齒輪傳動參數設計CAD技術研究及實現

唐忠

（湖南工學院機械工程系，湖南 衡陽 421002）

0 引言

計算機具有速度快、計算精度高、有記憶和邏輯判斷功能等特點，某些設計方法如優化設計、有限元等得以應用。在機械零件設計方面，一些通用零件，例如三角膠帶傳動、滾動軸承等零部件設計也已有較成熟的應用軟件，已初步形成程序包。

齒輪傳動是機械傳動中應用最為廣泛的一種傳動裝置，傳統的齒輪傳動參數設計計算，過程復雜，需要查取很多圖、表，設計費時、效率低，且手工計算容易出錯。然而，用（VB visual basic）語言對齒輪參數的設計就很好地解決了這一難題，它吸收了軟件工程領域有益的概念和有效的方法。為參數化設計提供了基本的、重要的條件和手段。

1 CAD技術

通用機械零件目前常用的設計方法是理論設計方法。常用的設計計算公式都是在某些假設的條件下進行理論推導，再引入一系列的修正系數，而得到的半理論半經驗公式。利用這些公式手算時，需要查一系列的有關表格或圖樣來確定修正系數和某些參數，由于一次計算不一定能夠得到滿意的設計結果，往往需要修改某些參數后重新計算。預想得到滿意的結果，設計人員需要進行大量的數學計算浪費很多時間。

計算機輔助設計是人和計算機結合成一體的設計。人機結合既可以發揮人的主導作用又可以充分利用計算機的能力，其結果比單獨由人或完全依靠計算機來完成設計要優越得多。因此可以說，機械零件程序設計是把設計人員從大量數學計算中解脫出來的最有效方法。

2 系統數據處理

編制機械設計的應用程序的問題在于怎樣將設計計算過程中需要用到的大量數據、表格，以及各種圖樣等設計資料存入計算機的存貯器中。因而程序設計必須將這些圖表加以適當的處理，用到時隨時檢索。

2.1 數表的程序化

a）一維數表的程序化

這種數表的特征是查取的數值只與一個變量有關，因此可以用一維數組來存貯，如標準模數m，中心距a。檢索時不在節點上的函數值一般都要根據函數表進行插值來求。

b）不具有函數關系數表的程序化

1）直接把數據以數組的方式結合數據檢索直接編寫到程序中去。2）把數據編成一個與程序分開的數據文件，存貯在外存中供解題時檢索和調用。如二維數表中的彈性系數ZE、使用系數KA。

2.2 數表和圖樣的解析化

最小二乘法擬合數據的方法放棄了曲線嚴格通過所給定的各結點這一要求，而是盡可能正確反映所給數據的趨勢，擬合所用的函數仍為多項式。此法適應性強，一般機械零件設計計算中的各種曲線都可以用這種方法進行擬合。

a）動載系數Kv擬合結果如表1所示。

表1 動載荷系數曲線擬合多項式

b）接觸疲勞極限σHlim和彎曲疲勞極限σFlim

根據接觸疲勞極限σHlim和彎曲疲勞極限σFlim圖［1］得出的擬合公式如表2所示。

表2 接觸疲勞極限和彎曲疲勞極限擬合公式

c）齒形系數YFa擬合公式

YFa=2.984 508 －（0.014 134 －51 ×10－6Zv）Zv

d）齒根應力修正系數YSa擬合公式

YSa=1.472 047+（0.004 97 －16 ×10－6Zv）Zv

e）接觸壽命系數ZN［2］

f）彎曲壽命系數YN

式中N為應力循環次數。

2.3 計算值的規范化和標準化

機械設計中，往往要對計算值圓整，把它們變為規范化和標準化的數值。例如有的要求是整數，有的要求精確到小數點后第N位，有的則要求是5的倍數，如中心距。這一問題可用取整函數（INT）和格式輸出函數（Format）來處理。1）整數:Y=INT（X）轉換為小于等于該數的最大整型量;2）四舍五入:Y=INT（X+0.5）;3）5的倍數:Y=5*INT（X/5+0.5）;4）對第三位四舍五入并保留兩位小數:Format（數值表達式，"0.00"）。系統中大多數結果都用Format來保留兩位小數，其結果返回到文本框中，并用Locked屬性將其鎖定，用戶不能修改該返回值，校核結果利用標簽的Caption屬性返回。

