精确三维实体绘制造型锥齿轮毕业论文.doc

精确三维实体绘制造型锥齿轮毕业论文目 录第一章 绪论11.1课题的研究背景11.1.1 齿轮传动发展史11.1.2 CAD/CAE技术与齿轮21.2 课题研究的意义31.3 课题研究的内容3第二章 UG软件CAD/CAE模块52.1 UG软件概述52.2 UG/CAD52.3 UG/CAE7第三章 标准直齿锥齿轮及轴的相关计算83.1 标准直齿锥齿轮的几何参数相关计算83.1.1选定齿轮精度等级，材料及齿数83.1.2 锥齿轮的初步设计83.2 锥齿轮传动的强度校核113.2.1 齿面接触疲劳强度校核113.2.2 齿根抗弯疲劳强度校核143.3 轴的相关设计计算153.3.1 输入轴结构与强度计算153.3.2 输出轴的结构设计25第四章 直齿锥齿轮的数学模型的建立与参数化建模294.1 齿轮常用的齿形曲线渐开线294.1.1 渐开线的形成及其特性294.2 建模思路314.3 建模过程324.3.1 建立渐开线齿廓曲线324.3.2 直齿锥齿轮的建立34第五章 基于有限元锥齿轮传动机构仿真分析375.1 引言375.2 有限元法基本原理375.3 锥齿轮的有限元分析385.3.1 仿真模型简化385.3.2 有限元分析步骤38第六章 用于换向器的新型齿轮球齿轮（拓展思路）416.1 引言416.2 渐开线齿廓球齿轮的形成与结构特点416.2.1 球齿轮的形成416.2.2 渐开线齿廓曲面的生成426.2.3 球齿轮结构特点与安装436.3 渐开线球齿轮的模型与简单安装43总 结45参考文献46谢 辞47第一章 绪论随着现代科学技术的发展，人们不断开发研制出结构更为复杂，规模更加庞大，加工更加精密，成本投入更高的产品和设备。这一切都要求工程师在设计阶段就能精确地预测出产品和设备的技术性能，需要对结构的静、动力强度以及环境温度等技术参数进行分析计算。计算机技术在机械领域的应用，使上述要求实现成为可能。本文主要利用机械设计、机械原理知识以及UG软件CAD/CAE模块对伞齿换向器进行结构设计和有限元分析。本章首先就课题的来源、背景进行了说明，明确了课题研究的目的和意义，给出了课题研究的主要任务和内容。1.1课题的研究背景 作为一种典型的传动零件齿轮，被广泛地应用于航天、航空、汽车、仪表等众多的行业领域。而实现伞齿换向器功能的核心机构则是直齿锥齿轮，对于换向器的工作状态、操纵性能有着决定性影响。锥齿轮是换向器的主要零部件，决定着换向器乃至整个电闸炉的整体性能，因此有必要对它进行分析，这项工作的首要任务就是要完成齿轮的精确三维造型。1.1.1 齿轮传动发展史齿轮传动是近代机器中最常见的一种机械传动方式，是传递动力和运动的主要部件，是机械产品中一类重要的零部件。与带、链、摩擦、液压等机械传动相比，具有功率范围大、传动效率高、圆周速度高、传动比准确、使用寿命长、结构紧凑等一系列特点。因此，它己经成为许多机械产品不可或缺的传动部件，也是机器中所占比重最大的传动形式。齿轮的设计与制造水平将直接影响到机械产品的性能和质量。由于齿轮在工业发展中的突出地位，致使齿轮被认为是工业化的象征。齿轮传动技术经历了漫长的历史发展过程。公元前400200年，我国古代就开始用齿轮，在山西出土的青铜齿轮是迄今发现的最古老齿轮，作为反映古代科学技术成就的指南车就是以齿轮机构为核心的机械装置。20世纪以来，科技人员对于齿形曲线进行了更加深入地研究，加上新的加工方法和技术手段的出现以及制造工艺和水平不断提高，齿轮传动获得更快发展，先后发明了圆弧齿形齿轮、双圆弧齿形曲线齿轮，制造出斜齿、弧齿、蜗杆等多种类型，使得齿轮应用范围更广、承载能力更大、传递精度更高、传递速度更快，已经成为工业发展的基础。1.1.2 CAD/CAE技术与齿轮计算机辅助工程（Computer-Aided Engineering，CAE）是计算机技术与工程理论的有机结合，包括计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助加工(CAM)、计算机辅助分析等多项内容。CAD技术利用计算机强大的计算功能和高效率的图形处理能力，辅助知识劳动者进行工程和产品的设计与分析，以达到预期的设计目标。它是综合了计算机科学与工程设计方法发展而成的一门新兴学科。计算机辅助设计的发展与计算机软件、硬件技术的发展和完善，以及工程设计方法的革新紧密相关。