唐忠

（湖南工學(xué)院機(jī)械工程系，湖南 衡陽(yáng) 421002）

0 引言

計(jì)算機(jī)具有速度快、計(jì)算精度高、有記憶和邏輯判斷功能等特點(diǎn)，某些設(shè)計(jì)方法如優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元等得以應(yīng)用。在機(jī)械零件設(shè)計(jì)方面，一些通用零件，例如三角膠帶傳動(dòng)、滾動(dòng)軸承等零部件設(shè)計(jì)也已有較成熟的應(yīng)用軟件，已初步形成程序包。

齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用最為廣泛的一種傳動(dòng)裝置，傳統(tǒng)的齒輪傳動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算，過(guò)程復(fù)雜，需要查取很多圖、表，設(shè)計(jì)費(fèi)時(shí)、效率低，且手工計(jì)算容易出錯(cuò)。然而，用（VB visual basic）語(yǔ)言對(duì)齒輪參數(shù)的設(shè)計(jì)就很好地解決了這一難題，它吸收了軟件工程領(lǐng)域有益的概念和有效的方法。為參數(shù)化設(shè)計(jì)提供了基本的、重要的條件和手段。

1 CAD技術(shù)

通用機(jī)械零件目前常用的設(shè)計(jì)方法是理論設(shè)計(jì)方法。常用的設(shè)計(jì)計(jì)算公式都是在某些假設(shè)的條件下進(jìn)行理論推導(dǎo)，再引入一系列的修正系數(shù)，而得到的半理論半經(jīng)驗(yàn)公式。利用這些公式手算時(shí)，需要查一系列的有關(guān)表格或圖樣來(lái)確定修正系數(shù)和某些參數(shù)，由于一次計(jì)算不一定能夠得到滿(mǎn)意的設(shè)計(jì)結(jié)果，往往需要修改某些參數(shù)后重新計(jì)算。預(yù)想得到滿(mǎn)意的結(jié)果，設(shè)計(jì)人員需要進(jìn)行大量的數(shù)學(xué)計(jì)算浪費(fèi)很多時(shí)間。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是人和計(jì)算機(jī)結(jié)合成一體的設(shè)計(jì)。人機(jī)結(jié)合既可以發(fā)揮人的主導(dǎo)作用又可以充分利用計(jì)算機(jī)的能力，其結(jié)果比單獨(dú)由人或完全依靠計(jì)算機(jī)來(lái)完成設(shè)計(jì)要優(yōu)越得多。因此可以說(shuō)，機(jī)械零件程序設(shè)計(jì)是把設(shè)計(jì)人員從大量數(shù)學(xué)計(jì)算中解脫出來(lái)的最有效方法。

2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

編制機(jī)械設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序的問(wèn)題在于怎樣將設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中需要用到的大量數(shù)據(jù)、表格，以及各種圖樣等設(shè)計(jì)資料存入計(jì)算機(jī)的存貯器中。因而程序設(shè)計(jì)必須將這些圖表加以適當(dāng)?shù)奶幚?，用到時(shí)隨時(shí)檢索。

2.1 數(shù)表的程序化

a）一維數(shù)表的程序化

這種數(shù)表的特征是查取的數(shù)值只與一個(gè)變量有關(guān)，因此可以用一維數(shù)組來(lái)存貯，如標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m，中心距a。檢索時(shí)不在節(jié)點(diǎn)上的函數(shù)值一般都要根據(jù)函數(shù)表進(jìn)行插值來(lái)求。

b）不具有函數(shù)關(guān)系數(shù)表的程序化

1）直接把數(shù)據(jù)以數(shù)組的方式結(jié)合數(shù)據(jù)檢索直接編寫(xiě)到程序中去。2）把數(shù)據(jù)編成一個(gè)與程序分開(kāi)的數(shù)據(jù)文件，存貯在外存中供解題時(shí)檢索和調(diào)用。如二維數(shù)表中的彈性系數(shù)ZE、使用系數(shù)KA。

