计算机辅助渐开线圆柱齿轮精度设计

李亚非，王 诚

（长沙理工大学汽车与机械工程学院，湖南长沙410114）

齿轮精度的高低，直接影响到齿轮传动的工作性能和使用寿命。因此，各国先后多次制订和修订了广泛应用于汽车、飞机、机床、工程机械、农业机械、仪器仪表等机械产品中的圆柱齿轮精度标准。但整个齿轮精度设计过程十分繁琐，要查取多张表格，用到的计算公式多而复杂，设计工作量大，花费时间多，且易出错。对此，人们想到了计算机辅助设计的方法，文献[1，2，3]介绍了基于 GB/T10095—1988《渐开线圆柱齿轮精度》的CAD系统，大多采用VB语言编程及三个公差组来控制齿轮公差。本文介绍一种采用Visual C++语言自主开发的基于2008年新国标[4~5]的设计软件，摒弃三个公差检验组的分类，根据齿轮工作环境选择推荐的检验组，用该软件可以轻松完成齿轮精度设计工作。

1 软件的界面设计

Visual C++是一种面向对象的程序设计语言[6]，提供可视化编程工具应用程序向导AppWizard和类向导ClassWizard，用它可以方便的设计出良好的图形用户界面。图1为本软件的界面（含一个实例的运行结果）。它用一个界面集成了两大功能：设计参数的输入，设计结果的显示及输出。运行时，用户只需对有关控件进行简单的操作（如在文本框中输入已知参数值，或用鼠标点击按钮等）就能完成相应的任务。

图1 软件界面图

2 软件的工作流程设计

根据最新的国家标准[4~5]以及参考文献[7]第10章第5节介绍的圆柱齿轮精度设计方法和步骤，圆柱齿轮精度设计的主要内容有：

（1）齿轮精度等级的确定；

（2）单个齿轮精度评定指标的确定；

（3）齿轮副精度评定指标的确定；

（4）齿坯精度的确定。

该软件的工作流程见图2。

图2 软件流程图

上述流程图的设计要点简介如下：

2.1 输入已知参数

在“输入已知参数”框架内，包含有10个文本框，2个下拉列表框，下拉列表框中列出了机床、轻型汽车、重型汽车、汽轮机减速器、一般减速器、起重机、农业机械等不同用途的齿轮，输入齿轮的齿数、模数、转速、应用范围等已知数据。

2.2 确定精度等级

计算机先根据齿轮应用范围，使用要求，工作条件查表确定精度等级大致范围，再根据计算得出的小齿轮圆周速度查表确定其精度等级[7]。

2.3 确定单个齿轮检验项目

GB/T 10095—1988将单个齿轮的各项公差分为三个公差组，并将同一公差组内的各项指标分为若干个检验组。然后根据生产批量、使用要求、测量设备条件等选择一个检验组来检查齿轮的精度。但2008年的国家标准没有给出公差组和检验组，并指出：在检验中，测量全部轮齿要素的偏差既不经济也没必要。

该软件按齿轮工作性能要求推荐了若干个检验组，将齿轮使用范围分为机床、轻型汽车、重型汽车等12大项数十小项。表1为机床齿轮的分类及推荐检验项目举例。

表1 机床齿轮检验项目

检验项目还可以根据生产实际情况作适当调整。当有条件检验f'i和F'i时，可以不必检验fpt和Fp。测量Fr简单、方便，所以常用。如果能检验F"i和f"i，则不必检验Fr。检验项目确定后即可根据国家标准中给出的计算公式自动求出各偏差允许值。

2.4 确定齿轮副精度

齿轮副的评定指标主要有：齿轮副的中心距偏差fα，齿轮副的轴线平行度偏差 fΣδ和 fΣβ，齿轮副的侧隙 jbn等。侧隙通常由齿厚偏差Esn或公法线平均长度偏差Ebn来控制。测量公法线长度比测量齿厚方便、精确，因此生产中常用测量公法线长度的方法来控制齿轮副侧隙。

2.5 确定齿坯精度

齿坯是指在轮齿加工前供制造齿轮用的工件。齿坯精度包括内孔、顶圆、端面等定位基准面和安装基准面的尺寸偏差和形位误差以及表面粗糙度要求。具体数据有表可查。

2.6 数据打印

为了方便计算数据的保存及打印，软件生成一个TXT文本，保存输入参数、国标规定的精度项目和侧隙指标计算值等。

2.7 生成工程图

利用新的开发工具 ARX（AutoCAD Runtime eXtension）[8]对AutoCAD进行二次开发，ARX程序本质上是Windows DLL程序，与AutoCAD共享地址空间，以消息驱动的方式直接调用AutoCAD的核心函数,AutoCAD通过调用入口函数来调用ARX程序模块，程序如下：

extem“c”AcRx::AppRetcode acrxEntrypoint(AcRx::AppMsgcode msg,void*pkt)

//程序入口函数

{switch(msg) //消息判别

{case AcRx::klnitAppMsg;//加载ARX应用程序时，AutoCAD发给应用程序的消息

Acr xDynamicLinker->unloadApplication(pkt);

//允许卸载应用程序

initApp(); //调用初始化函数

break;

case AcRx:kUnloadAppMsg:

//用户卸载应用程序或关闭当前绘图任务时

AutoCAD发给应用程序的消息

unloadApp();//调用卸载函数

break;

default;

break;}

return AcRx:kReto;}

//ARX程序返回给AutoCAD的状态码

void function();//用户定义的命令函数

{……}

3 应用举例

某普通机床主轴箱中有一对渐开线直齿圆柱齿轮，模数m=6 mm，齿形角α=20°，小齿轮齿数z1=36，大齿轮齿数z2=84，有效齿宽b=50 mm，小齿轮孔径D=55 mm，转速n1=750 r/min，两轴承中间距离L=140 mm，齿轮材料为45钢，箱体材料为铸铁HT200，小批生产，试对小齿轮（主动齿轮）进行精度设计，并将精度要求标注在齿轮零件图上。

操作——输入已知数据；依次按确定计算，若对某个步骤输出参数不满意，确认后可以在相应的文本框内重新输入，即可修改。运行结果如图1。

运行AutoCAD，加载软件生成的ARX文件，输入gear命令后，可以得到图3所示工程图。

图3 工程图

表2 数据对比图单位：(μ m）

表2为用该软件计算得到的值与查国标及人工计算得到的值的结果对比。事实证明了该软件的可行性、正确性和快捷性。

4 结束语

本软件界面友好，操作简单，具有很好的实用价值，能为用户节约大量的设计间，为齿轮设计的智能化和新国标的应用奠定基础。

[1]姜世平，李西建，黄漫玲，夏志新.圆柱齿轮精度的计算机辅助分析计算[J].机械传动，2004，28(5)：43-46.

[2]牛贵峰，邱亚玲，马海峰.计算机辅助圆柱齿轮精度设计系统的研究[J].通用机械，2006，（6）：88-92.

[3]陈于萍.齿轮精度的计算机辅助设计[J].南京工程学院学报，2001，1（1）：16-18.

[4]GB/T 10095.1～2—2008，圆柱齿轮精度制[S].

[5]GB/Z 18620.1～4—2008，圆柱齿轮检验实施规范[S].

[6]孙 鑫.VC++深入详解[M].北京：电子工业出版社，2006.

[7]徐学林.互换性与测量技术基础（第二版）[M].长沙：湖南大学出版社，2009.

[8]孙江宏，丁立伟，米洁.AutoCAD ObjectARX开发工具及应用[M].北京：清华大学出版社，1999.