【正文】 機(jī)構(gòu)。目前齒輪傳動(dòng)技術(shù)已成為世界各國(guó)機(jī)械傳動(dòng)發(fā)展的重點(diǎn)之一。提高齒輪的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率已經(jīng)成為提高機(jī)械產(chǎn)品的效率和關(guān)鍵。齒輪類零件參數(shù)化設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者進(jìn)行了研究。張文麗用VB二次開(kāi)發(fā)Pro/ENGINEER建立齒輪參數(shù)化模型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[2]。張繼春采用Pro/ENGINEER實(shí)現(xiàn)了對(duì)結(jié)構(gòu)形狀基本相同而尺寸大小不同的一系列機(jī)械零件的參數(shù)化的二次開(kāi)發(fā)實(shí)用[3]。姜美榮、黃愷、韓玉等人以PRO／E為環(huán)境實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)線嚙合齒輪參數(shù)化的建模[4]。李叢德、王得勝實(shí)現(xiàn)了基于VB的SolidWorks漸開(kāi)線齒輪二次開(kāi)發(fā)方法研究[5]等。但實(shí)現(xiàn)一系列化的從改變初始條件到自動(dòng)生成齒輪模型及最終選擇齒輪類型的參數(shù)化設(shè)計(jì)還很少，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)系列化，模型化有實(shí)際應(yīng)用意義。 參數(shù)化技術(shù)研究?jī)?nèi)容、意義、研究背景 本論文研究的內(nèi)容為了實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)一系列化的從改變初始條件到自動(dòng)生成齒輪模型及最終選擇齒輪類型的參數(shù)化設(shè)計(jì)，本文選擇VB語(yǔ)言作為開(kāi)發(fā)工具。在齒輪的設(shè)計(jì)中，計(jì)算一個(gè)齒輪的各幾何尺寸時(shí)，直接用公式就可以計(jì)算出結(jié)果，但是當(dāng)我們要計(jì)算多個(gè)甚至更多個(gè)齒輪的幾何尺寸時(shí)，就變得十分繁瑣，這里使用VB編寫(xiě)了一個(gè)程序，解決了這一問(wèn)題。所謂參數(shù)化設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)圖形的拓?fù)潢P(guān)系不變，尺寸形狀由一組參數(shù)進(jìn)行約束，參數(shù)與圖形的控制尺寸有顯式的對(duì)應(yīng)。參數(shù)化設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，最大的特點(diǎn)是它儲(chǔ)存了整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，使工程技術(shù)人員可以通過(guò)更改某些約束參數(shù)的數(shù)值即可快速獲得不同的零件。本設(shè)計(jì)用VB編程使計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單化，提高了計(jì)算精度，且能夠方便的看到計(jì)算結(jié)果，大大提高了工作效率。齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括直齒圓柱齒輪，斜齒圓柱齒輪，直齒斜齒圓錐齒輪機(jī)構(gòu)，蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)等。在VB界面下選擇閉式齒輪還是開(kāi)式齒輪傳動(dòng)，選擇齒輪材料和熱處理方法得出材料的應(yīng)力極限值，小齒輪或大齒輪的額定功率，轉(zhuǎn)速，齒數(shù)或傳動(dòng)比等，傳動(dòng)的類型（單向還是雙向）傳動(dòng)比誤差范圍等最后計(jì)算得出各齒輪的參數(shù)。 