毕业设计（论文）-基于imageware汽车覆盖件逆向工程与制造.doc

eeee 毕 业 论 文 设 计 题 目 基于 imageware 汽车覆盖件的逆向工程与制造 指导教师 ee 学生姓名 ee 学号 ee 所在院 (系) 机械工程学院 专业班级 ee 2009 年 6 月 11 日 汽车覆盖件的逆向工程与制造 ee （ee） 指导老师：ee 【摘要】由于汽车车身覆盖件传统的设计方法效率低、难度大，而逆向工程技术作为一种新开发形式，在缩 短产品开发周期、消化吸收国外先进设计技术、提升汽车模具的设计制造水平过程中发挥着重要作用，因此对 逆向工程技术开展深入研究具有重要的现实意义。 本文主要研究了基于逆向工程的汽车模具及覆盖件设计开发的关键技术，对逆向工程中的点云数据获取、 数据预处理、曲面重构和曲面分析中出现的问题进行了研究并给出了相应的对策，具体内容如下: 1.分析了目前逆向工程中主要数据测量方法并重点介绍了结构光光学扫描仪对工件表面数字化测量、拼合 原理、应用过程及注意事项. 2.介绍了测量数据预处理的一般方法:排序、滤波、精简等，在研究以往数据精简的基础上，提出了一种 新的数据精简算法,该方法先利用基于网格法，将点云处理成按扫描线存储的结构化测量数据，再利用角度一 弦差法进行逐线精简。 3.本文提出了基于点云区域划分的曲面重构思想，曲面重构前先根据所测工件的轮廓、边界、中心线等特 征对点云进行区域划分:只要保证在划分区域内，重构曲面的质量以及多曲面间的拼接连续性，就可以迅速地 重构出质量比较高的曲面模型。 4.种常见曲线、曲面的数学模型分析的基础上，对曲线拟合、曲面重建进行了研究。介绍了各种曲线拟合、 曲面重构方法，以及曲面重构之后的拼接、再设计、曲面质量评估等环节。并给出相应的实例进行说明。 5.结了逆向工程中曲面重构过程常见的四类问题，进行了问题分析，并给出了相应的解决方案。 【关键词】:逆向工程，覆盖件，点云精简，曲面重构，曲面质量评估 Car cover reverse engineering and manufacturer ee （ee） Tutor：ee 【Abstract】：Because automotive covering parts are inefficient and great difficult to the traditional design, as a new type of development, Revese Engineering plays a key role in the process of reducing new product development period,absorbing advanced designing ideas, and improving the automotive molds designing and manufacturing skills. Its necessary to research Reverse Engineering technology widely. The following content of the paper describes the designing and developing theory of the automotive molds and covering parts based on Revese Engineeging,and present several new ideas in solving some problems in model digitizeing,data preprocess, model reconstruction and surface valuating. The main contents of this thesis are given as following: 1.Introduces the main measuring methods and technologies in the reserve engineering, especially focuses on structured-light projecting method; the measuring theory of a famous Optical Measuring Machine; describes the practical application and precautions ; 2.Some common methods dealing with point clouds including noise filtering,smoothing and data reduction;on the basis of research on datareduction,a new method based on angle-deviation criterion and octrees structure is described. 