基于ANSYS的人字架的优化设计.doc

ee

基于ANSYS的人字架的优化设计

ee
（ee）
指导老师：ee

[摘要]：本毕设课题将ANSYS有限元法与优化设计技术有机的结合起来，对人字架结构进行有限元分析和优化设计。优化设计的基本原理是通过参数化模型的建立，运用各种优化方法，在满足设计要求的条件下迭代计算，求得目标函数的极小值，得到最优化设计方案。本课题采用的是一阶优化方法，迭代次数为30，其中设计变量是人字架的高度h和钢管的平均直径D，约束条件即状态变量是钢管的许用压应力和失稳临界应力，目标函数是人字架的总重量。通过对优化设计问题的分析，建立参数化模型、求解、后处理及优化设计，可以发现ANSYS软件分析的结果与理论计算结果基本一致。
利用ANSYS对人字架进行优化设计，整个建模、分析过程充分说明ANSYS软件为人字架的结构设计提供了可靠、高效的理论依据，并为以后相似问题的分析设计提供了参考。
[关键词]：人字架；有限元分析；ANSYS12.0；优化设计

Optimization design of propeller struct based
on the ANSYS

ee
(ee）
Tutor:ee
Abstract:This subject will finish finite element analysis and optimization designing of propeller strut structure with setting the finite element of ansys method and optimization designing of the organic combination. The basic principle of optimization designing is through the optimization model, using all sorts of optimization methods, to meet the design requirements under the conditions of the iterative calculation, obtains the objective function of the bare minimum, gets optimal design. This topic is the first order for optimization method, the iterative times for 30, including design variable is the height of the propeller struct and steel tube of average diameter, constraint state variables of the steel tube is allowable stress and instability critical stress, the objective function is the total weight of propeller struct. Through the analysis of the problems of the optimized design, establish the parametric model, solution, reprocessing and optimization design, can find ANSYS software analysis results and the theoretical results are basically the same.
Making use of ANSYS carries on to the person word excellent turn a design, the whole model, analysis the process well explain that the structure design of the ANSYS software behavior word provided credibility, efficiently of theory basis, and for the analysis design of alike problem hereafter provided a reference.
Key words: propeller struct；finite-element analysis； ANSYS ；Optimization design

目 录
1前言 1
1.1人字架应用 1
1.2 ANSYS软件的简介 2
1.2.1 ANSYS软件的功能 2
1.2.2 ANSYS软件的特点 3
1.3优化设计概述 3
1.3.1优化设计中的基本概念 3
1.3.2优化设计的步骤 4
2 基于ANSYS的人字架的优化设计 9
2.1人字架优化问题分析 9
2.2强度约束条件下的人字架的优化设计 9
2.2.1人字架优化设计的前处理 9
2.2.2人字架优化设计 15
2.2.3人字架的优化设置 17
2.2.4查看优化结果 24
2.3稳定约束条件下的人字架的优化设计 27
2.3.1人字架优化设计的前处理 27
2.3.2人字架优化设计 32
2.3.3人字架的优化设置 34
2.3.4查看优化结果 41
2.4结果比较 42
3人字架优化设计的理论计算 43
4优化结果与讨论 46
5小结 47
致谢 48
参考文献 49

45
1前言
1.1人字架应用
由于人字架的特殊结构特点，使其在现代的生活中占据着重要的地位，尤其是在工业生产中，人字架的应用非常广泛。例如，塔吊的主要构件之一就是人字架，它与转台、转构成了塔吊臂架系统和平衡系统的支撑结构。如下图1-1所示。

