SOLIDWORKS齿轮参数化建模
SOLIDWORKS齿轮参数化建模
1.1 课题研究背景
齿轮是一种传动零件。它大多数被用于机械传动当中，用来改变转速和旋转方向以及传递动力。随着科技的发展，齿轮传动也越来越想着重载，高速，低噪声等方向发展。这就需要齿轮有着更高的性能。我们都知道，长时间的使用齿轮长会出现磨损，这就会导致齿轮失效现象的发生。齿轮的失效形式主要有轮齿折断、齿面胶合、齿面磨损、齿面点蚀、和齿面塑性变形。为了避免失效情况的出现，我们需要对齿轮弯曲强度进行计算。由于齿轮型号有很多多,再加上零件检测试验中测试位置、受测试点、加工质量以及加工工艺的影响，很难准确地反映齿轮的应力分布状态。因此传统的齿轮设计存在着很多缺陷如：设计周期长、效率低等。本文利用SOLIDWORKS软件建立了渐开线直齿圆柱齿轮的参数化设计模型。同时,利用有限元分析软件对齿轮强度进行分析校核，解决传统齿轮设计中的缺点，提高设计效率。
1.2 研究的目的和意义
齿轮传动是机械传动中重要的运动之一，广泛的被用于各种冶金、机械、航空航天、矿业、汽车及船舶等领域。齿轮传动具有传动效率高，传动比稳定，使用寿命长，工作可靠，结构紧凑等优点。渐开线直齿圆柱齿轮是运用范围最为广泛的一种齿轮，它结构简单，加工制造方便，在机械传动中占据着重要的位置。因此，几十年来对齿轮的研究与改进从未停止过，使齿轮的设计方法更加完美，使机械设备的质量和使用性能得到了显著的提高。随着科技的发展，对齿轮的性能提出了更高的要求。因此，需要对齿轮进行进一步的研究与改进以满足现代社会对齿轮高速、重载、低噪声的需求。
常见的齿轮有直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮、人字齿圆柱齿轮。
直齿圆柱齿轮是现代机械中最为常见的一种传动机构，广泛用于各种减速器，机床减速装置及车辆的变速箱等。如果齿轮结构设计不合理，就会影响其动态性能，在工作过程中就会产生极大的震动和噪声，同时也会影响工作精度和可靠性。齿轮由于长时间工作，就会由于受力不均匀，齿面就会发生变形，甚至失效不能工作。所以对齿轮进行失效分析，并提出改进措施，可延长齿轮的寿命，保证齿轮传动的可靠性。
目前，齿轮正朝着高承载、高速度、高效率、低噪声的方向的发展，为了能使重载齿轮平稳的运行，减少齿轮受载变形，并改善齿面润滑状况及获得较为均匀的载荷分布，这就需要对齿轮进行有限元分析，避免齿轮失效。
为了避免齿轮失效，研究齿轮受力是当代机械工程的重要课题。有限元法的诞生为计算齿轮应力提供了新的方法和手段。
1.3 参数化研究的国内外现状
对于齿轮参数化设计方法的研究在国外经过几十年的发展已经越来越成熟，其中以 GaoXiao--Shan提出的约束传播法即以利用图表示的基于知识的几何推理法为代表。
