渐开线标准圆柱齿轮传动设计

目 录引 言 .1第一章 齿轮 CAD .21.1 传统设计过程分析 .21.2 CAD 过程分析 .31.2.1 CAD 现状 .31.2.2 CAD 软件开发需要解决的主要问题 .51.2.3 CAD 软件的主要设计步骤 .51.3 Visual Basic.5第二章 渐开线标准圆柱齿轮传动设计的基本原理 .82.1 齿轮传动设计准则 .82.2 渐开线标准圆柱齿轮的主要设计内容 .82.3 渐开线标准圆柱齿轮传动强度计算 .92.3.1 渐开线标准圆柱齿轮受力分析 .92.3.2 渐开线标准圆柱齿轮载荷计算 .92.3.3 按齿面接触疲劳强度计算 .102.3.4 按齿根弯曲疲劳强度计算 .102.4 渐开线标准圆柱齿轮传动几何尺寸计算 .112.5 渐开线标准圆柱齿轮传动精度等级的选择 .12第三章 基于 VB 的渐开线标准圆柱齿轮 CAD 软件的设计 .133.1 渐开线标准圆柱齿轮传动参数设计模块的开发 .133.1.1 齿轮传动参数设计的步骤 .133.1.2 齿轮传动参数设计程序开发流程 .133.2 数据库的建立 .153.3 齿轮传动参数设计系统界面的设计 .163.3.1 输入设计 .163.3.2 齿轮传动参数设计系统中各模块的设计 .173.3.3 系统界面及使用方法 .20第四章 表格的检索处理 .274.1 非函数表格的处理 .274.2 函数表格的插值法处理 .28结 论 .30参考文献 .31附 录 .32致 谢 .591引 言 齿轮传动是机械行业中最重要的传动形式之一，具有传动效率高、传动比准确、工作可靠、瞬时传动比为常数、功率和速度适用范围很广等优点，因此在机器中应用很广。然而，齿轮设计比较繁琐，需多次反复，其设计内容多，设计过程中需要查阅大量数据和图表，进行大量计算，加之渐开线齿轮齿廓的复杂性，传统的设计手段已不能满足现代社会的需求。渐开线标准圆柱齿轮传动的设计过程主要有：设计计算、数据检索、机械制图，三部分工作构成。在传统的设计过程中这三项都是手工完成的，一个熟练的设计工作者，常为计算工作付出大量的宝贵时间，哪怕有得力的助手帮你完成计算工作，还要经过亲自验算,也要花上宝贵的时间进行重复计算。过程繁琐，效率低，周期长。本课题针对渐开线圆柱齿轮以及齿轮 CAD 的研究现状进行调查，总结出存在的问题，通过分析齿轮的失效形式，确定出齿轮传动设计的准则及设计方法内容；同时通过研究通用 CAD 软件二次开发的原则、方法、基本步骤等，确定出利用计算机完成渐开线标准圆柱齿轮传动设计的全过程，减少工作人员的大量计算工作和繁琐的翻阅资料工作，从而大大提高了设计效率、缩短了设计周期。本题目使用 VB6.0 语言设计用户界面，提供给用户输入或选取参数，用 VB 代码编制设计计算程序和数据检索程序。用户只需要在 VB 操作系统中点击几个对话框即可设计出符合用户要求的齿轮结构和齿轮的几何尺寸。本课题研究的理论依据为机械设计原理，材料力学原理以及机械手册等，这几本书知识性强，对齿轮的计算方法和齿轮类型的选择设计等多方面进行了详细的阐述，给了我很强的理论支持。本文分几个不同的章节对这项设计进行多角度多层次的论证和介绍，意在讲明设计思路，其中包括计算机辅助设计的介绍、齿轮设计的介绍还包括本课题的总的设计思路，如有不妥之处请多多见谅。2第一章 齿轮 CAD1.1 传统设计过程分析机械设计是产品从设计、制造、装配、销售和使用整个生命周期中的第一个环节，也是最重要的环节，因为它对产品性能的影响通常占 80%。所谓机械设计就是根据使用要求确定产品应该具备的功能，构想出产品的工作原理、运动方式、力和能量的传递、结构形式以及所用材料等事项，并转化为具体的描述，例如图纸和设计文件等，以此作为设计、制造的依据。传统机械设计过程如图 1.1 所示。设计过程一般经历如下几个阶段：1、概念设计 通过调查研究，资料收集，仔细分析用户需求，在此基础上确定产品功能，进而构思方案，进行分析与论证，最后获得一组可行的原理性方案。其中，方案设计基本上决定了产品的结构、使用功能及经济性。是产品设计最关键的阶段。