图 1-1塔吊
人字架也应用在航空航天领域，尤其是在一些飞机上，人字架的作用极其重要，如下图1-2所示。
图 1-2飞机

在我们的日常生活中，人字架也是随处可见的。比如人字架梯子、屋顶、番茄架，电线杆，还有著名的天津摩天轮，人字架也是采用人字结构作为基本支承的。如图 1-3所示。

图 1-3人字架在日常生活中的应用
1.2 ANSYS软件的简介
1.2.1 ANSYS软件的功能
ANSYS主要功能模块：
Ø 热分析
Ø 结构分析
Ø 电磁分析
Ø 流体分析（CFD）
Ø 耦合场分析—多物理场
Ø 声场分析
Ø 压力分析
Ø 优化设计
1.2.2 ANSYS软件的特点
ANSYS软件的主要技术特点包括以下方面：
1、ANSYS软什可实现前后处理、分析、求解以及多次分析中数据库相统一的有限元分析。
2、ANSYS软件可进行建模、加载与求解和分析结果输出。
3、ANSYS软件是具有快速求解器和最早采用并行计算技术的FEM软什。
4、ANSYS软件具有智能网格划分功能。
5、ANSYS软件具有强大的非线性分析功能。
6、ANSYS软件支持从微机、工作站到大型计算机乃至巨型计算机的所有硬件平台， 且用户界面是统一的。
7、ANSYS软件可实现在微机、工作站到大型计算机乃至巨型计算机的所有硬件平台上的数据文件兼容。
8、ANSYS软件可与大多数CAD软件进行数据交换。
9、ANSYS软件具有良好的用户自己开发环境和自动生成分析报告等功能
10、ANSYS软件是具有独一无二的优化功能以及流场优化功能的分析软件。
11、ANSYS软件具有多层次、多种类的计算分析模块。
12、ANSYS软件是唯一具有多场及多场耦台功能的大型通用有限元分析软件。
1.3优化设计概述
任何一项工程或一个产品的设计都需要根据设计要求，合理选择方案，确定各种参数，以期达到最佳设计目的，比如重量轻、材料省、成本低、性能好、承载能力高等特点。为此，用CAE的基本手段—有限元法和优化技术并将两者有机的结合起来，在对结构进行工程分析得到可行设计方案的基础上，对其进行进一步的优化设计，从结构的形状优化到设计参数的优化选择，通过这一过程，可以提高产品设计技术指标，并满足结构轻量化的目标。
1.3.1优化设计中的基本概念
在优化设计中，我们用到一些名词：设计变量，状态变量，目标函数，合理和不合理的设计，分析文件，迭代，循环，设计序列等。
1、设计变量（DVs）为自变量，优化结果的取得就是通过改变设计变量的数值来实现的。每个设计变量都有上下限，它定义了设计变量的变化范围。
2、状态变量（SVs）是约束设计的数值。它们是“因变量”，是设计变量的函数。状态变量可能会有上下限，也可能只有单方面的限制，即只有上限或只有下限。
3、目标函数（OBJ）是要尽量减小的数值。它必须是设计变量的函数，也就是说，改变设计变量的数值将改变目标函数的数值。在ANSYS优化程序中，只能设定一个目标函数。
4、设计变量，状态变量和目标函数总称为优化变量。在ANSYS优化中，这些变量是由用户定义的参数来指定的。用户必须指出在参数集中哪些是设计变量，哪些是状态变量，哪些是目标函数。
5、一个合理的设计是指满足所有给定的约束条件（设计变量的约束和状态变量的约束）的设计。如果其中任一约束不被满足，设计就被认为是不合理的。而最优设计是既满足所有的约束条件又能得到最小目标函数值的设计。
6、分析文件是一个ANSYS的命令流输入文件，包括一个完整的分析过程（前处理、求解、后处理）。它必须包含一个参数化的模型，用参数定义模型并指出设计变量、状态变量和目标函数。由这个文件可以自动生成优化循环文件（Jobname.LOOP），并在优化中计算循环处理。
7、一次循环指一个分析周期（可以理解为执行一次文件分析）。最后一次循环的输出存储在文件Jobname.OPO中。优化迭代（或仅仅是迭代过程）是产生新的设计序列的一次或多次分析循环。一般来说，一次迭代等同于一次循环。但对于一阶方法，一次迭代代表多次循环。
8、设计序列是指确定一个特定模型的参数的集合。一般来说，设计序列由优化变量的数值来确定的，但所有的模型参数（包括不是优化变量的参数）组成了一个设计序列。优化数据库记录当前的优化环境，包括优化变量定义，参数，所有优化设定，和设计序列集合。该数据库可以存储，也可以随时读入优化处理器。分析文件必须作为一个单独的实体存在，优化数据库不是ANSYS模型数据库的一部分。共有两种方法实现ANSYS优化设计：批处理方法和通过GUI交互式地完成。
1.3.2优化设计的步骤
ANSYS软件中优化设计的过程如下图 1-4所示：

