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1、 前 言机械零部件的测绘能更好的提高学生的动手和绘图能力，是工程机械专业的重要实验环节。其目的是使我们通过实验了解和掌握有关机械零部件的结构和工作原理，增强机械零部件形体的空间概念，将理论知识在感性的基础上更深层次的理解。同时还可以熟练的掌握测量的方法以及量具的使用。工程图的制定则是根据对所测绘零件的技术要求的分析，进一步巩固和完善所学的机械制图知识，结合已学的专业知识，合理的选择装配公差、加工余量涉及的专业知识广泛，对提高自身的专业知识应用能力有重大的意义。运动仿真是运用三维建模后装配，并使用销钉、刚性等各种连接后加上各类运动副，如齿轮副、凸轮机构等，添加伺服电机对所设计的装配体进行运动学分
2、析通过仿真输出数据与理论数据进行比较，并检查干涉，修改不合理零部件。有限元结构分析则是通过对零件三维模型的载荷，约束等情况的分析，结合所学有限元理论，对零件的强度在proe的结构分析模块下做校核，并根据计算的应力对零部件做相应的改进设计。对提高机械软件的应用能力、加深对零件应力集中的产生及预防控制方法的理解。目 录 前言第一章 差速器部分的测绘11.1 测绘的目的和意义11.2 测绘的方法和注意事项11.3 测量工具11.4 测量过程2第二章 差速器部分三维建模52.1 各零部件实体模型的建立52.2 差速器部分总装图6第三章 工程图的制作7第四章 差速器运动仿真分析84.1 差速器原理84.
3、2 机构运动仿真94.3 获取仿真结果及分析9第五章 驱动桥壳限元结构分析115.1 桥壳有限元模型的建立115.2 桥壳有限元分析11第六章 结语156.1 主要内容及成果156.2 感受与展望15致谢参考文献附录全套 图纸三维仿真，加153893706第一章 差速器部分的测绘1.1 测绘的目的和意义 机器测绘就是对现有的机器或部件进行实物测量，绘出全部非标准件零件的草图，再根据这些草图绘制出装配图和零件图的过程( 简称测绘 )。 它在对现有设备的改造、维修、仿制和先进技术的引进等方面有着重要的意义。 测绘目的：(1) 复习和巩固己学知识，并在测绘中得到综合用。(2) 掌握测绘的基本方法和步
4、骤，培养初步的部件和零件的测绘能力。(3) 为后续课程的设计和毕业设计奠定基础。1.2 测绘的方法和注意事项 测绘方法：（1）做好测绘前的准备工作，如领取部件、量具、工具等，准备绘图工具、图纸并做好测绘场地的清洁卫生等等。（2）了解部件。（3）绘制装配示意图，拆卸零件。（4）绘制零件草图。（5）量注尺寸。（6）确定并标注有关技术要求。（7）绘制装配图。（8）绘制零件图。1 测绘过程中需注意事项：a.测绘过程中的设备、人身安全注意事项。 b. 在拆卸零件时应注意以下几点：（1）注意拆卸顺序，严防破坏性拆卸，以免损坏机器零件或影响精度。（2）拆卸后将零件按类妥善保管，防止混乱和丢失。（3）要将所有
5、零件进行编号登记并注写零件名称，对每一个零件最好挂一个对应标签。 c.标注尺寸时应注意以下问题:(1) 两零件的配合尺寸，一般只在一个零件上测量。(2) 对一些重要尺寸，仅靠测量还不行，还需通过计算来校验，如一对啮合齿轮的中心距(3) 对零件上的标准结构尺寸，如倒角、圆角、键槽、退刀槽等结构和螺纹的大径等尺寸，要查阅相关标准来确定。d.在绘制装配图的过程中，若发现零件草图上的形状或尺寸有错，应及时更改，再继续画装配图。 e.在完成测绘任务后，对图样全面检查、整理。1.3 测量工具 测量尺寸常用量具有：钢板尺、外卡钳和内卡钳。测量较精确的尺寸，则用游标卡尺等。21.4 测量过程（1）差速器部分工
6、作原理及拆卸装配顺序差速器是驱动轿的主件,其作用就是在向两边半轴传递动力的同时,允许两边半轴以不同的转速旋转,满足两边车轮尽可能以纯滚动的形式作不等距行驶,减少轮胎与地面的摩擦。差速器的主要装配线如下：A、先将4个行星齿轮以及行星齿轮垫片套到十字轴作为一个小组件A。 B、差速器壳a部分 半轴齿轮垫片半轴齿轮组件A半轴齿轮半轴齿轮垫片差速器壳b部分上螺栓将从动锥齿轮用螺栓螺母固定在差速器壳A部分。差逮器在分解与装配时注意： 拆圆锥滚子轴承时必须使用专用工具,如图1.1。 更换齿轮、差速器壳,必须重新调整主、从动锥齿轮的位置。 拆卸行星齿轮轴时,先拆下弹性圆柱销,然后用铜冲将行星齿轮轴敲出。 从动
