第９期　２０１１年９月　机械设计与制造　

Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　１６７　

文章编号：１００１—３９９７（２０１　１）０９一Ｏ１６７一Ｏ３　

齿轮传动参数化设计系统研究术　

王英姿　卫聂松辉　李武　

（　湘潭大学机械工程学院，湘潭４１１１０５）（　湘潭职业技术学院，湘潭４ｌ１１０２）　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ　ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｇｅａｒ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　

ＷＡＮＧ　Ｙｉｎｇ—ｚｉ　，ＮＩＥ　Ｓｏｎｇ－ｈｕｉ　，ＬＩ　Ｗｕ　（　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉａｎｇｔａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｎｇｔａｎ　４　１　１　１　０５，Ｃｈｉｎａ）　

（　Ｘｉａｎｇｔａｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｘｉａｎｇｔａｎ　４　１　ｌ　１　０２，Ｃｈｉｎａ）　ｔ、．　／Ｈ、璺　．＼　州　ｗ　、．　州　／　十　／卜　＼毫　州　＾　十、●　、．　．、　圳　＾鼻　一’、毫　ｔ　’、．　’、．　【摘要】齿轮的设计质量和设计效率对产品性能和生产效率有重要影响。针对齿轮传动参数化设　

计中的两个关键问题进行了研究，即齿轮传动参数化设计中数据处理方法，以及齿轮传动参数化设计系　

统的构建问题。探讨了图表数据以及设计参数的处理方法，并采用程序参数化技术，以Ｖｉｓｕａｌ　Ｂａｓｉｃ为开　

发工具，在Ｓｏｌｉｄ　Ｅｄｇｅ平台上开发了一个齿轮传动参数化设计系统。应用此设计系统可以避免齿轮传统　

设计中查阅国家标准、工程手册来确定设计数据的繁琐，并且可以保证设计质量，缩短设计周期。　

关键词：齿轮传动；数据处理；参数化设计；实体造型　

【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆｇｅａｒ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｓ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ａｎｄ　ｐｒｏｄｕｃ—　

ｔｉｏｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｔｗｏ　ｋｅｙ　ｉｓｓｕｅｓ　ｉｎ　ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆｇｅａｒ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．ａｒｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｅｄ，ｎａｍｅｌｙ，ｄａｔａ　ｐｒｏ—　

ｃｅｓｓｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆＰａｒａｍｅｔｒｉｃ　ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ．ｈ　ｄｅｅｐｓ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｍａｎａｇｉｎｇ　ｄｉａｇｒａｍ　ｄａｔａ　

ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ，ａｎｄ　ａｄｏｐｔｓ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｔｏ　ｄｅｖｅｌｏｐ　ａ　ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｙｓ—　

ｔｅｒｎｆｏｒ　ｇｅａｒ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｓｏｌｉｄ　Ｅｄｇｅ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｂｙ　ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ｔｏｏｌｓ　Ｖｉｓｕａｌ　Ｂａｓｉｃ．Ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｏｆｔｈｅ　

ｄｅｓｉｇｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｕｌｄ　ａｖｏｉｄ　ｔｈｅ　ｔｒｏｕｂｌｅ　ｉｎ　ＣＯ　ｒｍ　ｄｅｓｉｇｎ　ｄａｔａ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｒｅｆｅｒｒｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｎａｔｉｏｎａｌ　ｓｔａｎｄａｒｄｓ　

ａｎｄ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｍａｎｕａｌ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｇｅａｒ，ａｎｄ　ｃａｎ　ｇｕａｒａｎｔｅｅ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｑｕａｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｓｈｏｒｔｅｎ　

ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｃｙｃｌｅ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｇｅａｒ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ；Ｄａｔａ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ　ｄｅｓｉｇｎ；Ｓｏｌｉｄ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　

