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文檔簡介
1、基于solidworks設計算例優(yōu)化設計偏心齒輪配重摘要本文就壓力機曲柄滑塊機構中偏心齒輪的配重優(yōu)化設計進行闡述,其中配重設計是為了保證此種偏心結構靜平衡的一種方法。此方法主要利用solidworks的參數(shù)化模型及設計算例功能實現(xiàn)偏心齒輪配重的優(yōu)化設計,提高配重塊的設計質(zhì)量和效率。關鍵詞:壓力機;偏心齒輪;配重;優(yōu)化設計;靜平衡;solidworks設計算例一、引言偏心齒輪在壓力機設計中起到舉足輕重的作用,主要通過偏心齒輪轉動來帶動壓力機滑塊的上下移動。然而,在偏心齒輪的加工制造過程中,由于材料、結構、密度、加工方法等多種原因造成偏心齒輪的重心與芯軸的中心不重合,從而導致偏心齒輪在轉動過程中產(chǎn)
2、生較大的離心力。由于離心力在水平、垂直方向呈周期性變化,容易引起機床本身的振動,使齒輪噪音大,也降低了機床的使用壽命,也影響了機床的使用效率和使用精度,嚴重時會引起零件的報廢,因此消除或減小偏心齒輪的離心力是目前多數(shù)壓力機生產(chǎn)廠家必然要面臨的重大課題之一,也是工程師們設計配重時頭疼的問題之一。為了消除偏心齒輪的不平衡慣性力,由于偏心齒輪轉速較低,所以很多廠家一般只采用靜平衡實驗校正法。為了保證偏心齒輪的靜平衡要求,在結構設計時要充分考慮或設計出較為合適的配重塊,使得偏心齒輪的重心和芯軸中心線重合或盡量接近。由于偏心齒輪的結構比較復雜、配重的理論計算較繁瑣,設計人員需憑借大量試驗測試所獲得的經(jīng)驗
3、和直觀判斷,通過手工反復修改參數(shù)和驗證,才能基本達到設計的目標值。這樣,需要耗費大量的時間和精力,最后得到的參數(shù)往往還有改進的余地,并不一定是最優(yōu)化設計方案。下面介紹利用solidworks的參數(shù)化建模和設計算例功能來解決配重設計的有效方法,從而消除或減小偏心齒輪的離心力,提高偏心齒輪的靜平衡精度,增加傳動部件的使用壽命。二、設計原理基于solidworks三維軟件本身自有的方程式及設計算例功能,從而引入了優(yōu)化設計功能,使得solidworks三維軟件不但能用于造型,也能用于智能設計,可以設計出用傳統(tǒng)的設計方法所無法達到的最優(yōu)解決方案,它也是一種參數(shù)化設計分析工具。使用設計算例優(yōu)化模型技術首先
4、要創(chuàng)建合適的分析特征,建立分析參數(shù),捕捉特定的設計意圖、設計約束,將模型行為信息融入設計中,由solidworks設計算例綜合考慮所要求的機能行為、設計關聯(lián)與拓撲結構,經(jīng)一系列快速參數(shù)迭代運算后,將分析結果回饋到模型,得到最優(yōu)設計方案,為設計師提供最佳設計建議。具體的操作步驟如圖1所示:圖1 solidworks最優(yōu)化設計步驟創(chuàng)建分析特征,是參數(shù)化建模前的關鍵一步。分析特征是屬于基準特征的一種,常用的分析特征類型有測量、模型、幾何和關系等。敏感度分析可以用來分析當給定設計變量在指定范圍內(nèi)發(fā)生變化時,優(yōu)化目標的變化趨勢,顯示兩變量間的關聯(lián)程度,X 表示設計變量,Y 軸表示設計目標,便于設計師在較
5、短時間內(nèi)尋找到設計變量與設計目標的關聯(lián)性。敏感度分析可以為后續(xù)的可行性和最優(yōu)化分析、多目標設計研究提供設計變量的合理范圍??尚行院妥顑?yōu)化分析可以使系統(tǒng)計算出尺寸值,使模型能夠滿足某些用戶指定約束,系統(tǒng)會尋找到可行的最佳解決方案??尚行匝芯渴欠治瞿P驮诮o定的變量范圍內(nèi)是否有可能達到設計目標值的方法,對于多個變量同時參與的模型,可能有多種參數(shù)的組合可以達到設計目標值,但軟件一旦找到其中的任一種組合,便會認定目標可行并停止計算。而最優(yōu)化分析則從達到設計目標值的多種參數(shù)的組合中找到最優(yōu)的組合。使用優(yōu)化和可行性分析時,系統(tǒng)所尋求的解答屬局部解,為避免發(fā)生局部解,應使用多重目標設計研究。多目標設計研究可以
