基于ProE的斜齒圓柱齒輪三維模型參數(shù)化設(shè)計

1、廣州金橋管理干部學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計題 目 基于 Pro/E的斜齒圓柱齒輪三維模型參數(shù)化設(shè)計 副標題性 質(zhì): 畢業(yè)設(shè)計 畢業(yè)論文學(xué)生姓名年 級 機電 081班系 別 機 電 系專 業(yè) 機電一體化技術(shù)指導(dǎo)教師 解 麗 麗評定成績 優(yōu) 良 中 及格 不及目 錄摘要 (2 一、 概述 (21. 背景分析 (22. 中國齒輪工業(yè)的發(fā)展 (33. 齒輪的組成結(jié)構(gòu) (4二、 制造齒輪常用的材料 (5三、 漸開線齒輪切齒方法 (51. 展成法 (52. 仿形法 (7 四、 輪設(shè)計 (81. 確定參數(shù) (82. 關(guān)系式 (83. 以拉伸的方式創(chuàng)建齒輪本體 (84. 創(chuàng)建基準平面 (85. 以可變截面掃描創(chuàng)建第

2、一個齒輪面 (86. 鏡像 (97. 草繪齒形曲線 (108. 平移旋轉(zhuǎn)曲線 (109. 草繪掃描軌跡線 (10 10. 掃描混合去除材料 (10 11. 關(guān)閉所有的曲面和曲線 (10 12. 復(fù)制掃描混合特征 (10 13. 陣列 (10 14. 挖出軸孔及鍵槽 (11 五、 斜齒輪變更參數(shù)實現(xiàn) (111. 刪除陣列復(fù)制特征 (112. 輸入新的參數(shù)值 (113. 復(fù)制剪切特征 (114. 陣列復(fù)制特征 (11 六、總結(jié) (12 致 謝 詞 (12 參 考 文 獻 (12基于 Pro/E的斜齒圓柱齒輪三維模型參數(shù)化設(shè)計郭偉滏【摘要】 齒輪是應(yīng)用極為廣泛和特別重要的一種機械傳動形式, 它可以用

3、來在 空間的任意軸之間傳遞運動和動力, 目前齒輪傳動裝置正逐步向小型化, 高速化, 低噪聲, 高可靠性和硬齒面技術(shù)方向發(fā)展, 齒輪傳動具有傳動平穩(wěn)可靠, 傳動效 率高(一般可以達到 94%以上,精度較高的圓柱齒輪副可以達到 99% , 傳遞功率 范圍廣(可以從儀表中齒輪微小功率的傳動到大型動力機械幾萬千瓦功率的傳 動 ,速度范圍廣(齒輪的圓周速度可以從 0.1m/s到 200m/s或更高,轉(zhuǎn)速可以 從 1r/min到 20000r/min或更高 , 結(jié)構(gòu)緊湊, 維護方便等優(yōu)點。 因此, 通過 Pro/E與 ANSYS 的連接 , 運用有限元方法對齒輪進行了應(yīng)力分析?！?關(guān)鍵詞 】 參數(shù)化設(shè)計

4、方法 材料 變更參數(shù)一 . 概述齒輪機構(gòu)是現(xiàn)代機械產(chǎn)品中應(yīng)用最廣泛的傳動機構(gòu)之一 ,可用于傳遞空間任意兩軸或 多軸之間的運動和動力 ,具有傳動效率高 ,結(jié)構(gòu)緊湊 ,工作可靠 , 傳動平穩(wěn),壽命長,能 保證恒定的傳動比等優(yōu)點。因此 ,齒輪的三維實體模型在現(xiàn)代齒輪機構(gòu)的設(shè)計中有著廣泛 的應(yīng)用背景。(一背景分析據(jù)史料記載,遠在公元前 400200年的中國古代就巳開始使用齒輪,在我國山西 出土的青銅齒輪是迄今巳發(fā)現(xiàn)的最古老齒輪, 作為反映古代科學(xué)技術(shù)成就的指南車就 是以齒輪機構(gòu)為核心的機械裝置。 17世紀末,人們才開始研究,能正確傳遞運動的輪 齒形狀。 18世紀, 歐洲工業(yè)革命以后, 齒輪轉(zhuǎn)動的應(yīng)用日

