圆锥齿轮设计系统的开发设计.docx

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圆锥齿轮设计系统的开发设计

摘要

随着圆锥齿轮的广泛应用和快速成型与虚拟制造技术的迅速发展,用小型CAD软件对圆锥齿轮三维基体和齿面进行参数化虚拟造型设计已成为设计者的迫切需求。

为此,在三维机械设计CAD软件环境下,应用VisualBasic开发了圆锥齿轮三维实体参数化造型设计系统,来解决圆锥齿轮三维实体参数化造型设计这一难题。

本次设计的题目是圆锥齿轮设计系统的开发，研究了圆锥齿轮结构的尺寸关系，在掌握圆锥齿轮三维造型方法的基础上采用外部程序实现参数化驱动自动生成实体齿轮模型，并且在主流操作平台上熟练掌握常用的软件工具进行圆锥齿轮的编程。

关键词：

圆锥齿轮，参数化，造型，模型

Abstract

Withtherapiddevelopmentofbevelgearwiththewideapplicationandrapidprototypingandvirtualmanufacturingtechnology,withasmallCADsoftwareofbevelgearthreedimensionalmatrixandthetoothparametersofvirtualmodelingdesignhasbecomeadesigner'surgentdemand.Tothisend,inthethree-dimensionalmechanicaldesignCADsoftwareenvironment,theuseofBasicVisualdevelopmentofthebevelgear3Dparametricmodelingsystem,tosolvethethree-dimensionalsolidconegearmodelingdesignoftheproblem.

Thetopicofthisdesignisthedevelopmentofbevelgeardesignsystemofthesizedependenceofthebevelgearstructure,inthemasteryofbevelgear3Dmodelingmethodbasedontheexternalprogramdrivenautomaticallygeneratedentitymodelofgearparameters,andthemainoperationplatformmastercommonlyusedsoftwaretoolsforbevelgearsofprogramming.

Keywords:

