齿轮减速器中齿轮设计系统的开发及应用

（第30卷，总第151期)实训园地

doi：10.16576/j. cnki. 1007-4414.2017.05.074

齿轮减速器中齿轮设计系统的开发及应用

王琼

(甘肃机电职业技术学院，甘肃天水741000 )

摘要:齿轮的传统手工设计中，设计计算量大，尤其参数选择的合理性非常难把握。为了解决这种现状，以圆柱齿轮 减速器设计平台的开发为内容，开发平行轴齿轮传动装置的设计软件。这种软件具有操作简单、自动化程度高、灵活 性强等特点，能够减少重复劳动，缩短设计周期，提高设计质量，节约成本符合现代产品的设计需求。关键词：仿真模拟；齿轮传动设计；编程中图分类号：TH132 文献标志码:A 文章编号：1007-4414(2017)05-0221-03

Development and Application of the Gear Design System in Speed Reducer

WANG Qun

(Gansu Mechanical & Eletrical Vocational Technical College，

741000，China)

Abstract: In the traditional manual design of gears，the design calculation is large，and the rationality of parameter selection

is very difficult to grasp. In order to solve this situation，the design software of parallel shaft gear transmission device is devel­oped for the development of the cylindrical gear reducer design platfor^n. This software has advantages of simple operation， high degree of automation，and good flexibility，and it can reduce the repetitive work，shorten the design cycle，improve de­sign quality，and decrease the cost，thus it can meet the demands of modern product design.

Key words ： simulation ； gear drive design ； programming

0引言

高等职业院校机械制造及自动化专业学生每年

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。本设计中程序仅以常用的硬齿面材料为例，进 行设计。

1.2单级圆柱齿轮传动的计算过程[3]

(1) (2) (3) (4)

动还是水平运动）来计算输人功率；材料和热处理方式；

初步计算齿轮直径（或模数）；

都要进行以圆柱齿轮减速器为题的机械零件课程设 计。其中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[|]。为了解决 这种现状,笔者以圆柱齿轮减速器设计平台的开发为 内容，开发一套平行轴齿轮传动装置的设计软件。1

设计前准备工作

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1.1齿轮零件设计的失效形式及设计准则

根据负载、以及运动状态（速度、是垂直

确定传动方案以及方案中齿轮的精度、加

得出齿轮传动的所有几何参数，如实际分

圆（d)、齿数(z)、模数(m)、

中心距（a)、齿宽（b)、分度圆压力角（a)、基圆

*收稿日期:2017-09-05

基金项目：2016年度甘肃省高等学校科学研究项目：减速器齿轮的二维数字仿真模拟系统的开发及优化（编号:2016B-166号) 作者简介:王琼（1981-),女，甘肃天水人，讲师，硕士,研究方向：机械产品设计。

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实训园地2017年第5期（第30卷，总第151期）

•机械研究与应用•螺旋角（P)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开发软件平台使用语言

圆柱齿轮减速器平台设计的窗口界面语言采用

C#代码，在 Microsoft Visual Studio 2008 环境下编译，

使用Windows窗体应用程序组建，之后米用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Microsoft Visual

Studio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[4]。

2

程序设计流程

2.1软件设计流程图（见图1)

2.2

软件界面设计

用户界面的设计思路由以下要点构成[5]:①按用

户分类;②描述用户及其任务脚本;③设计命令层;④ 设计详细的交互;⑤继续做原型;⑥设计用户界面类。

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图1

软件设计流程图

2.3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。

2.3.1数据保存

(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

(rbl : —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。

•机械研究与应用 • 2017年第5期

（第30卷，总第151期）

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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。

(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

。

图4选择传动方式界面

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（见图2)。(2) 登录后，将已知参数输入对应的输入框中

(见图3)。输入完成后，点击“下一步”即可进入下

一界面。

图2登录界面 图3输人参数界面

(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（见图4)。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

(5) 齿轮传动设计界面，到该界面后用户就无

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，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。参考文献：

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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.

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沃森（KarliWatson).齐立波（译）.C#入门经典[M] •北京：清华

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最齿