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实验15 机械传动系统数字化设计与分析综合实验指导书

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实验15 机械传动系统数字化设计与综合分析
15。1 实验目的
1、掌握运用RomaxDesigner进行机械传动系统数字化设计与性能仿真分析的基本方法和步骤。
2、掌握机械传动系统零部件强度、刚度和疲劳寿命分析的基本方法。了解齿轮和轴的结构以及轴承选型对机械传动系统性能的影响。
3、了解机械传动系统传统设计方法与现代设计方法的特点以及箱体的刚度对机械传动性能的影响.
15。2 实验内容和任务
15。2.1实验内容
设计热处理车间零件清洗用设备。该传送设备的动力由电动机经减速装置后传至输送带。每日两班制工作，工作期限为8年。已知条件：输送带带轮直径d=300mm，输送带运行速度v=0.63m/s，输送带轴所需转矩T=700N﹒m［1］。
针对该实际工程问题，确定减速装装置为展开式二级圆柱齿轮减速器。运用传统齿轮减速器设计计算方法确定的齿轮减速器中齿轮的参数、阶梯轴的结构尺寸参数及轴承型号，在RomaxDesigner软件中建立二级圆柱齿轮减速器的数字化模型，如图15-1所示，并进行性能仿真分析。

图15-1 齿轮箱详细设计模型
15。2.2实验任务
1、二级圆柱齿轮减速器中间轴受力等分析。
2、分析减速器润滑油温升与轴承油膜厚度的关系曲线。
3、各轴承的损伤度分析。
4、分析各齿轮的最大应力.
5、分析轴的变形对齿轮啮合错位的影响。
15。3 实验软件和建模步骤
15.3.1 RomaxDesigner软件介绍
RomaxDesigner是英国Romax技术公司开发的专业机械传动系统设计分析软件，覆盖了从概念设计，部件强度、可靠性等详细设计到系统振动噪声（NVH）预估等全部传动系统设计内容，构成了齿轮传动系统的封闭求解环境。提供包括平行轴、相交轴、行星齿轮传动系在内的多种齿轮传动模型的建立、分析和设计功能.RomaxDesigner能对机械传动系统进行综合分析，可进行载荷工况下的系统静态分析,得到各轴及轴上的轴承、齿轮的受力和变形。通过进行系统分析得到考虑各部件相互影响的系统分析结果，由变形引起的轴承错位和齿轮啮合错位;分析轴承安装游隙对轴承寿命的影响并对轴承寿命进行预测，对圆锥滚子轴承和角接触球轴承进行预紧优化等。
RomaxDesigner可考虑结构柔性的影响,箱体等的柔性对箱体内各零部件的受力和使用寿命有重要影响，获得更加准确的分析结果.
15.3。2。实验步骤
以RomaxDesigner软件为实验工具,建立齿轮传动系统的数字化模型，实验可分为三个步骤：概念设计分析，详细设计和系统分析。
1、概念设计
定义概念齿轮对，建立参数化轴模型,在轴上添加概念齿轮对和刚度轴承，并对各轴在齿轮箱中的位置进行定位，添加功率载荷和工况，进行初步系统分析。
2、详细设计
对刚度轴承和概念齿轮对进行细化设计，选择合适的轴承型号，通过定义齿轮的精度等级、材料和轮齿的表面粗糙度等把概念齿轮对转化成细节齿轮对。
3、定义功率载荷，添加各种不同的工况，进行系统仿真分析。
建模步骤
概念设计
1） 新建一个模型，在组件菜单中选择添加新装配或组件，选择齿轮箱装配；在齿轮箱类型中选择空齿轮箱，如图15-2所示：

图15-2 空齿轮箱装配图
2） 在组件菜单中首先添加低速级概念齿轮对，低速级概念齿轮对齿轮参数和界面如图15-3所示:

图15—3 高速级概念齿轮对定义界面及齿轮参数
然后添加高速级概念齿轮对，其界面和参数如图15-4所示：

图15-4 低速级概念齿轮对定义界面及齿轮参数
3）在组件菜单中定义轴装配,用如图15—5所示的轴结构尺寸参数生成高速级阶梯轴。

图15-5 高速轴结构参数表
在高速轴上添加高速级概念齿轮对的小齿轮.分别选择组件菜单中的刚度轴承和功率载荷，在高速轴上添加刚度轴承和功率载荷,高速轴概念设计装配如图15-6所示:
图15-6 高速轴概念设计装配图
运用如图15-7所示的中间轴结构参数生成中间轴。

图15-7 中间轴结构参数表
在中间轴上添加高速级齿轮对的大齿轮和低速级齿轮对的小齿轮，并添加刚度轴承，生成中间轴概念设计装配图，如图15-8所示：
图15—8 中间轴概念设计装配图
运用如图15—9所示的低速轴结构参数生成低速轴.

