阿基米德蜗杆传动的计算机辅助设计

本科生毕业论文阿基米德蜗杆传动的计算机辅助设计摘要：蜗杆传动有悠久的历史，随着齿轮传动的发展蜗杆传动的技术性要求越来越高。蜗杆传动由蜗杆、蜗轮组成，用来传递两交错轴之间的运动和动力，轴交角=90 。在本次课题中，我们主要是针对阿基米德蜗杆传动的设计进行了分析。介绍了应用 AutoCAD 2007 集成环境中的 VB 开发的蜗轮蜗杆传动系统。它运用模块化和参数化设计方法，完成蜗轮蜗杆传动设计计算及零件图绘制工作，使设计者可以在几分钟内完成蜗轮蜗杆传动设计工作，从而缩短了设计周期，提高了设计质量。本课题主要分析了阿基米德蜗杆传动的性质及其特点，利用 CAD 和 VB 在计算机上实现了它的软件辅助设计，能够更方便快捷的分析它的一些性质。 关键词： 蜗轮； 蜗杆； 模块化； 参数化本科生毕业论文Archimedes worm transmission computer-aided designAbstract:The worm transmission has long history, the technology of the worm transmission requires higher and higher with the development of gear wheel transmission. Worm transmission made up of worm, worm wheel, It is used in two stalk interleaves, general stalk hand over the cape=90. In this topic, we mainly is aims at the design of Archimedes worm transmission is analyzed. Have introduced the worm wheel transmission system using VB in AutoCAD 2007 integrated environment to develop. It uses the module and parameter design method, finishes the worm transmission of worm wheel and designs calculating and part picture drawing, enable the designer to finish the worm transmission design work of the worm wheel within several minutes, thus shortened design cycle, has improved designing quality. We design the experience of replacing to design with the theory, replace static behavior to analyse with dynamic analysis, help our accurate calculation, designed fast with thinking ability through memory ability of computer.This subject mainly analyses the Archimedes worm transmission properties and characteristics, the use of CAD and VB realized it in the computer aided design, the software can be more convenient and quick analysis some of its properties.Key Words: worm wheel, worm, Module, parameter西南科技大学城市学院本科生毕业论文目录第 1 章 蜗杆传动 .11.1 蜗杆传动特点 .11.2 蜗杆传动类型 .11.3 圆柱面蜗杆传动类型 .1第 2 章 蜗杆蜗轮的结构 .42.1 蜗杆结构 .42.2 蜗轮结构 .4第 3 章 阿基米德蜗杆传动主要参数及几何参数 .53.1 蜗杆传动主要参数 .53.2 蜗杆传动几何计算 .93.3 蜗杆传动精度等级 .113.4 蜗杆传动效率和自锁 .12第 4 章 蜗杆传动的载荷和失效分析 .144.1 蜗杆传动受力分析 .144.2 蜗杆传动失效分析 .15第 5 章 蜗杆传动的设计计算 .175.1 蜗轮强度计算 .175.2 蜗杆刚度计算 .195.3 蜗杆传动热平衡计算 .19第 6 章 计算机辅助绘图 .216.1 计算机辅助设计概述 .216.2 计算机绘图的应用和发展趋势 .226.3 蜗杆传动的计算机辅助设计 .226.4 计算机绘图的方法 .236.5 利用 VBA 创建 CAD 对象 .23第 7 章 蜗杆传动的计算机辅助设计 .257.1 蜗轮蜗杆传动软件系统总体设计 .257.2 蜗轮蜗杆传动设计计算 .25西南科技大学城市学院本科生毕业论文7.3 蜗轮蜗杆传动参数化绘图 .26第 8 章 阿基米德蜗杆的计算机辅助设计的操作流程 .28第 9 章 结论 .34致谢 .35参考文献 .36附录程序 .37西南科技大学城市学院本科生毕业论文前言阿基米德蜗杆传动的计算机辅助设计。作为一名机械专业本科的学生，要完成本次设计，除了要求大学四年扎实的基础外，还要求自学许多新的内容，有独立的设计能力。当我们在 21 世纪，以电子技术、信息技术、自动化技术、人工智能技术和新材料技术为核心的新一代技术的迅速发展和在制造领域广泛渗透和应用，使制造业的面貌发生了翻天覆地的变化。面对全球技术、经济、市场变革的挑战和机遇，技术、经济竞争将成为世界各国竞争的焦点和社会发展的主要动力，对于制造业来说，竞争的核心将是新产品和制造技术的竞争。随着信息化时代的到来和全球化市场的形成，商品市场的竞争更趋激烈。在新的世纪里，如何提高市场快速响应能力，如何以最短的时间、最低的成本，向市场推出质量最好的新产品，已成为制造型企业竞争的焦点。CAD 技术是企业技术创新、开拓市场强有力的技术手段。CAD 技术的发展和推广应用不仅受到国家和企业的重视，更为广大的工程技术人员所关心，如何全面、深入地掌握 CAD 技术也已成为摆在工程技术人员面前的重要任务。从某种程度上说，不能很好地掌握这门先进技术，就不能适应现代社会的变化和需求，就有被历史淘汰的危险。限于编者的水平和时间，本书难免错漏及不当之处，诚恳想各位读者给予批评指正。编者将致以衷心的感谢！（E-mail:419481707）西南科技大学城市学院本科生毕业论文1第 1 章 蜗杆传动蜗杆传动用来实现空间交错轴之间的运动和动力的传递。蜗杆传动由蜗杆和蜗轮组成，通常用于传递轴交角为 90的两交错轴之间的运动和动力。蜗杆传动通常是蜗杆主动，用做减速；少数机械中（如离心机）以蜗轮主动，用做增速。1.1 蜗杆传动特点蜗杆传动中，蜗杆上是一个或几个连续的螺旋齿，蜗杆与蜗轮之间通过特定的啮合关系来传递载荷和运动。因此，蜗杆传动的主要特点为：传动平稳、传动比大、结构紧凑；通过控制某些设计参数可以使蜗杆传动自锁；但传动效率较低，较易磨损、胶合；结构较复杂且蜗轮常采用较贵重金属，加工工艺较复杂制造成本较高。1.2 蜗杆传动类型根据蜗杆形状的不同，蜗杆传动通常可以分为三类：圆柱面蜗杆传动、环面蜗杆传动和圆锥面蜗杆传动。 根据蜗杆螺旋线方向不同，蜗杆传动可分为右旋蜗杆传动和左旋蜗杆传动。一般常用右旋蜗杆。 根据蜗杆头数的不同，蜗杆传动又可分为单头、双头和多头蜗杆传动。单头蜗杆容易自锁，效率低；双头和多头蜗杆效率较高。 1.3 圆柱面蜗杆传动类型在圆柱面蜗杆传动中，按照蜗杆齿廓形状及形成原理的不同，常见的形式有：1、阿基米德圆柱蜗杆（ZA 型蜗杆）传动蜗杆传动由蜗杆、蜗轮组成，是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动机构，两轴线交错的夹角可为任意值，常用的为 90。蜗杆齿面为阿基米德螺旋面，蜗杆端面齿廓为阿基米德螺旋线。通过蜗杆轴线垂直于蜗轮轴线的平面称为中间平面，蜗杆在中间平面上的齿廓为直线（梯形齿条形状） ，蜗轮在中间平面上的齿廓为渐开线。这种蜗杆齿形称为齿形 A。阿基米德蜗杆传动在中间平面上的啮合相当于齿轮与齿条的啮合。此蜗杆可用车刀、铣刀或斜齿插齿刀加工（后者用于大批量） ，但难于磨削，所以较难采用硬齿面，不易获得高精度。但它加工简便的优点，西南科技大学城市学院本科生毕业论文2使其在实际机械中应用很广。