2.2 數(shù)表和圖樣的解析化

最小二乘法擬合數(shù)據(jù)的方法放棄了曲線(xiàn)嚴(yán)格通過(guò)所給定的各結(jié)點(diǎn)這一要求，而是盡可能正確反映所給數(shù)據(jù)的趨勢(shì)，擬合所用的函數(shù)仍為多項(xiàng)式。此法適應(yīng)性強(qiáng)，一般機(jī)械零件設(shè)計(jì)計(jì)算中的各種曲線(xiàn)都可以用這種方法進(jìn)行擬合。

a）動(dòng)載系數(shù)Kv擬合結(jié)果如表1所示。

表1 動(dòng)載荷系數(shù)曲線(xiàn)擬合多項(xiàng)式

b）接觸疲勞極限σHlim和彎曲疲勞極限σFlim

根據(jù)接觸疲勞極限σHlim和彎曲疲勞極限σFlim圖［1］得出的擬合公式如表2所示。

表2 接觸疲勞極限和彎曲疲勞極限擬合公式

c）齒形系數(shù)YFa擬合公式

YFa=2.984 508 －（0.014 134 －51 ×10－6Zv）Zv

d）齒根應(yīng)力修正系數(shù)YSa擬合公式

YSa=1.472 047+（0.004 97 －16 ×10－6Zv）Zv

e）接觸壽命系數(shù)ZN［2］

f）彎曲壽命系數(shù)YN

式中N為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。

2.3 計(jì)算值的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化

機(jī)械設(shè)計(jì)中，往往要對(duì)計(jì)算值圓整，把它們變?yōu)橐?guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)值。例如有的要求是整數(shù)，有的要求精確到小數(shù)點(diǎn)后第N位，有的則要求是5的倍數(shù)，如中心距。這一問(wèn)題可用取整函數(shù)（INT）和格式輸出函數(shù)（Format）來(lái)處理。1）整數(shù):Y=INT（X）轉(zhuǎn)換為小于等于該數(shù)的最大整型量;2）四舍五入:Y=INT（X+0.5）;3）5的倍數(shù):Y=5*INT（X/5+0.5）;4）對(duì)第三位四舍五入并保留兩位小數(shù):Format（數(shù)值表達(dá)式，"0.00"）。系統(tǒng)中大多數(shù)結(jié)果都用Format來(lái)保留兩位小數(shù)，其結(jié)果返回到文本框中，并用Locked屬性將其鎖定，用戶(hù)不能修改該返回值，校核結(jié)果利用標(biāo)簽的Caption屬性返回。

3 建立數(shù)學(xué)模型

應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行機(jī)械零件設(shè)計(jì)時(shí)，數(shù)學(xué)模型的建立往往是模擬手算的步驟。一般無(wú)需重新建立數(shù)學(xué)模型，可直接采用現(xiàn)有的計(jì)算公式。有時(shí)為便于應(yīng)用，僅對(duì)其作適當(dāng)?shù)母脑臁?/p>

4 VB參數(shù)化設(shè)計(jì)

4.1 窗體界面設(shè)計(jì)

窗體由屬性定義外觀(guān)，由方法定義行為，由事件定義與用戶(hù)的交互。簡(jiǎn)單VB應(yīng)用程序通常為單窗體程序。但對(duì)于較復(fù)雜的應(yīng)用程序，單一窗體往往不能滿(mǎn)足需要，必須通過(guò)多窗體（MultiForm）來(lái)實(shí)現(xiàn)。在多窗體程序中，每個(gè)窗體可以有自己的界面和程序代碼，完成不同的操作，如有的窗體用來(lái)輸入數(shù)據(jù)，有的窗體用來(lái)顯示結(jié)果等［3］。

控件可以觸發(fā)什么事件，事件中會(huì)發(fā)生什么過(guò)程。VB6.0在用戶(hù)界面的設(shè)計(jì)上提供了多種實(shí)現(xiàn)方式，本程序界面包括:1）框架:將窗體上相同性質(zhì)的控件放在框架中，提供可標(biāo)識(shí)的分組;2）文本框:為用戶(hù)提供一個(gè)既能顯示又能編輯文本的對(duì)象;3）標(biāo)簽:顯示用戶(hù)不能直接編輯的文本信息;4）按鈕:常用來(lái)啟動(dòng)、中斷或結(jié)束操作用戶(hù)的一個(gè)進(jìn)程;5）組合框:是文本框和列表框的組合，單擊該下拉按鈕，將顯示組合框的下拉列表框;6）滾動(dòng)條:在信息量很大而控件又沒(méi)有自動(dòng)添加滾動(dòng)條功能時(shí)，利用滾動(dòng)條幫助觀(guān)察數(shù)據(jù)或提供便利的定位;7）圖片框:既可以用來(lái)顯示圖形，也可用作其他控件的容器和方法輸出。8）MMControl控件［4］:它屬于A(yíng)ctiveX控件包含一組高層次的獨(dú)立于設(shè)備的命令，通過(guò)這些命令可以控制包括CD，VCD，WAV，AVI等音頻或視頻外圍設(shè)備。

