具有3個曲柄的三環(huán)板減速器設(shè)計計算軟件開發(fā)

蒲昌滿， 周傳喜， 李志偉， 趙侍晗

（長江大學機械工程學院，湖北荊州434023）

0 引言

具有3個曲柄的三環(huán)板減速器是一種研發(fā)的新型減速器，這種新型傳動裝置可以達到動態(tài)平衡，特別適用于高速、重載場合［1］。相對于傳統(tǒng)減速器，具有傳動比大、可靠性高、承載能力強等優(yōu)勢。特別是該新型傳動裝置還能順利克服運動過程中的“死點”問題［2］。

設(shè)計這樣的新型減速器對于一般的設(shè)計者還是有一定的難度的。對此，開發(fā)出了一套VB.net軟件，以便設(shè)計者都能準確、快速地完成該新型減速器的設(shè)計是十分有必要的。設(shè)計者對設(shè)計的數(shù)據(jù)通過VB.net對SolidWorks的二次開發(fā)實現(xiàn)參數(shù)化建模［3］，從而達到數(shù)據(jù)的可視化，有利于設(shè)計者在設(shè)計中迅速發(fā)現(xiàn)自己設(shè)計中的問題，以便及時改正，可以大幅度地提高設(shè)計效率、減少人力物力。

1 工作原理分析

3個曲柄三環(huán)板減速器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，由輸入軸、輸出軸、支撐軸、3塊內(nèi)齒輪環(huán)板等組成。相對于傳統(tǒng)的三環(huán)減速器，該減速器在輸入軸的下方多了一根支撐軸。輸入軸、下支撐軸和上支撐軸的轉(zhuǎn)動中心的相對位置為90°，當一組平行四邊形機構(gòu)處于“死點”位置時，另一組平行四邊形機構(gòu)的處于最佳傳動狀態(tài)，因而可順利越過“死點”，機構(gòu)的最小傳動角為45°，滿足傳動的基本條件。此減速器設(shè)置了3個內(nèi)齒輪環(huán)板，一個厚內(nèi)齒輪環(huán)板和兩個薄內(nèi)齒輪環(huán)板，厚齒輪環(huán)板位于中間，薄齒輪環(huán)板位于兩側(cè)，與其對應(yīng)，在輸入軸、下支撐軸、上支撐軸上分別有一個厚偏心輪和兩個薄偏心輪，位于兩側(cè)的薄偏心輪的偏向相同，厚偏心輪和薄偏心輪的相位差為180°。這樣的三曲柄三環(huán)板減速器能達到動平衡，適用于高速、重載荷場合。

圖1 三曲柄三環(huán)板減速器結(jié)構(gòu)示意圖

2 軟件主要構(gòu)成分析

2.1 軟件功能分析

如圖2所示，本程序主要分為兩大模塊：理論計算模塊和建模模塊，其中建模分內(nèi)齒輪環(huán)板建模和輸出軸建模。

圖2 軟件功能結(jié)構(gòu)圖

第一個模塊是理論計算，在給定參數(shù)的條件下，將減速器的設(shè)計步驟程序化，每一步的計算都由輔助設(shè)計的軟件完成，降低設(shè)計者的設(shè)計計算。其中包括電機的選擇和運動參數(shù)的計算、齒輪的主要參數(shù)的計算、轉(zhuǎn)臂軸受力分析、三環(huán)板減速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計四大功能模塊。經(jīng)過這四大功能模塊的計算后，用戶可以通過軟件將計算中自己想要的數(shù)據(jù)匯總，也可以將所有的數(shù)據(jù)匯總并以txt文檔輸出，以便設(shè)計者查看和修正設(shè)計的數(shù)據(jù)。

第二個模塊是三維建模模塊，三維建模模塊主要包括輸出軸和內(nèi)齒輪環(huán)板的建模。設(shè)計者通過第一個模塊計算得到的一系列設(shè)計參數(shù)，進一步設(shè)計了第二個三維建模模塊，該模塊可以檢驗前面設(shè)計參數(shù)的正確性及合理性。輸出軸與內(nèi)齒輪環(huán)板的建模只需要輸入相應(yīng)的相關(guān)參數(shù)，點擊建模按鈕，軟件就會自動后臺驅(qū)動SolidWorks建模軟件，并控制軟件自動完成相應(yīng)的建模過程，得到相應(yīng)零件的三維模型，設(shè)計者也可以將建好的模型在SolidWorks中直接另存下來。

