【正文】 行方案評審，并不斷修改設(shè)計，直到達到設(shè)計要求。 同時， UG 軟件最新的 UG NX 版本系列還是其與 IDEAS 軟件進行整合的版本，實現(xiàn)了它們之間的互操作性。這兩個系統(tǒng)彼此能互相訪問，在一個集成中進行設(shè)計，也都可以對該設(shè)計進行分析或加工。用戶可以充分利用兩套軟件的優(yōu)勢來優(yōu)化自己的產(chǎn)品研發(fā)流程，獲取更高的價值。兩套系統(tǒng)之間保證雙向變更的相關(guān)通知 及更新，并保護設(shè)計意圖，實現(xiàn)對歷程樹等的智能跟蹤。按階段，兩套軟件將逐步實現(xiàn)針對幾何參數(shù)、模型文件、產(chǎn)品數(shù)據(jù)的互操作性。比如，在繪制產(chǎn)基于 UG 的直齒圓錐齒輪的參數(shù)化、可視化設(shè)計 6 品的二維圖形時，可以將 IDEAS 的數(shù)據(jù)自動讀入 UG NX 中，在草圖設(shè)計中追加約束條件。 本設(shè)計主要是在 UG 的圖形環(huán)境中實現(xiàn) 一對嚙合 直齒圓錐齒輪的三維參數(shù)，并利用電子表格對 它的主要參數(shù) 進行驅(qū)動 并生成新的零件 。 基于 UG 的直齒圓錐齒輪的參數(shù) 化、可視化設(shè)計 7 第二章 直齒圓錐齒輪的相關(guān)計算 概述 錐齒輪是圓錐齒輪的簡稱，它用來實現(xiàn)兩相交軸之間的 傳動 ,兩軸交角 S 稱為軸角，其值可根據(jù)傳動需要確定，一般多采用 90176。錐齒輪的輪齒排列在截圓錐體上，輪齒由齒輪的大端到小端逐漸收縮變小，如下圖 21 所示。由于這一特點，對應(yīng)于圓柱齒輪中的各有關(guān) 圓柱 在錐齒輪中就變成了 圓錐 ，如分度錐、節(jié)錐、基錐、齒頂錐等。錐齒輪的輪齒有直齒、斜齒和曲線齒等形式。直齒和斜齒錐齒輪設(shè)計、制造及安裝均較簡單，但噪聲較大，用于低速傳動（＜ 5m/s＝ ；曲線齒錐齒輪具有傳動平穩(wěn)、噪聲小及承載能力大等特點，用于高速重載的場合。本節(jié)只討論 S=90176。 的標準直齒錐齒輪傳動。 [1] 圖 21直齒錐齒輪軸向截面圖 齒輪傳動的優(yōu)缺點 齒輪傳動的主要優(yōu)點是：①傳動效率高；②工作可靠；③使用壽命長；④傳動比準確；⑤結(jié)構(gòu)緊湊；⑥功率和速度適用范圍很廣等。 齒輪傳動的分類 按軸的布置方式分類：①平行軸齒輪傳動；②相交軸齒輪傳動；③交錯軸齒輪傳動。 按軸線相對于齒輪母線方向分類：①直齒；②斜齒；③人字齒；④曲線齒。 按齒輪傳動工作條件分類：①閉式傳動；②開式傳動；③半開式傳動。 按齒廓曲入灰砂和雜物，不能保證良好的潤滑，故輪齒易磨損，多用于低速度、不重要的場合。閉式齒輪傳動，其齒輪和軸承完全封閉在箱體內(nèi)，能保證良好的潤滑和較好的嚙合精度，為多數(shù)齒輪傳動所采用。半開式齒輪傳動，齒輪浸入油池內(nèi)，上裝護罩，但不封閉。 齒輪傳動的基本要求 齒輪傳動應(yīng)滿足如下的基本要求： ①傳動平穩(wěn) 要求瞬時傳動比不變，盡量減小沖擊、振動和噪音，保證較高的運動精度； ②承載能力高 要求在尺寸小、重量輕的前提下，輪齒的強度高、耐磨性基于 UG 的直齒圓錐齒輪的參數(shù)化、可視化設(shè)計 8 好，能達到預(yù)定的工作壽命。 