2、初步设计 从前一阶段一组可行性原理方案中选一优化方案，绘制总布置草图，确定各部件基本结构和形状，确定相应数学模型，进行主要设计参数的分析计算与优化。3、详细设计 确定设计对象的细部结构，最终完成总布置图和零、部件图，并编写技术文件。传统设计过程的特点是：1、它的每一个环节都是依靠设计者用手工方式来完成的。从本质上说，大都是凭借设计者直接的或间接的经验知识，通过类比分析法或经验公式来确定设计方案。2、应用传统的机械设计方法，设计者的大部分时间和精力都耗费在装配图和零部件工作图的绘制上，因而对整机全局的问题难于进行深入的研究，对于一些分析计算，常常只得用作图法或类比法等近似的方法，因此具有极大的局限性。具体表现在：（1）方案的拟定在很大程度上取决于设计者的个人经验，即使同时拟订了少数几个方案，也难以获得最优方案；（2）在分析计算工作中，由于受人工计算条件的限制，只能采用静态的或近似方法而难以用动态的或精确的方法计算，计算结果未能完全反映零部件的真正工作状态，影响了设计质量。（3）设计工作周期长，效率低。由此可见，详细设计的终结并不意味着最终获得了一个好的设计。机械产品在经历了制造加工、样机测试、批量生产、以及销售使用后，将返回大量信息，并对产品进行不断修改。机械产品是一个“设计评价再设计”的反复迭代、不断优化的过程。在人工设计的情况下，设计周期长，设计质量不高。因此实现某种程度的自动化，缩短设计周期，降低设计成本，提高设计质量，就成为机械设计发展的迫切要求，正是在这样的背景下产生了计算机辅助设计（CAD） 。 3图 1.11.2 CAD 过程分析1.2.1 CAD 现状CAD 技术即计算机辅助设计（Computer Aided Design ） ，是指工程技术人员以计算机为辅助工具来完成产品设计过程中的各项工作，如草图绘制、零件设计、装配设计、工装设计、工程分析等。CAD 技术是计算机在工程上最有影响的应用技术之一。目前，CAD 在工业生产中的应用水平已经成为衡量一个国家科学技术水平的重要标志之一。它的发展应用大致经历了五个时期，从 20 世纪 5060 年代初的准备和酝酿时期到20 世纪 60 年代的蓬勃发展和进入应用时期到 20 世纪 70 年代的广泛应用时期再到 20 世纪 80 年代的突飞猛进大发展时期一直到今天的开放式、标准化、集成化和智能化的发展时4期，CAD 技术正在朝着变量化、智能化、三维化、集成化、网络化和标准化的方向发展。随着 CAD 技术的不断发展，用于齿轮的 CAD 系统也得到了广泛研究和开发应用。齿轮 CAD 是指利用计算机完成齿轮设计过程中的信息检索、方案构思、分析、计算、工程绘图和文件编制等工作，在齿轮设计中，传统的人工设计，工作量大、开发周期长且难以进行复杂的设计计算，加之产品更新换代频繁，市场竞争日趋激烈，如果仍沿用人工设计方法不仅难以保证齿轮质量，而且也难以满足齿轮产品发展的需求。齿轮 CAD 正是为了适应这种形势而发展起来的专业性较强的 CAD 技术。与传统的人工设计相比，齿轮 CAD 具有实现齿轮设计自动化，提高设计效率，缩短产品的设计周期，降低设计人员的工作量等诸多优点，在齿轮行业中发挥了巨大的作用。当今 CAD 辅助设计的一般过程如图所示：图 1.2Fig.1.2CAD 系统的工作过程如图 1.2 所示，该图表示了设计过程的一个子过程。假设概念设计已经完成，于是首先定义产品的几何模型，并将其转换成具体的数据，然后根据后续工作抽取模型中有关数据进行处理，例如变成有限元网格数据，接着进行工程分析及计算，根据计算结果决定是否要对设计进行修改，修改满意后进行详细设计，接着编制全部设计文档，输出工程图。工业发达国家的齿轮 CAD 技术的开发与应用呈现以下几个特点：5（l）实用性。许多 CAD 软件是结合生产车间的需要开发而成的；（2）可视性。利用图形技术和先进软件编程技术把齿轮 CAD 设计过程可视化；（3）系统性。软件功能比较齐全，多数配有先进的分析工具；（4）普及性。制造厂基本上都采用以 CAD 技术，CAD 技术的应用普及反过来也促进了齿轮 CAD 技术的发展1.2.2 CAD 软件开发需要解决的主要问题1.