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常熟理工学院毕业设计(论文)11.引言1.1课题研究背景和意义齿轮传动是现代机械设备中应用最广泛的一种传动方式。与带传动、链传动等相比，齿轮传动具有效率高，使用寿命长、维护方便，传动比恒定、传动平稳等优点，在各种机械设备中广泛应用[1]。大到矿山机械的传动装置，小到汽车变速箱、甚至日常生活中使用的玩具汽车等小型机械，无不渗透着齿轮传动装置的应用。所以在一定意义上说，齿轮设计与制造系统技术标志着一个国家工业技术的水平[4]。随着近代科学的迅速发展，对齿轮传动的设计和制造水平提出了更高的要求。发展趋势是向六高、二低、三化方向发展。六高是指、高承载能力、高传动效率、高精度、高速度高齿面硬度及高可靠性；二低，即低噪声、低成本；三化，即通用化标准化、多样化、[2]。从六十年代以来，很多工业技术发达的国家如德国、美国、日本等，在发展高精度、硬齿面齿轮，磨齿及齿轮修形方面取得了重大的成果。随着改革开放进一步深入，国际交流的加强，国内齿轮制造企业需要提高在汽车、大型工程机械、大型成套设备等领域内齿轮的设计制造水平，成为摆在我们面前的一道艰巨的课题[3]。而当前我国齿轮技术的主要科研方向是：齿轮的热处理技术；高速大功率齿轮热弹变形的测量和修形技术的研究；电子计算机在齿轮技术中的应用研究；齿轮的损伤分析和损伤预报；齿轮装置的噪声控制技术的研究等[4]。这些研究方向都需要对齿轮传动进行精确的设计造型。而随着计算机技术的发展，CAD技术已被越来越多企业重视，CAD软件已经在众多企业普及。然而由于设计人员素质等方面原因，在我国还有众多用户仅仅是将通过CAD软件作为绘图工具，使所绘图形便于保存或修改，并没有真正实现通过计算机进行辅助设计的目的，设计手段的本质仍是繁杂的手工设计。但是由于传统的二维设计的局限性，新型的三维设计以其直观性强、方便修改、便于分析检验等方面的优点已逐步被国际上的众多大公司引用。近些年出现诸多优秀三维软件，如UG、SolidWorks、Proe等。但是因为商业软件所要兼顾通用性，并不会为解决某个具体的问题专门设计一些模块，因此在解决一些具体设计问题时，常常需要企业根据自身需求对通用CAD软件进行自主化的二次开发，以提高通用软件的设计效率和使用范围。通过对一些通用软件进行二次开发来实现某种特定的功用，已经成为当代CAD软件应用一种潮流和趋势[11]。常熟理工学院毕业设计(论文)2所以将CAD技术引入到齿轮传动设计中来，建立一个集参数化设计与三维特征建模于一身的齿轮传动CAD系统，是齿轮传动设计的发展趋势。本课题以齿轮三维设计为突破口，以SolidWorks2010作为支撑软件，把渐开线圆柱齿轮的几何参数设计和三维精确造型作为研究重点，开发了齿轮类零件三维设计专用模块系统。该系统能够较好地实现齿轮设计过程的自动化，避免设计人员通过手工查阅大量技术数据，也可避免三维造型过程中靠手工取点的繁琐及不精确性，能够让齿轮设计人员从繁琐、低效的手工设计工作中解放出来，并提高设计质量和效率[11]。齿轮传动参数化设计与三维造型模块系统是现代CAD技术与齿轮设计相结合的产物，也是两者发展的必然趋势。本课题以常用渐开线圆柱齿轮传动为设计对象，将齿轮传动的参数设计及强度校核、三维实体造型等种功能集合在一起，适应了齿轮传动设计的发展趋势，从而具有非常实用价值。1.2国内外研究动态渐开线圆柱齿轮的设计已经历二百多年，设计理论非常成熟，设计资料也相当丰富。渐开线圆柱齿轮的主要参数已经标准化、系列化。因而现代工程技术对齿轮参数设计、三维造型等功能提出了更高要求。为适应现代制造技术的需求，涌现出许多大型的的商业应用软件，但或多或少都存在一些不完善的地方。有些系统即使实现了齿轮三维造型，所建模型却也非常粗糙，难以精确地表达渐开线齿廓的几何特征；有的软件只具有几何参数设计而缺少三维造型功能；而有些软件不能充分注重设计者的设计需求，表现在为减少设计难度，齿轮的一些经验参数直接采用了系统默认值，当输入的唯一初始值的时候，却只能得到唯一的结果，这显然是不符合实际的设计需求。