（机械设计及理论专业论文）双圆孤齿轮传动cad与优化设计.pdf

太胤理工大学硕j ：学位论文 攮要 本论文稻糟面离霹蒙的v b 语言建立了双圆弧齿轮簧动诗黧 机辅助设计与优化设计系统，着重对敝圆弧齿轮的设计、校核、 测量尺寸、精度与公差计算机辅助设计的工程进行了可视化设计， 并调矮d s p 正交瞬洛後亿设计方法对浚计出静双瓣讴齿轮遴霞优 化设计，并很好地集成为体。具有通用性，因而是对双圆弧齿 轮传统设计的一种改进秘提高。借助双翅弧齿轮c a d 系统，加快 了设计进程，缩短了研铷周期，提赢了设计质量。 以v b 语言设计的双圆弧齿轮c a d 系统，将计算机高速、精 确豹运算功能、丈量存贼葶曩处理数据的能力、丰富掰灵活的图形、 文字处理功能与设计者的翎造性愚维、综合分析熊力、逻辑判蔽 能力结合起来，构成了一个人与计算机各发挥所长，又紧密缩含 的系统。觳嚣显著提疯了设计豹自动能程度、可纛性翅效率。设 计非常便利，其结栗耩确，计算速度快。是一个潦阑性好、用户 界面友好的系统。为双圆弧齿轮常规设计提供了一个较为合理的 设诗软 孛。瓣予在工程巾雄广镬媛双爨弧遗轮c a d 系统，在产弱 中收到实效，从而带来较犬的经济效箍，具有十分灌要的意义。 本论文将双圆弧齿轮的设计、校核、测量及精度与公差、优 纯设计缀黟地结舍在一越，剩爆觋戴设诗方法移技术，建立了一 个完整的系统。对非标准的双圆弧菊轮，通过基本的齿形参数， 用折截面法计算得出它的齿形系数，从而可以实现通用的双圆弧 基轮豹竣诗。蒡虽怼涉及到豹系数黧隧表进雩亍了黢海纯设计，羲 个过程可以根据需要调用公用的予模块。本系统的计算结果经多 次实际应用齿轮的结果验证，并与有哭资料中的精确计算数值相 对爨，误羧缓套。 关键词：毅圆弧齿轮；设计；校核；精度岛公差：优化；c a d 太原理工大学顶 ：学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e re s t a b l i s h sa i n t e g r a t e ds y s t e ma b o u td o u b l e c i r c u l a r - a r cg e a r st r a n s m i s s i o nd e s i g na n do p t i m a ld e s i g n u s i n g o o a l a n g u a g ev b i t se m p h a s e sa r ev i s i b l ed e s i g na n di n s p e c ta n d m e a s u r eo fd o u b l ec i r c u l a r - a r cg e a r s ，a n do p t i m a ld e s i g nu s i n g c r o s s i n gm e s ho p t i m a ld e s i g np r o g r a m i ti st h ed e v e l o p m e n to f t r a d i t i o n a ld e s i g no fd o u b l ec i r c u l a r - a r c g e a r s s p e e d i n gt h e c o u r s eo fd e s i g n ，s h o r t i n gt h ep e r i o do fd e v e l o p m e n t ，a d v a n c i n g t h eq u a l i wo fd e s i g n t h ed o u b l ec i r c u l a r - a r cg e a r sc a ds y s t e m sd 髓i g n e di nv b l a n g u a g ec o m b i n e st h ea c c u r a c ya n dh i g hs p e e do p e r a t i o na b i l i t i e s o fc o m p u t e r , ag r e a td e a lm e m o r ya n dm a n a g ed a t aa b i l i t i e so f c o m p u t e ra n da b u n d a n tc h a r td i s p o s ea b i l i t i e so fc o m p u t e rw i t h c r e a t i n gt h i n k i n ga n dc o l l i g a t i n ga n a l y s i sa b i l i t ya n dl o g i c a lj u d g e a b i l i t yo fh u m a nb e i n g i ti s at i g h tc o o p e r a t es y s t e m a n di t e v i d e n t l yi m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n