7、锥齿轮与差速器壳连接螺栓应均匀交叉拧紧，拧紧力 矩为90N.m。 图1.1 拆装圆锥滚子轴承（2）零件草图的画法A、 选择表达方案 用一组图形，完整、清晰地表达出零件的内外结构形状。表达方案的选择可参考四大典型零件的表达方案，分析所画零件为哪一类，然后根据其特点，正确选择所需的表达方法。B、尺寸测量和标注 分析尺寸：首先要选择尺寸基准，基准应考虑便于加工和测量，画出所有尺寸界线和尺寸线。分析尺寸时主要从装配结构着手，对配合尺寸和定位尺寸直接注出，其它尺寸则按定形尺寸和定位尺寸考虑，最后确定总体尺寸。 集中量注尺寸：对零件各部分尺寸，从基准出发，逐一进行测量和标注。对有配合关系的尺寸，应同时在相
8、关的零件草图上注出，以保证关联尺寸的准确性，同时也节省时间。（3） 标准件与常用件的测绘 在机械设备中，标准件与常用件应用非常广泛，其种类繁多、数量也大。因此，它们的测绘是一项不容忽视的工作。 对标准件，一般不需要画零件草图和零件图，只需正确测量其主要尺寸，然后查找有关标准，确定标准件的类型、规格和标准代号，并将其填入装配图明细表中。对常用件应画出零件草图和零件图，常用件上的标准结构，如齿轮的模数、键槽等尺寸，应根据有关参数查表取标准值，在图上直接注出。对配套使用的螺纹紧固件，应注意对照其规格和有关尺寸查找标准代号填入装配图明细表中。（4）画差速器配图草图 确定表达方案 根据装配图的视图选择原
9、则，确定表达方案。主视图的选择应符合其工作位置或习惯放置位置，并对其做全剖表达清楚各个零件，将内部的装配关系以及差速器的工作原理表达清楚。俯视图主要是表达外形，对螺柱连接部分进行局部剖视，表达次要连接。左视图用于体现尺寸等。3确定绘图比例、图纸幅面，绘制各视图 在表达方案确定以后，根据部件的总体尺寸和绘图比例选定图纸幅面，建议选用A0图幅，1:1比例。 画装配图的步骤如下：(1) 合理布图，画出作图基准线画出图框、标题栏及明细表的底稿线，再画各视图的基准线，即轴线、对称平面线及其它作图基准线，然后画主要零件的部分轮廓线。(2) 依次画出装配线上的各个零件(3) 画剖面线装配图上应标注的尺寸 装
10、配图上应标注以下五类尺寸:(1) 规格性能尺寸(2) 装配尺寸配合尺寸及公差代号。(3)总体尺寸柱塞泵的总长、总宽 、总高 ( 通过计算或从图中量取 )。(4) 安装尺寸检查、加深 经检查校对后，擦去多余的图线，然后按线型加深。画箭头，填写尺寸数值、零件编号、标题栏、明细表及技术要求等。全面检查，完成全图。第二章 差速器部分三维建模实体模型的建立是实现CAD/CAE/CAM 一体化的基础运动仿真能够直观地再现机器的工作原理。2.1 各零部件实体模型的建立 后桥各零部件实体模型的建立通过参数化建模，用户能单纯地输入齿轮设计的已知条件（如齿数压力角及模数和齿宽等），PRO/E 系统即可自动创建出齿
11、轮的三维几何模型。参数化设计是指用参数来表示零件的尺寸大小和属性，工程技术人员可以通过修改零件大小形状和属性，然后可得到各种不同规格的零件。如图2.1 所示，通过PRO/E 参数化设计出的一系列齿轮，这样大大减少了建模所需时间而且零件间，可替换性极高。4 图2.1（主从动锥齿轮、半轴齿轮、行星轮） 利用特征选项里的拉伸、旋转、混合扫描及阵列等操作命令，生成半轴、差速器壳轮毂及各类非标准垫片等零件，如图2.2所示。 图2.2 特征件 图2.3 标准件利用各类标准零件导出后再修改成符合自己需要的各类两件，例如7609E圆锥滚子轴承、弹簧垫片、各类螺栓以及螺母等，可以节省不少建模的时间，如图2.3所