bevelgear,parameterization,modeling,model

摘要I

AbstractII

1.1课题的来源与研究的目的和意义1

1.2本课题研究的内容2

1.3圆锥齿轮的介绍3

1.4国内外圆锥齿轮的发展概况6

2圆锥齿轮的三维建模8

2.1圆锥齿轮三维参数化建模10

2.1.1建立渐开线齿廓曲线13

2.1.2直齿锥齿轮的建立15

3系统结构17

4关键功能实现18

4.1齿轮参数化建模过程19

4.2程序关键功能实现22

4.2.1主程序进入流程23

4.2.2对话框与具体实现方法25

4.2.3建立模型方法26

4.2.4读取模型参数方法26

5设计总结28

1引言

1.1课题的来源与研究的目的和意义

由于机械工程的知识总量已经远远超越个人掌握所有，一些专业知识是必不可少的。

但是过度的专业知识分割，使视野狭隘，可以多多参加技术交流，和参加科研项目，缩小范围，提升新技术的进步和整个块的技术，提高外部条件变化的适应能力。

封闭的专业知识的太狭隘，考虑的问题太特殊，在工作中协调困难，不利于自我提高。

因此，自上世纪第二十年代末，出现了一体化的趋势。

人们越来越重视基础理论，拓宽领域，对专业合并的分化。

机械工程可以增加产量，提高劳动生产率，提高生产的经济效益为目标，并研制和发展新的机械产品。

在未来，新产品的开发，降低资源消耗，清洁的可再生能源，成本的控制，减少或消除环境污染作为一个超级经济目标和任务。

机器能完成人的手和脚，耳朵和眼睛等等器官完全不能直接完成的任务。

现代机械工程机械和机械设备创造出更多、更精美的越来越复杂，很多幻想成为过去的现实。

人类现在能成为天空的上游和宇宙，潜入海洋，数十亿光年的密切观察，细胞和分子。

电子计算机硬件和软件，人类的新兴科学已经开始加强，并部分代替人脑科学，这是人工智能。

这一新的发展已经显示出巨大的作用，但在未来几年还将继续创造出不可思议的奇迹。

人类智慧的增长并没有减少手的效果，而是要求越来越精致，手工制作，更复杂的工作，从而促进手功能。

又一方面实践促进人脑智力。

在人类的进化过程中，以及在每个人的成长过程中，大脑和手是互相促进和平行进化。

大脑和手之间的人工智能和机械工程的近似关系，唯一不同的是，智能硬件还需要使用机械制造。

在过去，各种机械离不开人类的操作和控制，反应速度和运算精度的进化是非常缓慢的大脑和神经系统，人工智能将消除这种限制。

相互促进，计算机科学和机械工程进展之间的平行，将在更高层次的新一轮发展的开始使机械工程。

在第十九世纪，机械工程的知识总量仍然是有限的，大学在欧洲，它与一般的土木工程是一门综合性的学科，称为土木工程，下半场的第十九个世纪成为一门独立的学科。

在第二十世纪，随着机械工程和知识增长的发展开始分解，机械工程专业，有分支机构。

在第二十世纪中期趋势分解，在时间之前和之后的第二次世界大战结束时达到的峰值。

由于机械工程的知识总量已经远远从个人掌握所有，一些专业是必不可少的。

但是过度的专业知识使分割，视野狭隘，可以查看和统筹大局和全球工程和技术交流，缩小范围，新技术的进步和整个块的技术，外部条件变化的适应能力差。

封闭的专业知识的专家太狭，考虑的问题太特殊，在工作协调困难，不利于自我提高。

因此，自上世纪第二十年代末，出现了一体化的趋势。

人们越来越重视基础理论，拓宽领域，对专业合并的分化。

综合职业分化和发展知识循环过程的合成，是合理和必要的。

从不同的专业和专业知识的专家，也有综合的知识了解不够，看看其他学科和项目作为一个整体，从而形成一种相互强烈的集体工作。

综合和专业水平。

有机械工程全面而专业的冲突；在综合性工程技术也有综合和专业问题。

在人类所有的知识，包括社会科学，自然科学和工程技术，有一个更高的水平，更广泛的综合性和专业性的问题。

目前,国内外对二维图形参数化和简单三维实体的参数化的研究较为成熟,对复杂的三维实体的参数化造型研究尚不多见,特别是象圆锥齿轮这类形状复杂、精确齿形的三维实体参数化设计更为少见。