图1-4 优化设计的过程
（1）其中生成循环所用的文件必须包括整个分析的过程，而且必须满足以下条件：
参数化建立模型（PREP7）。
求解（SOLUTION）。
提取并指定状态变量和目标函数（POST1/POST26）。
（2）在ABSYS数据库里建立与分析文件中变量相对应的参数。这一步是标准的做法，但不是必须的（BEGIN或OPT）。
（3）进入OPT，指定分析文件（OPT）。
（4）声明优化变量。
（5）选择优化工具或优化方法。
（6）指定优化循环控制方式。
（7）进行优化分析。
（8）查看设计序列结果（OPT）和后处理（POST1/POST26）。
具体的优化设计过程如下：
1、分析文件的生成
分析文件生成是ANSYS优化设计过程中的关键部分。ANSYS程序运用分析文件构造循环文件，进行循环文件。分析文件中可以包括ANSYS提供的任意分析类型（结构，热，电磁等，线性或非线性）
在分析文件中，模型的建立必须是参数化的（通常是优化变量为参数），结果也必须用参数来提取（用于状态变量和目标函数）。优化设计中也只能使用参数数值。
建立分析文件有两种方法：用系统编辑器逐行输入；交互式地完成分析，将ANSYS的LOG文件作为基础建立分析。不论采用哪种方法，分析文件需要包括的内容都是一样的。
1）参数化建立模型
用设计变量作为参数建立模型的工作是在PREP7中完成的。ANSYS可以对设计的任何方面进行优化：尺寸，形状，材料性质，支撑位置，所加载荷等，唯一要求就是将其参数化。
设计变量可以在程序的任何部分初始化，一般是在PREP7中定义。这些变量的初值只是在设计计算的开始用得到，在优化循环过程中会被改变。
2）求解
求解器用于定义分析类型和分析选项，施加载荷，指定载荷步，完成有限元计算。分析中所用到的数据都要指出：凝聚法分析中的主自由度，非线性分析中的收敛准则，谐波分析中的频率范围等。载荷和边界条件也可以作为设计变量。
3）参数化提取结果
在本歩中，提取结果并赋值给相应的参数。这些参数一般为状态变量和目标函数。提取数据的操作用*GET命令实现。通常用POST1来完成本步操作，特别是涉及到数据的存储，加减或其他操作。
4）分析文件的准备
如果用系统编辑器来编辑的批处理文件，那么简单地存盘进入第二步即可。如果是用交互方式建模的话，用户必须在交互环境下生成分析文件。
2、建立优化过程中的参数
在完成了分析文件的建立以后，就可以开始优化分析了（如果在系统中建立的分析文件的话，就要重新进入ANSYS）。如果在交互方式下进行优化，最好（但不是必须）从分析文件中建立参数到ANSYS数据库中来（在批处理方式下除外）。
3、进入OPT，指定分析文件（OPT）
在交互方式下，用户必须指定分析文件名。这个文件用于生成优化循环文件Jobname.LOOP。分析文件名无默认值，因此必须输入。
在批处理方式下，分析文件通常是批命令流的第一部分，从文件的第一行到命令/OPT第一次出现。在批处理方式中，默认的分析文件名是Jobname.BAT（它是一个临时性文件，是批处理输入文件的一个复制）。因此，在批处理方式下通常不用指定分析文件名。但是，如果出于某种考虑将文件分成两个部分（一个用于分析，另一个用于整个优化分析），那么就必须在进入优化处理器后指定分析文件[OPANL]。
4、声明优化变量
声明优化变量，即指定哪些参数是设计变量，哪些参数是状态变量，哪些参数是目标函数。允许有不超过60个设计变量和不超过100个状态变量，但只能有一个目标函数。
对于设计变量和状态变量可以定义最大和最小值。目标函数不需要给定范围。每一个变量都有一个公差值，这个公差值可以由用户输入，也可以选择由程序计算得出。
如果用OPVAR命令定义的参数名不存在，ANSYS数据库中将自动定义这个参数，并将初始值设为零。
用户可以在任意时间简单地通过重新定义参数的方法来改变已经定义过的参数，也可以删除一个优化变量[OPVAR,Name,DEL]。这种删除操作并不真正删除这个参数，而是不将它继续作为优化变量而已。
5、选择优化工具或优化方法
ANSYS程序提供了一些优化工具和方法。默认方式是单次循环。
优化方法是使单个函数（目标函数）在控制条件下达到最小值的传统化的方法。有两种方法可用：零阶方法和一阶方法。除此之外，用户可以提供外部的优化算法替代ANSYS本身的优化方法。使用其中任何一种方法之前，必须先定义目标函数。
优化工具是搜索和处理设计空间的技术。因为求最小值不一定是优化的最终目标，所以目标函数在使用这些优化工具时可以不指出。但是，必须要指定设计变量。
6、指定优化循环控制方式
每种优化方法和工具都有相应的循环控制参数，比如最大迭代次数等。
用户还可以控制几个循环特性，包括分析文件在循环中如何读取。可以从第一行读取（默认），也可以从第一个/PREP7出现的位置开始读取；设定为优化变量的参数可以忽略（默认），也可以在循环中处理，而且，用户可以指定循环中存储哪种变量，只存储数值变量还是存储数值变量和数组变量。这个功能可以在循环中控制参数的数值（包括设计变量和非设计变量）。
7、进行优化分析
所有的控制选项设定好以后，就可以进行分析了。
在执行时，优化循环文件会根据分析生成。这个循环文件对用户是透明的，并在分析循环中使用。循环在满足下列情况时终止：收敛；中断（不收敛，但最大循环次数或是最大不合理的数目达到了）；分析完成。
如果循环是由于模型的问题中断时，优化处理器将进行下一次循环。如果是在交互方式下，程序将显示一个警告信息并询问是继续还是结束循环。如果是在批处理方式下，循环将自动继续。
所有优化变量和其他参数在每次迭代后将存储在优化数据文件中。最多可以存储130组这样的序列。如果已经达到了130个序列，那么其中数据最“不好”的序列将被删除。
8、查看设计序列结果
优化循环结束后，可以用本部分介绍的命令或相应的GUI路径来查看设计序列。这些命令适用于任意优化方法和工具生成的结果。