图15—9 中间轴结构参数表
在低速轴上添加低速级大齿轮和刚度轴承,并在低速轴最小直径处添加功率载荷，生成低速轴概念设计装配图，如图15-9所示：
图15-9 中间轴概念设计装配
4）把高速轴在空齿轮箱原点进行定位，中间轴和低速轴在空齿轮箱中的定位参数分别如图15-10和图15-11所示：
图15—10 中间轴定位界面及参数表 图15—11 低速轴定位界面及参数表

完全定位后生成的二级圆柱齿轮减速器模型如图15-12所示。
图15—12 二级圆柱齿轮减速器模型图
5）选择图15-13椭圆圈中的Edit,弹出工况定义对话框。

图15-13 工况定义按钮位置图
工况定义对话框如图15-14所示,可通过选择Add Duty cycles和Add Load cases进行工况定义，输入功率3.3KW，额定转速1500rpm，工作时间为5。3年，润滑油温度控制在65ºC以下。

图15-14 工况定义对话框
完成工况定义后，选择对话框中Run load case下的 Power flow按钮，进行功率流分析，若load cases下的Power flow Ready下面出现“√"，则分析正常，可以继续进行初步系统仿真分析。
详细设计
1）单击软件界面左边目录树中的减速器，并选中下拉菜单Edit中的Duplicate，复制一个新减速器。双击新减速器目录树中的概念斜齿轮对，选中对话框左下方的convert,如图15—15所示。通过九个步骤，把两对概念斜齿轮对转化为细节齿轮对，概念斜齿轮对的颜色从灰色变成了绿色,最后生成的齿轮啮合图如图15-16所示。

图15-15 齿轮参数定义及细节转化界面图
图15—16齿轮细节转化结果图
2）轴承型号选择。双击目录树中的输入轴装配，选择轴承按钮，轴承型号选择界面如图15—17所示。选择两个角接触轴承7208B,输入轴装配机构如图15—18。

图15-17 轴承添加界面图
图15—18 输入轴装配结构图
删除中间轴上的刚度轴承，并在中间轴上添加一对角接触球轴承7210B,中间轴装配结构如图15-19。

图15—19 中间轴装配结构图
删除低速轴上的刚度轴承，并在低速轴上添加一对角接触球轴承72120B，低速轴装配结构如图15—20。

图15—20 低速轴装配结构图
完成以上步骤，生成二级圆柱齿轮减速器细化模型如图15-21所示。

图15-21 二级圆柱齿轮减速器细化模型
系统仿真分析
1） 二级圆柱齿轮减速器中间轴应力等分析.在目录树中双击中间轴装配界面，选择界面右上角的Run Static Analysis的分析按钮 。中间轴所受弯曲应力如图15—22，中间轴在XZ平面内的受力如图15-23。
图15—22 中间轴弯曲应力图

图15—23 中间轴XZ平面内的受力图
2)轴承的损伤度分析。双击目录树中的减速器模型，选择下拉菜单Report下的Bearing Report，减速器中各个轴承的损伤度如图15-24,轴承D的润滑油厚度与温升的关系曲线如图15-25.
图15-24 各轴承的损伤度
图15-25 轴承D的润滑油厚度与温升的关系曲线
3）齿轮分析。双击目录树中的减速器模型，选择下拉菜单Report下的Gear Report,各个齿轮的最大接触应力如图15-26，最大弯曲应力如图15-27，齿轮的啮合错位如图15-28。
图15-26 各齿轮最大接触应力图
图15—27 各齿轮最大弯曲应力图
图15-28 齿轮1和齿轮2的啮合错位图

15。4 思考题
1） 简述运用RomaxDesigner进行齿轮传动系统设计的基本步骤？
2） 轴的变形对轴承错位和齿轮的啮合错位有什么影响？
3） 简述机械传动系统数字化设计与分析的意义？
4) 箱体的柔性如何影响齿轮和轴承寿命?
5) 为什么要进行轮齿修形?常见的修形方法有哪些？

参考文献
［1] 黄茂林，秦伟主编.机械原理第2版.北京 机械工业出版社，2011。4
[2］ 申永胜编。机械原理教程2版。北京 清华大学出版社 2005.12
[3] 李良军主编。机械设计. 高等教育出版社，2010.6
［4］ 张春宜，郝光平，刘敏. 减速器设计实例精解。 机械工业出版社，2009.
［5] ROMAX技术公司培训教程（M),2003
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