12、示。2.2 差速器部分总装图既然组件要运动，那么组件在组装时就不能被完全约束（即死锁）,而是要部分约束。但是所谓部分约束并不是组装不完全，而是根据各组件的运动形态及彼此间的相对运动情况，通过部件间各种连接（connection） 的设定，来限制组件的运动自由度。（轴承）总装配图如图2.4 所示。全剖截面图如图2.5所示。5 图2.4 差速器总装图 个人体会：在Pro/e装配时，先在Pro/e内测量各个两件的某些影响到定位的尺寸后记录，在新建装配文件前，先建一个定位各基准的只有定位轴和定位面的文件，可以提高装配速度和减少错误以及返工率。如图2.6为Pro/e完成装配后生成爆炸图。 图2.5 全剖
13、显示 图2.6 差速器爆炸图第三章 工程图的制作在Pro/e里完成差速器部分的装配后，建立工程图模板后开始制定工程图，主要有以下几个过程。6按照草图的安排绘制各个视图，取主视图为全剖视图，在三维模型中旋转调整装配体，选择较好的剖面，使得各零件及其关系表示清楚。俯视图则用于体现外形以及绘以局部剖显示各螺栓螺母。在绘制装配视图时应注意：各标准件、齿轮轴、斜齿轮等采用机械制图标准中个规定画法；在装配图上应避免用虚线表示零件结构等。标准尺寸，主要包括外形尺寸、特性尺寸、安装尺寸、配合尺寸。在选择配合尺寸时，应根据有关的资料选定，如半轴齿轮与差速器壳内孔为传动零件与轴配合，一般情况下选择H7/r6或者H
14、7/n6.在Pro/e中运用区域定义，自动生成各零件明细表并以此为基础建立BOM球标标于主视图。制定技术要求 将Pro/e工程图转入Auto cad 进行各图层和线条的修改加深，而后填写标题栏完成工程图的制定。完成后的工程图如图3.1所示。7 图3.1 差速器部分装配工程图第四章 差速器运动仿真分析4.1 差速器原理差速器中各元件的运动关系差速原理，可用图九来说明。差速器壳（2） 与行星齿轮轴（3） 连成一体，形成行星架。因它又与主减速器的从动轮（6） 固连故为主动件设其角速度为；半轴齿轮（1）和（4），为从动件其角速度为和 。A、 B 两点分别为行星齿轮（5）与两半轴齿轮的啮合点。行星齿轮的
15、中心点为C ，A 、B、C 点到差速器旋转轴线的距离均为r。8 1.半轴齿轮I 2.差速器壳 3.十字轴 4.半轴齿轮II 5.行星齿轮 6.从动锥齿轮 图4.1 差速器原理图当行星齿轮只是随同行星架差速器旋转轴线公转时，显然处在同一半径r上，A、 B 、C 的圆周速度都相等，其值为r。于是= = ,即差速器不起差速作用两半轴角速度等于差速器壳（2） 的角速度。当行星齿轮除公转外，还绕本身的轴（5） 以角速度 自转时，啮合点A 的圆周速度为 r = r + ， 啮合点B 的圆周速度为r= r - 于是有+=2,即表明左右两侧半轴齿轮的转速之和等于差速器转速的两倍而与行星齿轮转速无关。94.2
16、机构运动仿真机构运动(mechanism)可以把静态设计转换为活动的虚拟原型并借助运动仿真观察其动作状态。工程师可以对机构的数字化原型进行更高级的交互式处理即实时地评估设计缩短产品的开发周期从而实现真正的产品创新。选择功能菜单下mechanism 。首先定义齿轮副定义, 选择各个齿轮装配的销钉连接，在这差速器仿真过程中有9个齿轮副（包括主从动锥齿轮），分别输入传动比。在定义行星轮的时候应该特别注意行星轮的转向与半轴齿轮的转向的定义，默认的装配中的有两个是行星轮的相反的，故定义时应设置反向。10 其次定义伺服主动机，选择齿轮的轴线为连接轴，选择驱动器编辑窗口的轮廓，选择规范为速率、大小维持、常数
17、如入设置值它们之间必须符合传动比。在该次仿真过程中，两半轴齿轮在不同的时间段还设置了伺服电动机一体现差速效果，实现 差速差速器壳不起作用差速的整个过程；再则在菜单中依次选择分析，类型为运动学，在选择设置电机如图4.2所示。点选运行，运行对系统进行模拟运动仿真。 图4.2 各伺服电机时间设置4.3 获取仿真结果及分析 点选产生测量分析结果图标，测量行星齿轮和前后两半轴的转速，测量结果如图十一、十二、十三所示。 图4.3 左半轴齿轮转速曲线 图4.4 从动锥齿轮转速曲线 图4.5 右半轴齿轮转速曲线从3个图中可以看出，对照差速器运动原理，对两半轴转速及从动锥齿轮转速曲线进行比较，可以看到仿真结果基