中图分类号：ＴＨ１　１２．１文献标识码：Ａ　Ｌ——　—一　１日『Ｊ吾　

齿轮传动是机械传动中应用最广泛的一种传动形式，它广　

泛应用于汽车、机床、仪器仪表等机械传动中，因此齿轮的设计质　

量和效率是提高产品性能和工作质量的一个关键因素。在传统的　

齿轮设计过程中，设计者往往需要通过查阅国家标准和工程手册　

来确定相关的设计数据，并需要进行大量计算工作，这样便很难　

提高设计效率而且不能保证设计精确性，而参数化设计系统便可　

以很好的解决这些问题，通过参数化设计系统来进行齿轮设计ｌ】１，　

从而可以保证高质量、高效率地完成设计工作。　

在齿轮的程序参数化设计方面许多学者做出了研究，这些研　

究的区别主要在于采用不同的齿轮齿廓线的绘制方法、使用不同的　

开发平台以及设计系统具有的不同功能。一些科研人员日等采用模　

拟切削法绘制精确的齿轮廓线，但生成的特征多，造型复杂。一些科　

研人员（研究了在ＵＧ环境下利用范成法生成直齿轮模型方法，但　

不能进行斜齿轮造型。一些科研人员　了基于知识库参数化设　

计方法，但通过查询知识库确定参数，速度较陧，且知识库的完备性　

对设计的有效陛有很大影响。一些科研人员听０用ＡＤＳ开发了齿轮　

设计模块，可提高齿轮设计的效率，但局限于ＡｕｔｏＣＡＤ平台。一些　

科研人员［研究了齿轮的逆向虚拟造型方法，并开发了齿轮参数化　

设计系统，但其系统在可选择的齿轮类型上有所欠缺。　

针对齿轮传动参数化设计中的两个关键问题，即齿轮传动设　计中的数据化处理，以及齿轮传动参数化设计系统的构建问题进　

行了研究，介绍了设计数据的处理方法，并将程序参数化方法应用　

于齿轮设计中，以Ｖｉｓｕａｌ　Ｂａｓｉｃ为开发工具，在Ｓｏｌｉｄ　Ｅｄｇｅ平台上　

开发了一个齿轮参数化设计系统，应用此设计系统可以完成各种　

类型齿轮的设计工作，减少齿轮设计时间，同时保证了设计质量。　

２齿轮传动设计中的数据处理　

２．１数表的处理方法　

在机械零件的设计手册或设计规范、国家标准中，有各种各　

样的数表，这些数表一般都是离散数据的集合，总体上看，这些数　

表可以分为两类：函数型数表和非函数型数表。　

２．１．１函数型数表　

函数型数表是指数表中的数据具有理论公式或经验公式，　

或者可以通过利用某些数学方法来找到一个近似的函数关系式　

来描述的数表。函数型数表一般采用公式化方法处理，直接采用　

原来的公式或推得的公式进行编程，并计算数据。　

２．１－２非函数型数表　

非函数型数表是指那些没有原始理论公式，也很难通过数　

学方法推导出近似公式的数表，对于这种数表一般是用数组形式　

直接编写进程序或通过数据库来存储。检索时，用程序来查询数　组数据或调用数据库即可。　

例齿轮传动工况系数　，工作机载荷特性和原动机载荷特　

★来稿日期：２０１０—１１－１６★基金项目：湖南省教育厅优秀青年科研资助项目（０８Ｂ０８１），教育部工程研究中心项目（０９一ＦＺＧＪ０４）

　１６８　王英姿等：齿轮传动参教化设计系统研究　第９期　

性是两个非数值的变量，定义变量　（Ｏ～２）ＹｆＮｊ＝（０—２）来代表不同　

的工况，用二维数组　（３，３）来存储表中的系数值。只需输入代　

表工况的变量　√的值，便可查到对应的系数　值，如表１所示。　

表１齿轮传动工况系数　

对于复杂的数表不方便使用数组处理，可以通过数据库来存　

储数表，如图１所示。齿轮的材料特『生表，通过调用数据库便可查询　

数据。在非函数型数表中，有些数表只提供了有限节点的数据，若需　

要查询的不是列表中的节点而是位于节点间的中间值，如表２所示　