本論文研究的背景、意義，隨著時(shí)代的發(fā)展和科技的進(jìn)步，齒輪的各個(gè)方面的性能都要求能滿足個(gè)方面生產(chǎn)的需求。這就需要我們對(duì)齒輪進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，使齒輪的性能更加好，精度更加高，這將使生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品的質(zhì)量更好！，可以檢驗(yàn)并整合我大學(xué)四年來(lái)對(duì)所學(xué)習(xí)的專業(yè)知識(shí)，并促使我將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際設(shè)計(jì)中， 最終提高自身把理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為市場(chǎng)所需的產(chǎn)品的能力。，包括計(jì)算、繪圖和使用設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范等能力。，拓寬了我對(duì)編程的認(rèn)識(shí)。鞏固了我的編程思路，通過(guò)對(duì)軟件的開(kāi)發(fā)，使我更好的了解參數(shù)化的過(guò)程。，對(duì)所研究零件進(jìn)行參數(shù)化定義及三維可視化顯示，使設(shè)計(jì)結(jié)果直觀明了，易于修改和完善，進(jìn)而縮短總體產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造周期。第2章 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)理論 齒輪傳動(dòng)的失效形式和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則一、齒輪傳動(dòng)的失效形式[6]齒輪傳動(dòng)是靠齒與齒的嚙合進(jìn)行工作的，輪齒是齒輪直接參與工作的部分，所以齒輪的失效主要發(fā)生在輪齒上。主要的失效形式有輪齒折斷、齒面點(diǎn)蝕、齒面磨損、齒面膠合以及塑性變形等。 輪齒折斷通常有兩種情況：一種是由于多次重復(fù)的彎曲應(yīng)力和應(yīng)力集中造成的疲勞折斷；另一種是由于突然產(chǎn)生嚴(yán)重過(guò)載或沖擊載荷作用引起的過(guò)載折斷。尤其是脆性材料（鑄鐵、淬火鋼等）制成的齒輪更容易發(fā)生輪齒折斷。兩種折斷均起始于輪齒受拉應(yīng)力的一側(cè)，如圖21所示。增大齒根過(guò)渡圓角半徑、改善材料的力學(xué)性能、降低表面粗糙度以減小應(yīng)力集中，以及對(duì)齒根處進(jìn)行強(qiáng)化處理（如噴丸、滾擠壓）等，均可提高輪齒的抗折斷能力。 輪齒工作時(shí)，齒面嚙合處在交變接觸應(yīng)力的多次反復(fù)作用下，在靠近節(jié)線的齒面上會(huì)產(chǎn)生若干小裂紋。隨著裂紋的擴(kuò)展，將導(dǎo)致小塊金屬剝落，這種現(xiàn)象稱為齒面點(diǎn)蝕，如圖22所示。齒面點(diǎn)蝕的繼續(xù)擴(kuò)展會(huì)影響傳動(dòng)的平穩(wěn)性，并產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，導(dǎo)致齒輪不能正常工作。點(diǎn)蝕是潤(rùn)滑良好的閉式齒輪傳動(dòng)常見(jiàn)的失效形式。開(kāi)式齒輪傳動(dòng)，由于齒面磨損較快，很少出現(xiàn)點(diǎn)蝕。提高齒面硬度和降低表面粗糙度值，均可提高齒面的抗點(diǎn)蝕能力。 輪齒嚙合時(shí)，由于相對(duì)滑動(dòng)，特別是外界硬質(zhì)微粒進(jìn)入嚙合工作面之間時(shí)，會(huì)導(dǎo)致輪齒表面磨損。齒面逐漸磨損后，齒面將失去正確的齒形（圖23），嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致輪齒過(guò)薄而折斷，齒面磨損是開(kāi)式齒輪傳動(dòng)的主要失效形式。