本课题以Solidworks为开发平台,以VB为编程语言,攻克了圆锥齿轮三维实体参数化造型的难关,开发了圆锥齿轮三维参数化设计系统。

该系统不仅包含三维实体参数化造型,而且还包含了强度计算,为后续的有限元分析、机构仿真、数控加工、模具制造提供了必要条件。

1.2本课题研究的内容

本论文主要是对圆锥齿轮开发系统进行设计，在设计过程中，了解圆锥齿轮的建模过程和二次开发过程等。

其主要研究内容如下：

（1）熟悉圆锥齿轮的啮合规律及结构尺寸关系。

（2）完成通用齿轮的三维造型，在学会所需开发工具的基础上，设计主程序实现参数化驱动。

（3）优化算法控制精度与计算效率。

（4）圆锥齿轮的三维图的绘制、CAD零件图的绘制。

（5）说明书的编写和整理。

1.3圆锥齿轮的介绍

锥齿轮,分度曲面为圆锥面的齿轮。

分圆弧锥齿轮和直齿锥齿轮。

主要用在两传动轴成一定角度的地方，最常用的是两轴成90°的地方。

支撑轴承中必须有推力或向心推力轴承；其它同圆锥齿轮的应用。

1.4国内外圆锥齿轮的发展概况

新中国成立后，当时基本上没有生产齿轮的能力，经过第一、二个五年计划的努力。

我国初步形成了一套包括汽车、机床、重型机械。

电站设备、石油化工与通用设备等机械制造能力，同时，齿轮制造业也随着发展起来。

到1963年左右。

我国不仅已能成批生产齿轮，而且一般规格的齿轮机床与刀具、量仪也能由国内制造。

后来，国家新建和改建了一大批齿轮与齿轮箱的专业厂与专业车间。

进一步扩大了齿轮配套的生产能力，到70年代末，已基本上形成我国齿轮制造工业的完整体系。

圆锥齿轮在机械产品中应用广泛，品种、规格繁多。

长期来，在齿形上以采用渐开线齿形为主。

在一般设计中较多采用中碳钢（或中碳合金钢）调质处理的齿轮（也称软齿面齿轮）。

很少采用低碳合金钢经渗碳淬火处理的齿轮（也称硬齿面齿轮）。

在工艺上，对于如汽车、拖拉机工业中大批生产的中、小模数齿轮；通常采用滚（插）齿一剃（挤）齿一热处理一珩齿工艺。

对于冶金、矿山、起重运输、通用等机械中所用的大、中模数齿轮，一般采用调质处理一滚齿工艺；对于电站、石油化工、冶金、船用等机械中的高速齿轮多数采用调质处理--滚齿--剃齿工艺，但近年来，滚齿--渗碳--淬火处理一磨齿工艺逐渐发展起来。

1959年以后．针对当时渐开线齿轮齿面接触强度差、工艺水平低、质量差的薄弱环节，我国从苏联引进了圆弧齿轮的科技成果，利用轴向共轭代替端面共轭和利用圆弧齿轮齿面接触强度比较高的特点，代替了不少机械产品的渐开线齿轮，70年代末，在一系列高速与低速传动中成功地应用单圆弧齿轮的基础上，采用双圆弧齿轮代替单圆弧齿轮，使抗弯强度提套40%~60%,工艺上改善了，应用范围获得了进一步扩大。

在传统齿轮的基础上，为了消除对轴的横向力，发明了圆锥齿轮。

国际上，动力传动齿轮装置正沿着小型化、高速化、标准化方向发展．特殊齿轮的应用、行星齿轮装置的发展、低振动、低噪声齿轮装置的研制是齿轮设计方面的一些特点．为达到齿轮装置小型化目的，可以提高现有渐开线齿轮的承载能力。

各国普遍采用硬齿面技术，提高硬度以缩小装置的尺寸；也可应用以圆弧齿轮为代表的特殊齿形。

英法合作研制的舰载直升飞机主传动系统采用圆弧齿轮后，使减速器高度大为降低。

随着船舶动力由中速柴油机代替的趋势，在大型船上采用大功率行星齿轮装置确有成效；现在冶金、矿山、水泥一轧机等大型传动装置中，行星齿轮以其体积小、同轴性好、效率高的优点而应用愈来愈多。

由于机械设备向大型化发展，齿轮的工作参数提高了。

如高速齿轮的传递功率为1000-30000kw。

齿轮圆周速度为20~200m／s（1200-12000r／min），设计工作寿命为5X104-10X104小时；轧钢机齿轮的圆周速度已由每秒几米提高到20m/s，甚至30～50m/s。

传递扭矩达l00~200t.m,要求使用寿命在20～30年以上。

这些齿轮的精度等级一般在3～8级。

并对平稳性与噪声有较高的要求。

对于高速齿轮在圆周速度超过100m／s时，由于运转中的热效应要求在设计时对产生的热变形进行修正，使齿轮在工作时达到一个正常的啮合状态。

特别对于高速重载齿轮，更要加以考虑。

其次，对于低速重载齿轮如轧钢机齿轮，由于采用硬齿面齿轮后，其齿面负荷系数增加而引起的整个齿轮装置系统的弹性变形变得突出了，所以有时也要对反映到齿面的弹性变形进行修正。