2.电机选择
2.1电动机选择（倒数第三页里有东东）
2.1.1选择电动机类型
2.1.2选择电动机容量
电动机所需工作功率为：
；
工作机所需功率为：
；
传动装置的总效率为：
；
传动滚筒
滚动轴承效率
闭式齿轮传动效率
联轴器效率
代入数值得：

所需电动机功率为：

略大于 即可。
选用同步转速1460r/min ；4级 ；型号 Y160M-4.功率为11kW
2.1.3确定电动机转速
取滚筒直径

1.分配传动比
（1）总传动比

(2)分配动装置各级传动比
取两级圆柱齿轮减速器高速级传动比

则低速级的传动比

2.1.4 电机端盖组装CAD截图

图2.1.4电机端盖

2.2 运动和动力参数计算
2.2.1电动机轴

2.2.2高速轴

2.2.3中间轴

2.2.4低速轴

2.2.5滚筒轴

3.齿轮计算
3.1选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数
1>按传动方案，选用斜齿圆柱齿轮传动。
2>绞车为一般工作机器，速度不高，故选用7级精度（GB 10095-88）。
3>材料选择。由表10-1选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280 HBS，大齿轮材料为45钢（调质）硬度为240 HBS，二者材料硬度差为40 HBS。
4>选小齿轮齿数，大齿轮齿数。取
5初选螺旋角。初选螺旋角
3.2按齿面接触强度设计
由《机械设计》设计计算公式（10-21）进行试算，即

3.2.1确定公式内的各计算数值
（1）试选载荷系数1。
（2）由《机械设计》第八版图10-30选取区域系数。
（3）由《机械设计》第八版图10-26查得，，则。
（4）计算小齿轮传递的转矩。

（5）由《机械设计》第八版表10-7 选取齿宽系数
（6）由《机械设计》第八版表10-6查得材料的弹性影响系数
（7）由《机械设计》第八版图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 ；大齿轮的接触疲劳强度极限 。
13计算应力循环次数。

（9）由《机械设计》第八版图（10-19）取接触疲劳寿命系数; 。
（10）计算接触疲劳许用应力。
取失效概率为1%，安全系数S=1，由《机械设计》第八版式（10-12）得

（11）许用接触应力

3.2.2计算
（1）试算小齿轮分度圆直径
===49.56mm
（2）计算圆周速度

（3）计算齿宽及模数

==2mm
h=2.252.252=4.5mm
49.56/4.5=11.01
（4）计算纵向重合度
0.318124tan=20.73
（5）计算载荷系数K。
已知使用系数根据v= 7.6 m/s,7级精度，由《机械设计》第八版图10-8查得动载系数
由《机械设计》第八版表10-4查得的值与齿轮的相同，故
由《机械设计》第八版图 10-13查得
由《机械设计》第八版表10-3查得.故载荷系数
11.111.41.42=2.2
（6）按实际的载荷系数校正所算得分度圆直径，由式（10-10a）得