4.2 結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)

對(duì)零件設(shè)計(jì)的手算過(guò)程必須熟悉，其中包括各參數(shù)及修正系數(shù)的選擇原則、方法。在此基礎(chǔ)上繪制程序框圖，如圖1 所示［5］。

圖1 設(shè)計(jì)與校核流程圖

4.3 程序封裝

VB提供了可視化設(shè)計(jì)工具，應(yīng)用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法，把程序和Windows界面設(shè)計(jì)的復(fù)雜性“封裝”起來(lái)，運(yùn)行并調(diào)試程序無(wú)誤后便可生成可執(zhí)行的EXE文件，可以在Windows下直接執(zhí)行。

5 設(shè)計(jì)實(shí)例

設(shè)計(jì)某閉式直齒錐齒輪傳動(dòng)，軸交角Σ=90°，小齒輪懸臂支撐，大齒輪兩端支撐，傳遞功率P=9.8 kW，小齒輪轉(zhuǎn)速n1=960 r/min，傳動(dòng)比i=u=3，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，工作機(jī)載荷穩(wěn)定而平穩(wěn)，長(zhǎng)期單向運(yùn)轉(zhuǎn)，使用壽命5 000 h［6］。

5.1 列表窗體

主要包括兩個(gè)事件過(guò)程，一個(gè)用來(lái)顯示多媒體的圖片框，另一個(gè)用來(lái)播放多媒體文件，播放列表中直齒、斜齒、直齒錐齒輪、齒輪齒條四種傳動(dòng)動(dòng)畫(huà)。利用圖片的ToolT-ipText屬性提示操作，單擊任一動(dòng)畫(huà)進(jìn)入該傳動(dòng)系統(tǒng)，如圖2所示。

5.2 基本數(shù)據(jù)窗體

只需輸入相應(yīng)的基本數(shù)據(jù)及一定的工作條件，如圖3所示。系統(tǒng)方能在后臺(tái)完成設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算、強(qiáng)度校核、設(shè)計(jì)結(jié)果處理的整個(gè)過(guò)程。

5.3 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算窗體

圖4 設(shè)計(jì)計(jì)算

5.4 主要參數(shù)窗體

本窗體作為信息反饋窗體，經(jīng)齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算后確定的主要參數(shù)將顯示在該窗體中，如圖5所示。

圖5 主要參數(shù)

5.5 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算窗體

如圖6所示，該窗體中既有設(shè)計(jì)計(jì)算又有校核計(jì)算。此外，運(yùn)用VB6.0提供的一個(gè)名為Shell的內(nèi)部函數(shù)來(lái)調(diào)用EXE動(dòng)畫(huà)文件，進(jìn)行三維動(dòng)畫(huà)演示。

圖6 校核計(jì)算

6 結(jié)語(yǔ)

研究了數(shù)表和圖樣的程序化處理方法，使齒輪傳動(dòng)的參數(shù)設(shè)計(jì)由手工轉(zhuǎn)向計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，可進(jìn)行不同類(lèi)型的齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算及強(qiáng)度校核。

實(shí)踐證明，以VB語(yǔ)言為開(kāi)發(fā)工具，開(kāi)發(fā)出的齒輪參數(shù)化的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有很大的應(yīng)用價(jià)值。利用數(shù)學(xué)模型將工程問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問(wèn)題，便于修改和計(jì)算，縮短設(shè)計(jì)周期，并且可以保證正確制造。

［1］朱孝錄.齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［2］楊厚福，張錫安，吳連生，等.機(jī)械零件程序設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

［3］鞏建華，孫秀梅.Visual Basic學(xué)習(xí)手冊(cè)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011.

［4］高春艷，劉彬彬.Visual Basic開(kāi)發(fā)實(shí)踐寶典［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2010.

［5］張鄂.機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)指導(dǎo)［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，2002.

［6］邱宣懷.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］（第四版）.北京:高等教育出版社，2010.