国内近年来对参数化的研究也显示出比较高的热情，不断开发出一些具有较高技术水平的软件，在几何约束的表示和求解方面，提出了各种新思路和方法。例如：浙江大学董金祥教授，葛建新博士提出变参绘图系统中一种约束求解新方法，采用该方法，不但可以通过分解和排序来提高求解速度，而且可以通过快速指出约束不足和约束过载来提高灵活性和可靠性。还有清华大学张国伟等提出了一种基于自由度分析的约束传播算法，求解二维参数化设计中所建立的几何约束模型。用约束图表示几何元素及它们之间的约束关系，用规则图来表示求解推理的过程，采用了基于规则的推理与数值计算相结合，基于自由度分析的约束求解策略。除此之外浙江大学谭建荣教授等针对现有在线参数化方法的不足，提出了模型建立和求解相分离的离线式参数化方法，基本思路是根据工程制图规则和尺寸与图形的本质联系，自动建立尺寸与图形的约束关系，并探讨了工程图约束信息自组织原理和方法。
1.4 齿轮有限元计算的发展与趋势
有限元分析法是根据变分原理来求解数学以及物理问题的一种数值计算方法, 它最初出现是在50年代，为解决固体力学问题而出现的.有限元分析法是分析各种不同结构问题的一种强有力的工具, 无论结构的边界条件和几何形状有多么复杂，无论外加载荷和材料性质如何多变，无论是大型舰船、飞机，还是水利大坝，使用有限元分析法都可以方便地进行分析和获得满意的答案。在国外，许多制造企业，把有限元分析作为设计过程的一个比不可少的步骤。齿轮计算的方法有很多且评价指标各不相同，建立一套完整的计算齿轮强度的规范，可以快速准确地计算遗迹评价齿轮的强度，加快产品研发；将其作为企业规范的一部分，可以保证企业知识与财富的持续积累，将齿轮强度的计算分析工作纳入有序确定的产品研发过程。如今存在的的齿轮疲劳强度计算的方法大部分是按材料的疲劳极限，考虑到材料强化处理、尺寸影响和应力循环，计算出出齿轮危险部位的最小强度，用安全系数的方式来表示。三维有限元法可以比较准确地得到齿轮的应力分布，通过应力分布的比较，再采用一定的评价方法就可以确定齿轮的疲劳强度。
1.5 齿轮的主要优点及缺点
1.5.1 齿轮优点
（1）瞬时传动比恒定，工作平稳，传动准确可靠，可传递空间任意两轴之间的运动和动力
（2）传动比范围大，可用于减速或增速
（3）适用的功率和速度范围广
（4）传动效率高
（5）工作可靠，寿命长
（6）外廓尺寸小，结构紧凑
1.5.2 齿轮缺点
（1）制造和安装精度要求较高，需要专门设备制造，成本较高
（2）精度不高的齿轮传动，工作时噪声、振动和冲击较大
（3）不宜用于距离较远的两轴之间的传动
（4）无过载保护作用
1.6 齿轮的失效分析
齿轮常见的失效方式包括：轮齿折断、齿面磨损、齿面疲劳失效、齿面胶合、塑性变形等。
（1）轮齿折断
正常情况下，轮齿折断主要是齿根弯曲疲劳折断。轮齿受载时，齿根处产生的弯曲应力最大，再加上齿根处应力集中，当轮齿受载后，会产生疲劳裂纹，并且会逐渐扩大，最终导致轮齿折断。
根据发生机理不同，轮齿折断分为疲劳折断和过载折断。
从断裂形态来看，轮齿折断分为整体折断和局部折断两种。整体折断主要放生在齿根处，对于直齿轮，裂纹一般从齿根处向齿内扩展而发生折断。齿轮上受力不均匀将导致齿轮局部折断，通常发生在齿轮一端。
通过增大齿根圆角半径，降低表面粗糙度来减小应力集中，选择合适的齿轮材料和热处理方法，使轮齿有足够的韧性，采用喷丸、滚压等工艺对齿根处进行强化处理等，都可以提高轮齿抗疲劳折断能力。
（2）齿面磨损
齿轮在传动时，两个渐开线齿廓之间存在相对滑动，在载荷作用下，齿面间的灰尘、硬屑粒会引起齿面磨损。严重的磨损将使齿面渐开线齿形失真，齿侧间隙增大，从而产生冲击和噪声，甚至发生轮齿折断。在开式传动中，特别在多灰尘场合，齿面磨损是齿轮主要失效形式。