圖21輪齒折斷 圖22齒面點(diǎn)蝕 圖23齒面磨損為了減少磨損，重要的齒輪傳動(dòng)應(yīng)采用閉式傳動(dòng)，并注意潤(rùn)滑。 在高速重載的齒輪傳動(dòng)中，齒面間的壓力大，溫升高，潤(rùn)滑效果差，當(dāng)瞬時(shí)溫度過(guò)鋯石，將使兩齒面局部熔融、金屬相互粘連，當(dāng)兩齒面作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，粘住的地方被撕破，從而在齒面上沿著滑動(dòng)方向形成帶狀或大面積的傷痕（圖24），低速重載的傳動(dòng)不易形成油膜，摩擦發(fā)熱雖不大，但也可能因重載而出現(xiàn)冷膠合。圖24齒面膠合 圖25齒面塑性變形采用粘度較大或抗膠合性能好的潤(rùn)滑油，降低表面粗糙度以形成良好的潤(rùn)滑條件；提高齒面硬度等均可增強(qiáng)齒面的抗膠合能力。 硬度較低的軟齒面齒輪，在低速重載時(shí)，由于齒面壓力過(guò)大，在摩擦力作用下，齒面金屬產(chǎn)生塑性流動(dòng)而失去原來(lái)的齒形（圖25）提高齒面硬度和采用粘度較高的潤(rùn)滑油，均有助于防止或減輕齒面塑性變形。二、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則齒輪傳動(dòng)的失效形式不大可能同時(shí)發(fā)生，但卻是互相影響的。例如齒面的點(diǎn)蝕會(huì)加劇齒面的磨損，而嚴(yán)重的磨損又會(huì)導(dǎo)致輪齒折斷。在一定條件下，由于上述第2種失效形式是主要的。因此，設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工作條件分析其可能發(fā)生的主要失效形式，以確定相應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。對(duì)于軟齒面（硬度≤350HBS）的閉式齒輪傳動(dòng)，潤(rùn)滑條件良好，齒面點(diǎn)蝕將是主要的失效形式，在設(shè)計(jì)時(shí)，通常按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。對(duì)于硬齒面（硬度＞350HBS）的閉式齒輪傳動(dòng)，抗點(diǎn)蝕能力較強(qiáng)，輪齒折斷的可能性大，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，通常按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核。開(kāi)式齒輪傳動(dòng)，主要失效形式是齒面磨損。但由于磨損的機(jī)理比較復(fù)雜，目前尚無(wú)成熟的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。故只能按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算，用增大模數(shù)10%~20%的辦法來(lái)考慮磨損的影響。 齒輪常用材料及熱處理由輪齒失效形式可知，選擇齒輪材料時(shí)，應(yīng)考慮以下要求：輪齒的表面應(yīng)有足夠的硬度和耐磨性，在循環(huán)載荷和沖擊載荷作用下，應(yīng)有足夠的彎曲強(qiáng)度。即齒面要硬，齒芯要韌，并具有良好的加工性和熱處理性。制造齒輪的材料主要是各種鋼材，其次是鑄鐵，還有其它非金屬材料。一、鋼鋼材可分為鍛鋼和鑄鋼兩類，只有尺寸較大（d ＞400~600mm）, 結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的齒輪宜用鑄鋼外，一般都用鍛鋼制造齒輪。軟齒面齒輪多經(jīng)調(diào)質(zhì)或正火處理后切齒，常用440Cr等。因齒面硬度不高，易制造，成本低，故應(yīng)用廣，常用于對(duì)尺寸和重量無(wú)嚴(yán)格限制的場(chǎng)合。由于在嚙合過(guò)程中，小齒輪的輪齒接觸次數(shù)比大齒輪多。因此，若兩齒輪的材料和齒面硬度都相同時(shí)，則一般小齒輪的壽命較短。為了使大、小齒輪的壽命接近，應(yīng)使小齒輪的齒面硬度比大齒輪的高出30~50HBS。對(duì)于高速、重載或重要的齒輪傳動(dòng)，可采用硬齒面齒輪組合，齒面硬度可大致相同。