基于ProE的斜齿圆柱齿轮三维模型参数化设计

1、广州金桥管理干部学院 毕 业 设 计题 目 基于 Pro/E的斜齿圆柱齿轮三维模型参数化设计 副标题性 质: 毕业设计 毕业论文学生姓名年 级 机电 081班系 别 机 电 系专 业 机电一体化技术指导教师 解 丽 丽评定成绩 优 良 中 及格 不及目 录摘要 (2 一、 概述 (21. 背景分析 (22. 中国齿轮工业的发展 (33. 齿轮的组成结构 (4二、 制造齿轮常用的材料 (5三、 渐开线齿轮切齿方法 (51. 展成法 (52. 仿形法 (7 四、 轮设计 (81. 确定参数 (82. 关系式 (83. 以拉伸的方式创建齿轮本体 (84. 创建基准平面 (85. 以可变截面扫描创建第

2、一个齿轮面 (86. 镜像 (97. 草绘齿形曲线 (108. 平移旋转曲线 (109. 草绘扫描轨迹线 (10 10. 扫描混合去除材料 (10 11. 关闭所有的曲面和曲线 (10 12. 复制扫描混合特征 (10 13. 阵列 (10 14. 挖出轴孔及键槽 (11 五、 斜齿轮变更参数实现 (111. 删除阵列复制特征 (112. 输入新的参数值 (113. 复制剪切特征 (114. 阵列复制特征 (11 六、总结 (12 致 谢 词 (12 参 考 文 献 (12基于 Pro/E的斜齿圆柱齿轮三维模型参数化设计郭伟滏【摘要】 齿轮是应用极为广泛和特别重要的一种机械传动形式, 它可以用

3、来在 空间的任意轴之间传递运动和动力, 目前齿轮传动装置正逐步向小型化, 高速化, 低噪声, 高可靠性和硬齿面技术方向发展, 齿轮传动具有传动平稳可靠, 传动效 率高(一般可以达到 94%以上,精度较高的圆柱齿轮副可以达到 99% , 传递功率 范围广(可以从仪表中齿轮微小功率的传动到大型动力机械几万千瓦功率的传 动 ,速度范围广(齿轮的圆周速度可以从 0.1m/s到 200m/s或更高,转速可以 从 1r/min到 20000r/min或更高 , 结构紧凑, 维护方便等优点。 因此, 通过 Pro/E与 ANSYS 的连接 , 运用有限元方法对齿轮进行了应力分析。【 关键词 】 参数化设计

4、方法 材料 变更参数一 . 概述齿轮机构是现代机械产品中应用最广泛的传动机构之一 ,可用于传递空间任意两轴或 多轴之间的运动和动力 ,具有传动效率高 ,结构紧凑 ,工作可靠 , 传动平稳,寿命长,能 保证恒定的传动比等优点。因此 ,齿轮的三维实体模型在现代齿轮机构的设计中有着广泛 的应用背景。(一背景分析据史料记载,远在公元前 400200年的中国古代就巳开始使用齿轮,在我国山西 出土的青铜齿轮是迄今巳发现的最古老齿轮, 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。 17世纪末,人们才开始研究,能正确传递运动的轮 齿形状。 18世纪, 欧洲工业革命以后, 齿轮转动的应用日

5、益广泛; 先是发展摆线齿轮, 而后是渐开线齿轮,一直到 20世纪初,渐开线齿轮已在应用中占了优势。早在 1694年, 法国学者 Philippe De La Hire首先提出渐开线可作为齿形曲线。 1733年, 法国人 M.Camus 提出轮齿接触点的公法线必须通过中心连线上的节点。 一条 辅助瞬心线分别沿大轮和小轮的瞬心线 (节园 纯滚动时, 与辅助瞬心线固联的辅助齿 形在大轮和小轮上所包络形成的两齿廓曲线是彼此共轭的,这就是 Camus 定理。它考 虑了两齿面的啮合状态; 明确建立了现代关于接触点轨迹的概念。 1765年, 瑞士的 L . E uler 提出渐开线齿形解析研究的数学基础,