de f f i c i e n c ya n dd e g r e eo f a u t o m a t i o n i tm a k e st h ed e s i g nv e r ye x p e d i e n t , a n di t sr e s u l t sa r e a c c u r a c y ，c o m p u t es p e e di sq u i c k s oi ti sag o o ds y s t e m sh a v e c u r r e n c y a n df r i e n d l yi n t e r f a e e i to f f e r sar e a s o n a b l ed e s i g n p r o g r a mf o rr o u t i n ed e s i g no fd o u b l ec i r c u l a r - a r cg e a r s i th a s i m p o r t a n tm e a n i n g f o re x p e n d i n gt h eu s eo fd o u b l ec i r c u l a r - a r c g e a r si nw o r k s a n db r i n gb e n e f i ti np r o d u c t s t h i sp a p e rm a k e st h ed e s i g na n di n p e c ta n dm e a s u r ea n d o p t i m u md e s i g no fd o u b l ec i r c u l a r - a r cg e a r s 淞aw h o l es y s t e m u s i n ga c t u a ld e s i g nm e t h o d sa n dt e c h n o l o g y f o ro f f s t a n d a r d d o u b l ec i r c u l a r - a r cg e a r s ，c a l c u l a t ei t s s h a p ec o e f f i c i e n tu s i n g i t sb a s i sp a r a m e t e r so fs h a p e s ow ec a nd e s i g nu n i v e r s a ld o u b l e c i r c u l a r - a r cg e a r s t h i sp a p e rd e s i g n e dt h es u b r o u t i n ep r o g r a mo f c h a r ta n dp a r a m e t e rt a b l e - s oe v e r yc o u r s ec a nc a l l p u b l i c s u b r o u t i n ep r o g r a mo ut h eb a s i so fd e m a n d t h ec a ds y s t e m h a v ev a l i d a t e db ym a n ya p p l i e dd o u b l e a r cg e a r se x a m p l e s ，a n d i t se r r o ra r ev e r ys m a l l k e yw o r d s ：d o u b l ec i r c u l a r - a r cg e a r s ，d e s i g n ，i n s p e c tm e a s u r e ， c a do p t i m i z a t i o n 一2 太原理l 夫学顺 j 学位论文 第一章概述 1 1 选题的意义 计算机辅助设计( c a d ) 是随着计算机、外围设备及其软件 的发展而形成的一门新技术，经过最近2 0 多年的发展，c a d 技术 已经被广泛应用于机械、电子、航天、航空、汽车、船舶、轻工、 建筑及工程建设等各个领域，成为提高产品与工程设计水平、降 低消耗、缩短产品开发与工程建设周期、大幅度提高劳动生产率 和产品质量的重要手段。c a d 技术及其应用水平已经成为衡量一 个国家的科技现代化和工业现代化水平的重妾标志之一。 随着计算机集成制造和智能型设计专家系统的开发和发展， 传统的设计、生产和管理模式己经不能够满足敏捷制造、智能制 造、虚拟制造、绿色制造等新的生产方式。要实现技术改造，就 必须广泛采用微电子技术。采用c a d 技术，利用面向对象的程序 设计和软件再用技术，强调了软件工程与人工智能的相互结合， 互相促进的发展趋势，能够进行思维推理，加快设计速度，提高 设计质量，促进产品的更新换代，最终完成零件设计工程。从而 日益受到人们的重视，并可能给实际工作带来新的飞跃。 1 7 1 现代工业系统相当普遍的使用齿轮装置，因此齿轮常被视为 工业的象征。