当然少数公司也开发了较为完善的专用齿轮设计软件，如美国Camnetics公司的GearTrax插件，可以建立光滑的渐开线齿廓，直观、简单、功能强大，自动变位量更新功能，比较适合生产实际的需要，价格却很高，如果仅为设计齿轮购买价格昂贵的专用软件对中小企业负担很重，但是该插件所建的齿廓为抛物线线型，从而得到的造型曲线并不精确。因此应用小型CAD软件对齿轮进行自身化、参数化造型设计已成为各个领域齿轮设计者的迫切需求。常熟理工学院毕业设计(论文)31.3三维CAD齿轮参数化设计系统的发展现状1.3.1三维CAD软件齿轮参数设计情况虽然目前有关齿轮设计的资料比较完善，理论已相当成熟，但其设计过程仍然比较繁琐。考虑到齿轮设计这种情况，国内外许多大型商业软件也逐渐开始在自己软件内部开发适用于齿轮传动设计的专用插件，但由于软件通用性及自身不便且过于庞大等原因，其齿轮设计部分多数比较简易，且参数较少，只适用于一般设计要求。像对于齿轮三维建模，中端三维软件SolidEdge提供了其设计原型，但无论是其对齿轮齿廓的特征的精确描述，还是由三维模型到二维工程图纸的转换等功能都没有提供很好的解决方案，虽然其支持三维模型/二维工程图的转换功能，但是转化过程中的图幅的选择，尺寸标注，齿轮技术参数表内数据的更新等技术问题都没有得到很好的解决，还需靠人工逐一检验修改，造成重复劳动，也容易出错。从在SolidWorks2007开始有直接生成标准齿轮的插件，但参数较少，且建立的齿轮模型也不精确，不能用于后续的数控加工及有限元分析，难以做到设计、制造及检测的一体化[11]。1.3.2SolidWorks齿轮建模方法SolidWorks是基于Windows的三维CAD软件，具有全面的参数化特征造型，灵活的装配设计和约束检验，以及快速生成工程图功能，同时还具有强大的数据转换接口，便于与其他软件进行数据转换。但该软件在参数绘图方面的功能模块还不完善，因为没有公式图线功能，齿轮建模时只能用近似圆弧代替渐开线齿廓曲线，精度比较低，或根据齿轮渐开线方程计算坐标值采用手工取点方法绘制渐开线齿廓，效率低而对设计人员的要求较高，设计人员既要熟悉齿轮设计又要对软件应用非常熟练。实现齿轮三维造型，关键是精确地绘制渐开线齿廓。在SolidWorks中，一般是采用齿轮设计插件或者调用标准零件库的方法来进行齿轮的快速建模，还有借助于程序开发或与其他软件的数据交换等功能得到精确渐开线齿廓，再进行建模。总结现有SolidWorks软件进行齿轮三维造型的方法，主要有以下几种[7]：(1)用SolidWorksToolbox建模SolidWorksToolbox是集成于SolidWorks软件的标准件库。利SolidworksToolbox，用户只需选择相应标准并指定相应标准件的类型和基本参数，即可方便地生成、构造并调用Toolbox中的标准零部件。用户还可以自定义SolidWorksToolbox零件库，建立用户公司的标准，以节省日后建立标准零件的时间。从2007版开始，SolidWorks提供了齿轮设计库，常熟理工学院毕业设计(论文)4方便用户通过设计参数的方法自动生成齿轮。(2)齿轮设计专用插件建模美国Camnetics公司的GearTrax插件，一种简单易用的、在SolidWorks内部就可以完成驱动零件实体造型工具。可生成：直齿轮、斜齿轮、锥齿轮、涡轮蜗杆、渐开线花键，链轮，齿形带带轮，V带带轮等。主要特点：直观易用，功能强大；支持主要工业国家标准；支持塑料齿轮设计标准；真正的精确渐开线齿廓；渐开线齿廓曲线可导入SolidWorks草图；单个齿实体可以加入已有.prt文件。类似功能的国内软件有济南法恩特集成技术有限公司开发的法恩特三维齿轮专家系统V2.0，基于SolidWorks使用，并符合中国国家标准，直接输入齿轮相关参数，即可方便在得到精确的渐开线齿轮。