基于SolidWorks專用機床內嚙合齒輪的設計

鄭金松 陳玲玲

摘 要：石油化工的生產工藝中熱換器體積龐大，修復困難，本文就是針對這類專用機床的內嚙合齒輪進行了設計，根據機械設計手冊，計算出齒輪的模數等基本參數，而后利用SolidWorks進行三維建模，采用方程式驅動的曲線生成齒輪的漸開線，進而得到內嚙合齒輪的裝配體。

關鍵詞：內嚙合齒輪；漸開線驅動；三維建模

1 引言

在石油、化工工藝很多領域中，都不可避免的伴隨著熱量的交換，工程上都是通過換熱器來實現，其中，U型管式熱換器以其泄漏點少、換熱面積大、結構簡單、金屬消耗量少而被廣泛應用。而這種設備體積大、重量重，用常規的機械加工設備修復密封槽時無法就地加工，并且管板側的密封面在制造廠的加工均在U型管組裝前完成，組裝后也無法再次處理。故開發研制可直接在現場對U型管式換熱器的密封面進行修復加工的專用機床是非常必要的。本文就是針對這類專用機床的齒輪傳動進行了研究，利用SolidWorks進行建模，采用漸開線方程生成齒輪的齒廓。

2 機床內嚙合齒輪的設計

根據設計需要，嚙合的齒輪選用直齒圓柱齒輪，其中，小齒輪材料為40Cr（調質），硬度為280HBS，齒盤材料為45鋼（調質），硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS，初選小齒輪數Z2=60，齒盤齒數Z1=830。

2.1 按齒面接觸強度計算：

由設計計算公式進行試算，即

其中：Kt=1.3（載荷系數）、Φd=0.3（齒寬系數）、ZE=189.8MPa、u（齒數比）、T2=9550■（小齒輪傳遞的扭矩）、P=4Kw（小齒輪輸入功率）、N2=1440/11=131r/min。

帶入數據，可得T2=2.9×105N·mm

按齒面硬度查的小齒輪的接觸疲勞強度極限？滓Hlim2=550MPa，齒盤的接觸疲勞強度極限？滓Hlim1=550MPa。

（1）計算接觸應力

取安全系數S=1.1，由公式：

帶入數據的：[？滓H]1=400MPa，[？滓H]2=425MPa

小齒輪分度圓直接d2t為

按實際的載荷系數校正所算得的分度圓直徑為d2，d2=d2t■，帶入公式的d2=176.8mm

計算模數m，m=■=■=2.95

2.2 按齒根彎曲強度設計

彎曲強度設計公式為：

查手冊可知彎曲疲勞壽命系數KFN1=0.82，KFN2=0.80，查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限？滓FE2=500MPa，大齒輪的彎曲疲勞強度極限？滓FE1=360MPa，

計算彎曲疲勞需用應力

取彎曲疲勞安全系數S=1.5，由公式：

帶入數據的：

齒盤的數值大，將其數值帶入公式：

對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數大于齒根彎曲疲勞強度計算的模數，由于齒輪模數的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑有關，可取由齒根彎曲強度計算得的模數并就近圓整為標準值m=2.5，按齒面接觸強度所算得的分度圓直徑d2=178mm，算出小齒輪齒數：

Z2=■=■=71，Z1=71×13.8=980

齒盤和小齒輪的分度圓直徑分別為：d1=2450mm，d2=178mm

（2）驗算

經驗算可知，所選嚙合齒輪滿足要求。

3 利用SolidWorks進行齒盤齒輪的三維建模

在SolidWorks中進行幾何建模，選擇前視基準面，先繪制小齒輪，依據公式：

分度圓直徑：D=Mz=2.5×71=177.8

基圓直徑：Db=Scos20°

齒根圓直徑：Df=m（z-2.5）=171.25

齒頂圓直徑：Da=m（z+2）=182.25

先繪制出上述圓，然后利用樣條曲線中的“方程式驅動的曲線”來繪制漸開線。方程式類型中選擇參數性，利用漸開線方程式：

輸入方程式：

參數t1取“0”，t2取pi，即可生成漸開線。

再根據分度圓上齒厚公式S=m？仔/2=1.25？仔，確定齒厚，之后拉伸即可得到齒輪模型如圖1所示。

同樣，我們可以得到齒盤如圖2所示。

將兩齒輪裝配好，即可得到我們想要的結果，如圖3所示。

4 結論

以SolidWorks作為設計平臺，可以進行零件實體建模和虛擬裝配，進行裝配體的干涉檢查，完成檢查設計功能和性能能一系列任務。這樣就可以大大簡化機械產品設計的開發過程，減少設計中的錯誤，降低研發成本。■

參考文獻

[1]王騫.基于SolidWorks的齒輪參數化實體模型設計[M].武昌工學院，2012（5）.

[2]宋友明，李嵐.基于SolidWorks和Ansys齒輪泵齒輪軸的有限元分析[J].制造業信息化，2014（8）.

[3]機械設計手冊編委會.機械設計手冊（第五版）[M].北京：機械工業出版社，2008（5）.

作者簡介：鄭金松（1987-），男，講師，碩士研究生，主要研究方向為成套裝備及其自動化。

陳玲玲（1989-），女，碩士研究生，主要研究方向是信號與信息處理。