齿轮减速器中齿轮设计系统的开发及应用

齿轮减速器中齿轮设计系统的开发及应用

黄杰

珠海市钧兴机电有限公司广东省珠海市519100

摘要：齿轮传动装置的设计是整个传动装置设计的重要环节，更是决定传动装置性能的关键环节。传统手工设计中，齿轮的设计计算量大，对于刚接触零件设计的学生来说，参数选择的合理性非常难把握，往往造成为了保证减速器体积较小，设计的齿轮强度不够，或为了保证传动强度最终得到的减速器的体积较大。在整个设计过程中，反复计算时有发生，大大影响了学生对零件、产品设计的兴趣。

关键词：齿轮；减速器；设计

引言

齿轮传动的设计是机械传动系统设计中的典型代表，其常规设计和应用历经了上百年的实践探索和发展，而且其优化设计理论和方法在近几十年里也取得了长足的进展。但由于机械传动优化计算涉及的问题很广，需要考虑的设计因素很多，例如有几何尺寸，强度，刚度的计算校核，还有材料、加工工艺、结构、标准化、成本和寿命等等，因此其优化设计还面临诸多难点和问题。本文的优化目标为以在满足一定的承载能力前提下，要求齿轮传动的整体体积为最小，以此进行优化设计。主要过程为：将所有可能的组合值组合成一个矩阵A中，前六列存放设计变量，两两排量组合，后九列存放计算出的性能值，按照约束条件进行计算，最后通过对比，将满足约束条件的结果存入可行解中并将计算出来的性能值与约束值进行比较判断可行解并在可行域内寻找最优解。

1设计前准备工作

1.1设计准则

设计零件的依据是其工作过程中的失效形式，清楚了零件在实际工作情况中是如何失效的，在设计中以此为设计准则来设计零件。齿轮传动的失效形式一般较为常见的有以下几类：齿轮轮齿折断、齿面接触疲劳磨损、齿面磨粒磨损、齿面胶合、齿面点蚀、齿面塑形变形等［2］。而齿轮的其它部分（如齿圈、轮幅、轮毅等），除了对齿轮的质量以及大小有一定限制外，通常只按照经验设计，所定的尺寸强度及刚度来说均较富裕，实际工作中也极少失效。在设计时，针对各种工作情况及相应的失效形式，应采用相对应的设计准则来进行设计。目前，在设计齿轮传动时，一般按照保证齿轮齿根弯曲疲劳强度和保证齿轮齿面接触疲劳强度这两个设计准则进行设计计算。其次，齿轮的材料及相应的热处理方法也是设计中需要着重考虑的。根据齿轮传动的特点及失效形式，要求齿轮的齿面具有较高的耐磨性、抗点蚀、抗胶合及抗塑性变形的能力，要求齿轮的齿根抗折断的能力高。

1.2计算过程

本设计中程序仅以常用的硬齿面材料为例，进行设计。（1）根据负载、以及运动状态（速度、是垂直运动还是水平运动）来计算输入功率；（2）确定传动方案以及方案中齿轮的精度、加工材料和热处理方式；（3）初步计算齿轮直径（或模数）；（4）得出齿轮传动的所有几何参数，如实际分度圆（d）、齿数（z）、模数（m）、中心距（a）、齿宽（b）、分度圆压力角（α）、基圆螺旋角（β）等；（5）进行齿轮强度校核，主要有包括齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度等；（6）进行结构设计。以上过程中出现矛盾或不合理参数时，需要找到错误参数，尝试修正，并重新设计校核，这对手工计算来说是非常费时费力的工作，设计尚且如此，更不要说优化的计算工作，传统手工基本无法实现。