二、鑄鐵 由于鑄鐵的抗彎和耐沖擊性能都比較差，因此主要用于制造低速、不重要的開(kāi)式傳動(dòng)、功率不大的齒輪。常用材料有HT250、HT300等。非金屬材料對(duì)高速、輕載而又要求低噪音的齒輪傳動(dòng)，也可采用非金屬材料，加夾布膠木、尼龍等。常用的齒輪材料，熱處理方法、硬度、應(yīng)用舉例見(jiàn)表21。表21常用的齒輪材料、熱處理硬度和應(yīng)用舉例材 料牌號(hào)熱處理方法硬 度應(yīng)用舉例齒 芯 HBS齒面HRC優(yōu)質(zhì)碳素鋼35正火150~180低速輕載的齒輪或中速中載的大齒輪45162~21750180~22045調(diào)質(zhì)217~255合 金 鋼35SiMn217~26940Cr241~286優(yōu)質(zhì)碳素鋼35表面淬火180~21040~45高速中載、無(wú)劇烈沖擊的齒輪。如機(jī)床變速箱中的齒輪45217~25540~50合 金 鋼40Cr241~28648~5520Cr滲碳淬火56~62高速中載、承受沖擊載荷的齒輪。如汽車、拖拉機(jī)中的重要齒輪20CrMnTi56~6238CrMOAlA氮化229850HV載荷平穩(wěn)、潤(rùn)滑良好的齒輪鑄 鋼ZG45正火163~197重型機(jī)械中的低速齒輪ZG55179~207球墨鑄鐵QT7002225~305可用來(lái)代替鑄鋼QT6002229~302灰 鑄 鐵HT250170~241低速中載、不受沖擊的齒輪。如機(jī)床操縱機(jī)構(gòu)的齒輪HT300187~255 齒輪傳動(dòng)精度簡(jiǎn)介一、精度等級(jí)漸開(kāi)線圓柱齒輪標(biāo)準(zhǔn)（GB/T10095—88）中，規(guī)定了12個(gè)精度等級(jí)，第1級(jí)精度最高，第12級(jí)最低。一般機(jī)械中常用7~8級(jí)。高速、分度等要求高的齒輪傳動(dòng)用6級(jí)，對(duì)精度要求不高的低速齒輪可用9級(jí)。根據(jù)誤差特性及它們對(duì)傳動(dòng)性能的影響，齒輪每個(gè)精度等級(jí)的公差劃分為三個(gè)公差組，即第 I公差組（影響運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性），第II公差組（影響傳動(dòng)平穩(wěn)性），第III公差組（影響載荷分布均勻性）。一般情況下，可選三個(gè)公差組為同一精度等級(jí)，也可以根據(jù)使用要求的不同，選擇不同精度等級(jí)的公差組組合。常用的齒輪精度等級(jí)與圓周速度的關(guān)系及使用范圍見(jiàn)表22。表22齒輪傳動(dòng)精度等級(jí)（第II公差組及其應(yīng)用）精度等級(jí)齒面硬度HBS圓周速度v()應(yīng)用舉例直齒圓柱齒輪斜齒圓柱齒輪直齒圓錐齒輪6≤350≤18≤36≤9 高速重載的齒輪傳動(dòng)，如機(jī)床、汽車中的重要齒輪，分度機(jī)構(gòu)的齒輪，高速減速器的齒輪等＞350≤15≤307≤350≤12≤25≤6高速中載或中速重載的齒輪傳動(dòng)，如標(biāo)準(zhǔn)系列減速器的齒輪，機(jī)床和汽車變速箱中的齒輪等＞350≤10≤208≤350≤6≤12≤3一般機(jī)械中的齒輪傳動(dòng)，如機(jī)床、汽車和拖拉機(jī)中的一般齒輪，起重機(jī)械中的齒輪，農(nóng)業(yè)機(jī)械中的重要齒輪等＞350≤5≤99≤350≤4≤8≤低速重載的齒輪，低精度機(jī)械中的齒輪等＞350≤3≤6注：第I、III公差組的精度等級(jí)參閱有關(guān)手冊(cè)，一般第III公差級(jí)不低于第II公差組的精度等級(jí)。二、齒側(cè)間隙考慮到齒輪制造以及工作時(shí)輪齒變形和受熱膨脹，同時(shí)為了便于潤(rùn)滑，需要有一定的齒側(cè)間隙。合適的側(cè)隙可通過(guò)適當(dāng)?shù)凝X厚極限偏差和中心距極根偏差來(lái)保證，齒輪副的實(shí)際中心距越大、齒厚越小，則側(cè)隙越大。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定漸開(kāi)線圓柱齒輪的齒厚偏差有C、D、E、F、G、H、J、K、L、M、N、P、R、S等14種，每種代號(hào)所規(guī)定的齒厚偏差值可查有關(guān)手冊(cè)。