郭利,黃道業(yè)

（安徽國(guó)防科技職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系,安徽六安237011）

眾所周知,齒輪在接觸點(diǎn)處和齒根處屬于應(yīng)力集中區(qū),最容易發(fā)生破壞.合理的輪齒修形可以減少或者避免應(yīng)力集中[1-2].結(jié)合使用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO6336和“圖解法”,利用先進(jìn)的KISSsoft軟件對(duì)齒根進(jìn)行修形最優(yōu)化.然后通過(guò)Pro/E和KISSsoft的接口將齒根最優(yōu)化齒輪導(dǎo)入到Pro/E中,進(jìn)行實(shí)體參數(shù)化設(shè)計(jì),能很好地提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量,降低設(shè)計(jì)成本.

1 基于KISSsoft的齒根修形優(yōu)化

1.1 齒根修形優(yōu)化思路

在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO6336中,對(duì)齒根YF和YS的分析計(jì)算僅僅局限于一個(gè)點(diǎn)上,結(jié)合實(shí)際齒根圓半徑,結(jié)果有可能產(chǎn)生或大或小的差異.而KISSsoft軟件對(duì)此進(jìn)行了一定的修正,充許在整個(gè)齒根上計(jì)算YF和YS[3-4],因此可靠性更高.

齒根形狀的結(jié)果是由加工刀具半徑參數(shù)決定的,如圖1所示[5].其中ρfp為刀具齒頂圓弧半徑系數(shù).作者以衡量齒根彎曲強(qiáng)度的安全系數(shù)為指標(biāo),取不同的ρfp值,對(duì)齒根進(jìn)行修形優(yōu)化,來(lái)尋求效果最佳化的齒根.

圖1 刀具基本齒廓Fig.1 The basic tooth profile of cutter

1.2 齒根修形優(yōu)化

齒輪材料為18NiCr,采用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑,齒輪傳動(dòng)參數(shù)如表1所示.

表1 齒輪傳動(dòng)參數(shù)Tab.1 The gear transmission parameter

對(duì)于齒形1,取ρfp值為0.38.首先在KISSsoft軟件的“Basic data”對(duì)話框中輸入齒輪傳動(dòng)的基本參數(shù),在“Reference profile”對(duì)話框中輸入ρfp=0.38.然后回到“Basic data”對(duì)話框中進(jìn)行圖解法計(jì)算設(shè)置.在“Basic data”的“Strength”中點(diǎn)擊“Details”,打開“Define details of strength”對(duì)話框,然后在“form factors YF：YS ”下拉菜單中選擇“Using graphical method”,點(diǎn)擊“OK”即可完成圖解法計(jì)算設(shè)置.同時(shí),在“Strength”中的“Calculation method”下拉菜單中選擇“ISO6336：2006 Method B”,其強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如下圖2所示.

圖2 當(dāng)ρfp=0.38時(shí)安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果Fig.2 The calculation results of root safety under ρfp=0.38

對(duì)于齒形2,取ρfp=0.45,計(jì)算方法如齒形1所述,只需把ρfp值改為0.45即可.計(jì)算結(jié)果齒根彎曲安全系數(shù)（Root safety）為2.675 6,齒面接觸安全系數(shù)（Flank safety）仍為1.423 5.齒根彎曲強(qiáng)度明顯提高.

對(duì)于齒形 3,取橢圓形齒根.在菜單“calculation”中選擇“Tooth form”選項(xiàng),在“Tooth form”對(duì)話框中,右鍵點(diǎn)擊“Gear 1”下面的“automatic”,選擇“Add operation”下面的“Elliptic foot modification”.然后定義橢圓齒根修形,系統(tǒng)計(jì)算知“Modification starting at diameter”為142.945mm,“coefficient for the curvature”為7.0.最后在“Elliptic foot modification”上點(diǎn)擊右鍵選擇“Choose as result”確保橢圓齒形修改.計(jì)算結(jié)果齒根彎曲安全系數(shù)（Root safety）為2.886 8,齒面接觸安全系數(shù)（Flank safety）仍為1.423 5,齒根彎曲強(qiáng)度進(jìn)一步得到提高.

比較齒形1、齒形2和齒形3可以看到,從齒形1到齒形3通過(guò)修根抵抗彎曲變形提高了15.63%,齒形3就是效果最佳化的齒根.

2 實(shí)體齒輪參數(shù)化實(shí)現(xiàn)

2.1 齒輪參數(shù)化輸出

Pro/E和KISSsoft之間具有良好的3D接口,在KISSsoft軟件中進(jìn)行計(jì)算和修形優(yōu)化的齒輪能夠直接地在Pro/E軟件里生成參數(shù)化的三維實(shí)體,帶有可編輯的參數(shù)和關(guān)系式,而且齒形不失真.同時(shí)也可以生成齒輪制造加工信息表,很好的提高了齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量,節(jié)約了成本[6-7].

在 KISSsoft中計(jì)算完成后,選擇菜單“Graphics”下面的“3D export”選項(xiàng),然后點(diǎn)擊“Gear 1”,出現(xiàn)圖 3所示畫面,然后選擇“Generate gear in new file”,即可直接在Pro/E中生成齒輪三維參數(shù)化實(shí)體,如圖4所示齒根為橢圓形的修形齒輪.

圖3 3D輸出選項(xiàng)Fig.3 The 3D export option

圖4 齒根為橢圓形齒輪實(shí)體Fig.4 The solid gear when the shape of root was elliptical

2.2 齒根優(yōu)化分析

按照上述3D實(shí)體生成方法,可分別輸出齒形1、齒形2、齒形3的齒輪參數(shù)化實(shí)體.然后在組件中同軸裝配三個(gè)齒輪,選擇線框顯示,得到如圖5所示齒根比較圖形：

圖5 齒根形狀比較Fig.5 The comparison of root shape

分析圖5可以得出如下結(jié)論：

（1）如圖5所示,理論上,刀具齒頂圓弧半徑系數(shù)ρfp的值越大,安全系數(shù)就越大,齒根彎曲強(qiáng)度就越高.實(shí)際上,受到齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)及實(shí)際加工情況的影響,對(duì)于具體的齒輪,ρfp的值是有上限的[8].經(jīng)分析,上述齒輪的ρfp值最大只能取0.471.

（2）比較齒形1、齒形2和齒形3得知,橢圓形齒根為效果最佳化齒根.因此,在一些對(duì)齒輪強(qiáng)度有特殊要求的情況下,齒根曲線可以取非圓曲線或者高次曲線,以滿足實(shí)際需要.

（3）橢圓形齒根雖然為效果最佳化齒根,但是,這種齒根修形需要特殊的刀具,所以此修根方法適應(yīng)于批量生產(chǎn)或者或者通過(guò)電火花加工齒輪.

3 小結(jié)

在文中對(duì)齒輪的研究是基于Pro/E和KISSsoft兩種軟件而進(jìn)行的,在實(shí)現(xiàn)齒根修形優(yōu)化設(shè)計(jì)的同時(shí),也很好地實(shí)現(xiàn)了齒輪的實(shí)體參數(shù)化設(shè)計(jì).不僅提高了設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量,也降低了設(shè)計(jì)的成本.

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