软件功能的确定；2.功能模块的划分；3.软件开发平台的（计算机语言）的选择；4.功能模块的连接；5.功能模块之间的数据传递；6.设计资料的处理；7.参数的输入、分析、判断和调整；8.程序运行的安全保障。1.2.3 CAD 软件的主要设计步骤1.系统分析 主要任务是分析、理解整个系统设计的基本要求，在系统分解的基础上确定整个系统的基本框架，并在此基础上，形成表达系统基本要求及框架的系统说明书。2.系统设计 包括系统总体设计(完成模块说明书)和建立图形数据库与数据库管理系统。3.程序编写 将模块说明书转换成用某种 CAD 软件编写的程序。4.系统测试 可分为三步进行，模块测试、综合测试和验收测试1.3 Visual Basic Visual Basic 是一种可视化的、采用事件驱动机制和面向对象的程序设计语言。它简单易学容易掌握，而且效率高，可用于开发 Windows 环境下功能强大、图形界面丰富的软件系统。Visual Basic 的“可视性”和“面向事件”的特征是简化 Windows 程序开发的关键。在 VB 环境下，程序员可以用图表来开发 Windows 环境下各类应用程序，开发过程中只要用鼠标进行选中或单击操作，就可以从菜单中选中对象、控制项和属性等，具有快捷的开发速度，简单易学的语法规则，实用便利的开发环境，是初学者和非计算机专业的开发人员首6选的开发工具。Visual Basic 主要有以下特点：1、面向对象的可视化程序设计传统的结构化语言，如 BASIC、Pascal 和 C+等都采用面向过程的编程方法，其代码和数据有很大的分离性，程序的可读性、可维护性很差。Visual Basic 采用了面向对象的程序设计方法（OOP） ，这种方法是把程序和数据封装在一个类中，类的实例就是对象。第个对象都是可视化的。程序设计时只需用现有的工具根据要求直接拖出所需的对象，并为每个对象设置属性。程序员的工作仅编写针对对象要完成那些功能的程序，因而程序的设计效率大大提高。2、事件驱动的编程机制传统编程使用的是面向过程的设计方式，按事先设计好的流程进行，缺点是编写程序的人不能随意改变控制程序的流向，这很不符合人类的思维习惯。而事件驱动编程非常适合图形用户的编程方式，程序员只要编写响应用户动作的程序代码，如选择命令、移动鼠标等，每个动作之间不一定有联系。事件由用户触发、或由系统触发，对象就会对该事件做出响应。这样的应用程序代码较短，程序既易编写又易维护。3、支持多种数据库的访问Visual Basic 访问特性允许对 SQLServer 和其他大部分数分数据库格式建立数据库和前端应用程序。利用数据库控件或 ODBC 能访问 MicrosftAccess、Microsft FoxPro、dBASE、Paradox 等数据库，也可访问 Microsft Excel 等多种表格。4、结构化的程序设计语言Visual Basic 是在 BASIC 和 Quick BASIC 的基础上发展起来的，具有高级程序设计语言的语句结构，接近于自然语言和人类的逻辑思维方式，其语言简单易懂。同时，Visual Basic 的应该程序以窗体模块、标准模块和类模块的形式来组织，而每个模块又由若干个过程来构成，符合结构化程序的设计的要求。5、交互式的工作方式Visual Basic 提供的集成开发环境采用交互式的工作方式在输入代码的同时，解释系统系统将判断每个语句的语法是否正确，如果出现错误会立刻给出提示。Visual Basic 程序能随时运行，并且在整个应用程序设计、调试完成之后，可以编译生成可执行文件，从而能脱离 Visual Basic 运行环境，直接在 Windows 环境下运行。6、支持动态链接（DLL） 、动态数据交换（DDB） 、对象链接和嵌入（OLE）Visual Basic 功能强大，除了上面介绍的几点外，还体现在以下几个方面：（1）支持动态链接技术：可以将其他语言开发的程序编译成动态链接库，然后供Visual Basic 调用。（2）支持访问应用程序接口：API 是 Windows 环境中可供应用程序访问和调用的一组函数的集合。