5、益廣泛; 先是發(fā)展擺線齒輪, 而后是漸開線齒輪,一直到 20世紀初,漸開線齒輪已在應(yīng)用中占了優(yōu)勢。早在 1694年, 法國學(xué)者 Philippe De La Hire首先提出漸開線可作為齒形曲線。 1733年, 法國人 M.Camus 提出輪齒接觸點的公法線必須通過中心連線上的節(jié)點。 一條 輔助瞬心線分別沿大輪和小輪的瞬心線 (節(jié)園 純滾動時, 與輔助瞬心線固聯(lián)的輔助齒 形在大輪和小輪上所包絡(luò)形成的兩齒廓曲線是彼此共軛的,這就是 Camus 定理。它考 慮了兩齒面的嚙合狀態(tài); 明確建立了現(xiàn)代關(guān)于接觸點軌跡的概念。 1765年, 瑞士的 L . E uler 提出漸開線齒形解析研究的數(shù)學(xué)基礎(chǔ),

6、闡明了相嚙合的一對齒輪, 其齒形曲線的 曲率半徑和曲率中心位置的關(guān)系。后來, Savary 進一步完成這一方法,成為現(xiàn)在的 E u-let-Savary 方程。對漸開線齒形應(yīng)用作出貢獻的是 Roteft WUlls,他提出中心距 變化時,漸開線齒輪具有角速比不變的優(yōu)點。 1873年,德國工程師 Hoppe 提出,對不同齒數(shù)的齒輪在壓力角改變時的漸開線齒形,從而奠定了現(xiàn)代變?yōu)辇X輪的思想基礎(chǔ)。 19世紀末,展成切齒法的原理及利用此原理切齒的專用機床與刀具的相繼出現(xiàn), 使齒輪加工具軍較完備的手段后,漸開線齒形更顯示出巨大的優(yōu)走性。切齒時只要將 切齒工具從正常的嚙合位置稍加移動,就能用標準刀具在機床上

7、切出相應(yīng)的變位齒 輪。 1908年,瑞士 MAAG 研究了變位方法并制造出展成加工插齒機,后來,英國 BSS 、 美國 AGMA 、德國 DIN 相繼對齒輪變位提出了多種計算方法。為了提高動力傳動齒輪的使用壽命并減小其尺寸,除從材料,熱處理及結(jié)構(gòu)等方 面改進外,圓弧齒形的齒輪獲得了發(fā)展。 1907年,英國人 Frank Humphris最早發(fā)表 了圓弧齒形。 1926年, 瑞土人 Eruest Wildhaber取得法面圓弧齒形斜齒輪的專利權(quán)。 1955年,蘇聯(lián)的 M . L . Novikov 完成了圓弧齒形齒輪的實用研究并獲得列寧勛章。 1 970年,英國 Rolh Royce 公司工程師

8、 R . M.Studer 取得了雙圓弧齒輪的美國專利。 這種齒輪現(xiàn)已日益為人們所重視,在生產(chǎn)中發(fā)揮了顯著效益。齒輪是能互相嚙合的有齒的機械零件, 它在機械傳動及整個機械領(lǐng)域中的應(yīng)用極 其廣泛。現(xiàn)代齒輪技術(shù)已達到:齒輪模數(shù) O.004100毫米;齒輪直徑由 1毫米15 0米;傳遞功率可達上十萬千瓦;轉(zhuǎn)速可達幾十萬轉(zhuǎn) /分;最高的圓周速度達 300米 /秒。齒輪在傳動中的應(yīng)用很早就出現(xiàn)了。公元前三百多年,古希臘哲學(xué)家亞里士多德 在機械問題中,就闡述了用青銅或鑄鐵齒輪傳遞旋轉(zhuǎn)運動的問題。中國古代發(fā)明 的指南車中已應(yīng)用了整套的輪系。不過,古代的齒輪是用木料制造或用金 屬鑄成的, 只能傳遞軸間的回轉(zhuǎn)運