采用闭式传动、提高齿面硬度以及选择合理的齿面硬度、减小齿面粗糙度，保持良好润滑度，可以减小齿面磨损。
（3）齿面点蚀
齿轮传动中，齿面上的应力时间变化而变化的，在这变应力作用下，在一段时间后齿轮节线附近将产生细微疲劳皱纹，再加上润滑油挤入等原因将会加速疲劳皱纹的扩展。这就是齿面点蚀。
新齿轮由于比较粗糙，局部接触应力较高，会出现点蚀，但随着齿面的磨合，点蚀将不再发展或逐渐消失，这种现象就是收敛性点蚀。它有助于齿轮磨合。随着工作时间的增长而逐渐扩展的点蚀称为破坏性点蚀或扩展性点蚀。这点蚀会导致破坏范围逐渐增大。致使齿面磨损，影响齿轮运转，使齿轮在传动中冲击、振动、噪声变大，导致齿轮失效。
实践表明，齿面点蚀通常首先出现在齿根附近，然后在逐渐扩展到其他部位。这是因为在齿轮传动中齿根处的接触应力最大，同时由于该处齿面间相对滑动较低，无法形成润滑油膜，，所以在齿根处易产生点蚀。
提高齿面硬度、降低表面粗糙度、采用适当的变位及增大润滑油黏度，都可以提高抗点蚀的能力。
（4）齿面胶合
齿面间会存在一种润滑油膜，齿轮在高速传动中，齿面间会因为压力过大，温度升高等原因导致润滑油膜破裂，使齿面直接接触。接触的金属在高温高压下会粘在一起，并且产生相对滑动，使齿面上产生划痕，这就是齿面胶合。
在齿轮传动中，齿面瞬时温度会升高、相对滑动速度增大，这样越容易导致胶合现象的发生。
适当提高齿面硬度及降低便面粗糙度，可以防止产生齿面胶合，除此之外，低俗齿轮采用黏度大的润滑油，高速传动采用抗胶合能力强的润滑油，并在润滑油中加入添加剂等都可以防止齿面点蚀的发生。
1.1 课题研究背景
齿轮是一种传动零件。它大多数被用于机械传动当中，用来改变转速和旋转方向以及传递动力。随着科技的发展，齿轮传动也越来越想着重载，高速，低噪声等方向发展。这就需要齿轮有着更高的性能。我们都知道，长时间的使用齿轮长会出现磨损，这就会导致齿轮失效现象的发生。齿轮的失效形式主要有轮齿折断、齿面胶合、齿面磨损、齿面点蚀、和齿面塑性变形。为了避免失效情况的出现，我们需要对齿轮弯曲强度进行计算。由于齿轮型号有很多多,再加上零件检测试验中测试位置、受测试点、加工质量以及加工工艺的影响，很难准确地反映齿轮的应力分布状态。因此传统的齿轮设计存在着很多缺陷如：设计周期长、效率低等。本文利用SOLIDWORKS软件建立了渐开线直齿圆柱齿轮的参数化设计模型。同时,利用有限元分析软件对齿轮强度进行分析校核，解决传统齿轮设计中的缺点，提高设计效率。
1.2 研究的目的和意义
齿轮传动是机械传动中重要的运动之一，广泛的被用于各种冶金、机械、航空航天、矿业、汽车及船舶等领域。齿轮传动具有传动效率高，传动比稳定，使用寿命长，工作可靠，结构紧凑等优点。渐开线直齿圆柱齿轮是运用范围最为广泛的一种齿轮，它结构简单，加工制造方便，在机械传动中占据着重要的位置。因此，几十年来对齿轮的研究与改进从未停止过，使齿轮的设计方法更加完美，使机械设备的质量和使用性能得到了显著的提高。随着科技的发展，对齿轮的性能提出了更高的要求。因此，需要对齿轮进行进一步的研究与改进以满足现代社会对齿轮高速、重载、低噪声的需求。
常见的齿轮有直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮、人字齿圆柱齿轮。