目前，CAD技术在工程领域已经得到了广泛应用，例如建筑设计、城市规划、交通工程设计等各行各业的发展都离不开它的支持，当中尤其以机床、汽车、飞机、船舶、航天器等制造业当中，CAD技术的应用最为广泛和深入。机械行业的CAD技术起步于20世纪50年代后期，并获得迅速发展，技术上大概经历了四次创新。三维曲面造型技术是CAD软件第一次技术革新的标志，同时也标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸模式解放出来，实现了以计算机来完整描述产品零件主要信息;CAD软件第二次技术革新以实体造型技术的普及为标志，实现了用计算机精确表达零部件全部属性;参数化技术的应用主导了CAD发展史上的第三次技术创新，其突出特点是基于特征设计、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改;变量化技术是美国SDRC公司对CAD软件的巨大贡献，该技术既保持了参数化设计的优点，同时克服了参数化技术的不足，从而推动了CAD软件技术发展的第四次技术创新。计算机技术迅猛发展，硬件成本大幅下降，加上以CAD技术上的不断创新，使得CAD技术在机械行业获得了更广泛的应用，这种应用也给传统工作模式带来冲击，使得一种产品开发不再严格按照概念设计、详细设计、结构分析和优化、样机生产、修改原始设计这一过程，很多工作都是在计算机上通过仿真模拟完成，大大缩短了开发周期，降低了开发成本。有限元法(FiniteElementMethod:FEM)是对产品和工程技术性能进行分析预测的一种方法。该方法是近年来在计算机技术和数值分析方法的支持下发展起来的工程分析方法，能够有效解决复杂工程分析计算问题。有限元法在机械领域的应用，被认为是机械设计理论、方法和手段的一次革新。它利用CAD软件建立分析对象的几何模型，加上符合实际的约束和载荷后，对其进行技术指标和性能的校核计算，结果可用来判定分析对象设计是否满足预期设计要求。1.2 课题研究的意义伞齿轮在航空传动中有广泛的应用，在飞行器的动力装置中占有很重要的地位。锥齿轮传动在设计和生产方面与普通机械中应用的齿轮既有相同之处，又有很大差别。例如:在保证飞行安全可靠性的前提下，要求单位质量轻、传递功率大、齿轮圆周速度高、精度高、工作平稳性高。传统的成形技术基本上都建立在经验和实验数据基础上，制定一个新的零件成形工艺在生产时往往还要进行大量修改调试。近年来，人们对普通齿轮的计算机辅助设计进行了较深入的研究，而对锥齿轮的CAD研究进行得比较少。以往虽然人们对锥齿轮的计算机辅助设计也进行过研究，编制过相应的软件，但由于受当时计算机技术发展水平的限制，软件的质量比较低，使用也不太方便。随着计算机软硬件技术的发展，特别是非线性问题的计算技术发展，使成形过程的模拟分析和优化成为可能。虽然我国在这方面己经进行了大量研究，一些单位也研制了一些软件，但由于投入不足，形成商业软件的匾乏。目前国内外对二维图形参数化和简单三维实体的参数化造型较为成熟。对复杂的三维实体的参数化造型尚不多见，特别是锥齿轮这类形状复杂、精确齿形的三维实体参数化造型设计更少。其原因是:一方面锥齿轮二维图形参数化设计能够满足传统的齿轮加工要求，另一方面运用低级CAD软件对复杂的三维实体很难实现参数化虚拟造型设计。随着塑料齿轮的广泛应用和快速成型与虚拟制造技术的迅速发展，用大型的三维软件实现锥齿轮的参数化造型将成为设计者的迫切需求。1.3 课题研究的内容本课题利用大型软件 UGNX5.O来设计伞齿轮传动机构，一是锥齿轮的三维参数化造型和整个结构的装配；二是利用建立的模型进行齿轮啮合的分析研究。围绕这两个中心，主要完成了以下工作:1.根据所研究的机构需要，深入学习UG软件的CAD/CAE模块。2.在建立伞齿换向器机构之前，进行对齿轮和其他零部件的几何参数和强度的结构设计计算。3.研究直齿锥齿轮的基本啮合理论和建立渐开线数学模型，为锥齿轮的三维建模、奠定基础；4.对整个伞齿换向器的零部件进行总体装配；5.利用已生成的几何模型建立有限元模型，确定约束及载荷条件，建立物理求解模型进行求解。 第二章 UG软件CAD/CAE模块2.1 UG软件概述UG是一个优秀的机械CAD/CAE/CAM一体化高端软件，它基于完全的三维实体复合造型、特征建模、装配建模技术，能设计出任意复杂的产品模型，再加上技术上处于领先地位的CAM模块、内嵌的CAE模块，使CAD、CAE和CAM有机集成，可以使产品的设计、分析和制造一次性完成。它是当今最先进的计算机辅助设计、分析、制造软件，广泛应用于航空、航天、汽车、造船、通用机械和电子等工业领域。