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畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）
設(shè)計(論文)題目： 基于Pro/E的風(fēng)力發(fā)電機增速器設(shè)計
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班 級：1
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目 錄
摘 要 II
Abstract III
1 緒 論 1
1.1 國內(nèi)外風(fēng)電發(fā)展?fàn)顩r 1
1.2 論文的主要內(nèi)容 3
2 增速箱齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計 4
2.1 增速箱齒輪的設(shè)計要求及設(shè)計步驟 4
2.2 增速箱傳動方案設(shè)計 4
2.3 增速箱齒輪參數(shù)要求 5
2.4 增速器整機設(shè)計 6
2.5 材料選擇及強度校核 11
3 齒輪箱其他部件的設(shè)計 15
3.1 軸承蓋的設(shè)計 15
3.2 行星架的設(shè)計 15
3.3 箱體設(shè)計 16
4 基于Pro/E的有限元分析 17
4.1 Pro/E軟件簡介 17
4.2 Pro/E的有限元分析 17
4.3 主軸分析過程 17
5 結(jié)論 23
參考文獻(xiàn) 24
VI
摘要
基于Pro/E的風(fēng)力發(fā)電機增速器設(shè)計
摘 要
風(fēng)力發(fā)電機顧名思義是依靠風(fēng)所作用的能量進(jìn)行發(fā)電的一種裝置，最近幾年，風(fēng)機生產(chǎn)行業(yè)成長相當(dāng)?shù)难杆伲鳛轱L(fēng)機整個機組中最為重要的部位，風(fēng)機的齒輪箱的研究與發(fā)展一向被世界所關(guān)注。西方許多家已經(jīng)掌握了許多核心技術(shù)，然而我國對風(fēng)力發(fā)電機齒輪箱的研究雖然也取得了不少突破，但就國外而言還是存在了不少差距，很多部件還是依靠國外進(jìn)口。所以我國應(yīng)該繼續(xù)跟進(jìn)風(fēng)機齒輪箱的科研進(jìn)度，爭取掌握成熟技術(shù)。
本次設(shè)計的主體是風(fēng)力發(fā)電機的增速器齒輪箱，通過查閱資料選取適當(dāng)?shù)膮?shù)，并通過計算、分析、制圖來逐步完成所有的設(shè)計內(nèi)容。
1） 通過查閱資料來確定齒輪箱的整體結(jié)構(gòu)，擬定傳動方案并進(jìn)行傳動比的分配與各傳動組參數(shù)的確定；
2） 通過運算來選取并確定各級的齒輪所有參數(shù)，例如模數(shù)、齒數(shù)這類;
3） 對行星齒輪的傳動過程所受力進(jìn)行分析并依據(jù)所查標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行強度校核，確保能夠切合安全規(guī)定。
4） 運用CAD軟件進(jìn)行制圖。
5） 通過Pro/E軟件進(jìn)行初步有限元分析。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機；齒輪箱；結(jié)構(gòu)設(shè)計
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Design of the wind turbine generator based on Pro/E
Abstract
As the name suggests, wind turbine is a mechanical device which use wind energy to generate electricity . In recent years, the development of wind turbine manufacturing industry is rapid. As the most important part in the wind power generator, wind turbine gearbox has won the world’s attention in it’s research and development. Many western countries have mastered lots of core technologies. However, in our country, although the research of wind turbine gearbox has many breakthroughs, there is still a big gap compared with foreign countries, many component still rely on imports. Therefore, our country should continue to strengthen the research and progress of the gear box, and strive to master the key technology.
The subject of this design is wind turbine gearbox, through accessing to data to select and distribute the transmission ratio, and through the calculation, analysis, mechanical drawing to complete all the design.
1) By consulting the data to determine the structure of the gear box, then selecting the transmission ratio and distributing it and determine the parameters by calculation ;
2) To determine the parameters at all levels of the gear , such as modulus, tooth number and so on;
3) To make the force analysis of the planetary gear’s transmission and check the strength according to the standard, to ensure that the results meeting the requirements.
4) Using CAD software to make machine drawing.
5) Making easy finite element analysis by Pro/E software.