18、本达到了要求，即+=2。第五章 驱动桥壳限元结构分析5.1 桥壳有限元模型的建立 在Pro/e环境下通过拉伸、旋转、混合扫描及镜像等操作命令，建立驱动桥壳的三维模型，如图5.1所示。由于部件三维模型中建模细节(如螺栓孔、焊缝等)将影响整个结构的网格分布，增加网格的数量会导致模型过于复杂。因此，建模时去掉对分析影响不大的特征(如倒角、圆角等)和一些小孔。 5.1 桥壳 在Pro/MECHANICA的Integrate Mode（集成模式） 中采用 Auto GEM（自动划分网格），划分网格时选用四面体10节点单元建立起桥壳有限元网格模型，如图5.2所示。11 图5.2 桥壳有限元模型5.2 桥壳
19、有限元分析 由于前驱动桥壳是通过螺栓与车架刚性联接。而载荷作用的力、弯矩和扭矩等是经过车轮及轮边减速器等传递到与制动钳连接的桥壳的法兰端面上。因此，在桥壳有限元分析中，法兰端面处即为载荷作用位置。而在变截面箱形梁与车架联接处表面则为固定约束面。12驱动桥壳的复杂受力状况可分为3种典型的载荷工况：(1)满载运行紧急制动工况；(2)通过不平路面最大垂直力工况；(3)铲斗提升或转斗后轮离地瞬间的最大牵引力工况。13 根据装载机实际工作时的载荷数据，计算得到各工况下各种载荷的具体数值如表1所示。 表5.1 不同工况计算载荷工况垂直力（N）牵引力（N）扭矩（N*m）一76094566040170000二
20、113900三742304216038700000由于在工况一和工况二前后桥的受力相同，工况三前桥的受力明显大于后桥，而此次设计做的桥壳是后桥，故以工况一和工况二为后桥有限元分析的载荷工况 。（且由载荷数据可以看出工况1和工况3的力作用位置和方向完全一致，但工况1的载荷值都较工况3大）。桥壳本体材料是QT450-10球墨铸铁，弹性模量为169 GPa，泊松比为0.257，许用应力为=450MPa-482MPa 14。满载运行紧急制动工况 满载运行急制条件下的位移图与应力图如图5.3、图5.4所示。 图5.3 工况一应力图（MPa） 图5.4 工况一位移图(mm)由图4可以看出，桥壳在工况1中受
21、力变形，其最大的位移处于桥壳的法兰端面，为0.2093mm，最小的位移处于被约束的变截面箱形梁与车架连接处表面。轮距的变形量为0.2093 mm0.61m=0.343mmm，远小于国标规定的15 mmm。根据第四强度理论，最大Von mises等效应力为209.3MPa，出现在变截面箱形梁约束处的附近，小于许用应力。通过不平路面最大垂直力工况工况二下的桥壳的位移与变形如图5.5、图5.6 图5.5 工况二 应力图（MPa） 图5.6 工况二 位移图（mm）由图6可以看出，桥壳在工况2中受力变形，其最大的位移处于桥壳的法兰端面，为0431 8 mm，轮距的变形量为0.2952mm0.61m=0.
22、484mmm，远小于国标规定的15 mmm。最大Von mises效应力出现在变截面箱形梁在被约束处的周边处，为406.7MPa，远小于其许用应。综合工况1和工况2可知：最大位移处于桥壳的法兰端面。在法兰上的外载荷作用区域，由于局部作用载荷较大产生了应力集中，并且垂直力及附加力矩，对该处应力集中的影响较大，最大Von mises等效应力出现在变截面箱形梁在被约束处的周边处。因此，建议加大法兰端面和变截面箱形梁在被约束处的周边处的厚度或选用强度性能更好的材料以提高桥壳的承载能力，降低最大应力值。15 综上分析，此次设计的20 mm厚度的球墨铸铁QT450-10材料桥壳本体是完全符合桥壳结构强度要
23、求的。第六章 结语6.1 主要内容及成果在此次的设计中，通过测量和计算，又从新温习了工程机械驱动桥的设计，主要是差速器的设计。并且用计算机辅助设计完成了装载机驱动桥的三维实体建模:应用Pro/Mechanism机构仿真运动功能模块实现了差速器的运动学仿真;应用有限元分析Pro/Mechanica对装载机驱动桥主要的受力部件驱动桥桥壳进行了分析计算，主要工作和所获得的成果如下:(1) 采用三维实体造型软件Pro/E软件建立装载机驱动桥三维实体模型。 (2) 采用Pro/ Mechanism机构仿真运动功能实现了差速器的运动学仿真，模拟验证了差速器的实现的差速功能。(3) 采用Pro/Mechanica桥壳为例，建立了有限元模型，分别对各工况力学模型
