器虛擬樣機(jī)模型，對(duì)天津減速器總廠XW81751l型擺線針輪減速器的傳動(dòng)比進(jìn)行了計(jì)算，對(duì)針齒與擺線輪嚙合狀況進(jìn)行了仿真分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)?？偟膩碚f，仿真過程可以劃分為以下幾個(gè)步驟： (1)傳動(dòng)比檢驗(yàn)，驗(yàn)證虛擬樣機(jī)的證確性。 (2)載荷歷程分析，例如齒輪的接觸力，軸承處的受力，軸承孔處的支反力，為在后續(xù)的有限元軟件中分析提供載倚譜。 (3)根據(jù)分析問題的需要，選擇輸出響應(yīng)。例如輸入輸出軸角加速度等振動(dòng)分析。以及減速器內(nèi)外部激勵(lì)變化對(duì)其的影響用以檢查其系統(tǒng)的穩(wěn)

48、定性。 (4)選出對(duì)系統(tǒng)影響比較大的參數(shù)，選擇合適的目標(biāo)函數(shù)，對(duì)減速器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 但所有這些研究也存在如下問題： (1)論文中減速器虛擬樣機(jī)是在理想環(huán)境下進(jìn)行仿真分析的，忽略了零部件的受力變形，這與真實(shí)的物理環(huán)境下的分析有一定的誤差。為了提高該虛擬樣機(jī)仿真的置信度以及實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的準(zhǔn)確模擬，在本論文中，把關(guān)鍵部件轉(zhuǎn)化為柔性體進(jìn)行分析：其中，軸作為減速器機(jī)構(gòu)中承受較大負(fù)載且容易扭曲的部件，齒輪作為傳動(dòng)過程中承受較大動(dòng)載倚的部件，均可以作為柔性體來分析，考察受力變形等。 (2)在減速器動(dòng)力學(xué)仿真研究的基礎(chǔ)上，未見將建立的虛擬樣機(jī)模型在Solidwor

49、ks模塊中進(jìn)行振動(dòng)分析，以更全面的研究減速器系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲，這是減速器動(dòng)力學(xué)性能一個(gè)很重要的指標(biāo)。 (3)沒有考慮溫度升高對(duì)齒輪，齒輪軸及輸出軸的變形對(duì)減速器動(dòng)力學(xué)性能的影響。 2.5 虛擬樣機(jī)技術(shù)的局限性 2.5.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)復(fù)雜應(yīng)用難度大 虛擬樣機(jī)技術(shù)是對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)、CAD技術(shù)、數(shù)學(xué)方法等多學(xué)科技術(shù)的綜合應(yīng)用，這對(duì)設(shè)計(jì)者提出了很高的要求。設(shè)計(jì)者如想要得心應(yīng)手的應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)就必須具有廣泛的知識(shí)面，尤其是對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)、CAD 技術(shù)、數(shù)學(xué)方法要非常熟悉，并能夠?qū)I(yè)領(lǐng)域的知識(shí)綜合到虛擬樣機(jī)中。產(chǎn)品的復(fù)雜性、各學(xué)科的難度，知識(shí)的綜合及設(shè)計(jì)者本身知識(shí)的不全面，給虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用帶

50、來相當(dāng)大的難度，任何知識(shí)的欠缺，都將影響虛擬結(jié)果的正確性。 復(fù)雜產(chǎn)品涉及的學(xué)科領(lǐng)域多，開發(fā)過程復(fù)雜，涉及團(tuán)隊(duì)、管理、技術(shù)諸多要素的集成和優(yōu)化，涉及信息流、工作流、物流的集成和優(yōu)化。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，主要重在幾何信息的描述，對(duì)其他信息描述較弱，很難在系統(tǒng)層次上進(jìn)行統(tǒng)一的描述。虛擬樣機(jī)技術(shù)采用分布的、并行的方法來建立產(chǎn)品模型，要求能夠一致的、有效的描述組織管理和協(xié)同運(yùn)行這些模型。要給用戶提供邏輯上一致的、可描述的與產(chǎn)品全生命周期相關(guān)的各類信息，并且支持各類信息的共享、集成與協(xié)同運(yùn)行，能夠從系統(tǒng)的層次上模擬產(chǎn)品的外觀、功能、行為，支持不同領(lǐng)域人員從不同角度對(duì)同一產(chǎn)品并行地進(jìn)行測(cè)試、分析、評(píng)估。目前對(duì)