Key words: wind power generator; gear box; structure design
第1章 緒論
1 緒 論
1.1 國內(nèi)外風(fēng)電發(fā)展?fàn)顩r
1.1.1國外風(fēng)電發(fā)展?fàn)顩r
同其他可再生能源一樣，風(fēng)能作為一種十分清潔而且資源豐富的能源，在環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重與各種廢氣亂排放導(dǎo)致溫室效應(yīng)這些嚴(yán)峻的現(xiàn)實下，它的開發(fā)與使用成為了迫在眉睫的問題。以風(fēng)能為主導(dǎo)的風(fēng)力發(fā)電機作為一種被廣泛認(rèn)可的能夠有效緩和氣候變化、促進(jìn)低碳型經(jīng)濟發(fā)展、提高能源有效利用的研究方案，受到各國政府部門、技術(shù)研發(fā)機構(gòu)、投融資項目機構(gòu)、運營機構(gòu)等的高度重視。
西方國家早在18世紀(jì)就開始研究風(fēng)力發(fā)電機，但是由于處于技術(shù)成型的初期，而且當(dāng)時的經(jīng)濟條件也無法提供支持所以風(fēng)力發(fā)電機一直未能成為有效電源的來源。直到19世紀(jì)，石油危機的爆發(fā)，才迫使人們開始花費資金與精力來尋求可以代替化石能源的新型能源，而之前就有過研究的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)自然而然的映入了開發(fā)者與投資者的眼簾。
美國作為世界上最大的經(jīng)濟體，對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展相當(dāng)重視，投入了很大的成本去研究該項目，并取得了不錯的成果。美國現(xiàn)在有一大半的州都已經(jīng)普遍開始運用風(fēng)電技術(shù)。從02年467兆瓦的裝機容量到2006年的11570兆瓦的裝機容量，短短的幾年間發(fā)展可謂神速，當(dāng)年的風(fēng)電消費量占到了總電費消費量的3.5%。2012年美國風(fēng)能產(chǎn)業(yè)取得了突破性的發(fā)展，單季度裝機容量達(dá)到1695兆瓦，總裝機容量更是高達(dá)達(dá)到48611兆瓦，較2011年同期相比增長了52％，據(jù)統(tǒng)計，有超過38個州正在發(fā)展風(fēng)電項目，目前有14個州已建設(shè)好了超過1000兆瓦的項目。
至于丹麥，作為風(fēng)電技術(shù)的起源地，設(shè)計出第一臺風(fēng)機的國家，很早就建設(shè)了比較完善的風(fēng)電電網(wǎng)體系。丹麥的VESTAS公司是世界最大的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的生產(chǎn)供應(yīng)商，已經(jīng)在全球超過65個國家和地區(qū)安裝了超過4萬臺的風(fēng)力發(fā)電機。2013年，丹麥的年新增裝機容量超過650MW，累計的裝機容量也突破了4770MW，丹麥風(fēng)電產(chǎn)額占比總電力產(chǎn)額成功突破三分之一。其實丹麥并不是一個能源十分豐富的國家，它的水利資源、太陽能資源以及地?zé)豳Y源都比較欠缺，同時國民也不支持發(fā)展核電技術(shù)，然而丹麥還是依靠風(fēng)能實現(xiàn)了能源的自給自足。專家分析認(rèn)為，依靠有政府所支持的可再生能源發(fā)展計劃才能最終實現(xiàn)了這一切，利用政府補貼，使容量比較豐富的風(fēng)能資源發(fā)揮出最大的市場優(yōu)勢。
下圖是全球風(fēng)能理事會在2014年所做市場預(yù)測,其中2015年年新增的裝機容量已經(jīng)達(dá)到了6300萬千瓦，也就是63GW，而累計裝機的容量已經(jīng)突破432GW，較14年增長17%。不難看出，各方面都已經(jīng)超過了預(yù)期，所以未來全球風(fēng)力發(fā)電一定能得到大范圍的普及，以此來緩解能源危機。
圖1.1 2015～2019年風(fēng)電市場預(yù)測
1.1.2我國風(fēng)電發(fā)展?fàn)顩r
我國在上世紀(jì)80年代那會開始著手研究風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，相比于其他國家，起步實在太晚。因為風(fēng)能具有不穩(wěn)定性，初始階段對其研究具有很高的困難性，所需要的技術(shù)水平也比較高，所以那時我國的風(fēng)電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)并沒有太大的發(fā)展。