2.2 UG/CADCAD模块包括了实体建模、特征建模、自由形状建模、装配建模和制图等基本模块。1.UG实体建模(UGSO1id Modeling)该模块将基于约束的特征建模和显示几何建模方法无缝地结合起来，提供了强有力的“复合建模”工具，使用户可以充分利用传统的实体、面、线框造型优势。在该模块中，可建立二维和三维线框模型、扫描和旋转实体以及进行布尔运算及参数化编辑。另外，该模块还提供用于快速概念设计的草图工具和一些通用的建模、编辑工具。2.UG特征建模(UG/Features Modeling)该模块用工程特征定义设计信息，并提供了多种标准的设计特征，如孔、槽、型腔、凸台、柱体、块体、锥体、球体、管道体、倒圆角和倒直角等，还可控主实体建立薄壁件。各设计特征可以用参数定义，其尺寸大小和位置均可以被编辑。用户白定义特征会存储在公共目录下，可以被添加到其他设计模型中。各特征可相对于其他特征或实体定位，也可被引用来建立相关特征组。3.UG自由曲面建模(UG/Freeform Modeling)该模块用于建立复杂的曲面形状，如机翼、进气道和其他工业产品的造型设计。它将实体建模和曲面建模的技术合并，组成一个功能强大的建模工具组。此建模技术包括沿曲线扫描，用标准二次曲线建立二次曲面体，并能在两个或更多实体间用桥接的方式建立光滑的连接曲面。它还可以用逆向工程的方法，通过曲线喘网格来定义曲面和通过点集来拟合曲面。另外，用户还可以通过修改所定义的曲线、改变参数值和用数学规律来编辑修改。4.UG用户自定义特征(UG/User-Defined Features)该模块用自定义特征的方式建立零件族，易于用户送行调用和编辑。它提供了一些常用工具，如允许用存在的参数化实体模型建立特征参数之间的关系，定义特征变量、设置缺省值，以及确定调用特征时所采用的一般形式等工具。用户自定义特征建立以后，被存放在一个目录中，可供用户访问。当用户自定义特征被加入到设计模型后，可用常规的特征编辑方法对该模型的参数进行编辑修改。5.UG工程制图(UGDrafting)该模块使设计人员可以方便地获得与三维实体模型完全相关的二维工程图。UGDraoing支持工业上颁布的主要制图标准，如州SIASME、ISO、DIN、JSIS和我国的GB标准。6.UG装配建模(UGAssembty Modeling)该模块提供了并行的、自上而下和自下而上的产品开发方法。在装配过程中，可以进行零部件的设计和编辑。零部件刘灵活地配对和定位，并保持其关联性。装配件的参数化建模，还可以描述各部件之间的配对关系。这种体系结构允许建立非常庞大的产品结构，并在各设计纪之间进行共享，使产品开发组成员能够并行工作。7.UG/高级装配UG高级装配模块提供了数据装载控制功能，允许用户对装配结构中的部件进行过滤分析，可以管理，以完成一个复杂产品的全数字化装配过程。它提供的各种工具可对整个产品、指定的子系统或零件进行装配分析和质量管理。在进行间隙检测的过程中，其检测结果可保存备用。在需要的时候，该模块还可对硬干涉进行精确定位。当要对一个大型产品的部分结构进行修改时，该功能还可以定义区域和组件集，以便于快速修改。8.UGWaveUG Wave提供了一个参数化产品开发平台，它将概念设计与详细设计贯穿到整个产品的设计过程。wave技术可对产品设计进行定义、控制和评估，通过定义几何形体框架和关键设计变量，表达产品的概念设计，通过多数化的编辑控制结构，使不同的设计概念可以被迅速地分析和评估。控制结构中的关键几何模型，可链接拷贝到经过详细设计的产品装配中。这样，在后续的产品开发过程中，允许高级概念设计中的变化与整个产品设计改变相关联。2.3 UG/CAEUG将世界上最成功的CAE应用技术融汇到自己的系统中来，形成了功能强大的分析模块。1.UG/有限元分析（UG/Scenario for FEA）该模块是一个集成的、相关的、直观的CAE工具，它能快捷地对UG的零件和装配部件进行前、后处理。该产品作为设计过程的一个集成部分，用于评估各种设计更改方案或“Scenario”的性能。这种分析结果是一个工程预测的过程，它可以优化产品设计、提高产品质量、缩短产品上市的时间。用于有限元分析的UG/Scenario for FEA提供了将几何模型转换为有限元模型以及图形化评估分析结果的能力。一个可选的集成的求解器UG/FEA，可以进行线性静力分析、模态分析和稳态热分析。2.UG/有限元（UG/FEA）该模块是一个有限元分析求解器，它与UG/Scenario for FEA的前、后处理能力紧密地集成在一起。