51、虛擬樣機(jī)的研究很多都是集中在復(fù)雜產(chǎn)品的開發(fā)上，但在技術(shù)上非常復(fù)雜，開發(fā)難度相當(dāng)大。 2.5.2限制虛擬樣機(jī)發(fā)展的因素 有些技術(shù)本身的不成熟，方法的不完善，限制了虛擬樣機(jī)的發(fā)展。 虛擬樣機(jī)技術(shù)是比較前沿的技術(shù)，其中應(yīng)用到的很多技術(shù)本身并不夠成熟，有些方法本也不完善。對(duì)于復(fù)雜的問題，無法得到精確的解，多是將誤差控制在允許的范圍內(nèi)。例如有限元方法是利用離散的簡(jiǎn)單圖形去逼近實(shí)際的連續(xù)域，圖像處理中的延遲時(shí)間、數(shù)值計(jì)算中得到的近似解等等這些方法上的不精確，會(huì)影響最終結(jié)果的精確性。再如設(shè)計(jì)和分析軟件之間的數(shù)據(jù)交換存在信息丟失的問題。由于各個(gè)軟件的信息格式和語法的不同，使得數(shù)據(jù)交換存在同構(gòu)

52、和異構(gòu)兩種數(shù)據(jù)交換，同構(gòu)數(shù)據(jù)交換中信息丟失比較少，但異構(gòu)數(shù)據(jù)交換中信息丟失比較嚴(yán)重，例如，幾何模型轉(zhuǎn)化為分析模型時(shí)的信息丟失的現(xiàn)象。目前設(shè)計(jì)軟件與分析軟件之間沒有完全無縫的接口，通常是將幾何模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為中間的文件格式（如IGES、STEP 格式等）再導(dǎo)入分析軟件，但由于商業(yè)軟件對(duì)這些格式的支持程度不同，這些中間格式本身也存在不完善之處，仍存在一定程度的信息丟失。有的單位在研究采用模型間的映射的方法來解決異構(gòu)應(yīng)用間的數(shù)據(jù)交換問題，但并未完全解決信息丟失問題。由此可見虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展，還依賴于相關(guān)技術(shù)和方法的發(fā)展。 2.5.3虛擬樣機(jī)無法完全取代物理樣機(jī) 對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行建模時(shí)，很難建立理想

53、的、準(zhǔn)確的、完整的模型。由于模型的建立多有近似之處，尤其是是分析模型。即使是建立了精確的幾何模型，分析時(shí)受知識(shí)、技術(shù)的限制，常要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，尤其是復(fù)雜系統(tǒng)模型。分析模型常是在忽略次要因素的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)化得到的近似模型，這些忽略掉的信息，對(duì)產(chǎn)品的性能的影響無法考慮進(jìn)去，影響分析的精度。在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，由于問題過于復(fù)雜，受知識(shí)和方法的限制，無法將所有因素都考慮進(jìn)去，而是忽略了一些次要因素，因此得到的分析結(jié)果多是些近似的解，并不能百分百的反應(yīng)現(xiàn)實(shí)的情況。 在復(fù)雜產(chǎn)品的開發(fā)中，虛擬樣機(jī)技術(shù)能夠?yàn)楫a(chǎn)品開發(fā)提供技術(shù)支持，但不能取代物理樣機(jī)，而是應(yīng)與物理樣機(jī)相結(jié)合，虛擬樣機(jī)的分析結(jié)果可以指導(dǎo)物理樣機(jī)

54、的制造，物理樣機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以指導(dǎo)虛擬樣機(jī)模型的修改，兩者相互結(jié)合可有效的縮短開發(fā)周期，提高開發(fā)效率。 2.6小結(jié) 小結(jié)：本章首先對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行了介紹，講了它的生產(chǎn)背景、技術(shù)定義，又對(duì)它的分類進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，然后依次介紹了它的技術(shù)特點(diǎn)、功能組成、生產(chǎn)流程、研究情況以及它的技術(shù)應(yīng)用和局限性，讓我們對(duì)虛擬樣機(jī)有了初步的了解。 第三章 SolidWorks減速器的設(shè)計(jì)與虛擬裝配 3.1圓弧齒輪工作原理及特點(diǎn) 3.1.1 圓弧齒輪傳動(dòng)原理 齒輪減速器在各行各業(yè)中十分廣泛地使用著，是一種不可缺少的機(jī)械傳動(dòng)裝置。圓弧齒輪