由于技術(shù)水平薄弱，早先階段我國大部分風(fēng)力發(fā)電機的建設(shè)是依靠國外進(jìn)口，列如廣東、地區(qū)。國內(nèi)早先也出現(xiàn)不少制造風(fēng)力發(fā)電機的企業(yè)，但由于核心技術(shù)不足，再加上我國風(fēng)力發(fā)電的前景并不明朗，所以這些公司紛紛倒閉。直到98年金風(fēng)科技股份有限公司的建立，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展才真正進(jìn)入起步階段。金風(fēng)公司通過購買國外先進(jìn)技術(shù)，自己加以研究并進(jìn)行創(chuàng)新，使國內(nèi)掌握了屬于自己的技術(shù)。隨后國內(nèi)風(fēng)機市場進(jìn)入快速展階段。于2010年達(dá)到新增裝機容量1892萬千瓦，成功越居世界第一。
不過雖然我國新增機裝總量已達(dá)到世界最高水平，但是仍然存在了不少問題，最為主要的還是風(fēng)力發(fā)電機齒輪箱的研究存在瓶頸。我國的齒輪箱研究大都還集中在瓦兆級之下，而瓦兆級以上的產(chǎn)品還是通過國外的進(jìn)口。
國內(nèi)目前有4家公司:重慶齒輪箱公司，杭州前進(jìn)齒輪箱公司，南京高精齒輪公司，鄭州機械研究所，這些公司對600千瓦～800千瓦機型的增速齒輪箱的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)較為掌握并開始批量生產(chǎn)。他們的產(chǎn)品主要有FL系列齒輪箱，F(xiàn)Z系列，Ⅲ系列齒輪箱，以及的FC系列齒輪箱，分別對應(yīng)了上述4家公司，雖然加上國內(nèi)其他一些小型風(fēng)電企業(yè)也在著手研究1.5兆瓦,2兆瓦，5兆瓦甚至更高功率的齒輪箱，但任然不能有效緩解我國在齒輪箱這一業(yè)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的薄弱的現(xiàn)狀。
我國從國外引進(jìn)的風(fēng)力發(fā)電機的生產(chǎn)技術(shù)主要還是整體的集成技術(shù)，但是在這些集成技術(shù)里面，作為最為關(guān)鍵的核心；齒輪箱的研發(fā)技術(shù)并沒有包括在內(nèi)。這也使得我國齒輪箱的技術(shù)的發(fā)展存在了很大的屏障，只能依靠國外進(jìn)口產(chǎn)品中的一些規(guī)范要求以及風(fēng)機的一些技術(shù)特點來進(jìn)行推斷。所以雖然說我國目前有很多公司也在研究并生產(chǎn)出了很多類型的風(fēng)力發(fā)電機齒輪箱，但這并不能說我國已經(jīng)掌握了風(fēng)力齒輪箱的生產(chǎn)技術(shù)，相反，這條探索之路依然需要我們奮力去前行。
1.2論文的主要內(nèi)容
首先是整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過查閱資料來確定齒輪箱整體的參數(shù)，并確定整體的傳動方案，之后根據(jù)規(guī)定確認(rèn)整體的傳動比，并對此進(jìn)行非配，對各級傳動結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，最后通過分析其受力狀況并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行強度的校核。
風(fēng)力發(fā)電機主要存在兩種形式：垂直軸風(fēng)機與水平軸風(fēng)機。而國際風(fēng)電市場上大都采用的是水平抽風(fēng)機這一結(jié)構(gòu)。本設(shè)計也是建立在水平抽風(fēng)機的基礎(chǔ)上。作為風(fēng)力發(fā)電機中最為主要的機構(gòu)，風(fēng)機齒輪箱所起到的作用便是將風(fēng)力帶動葉輪所產(chǎn)生的作用力傳到發(fā)電機讓它產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)速。齒輪箱通過各級加速傳動機構(gòu)，將由風(fēng)力帶動葉輪產(chǎn)生的較小的轉(zhuǎn)速進(jìn)行加速以達(dá)到發(fā)電機正常發(fā)電所需要的轉(zhuǎn)速。
目前世界上主流的風(fēng)力發(fā)電機在形式的基礎(chǔ)上還有三種主要結(jié)構(gòu)：全部采用平行軸圓柱齒輪進(jìn)行設(shè)計、全部采用行星齒輪進(jìn)行設(shè)計以及采用圓柱齒輪與行星齒輪相結(jié)合的設(shè)計，本設(shè)計采取最后的方案，也就是圓柱齒輪與行星齒輪相結(jié)合的方式。不同機組對主軸的連接方式也不一樣，具體有2種：主軸直接與箱體合在一起；運用聯(lián)軸節(jié)或是接漲緊套來連接主軸和箱體，這里選擇的是后一種方案。
26