直齿圆柱齿轮是现代机械中最为常见的一种传动机构，广泛用于各种减速器，机床减速装置及车辆的变速箱等。如果齿轮结构设计不合理，就会影响其动态性能，在工作过程中就会产生极大的震动和噪声，同时也会影响工作精度和可靠性。齿轮由于长时间工作，就会由于受力不均匀，齿面就会发生变形，甚至失效不能工作。所以对齿轮进行失效分析，并提出改进措施，可延长齿轮的寿命，保证齿轮传动的可靠性。
目前，齿轮正朝着高承载、高速度、高效率、低噪声的方向的发展，为了能使重载齿轮平稳的运行，减少齿轮受载变形，并改善齿面润滑状况及获得较为均匀的载荷分布，这就需要对齿轮进行有限元分析，避免齿轮失效。
为了避免齿轮失效，研究齿轮受力是当代机械工程的重要课题。有限元法的诞生为计算齿轮应力提供了新的方法和手段。
1.3 参数化研究的国内外现状
对于齿轮参数化设计方法的研究在国外经过几十年的发展已经越来越成熟，其中以 GaoXiao--Shan提出的约束传播法即以利用图表示的基于知识的几何推理法为代表。
国内近年来对参数化的研究也显示出比较高的热情，不断开发出一些具有较高技术水平的软件，在几何约束的表示和求解方面，提出了各种新思路和方法。例如：浙江大学董金祥教授，葛建新博士提出变参绘图系统中一种约束求解新方法，采用该方法，不但可以通过分解和排序来提高求解速度，而且可以通过快速指出约束不足和约束过载来提高灵活性和可靠性。还有清华大学张国伟等提出了一种基于自由度分析的约束传播算法，求解二维参数化设计中所建立的几何约束模型。用约束图表示几何元素及它们之间的约束关系，用规则图来表示求解推理的过程，采用了基于规则的推理与数值计算相结合，基于自由度分析的约束求解策略。除此之外浙江大学谭建荣教授等针对现有在线参数化方法的不足，提出了模型建立和求解相分离的离线式参数化方法，基本思路是根据工程制图规则和尺寸与图形的本质联系，自动建立尺寸与图形的约束关系，并探讨了工程图约束信息自组织原理和方法。
1.4 齿轮有限元计算的发展与趋势
有限元分析法是根据变分原理来求解数学以及物理问题的一种数值计算方法, 它最初出现是在50年代，为解决固体力学问题而出现的.有限元分析法是分析各种不同结构问题的一种强有力的工具, 无论结构的边界条件和几何形状有多么复杂，无论外加载荷和材料性质如何多变，无论是大型舰船、飞机，还是水利大坝，使用有限元分析法都可以方便地进行分析和获得满意的答案。在国外，许多制造企业，把有限元分析作为设计过程的一个比不可少的步骤。齿轮计算的方法有很多且评价指标各不相同，建立一套完整的计算齿轮强度的规范，可以快速准确地计算遗迹评价齿轮的强度，加快产品研发；将其作为企业规范的一部分，可以保证企业知识与财富的持续积累，将齿轮强度的计算分析工作纳入有序确定的产品研发过程。如今存在的的齿轮疲劳强度计算的方法大部分是按材料的疲劳极限，考虑到材料强化处理、尺寸影响和应力循环，计算出出齿轮危险部位的最小强度，用安全系数的方式来表示。三维有限元法可以比较准确地得到齿轮的应力分布，通过应力分布的比较，再采用一定的评价方法就可以确定齿轮的疲劳强度。
1.5 齿轮的主要优点及缺点
1.5.1 齿轮优点
（1）瞬时传动比恒定，工作平稳，传动准确可靠，可传递空间任意两轴之间的运动和动力