齿轮传动作为一门具有明显产品特征的共性技术， 它的发展和成熟无一不和工业产品的发展密切相关，尤其随着大 型现代化成套设备的出现，对齿轮传动提出了高速、重载、大功 率的要求。双圆弧齿轮传动是着眼于线的改进以改善轮齿的啮合 特性，并提高承载能力的一种新型齿轮传动。双圆弧齿轮就其齿 形特点，因其在同一轮齿侧面上存在两条接触线，啮合过程中可以 实现多点接触和多对齿啮合，且凹齿齿根厚度增大，提高了弯曲强 太原理丁人学顺j ：学位论文 度，故其承载能力和使用寿命比弧齿渐开线齿轮有显著提高。由于 改变了齿廓，使凸圆弧齿廓与凹圆弧齿廓相啮合，以增大相对曲 率半径，从而提高了接触强度，而且在运转过程中，齿面各点的 滑动速度均相等而且数值不大，有良好的跑合性能。经过一段时 间跑合之后凸齿齿廓在接触点处的曲率半径逐渐增大，凹齿齿廓 在接触点处的曲率半径逐渐减小，两工作齿面的曲率半径逐渐趋 于相等，这样在受载后，接触点处的接触面积迅速增大，所以双 圆弧齿轮的抗点蚀强度是很高的，磨损量小，磨损后不影响齿廓 精度，同时啮合过程中齿面纵向具有很高的滚动速度，齿面易于 形成较厚的油膜，加工简单，是一种优良的动力传动齿轮，能够 承担3 - 4 倍相同尺寸渐开线齿轮的载荷，在我国尤其是石油、化工、 冶金、矿山、机械等行业已经得到了广泛的应用，并取得了良好 的效果。由于历史很短，无论在基础理论研究上，或制造工艺方 面及工业应用上，虽然得到了飞快的发展，但远不及渐开线齿轮 那样成熟，但从传动特性分析和应用实践证明，双圆弧齿轮无疑 具有广阔的应用前景。i q 4 目前，我国大部分企业的设计都是由设计人员手工设计计算 完成，因而受到设计人员所拥有的知识程度、经验多少、对实际 掌握程度多少等多种因素的影响，因而设计效率低。为避免因设 计人员缺乏设计经验，而错选或选择不当的情况，就应该建立适 当的知识库，将工程设计原则和设计经验收集于其中，在设计人 员设计时给予帮助。在设计者设计齿轮参数时，应将相关的齿轮 质量指标数据动态的计算出来并适时显示，供其根据实际情况选 择，从而达到预期的设计效果。另一方面，是广大机械设计工作 人员，由于对双圆弧齿轮设计缺乏系统的、全面的掌握，缺乏实 太原理l 人学倾士学位论文 用的设计程序而难以开展这项工作。随着现代科学技术和生产的 迅速发展，产品的设计质量和速度要求越来越高市场竞争加剧。 面对这种情况，迫切需要一种新的针对双圆弧齿轮设计的方法， 来改变传统的设计方法。c a d 技术的出现，从根本上改变了依赖 人工设计的落后面貌，促进了机械设计的标准化，提高了机械设 计的质量。它使设计人员从繁重重复的计算、绘制、编写工作中 解脱出来，极大的提高了工作效率。鉴于双圆弧齿轮的广泛应用 前景，双圆弧齿轮设计的专家系统讨论并提出了在双圆弧齿轮概 念设计的初始阶段利用计算机模拟设计过程的可能性，这样用双 圆弧齿轮代替渐开线齿轮，便能达到承载能力高、使用寿命长、 体积小、重量轻、效率高等要求。所以，在工业应用上，对于现 有双圆弧齿轮设计的技术改进，对工业发展等都有十分重要的意 义。 1 7 l 同样，对双圆弧齿轮的优化设计，是借助于计算机强大的计 算功能和可靠实用的优化设计软件，把可能出现的方案，通过数 学计算来评判它们的优劣，并根据这些数量指标来决定设计方案 的取舍，可以大大提高设计质量。与传统的设计相比，优化设计可 以在经济上带来可观的效益。1 2 4 计算机辅助设计就是将计算机高速而精确的运算功能、大容 量的存储和处理数据的能力、丰富而灵活的图形、文字处理能力 与设计者的创造性思维能力、综合分析及逻辑判断能力结合起来， 形成一个人与计算机各发挥所长、又紧密配合的系统。实现双圆 弧齿轮的计算机辅助设计，可以加快设计进程、缩短研制周期、 提高设计质量。从而使设计人员有更多的时间来从事创新研究，给 企业提供更大生存空间。【1 7 】 太原理t 大学顺二i 学位论文 1 2 双圆弧齿轮的发展 双圆弧齿轮传动的发展和生产的发展密切相关，早在1 9 0 7 年， 英国人f r a n kh u m p h r i s 最早发明了圆弧齿型。1 9 2 2 年， v i c h e r s b o s t o c k b r a m l e y 提出了凸、凹齿面相啮合的齿轮传动， 简称v b b 齿轮。其齿形廓线本质上是摆线，凸齿为长幅外摆线， 凹齿为长幅内摆线。在端面内仍有重合度，在接触强度方面，由 于啮合齿廓具有很大的相对曲率半径，齿面接触应力比渐开线齿 轮小得多。但是这种齿轮由于凹齿齿项厚度很小因而弯曲强度 较弱，易于折断。这就限制了v b b 齿轮的应用。1 9 2 6 年美国的 ， e w i l d h a b e r 提出法面为圆弧齿廓的斜齿轮。由于受v b b 齿轮断齿 事故的影响，因此没有应用到工业生产上。1 9 5 6 年，前苏联人 m l n o v i k o v 又发明了一种端面为圆弧的圆弧齿轮，但为了制造方 便，建议采用法面齿廓为圆弧。他完成了圆弧齿形齿轮的实用研 究，对这种齿轮作了系统的理论分析和强度计算，在工业上得到 广泛的应用，并获得了列宁勋章。