3 建立數學模型

應用計算機進行機械零件設計時，數學模型的建立往往是模擬手算的步驟。一般無需重新建立數學模型，可直接采用現有的計算公式。有時為便于應用，僅對其作適當的改造。

4 VB參數化設計

4.1 窗體界面設計

窗體由屬性定義外觀，由方法定義行為，由事件定義與用戶的交互。簡單VB應用程序通常為單窗體程序。但對于較復雜的應用程序，單一窗體往往不能滿足需要，必須通過多窗體（MultiForm）來實現。在多窗體程序中，每個窗體可以有自己的界面和程序代碼，完成不同的操作，如有的窗體用來輸入數據，有的窗體用來顯示結果等［3］。

控件可以觸發什么事件，事件中會發生什么過程。VB6.0在用戶界面的設計上提供了多種實現方式，本程序界面包括:1）框架:將窗體上相同性質的控件放在框架中，提供可標識的分組;2）文本框:為用戶提供一個既能顯示又能編輯文本的對象;3）標簽:顯示用戶不能直接編輯的文本信息;4）按鈕:常用來啟動、中斷或結束操作用戶的一個進程;5）組合框:是文本框和列表框的組合，單擊該下拉按鈕，將顯示組合框的下拉列表框;6）滾動條:在信息量很大而控件又沒有自動添加滾動條功能時，利用滾動條幫助觀察數據或提供便利的定位;7）圖片框:既可以用來顯示圖形，也可用作其他控件的容器和方法輸出。8）MMControl控件［4］:它屬于ActiveX控件包含一組高層次的獨立于設備的命令，通過這些命令可以控制包括CD，VCD，WAV，AVI等音頻或視頻外圍設備。

4.2 結構化程序設計

對零件設計的手算過程必須熟悉，其中包括各參數及修正系數的選擇原則、方法。在此基礎上繪制程序框圖，如圖1 所示［5］。

圖1 設計與校核流程圖

4.3 程序封裝

VB提供了可視化設計工具，應用面向對象的程序設計方法，把程序和Windows界面設計的復雜性“封裝”起來，運行并調試程序無誤后便可生成可執行的EXE文件，可以在Windows下直接執行。

5 設計實例

設計某閉式直齒錐齒輪傳動，軸交角Σ=90°，小齒輪懸臂支撐，大齒輪兩端支撐，傳遞功率P=9.8 kW，小齒輪轉速n1=960 r/min，傳動比i=u=3，電動機驅動，工作機載荷穩定而平穩，長期單向運轉，使用壽命5 000 h［6］。

5.1 列表窗體

主要包括兩個事件過程，一個用來顯示多媒體的圖片框，另一個用來播放多媒體文件，播放列表中直齒、斜齒、直齒錐齒輪、齒輪齒條四種傳動動畫。利用圖片的ToolT-ipText屬性提示操作，單擊任一動畫進入該傳動系統，如圖2所示。

5.2 基本數據窗體

只需輸入相應的基本數據及一定的工作條件，如圖3所示。系統方能在后臺完成設計參數計算、強度校核、設計結果處理的整個過程。

5.3 齒面接觸疲勞強度計算窗體

圖4 設計計算

5.4 主要參數窗體

本窗體作為信息反饋窗體，經齒面接觸疲勞強度計算后確定的主要參數將顯示在該窗體中，如圖5所示。

圖5 主要參數

5.5 齒根彎曲疲勞強度計算窗體

如圖6所示，該窗體中既有設計計算又有校核計算。此外，運用VB6.0提供的一個名為Shell的內部函數來調用EXE動畫文件，進行三維動畫演示。

圖6 校核計算

6 結語

研究了數表和圖樣的程序化處理方法，使齒輪傳動的參數設計由手工轉向計算機自動完成，可進行不同類型的齒輪傳動的設計計算及強度校核。

實踐證明，以VB語言為開發工具，開發出的齒輪參數化的計算機輔助設計系統對實際生產具有很大的應用價值。利用數學模型將工程問題轉化為數學問題，便于修改和計算，縮短設計周期，并且可以保證正確制造。

［1］朱孝錄.齒輪傳動設計手冊［M］.北京:化學工業出版社，2005.

［2］楊厚福，張錫安，吳連生，等.機械零件程序設計［M］.北京:機械工業出版社，1988.

［3］鞏建華，孫秀梅.Visual Basic學習手冊［M］.北京:電子工業出版社，2011.

［4］高春艷，劉彬彬.Visual Basic開發實踐寶典［M］.北京:清華大學出版社，2010.

［5］張鄂.機械設計學習指導［M］.西安:西安交通大學出版社，2002.

［6］邱宣懷.機械設計［M］（第四版）.北京:高等教育出版社，2010.