6、阐明了相啮合的一对齿轮, 其齿形曲线的 曲率半径和曲率中心位置的关系。后来, Savary 进一步完成这一方法,成为现在的 E u-let-Savary 方程。对渐开线齿形应用作出贡献的是 Roteft WUlls,他提出中心距 变化时,渐开线齿轮具有角速比不变的优点。 1873年,德国工程师 Hoppe 提出,对不同齿数的齿轮在压力角改变时的渐开线齿形,从而奠定了现代变为齿轮的思想基础。 19世纪末,展成切齿法的原理及利用此原理切齿的专用机床与刀具的相继出现, 使齿轮加工具军较完备的手段后,渐开线齿形更显示出巨大的优走性。切齿时只要将 切齿工具从正常的啮合位置稍加移动,就能用标准刀具在机床上

7、切出相应的变位齿 轮。 1908年,瑞士 MAAG 研究了变位方法并制造出展成加工插齿机,后来,英国 BSS 、 美国 AGMA 、德国 DIN 相继对齿轮变位提出了多种计算方法。为了提高动力传动齿轮的使用寿命并减小其尺寸,除从材料,热处理及结构等方 面改进外,圆弧齿形的齿轮获得了发展。 1907年,英国人 Frank Humphris最早发表 了圆弧齿形。 1926年, 瑞土人 Eruest Wildhaber取得法面圆弧齿形斜齿轮的专利权。 1955年,苏联的 M . L . Novikov 完成了圆弧齿形齿轮的实用研究并获得列宁勋章。 1 970年,英国 Rolh Royce 公司工程师

8、 R . M.Studer 取得了双圆弧齿轮的美国专利。 这种齿轮现已日益为人们所重视,在生产中发挥了显著效益。齿轮是能互相啮合的有齿的机械零件, 它在机械传动及整个机械领域中的应用极 其广泛。现代齿轮技术已达到:齿轮模数 O.004100毫米;齿轮直径由 1毫米15 0米;传递功率可达上十万千瓦;转速可达几十万转 /分;最高的圆周速度达 300米 /秒。齿轮在传动中的应用很早就出现了。公元前三百多年,古希腊哲学家亚里士多德 在机械问题中,就阐述了用青铜或铸铁齿轮传递旋转运动的问题。中国古代发明 的指南车中已应用了整套的轮系。不过,古代的齿轮是用木料制造或用金 属铸成的, 只能传递轴间的回转运

9、动,不能保证传动的平稳性,齿轮的承载能力也很小。随着生产的发展, 齿轮运转的平稳性受到重视。 1674年丹麦天文学家罗默首次提 出用外摆线作齿廓曲线,以得到运转平稳的齿轮。18世纪工业革命时期,齿轮技术得到高速发展,人们对齿轮进行了大量的研究。 1733年法国数学家卡米发表了齿廓啮合基本定律; 1765年瑞士数学家欧拉建议采用 渐开线作齿廓曲线。19世纪出现的滚齿机和插齿机,解决了大量生产高精度齿轮的问题。 1900年 , 普 福特为滚齿机装上差动装置,能在滚齿机上加工出斜齿轮,从此滚齿机滚切齿轮得到 普及,展成法加工齿轮占了压倒优势,渐开线齿轮成为应用最广的齿轮。1899年,拉舍最先实施了变

10、位齿轮的方案。变位齿轮不仅能避免轮齿根切,还可 以凑配中心距和提高齿轮的承载能力。 1923年美国怀尔德哈伯最先提出圆弧齿廓的齿 轮, 1955年苏诺维科夫对圆弧齿轮进行了深入的研究,圆弧齿轮遂得以应用于生产。 这种齿轮的承载能力和效率都较高,但尚不及渐开线齿轮那样易于制造,还有待进一 步改进。(二 中国齿轮工业的发展中国齿轮工业在“十五”期间得到了快速发展:2005年齿轮行业的年产值由 2000年 的 240亿元增加到 683亿元, 年复合增长率 23.27%, 已成为中国机械基础件中规模最 大的行业。就市场需求与生产规模而言,中国齿轮行业在全球排名已超过意大利,居 世界第四位。2006年,

