基于ProE的联合收割机二级齿轮减速器仿真分析

靳峰峰,唐光胤

(济源职业技术学院,河南 济源 459000)

0 引言

二级齿轮减速器是一种独立传动器件,在原动机和执行机构之间具有转速匹配和转矩传递的作用,传动效率高、寿命长、稳定性强、承载能力大,因此被广泛应用于现代机械中。传统的减速器设计只能在全部的零部件试制出来后才能进行实体的试装配,发现设计缺陷后再进行修改、制样,导致开发周期长、研发成本高。为此,基于Pro/E实现了联合收割机二级齿轮减速器的设计与仿真,以期显著提高设计效率。

1 系统总体结构设计

设计的联合收割机二级齿轮减速器主要应用于主驱动轴的传动装置。主驱动轴通过接收发动机输出轴的驱动力,驱动割取和脱粒装置;而二级齿轮减速器则是在发动机停止时让割取和脱粒装置尽快无损停止作业。二级齿轮减速器结构分为展开式和同轴式等两种,本文采用展开式设计了联合收割机二级齿轮减速器,其结构如图1所示。

图1 联合收割机二级齿轮减速器结构简图Fig.1 The structure diagram of two-stage gear reducer of combine harvester

联合收割机二级齿轮减速器的初始数据如下:传输带的拉力F=4150N,速度为v=2.8m/s,鼓轮直径D=420mm=0.42m;二级齿轮减速器工作寿命为8年,每年的平均工作285天,每天平均工作12h。

联合收割机二级齿轮减速器传动效率高,结构比较精密,内部包含较多的零部件,需要根据每个零部件的工作状态对其进行详细设计。二级齿轮减速器设计的思路为:根据工作功率选择合适的电机,并通过计算确定其传动比;然后,对传动装置及动力参数进行设计,计算出其总传动比和各级传动比分配,并对设计轴、齿轮、三角胶带等部件进行设计。

联合收割机二级齿轮减速器的电机采用Y系列三相异步电动机,工作时所需转速为

(1)

工作时需要的功率为

(2)

电机所需功率为

(3)

2 二级齿轮减速器三维建模与装配

2.1 二级齿轮减速器建立模型

Pro/E采用参数化设计理念,通过将实体建模、曲面建模和参数化建模结合起来,用于解决特征的相关性问题。Pro/E可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等处理,用户可以根据实际需求和习惯选择合适的建模方法。二级齿轮减速器包括齿轮轴、齿轮、滚动轴轮和箱体等零部件。

1)渐开线方程。根据齿轮机械工作原理,其渐开线的极坐标参数方程表达式为

(4)

齿轮渐开线的直角坐标表达式为

(5)

为了方便在Pro/E中绘制齿轮渐开线,先定义一个变量t∈[0,1],再建立关系表达式,用于控制α角度值在0°～180°范围内变化,从而可以轻松地绘制0°到180°的渐开线。

2)建立齿轮渐开线方程。先根据渐开线方程绘制出输出轴大齿轮,齿轮数为Z=112,压力角α=20°,模数m=2.5。

在Pro/E软件环境中,在主菜单上单击"工具"-"关系",系统弹出"关系"对话框,再设定如图2所示的齿轮基本圆关系表达式,基本圆草图如图3所示。

图2 齿轮基本圆关系Fig.2 The basic circle relation of gear

图3 基本圆草图Fig.3 The basic circle diagram

依次在主菜单上单击"插入"-"模型基准"-"曲线",再在绘图区单击选取系统坐标系为曲线的坐标系,弹出如图4所示的"设置坐标类型"菜单管理器。

图4 设置坐标类型管理菜单Fig.4 Setting the management menu of coordinate type

选择"笛卡尔",弹出记事本窗口,再输出齿轮渐开线的直角坐标表达式,得出如图5所示的渐近线曲线。

图5 齿轮渐近线曲线Fig.5 Gear asymptote curve

利用Pro/E曲线功能可以自动生成齿顶圆及曲线,再通过镜像功能获取渐开线曲线,便可以生成齿轮的单个轮廓,通过简单的拉伸就得到了单齿,最后通过阵列功能便可以生成整个输出轴大齿轮。输出轴大齿轮模型如图6所示。

图6 输出轴大齿轮模型Fig.6 The large gear model of output shaft

3)减速器输出轴设计。减速器输出轴采用角接触球轴承,其设计过程为:先绘制角接触球轴承的草图,通过旋转画出内圈、外圈以及单个滚珠,并利用阵列生成轴承。角接触球轴承草图和模型如图7所示。

1.轴承外圈 2.保持架 3.圆柱滚子 4.轴承内圈图7 角接触球轴图Fig.7 The ball axis diagram of angular contact

2.2 二级齿轮减速器整体装配

设计出二级齿轮减速器各部分的三维模型后,便可以进行减速器的装配。为了方便在Pro/E软件中完成装配,需要按照由主至次的流程,先完成箱体、齿轮、齿轮轴、输入轴、输出轴等主要部件的装配,再完成螺丝、螺母的等标准件的安装。另外,为了方便装配,对各个部件设定约束条件,再将各个部件装配成一个整体。二级齿轮减速器整体装配如图8所示。

图8 二级齿轮减速器整体装配图Fig.8 The overall assembly drawing of secondary gear reducer

3 二级齿轮减速器运动学仿真分析

Pro/E软件包括Mechanism和Pro/MECHANICA两个仿真模块:前者完全集成在Pro/E中,主要用于运动仿真分析;后者是一个独立的软件包,需要下载安装,主要用于结构、热力学和运动分析。虽然两个仿真模块都可以用于运动分析,但Mechanism比Pro/MECHANICA操作更加直观简便,其仿真结果不仅可以通过参数和数值展现,也可以利用动画的方式表示出来。

Pro/E Mechanism运动学分析需要采用连接的方式进行装配,根据零部件的位置关系和运动关系进行组件装配,这样才能进行运动仿真。在二级齿轮减速器仿真分析中,其动力源是让机构运动起来的驱动器。在装配过程中,需要根据构件的相对运动规律,设定各个连接的自动度,Pro/E Mechanism仿真模块提供的连接方式包括平面、销钉、焊接、圆柱、轴承、滑槽、滑块、球和齿轮等。

对于二级齿轮减速器进行运动仿真,主要是查看输出轴大齿轮的运动仿真情况。为了方便对其进行分析,本文将二级齿轮减速器组件进行了简化,去掉了箱盖和密封圈等不会对实际仿真运动产生影响的零件。二级齿轮减速器运动仿真过程如下:

1)进入Pro/E的装配模式,将各个零部件按照顺序连接起来。减速器箱体机器底座采用刚性连接,而齿轮轴、齿轮、滚动轴轮和轴承采用销钉的连接方式。

3)给二级齿轮减速器添加动力源,通过单击工具栏的添加伺服电机。

图9 输出轴大齿轮的运动转速Fig.9 The movement speed of big gear in output shaft

由图9可以看出:开始时,输出轴大齿轮的转速有一个明显的冲高回落过程,后面稳定在4500r/min,具有较好的稳定性,没有发现明显的干涉现象。这说明,二级齿轮减速器满足设计需求。

4 结论

本文利用Pro/E仿真软件进行了二级齿轮减速器的产品设计,通过对二级齿轮减速器整体建模和各个零部件的参数化设计后,完成了二级齿轮减速器的装配工作。最后,利用Pro/E Mechanism仿真模块对所设计产品进行了运动仿真,对该产品进一步的优化设计具有一定参考作用。