3.Presenting the theory of the model reconstruction based on the segementation of point cloud.Before the model reconstruction,segment the point cloud by extracting the feature such as edges,center lines.So we can rapidly reconstruct the model by ensuring the each segments quality and multi-surfacess continuity. 4.Research on surface reconstruction and surface makeup,comparison of several mathematical models of curves and surfaces.Introduces the methods of curve fitting,model reconsrtuction, surfaces joining, redesing, and surface valuation. Then gives some surface reconsturction examples. 5.Concloudes several practical problems in application of surface reconstruction,and gives correspondingly solutions. 【Key words】: Reverse Engineering,covering part,data reduction,model reconstruction,surface valuation 目目 录录 1.1. 绪论绪论.5 5 1.1 逆向工程简介及其应用 .5 1.2 逆向工程发展概况 .6 1.3 课题背景以及主要研究内容 .7 2.2.点云的处理点云的处理.错误！未定义书签。 2.1 三维扫描仪的使用 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.2 在SURFACE中将点云拟合成曲线 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.3 在 UG 中将拟合曲线变成实体 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3 3磨具设计（注塑模）磨具设计（注塑模）.错误！未定义书签。 3.1 注塑成型的工作原理 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.2 磨具制作 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.2.1 磨具设计准备 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.2.2 分型设计 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.3 模架和系统设计 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.3.1 加载模架 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.3.2 创建定位环 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.3.3 创建浇口衬套 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.3.4 创建分流道 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.3.6 创建顶杆 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.3.7 修剪顶杆 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.3.8 创建冷却系统并完成磨具 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.4.磨具的加工磨具的加工.错误！未定义书签。 4.1 模具型芯的加工 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.1.1 调入模型 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.1.2 设置毛坯 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.1.3 创建加工的刀具 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.1.4 编辑机加工坐标系 MCS 和加工几何体 WORKPIECE错误！