第2章 增速箱齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計
2 增速箱齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1 增速箱齒輪的設(shè)計要求及設(shè)計步驟
本次設(shè)計的是2.0 MW風(fēng)電齒輪箱傳動系統(tǒng)，所用具體參數(shù)如下表：
表2.1技術(shù)指標(biāo)
發(fā)電機額定功率
2000KW
總齒輪傳動比
75～85
額定功率時輸入轉(zhuǎn)速
12.1rpm
額定功率時輸出轉(zhuǎn)速
976.25rpm
總體設(shè)計的步驟：
（1） 依據(jù)齒輪箱的技術(shù)要求與工作特點選用行星齒輪的傳動方式。
（2） 依據(jù)所查設(shè)計要求選用合適的傳動方案并確定總體的結(jié)構(gòu)類型。
（3） 依據(jù)上圖所選用的輸入輸出轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)來確定整體結(jié)構(gòu)的傳動比：
通過分析齒輪箱的行星傳動的特點選用NGW型行星傳動結(jié)構(gòu)。行星輪的個數(shù)選取3個，這樣能夠保證工作的穩(wěn)定性。
由于增速器的結(jié)構(gòu)要求，在電機和行星輪之間應(yīng)該保有一定的空間用來放置電機，而且一般使用圓柱齒輪來連接行星輪系和發(fā)電機，這樣可以使整體結(jié)構(gòu)更為緊湊。本次設(shè)計選用兩級行星傳動系統(tǒng)，各級傳動比如下：第一級： 第二級：。
2.2 增速箱傳動方案設(shè)計
因為瓦兆級的齒輪箱的傳動比正常情況下都比較大，所以它的傳動形式一般采用行星齒輪搭配平行軸圓柱齒輪，有1級行星齒輪加上2級圓柱齒輪或者2級行星齒輪加上1級圓柱齒輪兩種傳動范式。行星齒輪作為傳動齒輪有很多優(yōu)點：
1）傳動的效率高，功率傳遞的范圍大，零件整體因為結(jié)構(gòu)比較簡單，所以體積較小，重量也輕，，制造也比較方便；
2）因為內(nèi)嚙合的傳動方式采用的是共軸線式的，所以能有效縮短零件的軸向尺寸，使零件連接的更為緊密，運動也更為平穩(wěn)。
雖然它的優(yōu)點比較突出，但行星傳動也不可避免的會產(chǎn)生一些缺點：因為零件比較小導(dǎo)致散熱面積也跟著減小，油溫就會變高，所以對冷卻系統(tǒng)提出了更高的要求；因為每級傳動系統(tǒng)連接的零件比較多，更為復(fù)雜，所以對精度要求也會更高，而且裝配也比較復(fù)雜。所以一般采用行星齒輪和定軸齒輪相結(jié)合的傳動方式，兩者互補，各取所長。
根據(jù)所給參數(shù)查閱資料，確定總傳動比為i=80.68：1，本設(shè)計選用2級行星傳動與定軸傳動相結(jié)合的傳動方式,如圖2.1所示。行星傳動的設(shè)計過程中經(jīng)常會運用到均載機構(gòu)，因為行星傳動的生產(chǎn)過程中容易產(chǎn)生誤差。均載機構(gòu)的作用是通過平均分配行星齒輪的載荷來使齒輪的承載能力，嚙合的穩(wěn)定性都得到提高，而且還能降低齒輪整體的精度，使成本也跟著降低。
本設(shè)計采用NGW型傳動也就是有3個行星齒輪在進(jìn)行嚙合，根據(jù)各均載機構(gòu)的特點，選用中心輪浮動的均載機構(gòu)。該機構(gòu)適用于中低速工作情況，非常適用于三個行星齒輪進(jìn)行嚙合的條件。
圖2.1 傳動結(jié)構(gòu)簡圖
2.3增速箱齒輪參數(shù)要求
由于行星齒輪在傳動過程中進(jìn)行嚙合的齒輪比較多，載荷情況比較復(fù)雜，為了能夠正確裝配與傳動，在各傳動級中齒輪的齒數(shù)應(yīng)滿足以下要求：
（1）轉(zhuǎn)軸的軸線必須和太陽的軸線能夠重合，也就是同心同心要求：
（2.1）
（2）3個行星齒輪不能出現(xiàn)干涉情況，也就是鄰接要求：
（2.2）
（3）設(shè)計時應(yīng)注意應(yīng)該均勻的布置行星齒輪，從而來平衡各個零件所受到的徑向力。在行星齒輪比較多的情況下，應(yīng)確保他們在2級傳動系統(tǒng)中的太陽輪之間能夠軍勻的分配。行星齒輪在齒頂?shù)倪B線應(yīng)該保留一些間隙，從而避免了行星齒輪之間的碰撞，這些也就是安裝要求：
（2.3）
確保上式中C是整數(shù)。
傳動系統(tǒng)中齒圈是不動的，確保各級傳動系統(tǒng)滿足傳動比，也就是傳動比要求：
（2.4）
式中：
——太陽輪的齒數(shù)；
——行星輪的齒數(shù)；
——內(nèi)齒圈的齒數(shù)；
——行星輪的個數(shù)；
——a,c兩齒輪的中心距
——齒輪c齒頂圓直徑
2.4增速器整機設(shè)計
2.4.1第1級行星齒輪設(shè)計及校核
(l)計算各齒輪的參數(shù)
根據(jù)所定的條件