蜗杆传动通常蜗杆主动，用做减速装置。仅在少数机械，如离心机、内燃机增压器中，以蜗轮主动，用作减速。在机床、冶金机械、起重机械、船舶和仪表等工业中，蜗杆传动获得广泛的应用。这种传动由于具有结构紧凑、传动比大、传动平稳以及在一定的条件下具有可靠的自锁性等优点，应用颇为广泛；其不足之处是传动效率低、常需耗用有色金属等。随着机器功率的提高，近年来出现了多种新型的蜗杆传动,效率低的缺点正在逐步改善。阿基米德蜗杆，简称 ZA 蜗杆。蜗杆齿面为阿基米德螺旋面，端面齿廓为阿基米德螺旋线，轴向齿廓为直线，法向齿廓为凸廓曲线。这种蜗杆可用车刀（所以又可以称为车削蜗杆）或斜插齿刀加工（后者用于大批量时） ，但难以磨削，故精度低和不便采用硬齿面。一般用语低速、轻载或不重要的传动。图 1-1 阿基米德蜗杆传动的结构图阿基米德蜗杆传动的主要特点：（1）能实现大的传动比：蜗杆传动单级可实现较大的传动比。在动力传动中，一般传动比 i=580；在分度机构或手动机构的传动中，传动比可达 300；若只传递运动，传动比可达 1000。由于传动比大，零件数目又少，因而结构很紧凑。（2）传动平稳：在蜗杆传动中，由于蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，它和蜗轮齿是逐渐进入啮合及逐渐退出啮合的，同时啮合的齿对又较多，故冲击载荷小，传动平稳，噪声低。（3）具有自锁性：当蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量摩擦角时，蜗杆传动便具有自锁性。（4）摩擦磨损大：蜗杆传动与螺旋齿轮传动相似，在啮合处有相对滑动。当滑西南科技大学城市学院本科生毕业论文3动速度很大，工作条件不够良好时，会产生较严重的摩擦与磨损，从而引起过分发热，使润滑情况恶化。因此摩擦损失较大，传动效率低，当传动具有自锁性时，效率仅为 0.4 左右。2、渐开线圆柱蜗杆（ZI 型蜗杆）传动齿面为渐开线螺旋线的圆柱蜗杆，其端面齿廓是渐开线。这种蜗杆齿形称为齿形 I。在切制蜗杆时，切刀刀刃平行于轴线且与基圆柱相切，切制出的蜗杆在垂直于轴线的截面上齿廓线为渐开线。这种蜗杆可以用切制齿轮的滚刀加工，也可以用平面砂轮磨削，因此可以采用硬齿面，精度较高，可获得较高的承载力和效率，适用于大功率、高速度传动及成批生产的情况。3、法向直廓圆柱蜗杆（ZN 型蜗杆）传动在规定的法平面上，齿廓为直线的圆柱蜗杆。这种蜗杆齿形称为齿形 N。根据所选蜗杆法平面不同，包括有：齿槽法向直廓圆柱蜗杆（ZN1 型蜗杆） ，其法平面为垂直于过齿槽中点与分度圆柱螺旋线平行的假想螺旋线的法平面；齿体法向直廓圆柱蜗杆（ZN2 型蜗杆） ，其法平面为垂直于过齿厚中点与分度圆柱螺旋线平行的假想螺旋线的法平面；齿面法向直廓圆柱蜗杆（ZN3 型蜗杆） ，其法平面为垂直于分度圆柱螺旋线的法平面。这种蜗杆可以磨削，适宜于较大的导程。除以上三种形式之外，还有圆弧齿圆柱蜗杆（ZC 蜗杆）传动和锥面包络圆柱蜗杆（ZK 蜗杆）传动。蜗杆传动类型的选择主要考虑现有的制造工艺条件，及载荷、转速和制造成本等。西南科技大学城市学院本科生毕业论文4第 2 章 蜗杆蜗轮的结构2.1 蜗杆结构图 2-1 蜗杆结构蜗杆一般作成与轴一体的蜗杆轴，特殊情况下（df1/d1.7 时）也可用蜗杆齿圈配合于轴上。2.2 蜗轮结构蜗轮由于承载的要求和材料选择的特殊性，轮毂和轮缘所用材料可能不同。常见的结构形式有：1、轮箍式: 一般采用青铜轮缘与铸铁轮芯，通常采用 H7/r6 配合。为防止轮缘滑动，加台阶和 46 个螺钉固定。2、螺栓联接式: 采用 H7/m6 配合，用铰制孔螺栓联接，螺栓的数目按剪切计算确定，并以轮毂受挤压校核。3、镶铸式: 青铜轮缘镶铸在铸铁的轮芯上，轮芯上预制出榫槽，加强镶铸效果。这种结构形式，适宜于大批量生产。4、整体式: 适用于直径小于 100mm 的青铜蜗轮和任意尺寸的铸铁蜗轮。直径较小时可用实体或腹板结构，直径较大时可用轮辐式结构。 西南科技大学城市学院本科生毕业论文5第 3 章 阿基米德蜗杆传动主要参数及几何参数设计阿基米德蜗杆传动时，均取给定平面上的参数和几何尺寸作为主要参数，参考齿轮传动的计算关系进行几何计算。3.1 蜗杆传动主要参数1、模数 m 和压力角 显然，蜗杆轴向齿距 PX=mX1（相当于螺纹螺距）应等于蜗轮端面齿距Pt=mt2 ，因而蜗杆轴向模数 mX1 必等于蜗轮端面模数 mt2；蜗杆轴向压力 X1角必等于蜗轮端面压力角 t2。