未定义书错误！未定义书 签。签。 4.1.5 创建操作 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.1.6 检查创建的操作并校验导轨 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.1.7 后处理 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.2 磨具型腔的加工 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.2.1 调入模型 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.2.2 设置毛坯 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.2.3 创建加工的刀具 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.2.4 编辑机加工坐标系 MCS 和加工几何体 WORKPIECE错误！未定义书错误！未定义书 签。签。 4.2.5 创建操作 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.2.6 检查创建的操作并校验导轨 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.2.7 后处理 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 1. 绪论绪论 1.1 逆向工程简介及其应用逆向工程简介及其应用 当今工业中的许多领域，都需要已存在物体的计算机几何模型，但往往又得不到 现成的这类几何模型的原始数据，这就需要通过实际形体来生成计算机几何模型，逆 向工程因此应运而生。逆向工程即 RE(ReverseEngineering)，也称反求工程或反向工 程。它是以设计方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业 人员的工程设计经验、知识和创新思维，对已有的产品实物、样件、软件 (包括图样、 程序，技术文件等)或影像 (图像、照片等)进行解剖、深化和再创造，是己有设计的 再设计。它源于精密测量和质量检验，是设计下游向设计上游反馈信息的回路。 传统的设计过程是首先要根据市场需求， 由设计师基于产品或构件的功能和外形 在 CAD 软件系统中构造几何模型，然后通过数控加工生成产品。我们称之为正向工程 (或者顺向工程)。概括地说正向设计是由未知到已知，由想象到现实的过程，其示意 图如图 1.1 图 1.1 正向工程流程图 而逆向工程的设计过程则是从已有产品出发，回溯去寻求产品的科学性、技术性、 先进性、经济性、合理性等等，在对其消化和吸收的基础上对产品进行分析、再创造。 其设计过程示意图如图 1.2 所示。 图 1.2 逆向工程设计流程图 逆向工程最初起源于航空航天和汽车工业。因为这两个领域对空气动力学性能要 求很高，在产品开发的初始阶段就要认真考虑空气动力性能。常规的设计流程是首先 经过概念设计出结构，由设计师制作出油泥模型，然后将模型送到风洞实验室去测试 空气动力学性能，再根据实验结果对模型进行修改，经过反复修改直到获得满意结果 为止。最终由逆向工程将这些实物模型转化为数字化几何模型，进而进行加工制造。 随着技术更新换代速率的加快和消费水准的不断提高，很多其它行业也纷纷采用 逆向工程技术进行产品设计。要在较短的周期循环中完成多样性、独特性和具有高竞 争力的产品，必须尽快加速制造业的基础一模具业的发展。过去，模具工厂是依靠技 术工人手工制作复杂表面，后来发展了通过仿形机直接进行样件仿形的铣削加工方法。 但是这些传统的模具制造工艺的效率和精度都无法满足生产要求，严重制约了模具设 计加工的发展。而逆向工程技术则为快速设计和制造提供了很好的技术支持，能大大 提高模具设计制造的精度和效率。 综上所述，逆向工程的应用非常广泛。在航空航天、汽车、模具制造业、工业设 计、医学等领域都有重要的应用价值。总结起来，主要包括以下情形: (1)航天航空领域和汽车工业，需要反复进行测试和修改才能最终确定工件模型时， 通常就要采用逆向工程的方法。 (2)目前，由于 CAD/CAM 技术发展的不平衡，普遍存在这样的情况，在模具的制造 中，没有原始图纸，制造者得到的原始资料为实物零件。在没有设计图纸或者设计图 纸不完整以及没有 CAD 模型的情况下，为了能利用 CAD/CAM 技术来加工模具，必须首 先将实物零件转换为 CAD 模型，继而在 CAD 模型基础上设计模具。 (3)尽管 CAD 技术发展迅速，各种商业软件的功能也日益强大，但目前还是无法满 足一些复杂曲面的设计需求，设计师或美学师通常根据概念设计制造出薪土或泡沫的 比例模型，最终运用逆向工程将这些实物模型转换为 CAD 模型。 (4)逆向工程也广泛用于修复破损的文物、艺术品、或缺乏供应的损坏零件等。如 果被测零件表面己变形或磨损，重构的 CAD 模型与真实的零件表面不可能很好吻合。 依靠逆向工程系统，从推测零件特征(如对称、平行或垂直特性)的功能出发，同时将 重构的 CAD 模型与原始扫描模型比较，根据实际情况，将变形和磨损量进行修复。这 一点尤其在模具设计领域运用较多。 (5)建立人体的数字化几何模型，从而对人体中的骨头、关节等进行复制实现假肢 制造;或生成合适的人脸模型来制造与人脸相配的头盔等。 (6)通过用三维扫描技术扫描零件实物模型，设计者可以将零件 CAD 模型与扫描模 型作比较，可以快速准确地检验零件在各个方向的制造精度，检测精度高，而且非常 直观。 (7)借助于层析 X 射线摄像法(CT 技术)，逆向工程不仅可以产生物体的外部形态， 而且可以快速发现、测量和定位物体的局限，从而成为工业产品无损探伤的重要手段。 除了以上提到的应用方面，在其他的领域逆向工程也存在着巨大的潜能。 世界各国在经济技术发展中，应用逆向工程消化吸收先进技术经验，给人们有益的 启示。战后日本工业恢复的需要使其首先对逆向工程进行了较早的研究，日本提出 “第一台引进，第二台国产化，第三台出口”的口号，用了近二十年时间从经济上几 乎处于瘫痪状态而一跃成为仅次于美国的世界第二号经济强国，这和其善于引进国外 先进技术并进行消化、吸收、创新分不开的。 逆向工程作为消化、吸收和提高先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合，其 主要目的是为了改善技术水平，缩短产品生产周期，提高生产率，增强经济竞争力。 随着科技的日新月异和市场全球化趋势，世界范围内的市场竞争越来越激烈。要在激 烈的市场竞争中占有一席之地，企业不仅要有适应市场需求的产品，还必须不断提高 产品的质量和性能、缩短产品的生产周期，以保持持久的竞争能力。学习先进的技术、 引进先进的装备、采用先进的设计是推动企业技术进步、提高企业产品竞争能力的重 要途径。 同时在制造领域，近 40 年来随着科技的飞速发展，市场竞争加剧，社会需求多样 化，各种产品在不断提高性能的同时，个性化要求越来越强，其外形也变得越来越复 杂。一方面小批量特殊制造要求提高;另一方面，计算机技术、信息 技术在制造业中 得到广泛应用，使逆向工程的应用范围越来越广泛。同时在与制造业密切相关的航空 航天、汽车、造船及模具等工业领域，自由曲面零件在现代工业中得到了越来越广泛 的应用。随着产品功能和外形等方面的要求 日益严格，加工质量和生产周期对提高产 品的性能和市场的响应速度起着关键作用。 1.2 逆向工程发展概况逆向工程发展概况 目前，国内外有关逆向工程的研究和应用都主要集中在产品几何形状的逆向，即重 建产品实物的 CAD，称为 “实物逆向工程” 。这种从实物样件获取产品数字模型并制造 得到新产品的相关技术，已经成为 CAD/CAM 系统中的一个研究应用热点，并发展成为 一个相对独立的领域。其相关的领域包括几何测量、图像处理、计算机视觉、几何造 型和数字化制造 1131 。 近年来国内一些高校和大型企业，特别是汽车制造领域纷纷开展了逆向工程的相关 研究，其中较有代表性的有浙江大学 CAD 中心三角面片的建模研究、南京航空航夭大 学 CAD/CAM 工程研究中心的基于海量散乱点三角网格面重建和自动建模方法研究151 华中科技大学的曲面测量与重建研究 1161，西安交通大学 CIMS 中心的面向 CMM 的逆向 工程测量方法和基于线结构光视觉传感器的光学坐标测量机的研究，上海交通大学利 用 BP 神经网络重构反求技术中基于数字化点的曲面的研究181 和西北工业大学的数 据点处理、建模191 等。但与国外相比，国内创新性的研究不多。 伴随着逆向工程及其相关技术基础研究的进行，其成果的商业应用开始受到重视。 能够用来处理三维点群数据并生成 CAD 模型的商业软件可以分为两大类: 一类是集成 为大型通用 CAD 系统中的专用模块，如 Pro/Engineer 的 Pro/SCANTOOLS 模块、UG 的 PointCloud 模块，Catia 中的 DSE(DigitalShape Editor). QSR(QuickSurfaceReconstruction)以及 GSD(GenemtiveShapeDesign)等功能模块，其 优点是曲面和实体的交互建模容易实现，在数据交换方面也容易得到支持，但和专业 反求软件相比较，其功能相当有限，而且不宜处理大量点云数据。另一类是专用的独 立系统软件，这类软件目前应用比较广泛的有:美国 RainDrop 公司的逆向工程软件 GeoMagic，具有丰富的数据处理手段，可以根据测量数据快速构造出多张连续的曲面 模型，软件的应用领域包括了从工业设计到医疗仿真等诸多方面，用户包括通用汽车、 BMW 等大制造商。