w i d h a b e r 齿廓和n o v i k o v 齿廓 非常接近，所以国际上统称为w - n 齿轮( w i d h a b e r n o v i k o v 齿轮) 。 1 9 5 6 年，前苏联首先提出了公切型双圆弧齿轮，即上齿面为凸齿 形、下齿面为凹齿形、凸凹齿廓之间是用公切线相连，并制定了 国家标准r o c t l 5 0 2 3 6 9 。1 9 7 0 年日本的保延诚申请了不同齿形参 数的公切型双圆弧齿轮的专利，商品用s y m m a r c 齿轮命名，目前 也是日本主要应用的一类圆弧齿轮，已形成系列产品。我国也在 六十年代后期提出了s n 一1 、s n 一2 两种公切型双圆弧齿轮齿形，并 进行了这方面的试验和试制工作，结果表明了这种齿形的切线段 实际上是由滚刀的直线刃范成的压力角很小的渐开线，承载齿面 在经过轻微跑合磨损后就导致过渡段接触，不可避免地导致该区 太原理工大学帧卜学位论文 域早期疲劳点蚀，是产生后期疲劳断齿的裂纹源，这是公切型双 圆弧齿轮的严重缺陷。英国r o l ls r o y c e 公司的r ms t u d e r 提出 了分阶式双圆弧齿轮，1 9 7 0 年获美国专利。其特点是凸凹齿廓之 间不是用公切线而是用一段圆弧相连。s t u d e r 根据光弹试验的结 果提出齿厚比的最优值为1 3 该值也成为影响上、下齿面弯曲强 度的关键因素。我国从1 9 5 8 年开始对圆弧齿轮进行了大量的试验 和研究，1 9 6 7 年颁布了单圆弧齿轮基本齿形标准。之后，一机部 和太原理工大学齿轮研究所( 原太原工学院齿轮强度研究室) 、郑 州机械所、哈尔滨工业大学等也先后提出了f s p h 一7 5 、f s p b - 7 9 、 $ 7 4 、h i i 等不同齿形参数的分阶式双圆弧齿形。分阶式双圆弧齿 轮齿根厚度增大，从而大大提高了弯曲强度，同时避免了非工作 齿面接触。在短短几十年中，圆弧齿轮在我国得到了迅速的发展 和应用。到目前为止，标准双圆弧齿轮已经形成了一整套设计、 制造、及加工方法。对双圆弧齿轮国家己制定了五个基础标准( 齿 形标准、模数标准、承载能力计算标准、刀具标准、精度标准) 。 由于双圆弧齿轮有承载能力高、制造工艺简单等突出优点，因而 在冶金、矿山、石油、化工等设备上得到了迅速而广泛的推广和 应用，并取得了显著的经济效益。 1 3 本论文的主要工作和要解决的问题 二十世纪八十年代以来，世界齿轮技术有了很大的发展，产 品发展的总趋势是小型化、高速化、低噪声、高可靠度。技术发 展中最引人注目的是：硬齿面技术、模块化设计技术、功率分地 技术。国际上在2 0 世纪9 0 年代以来，以信息技术与人工智能技 术为特征的现代制造技术发展起来，出现了柔性计算机集成制造、 智能加工设备、系统管理技术等。这些现代化技术成为当前国内 太原理丁大学硕f 学位论文 外齿轮企业关注的重点。我国齿轮行业信息化建设始于上世纪9 0 年代初，主要体现在几个方面：计算机辅助设计与制造技术，如 c a e 、c a d 、c a m 、c a p p 、c n c 柔性制造：精益制造的推广：计算机 集成制造系统c i m s 在汽车齿轮制造方面的应用等。 在工程实际中，双圆弧齿轮的设计是传统的重复设计法，首 先根据设计任务的要求，参考已有的经验和资料进行构思设计 方案、建立模型、计算、分析、绘图、反复修改等过程。对修改 后的方案重新进行计算，分析计算结果，再修改设计方案，如此 等等，直到得出满意的设计结果。在设计过程中，工作量大，而 且要作很多重复性、繁琐的劳动。电子计算机是现代科学技术的 重大成就之一，它的广泛应用，大大加速了社会生产力的发展。 在产业部门中，应用最多的、收效最大的，要数计算机辅助设计 ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n 简称c a d ) 其发展速度异常迅猛， 目前已经渗透到工程技术的各个领域，很多以前难以完成或者极 其繁重的工作现在都变得轻而易举了。计算机辅助设计就是将人 的创造性与组织作用和计算机的特长结合起来，从而使传统的设 计技术和方法产生巨大的变革。 本课题日的就是要实现双圆弧齿轮传动的计算机辅助设计和 优化设计，从而甩掉繁琐的重复劳动，使传统设计方式发生根本性 的变革。该软件满足了设计人员的技术习惯和设计需求，对具体双 圆弧齿轮设计的过程进行模拟和提示，保存设计经验，提高设计效 率，降低设计成本，加速设计产品的更新换代。 本课题的主要工作关键是解决几个方面的问题： 1 程序的可视化 采用面向对象的v b 语言，包括信息输入、信息处理过程、信 太原理i ：人擘碗| ? 学位论文 息输出结果实现可视化。 2 。程穿酶模块纯 本文将程序分成若干段程序结构，由主程序漾调用子程序， 分别实现各个信息计算过程。 3 由程序自动检索数据 嚣为在霰颡皴海轮设计孛，嚣要搜霸裂各静各样豹数表，程 进行程序设计时，不可能停下来去查取数据，所以要使程序能够 自动地、正确地选择各类表或线图的数据。 4 。程序靛集成纯 它包括双圆弧齿轮的设计、棱核、测量尺寸计算及精度翔公 麓、优化设计。集成化就是指在邈几个模块间信息的提取、交换、 共枣莘珏处理的集成，实现无缝衔接。