即：mX1= mt2=m，X1=t2=。标准规定压力角 =20。图 3-1 蜗杆传动正确正确合条件 21tam2、 传动比 I，蜗杆头数 Z1 和蜗轮齿数 Z2西南科技大学城市学院本科生毕业论文6对于减速蜗杆传动：式中 n1、n2 分别是蜗杆，蜗轮的转速，r/min。蜗杆头数愈多， 角愈大，传动效率高；蜗杆头数少，升角 也小，则传动效率低，自锁性好。一般自锁蜗杆头数取 Z1=1。常用蜗杆头数 Z1=1、2、4，Z1 过多，制造高精度蜗杆和蜗轮滚刀有困难。蜗轮齿数 Z2=i Z1。Z1 和 Z2 推荐值见表 7-2。为了避免根切，Z2 不应少于 26，但也不宜大于 60-80。Z2 过多时，会使结构尺寸过大，蜗杆支承跨距加大，刚度下降，影响啮合精度。3、蜗杆导程角（螺旋升角）将蜗杆分度圆上的螺旋线展开，如图所示：图 3-2 蜗杆导程角则蜗杆的导程角 为：蜗杆直径 d1 越小，导程角 越大，则传动效率越高， 3304、蜗杆的基准齿廓：蜗杆的基准齿廓是指基准蜗杆在给定截面上的规定齿廓。在蜗杆的轴平面内基准齿廓的尺寸参数包括：（1）齿顶高：Ha = m（正常齿）ha = 0.8m（短齿） （2）工作齿高：h = 2m （正常齿）h = 1.6m（短齿） （3） 轴向齿距：Px = m (中线上的齿厚等于齿槽宽) （4）顶隙：c = 0.2m，必要时可减小到 0.15m 或增大到 0.35m （5）齿根圆角：f = 0.3m, 必要时可减小到 0.2m 或增大到 0.4m （6）齿形角：阿基米德蜗杆，轴向齿形角 x = 20，法向直廓蜗杆，法向 齿形角 n = 20，渐开线蜗杆，法向齿形角 n = 20西南科技大学城市学院本科生毕业论文7（7）模数、蜗杆分度圆直径和直径特性系数：模数 m 在中间平面上的模数为标准值，即蜗杆的轴向模数 mx 和蜗轮的端面模数 mt 为标准值。5、要保证蜗杆与蜗轮的正确啮合，蜗轮加工是用和与该蜗轮相啮合的蜗杆的直径、齿形参数完全相同的滚刀进行切制。为了减少加工蜗轮的滚刀的规格数量，利于蜗轮滚刀的标准化和系列化，国标规定 d1 为标准值，且与 m 有一定的搭配关系。蜗杆直径特性系数 q 由于蜗杆分度圆直径 d1 和蜗杆模数 m 均为标准值，定义它们的比值为蜗杆直径特性系数，即 d1 = mq，q=Z1/tan。蜗杆头数 Z1 是指蜗杆圆柱面上连续齿的个数，也就是螺旋线的线数。常用取值为 1，2，4，6。Z1 过多，加工制造的难度增加，精度不易保证； Z1 减小，传动效率降低，传动比较大或要求自锁时取 Z1=1。蜗轮齿数 Z2 根据传动比 i 和 Z1 确定。Z2 = I Z1。为避免蜗轮轮齿发生根切和保证传动的平稳性，一般取蜗轮齿数 Z227；同时为避免结构尺寸一定时，模数过小而导致弯曲强度不足或模数一定时，蜗轮直径过大而导致蜗杆轴支撑跨距过大从而刚度降低，蜗轮齿数也不宜过大，一般取 Z230以后，效率随之增大的变化不明显，当 45后，效率反而随 的增大减小。对于要求具有自锁性能的传动，则应采用 10m/s西南科技大学城市学院本科生毕业论文117 级中等精度的运输机及中等功率蜗杆传动蜗杆渗碳淬火，磨削和抛光；蜗轮滚齿，建议用剃削或加载磨合蜗杆 0.40.8蜗轮 0.40.810m/s8 级圆周速度较低，每天工作较短的不重要传动蜗杆车床加工；蜗轮铣削或飞刀加工，建议加载磨合蜗杆 0.81.6蜗轮 1.65m/s 9 级不重要的低速传动及手动传动同 8 级精度蜗杆 1.63.2蜗轮 3.22m/s3.4 蜗杆传动效率和自锁1、效率：与齿轮传动的效率类似，蜗杆传动的功率损失主要包括：（1）啮合损失；（2）搅动润滑油的油阻损失；（3）轴承的摩擦损失。闭式蜗杆传动的效率 为：=123式中：1啮合效率；2搅油效率(一般为 0.95-0.99)；3轴承效率(对滚动轴承取 0.99,对滑动轴承取 0.98-0.99)。蜗杆传动的效率主要取决于啮合效率。蜗杆传动的啮合效率可以参照螺旋副的效率进行计算。对于减速蜗杆（蜗杆主动）：对于增速蜗杆（蜗轮主动）：西南科技大学城市学院本科生毕业论文12式中：v当量摩擦角，其值与蜗杆蜗轮的材料组合、齿面精度和相对滑动速度等有关。从蜗杆传动的啮合效率中可以看出，导程角 是影响啮合效率的重要参数，而导程角 又与蜗杆头数有直接关系。