美国 SDRC 公司提供的逆向工程软件 Imageware，具有强大的数据处 理、曲面造型、误差检测功能，可以处理几万至几百万的点云数据，根据这些点云数 据构造的 A 级曲面具有良好的品质和曲面连续性。m-raageeI 的模型检测功能可以方便、 直观地显示所构造的曲面模型与实际测量数据之间的误差以及平面度、圆度等儿何公 差。韩国 INUS 公司开发的逆向工程软件 RapidForm，主要用于处理测量、扫描数据的 曲面建模以及基于 CT 数据的医疗图像建模，还可以完成艺术品的测量建模以及高级图 形生成。RapidForm 提供的一整套模型分割、曲面生成、曲面检测工具，用户可以方便 地利用以前构造的曲线网格经过缩放处理后应用到新的模型重构过程中。另外还有英 国 DELCAM 公司的 CopyCAD、我国浙江大学推出的 RE-Soft 系统等。 随着逆向工程技术的开展与应用，在数据处理、曲面拟合、特征识别及专用商业软 件开发上这几个环节己取得较为明显的进步，三维数据测量设备的性能也在不断的提 高，但在实际应用中，要获得光顺且精确的自由曲面 CAD 模型，需要人工的大量交互 操作，操作者的经验和素质直接影响着产品的质量。逆向工程技术要想成为一种通用 的现代设计方法，还有很长的路要走。展望今后逆向工程研究的重点，将主要集中在 以下几个方面: 1)数据测量方面.发展面向逆向工程的专用测量系统，高速、高精度地实现实物外 形的数字化，并能根据几何外形和后续应用选择测量方式及路径，能进行路径规划和 自动测量; 2)数据预处理。研究适应不同的测量方法和后续的离散采集点数据预处理技术; 3)拟合的曲面应能控制曲面的光顺性和进行光滑拼接; 4)有效的特征识别和考虑约束的模型重建，复杂组合曲面的识别和重建方法; 5)系统集成技术。发展基于集成的逆向工程技术，包括测量技术、基于特征的模型 重建技术，基于网络的协同设计和数字化制造技术等。 1.3 课题背景以及主要研究内容课题背景以及主要研究内容 2002 年中国加入 WTO 以来，我国汽车工业发展迅速，呈现“井喷式发展”2002 年 轿车销售 112.6 万辆，同比增长 56.08%;2003 年汽车和轿车产量分别增长 36%和 80%.2003 年一季度全国汽车销售收入超过纺织业，成为我国工业五大支柱之一 汽车产 量也开始连年跨过百万辆台阶，2005 年年产汽车 574 万辆，全球排名第三位，出口汽 车数量椒首次超过了进口，出口汽车 17.28 万辆，有望在近期进入世界第 2。随着中国 汽车工业的发展，市场需求的改变，汽车的更新换代速度日趋加快，使国产汽车的自 主开发成为必然。据统计，在汽车生产中，一辆客车或轿车上约有 80%的零部件需要利 用模具加工制造。一般汽车车身有数百个冲压件组成，冲压模高达 1000 套以上，模具 的开发成本大约在 2 亿美元左右。 目前，我国在对汽车新车型的开发上远远落后发达国家，其中一个重要原因就是汽 车覆盖件模具的设计效率低。国内传统的模具设计方法已不能适应汽车工业的发展需 要，而引进国外的覆盖件模具产品花费过高，从而严重制约着我国汽车工业的发展。 据统计，我国 2001 年共进口模具 11.12 亿美元，在进口模具中，其中冲压模具为 4.31 亿美元，占全部进口模具的 38.8%。并且随着市场需求的扩大，覆盖件模具的进口比例 还有增长的趋势。虽然国内有一汽、二汽、天汽、大众等汽车模具制造厂，具有一定 设计和生产能力，但 目前也只能生产部分轿车覆盖件模具，且以低档产品为主，对高 档模具主要依靠进口。 由于企业技术的专有性和保密性，除非购买转让，否则要获得产品的图样、技术文 档、工艺等技术资料几乎不可能实现。而产品实物作为商品和最终的消费品，是最容 易获得的一类 “研究”对象。在只有产品原型和实物模型的条件下，通过重构产品零 件的 CAD 模型，在探寻和了解原设计技术的基础上，实现对原型的修改和再设计，以 达到设计创新、产品更新之目的。对于具有复杂曲面外形的覆盖件，逆向工程更成为 其主要的设计方式。如汽车、摩托车的外形覆盖件，通常由造型设计师制作 1:1 的木 模或油泥模型，然后测量表面数据输入计算机，进行造型、修改、完善、CAE 分析，最 后经 CAM 完成模具。逆向工程在汽车制造领域的应用将大大的改进汽车制造业的现状。 汽车覆盖件主要是指构成驾驶室和车身表面的零件，也包括覆盖发动机和底盘的某些 零件。它包括外覆盖件和内覆盖件，外覆盖件是指人们能够看到的汽车车身外部的裸 露件，如车门外板、顶盖、前围外盖板后围外盖板、侧围外盖板、长头载重车发动机 罩等:内覆盖件是指车身内部的覆盖件，它们被覆盖上内修饰或被车身的其他零件所挡 住而一般看不到的，如车门内板、前围内盖板、后围内盖板、侧围内盖板等。汽车覆 盖件大多是尺寸大、形状复杂的三维曲面，不能用简单的数学公式表达的，它不仅外 观质量高，而且要满足汽车造型的要求，要求配合精度高、形状和尺寸的一致性好及 互换性要求高，以保证其焊接和装配质量. 