在齒輪設(shè)計時，只要齒輪設(shè)計合理，齒輪材料及熱處理選擇合適，制造質(zhì)量高，達到規(guī)定的制造精度，就能 達到預(yù)定的功能要求。 線分類：①漸開線齒；②擺線齒；③圓弧齒。 按齒面硬度分類：①軟齒面（≤ 350HBS）；②硬齒面（ 350HBS）。 齒論傳動的失效形式、設(shè)計準則與材料及熱處理 齒輪傳動的失效形式 齒輪傳動常見的失效形式有輪齒折斷和齒面損傷。齒面損傷又有齒面點蝕、磨損、膠合和塑性變形等。 輪齒折斷 折斷一般發(fā)生在齒根部位。折斷一種是由多次重復(fù)的彎曲應(yīng)力和應(yīng)力集中造成的疲勞折斷；另一種是因短時的過載或沖擊載荷而造成的過載折斷。如圖 22所示。兩種折斷均發(fā)生在輪齒受拉應(yīng)力的一側(cè)。 齒寬較小的直齒圓柱齒輪，齒根裂紋一般是從齒根沿橫向擴展，最后發(fā)生全齒的疲勞折斷。齒寬較大的直齒圓柱齒輪，一般因制造誤差使載荷集中在齒的一端，裂紋擴展可能沿斜方向，最后發(fā)生局部齒折斷。斜齒圓柱齒輪和人字齒輪因接觸線是傾斜的，其齒根裂紋往往從齒根斜向齒頂?shù)姆较驍U展，最后發(fā)生局部齒疲勞折斷。 當(dāng)齒輪受到短時過載或沖擊載荷時，易引起輪齒過載折斷。 采用正變位等方法增加齒根圓角半徑可減少齒根處的應(yīng)力集中，能提高輪齒的抗折斷能力。降低齒面的粗糙度，對齒根處進行噴丸、輥壓等強化處理工藝等，均可提高輪齒的抗疲勞折斷能力。 齒面點蝕 由于齒面的接觸應(yīng)力是交變的，應(yīng)力經(jīng)過多次重復(fù)后，在節(jié)線附近的表面上，會 出現(xiàn)若干小裂紋（如圖 23）。封閉在裂紋中的潤滑油，在壓力作用下，產(chǎn)生楔擠作用而使裂紋擴大，最后導(dǎo)致表層小片狀剝落而形成麻點狀凹坑，稱為齒面疲勞點蝕。點蝕出現(xiàn)的結(jié)果，往往產(chǎn)生強烈的振動和噪音，導(dǎo)致齒輪失效。圖 22齒面折斷 基于 UG 的直齒圓錐齒輪的參數(shù) 化、可視化設(shè)計 9 對于軟齒面齒輪（硬度≤ 350HBS），當(dāng)載荷不大時，在工作初期，由于相嚙合的齒面接觸不良造成局部應(yīng)力過高而出現(xiàn)僅為針尖大小的麻點。齒面經(jīng)過一段時間的跑合后，接觸應(yīng)力趨于均勻， 麻點不在擴展或消失，這種點蝕 稱為早期點蝕（如圖 24（ a））。如果在較大的載荷作用下，齒面點蝕面積會不斷擴展，麻點數(shù)量不斷增加并連成片，點蝕坑大而深，就會發(fā)展成破壞性點蝕（如圖 24（ b））。 對于硬齒面齒輪（硬度 350HBS），其齒面接觸疲勞強度高，一般不宜出現(xiàn)點蝕，但有于齒面硬、脆，不宜磨損，所以一旦出現(xiàn)點蝕，他會不斷擴大，形成破壞性點蝕。 （ a）早期點蝕 （ b）破壞性點蝕 圖 24硬 齒面點蝕 開式齒輪傳動，由于齒面磨損較快，很少出現(xiàn)點 蝕。 提高齒面硬度和潤滑油的粘度，采用正角度變位傳動等，均可減緩或防止點蝕的產(chǎn)生。 齒面膠合 膠合是比較嚴重的粘著磨損。在高速重載傳動時，因滑動速度高而產(chǎn)生的瞬時高溫會使油膜破裂，造成齒面間的粘焊現(xiàn)象，粘焊處被撕脫后，輪齒表面沿滑動方向形成溝痕，這種膠合稱為熱膠合（如圖 25）。在低速重栽傳動中，不宜形成油膜，摩擦熱雖不大，但也能因重載而出現(xiàn)冷焊粘著，這種膠合稱為冷膠合。圖 23軟齒面點蝕 基于 UG 的直齒圓錐齒輪的參數(shù)化、可視化設(shè)計 10 熱膠合是高速、重載齒輪傳動的主要失效形式。 