（7）计算模数

3.3按齿根弯曲强度设计
由式（10-17）

3.3.1确定计算参数
（1）计算载荷系数。
=2.09
（2）根据纵向重合度 ，从《机械设计》第八版图10-28查得螺旋角影响系数
（3）计算当量齿数。

（4）查齿形系数。
由表10-5查得

（5）查取应力校正系数。
由《机械设计》第八版表10-5查得
（6）由《机械设计》第八版图10-24c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 ；大齿轮的弯曲强度极限 ；
（7）由《机械设计》第八版图10-18取弯曲疲劳寿命系数 ，；
（8）计算弯曲疲劳许用应力。
取弯曲疲劳安全系数S＝1.4,由《机械设计》第八版式（10-12）得

（9）计算大、小齿轮的 并加以比较。

=
由此可知大齿轮的数值大。

3.3.2设计计算

对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数 大于由齿面齿根弯曲疲劳强度计算 的法面模数，取2，已可满足弯曲强度。但为了同时满足接触疲劳强度，需按接触疲劳强度得的分度圆直径100.677mm 来计算应有的齿数。于是由

取 ，则 取

3.4几何尺寸计算
3.4.1计算中心距
a=
将中以距圆整为141mm.

3.4.2按圆整后的中心距修正螺旋角

因值改变不多，故参数、、等不必修正。
3.4.3计算大、小齿轮的分度圆直径

3.4.4计算齿轮宽度

圆整后取.
低速级
取m=3;
由
取

圆整后取

表 1高速级齿轮：
名　　称
代号
计 算 公 式
　　　小齿轮
大齿轮
模数
m
2
2
压力角

20
20
分度圆直径
d
=227=54
=2109=218
齿顶高

齿根高

齿全高
h

齿顶圆直径

表 2低速级齿轮：
名　　称
代号
计 算 公 式
　　　小齿轮
大齿轮
模数
m
3
3
压力角

20
20
分度圆直径
d
=327=54
=2109=218
齿顶高

齿根高

齿全高
h

齿顶圆直径

4.　轴的设计
4.1低速轴
4.1.1求输出轴上的功率转速和转矩
若取每级齿轮的传动的效率,则

4.1.2求作用在齿轮上的力
因已知低速级大齿轮的分度圆直径为

圆周力 ,径向力 及轴向力 的
4.1.3初步确定轴的最小直径
先按式初步估算轴的最小直径.选取轴的材料为45钢,调质处理.根据《机械设计》第八版表15-3,取 ,于是得

输出轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径.为了使所选的轴直径与联轴器的孔径相适应,故需同时选取联轴器型号.
联轴器的计算转矩, 查表考虑到转矩变化很小,故取 ,则:

按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件,查标准GB/T 5014-2003或手册,选用LX4型弹性柱销联轴器,其公称转矩为2500000 .半联轴器的孔径 ,故取 ,半联轴器长度 L=112mm ,半联轴器与轴配合的毂孔长度.
4.1.4轴的结构设计
（1）拟定轴上零件的装配方案

图4-1
（2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度
1)根据联轴器为了满足半联轴器的轴向定位要示求,1-2轴段右端需制出一轴肩,故取2-3段的直径 ;左端用轴端挡圈,按轴端直径取挡圈直径D=65mm.半联轴器与轴配合的毂孔长度,为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上,故1-2 段的长度应比 略短一些,现取.
2)初步选择滚动轴承.因轴承同时受有径向力和轴向力的作用,故选用单列圆锥滚子轴承.参照工作要求并根据,由轴承产品目录中初步选取 0 基本游子隙组 、标准精度级的单列圆锥滚子轴承30313。其尺寸为dDT=65mm140mm36mm，故 ；而。
3）取安装齿轮处的轴段4-5段的直径 ；齿轮的右端与左轴承之间采用套筒定位。已知齿轮轮毂的宽度为90mm，为了使套筒端面可靠地压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，故取 。齿轮的左端采用轴肩定位，轴肩高度 ，故取h=6mm ，则轴环处的直径 。轴环宽度 ，取。
4）轴承端盖的总宽度为20mm（由减速器及轴承端盖的结构设计而定）。根据轴承端盖的装拆及便于对轴承加润滑脂的要求，取端盖的外端面与半联轴器右端面间的距离l=30mm，故取
低速轴的相关参数：
表4-1
功率