9、動,不能保證傳動的平穩(wěn)性,齒輪的承載能力也很小。隨著生產(chǎn)的發(fā)展, 齒輪運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性受到重視。 1674年丹麥天文學(xué)家羅默首次提 出用外擺線作齒廓曲線,以得到運轉(zhuǎn)平穩(wěn)的齒輪。18世紀工業(yè)革命時期,齒輪技術(shù)得到高速發(fā)展,人們對齒輪進行了大量的研究。 1733年法國數(shù)學(xué)家卡米發(fā)表了齒廓嚙合基本定律; 1765年瑞士數(shù)學(xué)家歐拉建議采用 漸開線作齒廓曲線。19世紀出現(xiàn)的滾齒機和插齒機,解決了大量生產(chǎn)高精度齒輪的問題。 1900年 , 普 福特為滾齒機裝上差動裝置,能在滾齒機上加工出斜齒輪,從此滾齒機滾切齒輪得到 普及,展成法加工齒輪占了壓倒優(yōu)勢,漸開線齒輪成為應(yīng)用最廣的齒輪。1899年,拉舍最先實施了變

10、位齒輪的方案。變位齒輪不僅能避免輪齒根切,還可 以湊配中心距和提高齒輪的承載能力。 1923年美國懷爾德哈伯最先提出圓弧齒廓的齒 輪, 1955年蘇諾維科夫?qū)A弧齒輪進行了深入的研究,圓弧齒輪遂得以應(yīng)用于生產(chǎn)。 這種齒輪的承載能力和效率都較高,但尚不及漸開線齒輪那樣易于制造,還有待進一 步改進。(二 中國齒輪工業(yè)的發(fā)展中國齒輪工業(yè)在“十五”期間得到了快速發(fā)展:2005年齒輪行業(yè)的年產(chǎn)值由 2000年 的 240億元增加到 683億元, 年復(fù)合增長率 23.27%, 已成為中國機械基礎(chǔ)件中規(guī)模最 大的行業(yè)。就市場需求與生產(chǎn)規(guī)模而言,中國齒輪行業(yè)在全球排名已超過意大利,居 世界第四位。2006年,

11、中國全部齒輪、傳動和驅(qū)動部件制造企業(yè)實現(xiàn)累計工業(yè)總產(chǎn)值 1026281 83千元,比上年同期增長 24.15%;實現(xiàn)累計產(chǎn)品銷售收入 98238240千元,比上年 同期增長 24.37%;實現(xiàn)累計利潤總額 5665210千元,比上年同期增長 26.85% 2007年 1-12月,中國全部齒輪、傳動和驅(qū)動部件制造企業(yè)實現(xiàn)累計工業(yè)總產(chǎn)值 136542841千元,比上年同期增長 30.96%; 2008年 1-10月,中國全部齒輪、傳動和 驅(qū)動部件制造企業(yè)實現(xiàn)累計工業(yè)總產(chǎn)值 144529138千元, 比上年同期增長 32.92%。 中國齒輪制造業(yè)與發(fā)達國家相比還存在自主創(chuàng)新能力不足、新品開發(fā)慢、市場

12、競 爭無序、企業(yè)管理薄弱、信息化程度低、從業(yè)人員綜合素質(zhì)有待提高等問題?，F(xiàn)階段 齒輪行業(yè)應(yīng)通過市場競爭與整合,提高行業(yè)集中度,形成一批擁有幾十億元、 5億元、 1億元資產(chǎn)的大、中、小規(guī)模企業(yè);通過自主知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品設(shè)計開發(fā),形成一批車輛 傳動系(變速箱、驅(qū)動橋總成牽頭企業(yè),用牽頭企業(yè)的配套能力整合齒輪行業(yè)的能 力與資源;實現(xiàn)專業(yè)化、網(wǎng)絡(luò)化配套,形成大批有特色的工藝、有特色的產(chǎn)品和有快 速反應(yīng)能力的名牌企業(yè);通過技改,實現(xiàn)現(xiàn)代化齒輪制造企業(yè)轉(zhuǎn)型?！笆晃濉蹦┢?中國齒輪制造業(yè)年銷售額可達到 1300億元,人均銷售額上升 到 65萬元 /年,在世界行業(yè)排名中達到世界第二。 2006-2010年將新增