也就是信息滚的整体集成。 爨瑷这稀集或要其螽瑟令基本要索：( 1 ) 该系统矮其冬完备静、 统一的符合某种标准的产品信息模裂：( 2 ) 各模块间应能通畅的 进行数据传递和交换。“” 5 ，程序兹透躅瞧 对于通用型钓双匾弧齿轮，可以通过输入稚标准的给定齿澎 的基本参数，实现设计、校核和究成测量及精度与公差的过程。 综上所述，开展双圆弧齿轮计算枫辅助设计的研究，需重点做以 下王作： 1 用v b 语言编制可视化程序界灏。实现整个设计、校核、测擞 及精度与公差、优化过程的可视化。 2 搬据双圜弧爨稔设诗诗箕的璎谂萋鞋援蓬，编剃双强弧篷轮设诗、 校核、测量及精魔和公差的设计计算程序。并调溺蕊p 正交掰椿 优化程序，完成优化设计过程，并集成为一体。 太原理t 人学硕i 学位论文 3 根据双圆弧齿轮设计计算所使用的线表、图形，编制独立的线 图、图形的子程序，实现程序调用的共享。 4 根据给定齿形参数，用c 语言编制程序，根据折截面法计算通 用型双圆弧齿轮的齿形系数。并根据给定的齿形参数，实现通用 型双圆弧齿轮的设计过程。 5 软件功能的多样化，错误提示，实现在线帮助。 6 实际算例及检验，软件在实际工程中的应用。 太操理丁= 大学颁十学位论史 第二章双圆弧齿轮c a d 系统 2 1 双圆弧齿轮c a d 系统的组成 本论文的双圆弧齿轮c a d 系统由双圆弧齿轮设计、双圆弧齿 轮校核、双圆弧齿轮测量及精度与公差三大部分及优化部分组成。 每一个部分又由几个模块组成。即信息输入模块、信息处理模块、 结果输出模块。采用模块化结构，可以使系统结构清晰，各部分 功能清楚，并使系统柔性增强，便于扩展。下面介绍各部分功能： 2 1 1 信息输入模块 本模块采用开放式菜单和人机对话等方式，由设计人员按照 提示输入有关信息，这些信息是确定双圆弧齿轮参数的基础。包 括设计主界面；输入初选螺旋角、重合度界面；输入重选齿轮基 本参数界面。用户将计算过程中所需参数一次性地在参数输入界 面中输完，程序自动从面板中读取数据，依据文献 1 、 2 0 所规定 的计算步骤进行计算。如果计算结果符合要求其结果( 包括输入 参数、计算结果和几何参数) 将被列于窗口中显示。如果计算结果 不符合要求，程序将给出提示并说明计算失败原因及初步的改进 意见，输入参数被列于窗口中显示。用户可以根据提示修改参数后 重新计算。如果计算过程中发生错误( 如在输入参数时，误将数字1 输成字符1 ) ，程序将自动终止计算过程并给出提示说明，输入参数 被列于窗口中显示。 2 1 2 信息处理模块 信息处理模块的功能是生成所要设计双圆弧齿轮零件的参数 的过程；校核齿轮满足强度要求的过程；对双圆弧齿轮测量尺寸的 计算和精度与公差的计算检索的工程。主要是根据输入的零件信 息进行判断、检索、计算，从而得出符合规范的双圆弧齿轮参数 太原理t 人学碗i 学位论文 为加工制造提供一个科学的依据。包括设计计算主模块、确定齿 轮模数模块；校核齿轮弯曲、接触疲劳强度模块；测量尺寸计算 及精度与公差模块。 2 1 3 信息输出模块 信息输出模块的作用是将信息处理的结果输入到屏幕上，或 者用打印机打印出来，或保存在规定格式的文件中。包括设计计 算输出结果、校核输出结果、测量尺寸及精度与公差输出结果、 优化结果。 本系统的框图如下： 图2 - 1 设计系统总框图 2 1 - 4 优化模块 本模块直接调用d s p 正交网格优化程序，在设计结果中读取需要 优化的设计变量，编制约束条件，完成优化过程。 2 2 双圆弧齿轮c a d 系统的应用环境及特点 本双圆弧齿轮c a d 系统是在v b 环境下开发和使用的，v b 是一个强大的w i n d o w s 平台上的开发工具，它具有以下几个特点： ( 1 ) 真正的面向对象编程，使开发人员在维护系统运行时只需修 改很小的代码，同时也加快了系统的开发速度。( 2 ) 可视化的编 程方法，以及向导的功能，使开发人员几乎不用加入太多的代码 就可以开发出标准的w i n d o w s 程序。( 3 ) 通过a c t i v e x 技术可使 用其他应用程序提供的功能，甚至可以直接使用v i s i u lb a s i c 创建 太原理工人学硕i 学位论史 的应用程序和对象。( 4 ) 己完成的应用程序是真j 下的e x e 文件，提 供运行时的可自由发布的动态链接库。利用面向对象的技术和可 视化编程技术，构造界面元素，然后利用界面元素构造界面构件， 将这些界面构件纳入系统功能的骨架，就形成了系统的界面原型。 选用v b 作为开发平台，不仅使用户得到了美观、方便的操作界面， 而且从计算观念上较之于以前也有了很大变化，即以中断式代替 了跟随式。具体讲，v b 提供了良好的界面功能，用户只要一次将计 算过程中所需参数全部输入到面板上，程序便会自动提取、计算。 不管设计、校核通过与否，本次计算均告结柬。又由于界面具有记 忆功能，因此用户很容易的实现修改少量参数进行多次运算。由此 可见，在v b 环境下实现的计算过程比d o s 环境下的总陷在一次计 算过程的反复循环过程，从思路上要简单、清晰得多，从程序结构 上要明了得多。