即 （2.5）
依據(jù)所定的傳動比結(jié)合行星齒輪傳動的配齒表，取=24，則C=40。
計算：
計算：
嚙合角α:
選
(2)檢驗行星輪齒裝配要求
1) 同心要求
進(jìn)行嚙合的齒輪在中心距上應(yīng)該相等，這樣使行星架和中心輪的軸線能夠重合。而對其角度變位傳動，應(yīng)為
（2.6）
左邊=
右邊=
左邊=右邊，所以符合同心要求。
2) 裝配要求
行星齒輪在中心太陽輪與內(nèi)齒圈之間要均勻的分配，為了使行星輪能夠被正確的裝配，行星輪的個數(shù)與其齒數(shù)一定要符合裝配要求。
即 (整數(shù)) （2.7）
為整數(shù)
滿足裝配要求
3) 鄰接要求
相鄰的行星輪的齒頂不能發(fā)生碰撞
即 （2.8）
齒頂圓直徑
根據(jù)上述的要求，選定模數(shù)為20mm，根據(jù)行星齒輪的技術(shù)要求，確定第1級行星傳動各齒輪具體參數(shù)如表2.2。
表2.2 第一級行星輪系參數(shù)
齒數(shù)
模數(shù)
變位系數(shù)
分度圓
螺旋角
第一級
中心輪
24
20
0
480
0
行星輪
36
20
0
720
0
內(nèi)齒圈
96
20
0
1920
0
2.4.2第2級行星齒輪設(shè)計及校核
(l)計算各齒輪的參數(shù)
根據(jù)所定的條件
即
依據(jù)所定的傳動比結(jié)合行星齒輪傳動的配齒表，取=21則C=35。
計算：
計算：
嚙合角α:
選
按照第1級行星傳動校核條件對其進(jìn)行校核，結(jié)果滿足裝配要求。選定模數(shù)為12mm，根據(jù)行星齒輪的技術(shù)要求，確定行星輪系具體參數(shù)如表2.3。
表2.3 第二級行星輪系參數(shù)
齒數(shù)
模數(shù)
變位系數(shù)
分度圓
螺旋角
第二級
中心輪
21
12
0
252
0
行星輪
31
12
0
372
0
內(nèi)齒圈
83
12
0
996
0
2.4.3第3級圓柱直齒輪設(shè)計
選小齒輪 ，
大齒輪
通過 對小齒輪分度圓直徑進(jìn)行計算 （2.9）
選取
計算圓柱小齒輪所傳遞的轉(zhuǎn)矩
選擇齒寬系數(shù)
選擇區(qū)域系數(shù)
所用材料彈性影響系數(shù)
接觸疲勞強度計算所用重合度系數(shù)。
圓柱小齒輪分度圓直徑
調(diào)整之后取
具體參數(shù)如表2.4
表2.4 第三級平行軸直齒輪參數(shù)
大齒輪
小齒輪
模數(shù)m
12
12
齒數(shù)Z
71
22
分度圓直徑d
852
264
螺旋角β
0
0
變位系數(shù)x
0
0
齒輪副中心距a
558
558
齒形角α
20°
20°
2.4行星傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
(l)太陽輪的結(jié)構(gòu)
本論文采用齒輪軸的的方式來設(shè)計太陽輪，這樣與太陽輪行星齒輪輪的連接將變得更為方便；而為時中心輪有一定的擺動空間，太陽輪與行星架的連接則采用鼓型漸開線花鍵來實現(xiàn)均載。如圖
圖 2.2 太陽輪結(jié)構(gòu)
（2）行星輪的結(jié)構(gòu)
因為本設(shè)計整體的傳動比比一般機械零件大，為了讓軸向尺寸能夠盡可能的小一些，裝配起來方便一些，所以將軸承都安裝在行星輪的由軸孔里面。
一般情況下，在壁厚的條件下，兩個被安裝在行星齒輪內(nèi)的軸承間的距離應(yīng)該最大，這樣來設(shè)計可以讓載荷能夠均勻的分布在齒輪的齒寬方向從而使軸承的受力能夠得到改善。將雙列調(diào)心滾子軸承安裝在行星齒輪內(nèi)孔里面可以讓上述沿齒寬方向的載荷的均勻性得到進(jìn)一步的改善。鑒于減行星齒輪所承受載荷比較大,所以本設(shè)計選擇安裝了2個軸承在行星齒輪內(nèi)孔里面,行星輪結(jié)構(gòu)如圖；
圖 2.3 行星輪結(jié)構(gòu)
(3)行星架的結(jié)構(gòu)
行星架作為連接軸與齒輪傳動的一個結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的零件，一般情況下有單臂式、雙臂分離式與雙臂整體式這3種結(jié)構(gòu)。本設(shè)計選用最后一種雙臂整體式，并選用ZG340—640鑄鋼材料的毛坯，因為該結(jié)構(gòu)的剛性比較好。
2.5材料選擇與強度校核
大部分風(fēng)力發(fā)電機都安裝在荒野、山區(qū)甚至海上，由于經(jīng)常遭受風(fēng)吹日曬等天氣環(huán)境的影響，它的受力情況較一般的設(shè)備來說更為復(fù)雜，所以它不止要滿足普通機械零件的強度，更要能夠具備一些能夠適應(yīng)環(huán)境的特征，比如因為溫差大而因具備的抗脆能力，抗熱脹冷縮能力。正常情況下傳動零件不選用焊接結(jié)構(gòu)或是分體結(jié)構(gòu),為了齒輪的承載能力能夠得到提高，齒輪毛坯則選用輪輻輪與輪緣作為鍛件，使用優(yōu)質(zhì)的合金鋼來進(jìn)行鍛造。表2.5所示為本設(shè)計齒輪箱行星傳動系統(tǒng)中各零件所選材料以及力學(xué)方面的性能。