这种对齿轮轮齿修形的技术是目前大功率、高速、重载齿轮制造的一个重要趋势。

在齿轮制造技术方面．重点是进行硬齿面加工，尤其是大型硬齿面齿轮的切切与热处理工艺的发展，如超硬切齿、滚内齿、成形磨齿、大模数齿轮珩齿、弹性砂轮抛光、轮齿修。

为了提高动力传动齿轮的使用寿命并减小其尺寸，除从材料，热处理及结构等方面改进外，圆弧齿形的齿轮获得了发展。

1907年，英国人FrankHumphris最早发表了圆弧齿形。

1926年，瑞土人EruestWildhaber取得法面圆弧齿形斜齿轮的专利权。

1955年，苏联的M．L．Novikov完成了圆弧齿形齿轮的实用研究并获得列宁勋章。

1970年，英国Rolh—Royce公司工程师R．M.Studer取得了双圆弧齿轮的美国专利。

这种齿轮现已日益为人们所重视，在生产中发挥了显著效益。

斜齿轮有对轴上的横向力，为消除这种力，把一个齿轮作成对称方向的相反的斜齿轮，来消除这种力，看上去像个人字，简称圆锥齿轮。

2.1圆锥齿轮三维参数化建模

2.1.1建立渐开线齿廓曲线

建立包含齿轮基本参数,内容如下：

大端模数：

11m

齿数：

24Z,21Z

a压力角：

20

齿数比：

1/21z

分锥角：

b=arctan（Z1/Z2）45

齿顶高系数ha0.

高变位系数：

1x=2x

大端分度圆直径：

mezde

外锥距：

eR=de/bsin2

齿宽系数：

取3.0width

齿宽：

bwidtheR

实际齿宽系数：

2984.0e

中点模数：

e）0.5-（1memm中点分度圆直径：

）5.01

当量齿轮基圆直径：

aXbcos

大端齿顶高：

mexha）11（大端齿根高：

hf2.1（-1xme齿根角：

）/arctan

齿顶角：

a=f（采用等顶隙收缩齿）

顶锥角：

ba=b+a

根锥角：

bf=b-F

当量齿轮顶圆直径：

haXdvXdvXa2

当量齿轮根圆直径：

hfXdvXdvXf

Solidworks系统默认变量：

齿厚对应的圆心角：

180/z1c参数化是一种基于特征、尺寸约束、数据相关、尺寸驱动设计修改的技术。

因此,如果需要绘制不同齿轮参数的齿轮,只需在此文件中修改齿轮的基本参数值,然后在Solidworks中重新导入,即可生成参数不同的齿轮渐开线。

首先在Solidworks中输入直齿锥齿轮的各参数生成渐开线.具体方法如下:

①从“工具→表达式”中输入参数;②从“插入→曲线→规律曲线”进入对话框,然后点击规律函数对话框的“确定“按钮,设置以t为自变量,横坐标为xt的因变量;同理,分别设置以t为自变量,纵坐标为yt、第3个坐标为zt的因变量,再选择原点作为参考点,即可生成渐开线,见图3-3。