13、設(shè)備 10萬臺, 即每年用于新增設(shè)備投資約 60億元, 新購機床 2萬臺, 每臺平均單價 30萬元。 到 2010年,中國齒輪制造業(yè)應(yīng)有各類機床總數(shù)約 40萬臺,其中數(shù)控車床 10萬臺,數(shù)控化率 25%(高于機械制造全行業(yè)平均值 17% 。(三齒輪的組成結(jié)構(gòu)一般有輪齒、齒槽、端面、法面、齒頂圓、齒根圓、基圓、分度圓。輪齒簡稱齒,是齒輪上 每一個用于嚙合的凸起部分,這些凸起部分一般呈輻射狀排列,配對齒輪上 的輪齒互相接觸,可使齒輪持續(xù)嚙合運轉(zhuǎn);齒槽是齒輪上兩相鄰輪齒之間的空間; 端面是圓柱齒輪或圓柱蝸桿上 ,垂直于齒輪或蝸桿軸線的平面;法面指的是垂直于輪齒齒線的平面; 齒頂圓是指齒頂端所在的圓;

14、齒根圓是指槽底所在的圓;基圓是形成漸開線的發(fā)生線作純滾動的圓;分度圓 是在端面內(nèi)計算齒輪幾何尺寸的基準圓。齒輪可按齒形、齒輪外形、齒線形狀、輪齒所在的表面和制造方法等分類。齒輪的齒形包括齒廓曲線、壓力角、齒高和變位。漸開線齒輪比較容易制造,因 此現(xiàn)代使用的齒輪中 ,漸開線齒輪占絕對多數(shù),而擺線齒輪和圓弧齒輪應(yīng)用較少。 在壓力角方面,小壓力角齒輪的承載能力較小;而大壓力角齒輪,雖然承載能力 較高,但在傳遞轉(zhuǎn)矩相同的情況下軸承的負荷增大,因此僅用于特殊情況。而齒輪的 齒高已標準化, 一般均采用標準齒高。 變位齒輪的優(yōu)點較多, 已遍及各類機械設(shè)備中。 另外,齒輪還可按其外形分為圓柱齒輪、錐齒輪、非圓

15、齒輪、齒條、蝸桿蝸輪;按齒線形狀分為直齒輪、斜齒輪、人字齒輪、曲線齒輪;按輪齒所在的表面分為外齒 輪、內(nèi)齒輪;按制造方法可分為鑄造齒輪、切制齒輪、軋制齒輪、燒結(jié)齒輪等。 齒輪的制造材料和熱處理過程對齒輪的承載能力和尺寸重量有很大的影響。 20世紀 50年代前,齒輪多用碳鋼, 60年代改用合金鋼,而 70年代多用表面硬化鋼。按 硬度 ,齒面可區(qū)分為軟齒面和硬齒面兩種。軟齒面的齒輪承載能力較低,但制造比較容易,跑合性好, 多用于傳動尺寸和 重量無嚴格限制,以及小量生產(chǎn)的一般機械中。因為配對的齒輪中,小輪負擔(dān)較重, 因此為使大小齒輪工作壽命大致相等,小輪齒面硬度一般要比大輪的高 。硬齒面齒輪的承載能