表2.5各傳動部件材料及力學(xué)性能
2.5.1行星傳動強度校核
在設(shè)計行星齒輪的過程中,接觸強度最大的一般是行星輪與太陽輪之間的接觸強度,只要對該對傳動輪的強度進(jìn)行驗證，即可保證設(shè)計符合要求。根據(jù)所查資料,來校核各級行星傳動系統(tǒng)的強度。
(l)第1級行星輪系
l)對行星輪與太陽輪的彎曲強度以及外嚙合的接觸強度進(jìn)行校核
行星和輪太陽輪在材料上選用20CrMnTi,做滲碳淬火處理,齒面硬度為56一60HRC。通過查閱手冊[3],選取 ，
通過查手冊[3]， 得
計算輸入軸的轉(zhuǎn)矩：
（2.10）
計算太陽輪所受轉(zhuǎn)矩：
（2.11）
計算行星輪所受轉(zhuǎn)矩：
（2.12）
計算齒面接觸疲勞強度:
（2.13）
計算太陽輪齒根彎曲疲勞強度:
（2.14）
2)對行星輪與內(nèi)齒圈的彎曲強度進(jìn)行校核
內(nèi)齒圈的選用材料42CrMo,調(diào)質(zhì),齒面硬度為HBS260,通過查手冊[3],選取
計算齒根彎曲疲勞強度:
(2)第2級行星齒輪
l)對行星輪與太陽輪的彎曲強度以及外嚙合的接觸強度進(jìn)行校核
行星和輪太陽輪在材料上選用20CrMnTi,做滲碳淬火處理,齒面硬度為56一60HRC。
通過過查閱手冊[3],選取 ，
計算齒面接觸疲勞強度:
計算太陽輪齒根彎曲疲勞強度:
2)對行星輪與內(nèi)齒圈的彎曲強度進(jìn)行校核
內(nèi)齒圈的選用材料42CrMo,調(diào)質(zhì),齒面硬度為HBS260,通過查手冊[3],選取
計算齒根彎曲疲勞強度:
2.5.2圓柱直齒輪強度校核
選取材料為20CrMnTi,做滲碳淬火處理，齒面硬度為56~60HRC，通過查閱手冊[3],選取
，
通過查手冊[3]， 得
計算輸入軸轉(zhuǎn)矩：
計算齒輪Z1所受轉(zhuǎn)矩：
計算齒面接觸疲勞強度:
第3級圓柱大齒輪
計算齒根彎曲疲勞強度
第3級圓柱小齒輪
計算齒根彎曲疲勞強度
經(jīng)過以上計算分析可以得知，本次齒輪箱傳動系統(tǒng)的設(shè)計大體滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的強度要求，本方案通過加大齒寬的設(shè)計、確保精度的準(zhǔn)確加上合理的選擇傳動比，而從有效避免了膠合、點蝕等損害機構(gòu)穩(wěn)定性的情況出現(xiàn)，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計比較合理，至此本方案可行。
第3章 增速器其他部件設(shè)計
3 增速器其他部件設(shè)計
3.1軸承蓋的設(shè)計
作為用來固定軸承的零件，軸承蓋既能承受軸向的載荷同時也能調(diào)整軸承的間隙，軸承蓋分為兩種形式：凸緣式、嵌入式。
雖然嵌入式軸承蓋的結(jié)構(gòu)比較緊湊導(dǎo)致其重量輕，體積也小，但該結(jié)構(gòu)在需要調(diào)整間隙時必須要打開箱蓋，所以在操作上比較繁瑣，所以大多都應(yīng)用于不需要調(diào)整軸承間隙的設(shè)計中。
至于凸緣式軸承蓋的設(shè)計，一般是采用螺釘將它固定在箱體上，便于拆卸和調(diào)整，密封能力也很好，所以應(yīng)用比較廣泛。
凸緣式軸承蓋在設(shè)計時有幾點需要注意的地方：它的材料一般選用鑄鐵，所以它的鑄造工藝性一定要得到確保；而且在設(shè)計過程中要確保它的厚度能夠均勻來滿足箱體的密封時需要的工藝條件。
因為工件在潤滑時會產(chǎn)生油液的飛濺，為了將這些濺出的油液引導(dǎo)至軸承里面，軸承蓋上應(yīng)該要開槽，以保持油路中的油液能夠正常流動。
3.2 行星架的設(shè)計
作為連接軸與行星齒輪，使得整個傳動能夠進(jìn)行起來的構(gòu)件，行星架在行星齒輪傳動系統(tǒng)有著非常重要的地位。行星輪是直接安裝在行星架上面的。行星輪之間的載荷是否能夠被均勻地分配取決于行星輪心軸的位置是否精確。一旦行星架設(shè)計不合理導(dǎo)致行星輪的軸線發(fā)生位移，整個工件的結(jié)構(gòu)性就會被破壞，降低了工件的承載能力，而且還會產(chǎn)生噪音甚至發(fā)生震動。所以，為了能夠均勻分布行星輪承受的載荷，使工件能共平穩(wěn)地運行，在設(shè)計行星架時應(yīng)該滿足以下一些要求：
1) 行星架上回轉(zhuǎn)軸的軸線的以及行星輪軸線的位置關(guān)系要滿足GB/T1184-1996標(biāo)準(zhǔn)5級精度規(guī)定。