6、用來處理大量設計變量與設計約束相矛盾時,產(chǎn)生眾多設計目標,經(jīng)過過濾程序,使用不同方法分析試驗數(shù)據(jù)、縮小范圍,篩選出最佳、首選方案。三、設計步驟1、創(chuàng)建三維模型參照揚州捷邁鍛壓機械有限公司JL36-630中偏心齒輪的工程圖簡化模型結構,以便對其配重設計,首先假定配重塊的材質(zhì)和齒輪材質(zhì)相同,繪制偏心齒輪模型結果如圖2:圖2 偏心齒輪三維模型2、創(chuàng)建分析特征從圖2中偏心齒輪的配重尺寸可以看出,假設齒輪寬度不變,則配重塊大小主要由徑向尺寸180和角度尺寸30°,即徑向尺寸和角度尺寸為主要設計變量。這里在solidworks設計算例表現(xiàn)出的結果設置如圖3所示:圖3 設計算例變量設置由圖3可以看
7、出,設置徑向尺寸從160到180,步長取1,角度尺寸從15°到45°,步長為1時,總的活動情形有651種,故為簡化縮短solidworks設計算例的運行,將角度尺寸不作為設計變量,即只設定徑向尺寸為此次設計算例分析的特征尺寸。3、設計算例分析運用設計算例中傳感器功能,可以添加以下四種傳感器,即simulation數(shù)據(jù)、質(zhì)量屬性、尺寸及測量,其中simulation數(shù)據(jù)傳感器可以添加很多目標值,比如simulation中的應力、位移、速度等;質(zhì)量屬性傳感器可以添加質(zhì)量、體積、表面積及質(zhì)量中心;尺寸及測量傳感器可以添加模型尺寸值和測量模型尺寸及屬性。具體如圖4所示:圖4 傳感器
8、類型及其相應屬性本次設計算例選用質(zhì)量屬性傳感器中質(zhì)量中心屬性作為優(yōu)化分析的設計目標。偏心齒輪的優(yōu)化目標是使其達到靜平衡的要求,且此模型是關于Y-O-Z平面對稱,故質(zhì)量中心X為0,無需調(diào)整,而質(zhì)量中心Z在軸線方向,也無需調(diào)整,所以這里質(zhì)量屬性選著質(zhì)量中心Y,當前值是在徑向尺寸為180時的值為2.16987559mm,如圖5所示:圖5 質(zhì)量屬性中質(zhì)量中心Y將設計算例的目標設定完成后,就可以單擊運行進行模型目標優(yōu)化,具體設置界面如圖6所示:圖6 設計算例界面設置結果之后,solidworks開始對21種情形依此進行賦值重建模型,并優(yōu)化分析目標結果,具體優(yōu)化過程如圖7所示:圖7 設計算例優(yōu)化過程經(jīng)過一段時間的優(yōu)化,得出優(yōu)化結果為第13個優(yōu)化情形,取徑向尺寸為172mm,則優(yōu)化的質(zhì)量中心Y為-0.03608mm,已近乎符合靜平衡設計要求,如圖8所示:圖8 設計算例優(yōu)化結果4、獲取解決方案并改變模型參數(shù)由圖8的優(yōu)化結果選取徑向尺寸為172,鼠標右擊優(yōu)化(13)結果,則此尺寸值自動賦到模型中重建偏心齒輪模型,此時查看模型的質(zhì)量屬性可以發(fā)現(xiàn)重心Y已趨于0,如圖9所示:圖9 優(yōu)化后的偏心齒輪重心位置5、優(yōu)化結果分析得到優(yōu)化后的模型如圖10所示:圖10 優(yōu)化后的偏心齒輪偏心齒輪的質(zhì)量中心隨配重塊的徑向尺寸的變化關系如圖11所示:圖11 質(zhì)量中心隨徑向尺
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