16、力高,它是在齒輪精切之后 ,再進行淬火、表面淬火 或慘碳淬火處理,以提高硬度。但在熱處理中,齒輪不可避免地會產(chǎn)生變形,因此在 熱處理之后須進行磨削、研磨或精切 ,以消除因變形產(chǎn)生的誤差,提高齒輪的精度。 二、制造齒輪常用的材料制造齒輪常用的鋼有調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼、滲碳淬火鋼和滲氮鋼。鑄鋼的強度比鍛鋼 稍低,常用于尺寸較鐵大的齒輪;灰鑄鐵的機械性能較差,可用于輕載的開式齒輪傳 動中;球墨鑄可部分地代替鋼制造齒輪 ;塑料齒輪多用于輕載和要求噪聲低的地方, 與其配對的齒輪一般用導(dǎo)熱性好的鋼齒輪。未來齒輪正向重載、高速、 高精度和高效率等方向發(fā)展, 并力求尺寸小、 重量輕、 壽命長和經(jīng)濟可靠。而齒輪理論和

17、制造工藝的發(fā)展將是進一步研究輪齒損傷的機理, 這是建立可靠的 強度計算方法的依據(jù),是提高齒輪承載能力,延長齒輪壽命的理論基礎(chǔ);發(fā)展以圓弧 齒廓為代表的新齒形;研究新型的齒輪材料和制造齒輪的新工藝; 研究齒輪的彈性 變形、 制造和安裝誤差以及溫度場的分布, 進行齒輪修形, 以改善齒輪運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性, 并在滿載時增大輪齒的接觸面積,從而提高齒輪的承載能力。摩擦、潤滑理論和潤滑技術(shù)是 齒輪研究中的基礎(chǔ)性工作,研究彈性流體動壓潤 滑理論,推廣采用合成潤滑油和在油中適當?shù)丶尤霕O壓添加劑,不僅可提高齒面的承 載能力,而且也能提高傳動效率。三、漸開線齒輪切齒方法(一展成法(范成法展成法又稱滾切法,是加工時切削

18、工具與工件作相對展成運動,刀具和工件的瞬心線 相互作純滾動,兩者之間保持確定的速比關(guān)系,所獲得加工表面就是刀刃在這種運動 中的包絡(luò)面,齒輪加工中的滾齒、插齒、剃齒、珩齒和磨齒等均屬展成法加工。有些 切削加工兼有刀尖軌跡法和成形刀具法的特點, 如螺紋車削。 展成法是利用一對齒輪 (或 齒輪與齒條 嚙合時其共軛齒廓互為包絡(luò)線的原理來切齒的。如果把其中一個齒輪 (或齒條 做成刀具,就可以切出與它共軛的漸開線齒廓。用范成法切齒的常用刀具如下。1、齒輪插刀 2、齒條插刀 3、齒輪滾刀 范成法的特點優(yōu)點:同一模數(shù)的齒輪使用同一把刀具,生產(chǎn)效率高,加工精度高 缺點:需要專用機床根切現(xiàn)象 :用展成法加工齒輪時

19、,若刀具的齒頂線(或齒頂圓超過理論嚙合線極限點 N 時,被加工齒輪齒根附近的漸開線齒廓將被切去一部分,這種現(xiàn)象稱為根切。 輪齒的根切大大削弱了輪齒的彎曲強度, 降低齒輪傳動的平穩(wěn)性和重合度, 因此應(yīng)力求避免 (二 仿形法仿形法是在普通銑床上用軸向剖面形狀與被切齒輪齒槽形狀完全相同的銑刀切制齒輪 的方法。銑完一個齒槽后,分度頭將齒坯轉(zhuǎn)過 360°/z,再銑下一個齒槽,直到銑出所有的 齒槽。 仿形法加工方便易行,但精度難以保證。在生產(chǎn)中通常用同一號銑刀切制同模數(shù)、 不同齒數(shù)的齒輪,故仿形法通常是近似的。 四、斜齒輪設(shè)計以下針對“基圓半徑大于齒根圓半徑” 斜齒輪設(shè)計 , 本例中的齒廓曲線由

20、漸開線和圓 弧組成,這樣的齒輪其基圓半徑大于齒根圓半徑 .(一設(shè)計參數(shù)工具參數(shù)(二 創(chuàng)建關(guān)系式工具關(guān)系輸入以下關(guān)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(三以拉伸的方式創(chuàng)建齒輪本體實體 front 面為草繪平面畫圓默認半徑值雙側(cè)拉伸,深度 =b工具關(guān)系輸入以下關(guān)系式:d1= 2*Ra確定再生(四創(chuàng)建一個與 TOP 面夾 18°的基準平面 穿過選軸線

