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蜗杆传动参数化设计系统的研究

发表时间: 2017/12/28 作者: 沈宇涵*宋爱平*彭云*邱林 来源: 互联网
以蜗杆传动机构为研究对象,采用参数化设计及特征建模技术对蜗杆传动机构的设计系统进行研究。文中给出了蜗杆传动机构设计、校核及建模造型的具体方法流程和步骤,以SolidWorks为软件平台,采用Visual Basic为编程工具对其进行二次开发,通过调用API接口函数进行编程并实现蜗杆传动机构的参数化建模。相比传统的手工设计,蜗杆传动的参数化设计提高了设计过程的效率和准确性,极大的简化了原本复杂、繁琐的设计计算过程,缩短了企业产品的研发周期,同时也为蜗杆传动的模拟仿真、尺寸精度测量奠定了理论基础。
 

    蜗轮与蜗杆是用于传递两交错轴间的回转和动力的齿轮传动件,具有单级传动比大、传动平稳、结构紧凑、自锁性好的优点,被广泛应用于各种机械传动的场合。随着工程应用技术的发展,机械产品的设计周期越来越短,手工设计因为灵活性差已无法满足工程应用的需求。因此,需要根据具体的工作参数要求对蜗轮蜗杆传动的参数化设计进行研究。本文利用SolidWorks开放的功能及丰富的API接口函数,采用Visual Basic对它进行二次开发,实现蜗杆传动设计过程的自动化。

1 蜗杆传动的参数化结构设计

1.1 蜗杆传动系统参数的确定及材料的选定

    蜗杆传动系统的设计首先需要确定一些必需的参数,这些必需的参数可以唯一确定传动系统的最终几何尺寸,但在设计时,这些参数不是一些确定的数值,选定这些参数应以具体工作参数要求及蜗杆与蜗轮的材料性能为依据,对某些参数的选择只能参考机械设计手册规定的标准。

    对于蜗杆传动系统的设计,需要依据的主要工作参数有:载荷状态、传动形式、输入功率、蜗杆转速、传动比、预定的效率和寿命等。

    蜗杆与蜗轮材料的选择应由传动系统的实际工作场合决定,为保证传动副具有良好的减磨以及抗胶合性能,蜗轮常采用青铜或铸铁做齿圈,且常与淬硬并经磨削的钢制蜗杆相配。其中蜗杆一般用合金钢或碳钢制成,常用材料包括渗碳钢、表面或整体淬火钢、调质钢、氮化钢。蜗轮常用材料包括铸造锡青铜、铸锡锌青铜、铸造锡镍青铜、铸造铝铁青铜、铸铝铁镍青铜、灰铸铁与球墨铸铁,其强度远不如钢制蜗杆,因此蜗轮是蜗杆传动中的薄弱环节。

1.2 设计方法与流程

1.2.1 蜗杆传动的设计准则

    蜗杆传动的失效形式与齿轮传动相同,有疲劳点蚀、胶合、磨损、轮齿折断等,但因蜗杆和蜗轮轴线相互垂直,因而齿面间相对滑动速度大、效率低、发热量大。因此,蜗杆传动更容易发生胶合和磨损失效。由于蜗杆的轮齿是连续的螺旋齿,而且其材料强度也远比蜗轮高,所以失效一般发生在蜗轮轮齿上。

    对于闭式传动,主要失效形式是胶合和疲劳点蚀,应按蜗轮齿面接触疲劳强度进行设计,校核齿根弯曲疲劳强度和蜗杆轴的刚度。

    而对于开式传动,主要失效形式是蜗轮齿面磨损和轮齿折断,因此应按蜗轮齿根的弯曲疲劳强度进行设计,校核蜗轮齿面接触疲劳强度和蜗杆轴的刚度。

1.2.2 蜗杆传动设计流程

    结合蜗杆传动副的关键尺寸和实际工况,确定蜗杆传动机构的主要参数:模数、蜗杆分度圆直径、传动中心距、齿数、分度圆压力角、蜗杆螺牙部分长度以及蜗轮齿宽。以闭式传动为例,由于蜗杆副的失效多以齿面胶合或点蚀为主,故按齿面接触疲劳强度设计,校核齿根弯曲疲劳强度及蜗杆轴的刚度。其参数化设计流程如图1所示。

1.2.2 蜗杆传动设计流程

    结合蜗杆传动副的关键尺寸和实际工况,确定蜗杆传动机构的主要参数:模数、蜗杆分度圆直径、传动中心距、齿数、分度圆压力角、蜗杆螺牙部分长度以及蜗轮齿宽。以闭式传动为例,由于蜗杆副的失效多以齿面胶合或点蚀为主,故按齿面接触疲劳强度设计,校核齿根弯曲疲劳强度及蜗杆轴的刚度。其参数化设计流程如图1所示。

    图1中:a为传动中心距、d1为蜗杆分度圆直径、da1为蜗杆齿顶圆直径、df1为蜗杆齿根圆直径、d2为蜗轮分度圆直径、da2为蜗轮齿顶圆直径、df2为蜗轮齿根圆直径、γ为导程角。

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    图1 蜗杆传动设计流程

1.3 蜗杆传动的参数化建模

    依照通过设计、校核验算的最终几何尺寸参数,通过Visual Basic语言,利用每一个建模步骤对应需要的API接口函数编写程序对SolidWorks进行二次开发,完成蜗杆与蜗轮的参数化建模过程。

1.3.1 蜗杆的参数化建模

    以最常见的阿基米德圆柱蜗杆为例,其蜗杆螺旋面的形成与螺纹的形成相同,是一等腰梯形齿廓绕阿基米德螺旋线扫描切除而成。其齿廓数学模型如图2所示。

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    图2 蜗杆齿槽轮廓

    各顶点坐标为:

    3

    蜗杆的建模步骤如下:

    (1)以齿顶圆为轮廓拉伸出蜗杆的胚体,拉伸长度为蜗杆的螺牙长度L;

    (2)建立阿基米德螺旋线,螺旋线的基圆是蜗杆的分度圆,螺距是蜗杆的导程,高度是蜗杆螺牙部分的长度L;




责任编辑:郝秋红