这两个产品为在Unigraphics环境里进行建模与分析提供了一个完整的解决方案。UG/FEA为概念设计提供了广泛的求解类型，包括线性静力、标准模态、稳态热传递和线性屈曲分析，同时还支持装配部件，包括间隙单元的分析。对薄壁结构和梁的尺寸优化是一种可选的功能。UG/FEA支持的材料类型有正交各向同性、正交各向异性和各向异性。另外，在求解中可以定义与温度相关的材料特性。3.UG/注塑模分析（UG/MF Part Adviser）该模块是一个易用的、全塑流的注塑模分析系统，它集成在UG中，具有前处理、解算和后处理能力，并提供了在线求解器和完整的材料数据库。分析结果将动态显示注塑过程中的流动、填充时间、焊线位置、气井、填充的可靠度、注塑模压力和降温过程。使用该模块可以帮助模具设计人员确定其注塑模设计是否合理，不合适的注塑模几何体会被很容易地查出来并给予修正，从而生产出高质量的注塑模。第三章 标准直齿锥齿轮及轴的相关计算设计齿轮传动时，考虑到锥齿轮传动的可能发生的各种失效形式，如：点蚀、片蚀、胶合、断损、断齿和塑性变形，应使齿面具有较高的抗磨，抗点蚀，抗胶合及抗塑性变形的能力，而齿根要有较高的抗折断的能力。因此，对齿轮材料性能的基本要求为：齿面要硬，齿芯要韧。3.1 标准直齿锥齿轮的几何参数相关计算齿轮传动的参数设计的目的是确定齿轮的最基本的参数值，以便确定齿轮的基本框架，方便齿轮传动的下一步的设计。3.1.1选定齿轮精度等级，材料及齿数1.按该换向器的速度和承载能力，选用7级精度。2.材料选择：该装置采用闭式，齿面硬度为中齿面，因此两齿轮材料均选为20Cr，硬度为60HRC。3.初选两齿轮的齿数为：Z1=35，Z2=24，3.1.2 锥齿轮的初步设计1.设计公式： （3-1）载荷系数：查机械设计手册齿轮传动 表16.4-26，闭式直齿锥齿轮。齿数比： 估算时的齿轮许用接触应力：=/（3-2）式中，试验齿轮接触疲劳强度极限=1300N/mm2（查图16.2-17h），估算时安全系数： 转矩： T1=9.55=(3-3)估算结果： 2.几何参数计算取锥齿轮大端的参数为标准值，其压力角，齿顶高系数，顶隙系数，如图3-1。图3-1等顶隙锥齿轮齿坯旋转成形示意图齿数： Z1=Z2=24(3-5)分锥角： =arctan(Z1/ Z2)(3-6)大端模数： = Z1=273.97/24=(3-7)取，表16.4-3大端分度圆直径： = Z1=(3-8)外锥距：=/(3-9)齿宽系数：取齿宽： (3-10)取实际齿宽系数：=/(3-11)中点模数：=(3-12)中点分度圆直径:(3-13)切向变位系数：=高变位系数：=顶隙：(3-14)大端齿顶高： (3-15)大端齿根高：-）(3-16)全齿高：）(3-17)齿根角：(3-18)齿顶角：=（采用等顶隙收缩齿）(3-19)顶锥角：=+(3-20)根锥角：=-(3-21)大端齿顶圆直径:=(3-22)冠顶距： (3-23)大端分度圆弧齿厚：(3-24)大端分度圆弦齿厚： (3-25)大端分度圆弦齿高：(3-26)当量齿数: (3-27)当量齿轮分度圆直径：(3-28) (3-29)当量齿轮顶圆直径：(3-30)当量齿轮基圆直径：(3-31)当量齿轮根圆直径：(3-32)当量齿轮传动中心距：(3-33)当量齿轮基圆齿距：(3-34)啮合线长度： (3-35)端面重合度： (3-36)齿中部接触线长度： (3-37)齿中部接触线的投影长度：(3-38)3.2 锥齿轮传动的强度校核在前面的参数选取中，有一些参数是按照经验来选取的，必须进行强度校核。对于闭式传动，一般按照齿面接触强度设计；对于开式传动，按照齿根弯曲轻度设计，用适当降低许用应力或者增大模数来增加齿厚，以便增加磨损的储备量。通过强度计算，我们可以调整前面按照经验来确定的参数，最终达即符合设计的要求，又符合经济性的要求。3.2.1 齿面接触疲劳强度校核6（该节计算所涉及到的有关系数都出自机械设计手册齿轮传动单行本）计算公式：(3-39)中点分度圆上的切向力 ：(3-40)使用系数： ，表16.2-36表16.2-36原动机工作特性工作机工作特性均匀平稳轻微振动中等振动强烈振动均匀平稳轻微振动中等振动强烈振动1.001.101.251.51.251.351.51.751.51.61.752.01.751.852.02.25或更大动载系数： 由7级精度和中点节线速度：查图16.4-28，齿向载荷分布系数： 由表16.4-28，取 ，有效工作齿宽，按式（16.4-2）端面载荷系数： 由表16.4-29 ，节点区域系数：，由图16.4-29中点区域系数： 由式16.4-5计算(3-41)参数和按表16.4-30计算。