2、自锁：在减速蜗杆传动中，蜗杆可以带动蜗轮旋转而蜗轮不能带动蜗杆旋转称为自锁。其自锁条件与螺纹副的自锁条件相同，即：导程角 v。自锁蜗杆传动效率 0.5。设计蜗杆传动时，需要预估传动的效率，可以参考以下数值确定。表 3-3 蜗杆传动效率估计蜗杆头数 Z1 1（自锁） 1 2 3 4、6预估效率 04 0.65-0.75 0.75-0.82 0.82-0.85 0.85-0.95西南科技大学城市学院本科生毕业论文13第 4 章 蜗杆传动的载荷和失效分析4.1 蜗杆传动受力分析图 4-1 蜗杆传动受力分析蜗杆传动为啮合传动，其受力状况与齿轮传动近似。作用在蜗杆齿面上的法向力 Fn 可以分解为互相垂直的三个分力：圆周力（切向力）Ft1、径向力 Fr1 和轴向力 Fa1。由作用力和反作用力关系，蜗轮上受到大小相等、方向相反的三个对应分力：蜗轮轴向力 Fa2、径向力 Fr2 和圆周力 Ft2。力的大小和方向分别为：蜗杆圆周力 Ft1(蜗轮轴向力 Fa2)：Ft1 的方向与蜗杆啮合处的转动方向相反，Fa2 与 Ft1 反向。蜗杆径向力 Fr1(蜗轮径向力 Fr2)：Fr1 和 Fr2 分别指向各自的圆心。蜗杆轴向力 Fa1(蜗轮圆周力 Ft2)：Fa1 的方向可以按左右手法则判定，Ft2 与 Fa1 反向且与蜗轮啮合处的转动方向西南科技大学城市学院本科生毕业论文14相同。蜗杆法向力 Fn1(蜗轮法向力 Fn2)：方向为垂直于啮合点指向各自本体。式中：T1、T2蜗杆和蜗轮的转矩；d1、d2蜗杆和蜗轮的分度圆直径；x蜗杆轴面分度圆压力角；蜗杆导程角。4.2 蜗杆传动失效分析蜗杆传动的失效形式，有齿面点蚀、胶合、齿面磨损和轮齿折断等。由于蜗杆传动中齿面相对滑动速度大且效率较低，摩擦、磨损、发热较严重，同时由于蜗轮材料的选择，工作过程中主要的失效形式为蜗轮齿面的胶合、磨损与点蚀。由于蜗杆径向尺寸较小，轴向尺寸较大，蜗杆的强度和刚度不足，也有可能带来蜗杆传动的失效。1、设计准则目前在设计过程中对于闭式传动，通常按齿面接触疲劳强度进行设计，条件性的避免蜗轮齿面的胶合和点蚀；只有当 Z280100，或采用负变位的传动时，才进行轮齿的弯曲强度计算；蜗杆工作过程中的强度，可以根据轴的强度计算方法进行危险截面应力计算；为避免蜗杆的变形过大引起失效，对于支撑跨距大的蜗杆轴需进行蜗杆的刚度验算；由于蜗杆传动发热量较大，设计中还需进行热平衡计算。2、蜗杆传动材料选择由上述蜗杆传动的失效形式可知，蜗杆、蜗轮的材料不仅要求具有足够的强度和刚度，同时必须具有良好的耐磨性、减磨性和抗胶合性。蜗杆为细长杆件，要保证一定的强度和刚度，材料一般用碳钢或合金钢。按热处理不同分有硬面蜗杆和调质蜗杆。采用硬齿面的蜗杆承载能力较高，制造时需要磨削或抛光；调质蜗杆加工方便，受短时冲击载荷时效果较好。蜗轮材料通常是指蜗轮轮缘部分的材料，需要选择减磨性和耐磨性较好的材料，通常采用铜合金和铸铁。锡青铜有良好的耐磨性，适用于 Vs12m/s25m/s 和持续运转场合；铝青铜机械强度较高，减磨性稍差，适用于 Vs10m/s 的场合，配对蜗杆必须为硬面蜗杆；黄铜抗点蚀能力高，磨损性能差，适用于较低滑动速度场合；西南科技大学城市学院本科生毕业论文15铸铁蜗轮适用于 Vs2m/s 和蜗轮尺寸较大的场合。表 4-1 蜗杆常用材料材料牌号 热处理 硬度 表面粗糙度 Ra(m)45,40Cr,42SiMn,40CrNi,38SiMnMo表面淬火 HRC4555 1.6 0.815CrMn,20CrMn,20Cr,20CrNi 渗碳淬火 HRC5863 1.6 0.845 调质 270HB 6.3西南科技大学城市学院本科生毕业论文16第 5 章 蜗杆传动的设计计算5.1 蜗轮强度计算蜗杆传动中，由于蜗杆和蜗轮材料选择的差异，点蚀、胶合和磨损等失效首先发生在蜗轮上。蜗杆传动的强度计算，主要包括蜗轮齿面的接触强度计算和轮齿的弯曲强度计算。1、齿面接触强度计算接触强度设计公式：mm3接触强度校核公式：N/mm2（1）T2 蜗轮的转矩 N?m； （2）K 载荷系数，一般取 11.4，当载荷平稳 v23m/s 和 7 级以上精度时，取较小值，否则取较大值；（3）HP蜗轮许用接触应力 N/mm2，与蜗轮轮缘的材料有关。 （4）ZVS滑动速度影响系数，根据相对滑动速度和润滑方式确定； （5）ZN 接触疲劳强度计算的寿命系数。 （6）ZE弹性系数与蜗杆蜗轮的材料有关; 表 5-1 弹性系数 ZE蜗轮材料蜗杆材料铸锡青铜 铸铝青铜 铸铝黄铜 灰铸铁 球墨铸铁钢 155 156 157 162 182表 5-2 使用系数 KA工作机原动机平稳 中等冲击 严重冲击电动机，汽轮机 0.8 1.25 0.9 1.5 1 1.75西南科技大学城市学院本科生毕业论文17多缸内燃机 0.9 1.5 1 1.75 1.25 2单缸内燃机 1 1.75 1.25 2 1.5 2.251）KV动载荷系数，当蜗轮速度 v23m/s 时，取 KV=11.1；当 v23m/s 时，取 KV=1.11.2；2）K载荷分布系数，载荷平稳时取 K=1；载荷变化时取 K=1.11.3； 2、轮齿弯曲强度计算弯曲强度设计公式：mm3弯曲强度校核公式：N/mm2（1）FP蜗轮许用弯曲应力 N/mm2，与蜗轮轮缘的材料有关：； （2）FP蜗轮的应力循环次数 NL=106 时，蜗轮材料的许用弯曲应力； （3）YN弯曲疲劳强度计算的寿命系数。 （4）YFS蜗轮的齿形系数，按蜗轮的当量齿数 ZV2=z2/cos3 及蜗轮变位系数根据图齿轮的齿形系数图确定。 （5）Y 导程角 的系数， 5.2 蜗杆刚度计算蜗杆的齿面强度较高，但蜗杆的细长结构使得蜗杆轴在啮合部位受到载荷作用之后会产生挠曲变形。过大的挠曲变形会影响啮合状况，造成局部偏载或干涉，设计中对蜗杆要进行刚度校核。校核公式：mm（1）Ft1 蜗杆所受圆周力； （2）Fr1蜗杆所受径向力； 西南科技大学城市学院本科生毕业论文18（3）E蜗杆材料的弹性模量，钢制蜗杆取 20700N/mm2； （4）I蜗杆危险截面惯性矩， mm4，df1 为蜗杆齿根圆直径； （5）L蜗杆两支撑间距离，由结构设计确定，初算时可取 L=0.9d2,d2 为蜗轮分度圆直径 mm；（6）yp许用最大挠度，可取 yp=（0.0010.0025）d1, d1 为蜗杆分度圆直径 mm 5.3 蜗杆传动热平衡计算蜗杆传动效率一般较低，尤其是自锁蜗杆，啮合效率小于 0.5，工作时会产生较多的热量。对于连续工作的闭式传动，有时因传动温度过高使润滑条件恶化，引起传动的失效。因此，须进行热平衡计算。蜗杆传动工作中，单位时间内发热损耗的功率为： W，P1 为输入功率， 为传动总效率；单位时间内散出的热量为： W，（1）k导热率，在自然通风良好的工作环境中取 1417.5，通风较差时取8.710.5； （2）A传动装置散热的计算面积，设计时 a 为传动中心距 mm； （3）t1润滑油的温度，最大允许到 95oC； （4）t2工作环境的温度，一般取 20oC 设计要求传动装置在允许的温升范围内，它所能散出的热功率 Pc 要大于等于损耗的功率 Ps，即 PcPs。因此，传动装置的润滑油工作温度应满足：当润滑油工作温度过高，不能满足热平衡条件时，设计中须采取一定的措施，增加散热量。常见的方法有：1、在箱体上设计散热片以增加散热面积； 2、在蜗杆轴端设置风扇增强通风； 3、在润滑油池中设置冷却水管； 4、采用压力喷油循环润滑等。 西南科技大学城市学院本科生毕业论文19第 6 章 计算机辅助绘图6.1 计算机辅助设计概述在设计过程中，利用计算机作为工具，帮助工程师进行设计的一切实用技术的总和称为计算机辅助设计（CAD，Computer Aided Design） 。计算机辅助设计包括的内容很多，如：概念设计、优化设计、有限元分析、计算机仿真、计算机辅助绘图、计算机辅助设计过程管理等。在工程设计中，一般包括两种内容：带有创造性的设计（方案的构思、工作原理的拟定等）和非创造性的工作，如绘图、设计计算等。创造性的设计需要发挥人的创造性思维能力，创造出以前不存在的设计方案，这项工作一般应由人来完成。非创造性的工作是一些繁琐重复性的计算分析和信息检索，完全可以借助计算机来完成。一个好的计算机辅助设计系统既能充分发挥人的创造性作用，又能充分利用计算机的高速分析计算能力，即要找到人和计算机的最佳结合点。计算机辅助设计作为一门学科始于 60 年代初，一直到 70 年代，由于受到计算机技术的限制，CAD 技术的发展很缓慢，进入 80 年代以来，计算机技术突飞猛进，特别是微机和工作站的发展和普及，再加上功能强大的外围设备，如大型图形显示器、绘图仪、激光打印机的问世，极大地推动了 CAD 技术的发展，CAD 技术已进入实用化阶段，广泛服务于机械、电子、宇航、建筑、纺织等产品的总体设计、造型设计、结构设计、工艺过程设计等环节。