之后，在X-Y平面内绘制当量齿顶圆与两段渐开线相交所得的圆弧，以及连接坐标原点与渐开线的另两个端点，形成大端俯视截面草图。

如图3-4。

2.1.2直齿锥齿轮的建立

1.根据所输入的参数中当量齿轮分度圆半径，当量齿轮齿根圆半径，当量齿轮齿顶圆半径，分锥角，顶锥角，在不同的平面内绘制出如图3-5的草图。

2.根据齿宽b的尺寸参数创建一平面，利用方法：

“编辑—曲线—修剪”，完成最后齿形轮廓，如图3-6。

3.利用方法“插入—扫掠—扫掠”，令线1，2，3为截面线串，线4为引导线串，创建出一个齿的外形，如图3-7。

4.绕图3-6中1线作为环绕轴，截面是在大端平面内为当量齿轮齿根圆半径的一平面，创建出的一个中间的锥体，如图3-8。

5.生成上图齿将锥体和一个齿作布尔运算和，将创建出来的一个齿按所选定的齿数作圆周阵列，即而创建出锥齿轮的最初的形状，如图3-9。

6.根据结构设计需要，经添加锥体，创建基准面，经修剪体切除顶锥多余的部分，以及根据与轴配合的孔径尺寸建孔，最后完善的直齿锥齿轮如图3-10。

3系统结构

系统名称为GBGear，即国标齿轮的意思。

工程下包含stdafx和GBGear两个头文件，其包含文件再包含系统标准包含文件及资源。

具体结构如图3-1所示：

文件结构如图3.2所示。

4关键功能实现

4.1齿轮参数化建模过程

1.建立各参数。

2.在关系中加入运算齿根圆等四个圆半径的公式。

3.草绘四个圆，并加入关系。

4.加入计算渐开线偏移角的关系。

计算偏移角是为了使渐开线最终围成的齿位于正中间，再加入位于齿隙正中的参考平面后，可便于装配时定位，以达到良好的仿真效果，并减少干涉。

5.加入基于圆柱坐标系的渐开线，再镜像。

方程：

6.拉伸齿根圆，厚度为b。

7.绘制齿形草绘，并加入关系。

8.加入参考平面，并加入关系。

该参考平面用于装配时定位初始角度。

设计的圆锥齿轮如下图所示：

4.2程序关键功能实现

4.2.1主程序进入流程

由于Pro/Toolkit应用程序工作模式有两种——同步模式（Synchronousmode）和异步模式（Asynchronousmode）。

而同步模式又包含两种模式——动态链接库模

（DLL）和多进程模式（Multiprocessmode）。

我们这次是针对同步模式中的动态链接库模式（DLL）。

简单地说，就是Solidworks通过protk.dat文件寻找dll和text的目录，然后通过dll中的user_initialize（）函数进入二次开发程序。

其中text目录用于供程序读取菜单栏，通知信息等文字数据。

主程序进入函数流程如图4.8。

步模式（Asynchronousmode）。

而同步模式又包含两种模式——动态链接库模式（DLL）和多进程模式（Multiprocessmode）。

我们这次是针对同步模式中的动态链接库模式（DLL）。

简单地说，就是Solidworks通过protk.dat文件寻找dll和text的目录，然后通过dll中的user_initialize（）函数进入二次开发程序。

其中text目录用于供程序读取菜单栏，通知信息等文字数据。

主程序进入函数流程如图4.8。

命令传入状态函数源代码：

在命令处理事件添加函数ProCmdActionAdd中调用了CyGear函数，将函数加载至工具栏按钮。

CyGear函数：

CyGear函数中创建了一个DlgGear对象，该对象由DlgGear.cpp及DlgGear.h支持，用于显示对话框，及完成相关命令。

4.2.2对话框与具体实现方法

在资源文件GBGear.rc中，新建了一个IDD_DIALOG1对话框资源。

并添加控件，布局如图。

为对话框添加类DlgGear。

在DlgGear.h头文件中，可以找到枚举型IDD变量，即为引用了对话框资源。

4.2.3建立模型方法

在按钮中加入OnBnClicked函数处理按下事件，建立模型。

SetGear为一个自定函数，传入ProMdl类型的形参，在函数内将该模型参数设置为全局变量中定义的各参数值，并再生模型，激活窗口。

下面为SetGear

函数流程图：

其关键函数只有ProObjectwindowCreate和ProWindowActivate，但因为前者需要传

入模型名字与类型的形参，所以在其前加入ProMdlNameGet和ProMdlTypeGet

函数。

4.2.4读取模型参数方法

作为一个齿轮生成系统，如果生成的齿轮不能通过该系统修改，实在是件糟糕的事。

如果修改后，丢失了其他特征（例如孔，键槽，凸台等），则修改也失去意义。

所以，我们为系统加入了读取模型参数的方法，将数据读取后反应至对话框上的控件，

让对话框和建立该齿轮时的状态相同，便于用户更改。

下面是读取模型参数的流程图：

值得一提的是，Pro/Toolkit开发的程序是需要解锁的，否则只能在开发该程序的计算机运行。

解锁过程在官方文档中叙述相当详细，在此不再赘述。

5设计总结

本次设计的题目是圆锥齿轮设计系统的开发的设计，经过查找各类资料和参考文献，到今天总算完成了，通过本次设计，再次提出了利用绘图软件的水平，并吸收了大量的经验，总结出以下几点。

关于图纸的绘制方面，当零件的尺寸已经给出，不考虑图纸尺寸不合适的，基于零件图，装配时必须考虑的大小是合适的，因为AutoCAD绘图效果不好，也会引起的尺寸误差，和甚至出现欠定义大小，因此，必须通过在这个时候对零件进行测量，进行修改，直到符合要求。