转速

转矩

1-2段轴长

84mm

1-2段直径

50mm

2-3段轴长

40.57mm

2-3段直径

62mm

3-4段轴长

49.5mm

3-4段直径

65mm

4-5段轴长

85mm

4-5段直径

70mm

5-6段轴长

60.5mm

5-6段直径

82mm

6-7段轴长

54.5mm

6-7段直径

65mm

（3）轴上零件的周向定位
齿轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。按查表查得平键截面b*h=20mm12mm，键槽用键槽铣刀加工，长为L=63mm,同时为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为 ；同样，半联轴器与轴的连接，选用平键为14mm9mm70mm，半联轴器与轴的配合为。滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径公差为m6。

4.2中间轴
4.2.1求输出轴上的功率转速和转矩

4.2.2求作用在齿轮上的力
（1）因已知低速级小齿轮的分度圆直径为：

（2）因已知高速级大齿轮的分度圆直径为：

4.2.3初步确定轴的最小直径
先按式初步估算轴的最小直径.选取轴的材料为45钢,调质处理.根据表15-3,取 ,于是得：

轴的最小直径显然是安装轴承处轴的直径。

图 4-2
4.2.4初步选择滚动轴承.
（1）因轴承同时受有径向力和轴向力的作用,故选用单列圆锥滚子轴承，参照工作要求并根据,由轴承产品目录中初步选取 0 基本游子隙组 、标准精度级的单列圆锥滚子轴承。其尺寸为dD*T=35mm72mm18.25mm，故，；
（2）取安装低速级小齿轮处的轴段2-3段的直径 ；齿轮的左端与左轴承之间采用套筒定位。已知齿轮轮毂的宽度为95mm，为了使套筒端面可靠地压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，故取 。齿轮的右端采用轴肩定位，轴肩高度，故取h=6mm，则轴环处的直径。轴环宽度，取。
（3）取安装高速级大齿轮的轴段4-5段的直径齿轮的右端与右端轴承之间采用套筒定位。已知齿轮轮毂的宽度为56mm，为了使套筒端面可靠地压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，故取。
4.2.5轴上零件的周向定位
齿轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。按查表查得平键截面b*h=22mm14mm。键槽用键槽铣刀加工，长为63mm,同时为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为 ；同样，半联轴器与轴的连接，选用平键为14mm9mm70mm，半联轴器与轴的配合为 。滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径公差为m6。

中间轴的参数：
表4-2
功率

10.10kw
转速

362.2r/min
转矩

263.6
1-2段轴长

29.3mm

1-2段直径

25mm

2-3段轴长

90mm

2-3段直径

45mm

3-4段轴长

12mm

3-4段直径

57mm

4-5段轴长

51mm

4-5段直径

45mm

4.3高速轴
4.3.1求输出轴上的功率转速和转矩
若取每级齿轮的传动的效率,则

4.3.2求作用在齿轮上的力
因已知低速级大齿轮的分度圆直径为

4.3.3初步确定轴的最小直径
先按式初步估算轴的最小直径.选取轴的材料为45钢,调质处理.根据表15-3,取 ,于是得：

输出轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径.为了使所选的轴直径与联轴器的孔径相适应,故需同时选取联轴器型号.
联轴器的计算转矩 , 查表 ,考虑到转矩变化很小,故取 ,则:

按照计算转矩 应小于联轴器公称转矩的条件,查标准GB/T 5014-2003 或手册,选用LX2型弹性柱销联轴器,其公称转矩为560000 .半联轴器的孔径 ,故取 ,半联轴器长度 L=82mm ,半联轴器与轴配合的毂孔长度.
4.4轴的结构设计
4.4.1拟定轴上零件的装配方案