2) 在材料上選取QT700，，應(yīng)保證它們的力學(xué)性能滿足GB/T1348-2009，BG/T3077-1999，JB/T6402-2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。
3) 在精加工完行星架后要再對其進(jìn)行靜平衡操作。
4) 對行星架焊縫處進(jìn)行超聲波探傷，確保滿足GB/T11345-1989標(biāo)準(zhǔn)要求。
3.3 箱體設(shè)計
齒輪箱的箱體作為增速器設(shè)計的重要組成部分，各種構(gòu)件運轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的作用力都會作用到它上面，比如風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的力，或者齒輪在傳動時所產(chǎn)生的力。所以為了防止其因為力的作用產(chǎn)生變形，設(shè)計時必須確保它有一定的剛性，能夠承受得住作用力的影響。
根據(jù)加工工藝的規(guī)定，傳動系統(tǒng)的布局、裝配條件、設(shè)備的檢驗與維護(hù)等相關(guān)規(guī)定對箱體進(jìn)行設(shè)計。同時為了應(yīng)對軸承或是機架所承受的各種各樣的反力的影響，對支撐結(jié)構(gòu)以及箱體壁厚的選擇要符合規(guī)范，必要時可以使用加強筋來來防止箱體產(chǎn)生變形。
箱體應(yīng)該設(shè)置導(dǎo)油板用來收集飛濺的油液，然后使用集油板將收集的油液導(dǎo)流到設(shè)置在箱體內(nèi)側(cè)箱壁上的的集油槽中，最后油液通過通道流入軸承里面，這種設(shè)計能夠很好的對整體減速機構(gòu)進(jìn)行潤滑，這樣可以降低齒輪箱的噪音與振動頻率。
齒輪箱所選用的鑄造材料一般為鑄鐵，優(yōu)點是減震性能良好，而且鑄鐵加工起來也比較方便，所以非常適合用來生產(chǎn)。經(jīng)常被拿來用于生產(chǎn)的鑄鐵為球墨鑄鐵以及一些強度比較高的其他鑄鐵。為了避免產(chǎn)品使用過程中出現(xiàn)縮松或是縮孔等問題，箱體的壁厚應(yīng)該平穩(wěn)的變化，整體的壁厚不能發(fā)生突變。在風(fēng)機的生產(chǎn)過程中，箱體一般會涉及到到焊接操作，焊接完的工件在使用過程中可能出現(xiàn)裂紋或是變形，所以箱體要作時效處理以及退貨處理，從而消除產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。箱體上還應(yīng)該設(shè)計一個窗口用來觀察箱體的內(nèi)部情況。最后箱體的機座上應(yīng)該設(shè)有可以將齒輪箱吊起來的吊鉤，方便風(fēng)機整體的安裝。
第4章 基于Pro/E的有限元分析
4 基于Pro/E的有限元分析
4.1 Pro/E軟件簡介
Pro/Engineer軟件是成立于1985年的美國參數(shù)技術(shù)公司(PTC)術(shù)開發(fā)的一款三維設(shè)計軟件。Pro/E最為突出的是其參數(shù)化技術(shù)，也是因為這項技術(shù)，使得它在當(dāng)前主流的三維設(shè)計軟件領(lǐng)域擁有有著重要地位。Pro/E作為當(dāng)今世界機械設(shè)計領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)被業(yè)內(nèi)人士高度認(rèn)可與推崇，它集成了很多功能于一體，列如零件設(shè)計與裝配、造型設(shè)計、機構(gòu)模擬、應(yīng)力分析等特點，在國內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域尤其受歡迎。
Pro/E軟件分成了很多模塊，每個模塊都有其獨特的功能，列如草圖繪制模塊、零件制作模塊、鈑金設(shè)計模塊、裝配設(shè)計模塊、加工處理模塊等，用戶可根據(jù)需要自主的進(jìn)行選擇。由于其特征因素，Pro/E能夠完成從產(chǎn)品的設(shè)計到最終的生產(chǎn)，從而做到并行工程設(shè)計。
從03年推出備受矚目的WildFire產(chǎn)品開始，Pro/E歷經(jīng)了WildFire、WildFire2.0、WildFire3.0、WildFire4.0版本的變化、并于2009年推出野火系列最終版WildFire5.0。2010開始PTC公司推出了全新的Creo軟件，標(biāo)志著Pro/E軟件正式變更為Creo軟件。
4.2 Pro/E的有限元分析