早期的 CAD 技术只能进行一些分析、计算和文件编写工作，后来发展到计算机辅助绘图和设计结果模拟，目前的 CAD 技术正朝着人工智能和知识工程方向发展，即所谓的 ICAD（Intelligent CAD） 。另外，设计和制造一体化技术即 CAD/CAM 技术以及 CAD 作为一个主要单元技术的 CIMS 技术都是 CAD 技术发展的重要方向。在工业化国家如美国、日本和欧洲，CAD 已广泛应用于设计与制造的各个领域如飞机、汽车、机械、模具、建筑、集成电路中，基本实现 100%的计算机绘图。CAD 系统的销售额每年以 3040%的速度递增，各种 CAD 软件的功能越来越完善，越来越强大。国内于 70 年代末开始 CAD 技术的大力推广应用工作，已经取得可喜的成绩，CAD 技术在我国的应用方兴未艾。西南科技大学城市学院本科生毕业论文206.2 计算机绘图的应用和发展趋势计算机绘图正在迅速取代绘图板加丁字尺的传统设计方法，担负起繁重的日常的出图任务以及总体方案的优化和细节设计工作。在机械设计中，数学近似分析已有 100 多年历史，对于复杂的结构，传统的数学方程无法描述时，可用有限元技术解决。20 世纪 50 年代，计算机就能进行有限元分析。现在应用计算机绘图，能使设计者亲眼见到机件受力后的应力分布和应变结果，从而使工程设计得以优化。例如；设计汽车车身系统模型，然后在外加载的情况下，动态显示不同外载荷下、不同路面上车身的变形，从而模拟出最优化的设计。这样省去了制造样机，节约了时间、经费，同时达到了优化。由于图形在计算机内是一种范围很宽而又很复杂的数据，因而对它的描述和处理也是复杂的，同时由于硬件的飞速发展，图形输入、输出设备种类繁多，使得图形软件，较难独立与 I/O 设备、主机、工作语言和应用领域。因此，图形软件研制成本高、可移植性差成为一个严重的问题。图形软件标准化有助于设计图形的应用程序在不同的系统之间移植，便于图形数据的交换和传送，给用户带来极大方便。因此，目前图形软件正向标准化方向发展。6.3 蜗杆传动的计算机辅助设计蜗杆传动的设计，以前我们一般采用人工的资料检索，手工计算和绘图，手工操作进行实物造型。这样的结果往往需要较多的人力和较长的设计周期，且造成大量坯件的损坏、资源的浪费。而且反复修改，反复绘图，多次操作加工，影响设计的质量和效率。随着社会生产和科学技术的飞速发展，对机械产品以及机械设计的要求越来越高，如传统的经验设计需代之以精确设计等，设计工作量也随之大为增加。传统的手工设计越来越显得适应不了这种发展着的需要。随着电子计算机技术的不断发展和应用领域的日益扩大深入，使用铅笔、圆规、图纸、绘图板和传统的实物加工的传统造型设计方式正在进行着重大的改革。这是因为计算机不仅具有快速、准确的运算功能，而且机器的存储功能使它获得了“记忆能力” ；机器的逻辑思维能力判断功能又使它获得了“思维能力” 。所以我们采用计算机的辅助设计，用计算机及其图形系统描述物体形状，模拟物体动态处理过程。通常它所提供的描述或模型是解析的而不是具体的，因而可以方便而经济地用一个模型来代替实际物体的实际和处理。很显然，用计算机对一个物体的模型进行分析或模拟比对一个实际物体进行测量或处理要容易得多。此外，模型也是计算机辅助西南科技大学城市学院本科生毕业论文21集成制造系统（CIMS）中传递信息的一种好形式。利用计算机辅助几何造型技术既可产生已有物体的真实模型，也可产生人们头脑中的某种设计想象或艺术模型。所以我们将主要是对阿基米德蜗杆传动的计算机辅助设计。 6.4 计算机绘图的方法计算机辅助绘图是 CAD 中计算机应用最成熟的领域。计算机辅助绘制二维图形常用的方法有四种：第一种是直接利用图形支撑软件提供的各种功能，利用人机交互方式将图形一笔一笔地画出来。比较老式的 CAD 系统都是采用这种方式，主要缺点是速度慢，绘图工作量大；第二种是利用图形支撑软件提供的尺寸驱动方式进行绘图（又称参数化绘图） ，比较先进的图形支撑软件都提供这种功能。尺寸驱动一般是建立在变量几何原理上的，设计者可以采用“Hand Free”方式随手勾画出零件的拓扑结构，然后再给拓扑结构添加几何和尺寸的约束，系统会自动将拓扑结构按照给定的约束转换成零件的几何形状和几何大小。