21、 A_1角度選 TOP 面輸入默認的值工具關(guān)系輸入以下關(guān)系式:d#= 360/z確定再生(五以可變截面掃描創(chuàng)建第一個齒輪面1、創(chuàng)建過渡圓弧曲線 以零件正面為草繪平面頂面選 DTM1選 DTM1和 Right 面為參考畫圓弧, 如圖 4-1圖 4-1工具關(guān)系輸入以下關(guān)系式: sd3=a2/2 sd4=Rb sd5=a12、將圓弧線段鏡像到零件背面 選曲線選 Front 面3、以可變截面掃描創(chuàng)建曲面 插入可變剖面掃描選取曲線為掃描軌跡線,如圖 4-2圖4-2 繪制直線,如圖 4-3圖 4-3工具關(guān)系輸入以下關(guān)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 鏡像另一齒輪面選曲面 選 DTM1 面 (七 草繪齒形曲線 選零件正面為草繪平面草繪繪制如圖 4-4 圖 4-4 工具關(guān)系輸入以下關(guān)系式: sd5=rd sd10=r (八 平移旋轉(zhuǎn)曲線 選曲線 將保留原件鉤選選 front 面反向輸入距離:b確定 選坐標系選 z 軸反向輸入:5確定 選平移曲線 (九草繪掃描軌跡線 選 top 面為草繪平面front 面為底面草繪繪制如圖 4-5 圖 4-5 (十 掃描混合去除材料 插入掃描混合切口草繪截面垂直

23、于原始軌跡完成選取軌跡選步驟九創(chuàng) 建的曲線完成自動完成繞 z 軸旋轉(zhuǎn) 0 度確定抓取截面 1確定自動完 成繞 z 軸旋轉(zhuǎn) 0 度確定抓取截面 2確定正向確定 (十一將所有的曲面和曲線關(guān)閉 右擊03_PRT_ALL_CURVES遮蔽層右擊06_PRT_ALL_SURFS遮蔽層 (十二復(fù)制掃描混合特征 編輯特征操作復(fù)制移動選取獨立完成選取切剪特征完成旋轉(zhuǎn)曲 線/邊/軸選軸線 A-2正向輸入:360/z確定完成移動完成確定 (十三陣列 選復(fù)制特征 選 18°為驅(qū)動尺寸增量為 18°總數(shù)為 2確定 10 工具關(guān)系輸入以下關(guān)系式: d17=360/z p18=z-1 確定再生 (十四

24、挖出軸孔及鍵槽 選零件的正面草繪繪制如圖 4-6 圖 4-6 工具關(guān)系輸入以下關(guān)系式: sd7=rp/3 sd8=rp/7.5 sd9=rp/2.5 確定深度:穿過所有 五,斜齒輪變更參數(shù)實現(xiàn) 變更參數(shù),改變齒輪設(shè)計 (一刪除陣列復(fù)制特征 選陣列特征右擊刪除確定刪除關(guān)系 (二輸入新的參數(shù)值 工具參數(shù)輸入新的參數(shù)值 m=5 確定 (三復(fù)制剪切特征 編輯特征操作復(fù)制移動選取獨立完成選取切剪特征完成旋轉(zhuǎn)曲 線/邊/軸選軸線 A-2正向輸入:360/z確定完成移動完成確定 (四 陣列復(fù)制特征 選復(fù)制特征 選 12°位驅(qū)動尺寸增量為 12總數(shù)為 2確定 11 z=30 b=20 工具關(guān)系輸入以下關(guān)系式: d#=360/z p#=z-1 確定再生 六, 總結(jié) 這次的畢業(yè)設(shè)計,我收獲很多,對齒輪模具的設(shè)計有了較全面的了解.設(shè)計過程中經(jīng) 歷了數(shù)十次的反復(fù),掌握到比較科學(xué)的思考和設(shè)計方法,這對我以后從