55、傳動(dòng)作為一種新型傳動(dòng)技術(shù), 具有承載能力大,效率高,壽命長(zhǎng),工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn), 目前已在我國石油、化工、冶金、礦山、機(jī)械等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。圓弧齒輪是用改變齒形的辦法 ，從改善幾何形貌和嚙合機(jī)理 ，達(dá)到提高承載能力和使用壽命的目的。 3.1.2圓弧齒輪的成形原理 圓弧齒輪是點(diǎn)嚙合制傳動(dòng)齒輪，不同于漸開線齒輪的線嚙合制。它的齒面是點(diǎn)接觸共扼齒面，形成這種點(diǎn)嚙合齒面的方法，最常用的是接觸線法和包絡(luò)法。在我國，圓弧齒輪的研究開始一直使用接觸線法，后來又出現(xiàn)了包絡(luò)法，但主要是接觸線法，直到八十年代后，包絡(luò)法的研究才開展開來。 A.接觸共扼齒面接觸線形成原理。 接觸

56、線法是以理論嚙合點(diǎn)在和齒輪固連的坐標(biāo)系中的軌跡一一接觸螺旋線為基礎(chǔ)，形成點(diǎn)接觸共扼齒面的方法。因?yàn)樵邳c(diǎn)接觸共扼齒輪傳動(dòng)中，同一端截面內(nèi)一對(duì)齒廓可以“任意”的選取，前提是保證對(duì)應(yīng)的齒廓在嚙合傳動(dòng)中不發(fā)生干涉。因此，我們選取一條過理論嚙合點(diǎn)的曲線，令該曲線沿接觸線作螺旋運(yùn)動(dòng)而形成螺旋曲面，即齒面。一般我們是選取圓弧曲線作為齒廓曲線的。若齒輪齒面是以齒輪的端面圓弧曲線作螺旋運(yùn)動(dòng)形成的，則為端面圓弧齒輪：若齒輪齒面是以齒輪的法面截形一一圓弧曲線作螺旋運(yùn)動(dòng)形成的，則為法面圓弧齒輪。理論上，我們還可形成其它形式的圓弧齒輪，如：準(zhǔn)端面圓弧齒輪。但接觸線法存在許多致命的缺點(diǎn)，引起許多理論、實(shí)際計(jì)算及具體應(yīng)用方

57、面的混亂，因此，有了包絡(luò)法的出現(xiàn)。 B．圓弧齒輪共扼齒面包絡(luò)法形成原理 如圖1-1所示，構(gòu)件1的齒面Σ1是由產(chǎn)形面P包絡(luò)形成，而構(gòu)件2的齒面Σ2是由產(chǎn)形面Q包絡(luò)形成。P和Q是沿某曲線JJ彼此相切并剛性的連接在一起的兩個(gè)不同的曲面，那Σ1和Σ2就是一對(duì)點(diǎn)接觸共扼齒面。若用cll表示P和Q。在包絡(luò)形成過程中某一瞬時(shí)接觸線，而用C12表示Q和Σ2在同一時(shí)刻的接觸線，當(dāng)cll和C12是兩條相交的曲線時(shí)，它們的交點(diǎn)是Σ1和Σ2在某一時(shí)刻的共扼點(diǎn)。這時(shí)，Σ1和Σ2稱為點(diǎn)接觸共軛齒面，Σ1和Σ2共扼點(diǎn)的集合正是P和Q的相切曲線JJ。產(chǎn)形面P，Q是一對(duì)彼此沿直線JJ相切的柱面，JJ直線平行