減小模數(shù)、降低齒高以減小滑動系數(shù)，提高齒面硬度，采用抗膠合能力強的潤滑油（極壓 油）等，均可減緩或防止齒面膠合的產(chǎn)生。 齒面磨損 當(dāng)外界的硬屑落入運動著的齒面間，就可能產(chǎn)生磨料磨損（如圖 26）。另外當(dāng)表面粗糙的硬齒與較軟的輪齒相嚙合時，由于相對滑動，軟齒表面易被劃傷也可能產(chǎn)生磨料磨損。磨損后，正確的齒形遭到破壞，齒厚減薄，最后導(dǎo)致輪齒因強度不足而折斷。 改善潤滑、密封條件，在潤滑油中加入減磨添加劑，保持 潤滑油的的清潔，提高齒面硬度等，均能提高齒面的抗磨料磨損的能力。 [4] 圖 25齒面膠合 圖 26齒面磨損 齒面塑性變形 當(dāng)齒輪材料較軟而載荷及摩擦力又很大時，在嚙合過程中，齒面表層材料就會沿著摩擦力的方向產(chǎn)生塑性變形從而破壞正確齒形。由于在主動輪齒面節(jié)線的兩側(cè)，齒頂和齒根的摩擦力方向相背，因此在節(jié)線附近產(chǎn)生凹槽，從動輪則相反，由于摩擦力方向相對，因此在節(jié)線附近形成凹脊（如圖 27）。這種失效常在低速重載、頻繁起動和過載傳動中出現(xiàn)。 適當(dāng)提高齒面硬度，采用粘度較大的潤滑油，可以減輕或防止齒面塑性流動。 設(shè)計準則 齒輪傳動的設(shè)計準則是有失效形式確定的。 開式傳 動的齒輪，主要失效形式是彎曲疲勞磨損和磨料磨損，磨損尚無完善的計算方法，所以目前只能進行彎曲強度計算，并用適當(dāng)加大模數(shù)的辦法以考慮磨料磨損的影響。 圖 26 基于 UG 的直齒圓錐齒輪的參數(shù) 化、可視化設(shè)計 11 圖 2－ 7 齒面塑性變形 閉式傳動的齒輪，主要失效形式是接觸疲勞點蝕、彎曲疲勞折斷和齒面膠合。一般情況下，只進行齒面接觸疲勞強度計算和齒根彎曲疲勞強度計算。對于高速、大功率的齒輪傳動，還應(yīng)進行抗膠合計算。對于閉式軟齒面的齒輪傳動，主要是齒面接觸疲勞強度，其次才是齒根彎曲疲勞強度，一般來說，只要接觸疲勞強度滿足，彎曲疲勞強度一般是滿足的。對于閉 式硬齒面的齒輪傳動，齒面疲勞強度和彎曲疲勞強度一般不分主次。 對于有短時過載的齒輪傳動，無論是開式還是閉式，都應(yīng)進行靜強度計算。 齒輪材料及熱處理 由齒輪傳動的失效形式可知，設(shè)計齒輪傳動時，應(yīng)使齒面具有較高的抗磨損、抗點蝕、抗膠合等能力，而齒根要有較高的抗折斷能力。因此，對齒輪材料性能的基本要求為：齒面要有足夠的硬度，而齒芯要有一定的韌性。 常用的齒輪材料有：鍛鋼、鑄鋼、鑄鐵和非金屬材料。 鍛鋼 一般的齒輪都采用鍛鋼制造，常用的是含碳量在 ％ ～ ％的碳鋼或 合金鋼。按熱處理方式和齒面硬度不同可分為以下兩種情況： ① 對于要求不高的齒輪，可采用軟齒面（ 硬度 ＜ 350HBS）以便于切齒。此時，應(yīng)將齒輪毛坯經(jīng)過?；ㄕ穑┗蛘{(diào)質(zhì)處理后切齒。切齒后即為成品。其精度一般為 8級，精度 可達 7 級。這類齒輪制造簡單、較經(jīng)濟，且生產(chǎn)率高。 ②對于高速、重載以及高精度要求的齒輪傳動，一般輪齒應(yīng)具有較高的硬度（硬度 =58～ 65HRC），在加工時還應(yīng)進行磨齒精加工。需精加工的齒輪目前多為先切齒，再作表面硬化處理，最后進行精加工，精度可達 5級或 4 級。所采用的熱處理方式有表面淬火、 滲碳、氮化等。這類齒輪精度高，價格較貴。 