该工具是方便的输入数据映射，通过选择部分的类型，标准件，可以生成，但有时需要在工具集使用部分可能找不到，所以在这个时候随机应变，其他部分而不是通过修改或满足要求增加组件的使用。

地图应该是灵活的，解决问题的方法总比问题多，当一个方法不能正常映射，试试另一种方法，它不仅可以完成零件的生产，而且还可以开发映射一个更好的主意，并打破了新思想的规则。

学习使用一些可以节省时间的命令，如镜像，阵列，能省则省”。

在装配过沉重，曾给了我一个很大的障碍，是要花很多时间去找出为什么。

在一个活跃的子组件，虽然活动范围会产生干扰，可以设置该复合物的活动范围，如先进的范围内，和角度范围，即使在这个范围内不影响母配体，不能设置。

因为一旦设定的范围内，在父组件将被视为完全定义的组件模型，它将冲突分总成，将无法完成装配。

看地图是最重要的任务是理解零件图，图表工具，没有工具是没有法律的零件图，所以不要急着写，想通过零件的结构，并认为通过线图，这是重中之重，映射。

部分建模，一般应的特点进行深入分析，找出零件是由几个特点，摆脱所有的形状特点，它们之间的连接相对位置、表面，然后按主次特征造型的关系，按一定的顺序。

一个复杂的部分，有许多简单的功能，通过切除或重叠相交，可理解性和实体模型。

特别是在二维图纸，我们只能看到元器件的布局，并用虚线给说的内部特征，除了部分的相贯线，这条线各特征在路口出现。

在选秀过程中零件，必须选择第一个草图平面，这是非常重要的，决定了后续的模型飞机的命令，使用简单的说，一个圆柱形围成一个圈，然后绘制，也可以作为一个长方体旋转，虽然他们的结果都是一样的，但草图平面和命令的使用。

如果我们想要一个轴，那么我们应该选择第二个方法以及。

由于该零件的设计不规则零件，用于为拉伸和旋转命令，许多零部件都是对称的，所以为了节省时间，提高效率，通常用于指挥镜特性。

一个完整的工程图纸应该包含以下4个方面。

一组视图：

一组视图（包括视图，剖面，断面，局部视图）是正确的，完整的，对各部分的结构和形状表达清楚。

尺寸：

尺寸的确定和零件的形状各部分的位置

技术要求：

表明部分的一些要求必须在制造和检验完成，如表面粗糙度，尺寸公差，形位公差，材料和热处理的方法和指标。

标题栏：

注明产品名称，材料，数量，拉伸比和拉伸，等。

单击[新建]图标以显示新的文件系统，Solidworks文件”对话框中，单击“选项”对话框中的组件，你可以进入装配工作模式，进行以后的设计工作。

总结

在最近的一段时间的毕业设计，使我们充分把握的设计方法和步骤，不仅复习所学的知识，而且还获得新的经验与启示，在各种软件的使用找到的资料或图纸设计，会遇到不清楚的作业，老师和学生都能给予及时的指导，确保设计进度，本文所设计的是圆锥齿轮设计系统的开发的设计，通过初期的定题，查资料和开始正式做毕设，让我系统地了解到了所学知识的重要性，从而让我更加深刻地体会到做一门学问不易，需要不断钻研，不断进取才可能做的好，总之，本设计完成了老师和同学的帮助下，在大学研究的最感谢帮助过我的老师和同学，是大家的帮助才使我的论文得以通过。

致谢

在导师XXX教授的大力帮助与支持下，我的毕业论文得以完成。

老师对于事业的热情，学术上的严谨以及细节里的严格让本人受益匪浅。

在相关的实际问题的讨论中，XXX总是孜孜不倦的引导着我，帮助着我。

每周一次的进度检查和问题讨论，促使我在正确的道路上大步前进，不仅工作的按时保质保量的完成得到了保证，我本人的研究能力，工作的态度也得到了充分的锻炼和提高。

这些宝贵的品质影响着我，毫无疑问，它们对我以后的工作，学习，生活都会起到深远而长久的良好