Visual Basic 提供了访问和调用这些 API 函数的能力，利用这些 API 函数可以大大增强利用 Visual Basic 开发应用程序的能力，并可实现一些用 Visual Basic 语言本7身不能实现的特殊功能。（3）支持动态数据交换技术：可以吧其他 Windows 应用程序中的数据动态的链接到Visual Basic 应用程序中，使两种完全不同的应用程序可以交换数据，进行通信。（4）支持对象的链接和嵌入：OLE 技术将 Windows 应用程序看做对象，将不同的对象链接起来，在嵌入到 Visual Basic 应用程序中，从而使 Visual Basic 能开发出动画演示、视频播放、文字处理和 Web 浏览等多种功能于一体的应用程序。8第二章 渐开线标准圆柱齿轮传动设计的基本原理2.1 齿轮传动设计准则齿轮传动是机械传动中最重要的传动装置，型式多样，应用广泛，传动功率可达数十万千瓦，圆周速度可达 200m/s。因此在机器中应用很广。齿轮传动的主要优点是：效率高、结构紧凑、工作可靠、寿命长、传动比稳定。因此，齿轮传动设计的两个基本准则是：一是瞬时传动比稳定；二是具有足够的承载能力。设计齿轮传动时，要从分析齿轮的失效形式和产生原因入手，确定齿轮强度的计算准则。齿轮的失效形式可分为两大类，即：齿体失效和齿面损伤失效，主要表现形式有轮齿折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损以及塑性变形等。各种失效形式都对齿轮的承载能力有限制，因此齿轮传动的设计准则是由失效形式确定的，应分别建立相应的设计准则。(1)闭式软齿面齿轮传动当采用软齿面(硬度350HBS)时，主要失效形式是齿面点蚀。故设计准则为，按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。(2)闭式硬齿面齿轮传动当采用硬齿面(硬度350HBS)时，主要失效形式是齿轮折断。故设计准则为，按齿根弯曲疲劳强度设计，再按齿面接触疲劳强度校核。(3)开式齿轮传动开式齿轮主要失效形式是：齿面磨损和轮齿的弯曲疲劳折断。由于目前齿面磨损尚无完善的计算方法，通常按齿根弯曲疲劳强度的设计公式确定模数，再根据具体情况，将所求的模数加大 1020，以考虑磨损的影响。2.2 渐开线标准圆柱齿轮的主要设计内容齿轮传动设计确定的主要内容是:齿轮材料和许用应力、齿轮的基本参数（齿数 z、模数 m、分度圆压力角 、螺旋角 、齿顶高系数 ha*、顶隙系数 c*） 、几何尺寸（分度圆直径 d、齿顶圆直径 da、齿根圆直径 df、中心距 a、齿宽 b 等） 、齿轮的结构设计、齿轮传动的精度等级及润滑方式等。92.3 渐开线标准圆柱齿轮传动强度计算2.3.1 渐开线标准圆柱齿轮受力分析在切于两基圆柱的啮合平面内，法向力 可分解为三个相互垂直的分力nF圆周力 12tTFd径向力 ： tatcosnrt轴向力： tannF法向力： coscost tnbnF式中： 端面压力角， 法面压力角， 螺旋角， 基圆螺旋角tn b根据作用力与反作用力的关系，作用在主动轮和从动轮上各对应力大小相等、方向相反。主动轮上的圆周力是阻力，其方向与回转方向相反；从动轮上的圆周力是驱动力，其方向与回转方向相同；径向力分别指向各轮轮心（内齿轮为远离轮心方向） 。轴向力的方向决定于轮齿螺旋线方向和齿轮回转方向，可用主动轮左、右手法则判断：左旋用左手，右旋用右手。握住主动轮轴线，除拇指外其余四指代表旋转方向，拇指的指向即主动轮的轴向力方向，从动轮轴向力方向与其相反、大小相等。2.3.2 渐开线标准圆柱齿轮载荷计算载荷 的计算公式为：caPcoscosnt tc tbbKFFKFL式中：齿轮的载荷系数， = ；AV齿轮的使用系数；AK动载系数；V10齿间载荷分配系数；K齿向载荷分布系数；斜齿轮传动的端面重合度；L沿齿面的接触线长度，mm；b齿轮的宽度式中各项参数、系数的选取可参考设计手册中的图表。