合金鋼可使材料的韌性、耐沖擊性、耐磨性以及抗膠合性能等得以提高，也可以通過熱處理或化學(xué)熱處理方法改善材料的機械性能和提高齒面的硬度。所以在高速、重載以及有特別要求的場合，就可用性能優(yōu)良的合金鋼來制造齒 輪 輪齒 材料有：鍛鋼、鑄鋼、鑄鐵和非金屬材料。 鑄鋼 鑄鋼的耐磨性以及強度均較好，一般需經(jīng)退火及常化處理，必要時也可進行 基于 UG 的直齒圓錐齒輪的參數(shù)化、可視化設(shè)計 12 調(diào)質(zhì)。鑄鋼常用于尺寸較大的齒輪。 鑄鐵 鑄鐵的抗彎及耐沖擊性能較差，但抗膠合及抗點蝕的性能較好。鑄鐵齒輪常用于工作平穩(wěn) 、速度較低、功率不大和對尺寸與質(zhì)量要求不高的齒輪傳動中。 非金屬材料 非金屬材料的硬度、接觸強度和彎曲強度低，常用于高速、輕載及精度要求不高的齒輪傳動中。另外為了降低噪音，常用非金屬材料做小齒輪，大齒輪仍用鋼或鑄鐵。 表 21 常用的齒輪材料及其機械性能 材料牌號 熱處理方式 強度極限 屈服極限 硬度 B? （ MPa） s? （ MPa） HBS HRC（齒面） 45 正火 588 294 169～ 217 調(diào)質(zhì) 647 373 229～ 286 表面淬火 40～ 50 35SiMn 42SiMn 調(diào)質(zhì) 785 510 229～ 286 表面淬火 45～ 55 40Cr 調(diào)質(zhì) 735 539 241～ 286 表面淬火 48～ 55 20CrMnTi 滲碳后淬火 1100 850 58～ 62 ZG310～ 370 正火 570 310 162～ 197 ZG340～ 640 正火 640 340 179～ 207 調(diào)質(zhì) 700 380 241～ 269 HT250 250 170～ 241 HT300 300 187～ 255 QT5005 正火 500 147～ 241 QT6002 正火 600 229～ 302 錐齒輪大端背錐、當(dāng)量齒輪及當(dāng)量齒數(shù) 背錐和當(dāng)量齒輪 如 圖 （ 28） 為一錐齒輪的軸向半剖面，其中 DOAA 為分度錐的軸剖面，錐長 OA稱錐 距，用 R 表示；以錐頂 O為圓心，以 R 為半徑的圓應(yīng)為球面的投影。若以球面漸開線作錐齒輪的齒廓，則園弧 bAc 為輪齒球面大端與軸剖面的交線，該球面齒形是不能展開成平面的。為此，再過 A作 O1A⊥ OA，交齒輪的軸線于點 O1。設(shè)想以 OO1 為軸線，以 O1A 為母線作圓錐面 O1AA，該圓錐稱為錐齒輪的大端背錐。顯然，該背錐與球面切于錐齒輪大端的分度圓。由于大端背錐母線 1A 與錐齒輪的分度錐母線相互垂直，將球面齒形的圓弧 bAc 投影到背錐上得到線段 b39。Ac39。，圓弧 bAc 與線段 b39。Ac39。非常接近，且錐距 R 與錐齒輪大端模數(shù) m之比值愈大（ 一般 R/m30），兩者就更接近。這說明：可用大端背錐上的齒形近似地作為錐齒輪的大端齒形。由于背錐可展開成平面并得到一扇形齒輪，扇形齒輪的模數(shù) m、基于 UG 的直齒圓錐齒輪的參數(shù) 化、可視化設(shè)計 13 壓力角 a 和齒高系數(shù) ha*等參數(shù)分別與錐齒輪大端參數(shù)相同。再將扇形齒輪補足成完整的直齒圓柱齒輪，這個虛擬的圓柱齒輪稱為該錐齒輪的大端當(dāng)量齒輪。 圖 2－ 8 齒輪的軸向半剖圖 基本參數(shù)