“3 整个系统具有以下几个特点： 1 可读性强，用户使用方便，软件在各部分均有汉字注释。执行过 程有汉字提示及求助功能。 2 软件设计可信度要高，所有零件设计与校核公式均来源于齿 轮设计手册及国家标准等权威性资料。 3 具有友好的用户界面，程序界面清晰美观，选择项以菜单形式供 用户选择。 4 软件模块化功能强，程序按功能分块，各子块受主块的管理与调 用，并实现共享。 5 数据结构管理性好，程序间以形参、实参、公用块及文件传递 数据。 6 程序保护性强，用户输入的参数在数型或数值方面都有保护， 太原理i 。大学碗j 学他论义 这样可以避免用户因误操作而造成的程序运行中断现象。 7 程序运行过程和全部记录形成文件，可浏览及打印。 2 3 双圆弧齿轮c a d 系统的功能 1 记忆功能 当用户打开设计、校核、测量及精度和公差对话框时，用户很 容易了解到前次计算的内容，而且可以只对其中几个参数进行修 改，然后再进行计算，这对于设计时反复计算是很有帮助的。 2 重置功能 这种功能是相对于记忆功能而言。当用户开始一项新的设计 时，该功能将使输入参数对话框中的各输入项全部清零。 3 帮助功能 提示用户如何正确输入参数，可以提高用户的设计效率。在线 帮助，提示用户出现问题所在，直接修改，避免再次重新输入参数。 4 结果查询 设计、校核、测量及精度与公差、优化结果都保存在文件库 里，结果查询功能用于对以往计算结果进行查询。它包括设计结果 查询和校核结果查询精度与公差结果及优化结果查询。 太原理丁人学碗i 学位论史 第三章双圆弧齿轮设计 3 1 双圆弧齿轮设计主模块程序框图 机械设计的数据包括物理特性，材料性能，机械和零件规格， 数学模型，经验公式的数学描述，几何形体描述和几何尺寸，规范 和标准等等，内容极为广泛。其表现形式除数值、文字信息之外， 还有大量的几何图形信息。双圆弧齿轮的传动设计分为齿形设计、 齿轮设计、结构设计、系统设计。双圆弧齿轮设计包括双圆弧齿 轮几何参数和尺寸计算、选择，双圆弧齿轮弯曲强度计算和接触 强度计算。一般是根据己知条件确定其几何参数和尺寸，如已知 传动功率、转速、传动比、传动形式、精度等级、工作小时、材 料等条件设计出双圆弧齿轮的模数直径d 、中心距a 、螺旋角 b 、齿宽b 等一系列参数。各参数之间有密切的联系，相互影响， 相互制约。选择时应根据具体的工作条件，并注意它们之间的基本 关系。这些参数对传动的承载能力、使用寿命和工作质量有很大 的影响。其中最为关键的是确定中心距和模数。因此，双圆弧齿 轮设计计算准则为：根据齿轮的齿面接触疲劳强度或齿根弯曲疲 劳强度进行设计和校核。双圆弧齿轮设计c a d 系统由信息输入、 信息处理、信息输出三个模块组成。 3 1 1 信息输入模块 信息输入模块的功能是负责完成所需设计双圆弧齿轮零件信 息的初始参数输入。工作在v b 可视化界面下的c a d 系统，在进入 系统后，按照提示输入有关信息这些信息是确定双圆弧齿轮参 数的基础。输入双圆弧齿轮的设计计算参数，包括：( 1 ) 功率、转 速、齿数、传动形式、材料、齿面硬度、弯曲疲劳强度、接触疲 劳强度、运动精度、平稳精度、接触精度、工况系数、工作小时 太原理j + 人学碰! j 学位论文 数、润滑油粘度、齿轮副布置系数。( 2 ) 各组成部分的相互位置关 系与连接次序等校核所需参数输入初始参数值包括p ，n ，z ，n i p ， c l 等。 3 1 2 信息处理模块 信息处理模块的功能是根据输入的零件信息进行判断、检索、 计算，完成所需设计双圆弧齿轮的基本参数的过程。按照编制的 算法，自动完成设计过程，获得出符合规范的双圆弧齿轮的参数。 由确定模数、确定齿轮基本参数、弯曲强度校核、接触强度校核 各个自模块模块组成。 3 1 3 信息输出模块 信息输出模块的功能是将设计结果或方案输出到屏幕上或者 保存在己编制好的文件中。由保存、打印、取消计算结果、结束 任务各个子模块组成。 3 1 4 主程序框图 主程序模块如图如图3 2 所示。 3 2 9 1 型双圆弧齿轮设计c a d 系统“1 3 2 19 1 型双圆弧齿轮设计c a d 系统界面 9 1 型双圆弧齿轮设计c a d 系统界面如图3 - 1 所示。 双圆弧齿轮传动设计参数输入步骤如下： 1 输入功率p ( k w ) 2 输入转速n ( r p m ) 3 模数中心距比和齿宽参数m p ( 齿轮传动形式) 4 小齿轮初选齿数z 。 5 齿轮传动比u 6 齿轮的平稳性精度i b p 太原理t 大学坝 “学位论史 图3 - 19 1 型双圆弧齿轮设计主界面 7 齿轮的接触精度i b j 8 小齿轮齿面硬度 9 大齿轮齿面硬度 1 0 齿轮工况使用系数k i i 齿轮工作小时数t 1 2 齿轮副布置参数k 。 1 3 小齿轮的材料参数c l 合金钢调质，c l i i l ；碳钢调质或正火，c l f 2 ；合金铸钢，c l = 3 ： 碳钢铸钢，c l ，= 4 ；氮化钢经气体氮化，c l 。= 5 ；合金钢经液体 氮化，c l = 6 ；合金钢经气体氮化，c l 。= 7 ；球墨铸铁，c l = 8 。 