=2，=弹性系数 ，表16.2-43表16.4-30纵向重合度02表16.2-43小齿轮材料大齿轮材料钢铸钢球墨铸铁铸铁锡青铜铸锡青铜织物层压塑料钢铸钢球墨铸钢铸铁189.8188.9188.0181.4180.5173.9162.0161.4156.6143.7159.8155.056.4螺旋角系数： 直齿轮，锥齿轮系数 ：由式16.4-7，载荷分配系数： 由式16.4-8，计算接触应力： 许用接触应力： (3-42)试验齿轮的接触疲劳极限： ，图16.2-17h寿命系数，长期工作润滑油影响系数,图16.2-20 工作硬化系数：，图16.2-21尺寸系数： ，图16.2-22最小安全系数：，表16.2-46表16.2-46使用要求最小安全系数高可靠度较高可靠度一般可靠度低可靠度1.51.601251.301.001.100.8512.001.601.251.00许用接触应力值：齿面接触强度校核结果：，通过3.2.2 齿根抗弯疲劳强度校核计算公式：(3-43)式中： 同前复合齿形系数：,按,查图16.4-25重合度系数：当时，式（16.4-12）锥齿轮系数：按式（16.4-15）计算载荷分配系数：齿根弯曲应力计算值：齿根许用弯曲应力： (3-44)齿根弯曲疲劳强度基本值： ，图16.2-26寿命系数： ，长期工作，图16.2-27相对齿根圆角敏感系数：，表16.2-48,齿根圆角参数范围相对齿根表面状况系数：，齿根表面粗糙度设为尺寸系数： 渗碳淬火钢，查本篇第二章表16.2-49最小安全系数：，一般可靠度，查本篇第二章表16.2-46许用弯曲应力值：齿根弯曲强度校核结果 ：通过。 3.3 轴的相关设计计算3.3.1 输入轴结构与强度计算1.求作用在齿轮上的力（如图3-2）圆周力： (3-45)垂直于分度圆锥母线的分力： (3-46)径向分力 (3-47)轴向分力： (3-48)图3-2锥齿轮轮齿受力分析法向载荷： (3-49)式中与及与大小相等，方向相反。图3-3 简支梁的平面草图CD2.初步确定轴的最小直径先参考机械设计式15-2，即，初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为45钢，调质处理。根据表15-3，取，于是得 (3-50)输入轴的最小直径，显然是安装联轴器处轴的直径（见图3-3）。为了使选的轴直径与联轴器孔径相适应，故需同时选取联轴器的型号。3.联轴器的计算：联轴器的功率:(3-51)其中，弹性套柱销联轴器的效率 球轴承的效率 查机械设计课程设计联轴器的转距： (3-52)联轴器的计算转矩： (3-53)其中，查机械设计表14-1，转矩变化很小，按照计算转矩应小于联轴器的公称转矩的条件，查标准GB/T4323-1984，选用TL11型弹性套柱销联轴器，其公称转矩为，半联轴器的孔径，故取，半联轴器的长度，半联轴器与轴配合的毂孔长度。4.轴的结构设计图3-4 输入轴及其配合的零部件.拟定轴上零件的装配方案，如图3-4。.根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度.为了满足半联轴器的轴向定位要求-轴段右端需制出一轴肩，故取-段的直径-；左端用轴端挡圈定位，按轴端直径取挡圈直径。半联轴器与轴 配合的毂孔长度，为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的断面上，故.初步选择滚动轴承因轴承同时受有径向力和轴向力的作用，故选用：计算轴承：该轴承使用寿命推荐值：，查机械设计手册表7-2-27。基本额定动载荷计算： (3-54)基本额定动载荷计算值，N当量动载荷，N寿命系数，查机械设计手册表7-2-23速度因数，表7-2-24力矩载荷因数，（力矩载荷较大）冲击载荷因数，表7-2-25温度因数，表7-2-26当量动载荷的确定： (3-55)径向载荷，N 轴向载荷，N 径向动载荷系数查机械设计第十三章表13-5，13-7轴向动载荷系数根据轴承受力情况，可确定：对角接触球轴承应正装于是 因此查机械设计手册GB/T 292-1994选择7219C型，如图3-5所示安装尺寸：故-C=，而-右端滚动轴承采用轴肩进行轴向定位，由手册上查得7219C型轴承的定位轴肩高度，因此取-。.