58、于基本齒條(以產(chǎn)形面為齒面的齒條稱為被加工齒輪的基本齒條)的節(jié)平面，與被加工齒輪的軸線之間的夾角為B。 圖1—1 點(diǎn)接觸共軛齒面包絡(luò)過程 顯然，由傾斜角為B的基本斜齒條包絡(luò)形成的齒輪齒而，其節(jié)圓螺旋角必然為8，且柱面產(chǎn)形面P和Q彼此內(nèi)切。曲率半徑較小的柱面的內(nèi)側(cè)表面，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中包絡(luò)形成構(gòu)成之一的凸齒齒面Za， 曲率半徑較大的另一柱面產(chǎn)形面的外側(cè)表面在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中則包絡(luò)形成另一構(gòu)件的凹齒齒面Σf。Ea和Σf構(gòu)成了一對(duì)凸齒對(duì)凹齒的點(diǎn)接觸共扼齒面。法面圓弧齒輪的產(chǎn)形面P、Q是圓柱面，其法向截面分別是半徑為P。和P，，的圓弧

59、曲線(也就是圓弧齒輪基準(zhǔn)齒形中凸齒齒廓圓弧半徑和凹齒齒廓圓弧半徑)。 3.1.3 圓弧齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn) 圓弧齒輪的基本齒廓是圓弧。齒輪的嚙合傳動(dòng)依靠齒面沿軸向滾動(dòng)而實(shí)現(xiàn) 。所以圓弧齒輪有以下優(yōu)點(diǎn)： (1)圓弧齒輪有很大的相對(duì)曲率半徑，相同尺寸的齒輪 ，圓弧齒輪的相對(duì)曲率半徑為漸開線齒輪的10～40倍。因此 ，圓弧齒輪的接觸強(qiáng)度可達(dá)到漸開線齒輪的2～4倍 ，具有很高的承載能力。 (2)圓弧齒輪的齒高較低 ，齒根圓弧很大。對(duì)于雙圓弧齒輪齒根厚度可通過增大齒厚比來增厚。所以雙圓弧齒輪的齒根應(yīng)力較小 ，有利于提高彎曲強(qiáng)度，彎曲承載能力比漸開線齒輪提高約50% 。

60、 (3)圓弧齒輪由齒面軸向滾動(dòng)而實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，圓弧齒輪的齒面滾動(dòng)速度很大 ，為圓周速 度的2～6倍，加之采用高粘度潤(rùn)滑油，有利于油膜形成，它的油膜比漸開線齒輪傳動(dòng)約厚5～10倍，具有良好的潤(rùn)滑性能，對(duì)防止點(diǎn)蝕和磨損起很大作用 。 (4)圓弧齒輪沿齒高各點(diǎn)的滑動(dòng)速度相同，因此 ，有良好的跑合性能 。由于齒高各點(diǎn)磨損均勻，初期磨損，有利于提高嚙合精度。更由于滑動(dòng)速度很小，正常磨損極小。這與漸開線齒輪磨損后，破壞齒形精度 ，導(dǎo)致失效有本質(zhì)不同 (5)基于以上優(yōu)點(diǎn)，調(diào)質(zhì)精滾的軟齒面（HB230～300）和中硬齒面（HB300～350）圓弧齒輪的承載能力接近或達(dá)到淬火、磨齒的硬齒面（HRC58

61、以上） 漸開線齒輪水平。由于避免了淬火和磨齒兩道最復(fù)雜、成本最高的工序 ，因而圓弧齒輪有工藝簡(jiǎn)單、成本低、便于自主生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，而且毋需修形（專利）工藝。這對(duì)高速傳動(dòng)和大型齒輪傳動(dòng)更具有特殊意義 。 3.1.4 減速器工作原理 工作原理就是利用各級(jí)齒輪傳動(dòng)來達(dá)到降速的目的.減速器是由各級(jí)齒輪副組成的。本文主要采用SolidWorks軟件對(duì)圓弧齒輪傳動(dòng)中各零件建立三維幾何模型、三維虛擬裝配及工程圖生成。再充分發(fā)揮SolidWorks設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，不斷優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)。利用本文的方法設(shè)計(jì)單級(jí)圓弧齒輪減速器，具有方便、快捷、可靠的特點(diǎn)。 3.2 齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 圓弧齒輪傳動(dòng)的主要參數(shù)（）對(duì)傳

