AutoCAD环境下减速器轴设计的算法及实现

1、AutoCAD环境下减速器轴设计的算法及实现摘要：基于AutoCAD2000平台，探讨了减速器齿轮轴CAD中的关健问题，提出了减速器轴的力学模型和结构特征，利用开发的轴设计程序，使轴设计中的强度计算、结构设计及绘图连成一体，从而使减速器的自动化设计成为可能。关健词：减速器；轴；CAD 1 概述 减速器设计中，难度最大的部件当数减速器的齿轮轴。齿轮轴是支撑轴上零件、传递运动和动力的关键部件，其设计包含两个主要内容：强度计算和结构设计。实际设计中，这二者互相关联、互相影响，此外，轴在减速箱体中的装配位置、轴上零件的结构及装配都会直接影响轴的结构及强度，因而齿轮轴的设计十分复杂，一直是减速器设计中的

2、“瓶颈”。 本文的研究在于探讨开发实用程序，实现减速器齿轮轴设计的自动化，使轴的强度计算、结构设计、工作图绘制一体化，真正体现计算机辅助设计系统的特点，从而提高产品设计效率和设计质量。我们在AutoCAD2000的平台上，以ObjectARX作为开发工具，充分利用Visual C+可视化编程、便于交互等特点，以及AutoCAD2000强大的二维、三维绘图功能，将传统设计与计算机技术有机结合，使减速器设计的“瓶颈”问题得以较好解决。 2 齿轮轴的力学模型 建立齿轮轴的力学模型，是实现减速器齿轮轴的设计自动化关键之一。首先我们对实际减速器的受力情况进行分析。 图1 减速器简图图1是一个比较典型的圆

3、锥一圆柱齿轮减速器，其上有三个齿轮轴，每个轴均由两个轴承支撑在箱体上，轴的结构及受力各有特点：I轴两端外伸，轴两端分别安装有锥齿轮、联轴器(或带轮)，锥齿轮端受到II轴传来的轴向力及切向力，联轴器端与原动机相连，接受原动机输人的扭矩；II轴两端简支无外伸部分，两支撑之间安装有两齿轮，齿轮分别受到I轴、III轴传来的轴向力及切向力；III轴一端外伸，外伸端通过联轴器(或链轮)与工作机相连，将动力输出。考察各种不同的减速器，其轴的受力情况主要有这样三种形式。三种形式的受力简图如图2所示。 圈2 轴的三种受力简图:好就好:中国权威模具网分析这三种轴的受力情况，根据力学原理，进行归纳整理，表达在空间直

4、角坐标系XYZ中，如图3所示。 图3轴的力学模型其中，轴的B支座处设为坐标系原点，沿轴线方向设为X轴，垂直于轴线的方向设为Y轴和Z轴，从而构成减速器齿轮轴受力模型。在受力模型上，分布有以下几种载荷：垂直方向集中力(Fy1,Fy2)及力矩(My1,My2)、水平方向集中力(Fz1,Fz2)及力矩(Mz1,Mz2)。垂直支反力(Rva,Rvb)、水平支反力(Rza,Rzb)、轴上扭矩T1、T2等。 轴上各点力的大小不同，可演化成不同类型的受力轴：若C处各力为0，则形成I类型的受力轴；若A、E处各力为0，且C处力分解为两个力，则形成II类型的受力轴；若E处各力为0，则形成III类型的受力轴。 按照力

5、学原理，将各力分别向坐标面投影，得轴上任一点处的弯矩如下： 将两平面弯矩合成为一空间弯矩，得总弯矩 再将弯矩M与扭矩T合成当量弯矩： 根据上述计算结果，绘制出当量弯矩图，最后依照 检验轴的危险截面，保证在轴的任何处截面上，都有 否则需要进行重新设计。 3 减速器齿轮轴的结构特征 减速器齿轮轴的强度设计不是孤立进行的，是在结构设计的基础上展开的。减速器齿轮轴的结构设计主要是用来确定轴的合理外形(轴各段直径及长度)和轴的全部结构尺寸。轴的结构设计应满足：轴及轴上零件能固定牢靠，定位准确；轴上零件应装拆和调整方便；轴应具有良好的制造工艺性；尽量减小应力集中；轴受力合理，节省材料和减轻重量等。 抽象出

6、减速器轴的结构特征，是实现减速器齿轮轴的设计自动化又一关键所在。减速器齿轮轴一般多为阶梯型的直轴。从形体上看，是多段不同直径的圆柱体的组合。假定用一过轴线的剖面对轴进行剖切，剖切轮廓为一规则的封闭的折线，轴可以看成是折线绕轴线旋转一周形成的旋转体。这个封闭的折线也称作轴的特征轮廓。 决定轴的轮廓特征主要有三大要素：1)类型特征，表征轴的阶梯形状，主要由轴上零件的配合性质、装配顺序、装配方向所决定，如图4所示；2)尺度特征，即轴段的直径和各轴段的长度。轴段的直径以最小轴径公式：(mm)作为计算的出发点(式中，C-材料许用剪应力系数；P-传递功率(kW)；n-轴转速(r/min)，根据其结构需要逐

7、段加粗。各轴段的长度则主要考虑轴的结构和轴上零件间的轴向距离，轴段直径及长度大小按机械设计规范来定；3)工艺特征，即细部工艺结构，诸如螺纹孔、键槽、倒角、圆角等。 图4 齿轮轴装配草图上述特征要素根据其与轴结构的影响程度，可划分优先等级：类型特征为一级，尺度特征为二级，工艺特征则为三级。 在实际的程序设计中，轴的轮廓特征最终由轴轮廓折线的顶点来保证，这些顶点即轴轮廓的特征点。特征点的坐标是由设计参数来确定，有时往往不能一次直接输入所有参数，需要在设计过程中，根据计算结果交互给出，优先级别决定了特征参数输入的顺序。 4 轴设计流程框图基于以上分析，我们编制了轴设计程序，图5为减速器齿轮轴设计的流

8、程框图。流程中的每一项均采用了对话框形式，程序在VisualC+环境下，经调试编译通过后由AutoCAD命令行交互输人有关设计参数，自动绘制出轴的零件图(平面图)或者三维图。 图5程序框图5 设计实例 本文根据程序框图，编制出ObjectARX应用程序，对一单级齿轮减速器高速轴进行了设计，具体操作如下。 5.1 设计参数 输人功率P1=5kW，转速n1=540r/min，小齿轮齿数z1=22，法面模数mn=4，螺旋角(右旋)=8°06'，节圆直径d1=88.89mm，齿宽B4=70mm，轴上带轮宽B1=70mm,带作用于轴上的力B1=1200N。 5.2 运行准备 (1)首先

9、在Visual C+中进行编程、编译和链接； (2)在AutoCAD中加载ARX应用程序； (3)在Command命令行上直接输人应用程序中所定义的AutoCAD外部命令。 5.3 运行结果 (1)程序运行，弹出基本设计参数对话框，在此对话框中，选定轴类型、要输人的功率和转速等； (2)在随后的轴结构设计对话框(如图6所示)中，参考其上轴结构草图，输人各支点载荷大小、许用弯曲应力；依据最小估算直径输人所选轴承的各项参数。 (3)程序运行，在计算结果对话框中，显示此轴所受的垂直弯矩、水平弯矩、合成弯矩图和扭矩图以及最终合成的当量弯矩图。 (4)对危险点截面进行强度校核，当有的危险截面强度校核结果不符合强度要求时，点单选钮“重新校核”，当危险截面强度校核结果全都符合强度要求时，点单选钮“结构设计”。 (5)本程序最后可生成“平面图”和“三维图”，也可将