其中齿间载荷分配系数 又K可分为 、和 ， 为按齿面接触疲劳强度计算时所用的系数， 为按齿根弯曲HKFHK F疲劳强度计算时所用的系数；而齿向载荷分布系数 也可分为 和 ， 为按齿KHH面接触疲劳强度计算时所用的系数，而 为按齿根弯曲疲劳强度计算时所用的系数。F2.3.3 按齿面接触疲劳强度计算由机械设计知渐开线标准圆柱按齿轮的接触疲劳强度设计的模数计算公式如下:231 min12()/)/HEHdnktiZim强度校核计算公式为 1tHHEHKFZMPabdA需要注意的是，应用以上两公式时， 应该带入两个齿轮中许用应力较小值2.3.4 按齿根弯曲疲劳强度计算由机械设计知渐开线标准圆柱齿轮的按齿根弯曲疲劳强度设计的模数计算公式如下: 2 231 max12cos(/)/n FaSFdmktYYZ 强度校核公式为： tFaSF FnKMPab11在齿轮的强度计算中，除了主要的基本参数外，各系数及变量的查取涉及到许多图表，可以参考相关机械手册。在进行齿轮的齿面接触应力、齿根弯曲应力计算之后，要使齿面接触应力要小于许用齿面接触应力，齿根弯曲应力小于他们各自的许用弯曲应力，以满足强度要求。2.4 渐开线标准圆柱齿轮传动几何尺寸计算渐开线标准圆柱齿轮传动的主要几何计算公式见表 2.1。表 2.1名称及代号 计算公式及说明模数 m 由强度计算或结构设计确定，并按标准取标准值分度圆压力角 = n20tatcosn分度圆直径 d d=mz标准齿轮传动的中心距 a a=( + )/2=( + )m/22d12z1根圆直径 f ffh顶圆直径 adaa齿顶高 h nhm齿根高 f fac齿高 h f基圆直径 bd osbtd节圆直径 ct分度圆齿距 p ，npmtt基圆齿距 b cosbttt齿顶压力角 aarbad12端面重合度 12.83cosz轴向重合度 0.tand总重合度 2.5 渐开线标准圆柱齿轮传动精度等级的选择在设计齿轮传动时，应根据齿轮用途、使用条件、传递的圆周速度和功率大小，选择齿轮精度等级。通用减速器中齿轮的精度一般为 68 级。13第三章 基于 VB 的渐开线标准圆柱齿轮 CAD 软件的设计3.1 渐开线标准圆柱齿轮传动参数设计模块的开发渐开线标准圆柱齿轮分为直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱齿轮。由于二者设计过程很相似，因此本系统齿轮参数设计模块设计思路是，在参数输入区把直齿圆柱齿轮与斜齿圆柱齿轮的设计集成一体，以螺旋角 输入值区分直齿和斜齿齿轮，当用户输入的螺旋角 等于 0时，系统自动判断按照直齿圆柱齿轮传动设计；当螺旋角 大于 0时，按照斜齿圆柱齿轮传动设计。这样可使设计界面简洁、统一、便于用户操作。3.1.1 齿轮传动参数设计的步骤根据渐开线标准圆柱齿轮传动设计的基本理论，齿轮工作条件及齿面硬度不同，则失效形式不同，设计时应采用相应的设计准则。因此，本模块中按闭式传动和开式传动两种不同情况分别进行齿轮传动参数设计。1. 闭式齿轮传动设计步骤（1）输入已知条件和可选参数；（2）按强度理论设计计算；在此步骤中，软齿面齿轮的主要失效形式是齿面点蚀，按接触疲劳强度设计，硬齿面齿轮主要失效形式是齿根折断，按弯曲疲劳强度设计。（3）确定主要参数及几何尺寸（4）强度校核；软齿面齿轮按齿根弯曲疲劳强度校核；硬齿面齿轮按齿面接触疲劳强度校核。2. 开式齿轮传动设计步骤（1）输入已知条件和可选参数；（2）按按弯曲疲劳强度设计，再根据具体情况，将所求的模数加大 1020，以考虑磨损的影响。（3）确定主要参数及几何尺寸3.1.2 齿轮传动参数设计程序开发流程（1）依据齿轮参数设计的步骤，闭式齿轮传动设计程序流程下图所示：14（2）开式齿轮传动设计程序流程如下图所示：153.2 数据库的建立在齿轮的设计过程中，很多数据图表由试验或经验得到，没有现成的公式可以描述。如齿轮齿轮模数 m、安全系数 SH、SF、疲劳极限 Hlim 等，因此在自动化设计和验算与校核过程中，需要处理大量的图表，用以确定某些参数，保证程序执行的自动化。齿轮设计图表有的比较简单，便于用简单的曲线进行描述和拟合实现，有些则比较复杂，是由试验得到的不规则曲线等。