在逆向工程实施的过程中，尤以曲面模型重构最费时费力。由于曲面逆向建模是属 于非参数建模，目前逆向工程技术采用的测量设备主要为三维光学扫描设备，得到的 测量数据量大，数据散乱分布且边界不规则，模型的几何特征淹没在离散点云之中， 到目前为止还没有一种比较可行的软件可以将其自动识别和提取出来，曲面模型往往 需由多张曲面经延伸、过渡、裁剪等混合计算而成。 虽然目前开始有人研究由点云到曲面模型的自动建模技术，但还没有取得关键性的 突破，逆向曲面重构工作还是主要通过大量的人工交互建模工作来完成，由于模型几 何特征的识别和提取、曲面光顺与精度平衡点的把握，这些工作都是依赖于操作者的 经验和技巧，对由点到面的建模方式的原则和规律还缺乏系统的归纳和总结，因此， 曲面重构工作几乎成了一项 “黑色技艺” ，并最终影响了逆向工程的推广和应用。 2.电机选择电机选择 2.1 电动机选择电动机选择（倒数第三页里有东东）（倒数第三页里有东东） 2.1.1 选择电动机类型选择电动机类型 2.1.2 选择电动机容量选择电动机容量 电动机所需工作功率为： ； w d P P 工作机所需功率为： w P ； 1000 Fv Pw 传动装置的总效率为： ； 4321 传动滚筒 96 . 0 1 滚动轴承效率 96 . 0 2 闭式齿轮传动效率 97 . 0 3 联轴器效率 99 . 0 4 代入数值得： 8 . 099. 097 . 0 99. 096 . 0 224 4321 所需电动机功率为： kWkW Fv Pd52.10 6010008 . 0 4010000 1000 略大于 即可。 d P d P 选用同步转速 1460r/min ；4 级 ；型号 Y160M-4.功率为 11kW 2.1.3 确定电动机转速确定电动机转速 取滚筒直径mmD500 min/ 6 . 125 500 100060 r v nw 1.分配传动比 （1）总传动比 62.11 6 . 125 1460 w m n n i (2)分配动装置各级传动比 取两级圆柱齿轮减速器高速级传动比 03. 44 . 1 01 ii 则低速级的传动比 88. 2 03 . 4 62.11 01 12 i i i 2.2 运动和动力参数计算运动和动力参数计算 2.2.1 电动机轴电动机轴 mN r kW n P T nn pp m d 81.689550 min/1460 52.10 0 0 0 0 0 2.2.2 高速轴高速轴 mN r kW n p T nn pp m d 09.68 1460 41.10 95509550 min/1460 41.10 1 1 1 1 41 2.2.3 中间轴中间轴 mN rr kW n p T i n n ppp 6 . 263 2 . 362 10.10 95509550 min/ 2 . 362min/ 03 . 4 1460 10.1097. 099 . 0 52.10 2 2 2 01 1 2 3200112 2.2.4 低速轴低速轴 mN r kW n p T i n n ppp 8 .7359550 76.125 69 . 9 9550 min/76.125 88 . 2 2 .362 69 . 9 97. 099 . 0 10.10 3 3 3 12 2 3 3210223 2.2.5 滚筒轴滚筒轴 mN r kW n p T i n n ppp 720 76.125 49. 9 95509550 min/76.125 49 . 9 99 . 0 99. 069 . 9 4 4 4 23 3 4 4220334 3.齿轮计算齿轮计算 3.1 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 1按传动方案，选用斜齿圆柱齿轮传动。 2绞车为一般工作机器，速度不高，故选用 7 级精度（GB 10095-88） 。 3材料选择。由表 10-1 选择小齿轮材料为 40Cr（调质） ，硬度为 280 HBS，大齿 轮材料为 45 钢（调质）硬度为 240 HBS，二者材料硬度差为 40 HBS。 4选小齿轮齿数，大齿轮齿数。取24 1 z76.9603 . 4 24 2 z 97 2 z 5 初选螺旋角。初选螺旋角 14 3.2 按齿面接触强度设计按齿面接触强度设计 由机械设计设计计算公式（10-21）进行试算，即 3 0 1 12 H EH d t t ZZTK d 3.2.1 确定公式内的各计算数值确定公式内的各计算数值 （1）试选载荷系数1。6 . 1 t k （2）由机械设计第八版图 10-30 选取区域系数。433. 2 h z （3）由机械设计第八版图 10-26 查得，则 78 . 0 1 87. 0 2 。 65. 1 21 （4）计算小齿轮传递的转矩。 mmNmmN n p T.108 . 6. 1460 41.1010 5 . 9510 5 . 