这种方式大大提高了绘图效率，它也支持快速的概念设计；第三种是利用图形支撑软件提供的二次开发工具，将一些常用的图素参数化，并将这些图素存在图库中。绘图时，根据需要从图库中按菜单调用有关图素，并将之拼装成有关的零件图形。由于图素已经参数化，可以方便地修改尺寸。这种利用参数化图素拼装成零件的绘图方法可以极大地提高绘图效率。第四种方法是采用三维造型系统完成零件的三维立体模型，然后采用投影和剖切方式由三维模型生成二维图形，最后再对二维图形进行必要的修改和补充并标注尺寸、公差和其它技术要求。目前比较先进的 CAD 系统都具有这种功能。这是最为理想的绘图方法。这种绘图方式一般均可提供相关修改系统。在计算机辅助绘图系统中，要特别重视尺寸、公差和其它技术要求的标注问题，标注不仅繁琐、工作量大，而且容易出错（漏标、错标、重复标） 。据统计，绘图工作量的 4060%是各种标注。所以，计算机辅助绘图的研究和应用重点应放在标注上。6.5 利用 VBA 创建 CAD 对象20 世纪 90 年代早期以前，使应用程序自动化还是充满挑战性的领域。对每个需要自动化的应用程序，人们不得不学习一种不同的自动化语言。例如：可以用EXCEL 的宏语言来使 Excel 自动化，使用 Word Basic 使 Word 自动化等等。针对这西南科技大学城市学院本科生毕业论文22种情况，微软决定开发出一种通用的自动化语言Visual Basic For Applications(VBA)。可以认为 VBA 是非常流行的应用程序开发语言 Visual Basic 的子集。因为用 VB 来编程非常简单，而且功能强大，所以微软公司及其它公司(如 Autodesk 公司AutoCAD 2000、Golden Software 公司的 Surfer 等产品)纷纷将它的一部分代码结合到自己的产品中。VBA 的很多语法都继承了 VB 的特点，所以我们可以像 VB 那样来编写 VBA 程序，以实现某个功能。VBA 和 VB 的区别包括如下几个方面。1、VB 是用于创建标准的应用程序,而 VBA 是使已有的应用程序 (AutoCAD 等)自动化。2、VB 具有自己的开发环境，而 VBA 必须寄生于已有的应用程序。3、要运行 VB 开发的应用程序，用户不必安装 VB，因为 VB 开发出的应用程序是可执行文件(*.EXE)，而 VBA 开发的程序必须依赖于它的“父”应用程序。 一个 AutoCAD VBA 工程就是一些代码模块、类模块和窗体的集合。VBA 工程可以分为内嵌工程和全局工程。内嵌工程存储在 AutoCAD 文件里，当打开一个存储有内嵌工程的 AutoCAD 文件时，该 VBA 工程被自动地装载进 VBA 环境里。全局工程则被存储为一个单独的文件，第一次运行前，需要人工装载进 VBA 环境里。两种形式各具优点，可以视实际需要而采用。VBA 通过 ThisDrawing 对象与当前活动的 AutoCAD 文档建立连接。通过ThisDrawing 对象可以直接访问当前 AutoCAD 文档对象，以及该对象底层的所有对象、方法和属性 。众所周知，AutoCAD 的工作空间可以分为模型空间与图纸空间。用户可以使用模型空间来绘制草图和进行设计，并创建二维图形或三维模型；也可以使用图纸空间来为打印创建完备的图形布局或修改、创建模型。因此利用 VBA 创建 CAD 对象可以分为模型空间和图纸空间对象。西南科技大学城市学院本科生毕业论文23第 7 章 蜗杆传动的计算机辅助设计7.1 蜗轮蜗杆传动软件系统总体设计蜗轮蜗杆传动用来传递空间交错的两轴间的运动和转矩，它的类型较多，本系统以阿基米德圆柱蜗杆传动为对象进行几何参数及尺寸计算、作用力分析及蜗轮蜗杆传动的强度校核的设计，编制了包含蜗杆传动的理论计算及计算机自动绘图两部分的软件系统。因各类蜗轮蜗杆传动的设计过程基本类似，总的来说，可以归纳为以下几方面的工作：已知参数的输入、蜗轮蜗杆传动设计计算、输出设计结果、输出相应的蜗杆及蜗轮的零件图，其软件系统的结构示意图如图：图 7-1 软件系统的结构示意图7.2 蜗轮蜗杆传动设计计算对蜗轮蜗杆传动的设计，可由计算机辅助蜗杆性能与分析得出的数据来进行。1、初始参数的设计先将本系统抽象化为一个黑箱，使其在一定条件下，实现一定功能。基本思路是先在草图上描出图形的轮廓。根据阿基米德蜗杆的原始参数来选择合适的阿基米德蜗杆和蜗轮的几何尺寸，绘出原始的阿基米德蜗杆和蜗轮的工作草图。然后