在齒輪工作圖上用代號(hào)表示精度等級(jí)和齒厚極限偏差。例：8—7—7GM GB/T10095—88代號(hào)，從左至右表示第I、II、III公差組精度等級(jí)分別為8級(jí)、7級(jí)、7級(jí)，齒厚上偏差代號(hào)為G、下偏差代號(hào)為M。 直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)一、輪齒的受力分析a) b)圖26 直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的受力分析圖26所示為齒輪嚙合傳動(dòng)時(shí)主動(dòng)齒輪的受力情況，不考慮摩擦力時(shí)，輪齒所受總作用力Fn將沿著嚙合線方向，F(xiàn)n稱為法向力。Fn在分度圓上可分解為切于分度圓的切向力Ft和沿半徑方向并指向輪心的徑向力Fr 。 圓周力 Ft= N徑向力 Fr= Ft tg N (21)法向力 Fn= N式中:d1為主動(dòng)輪分度圓直徑,mm；為分度圓壓力角，標(biāo)準(zhǔn)齒輪=20176。設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)主動(dòng)輪傳遞的功率P1（KW）及轉(zhuǎn)速n1(r/min)，由下式求主動(dòng)輪力矩 T1=106 （N mm） (22)根據(jù)作用力與反作用力原理，F(xiàn)t1=Ft2，F(xiàn)t1是主動(dòng)輪上的工作阻力，故其方向與主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)向相反，F(xiàn)t2是從動(dòng)輪上的驅(qū)動(dòng)力，其方向與從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)向相同。同理，F(xiàn)r1=Fr2，其方向指向各自的輪心。二、載荷與載荷系數(shù)由上述求得的法向力Fn為理想狀況下的名義載荷。由于各種因素的影響，齒輪工作時(shí)實(shí)際所承受的載荷通常大于名義載荷，因此，在強(qiáng)度計(jì)算中，用載荷系數(shù)K考慮各種影響載荷的因素，以計(jì)算載荷Fnc代替名義載荷Fn。其計(jì)算公式為 (23)式中：K為載荷系數(shù)，見(jiàn)表23。表23 載荷系數(shù)k原動(dòng)機(jī)工作機(jī)的載荷特性均勻、輕微沖擊中等沖擊大沖擊電動(dòng)機(jī)多缸內(nèi)燃機(jī)單缸內(nèi)燃機(jī)1~~~~~~~~~圖27危險(xiǎn)截面位置及應(yīng)力三、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算齒根處的彎曲強(qiáng)度最弱。計(jì)算時(shí)設(shè)全部載荷由一對(duì)齒承擔(dān)，且載荷作用于齒頂，將輪齒看作懸臂梁，其危險(xiǎn)截面可用30o切線法確定，即作與輪齒對(duì)稱中心線成30o夾角并與齒根過(guò)渡曲線相切的兩條直線，連接兩切點(diǎn)的截面即為齒根的危險(xiǎn)截面，如圖27所示。運(yùn)用材料力學(xué)的方法，可得輪齒彎曲強(qiáng)度校核的公式為 = ≤或 σF = ≤ (24)或由上式得計(jì)算模數(shù)m的設(shè)計(jì)公式 m ≥ (25)式中:=b/d1稱齒寬系數(shù)（b為大齒輪寬度），由表24查取；稱為齒形系數(shù)，由圖28查??；[]為彎曲許用應(yīng)力，由式28計(jì)算。表24齒寬系數(shù)=b/d1齒 輪 相 對(duì) 軸 承 位 置 齒 面 硬 度 ≤350HBS＞350HBS 對(duì) 稱 布 置 ~ ~ 非 對(duì) 稱 布 置 ~ 1. 2 ~ 懸 臂 布 置 ~ ~ 圖28外齒輪齒形系數(shù)YFS四、齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算是為了防止齒間發(fā)生疲勞點(diǎn)蝕的一種計(jì)算方法，它的實(shí)質(zhì)是使齒面節(jié)線處所產(chǎn)生的最大接觸應(yīng)力小于齒輪的許用