95 4 5 1 0 5 1 （5）由机械设计第八版表 10-7 选取齿宽系数1 d （6）由机械设计第八版表 10-6 查得材料的弹性影响系数MPaZe8 .189 （7）由机械设计第八版图 10-21d 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极 限 ；大齿轮的接触疲劳强度极限 。MPa H 600 1lim MPa H 500 2lim 13 计算应力循环次数。 9 11 103 . 61530082114606060 h jLnN 91 2 1056 . 1 03. 4 N N （9）由机械设计第八版图（10-19）取接触疲劳寿命系数;90 . 0 1 HN K 。95 . 0 2 HN K （10）计算接触疲劳许用应力。 取失效概率为 1%，安全系数 S=1，由机械设计第八版式（10-12）得 MPaMPa S KHN H 5406009 . 0 1lim1 1 MPaMPa S KHN H 5 . 52255095. 0 2lim2 2 （11）许用接触应力 MPa HH H 25.531 2 21 3.2.2 计算计算 （1）试算小齿轮分度圆直径d t 1 =4 0 3 1 21 tHE t d H K TZ Z d 324 86 . 0 1046.16 34 1046.167396 . 0 10738.121 3 9.56mm （2）计算圆周速度v0 sm ndt /78 . 3 100060 56.491460 100060 11 （3）计算齿宽及模数 1 1 cos 49.56 t nt mm d m z =2mm z d m t nt 1 1 cos 24 14cos56.49 24 97. 056.49 h=2.252.25 2=4.5mm nt m 49.56/4.5=11.01 h b （4）计算纵向重合度 0.318 1 24 tan=20.73 tan318. 0 1z d 14 （5）计算载荷系数 K。 已知使用系数根据 v= 7.6 m/s,7 级精度，由机械设计第八版图 10-8 , 1 KA 查得动载系数 ;11. 1 Kv 由机械设计第八版表 10-4 查得的值与齿轮的相同，故 KH ;42. 1 KH 由机械设计第八版图 10-13 查得 35 . 1 f K 由机械设计第八版表 10-3 查得.故载荷系数4 . 1 HH KK 1 1.11 1.4 1.42=2.2 HHVA KKKKK （6）按实际的载荷系数校正所算得分度圆直径，由式（10-10a）得 3 11 K dd t t K mm11.55375 . 1 56.49 6 . 1 2 . 2 56.49 3 3 （7）计算模数 z d mn 1 1cos mm22. 2 24 11.5597 . 0 24 14cos11.55 3.3 按齿根弯曲强度设计按齿根弯曲强度设计 由式（10-17） 3 2 2 1 1 2 cos F SaFa d n YY z YT m K 3.3.1 确定计算参确定计算参数数 （1）计算载荷系数。 =2.09 ffVA KKKKK35 . 1 4 . 111. 1 （2）根据纵向重合度 ，从机械设计第八版图 10-28 查得螺旋 903 . 1 角影响系数 88 . 0 Y （3）计算当量齿数。 37.26 91 . 0 2424 14 24 97 . 0 coscos 333 1 1 z zV 59.106 91 . 0 97 14 97 coscos 33 2 2 z zv （4）查齿形系数。 由表 10-5 查得 18 . 2 ;57 . 2 21 YYFaFa （5）查取应力校正系数。 由机械设计第八版表 10-5 查得 79. 1; 6 . 1 21 YYSaSa （6）由机械设计第八版图 10-24c 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 ；大齿轮的弯曲强度极限 ； MPa FE 500 1 MPa FE 380 2 （7）由机械设计第八版图 10-18 取弯曲疲劳寿命系数 ， 85 . 0 1 KFN ； 88 . 0 2 KFN （8）计算弯曲疲劳许用应力。 取弯曲疲劳安全系数 S1.4,由机械设计第八版式（10-12）得 MPaMPa S F MPaMPa S F FEFN FEFN K K 86.238 4 . 1 38088 . 0 57.303 4 . 1 85500 . 0 22 2 11 1 （9）计算大、小齿轮的 并加以比较。 F YYSaFa 1363.0 57.303 596 . 1 592 . 2 1 11 F YYSaFa = F YYSaFa 2 22 01642. 0 86.238 774. 1211 . 2 由此可知大齿轮的数值大。 3.3.2 设计计算设计计算 mmmmmm mn 59 . 1 085 . 4 342 . 4 01642 . 0 65 . 1 * 88 . 0 8 . 610 . 2 2 3 3 2 3 2 2 4 97 . 