(3)借用CAXA电子图版生成渐开线齿廓进行建模CAXA电子图版是一款优秀的国产二维CAD软件，简单、易用、符合我国国家标准，在中小企业中有较大的占有率。该软件与渐开线齿轮齿形绘制功能，在对话框中输入齿轮的齿数、模数、压力角、变位系数等参数，并可设置齿形的齿顶过度圆角的半径和齿根过度圆弧半径及齿形的精度，直接生成齿轮的渐开线齿廓，可生成全部或部分轮齿的齿形图。利用DXF格式的文件建立SolidWorks和CAXA电子图板的联系，将在电子图板中绘制好的齿轮齿形保存为DXF格式的文件备用。在SolidWorks软件中对齿轮建模时，导入保存过的齿轮齿形DXF文件，并设置齿轮曲线数据单位为“毫米”，即可完成齿轮轮齿的草图绘制，通过拉伸或扫描特征完成齿轮造型。然后进行齿轮轮毂、腹板等基体结构建模，从而完成整体齿轮三维模型。(4)用编程法编制渐开线曲线程序进行建模根据渐开线曲线的直角坐标参数方程，应用高级编程语言VB或VC语言等编写生成渐开线齿廓曲线的应用程序，并保存生成.txt文件。在SolidWorks利用“通过XYZ点的曲线”命令，使用文本编辑器或电子表格应用程序为曲线点生成包含有坐标值的文件。单击对话框中的“确定”按钮，所需渐开线曲线即出现在屏幕上，然后进行其他步骤完成齿轮的三维建模。1.3.3SolidWorks齿轮建模方法比较以上几种方法中，使用软件自带SolidWorksToolbox标准件库是对齿轮建模最简单的一种方法，用此方法得到的齿轮模型能够满足一般用机械虚拟装配要求。但是Toolbox标准件库中，只有几种最基本的齿轮，而且设计界面中也仅有模数、齿数、压力角等几个最基本的参数值，应用范围较狭窄，不能满足其他的常用齿轮如变位齿轮设计等的要求。常熟理工学院毕业设计(论文)5GearTrax齿轮插件直观易用，功能强大，参数齐全，精度较高，比较符合设计生成需求。通过选择齿轮类型，输入齿轮设计相关参数，自动生成具有较为精确齿形的齿轮，绘制出齿轮齿形与实际基本一致。能够设计圆柱齿轮，同步带轮，螺旋锥齿轮，涡轮蜗杆等齿轮传动；生成输入数据，与所画的齿轮相啮合的齿轮。该插件是一种简单易用的齿轮造型工具，但价格昂贵，若果仅为齿轮设计需要购买对中小企业负担较重。借用CAXA电子图板绘制渐开线通过DXF文件与SolidWorks软件结合实现齿轮的建模，不必购买价格昂贵专用插件，方便易行，对中小企业或是学校课程设计等需要比较实用，但所绘齿轮精度不高，如果齿根过渡曲线直接选取0.38m，不切合生产实际。而利用编程法生成渐开线完成齿轮设计，能够实现许多特殊结构曲线、曲面等的造型，使得仿真设计更趋于生产实际。该方法对于摆线齿轮、变位齿轮、圆锥齿轮等其他复杂齿轮轮齿齿廓曲线的设计只是形状不同，而其开发原理基本相同。与以上三种方法比较，需要开发者具备一定的编程知识，对通用软件进行二次开发，完成所需专业CAD系统开发，从而提高通用软件的设计效率。本文针对目前齿轮传动设计现状提出相应的解决方案，运用编程法开发了基于SolidWorks齿轮三维设计专用模块系统，将齿轮的设计与校核与三维造型集成，实现齿轮几何参数设计自动化，提供了渐开线齿廓的精确建模的功能。1.4本课题研究的主要内容1.4.1本课题研究的主要内容本课题以SolidWorks2010为支撑平台，利用VB编程，采用参数化设计和特征建模技术实现了渐开线圆柱齿轮的参数设计和三维精确造型绘制。整个系统包括两大部分：齿轮几个参数设计模块和三维精确造型模块，并集成了这两大模块。本课题主要内容包括以下两个方面：（1）几何参数设计及强度校核本部分包括齿轮的几个参数设计及承载能力分析计算，对齿轮齿面接触强度及齿根弯曲强度的进行强度校核计算。主要根据齿轮设计理论，利用VB编程计算；并通过调用SolidWorks的API函数，将编译好的可执行程序，嵌入SolidWorks中。实现了对齿轮几何参数特征的描述，开发了直齿、斜齿圆柱齿轮的几何参数设计模块。该模块可根据输入的基本工作参数，通过程序分析