的齿型系数ＹＦａ，若需查询齿数为５５时的齿型系数，此时便要利用　

插值法来求出函数值。在齿轮设计中一般最常用的插值方法是线性　

插值：选取两个相邻自变量麓和　，并且满足关系　，则自变　

量　对应的Ｙ值可按式（１）求得：　ｙ．＋　Ｌ　（　一　）　（１）　

图１齿轮材料特性表　表２齿型系数ＹＦａ　

：　１７　ｌ８　１９　２０　２ｌ　２２　２３　２４　２５　２６　

２　２７　２８　２９　３Ｏ　３５　４Ｏ　４５　５０　６０　…・・・　

．　兰：　！　：箜　：　：　：箜　：　：　：　：垄：：：：：：　

２－２线图的处理方法　

在齿轮的设计中，许多数据需要通过线图来确定，如齿轮载　

荷分布系数　、区域系数　等，在计算机中，不能直接存储线图，　

所以必须将线图程序化，将其转化成数据形式，以便检索和调用。　

一般线图的程序化处理有两种方法：数表化和公式化。　

２．２．１线图数表化　

线图数表化处理，就是从线图中选择抽样节点，节点与函数值　

——对应，将线图离散化成数表形式，然后按数表处理即可。齿轮载　

荷分布系数　，如图２所示。经离散化后便形成数表，如表３所示。　

ｄｐａ＝ｂ／ｄｔ　图２齿轮载荷分布系数　１．对称布置２．非对称布置，轴剐性大　４悬臂布置３　Ｅ对称布置，轴刚性小　表３齿轮载荷分布系数　

布置　方式　１　２　３　４　０＿２　０．４　０．６　１．Ｏ１５　１．０４　１．Ｏ８　１＿１６　ｇｏｄ＝ｂ／ｄ】　０－８　１．０　１－２　１．４　１．６　１．Ｏ７　１．０９　１．１３　１．１２　１．１４　１．１８　１．１８　１．２２５　１．２８　。——　１　１．０２５　１．０７５　１　１．０２　１．０５　１．１１５　１．Ｏ３　１．０５　１．Ｏ６　１．Ｏ８　１．１１５　１．１５　１．２２５　—　

２．２．２线图公式化　

对于那些可以找到线图公式或曲线的数学表达式的线图，　

如齿轮强度计算时用到的区域系数　，便可以直接利用公式：　

（２）　

式中：　—基圆螺旋角；　一端面压力角。　

３设计参数的处理　

３．１参数取整　

（１）利用取整函数ＩＮＴ（ｘ）取整，这种取整方法是舍弃小数部　

分，所以结果不会大于原参数值　。（２）四舍五人方法取整，取整　

表达式为：ＩＮＴ（ｘ＋０．５　ｏ（３）按具体要求取整，即按照某些具体零　

部件的设计参数要求来取整，例如，为了方便安装和检测，齿轮的　

中心距也一般都是５的倍数，所以也需要取整为５的倍数值，具　

体表达式为：５＊ＩＮＴ（ｘ／５＋０．５　ｏ　

３．２取标准值　

在设计中，许多参数都是有参数系列的，这些参数就必须按　

标准值来圆整，如齿轮设计的模数必须是齿轮系列的标准值。　

４齿轮传动参数化设计系统　

４．１系统整体框架　

在将齿轮设计中的图表数据经过程序化处理后，结合传统　

齿轮传动设计分析和计算步骤，以ＶＢ语言为工具，结合数据库　

技术，以ｓｏｌｉｄＥｄｇｅ为设计平台，开发了齿轮传动参数化设计系　

统。系统主要分为五大模块：设计参数输入模块、数据库管理模　

块、计算校核模块、三维造型模块和文档管理模块。系统的整体框　

架，如图３所示。设计的系统界面，如图４所示。　

图３参数化设计系统整体结构图　首先，通过系统界面输入设计要求参数，根据输入的设计参　

数，调用数据库中存储的数据，通过如图５所示计算模块完成齿　

轮的设计计算和强度校核，得到齿轮的基本参数。然后，选择１旨轮　

类型（实心式、腹板式、轴齿轮等）、外齿轮或内齿轮、齿廓生成方　

式（添齿或者切槽）。再通过三维造型模块连接Ｓｏｌｉｄ　Ｅｄｇｅ软件，