齿轮的左端与左轴承间采用套筒定位其长度与直径可按结构设计，故C-。齿轮的右端采用轴肩定位，轴肩高度，取。则轴环处的直径-，轴环宽度，-。.根据轴承端盖的装拆及便于对轴承添加润滑脂的要求，取端盖的外端面与半联轴器有端面的总宽度为（由整体结构设计而定），故取-。 图3-5 7219型角接触球轴承.轴上零件的周向定位.齿轮，半联轴器与轴的周向定位均采用平键联接由，机械设计手册查得：该处的键公称尺寸，键槽：轴，半径，键长度。由C-，机械设计手册查得：该处的键公称尺寸，键槽：轴，半径，键长度。如图3-6。bhdtt图3-6 键与轴配合截面图.平键联接强度计算对于采用常见的材料组合和按标准取尺寸的普通平键联接，其主要失效形式是工作面被压溃。因此，通常只按工作面上的挤压应力进行强度校核计算。假定载荷在键的工作面上均匀分布，普通平键联接的强度条件为： (3-56)作用在键上的力矩： 键与轮毂键槽的接触高度： 键的工作长度： 轴的直径:于是 经查机械设计表6-2，轻微冲击，故安全4.按弯扭合成强度条件校核轴画出轴的力学模型，如图3-7。 齿轮上所受的各力圆周力： 周向力： 径向力： 计算支撑反力水平面支撑反力：垂直面支撑反力： .画弯矩图，转矩图，计算弯矩图，水平弯矩图：见图3-7（c）垂直弯矩图：见图3-7（e）合成弯矩图见图3-7（f）272.848.7300.7(a)(b) (c) (d)(e)(f)(g)(h)图 3-7 力的模型及弯扭距图 转矩图见图3-7(g)计算弯矩图见图3-7（h）转矩按脉动循环变化处理，即， 进行校核时，通常只校核轴行承受最大玩具和扭矩的截面（即危险截面D）的强度，根据机械设计或15-5及以上的数值，轴的计算应力： (3-57)前已选定轴的材料为45号钢，调质处理，经查，因此，故安全。.精确校核轴的疲劳强度.判断危险剖面如图3-3，IVI剖面均为有应力集中源的剖面，均有可能是危险剖面。界面 A,，B 只受扭矩作用，虽然键槽，轴肩及过渡配合所引起的应力集中均将削弱轴饿疲劳强度，但由于轴的最小直径是按照扭转强度较为宽裕的确定的，所以界面A,，B，均无需校核。从应力集中对轴的疲劳强度的影响来看，截面C，处过盈配合引起的应力集中最严重，从受载的情况来看界面D上的应力最大。截面C的应力集中的影响和截面的相近，轴径也较大，故不必作强度校核，截面D上虽然应力最大，但应力集中不大（过盈配合及键槽引起的应力集中均在两端），而这里的轴径最大，故界面D也就不必校核，截面，显然更不必校核，由机械设计第三章附录可知，键槽的应力集中系数比过盈配合的小因而该轴只需校核截面C左右两端即可。.截面C左侧 抗弯截面系数： (3-58) 抗扭截面系数： (3-59)截面C左侧的弯矩M为截面上的扭矩T为截面的弯曲应力为 (3-60)截面上的扭转切应力为 (3-61)应力幅，平均应力为轴的材料为45号钢，调质处理，由机械设计表15-1查得，截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数及按机械设计附表3-2查取,D=98 ，d=95，r=2因，经插值后可查得：又由图3-1可得轴的材料的敏性系数为故有效应力集中系数 =由附图3-2得尺寸系数，由附图3-3得扭转尺寸系数，轴按磨削加工，由附图3-4，得表面质量系数为轴未经表面强化处理，则按机械设计或3-12及3-12a得综合系数为 又由及得碳钢的特性系数取，取于是，计算安全系数值，按式（15-6），（15-7），（15-8）则得 (3-62) (3-63) (3-64)取 ，故可知其安全。.截面C右侧抗弯截面系数： 抗扭截面系数： 弯矩M及弯曲应力：，扭矩T及扭转切应力: 过盈配合处的值，由附表3-8，用插值法求出，并取,于是得：轴按磨削加工，表面质量系数附图3-4，得综合系数： ，所以轴在截面右侧的安全系数为： 取，所以，故安全。附：该结构无大的顺势过载及严重的应力循环不对称性，故可略去静强度校核。3.3.2 输出轴的结构设计1.求输出轴的输出功率和转矩其中，弹性套柱销联轴器的效率 球轴承的效率 锥齿轮的传动效率 查机械设计课程设计2.求作用在齿轮上的力，如图3-2圆周力：垂直于分度圆锥母线的分力：径向分力：轴向分力：法向载荷：式中与及与大小相等，方向相反图3-8 悬臂梁的平面草图先参考机械设计式15-2，即，初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为45钢，调质处理。