1 4 大齿轮的材料参数c l ：同c l 1 5 小齿轮弯曲疲劳极限应力 1 6 大齿轮弯曲疲劳极限应 1 7 小齿轮接触疲劳极限应力 1 8 小齿轮接触疲劳极限应力 太腺理工人学硕j + 学位论文 图3 - 2 主程序框图 3 2 2 初选螺旋角、重合度界面 初选螺旋角、重合度界面如图3 3 所示 一1 6 太原理工大学硕上学位论立 图3 3 初选螺旋角和重合度界面 3 2 3 初选双圆弧齿轮基本参数界面 初选基本参数界面如图3 - 4 所示 图3 - 4 重选模数、中心距、齿宽、齿数界面 3 2 4 双圆弧齿轮设计c a d 系统结果输出 3 2 4 1 结果输出界面 双圆弧齿轮设计结果输出界面如图3 5 所示 太原理工人学硕士学位论文 图3 59 l 型设计输出界面 3 2 4 2 双圆弧齿轮设计计算输出结果 如图3 5 所示，设计计算结果的输出内容如下： i 齿轮模数呱 2 齿轮1 、2 的齿数z ，z 。 3 齿轮中心距a 4 齿轮宽度b ， 5 齿轮螺旋角b 6 齿轮l 、2 分度圆直径d 。，d 。 7 齿轮的重合度e 8 齿轮1 、2 的齿根弯曲应力6 。6 ，。 9 齿轮1 、2 的齿面接触应力6 。 1 0 齿轮1 、2 的弯曲强度计算安全系数s 。s 。 1 1 齿轮1 、2 的接触强度计算安全系数s m ，s 。 3 39 1 型双圆弧齿轮设计c a d 系统程序计算模块 3 3 1 确定齿轮模数的模块 该模块的设计计算的主要公式为： 太原理工人学颤1 一学位论文 转距t - = 9 5 4 9 0 0 0 p n ( n m ) 法向模数 三器 x ( 警广”c m ， 3 3 2 确定双圆弧齿轮参数的的模块 该模块的主要设计计算公式为： 中心距：竺d 掣 ( 咖)以0 、5 结尾圆整。 2 c o s 口 螺旋角c 。s ：竺掣 节圆直径叵：! 丑 ( m ) 、d 2 ：旦照( m ) j c o s9c o s9 齿宽6 = 垒等 ( m m ) 圆整为整数。 s l nd 3 3 3 校验齿根弯曲疲劳强度模块 该模块的计算主要公式为： 小齿轮齿根应力盯，。2 ( 玉警y “兰黔( v n a ) 大齿轮齿根应力盯，：= 听- 鲁( m p a ) 昂：纽出点 曲一 o f 2 弯曲疲劳强度模块包括下列于程序： 1 工况使用系数k 子程序， 2 动载系数k ，子程序 警 太原理t 人学硕i 学位论史 3 接触迹问载荷分配系数k 。子程序 4 接触迹内载荷分布系数k ，：子程序 5 接触迹系数k 。子程序 6 弹性系数y 。子程序 7 齿数比系数y 。子程序 8 螺旋角系数y 。子程序 9 齿形系数y ，子程序 1 0 齿端系数y 。子程序 “试验齿轮的疲劳极限。子程序 1 2 寿命系数y 。子程序 1 3 尺寸系数y 。子程序 3 3 4 齿面接触疲劳强度模块 该模块主要计算公式为： 一刊紫) 0 7 3 等帅a ， 接触安全系数品：生监盛叠互互 品 。 接触疲劳强度计算模块包括下列子模块 1 工况使用系数k 子模块， 2 动载系数k 。子模块 3 接触迹问载荷分配系数k l 子模块 4 接触迹内载荷分布系数k 。子模块 5 接触迹系数k 。子模块 6 弹性系数z 。子模块 7 齿数比系数z 。子模块 太原理丁人学颅 学位论文 8 螺旋角系数z 。予模块 9 接触弧长系数z 。予模块 1 0 试验齿轮的疲劳极限0 。子模块 1 1 寿命系数z 子模块 1 2 润滑剂系数z 。子模块 1 3 速度系数z ，子模块 3 4 程序自动检索数据的方法“儿”1 在进行双圆弧齿轮零件设计时，所需处理的图表很多，要用到 各种数表和线图资料，如标准模数表、材料性能表、载荷系数线图、 应力集中线图等等。为了使计算机能应用这些资料。就必须用计算 机能理解的方式，对所有数表和线图资料进行预处理，使计算机能 够根据设计的需要，自动进行查找和检索所需的数据。另外对函数 的插值和数据结果的处理，在双圆弧齿轮设计中也要解决。 3 4 1 数表的程序化 数表的程序化，就是根据计算机的要求，编制出数据表格的 输入和查寻、检索数据的子程序供调用。对于数据量不大，且各节 点间差值不大的表，采用“分段线形插值的方法”，在计算程序中 将数表变成数组，然后调用“分段线形子函数”，得到插值。双圆 弧齿轮设计手册中，有些数表属于一维数表，如标准模数系列表。 其余大多数属于二维数表，如工作情况系数表、齿形系数表、螺旋 角系数表等。应用计算机进行设计时，只要把表中的数据表示成一 维或者二维的数组的形式，即可方便地实现数表的程序化。 3 4 1 1 工况使用系数k 太腺理1 大学坝i 学位论文 表3 一l工作情况系数k 原动机工作情况( k 。= 卜3 )工作机工作情况( k 2 = l 一3 ) 平稳载荷中等冲击严重冲击 工作平稳 l1 2 51 7 5 轻度冲击 1 2 51 52 中度冲击 1 51 7 52 2 5 工况系数表可以表示为一个二维数组来表示，并根据原动机和工 作机的情况k , k ：来选取k ( k , k ：为程序变量名) “1 3 4 1 2 接触迹内载荷分布系数k ( 接触) ，k 。