所以在程序设计时针对不同的图表需要很多技巧，完成相应参数数据库的建立。本系统根据每张图表的特点分别使用了多种不同的处理方法，以期实现与相应参数较为精确的拟合与计算，达到较为理想的效果。1. 表格的处理齿轮参数设计中如安全系数、齿宽系数等参数为表格，处理方法比较简单，直接用多维数组检索的方法来实现。2. 线图的处理齿轮设计中需要检索的很多图表，这些图表类型多种多样，如齿轮材料及热处理不同，对应的触疲强度劳极限和一些安全系数等。这些图表有的比较简单，触疲强度劳极限，只需要直接利用直线拟合即可实现对其表达；但是有的线图比较复杂，在直观上难以辨认是什么类型的曲线，对这类复杂的图表就需要进行拟合与插值处理，以方便程序自动查询。查阅有关程序设计及数据库方面的资料，一般来说处理此类16问题的方法有以下两种。（1） 数据离散化采用将其固化的插值方法检索所需的数据，此方法比较简单一此，适合非计算机专业人员，精度稍差，但这些参数选取本来不需要太精确，所以不影响最后的设计结果。（2） 数据程序化将图表中的数据通过拉格朗日拟合法、最小二乘法拟合，然后将曲线公式固化成程序。此方法涉及许多程序设计及数据结构方面的专业知识，开发难度较大，设计人员要求较高，需要借助计算机专业的开发人员完成。本设计中将需要用到的参数，通过多维数组检索以及插值等方式，建立数据库，并固化到工程中的模块化程序中，程序运行中可以随时调用模块中的数据，实现程序全自动化执行。3.3 齿轮传动参数设计系统界面的设计系统界面是人机交互的接口，是软件系统中重要的一个组成部分。用户在应用系统进行设计时，大部分的参数都是人机交互方式从界面输入的，程序运行的结果也显示在界面上。程序的运行在后台进行，界面就成了联系用户和内部运行程序的一个重要的“桥梁” 。因此用户界面设计的合理性是应用程序成功的一个关键因素。程序开发者设计界面时应避免以下情形：(1)过于花哨的界面，使用户难以理解其具体含义；(2)模棱两可的提示，容易产生歧义；(3)长时间(超过 10 秒)的反映时间，使用户失去耐心；(4)额外的操作3.3.1 输入设计输入设计， 一般应满足以下基本要求：1、 能够输入足够的计算所需参数；2、 输入的参数正确；3、 输入操作简单、方便；4、 输入界面友好、简洁。例如：保证在主动轮转速 n1、从动轮转速 n2、传动比 i 三者中，必须且只能输入其中两项，并且输入的数据必须是数值型的，其余一项留给程序计算；数值型数据，尽可能通过滚动条与文本框组合输入；需要在一定范围内选择输入的数据，尽可能通过单选钮、复选框、列表框和组合框等，而尽量不使用文本框；对输入的数据，总作正确性验证，对不正确的输17入数据，给出提示并要求重新输入；总给出输入数据的缺省值； 对多窗体软件中第二个及以后的窗体上，总设置“上一步” 或“后退”按钮， 以能够返回前一个窗体，从而能够修改输入的参数或多次计算。 3.3.2 齿轮传动参数设计系统中各模块的设计根据 3.1.2 所示的程序开发流程设计系统的各个模块。设计围绕模数的求取展开，要求取模数就需要用到 2.3 所述的强度公式，因此需要对公式中的各个参数进行赋值，赋值是围绕数据库模块程序进行的，各参数的符号以及赋值情况见表 3.1 。表 3.1公式中的参数参数名称 程序中代码获值来源或方法nm端面模数单位 mmmn 由接触强度条件和弯曲强度条件求出Z1 小齿轮齿数z1 z1 直接输入i理论传动比sis 直接输入或由公式 21sin 螺旋角 bat 直接输入i 实际传动比si 21sizk 载荷系数 kk由公式 计算。初步计算时为 kAvk初估一个数值 。修正计算时，按照如下步t骤进行：为使用系数，查表取得。AkKv 为动载荷系数，由公式： 221210vAtbkFzv计算。其中， ， 查文献 3 中表 12-10； 为齿12数比，对于减速传动， =i，对于增速传动18；b 为齿宽，由公式1i计算； 为切向11cosddnzmtF力，由公式 计算；v 齿轮线速度，2tF由公式 计算； 为齿轮传160v1t递的力矩。 为齿间载荷分配系数。