图4-3
4.4.2根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度
1)为了满足半联 轴器的轴向定位要示求,1-2轴段右端需制出一轴肩,故取2-3 段的直径 ;左端用轴端挡圈,按轴端直径取挡圈直径D=45mm .半联轴器与轴配合的毂孔长度 ,为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上 而不压在轴的端面上,故 段的长度应比 略短一些,现取.
2)初步选择滚动轴承.因轴承同时受有径向力和轴向力的作用,故选用单列圆锥滚子轴承.参照工作要求并根据 ,由轴承产品目录中初步选取 0 基本游子隙组 、标准精度级的单列圆锥滚子轴承。其尺寸为d*D*T=45mm*85mm*20.75mm，故 ；而 ，mm。
3）取安装齿轮处的轴段4-5段,做成齿轮轴；已知齿轮轴轮毂的宽度为61mm，齿轮轴的直径为62.29mm。
4）轴承端盖的总宽度为20mm（由减速器及轴承端盖的结构设计而定）。根据轴承端盖的装拆及便于对轴承加润滑脂的要求，取端盖的外端面与半联轴器右端面间的距离l=30mm，故取。
5）轴上零件的周向定位
齿轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。按 查表查得平键截面b*h=14mm*9mm ，键槽用键槽铣刀加工，长为L=45mm,同时为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为 ；同样，半联轴器与轴的连接，选用平键为14mm9mm70mm，半联轴器与轴的配合为 。滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径公差为m6。
高速轴的参数：
表4-3
功率

10.41kw
转速

1460r/min
转矩

1-2段轴长

80mm

1-2段直径

30mm

2-3段轴长

45.81mm

2-3段直径

42mm

3-4段轴长

45mm

3-4段直径

31.75mm

4-5段轴长

99.5mm

4-5段直径

48.86mm

5-6段轴长

61mm

5-6段直径

62.29mm

6-7段轴长

26.75mm

6-7段直径

45mm

5.齿轮的参数化建模
5.1齿轮的建模
（1）在上工具箱中单击按钮，打开“新建”对话框，在“类型”列表框中选择“零件”选项，在“子类型”列表框中选择“实体”选项，在“名称”文本框中输入“dachilun_gear”，如图5-1所示。

图5-1“新建”对话框
2>取消选中“使用默认模板”复选项。单击“确定”按钮，打开“新文件选项”对话框，选中其中“mmns_part_solid”选项，如图5-2所示，最后单击”确定“按钮，进入三维实体建模环境。

图5-2“新文件选项”对话框
（2）设置齿轮参数
1>在主菜单中依次选择“工具” “关系”选项，系统将自动弹出“关系”对话框。
2>在对话框中单击按钮，然后将齿轮的各参数依次添加到参数列表框中，具体内容如图5-4所示，完成齿轮参数添加后，单击“确定”按钮，关闭对话框。

图5-3输入齿轮参数
（3）绘制齿轮基本圆
在右工具箱单击，弹出“草绘”对话框。选择FRONT 基准平面作为草绘平面，绘制如图5-4所示的任意尺寸的四个圆。
（4）设置齿轮关系式，确定其尺寸参数
1>按照如图5-5所示，在“关系”对话框中分别添加确定齿轮的分度圆直径、基圆直径、齿根圆直径、齿顶圆直径的关系式。
2>双击草绘基本圆的直径尺寸，将它的尺寸分别修改为、、、修改的结果如图5-6所示。

图5-4草绘同心圆 图5-5“关系”对话框

图5-6修改同心圆尺寸 图5-7“曲线：从方程”对话框
（5）创建齿轮齿廓线
1>在右工具箱中单击按钮打开“菜单管理器”菜单，在该菜单中依次选择“曲线选项” “从方程” “完成”选项，打开“曲线：从方程”对话框，如图5-7所示。
2>在模型树窗口中选择坐标系，然后再从“设置坐标类型”菜单中选择“笛卡尔”选项，如图5-8所示，打开记事本窗口。
3>在记事本文件中添加渐开线方程式，如图5-9所示。然后在记事本窗中选取“文件” “保存”选项保存设置。

图5-8“菜单管理器”对话框 图5-9添加渐开线方程
4>选择图5-11中的曲线1、曲线2作为放置参照，创建过两曲线交点的基准点PNTO。参照设置如图5-10所示。

曲 线1
曲 线 2

图5-11基准点参照曲线的选择 图5-10“基准点”对话框
5>如图5-12所示，单击“确定”按钮，选取基准平面TOP和RIGHT作为放置参照，创建过两平面交线的基准轴A_1，如图6-13所示。

图5-12“基准轴”对话框 图5-13基准轴A_1

6>如图5-