Pro/E的有限元分析是基于Pro/MECHANICA軟件來進(jìn)行操作的。目前該軟件已經(jīng)集成到Pro/E軟件中，可直接由Pro/E來進(jìn)行有限元分析。相比于其他有限元分析軟件，Pro/E能夠有效的避免由于STEP或者IGES格式文件的數(shù)據(jù)交換造成文件的丟失，從而避免了使用者再度浪費多余的時間和精力對所做分析進(jìn)行修補。Pro/E的有限元分析一般步驟為創(chuàng)建模型、定義模型的材料、定義模型的載荷、定義模型的約束條件、創(chuàng)建有限元網(wǎng)格、定義分析任務(wù)經(jīng)過計算并最終通過圖形顯示計算結(jié)果。
4.3 主軸分析過程
1.打開創(chuàng)建好的主軸零件圖：
圖4.1 主軸零件圖
2.定義模型的材料
點擊主菜單“屬性”→“材料”，在彈出的對話框中按鈕選擇材料，選擇選擇steel，結(jié)構(gòu)鋼。點擊主菜單“屬性”→“材料分配”，在彈出的窗口選中example1，即可分配材料。
圖4.2 材料的分配
3.定義邊界條件
點擊主菜單“插入”→“位移約束”，在彈出的對話框中選擇兩端固定約束。
圖4.3 定義約束條件
4.添加載荷
點擊主菜單“插入”→“壓力載荷”，在彈出窗口選擇參照全局坐標(biāo)系，定義壓力載荷3mpa。
圖4.4 添加載荷
5.創(chuàng)建網(wǎng)格并計算結(jié)果。
圖4.5 網(wǎng)格的計算
6.創(chuàng)建靜態(tài)分析
點擊“File”下的“New Static”，在彈出的對話框中，選中上面已經(jīng)定義好的定載荷集和約束集。
圖4.6 創(chuàng)建靜態(tài)分析
7.運行計算
點擊圖中，開始分析計算。下面是分析完結(jié)果。
圖4.7 計算結(jié)果
8.查看結(jié)果
點擊上圖中的圖標(biāo)，在彈出窗口點擊“應(yīng)力”、“位移”等即可顯示效果圖，選擇應(yīng)力就顯示應(yīng)力分析，選擇位移就顯示位移分析。
圖4.8 主軸位移分析結(jié)果
圖4.9 主軸應(yīng)力結(jié)果分析結(jié)果
從上圖不難看出，由于載荷的作用，減速器主軸的主要變形應(yīng)力以及導(dǎo)致的變形都集中在中段，最大變形應(yīng)力大概在2MPa左右，而最大位移變形量大概在0.034mm左右。主要還是因為主軸前后端分別連接葉輪以及行星架，所產(chǎn)生扭矩主要都集中在主軸中段。其結(jié)果基本符合工藝加工條件。
第5章 結(jié)論
5 結(jié)論
經(jīng)過一段時間的學(xué)習(xí)與操作，本次畢業(yè)設(shè)計也終于進(jìn)入了尾聲，接下來是對本次設(shè)計總體的過程以及設(shè)計中存在的一些問題所做出的總結(jié)：
經(jīng)過此次對風(fēng)機增速器齒輪箱的研究，讓我對于行星齒輪傳動系統(tǒng)有了比較全面的了解。雖然說跟以往的圓柱直齒輪設(shè)計及有很多相似的地方，但是設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)還是存在了很大的差異性，無論是從計算原理，又或是對于精度的要求，以及最后的安裝等方面，在一定的聯(lián)系中又能看出很多的不同。首先是通過查閱資料以及根據(jù)風(fēng)機的結(jié)構(gòu)特點，在行星齒輪與圓柱齒輪的特點上，選用了兩級行星傳動加上一級圓柱齒輪傳動，并且在均載機構(gòu)上選取了結(jié)構(gòu)比較簡單同時又比較適合本設(shè)計的太陽輪浮動機構(gòu)。然后通過所查閱的標(biāo)準(zhǔn)來對整體設(shè)計中的各參數(shù)進(jìn)行計算與確認(rèn)，最后通過對其強度進(jìn)行校核，以確保符合生產(chǎn)要求。
此次設(shè)計由于時間、工作問題以及個人知識水平等多方面存在的不足與限制，不可避免的存在了很多不足之處，比如參數(shù)方面的計算可能不是非常嚴(yán)謹(jǐn)，制圖方面有些細(xì)節(jié)可能不太符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，以及有限元分析部分，由于了解的不夠深入，所做的分析比較簡單，存在了一些不太完善的地方。在今后工作過程中，我將繼續(xù)關(guān)注風(fēng)機齒輪的的研究狀況，努力學(xué)習(xí)設(shè)計方面的知識，讓自己變得專業(yè)。
在學(xué)習(xí)與摸索中，畢業(yè)設(shè)計終于完成了。這次畢業(yè)設(shè)計對我的影響很大，歷經(jīng)了這么長時間設(shè)計方面的實踐操作，我確實學(xué)到了很多知識，拓寬了自己的知識面，同時對于技能領(lǐng)域也有了一定的初步認(rèn)識，對于自己的工作能力也有了一定的自我總結(jié)，將來在工作上很定對自己會有很大幫助。因此我十分珍惜這次畢業(yè)設(shè)計的過程，我也將會珍惜今后遇到的能豐富自己能力的各種機遇。
參考文獻(xiàn)
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