（2）传动比范围大，可用于减速或增速
（3）适用的功率和速度范围广
（4）传动效率高
（5）工作可靠，寿命长
（6）外廓尺寸小，结构紧凑
1.5.2 齿轮缺点
（1）制造和安装精度要求较高，需要专门设备制造，成本较高
（2）精度不高的齿轮传动，工作时噪声、振动和冲击较大
（3）不宜用于距离较远的两轴之间的传动
（4）无过载保护作用
1.6 齿轮的失效分析
齿轮常见的失效方式包括：轮齿折断、齿面磨损、齿面疲劳失效、齿面胶合、塑性变形等。
（1）轮齿折断
正常情况下，轮齿折断主要是齿根弯曲疲劳折断。轮齿受载时，齿根处产生的弯曲应力最大，再加上齿根处应力集中，当轮齿受载后，会产生疲劳裂纹，并且会逐渐扩大，最终导致轮齿折断。
根据发生机理不同，轮齿折断分为疲劳折断和过载折断。
从断裂形态来看，轮齿折断分为整体折断和局部折断两种。整体折断主要放生在齿根处，对于直齿轮，裂纹一般从齿根处向齿内扩展而发生折断。齿轮上受力不均匀将导致齿轮局部折断，通常发生在齿轮一端。
通过增大齿根圆角半径，降低表面粗糙度来减小应力集中，选择合适的齿轮材料和热处理方法，使轮齿有足够的韧性，采用喷丸、滚压等工艺对齿根处进行强化处理等，都可以提高轮齿抗疲劳折断能力。
（2）齿面磨损
齿轮在传动时，两个渐开线齿廓之间存在相对滑动，在载荷作用下，齿面间的灰尘、硬屑粒会引起齿面磨损。严重的磨损将使齿面渐开线齿形失真，齿侧间隙增大，从而产生冲击和噪声，甚至发生轮齿折断。在开式传动中，特别在多灰尘场合，齿面磨损是齿轮主要失效形式。
采用闭式传动、提高齿面硬度以及选择合理的齿面硬度、减小齿面粗糙度，保持良好润滑度，可以减小齿面磨损。
（3）齿面点蚀
齿轮传动中，齿面上的应力时间变化而变化的，在这变应力作用下，在一段时间后齿轮节线附近将产生细微疲劳皱纹，再加上润滑油挤入等原因将会加速疲劳皱纹的扩展。这就是齿面点蚀。
新齿轮由于比较粗糙，局部接触应力较高，会出现点蚀，但随着齿面的磨合，点蚀将不再发展或逐渐消失，这种现象就是收敛性点蚀。它有助于齿轮磨合。随着工作时间的增长而逐渐扩展的点蚀称为破坏性点蚀或扩展性点蚀。这点蚀会导致破坏范围逐渐增大。致使齿面磨损，影响齿轮运转，使齿轮在传动中冲击、振动、噪声变大，导致齿轮失效。
实践表明，齿面点蚀通常首先出现在齿根附近，然后在逐渐扩展到其他部位。这是因为在齿轮传动中齿根处的接触应力最大，同时由于该处齿面间相对滑动较低，无法形成润滑油膜，，所以在齿根处易产生点蚀。
提高齿面硬度、降低表面粗糙度、采用适当的变位及增大润滑油黏度，都可以提高抗点蚀的能力。
（4）齿面胶合
齿面间会存在一种润滑油膜，齿轮在高速传动中，齿面间会因为压力过大，温度升高等原因导致润滑油膜破裂，使齿面直接接触。接触的金属在高温高压下会粘在一起，并且产生相对滑动，使齿面上产生划痕，这就是齿面胶合。
在齿轮传动中，齿面瞬时温度会升高、相对滑动速度增大，这样越容易导致胶合现象的发生。
适当提高齿面硬度及降低便面粗糙度，可以防止产生齿面胶合，除此之外，低俗齿轮采用黏度大的润滑油，高速传动采用抗胶合能力强的润滑油，并在润滑油中加入添加剂等都可以防止齿面点蚀的发生。
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