根据表15-3，取，于是得输出轴的最小直径，显然是安装联轴器处轴的直径（如图3-8）。为了使选的轴直径与联轴器孔径相适应，故需同时选取联轴器的型号。3.联轴器的计算：联轴器的计算转矩： 其中， 查机械设计表14-1，转矩变化很小，按照计算转矩应小于联轴器的公称转矩的条件，查标准GB/T4323-1984，选用TL11型弹性套柱销联轴器，其公称转矩为，半联轴器的孔径，故取。4.轴的结构设计.拟定轴上零件的装配方案，如图3-9。图3-9 输出轴及其配合的零部件.根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度.为了满足半联轴器的轴向定位要求-轴段右端需制出一轴肩，故取-段的直径-；左端用轴端挡圈定位，按轴端直径取挡圈直径。配合的毂孔长度，为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的断面上，故。.初步选择滚动轴承因轴承同时受有径向力和轴向力的作用，故选用：计算轴承：该轴承使用寿命推荐值：，查机械设计手册表7-2-27基本额定动载荷计算：基本额定动载荷计算值，N当量动载荷，N寿命系数，查机械设计手册表7-2-23速度因数，表7-2-24力矩载荷因数，（力矩载荷较大）冲击载荷因数，表7-2-25温度因数，表7-2-26当量动载荷的确定：径向载荷，N 轴向载荷，N 径向动载荷系数查机械设计第十三章表13-5，13-7轴向动载荷系数根据轴承受力情况，可确定：对角接触球轴承应正装于是 因此查机械设计手册GB/T 292-1994选择7022C型，见图3-10。图 3-10 7022C型角接触球轴承故与轴承配合的轴-其长度-，轴承左端采用轴肩定位，轴肩高度，取。则轴环-，其长度可由结构设计，左端滚动轴承同样采用轴肩进行轴向定位，-，轴-=，其上方定位一对球轴承，因此能够承受较大的轴向载荷。.根据轴承端盖的装拆及便于对轴承添加润滑脂的要求，取端盖的外端面与半联轴器的右端面的距离为,轴承端盖的总宽度为（由整体结构设计而定），故取-。.轴上零件的周向定位.齿轮，半联轴器与轴的周向定位均采用平键联接由-，机械设计手册查得：该处的键公称尺寸，键槽：轴，半径，键长度。由-，机械设计手册查得：该处的键公称尺寸，键槽：轴，半径，键长度。如图3-6。.平键联接强度计算对于采用常见的材料组合和按标准取尺寸的普通平键联接，其主要失效形式是工作面被压溃。因此，通常只按工作面上的挤压应力进行强度校核计算。假定载荷在键的工作面上均匀分布，普通平键联接的强度条件为：作用在键上的力矩：键与轮毂键槽的接触高度：键的工作长度： 轴的直径： 于是 经查机械设计表6-2，轻微冲击，故安全。第四章 直齿锥齿轮的数学模型的建立与参数化建模首先分析渐开线齿形曲线的特性，建立了相应的渐开线数学模型，以此指导渐开线齿廓的参数化建模。其次，在上述研究的基础上建立直齿圆锥齿轮的学模型，并运用 UG实现各种齿轮的三维参数化造型。4.1 齿轮常用的齿形曲线渐开线目前齿轮齿形曲线通常采用渐开线、摆线及变态摆线，近年来还有圆弧和渐开线齿形等。齿形齿廓除了要满足定传动比外，还必需从设计、制造、测量、安装及使用等方面要求，和其它的齿形相比，渐开线拥有保持瞬时传动比恒等和可分离性等优点，因此绝大部分的齿轮都是采用渐开线作为齿形齿廓的。齿轮的齿廓曲线包括齿顶圆部分、齿形曲线部分、过渡曲线及齿根圆部分如图4-l所示。其中齿形曲线部分为齿轮啮合传动接触的重要部分，也是构造齿廓的重要曲线。渐开线齿顶圆图4-1 齿廓曲线组成4.1.1 渐开线的形成及其特性1.渐开线的形成的原理当有一条直线(常称发生线)在一个半径为rb的固定圆的圆周上作纯滚动时，如下图，直线上任意点A的运动轨迹线AA。就是形成的渐开线。图中半径为rb的固定圆称为渐开线的基圆。由图可知，当发生线在基圆上做纯滚动时，发生线上的一些任意点如B、C都会展出渐开线。尽管这些渐开线的位置不同，但渐开线的形状相同，如图所示。渐开线齿轮的轮齿齿形就是由两条对称的渐开线所形成。图4-2 渐开线的形成 2.渐开线特性渐开线自基圆开始，基圆外面才有渐开线，基圆以内无渐开线。渐开线上任意点的法线必切于基圆，切于基圆的直线必为渐开线上一点的法线。发生线与基圆的切点G。是渐开线在点A的曲率中心，线段AG。是渐开线在点A的曲率半径，渐开线上越接近基圆的点，其曲率半径越小。同一基圆上任意两条渐开线之间各处的公法线长相等。渐开线的形状取决于基圆的大小。