1.3开发软件平台

圆柱齿轮减速器平台设计的窗口界面语言采用C#代码，在MicrosoftVisualStudio2008环境下编译，使用Windows窗体应用程序组建，之后采用Matlab软件编制齿轮设计代码，生成．exe可执行文件，最后从C#中调用该．exe文件，实现软件自动计算的功能。圆柱齿轮减速器设计平台的优化的核心代码是采用Matlab软件编写调试平台。之后在MicrosoftVisualStudio软件平台上应用C#语言进行优化交互界面开发、数据采集等功能，最终完成功能强大、操作简便的齿轮优化程序的开发。

2程序实现关键技术

由于齿轮设计过程中，有很多参数和数据值需通过表格、线图确定，因此，程序实现首先要解决公式的程序化、表格的程序化、线图的程序化，以便在整个设计计算过程中随时按需提取和调用，进行计算。

（1）保存用户输入参数计算过程中要用到用户输入的已知参数，要求在计算时可以调用到这些参数。实现这一过程，首先用户输入已知参数后，软件通过VS中已经编写好的C#语句生成一个TXT文件，将输入参数的数值按顺序保存到该TXT文件中。记录好已知参数的顺序，在计算过程中直接按顺序调用这些参数即可。以下是保存用户输入的传动方案（rb1：一级齿轮传动、rb2：二级齿轮传动，若选择其中之一，则另一种方案值为“0”）输入功率（P1）、输入转速（n1）、齿数比（u）、工作时长（t）值的保存过程。指定按rb1、rb2、P1、n1、u、t的顺序保存在“mj01．txt”中。

（2）保存齿轮设计计算过程各种传动方案的齿轮设计计算过程并非在软件界面的底层完成而是用MATLAB语言完成，包括许多系数图标的程序化过程。完成后均保存为．m文件，编辑程序时主程序和系数的求解过程单独编辑，保存在同一个文件夹内；其次，将主程序用MATLAB生成．exe文件，这个过程会将主程序中所有点用到的子程序一起打包在这个生成的．exe文件中。在软件界面点击计算时，界面底层调用该．exe文件即可实现整个计算过程。计算完成后，齿轮的基本参数和传动参数值也会按顺序被保存在指定的一个TXT文件中。

3齿轮设计软件使用说明

齿轮设计软件的说明过程以一级齿轮传动为例：（1）打开软件后可以获取个人帐号，然后输入帐号后，点击“登录”即可开始齿轮设计工作。（2）登录后，将已知参数输入对应的输入框中。输入完成后，点击“下一步”即可进入下一界面。（3）选择方案，在这刻界面中用户可依据只记得设计要求选择相应的传动方案。输入完成后，点击“下一步”即可进入下一界面。（4）材料及制程设计界面，用户首先要选择齿轮齿形，是直齿还是斜齿；其次选择齿轮的制造精度；最后选择齿轮的加工材料（用户可以手动输入或者通过复选框选择相应的材料），点击“确定”后材料基本属性就会自动填充无须用户再去查阅资料。接着选择支撑和润滑的方式。（5）齿轮传动设计界面，到该界面后用户就无需再输入数据，只需点击“计算”即可完成计算。然后点击“下一步”。（6）性能计算，点击“确定”即可完成计算，最后点击“输出”即可完成所有的设计工作。该软件界面友好，使用简单。对使用者的专业要求不高，有利于提高设计工作的效率，避免人工设计的大量计算和重复查阅资料的过程。

结束语

随着CAD\CAE技术的出现，使用计算机的高速计算能力，应用先进的优化算法，使得齿轮优化设计成为可能。所以本论文的“平台程序的优化”部分即完成一套单级圆柱齿轮在满足强度要求条件下寻找体积最小的优化参数的软件平台。

参考文献：

［1］易际明，陈伟，漆文凯，等．减速器参数化绘图系统的开发研究［J］．通用机械，2006，9（3）：32－34．

［2］李国斌．机械设计基础［M］．北京：机械工业出版社，2009．

［3］周晖．M系列通用减速器的模块化设计及其CAD［D］．上海：同济大学，2006．

［4］潘湘高．基于MATLAB的模拟仿真方法的研究［J］．计算机仿真，2013，20（5）：103－106．