( 弯曲) 表3 2 接触迹内载荷分布系数表 精度等级 45678 k 1 21 0 51 1 51 2 31 3 91 4 9 k r 1 0 51 0 8l _ 1 0 其中精度等级用一维数组来表示，( k i = 卜5 ) ( k 。= 卜5 ) 和( k i _ 卜5 ) ( i ( f ：= 1 - 3 ) 也分别用一维数组来表示，( k 、k 。、k 。为变量名) 3 4 2 线图的数表化处理 对于各种衄线，转化为数表时，只需取出线图上的一些节点， 然后将这些节点的横竖坐标一一对应的排列起来即可，如接触迹 问载荷分配系数k l ，在此线图上共有三条曲线，每一条曲线又分为 软齿面和硬齿面两种不同的情况，即具有两种不同的值，如进行数 表化处理，应转化为8 个一维数表，合起来为一个二维数表， 3 4 2 1 接触迹间载荷分配系数k 。 太晾理丁大学硕1 学位论史 萼 器 ，、 孙 辩 孳 翻 n 孽】麟黝 ，饕警! ay 7 【 地 1 对并f 量= ， i l ，一 6 巾 图3 6 接触迹间载荷分配系数k ， i 非对称布置( 轴刚性小) ，ii 非对称布置( 轴刚性大) ，i l l 对称布置 表3 3 接触迹间载荷分配系数表 齿轮副布置 ( i 3 ) 对称布置 齿面硬度齿宽系数 ( 1 8 ) 0 20 40 60 81 01 21 41 6 il1 0 1 5 1 0 3 1 0 5 1 0 7 1 0 9 1 1 3 i ill _ 0 31 0 61 11 1 4 1 1 91 2 5 i11 0 21 0 41 0 6 1 0 81 1 2 1 1 41 1 8 i i11 0 4 1 0 8l _ 1 31 1 71 2 3l _ 2 81 3 5 i 1 0 2 51 0 5 1 0 81 1 1 51 1 5 1 1 81 2 2 51 2 8 i i1 0 51 11 1 6 1 2 21 2 81 3 6 1 4 5 1 5 5 轴刚性大 轴刚性小 注：( 1 ) 表中i 为各支承状态下软齿面或仅大齿轮为软齿面的情况：i i 则 表示硬齿面状态。( 2 ) k 3 、k 4 为程序变量名。数值为取值范围。如上，把线 图转化的数表中，用一维数组表示齿宽系数0 2 ，0 4 ，0 6 i 6 。用二 维数组( 8 ，8 ) 表示各相应状态下的k l 值，( 共6 4 个数据，缺省值以0 补 足) ，而对于一些非节点的任意数值，可以采用插值法计算获得任意的k - 值， 即可按数表程序化的方法来处理。 3 4 3 线图资料的公式化处理 线图的公式化是通过数据处理的数学方法( 如最小二乘法函 数逼近) ，将线图上取得的精度高的节点数据，拟合成经验公式， 根据经验公式建立数学模型编入程序，即可供程序调用。双圆弧 齿轮零件设计中用到的公式，有的非常复杂，为了节省时间，又 c口霹嚏v譬衅*攀*，vi誓 太掀理丁：人学硕士学位论文 能直观的表达参数问的关系和变化规律，才编成各种数表和线图。 计算机善于运用公式来进行计算，这样即可以得到较高的计算精 度，又可以节省计算时间。因此对于原来已有的数表和线图直 接采用公式来编程。如齿轮中的材料系数和重合度系数等，而对 于没有理论公式的线图和数表，也可以采用曲线拟合法和插值法 来达到公式化。 在双圆弧齿轮设计中。很多线图是由曲线或折线组成，对于 这些图形很容易建立它们的函数关系式。 1 双圆弧齿轮传动中的动载系数k ， 动载系数是考虑轮齿接触迹在啮合过程中的冲击和由此引起 的齿轮副的振动而产生的内部附加动载荷影响的系数，动载荷系 数可以定义为实际齿轮副啮合时的最大载荷与名义载荷之比。由 文献【l 】图4 1 3 ，利用最小二乘法，拟合得出曲线的公式为： 4 级k v ，= o 8 8 8 7 + 0 0 0 7 9 1 v - 0 0 0 0 0 2 3xv 。2 5 、6 级k ，= 0 9 4 8 6 + 0 0 0 9 0 0 v 一0 0 0 0 0 4 3 x v 。 7 、8 级k ，= 1 _ 0 0 1 1 + 0 0 1 4 6 2 x v 一0 0 0 0 0 8 4 x v 2 s “乡卜一 k 嘲i j 一 1 1 1 ， ， ， ? 2 速度系数z ， 玑m i 图3 7 动载系数k 。 太棘理t 人学硕士学位论文 速度系数z 是考虑齿面问相对速度影响弹流润滑状态，而对齿 面接触应力影响的系数。根据文献 1 图4 3 6 ，用最小二乘法，拟 合出速度系数的曲线公式 当( v 。( 4 0 1 ) 时 z v = o 7 9 8 8 0 1 + 0 0 2 1 9 9 9 x v , - o 0 0 0 6 8 8 x v 2 + 0 0 0 0 0 0 8 x v 。3 当( v 。( 7 0 1 ) 时 z v = 0 8 3 8 2 7 5 + 0 0 0 8 9 0 7 v , - o 0 0 0 0 6 5xv 。2 当( v 。( 1 4 0 1 ) 时 z v = 1 0 7 1 + 0 0 0 1 0 3 xv 。 当( v 。 1 4 0 1 ) 时 z 、= 1 1 6 3 7 + 0 0 0 0 3