62、動(dòng)的承載能力和工作質(zhì)量有很大影響。各參數(shù)之間有密切的聯(lián)系，相互影響，相互制約，選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)具體工作條件，并注意他們之間的基本關(guān)系： 3.2.1 選定齒輪的基本參數(shù) 小齒輪齒數(shù)z1的選擇原則：1.圓弧齒輪沒有根切現(xiàn)象，齒數(shù)不受根切齒數(shù)限制，但齒數(shù) 太少不能保證軸的強(qiáng)度和剛度。2.當(dāng)b、d一定時(shí)，小齒輪齒數(shù)少則法向模數(shù)大，不易保證應(yīng)有的縱向重合度。3.在滿足彎曲強(qiáng)度條件下，應(yīng)取較大的齒數(shù)。一般推薦中低速傳動(dòng)。齒數(shù)取16～35，在高速傳動(dòng)中，小齒輪齒數(shù)取25～50。 根據(jù)齒輪選擇原則，將齒輪小齒齒數(shù)設(shè)計(jì)為Z1

63、= 25, Z2 =100 ,選取螺角初螺旋角,=10，則傳動(dòng)比為 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)按《機(jī)械設(shè)計(jì)》試算 1、確定公式內(nèi)各計(jì)算數(shù)值 （1）試選載荷系數(shù) （2）已知小斜齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 （3）選取齒款系數(shù) （4）查《機(jī)械設(shè)計(jì)》得端面重合度為 所以， （5）齒數(shù)比 （6）由《機(jī)械設(shè)計(jì)》查表得 材料彈性影響系數(shù) （7）查表得區(qū)域系數(shù) （8）按齒面硬度查得齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 （9）計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) （10）查得 （11）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效

64、概率為1%，安全系數(shù)S＝1，有： 2、計(jì)算 （1）計(jì)算小齒輪的分度圓直徑，由計(jì)算公式得 （2）計(jì)算圓周速度 （3）計(jì)算齒寬b及模數(shù)m （4）計(jì)算縱向重合度 （5）計(jì)算載荷系數(shù)K 查得使用系數(shù) 根據(jù)，8級(jí)精度，得 查表得齒間載荷分配系數(shù)，齒向載荷分配系數(shù) 由，，得齒向載荷分配系數(shù) ∴載荷系數(shù) （6） 按實(shí)際的載荷系數(shù)K校正速算的得分度圓直徑， （7） 計(jì)算法面模數(shù) 3.2.2 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 1、確定

65、公式內(nèi)各計(jì)算數(shù)值 （1）由《機(jī)械設(shè)計(jì)》查得齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 （2） （3）計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù)S＝1.4,得 （4）計(jì)算載荷系數(shù)K （5）根據(jù)縱向重合度，螺旋角影響系數(shù) （6）計(jì)算當(dāng)量齒數(shù) （7）查取齒形系數(shù) 查表得 （8）取應(yīng)力校正系數(shù) 查表得 （9）計(jì)算大、小齒輪的,并加以比較 > 2、設(shè)計(jì)計(jì)算 對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法面模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 計(jì)算的法面

66、模數(shù)，?。ú椤稒C(jī)械原理》）已可滿足彎曲強(qiáng)度。但為同時(shí)滿足接觸疲勞強(qiáng)度，需按接觸疲勞強(qiáng)度算得的分度圓直徑來計(jì)算應(yīng)有的齒數(shù)于是由 ，取， 則 3.2.3計(jì)算幾何尺寸 1）計(jì)算中心距 ，取 2）按圓整后的中心距修正螺旋角β 誤差在5%以內(nèi)，螺旋角值β改變不多，故參數(shù)、Kβ、ZH等不必修正。 3）計(jì)算大、小齒輪分度圓直徑 4）計(jì)算齒輪寬度 圓整后，取; 計(jì)算所得結(jié)果如下表: 表3-1 齒輪各參數(shù) 名稱 符號(hào) 小齒輪 大齒輪 螺旋角 β 10.5 法面模數(shù) mn 端面模數(shù) mt 法面壓力角 20 分度圓直徑 d 齒頂高 ha mm 齒根高 hf 齒頂圓直徑 da 齒根圓直徑 df 齒寬 B 3.3 齒輪減速器的三維建模 3.3.1 底座的三維模型形成 建立底