11、中国全部齿轮、传动和驱动部件制造企业实现累计工业总产值 1026281 83千元,比上年同期增长 24.15%;实现累计产品销售收入 98238240千元,比上年 同期增长 24.37%;实现累计利润总额 5665210千元,比上年同期增长 26.85% 2007年 1-12月,中国全部齿轮、传动和驱动部件制造企业实现累计工业总产值 136542841千元,比上年同期增长 30.96%; 2008年 1-10月,中国全部齿轮、传动和 驱动部件制造企业实现累计工业总产值 144529138千元, 比上年同期增长 32.92%。 中国齿轮制造业与发达国家相比还存在自主创新能力不足、新品开发慢、市场

12、竞 争无序、企业管理薄弱、信息化程度低、从业人员综合素质有待提高等问题。现阶段 齿轮行业应通过市场竞争与整合,提高行业集中度,形成一批拥有几十亿元、 5亿元、 1亿元资产的大、中、小规模企业;通过自主知识产权产品设计开发,形成一批车辆 传动系(变速箱、驱动桥总成牵头企业,用牵头企业的配套能力整合齿轮行业的能 力与资源;实现专业化、网络化配套,形成大批有特色的工艺、有特色的产品和有快 速反应能力的名牌企业;通过技改,实现现代化齿轮制造企业转型。“十一五”末期,中国齿轮制造业年销售额可达到 1300亿元,人均销售额上升 到 65万元 /年,在世界行业排名中达到世界第二。 2006-2010年将新增

13、设备 10万台, 即每年用于新增设备投资约 60亿元, 新购机床 2万台, 每台平均单价 30万元。 到 2010年,中国齿轮制造业应有各类机床总数约 40万台,其中数控车床 10万台,数控化率 25%(高于机械制造全行业平均值 17% 。(三齿轮的组成结构一般有轮齿、齿槽、端面、法面、齿顶圆、齿根圆、基圆、分度圆。轮齿简称齿,是齿轮上 每一个用于啮合的凸起部分,这些凸起部分一般呈辐射状排列,配对齿轮上 的轮齿互相接触,可使齿轮持续啮合运转;齿槽是齿轮上两相邻轮齿之间的空间; 端面是圆柱齿轮或圆柱蜗杆上 ,垂直于齿轮或蜗杆轴线的平面;法面指的是垂直于轮齿齿线的平面; 齿顶圆是指齿顶端所在的圆;

14、齿根圆是指槽底所在的圆;基圆是形成渐开线的发生线作纯滚动的圆;分度圆 是在端面内计算齿轮几何尺寸的基准圆。齿轮可按齿形、齿轮外形、齿线形状、轮齿所在的表面和制造方法等分类。齿轮的齿形包括齿廓曲线、压力角、齿高和变位。渐开线齿轮比较容易制造,因 此现代使用的齿轮中 ,渐开线齿轮占绝对多数,而摆线齿轮和圆弧齿轮应用较少。 在压力角方面,小压力角齿轮的承载能力较小;而大压力角齿轮,虽然承载能力 较高,但在传递转矩相同的情况下轴承的负荷增大,因此仅用于特殊情况。而齿轮的 齿高已标准化, 一般均采用标准齿高。 变位齿轮的优点较多, 已遍及各类机械设备中。 另外,齿轮还可按其外形分为圆柱齿轮、锥齿轮、非圆

15、齿轮、齿条、蜗杆蜗轮;按齿线形状分为直齿轮、斜齿轮、人字齿轮、曲线齿轮;按轮齿所在的表面分为外齿 轮、内齿轮;按制造方法可分为铸造齿轮、切制齿轮、轧制齿轮、烧结齿轮等。 齿轮的制造材料和热处理过程对齿轮的承载能力和尺寸重量有很大的影响。 20世纪 50年代前,齿轮多用碳钢, 60年代改用合金钢,而 70年代多用表面硬化钢。按 硬度 ,齿面可区分为软齿面和硬齿面两种。软齿面的齿轮承载能力较低,但制造比较容易,跑合性好, 多用于传动尺寸和 重量无严格限制,以及小量生产的一般机械中。因为配对的齿轮中,小轮负担较重, 因此为使大小齿轮工作寿命大致相等,小轮齿面硬度一般要比大轮的高 。硬齿面齿轮的承载能