查文献k3 中表 12-11。 为齿向载荷分配系数，。其中， 为综合变形系数，sMksk查文献 3 中途 12-24； 为制造安装系数，M查文献 3 中图 12-25.EZ弹性系数 eZ查文献 3 中表 12-12faY齿形系数 yfa 查文献 3 中表 12-13Y弯曲强度计算用的重合度与螺旋角系数yab由公式 计算。其中： 为弯曲强度YY计算用的重合度系数，由公式 计算。 为弯曲强度计算0.257用的螺旋角系数，由公式计算1Y1t小齿轮上作用的力矩，单位NmA1t由公式 计算。11950tpn其中：p 为名义功率。单位为 Kw,直接输入；n1 为小齿轮的转速，直接输入。由公式 计算。其中： 为接触强ZZ19Z接触强度计算用的重合度与螺旋角系数zab度计算用的重合度系数，由公式：计算。413Z为接触强度计算用的螺旋角系数，由公式计算。 为端面重合度，由公式cosZ计算。 为121.83cosz2z从动轮齿数，由公式 计算。 为1 Zi轴向重合度由公式计算。 “+”sin0.38tanndbm号用于外啮合， “-”用于内啮合HZ节点区域系数zh由公式 计算。2cosincsHbiZ其中： 为端面压力角。由公式i计算。 为法面压arctncost n力取标准值 20。为基圆螺旋角，由公式b计算tantcosbtSaY应力修正系数ysa 查文献 3 中表 12-13H最小许用接触应力xyh由公式 计算。其中：limHNZS为齿面接触疲劳极限，查文献 3 中图limH2012-20； 为接触寿命系数，查文献 3 中图NZ12-22； 为接触安全系数，直接输入SF许用弯曲应力由公式 计算。其中：limFNYS为齿根疲劳极限，查文献 3 中图 12-limF21； 为弯曲寿命系数，查文献 3 中图 12-NY23； 为弯曲安全系数，直接输入FS3.3.3 系统界面及使用方法本系统界面主要包括开始界面、初始参数输入界面、参数选择界面、以及结果显示界面和一些辅助消息界面。1 开始界面下图所示是设计的第一个界面为开始界面。该界面提供的信息有设计人的姓名、指导老教师以及软件的用途即：渐开线斜齿圆柱齿轮的设计计算程序。点击“开始设计”按钮进入初始参数输入界面。开始界面2 初始参数输入界面下图所示是第二个界面为“初始参数输入”界面。该界面确定了设计计算时所需的一系21列参数，输入功率、主动轮转速、传动比或从动轮转速工作年限、每年工作的天数、每天工作时间数。选择主从动轮齿轮材料、热处理方式、硬度及齿轮类型及毛坯种类。选择齿轮布置形式。工作机和原动机的工作特性。还有就是进行齿数的确定、接触安全系数的确定、弯曲安全系数的确定、初估载荷系数、初定螺旋角。该界面中材料硬度的范围要进行查表，本程序中采取数组的形式进行硬度范围的输入和选择。并且在选定齿轮材料的同时界面自行加载选取材料硬度范围的中间值。原始参数输入界面当用户有未输入的参数时，系统会弹出相应的消息提醒用户输入，例如当用户未未输入主动轮转速是会有如下图所示的提示。22辅助提醒界面若用户没有输入功率、传动比、选择主从动轮的材料、毛坯类型及齿轮的布置形式等也会出现相似提示窗口，提示用户进行选择，这里就不一一举出。3 参数选择界面下图所示为参数选择界面，该界面提供了通过齿轮的材料、热处理方式及齿轮相对于轴的分布形式所确定的齿宽系数推荐值，用户可根据范围选择自己认为可行的齿宽系数值。同时该界面还可以选取精度等级和模数，根据用户所选择的机器类型及所算的速度程序可自行确定其第二公差等级，根据已确定的第二公差精度等级用户再自行确定第一公差精度等级和第二公差精度等级。还可以选取模数是否总在第一系列选取。并且从模块中调用程序查询动载荷系数和齿间载荷分配系数、确定综合变形系数和制造安装误差影响系数。界面设计了两个按钮，一个为“上一步”若用户想到上一个界面输入有误可通过此按钮返回到上一个界面。一个为“下一步”用户确定好齿宽系数后可点击此按钮进入下一个设计界面。23若用户没有选择精度等级则会出现如下图所示的提示框提示用户输入公差精度等级。244.结果显示界面 下图所示为结果显示界面。