0 24 )14(cos 10 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数 大于由齿面齿根弯曲疲 mn 劳强度计算 的法面模数，取2，已可满足弯曲强度。但为了同时满足接触疲劳强 mn 度，需按接触疲劳强度得的分度圆直径 100.677mm 来计算应有的齿数。于是由 73.26 2 14cos11.55 cos 1 1 m d z n 取 ，则 取 27 1 z 81.10803 . 4 27 2 z ;109 2 z 3.4 几何尺寸计算几何尺寸计算 3.4.1 计算中心距计算中心距 a= mm mzz n 2 . 140 97 . 0 136 14cos2 2)10927( cos2 21 将中以距圆整为 141mm. 3.4.2 按圆整后的中心距修正螺旋角按圆整后的中心距修正螺旋角 06.1497 . 0 arccos 2 .1402 2)10927( arccos 2 )( arccos 21 a mzz n 因值改变不多，故参数、等不必修正。 k ZH 3.4.3 计算大、小齿轮的分度圆直径计算大、小齿轮的分度圆直径 mm mm mz d mz d n n 224 97. 0 218 14cos 2109 cos 55 97 . 0 54 14cos 227 cos 2 2 1 1 mma dd 5 .139 2 22455 2 21 3.4.4 计算齿轮宽度计算齿轮宽度 mmb d d 5567.551 1 圆整后取.mmmm BB 61;56 12 低速级 取 m=3;30 3 z 由88 . 2 3 4 12 z z i 取 4 2.88 3086.4 z 87 4 z mmm mm zd zd 261873 90303 44 33 mmmma dd 5 . 175 2 26190 2 43 mmmmb d d 90901 3 圆整后取mmmm BB 95,90 34 表表 1高速级齿轮： 计 算 公 式名 称 代号 小齿轮大齿轮 模数m22 压力角 2020 分度圆 直径 d =2 27=54 zd m 11 =2 109=218 zd m 22 齿顶高 ha 221 21 m hhh aaa 齿根高 hf 2)1 ()( 21 cm chhh aff 齿全高h m chhh a )2( * 21 齿顶圆 直径 da * 11 (2) aa m dhz m hzd aa )2( * 22 表表 2低速级齿轮： 计 算 公 式名 称 代号 小齿轮大齿轮 模数m33 压力角 2020 分度圆 直径 d =3 27=54 zd m 11 =2 109=218 zd m 22 齿顶高 ha 12 1 22 aaamhhh 齿根高 hf 2)1 ()( 21 cm chhh aff 齿全高h m chhh a )2( * 21 齿顶圆 直径 da * 11 (2) aa m dhz m hzd aa )2( * 22 4. 轴的设计轴的设计 4.1 低速轴低速轴 4.1.1 求输出轴上的功率求输出轴上的功率转速转速和转矩和转矩 p3 n3T3 若取每级齿轮的传动的效率,则 mN r kW n p T i n n ppp 842.7359550 76.125 69 . 9 9550 min/76.125 88 . 2 2 . 362 69 . 9 97.990 . 0 10.10 3 3 3 12 2 3 3210223 4.1.2 求作用在齿轮上的力求作用在齿轮上的力 因已知低速级大齿轮的分度圆直径为 mmmz d 4041014 44 N N N FF FF d T F ta n tr t 90814tan3642tan 1366 97. 0 3639 . 0 3642 14cos 20tan 3642 cos tan 3642 404 10008 .7352 2 4 3 圆周力 ,径向力 及轴向力 的 FtFrFa 4.1.3 初步确定轴的最小直径初步确定轴的最小直径 先按式初步估算轴的最小直径.选取轴的材料为 45 钢,调质处理.根据机械设计 第八版表 15-3,取 ,于是得 112 0 A mm n p Ad 64.47077 . 0 112 76.125 69 . 9 112 3 33 3 3 0min 输出轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径.为了使所选的轴直径与联轴 d12 器的孔径相适应,故需同时选取联轴器型号. 联轴器的计算转矩, 查表考虑到转矩变化很小,故取 ,则: TKTAca3 3 . 1 KA mmNmmN TKTAca 6 . 9565947358423 . 1 3 按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件,查标准 GB/T 5014-2003 或手册, Tca 选用 LX4 型弹性柱销联轴器,其公称转矩为 2500000 .半联轴器的孔径 mmN ,故取 ,半联轴器长度 L=112mm ,半联轴器与轴配合的毂孔 mm d 55 1 mm