在相同展开角处，基圆半径越大，其渐开线的曲率半径越大，当基圆半径为无穷大时，其渐开线变成直线。故齿条的齿廓曲线就是变为直线的渐开线。渐开线上任意点的法线长度(也是曲率半径)等于发生线在基圆上滚过的弧长。3.齿轮的齿形曲线对于定传动比的齿轮机构，选择的齿形曲线除了要满足定传动比外，还必需从设计、制造、测量、安装及使用等方面综合考虑。其中渐开线齿形能够较为全面地满足上述方面的要求，渐开线齿形的优点如下:渐开线齿形能够保证瞬时传动比不变。渐开线齿轮传动具有“可分离性”。渐开线齿轮传动，如果把两轮的中心距离稍微增大或减小些，此时，两轮的啮合时的传动比仍能保持不变。即:渐开线齿轮的瞬时传动比不因中心距稍有变化而发生变化。这种性质称为渐开线齿轮传动的“可分离性”。因为渐开线的形成原理较其它齿形曲线简单，并可用直线廓形的工具进行加工，所以制造精度也容易提高。互换性好。渐开线齿轮只要模数和压力角相同都可以互换。加工刀具的通用性也广，一种模数的刀具可加工任意齿数的齿轮。而其他齿形曲线的齿轮基本上没有互换性，常成对调换，并且加工刀具都为专用刀具，设计制造的工作量大。故目前绝大部分的齿轮都是采用渐开线作为齿形。渐开线齿轮的齿形有着严格的数学方程轨迹，造型复杂，而一般的软件均不提供渐开线和其他高级曲线的功能。目前，绘制渐开线齿轮齿形的方法有三种，一种是用圆弧近似代替渐开线，这样虽然能够近似画出齿轮轮廓，但存在如下缺点:绘制过程复杂，费时并且容易出错;修改过程困难，不能形成系列化修改不能直接在图中得出渐开线的相应数据。第二种方法是先调用绘制工程图形的专用软件，然后把图形文件导入CAD系统。如果只是为了绘制渐开线而花高价钱购买专用软件显然不合算。第三种方法是利用CAD的二次开发工具来实现渐开线齿轮齿廓的精确绘制，此种方法能够比较精确的绘制出渐开线齿轮齿廓。此次我们就使用这种方法来绘制渐开线齿轮齿廓。4.2 建模思路首先利用UG中的规律曲线(Law Curve)功能生成齿廓曲线渐开线,然后利用扫掠和抽取几何元素特征操作,建立锥齿基本齿形,接着对该齿形和锥台进行求和特征操作、阵列操作得到相应的直齿锥齿轮三维模型。4.3 建模过程4.3.1 建立渐开线齿廓曲线建立包含齿轮基本参数,内容如下：大端模数：齿数：压力角：齿数比：分锥角：=arctan(Z1/ Z2)齿顶高系数高变位系数：=大端分度圆直径：外锥距：=/齿宽系数：取齿宽：实际齿宽系数：中点模数：中点分度圆直径： 当量齿轮基圆直径：大端齿顶高： 大端齿根高：-齿根角：齿顶角：=（采用等顶隙收缩齿）顶锥角：=+根锥角：=-当量齿轮顶圆直径： 当量齿轮根圆直径：UG系统默认变量： 渐开线展角范围：，渐开线方程（渐开线起点在X轴上）： 齿距：齿厚对应的圆心角：参数化是一种基于特征、尺寸约束、数据相关、尺寸驱动设计修改的技术。因此,如果需要绘制不同齿轮参数的齿轮,只需在此文件中修改齿轮的基本参数值,然后在UG中重新导入,即可生成参数不同的齿轮渐开线。图4-3 渐开线的绘制首先在UG中输入直齿锥齿轮的各参数生成渐开线.具体方法如下:从“工具表达式”中输入参数;从“插入曲线规律曲线”进入对话框,然后点击规律函数对话框的“确定“按钮,设置以t为自变量,横坐标为xt的因变量;同理,分别设置以t为自变量,纵坐标为yt、第3个坐标为zt的因变量,再选择原点作为参考点,即可生成渐开线,见图4-3。之后，在X-Y平面内绘制当量齿顶圆与两段渐开线相交所得的圆弧，以及连接坐标原点与渐开线的另两个端点，形成大端俯视截面草图。如图4-4。 图4-4 草图建立结果4.3.2 直齿锥齿轮的建立1.根据所输入的参数中当量齿轮分度圆半径，当量齿轮齿根圆半径，当量齿轮齿顶圆半径，分锥角，顶锥角，在不同的平面内绘制出如图4-5的草图。根锥角分锥角顶锥角图4-5 齿形初建立草图2.根据齿宽b的尺寸参数创建一平面，利用方法：“编辑曲线修剪”，完成最后齿形轮廓，如图4-6。3.利用方法“插入扫掠扫掠”，令线1，2，3为截面线串，线4为引导线串，创建出一个齿的外形，如图4-7。4.绕图4-6中1线作为环绕轴，截面是在大端平面内为当量齿轮齿根圆半径的一平面，创建出的一个中间的锥体，如图4-8。1324图4-6 形成轮齿的截面线和引导线图4-7 轮齿的生成图4-8 锥齿轮中间锥体的生成5.生成上图齿将锥体和一个齿作布尔运算和，将创建出来的一个齿按所选定的齿数作圆周阵列，即而创建出锥齿轮的最初的形状，如图4-9。图4-9 锥齿轮轮齿的阵列结果6.根据结构设计需要，经添加锥体，创建