该界面在加载时已经将前面计算出的基本参数和几何参数显示出来，这样可以节省使用人员的工作时间。点击强度校核按钮可以对计算出的齿轮传动参数进行校核，系统会自动根据前面的输入判断是硬齿面啮合还是软齿面啮合，并在硬齿面啮合是调用接触疲劳强度校核模块，在软齿面啮合是调用弯曲疲劳强度模块，校核满足强度要求时，会弹出如下图所示的提示框并输出齿轮的强度参数。25进行到该步，表示顺利完成了该组参数的齿轮设计。点击“保存设计结果”按钮可以将这组设计的参数导出到一个文本文件中，并会出现如下图所示的提示框。26若强度校核不合格，则会弹出如图所示的提示框，此时点击“重新设计”按钮返回初始参数输入界面重新设计。275.输出计算结果的文本文件下图所示为导出计算结果的文本文件。设计结束后计算结果可直接保存成文本文件，不用再手工记录，这样也可节省设计时间，并且也避免了由于人为抄写疏忽所造成的错误，在节省时间的同时也大大提高了正确性。28第四章 表格的检索处理4.1 非函数表格的处理在齿轮的设计过程中，经常需要查询许多工程数表，比如齿轮的齿形系数、齿轮的标准模数等。将这些表格存入数据库中，做 CAD 设计时，所有对数表的查询工作都由计算机程序完成。数据库中表格的查询思路是，用把数表的数据存储到数组中， 再用循环语句和判断语句将已知参数（即输入参数）和数组的元素值进行比较，找到匹配或相对应的数组元素的下标，做一些相应的必要处理，即可获得正确的查询结果。机械设计中查询的数表并非都是规则的，对于不规则非函数表，处理过程可分为两个阶段，第一个阶段是用手工把不规则非函数表整理成规则非函数表，第二个阶段是编程。下面以渐开线标准圆柱齿轮的模数为例举例说明。表 4.1 为渐开线圆柱齿轮的模数国家标准系列表。表中有两行数据，第一行有 28 个数据，第二行比第一行少六个数据，因此该表是不规则的非函数表。 表 4.1从表 4.1 中选用模数时，一般应优先选用第一系列（如设计标准减速器时，模数作为输入参数，由用户从表中选择） 。有时根据具体情况也可以选第二系列，例如， 设计非标准减速器时， 模数是输出参数，由强度条件确定，为了减少减速器尺寸与重量， 模数应选择最接近的较大值。于是，可能出现这种情况：齿轮强度条件确定的最小模数为 m=3.6，由表4.1 可以看出，按优先原则，应选第一系列的 m=4；若按“满足强度条件的前提下用料要少”的原则考虑，应选第二系列的 m=3.75。因此，为了满足不同的需求，提高程序的通用性，模数的查询程序应满足各种用户需求。 根据上述设计要求，作出如下处理方案： 将该表拆分为两个规则的非函数表：模数第一系列表（见表 4.2） 、第一系列与第二系列按大小混合后的系列表（见表 4.3） 。为满足用户使用要求，程序需要询问用户是否总采用第一系列。如果总采用第一系列，就从第一系列表中查询，否则则从混合系列表中查询。 从混合系列表中查询时， 往值增大的方向查到与29m=3.6 最接近的值（模数为 3.75） ，还要判断该值是属于第一系列，还是第二系列。 表 4.20.1 0.12 0.15 0.2 0.25 0.3 0.4 0.5 0.6 0.8 1 1.25 1.5 22.5 3 4 5 6 8 10 12 16 20 25 32 40 50表 4.34.2 函数表格的插值法处理函数表的处理思路与非函数表的处理思路基本相同。不同的是，输入的参数不一定都是表中已经有的数据。当输入的参数不是表总所列的数据时，对应的输出参数可以通过插值计算求出，这种方法称为插值法。表 4.4表 4.4 列出了普通 V 带的包角 与包角系数 k 之间 19 对对应数据。但是，包角 与包角系数 k 之间存在的客观关系是连续的函数关系，只是由于人们无法获得这个函数关系的确切表达式，为了便于手工查询，把一些离散的实验数据列于表中供设计时使用。 手工查询的过程是, 根据已知参数 ，先查到与 相近的两个包角值 和 及其对应的包角系数值 k 和 k ，然后用插值法求出 k 。例如，已知 =118，查对应的包角系数。从表中可看出， 表中没有 =118，但可查到相邻的两个数据： =115、 =120，其30图 4.1对应