16、力高,它是在齿轮精切之后 ,再进行淬火、表面淬火 或惨碳淬火处理,以提高硬度。但在热处理中,齿轮不可避免地会产生变形,因此在 热处理之后须进行磨削、研磨或精切 ,以消除因变形产生的误差,提高齿轮的精度。 二、制造齿轮常用的材料制造齿轮常用的钢有调质钢、淬火钢、渗碳淬火钢和渗氮钢。铸钢的强度比锻钢 稍低,常用于尺寸较铁大的齿轮;灰铸铁的机械性能较差,可用于轻载的开式齿轮传 动中;球墨铸可部分地代替钢制造齿轮 ;塑料齿轮多用于轻载和要求噪声低的地方, 与其配对的齿轮一般用导热性好的钢齿轮。未来齿轮正向重载、高速、 高精度和高效率等方向发展, 并力求尺寸小、 重量轻、 寿命长和经济可靠。而齿轮理论和

17、制造工艺的发展将是进一步研究轮齿损伤的机理, 这是建立可靠的 强度计算方法的依据,是提高齿轮承载能力,延长齿轮寿命的理论基础;发展以圆弧 齿廓为代表的新齿形;研究新型的齿轮材料和制造齿轮的新工艺; 研究齿轮的弹性 变形、 制造和安装误差以及温度场的分布, 进行齿轮修形, 以改善齿轮运转的平稳性, 并在满载时增大轮齿的接触面积,从而提高齿轮的承载能力。摩擦、润滑理论和润滑技术是 齿轮研究中的基础性工作,研究弹性流体动压润 滑理论,推广采用合成润滑油和在油中适当地加入极压添加剂,不仅可提高齿面的承 载能力,而且也能提高传动效率。三、渐开线齿轮切齿方法(一展成法(范成法展成法又称滚切法,是加工时切削

18、工具与工件作相对展成运动,刀具和工件的瞬心线 相互作纯滚动,两者之间保持确定的速比关系,所获得加工表面就是刀刃在这种运动 中的包络面,齿轮加工中的滚齿、插齿、剃齿、珩齿和磨齿等均属展成法加工。有些 切削加工兼有刀尖轨迹法和成形刀具法的特点, 如螺纹车削。 展成法是利用一对齿轮 (或 齿轮与齿条 啮合时其共轭齿廓互为包络线的原理来切齿的。如果把其中一个齿轮 (或齿条 做成刀具,就可以切出与它共轭的渐开线齿廓。用范成法切齿的常用刀具如下。1、齿轮插刀 2、齿条插刀 3、齿轮滚刀 范成法的特点优点:同一模数的齿轮使用同一把刀具,生产效率高,加工精度高 缺点:需要专用机床根切现象 :用展成法加工齿轮时

19、,若刀具的齿顶线(或齿顶圆超过理论啮合线极限点 N 时,被加工齿轮齿根附近的渐开线齿廓将被切去一部分,这种现象称为根切。 轮齿的根切大大削弱了轮齿的弯曲强度, 降低齿轮传动的平稳性和重合度, 因此应力求避免 (二 仿形法仿形法是在普通铣床上用轴向剖面形状与被切齿轮齿槽形状完全相同的铣刀切制齿轮 的方法。铣完一个齿槽后,分度头将齿坯转过 360°/z,再铣下一个齿槽,直到铣出所有的 齿槽。 仿形法加工方便易行,但精度难以保证。在生产中通常用同一号铣刀切制同模数、 不同齿数的齿轮,故仿形法通常是近似的。 四、斜齿轮设计以下针对“基圆半径大于齿根圆半径” 斜齿轮设计 , 本例中的齿廓曲线由