2.2 程序流程

1）計算模塊的流程。如圖3所示，設(shè)計者利用程序，在輸入齒數(shù)差和傳動比以及工況參數(shù)后，程序會自動計算出齒輪齒數(shù)，并根據(jù)工況參數(shù)選擇合適的電機型號，再通過電機的功率和轉(zhuǎn)速計算出減速器的運動及動力參數(shù)。根據(jù)輸入的齒輪的相關(guān)參數(shù)，程序首先會計算出齒輪的模數(shù)，再根據(jù)選擇的模數(shù)及一系列參數(shù)可以計算出齒輪嚙合的其它系列參數(shù)。程序根據(jù)動力參數(shù)自動對環(huán)板進行受力分析，再根據(jù)力的平衡討論軸的受力情況，進一步可求出各軸的結(jié)構(gòu)尺寸及各軸所選用的軸承、鍵的型號。最后將所有的計算信息匯總，并通過txt文檔輸出另存。

圖3 三曲柄環(huán)板減速器的設(shè)計流程圖

圖4 三環(huán)板主要零件的建模流程

2）三維建模模塊的流程。如圖4所示，三維建模主要分兩大模塊，齒輪的建模和輸出軸的建模，設(shè)計者只需要在程序界面上輸入必要參數(shù)，再點擊建模命令鈕，程序便會自動驅(qū)動SolidWorks軟件，進行三維建模［4］設(shè)計者也可以通過SolidWorks軟件將零件建模的文件保存。

3 三曲柄三環(huán)板減速器設(shè)計計算軟件開發(fā)

在輔助設(shè)計的軟件中，主要采用了界面的形式，結(jié)構(gòu)簡單，易于操作。整個程序可以分為以下幾個部分：主界面、參數(shù)計算界面、內(nèi)齒環(huán)板建模界面、輸出軸的建模界面等。圖5～圖8是幾個主要界面。

4 軟件實例計算

已知公稱傳動比為45，齒數(shù)差為2，高速軸的轉(zhuǎn)速為1500 r/min，低速軸輸出功率為35 kW，短期間斷工作方式，每天2 h，要求工作壽命為10a。通過已知參數(shù)可以通過計算得到齒輪的模數(shù)和嚙合的相關(guān)參數(shù)如圖9、圖10所示。通過前面的計算，對環(huán)板進行受力分析，分析各軸的受力情況［5］。如圖11所示。

圖5 程序主界面

圖6 參數(shù)計算界面

圖7 內(nèi)齒環(huán)板二維建模界面

圖8 內(nèi)齒環(huán)板三維模型界面

5 結(jié)論

圍繞著具有3個曲柄的三環(huán)板減速器的設(shè)計，開發(fā)了該新型減速器的輔助設(shè)計軟件。利用VB.net編程大大減少了設(shè)計者的計算工作，軟件的界面化使設(shè)計者的設(shè)計思路更清晰。通過VB.net控制SolidWorks軟件三維建模，使設(shè)計者能輕松地將二維設(shè)計參數(shù)三維模型化，從而可提高設(shè)計者的工作效率。軟件還能將所有的設(shè)計數(shù)據(jù)導出，這樣有利于設(shè)計者對數(shù)據(jù)的分析和整理。

圖9 齒輪模數(shù)計算界面

圖10 齒輪嚙合參數(shù)計算界面

圖11 環(huán)板與各軸受力分析界面

［1］ 管鋒，周傳喜，駱廣.基于VB的三曲柄環(huán)板減速器設(shè)計計算軟件開發(fā)［J］.機械傳動，2013（2）：33-35，40.

［2］ 黃清世，張亞娟 .三曲柄環(huán)板減速器：中國，CN2859088［P］.2007-01-17.

［3］ 趙紅美，高倩云.基于VB的多軸箱傳動CAD系統(tǒng)的研究［J］.制造業(yè)信息化，2013（8）：50-52.

［4］ 竇守鵬，張俊，陳皓，等，基于SolidWorks Enterprise PLM的集成化產(chǎn)品開發(fā)［J］.制造業(yè)信息化，2014（1）：36-40.

［5］ 黃清世，周傳喜，張亞娟.三曲柄單環(huán)板減速器的受力分析［J］.長江大學學報：自然科學版，2009，6（2）：94-96.