20、渐开线和圆 弧组成,这样的齿轮其基圆半径大于齿根圆半径 .(一设计参数工具参数(二 创建关系式工具关系输入以下关系式:Rp=0.5*m*zRb=Rp*cos(anglePc=pi*mTp= Pc/2Ra= Rp+1*mRd=Rp-1.157*mTb=2*Rb*(Tp/(2*Rp+(tan(angle-angle*2*pi/360A1=Tb/Rb*360/(2*piA2=(360/z -A1(三以拉伸的方式创建齿轮本体实体 front 面为草绘平面画圆默认半径值双侧拉伸,深度 =b工具关系输入以下关系式:d1= 2*Ra确定再生(四创建一个与 TOP 面夹 18°的基准平面 穿过选轴线

21、 A_1角度选 TOP 面输入默认的值工具关系输入以下关系式:d#= 360/z确定再生(五以可变截面扫描创建第一个齿轮面1、创建过渡圆弧曲线 以零件正面为草绘平面顶面选 DTM1选 DTM1和 Right 面为参考画圆弧, 如图 4-1图 4-1工具关系输入以下关系式: sd3=a2/2 sd4=Rb sd5=a12、将圆弧线段镜像到零件背面 选曲线选 Front 面3、以可变截面扫描创建曲面 插入可变剖面扫描选取曲线为扫描轨迹线,如图 4-2图4-2 绘制直线,如图 4-3图 4-3工具关系输入以下关系式: todeg=180/pi roll_angle=0 solveroll_angle

22、*todeg-atan(roll_angle=trajpar*A1 for roll_anglesd4=Rb*(1+roll_angle20.5 (六 镜像另一齿轮面选曲面 选 DTM1 面 (七 草绘齿形曲线 选零件正面为草绘平面草绘绘制如图 4-4 图 4-4 工具关系输入以下关系式: sd5=rd sd10=r (八 平移旋转曲线 选曲线 将保留原件钩选选 front 面反向输入距离:b确定 选坐标系选 z 轴反向输入:5确定 选平移曲线 (九草绘扫描轨迹线 选 top 面为草绘平面front 面为底面草绘绘制如图 4-5 图 4-5 (十 扫描混合去除材料 插入扫描混合切口草绘截面垂直

23、于原始轨迹完成选取轨迹选步骤九创 建的曲线完成自动完成绕 z 轴旋转 0 度确定抓取截面 1确定自动完 成绕 z 轴旋转 0 度确定抓取截面 2确定正向确定 (十一将所有的曲面和曲线关闭 右击03_PRT_ALL_CURVES遮蔽层右击06_PRT_ALL_SURFS遮蔽层 (十二复制扫描混合特征 编辑特征操作复制移动选取独立完成选取切剪特征完成旋转曲 线/边/轴选轴线 A-2正向输入:360/z确定完成移动完成确定 (十三阵列 选复制特征 选 18°为驱动尺寸增量为 18°总数为 2确定 10 工具关系输入以下关系式: d17=360/z p18=z-1 确定再生 (十四

24、挖出轴孔及键槽 选零件的正面草绘绘制如图 4-6 图 4-6 工具关系输入以下关系式: sd7=rp/3 sd8=rp/7.5 sd9=rp/2.5 确定深度:穿过所有 五,斜齿轮变更参数实现 变更参数,改变齿轮设计 (一删除阵列复制特征 选阵列特征右击删除确定删除关系 (二输入新的参数值 工具参数输入新的参数值 m=5 确定 (三复制剪切特征 编辑特征操作复制移动选取独立完成选取切剪特征完成旋转曲 线/边/轴选轴线 A-2正向输入:360/z确定完成移动完成确定 (四 阵列复制特征 选复制特征 选 12°位驱动尺寸增量为 12总数为 2确定 11 z=30 b=20 工具关系输入以下关系式: d#=360/z p#=z-1 确定再生 六, 总结 这次的毕业设计,我收获很多,对齿轮模具的设计有了较全面的了解.设计过程中经 历了数十次的反复,掌握到比较科学的思考和设计方法,这对我以后从