基于SolidWorks的变位齿轮的分析与设计

　SolidWorks 是美国 Windows 原创的三维立体设计软件。它具有独特的特征管理树，可以进行草图绘制，构建零件模型，实现由零件自动生成工程图和装配图。SolidWorks 包含有各种功能的插件：高级渲染软件 PhotoWorks、特征识别FeatureWorks、动画制作 Animator、管道设计Toolbox 和齿轮设计 Gear 软件包。

　　基于 SolidWorks 的齿轮设计软件对变位齿轮进行分析与设计是该文的讨论核心。

　　1 变位齿轮

　　在齿轮加工过程中，为了防止用标准刀具切制齿数较少的齿轮而发生根切现象，通过改变刀具与轮坯的相对位置来切制齿轮，避免了齿轮加工中的根切，这种方法就是所谓的变位修正法，利用这种方法加工的齿轮即为变位齿轮。

　　变位齿轮的应用可以解决如下问题：① 用范成法加工齿轮时，当被切齿轮齿数 z﹤zmin时，避免发生的根切;② 在中心距 a~≠a=1/2m∑z的情况下实现正确啮合;③ 提高齿轮传动的承载能力，减少或均衡齿面的磨损以提高传动使用寿命;④ 满足某些特殊要求，如增大重合度等。加工变位齿轮时，刀具由切制标准齿轮的位置沿径向从轮坯中心向外移开的距离用 xm 表示，m 为模数，x 称为径向变位系数。x>0 为正变位齿轮，x<0 为负变位齿轮，x=0 为标准齿轮，3 种不同的齿轮齿形关系如图 1 所示。变位齿轮的几何尺寸：

　　齿顶高 ha=(ha*+x)m，(ha*为齿轮的齿顶高系数)

　　齿根高 hf=(hf*-x)m, (hf*为齿轮的齿根高系数)

　　齿厚 s=(π/2+2xtanα)m(s 为齿轮分度圆上的轮齿厚度，图 1)

　　齿槽宽 e=(π/2-2xtgα)m

　　可见变位系数对齿轮齿形的影响是不能忽视的。当 x>0 时，正变位齿轮的齿厚 s 加大，齿顶高增大，齿根高减少;x<0 时，负变位齿轮的齿厚 s 变薄，齿顶高减少，齿根高增大。为了直观地反映变位系数对齿形变化的影响，以SolidWorks 软件为平台，研究和设计直齿变位齿轮是问题的核心。

　　2 建立变位齿轮模型

　　2.1 构建不同的变位齿轮

　　启动齿轮设计软件包：打开"新建零件"→工具(tool)→宏操作(M)→运行→齿轮.swp→出现齿轮设计参数控制件，如图 2 所示，设置齿数 z、模数 m 相同，但变位系数不同的 3 组齿轮参数，即 z=20、m=3，而 x 分别取 0.25、0、- 0.25时，其正变位齿轮各部分的参数信息如图3所示。分别输入 3 组数据可生成正变位齿轮图 4(a)、标准齿轮图 4(b)和负变位齿轮图 4(c)模型。

　　2.2 分析变位系数 x 和齿数 z 对齿轮齿形的影响

　　(1) 当 x>0 时，齿顶厚 sa(齿顶圆上轮齿厚度，图 1 所示)减薄，齿高增加;而 x<0时，齿顶厚 sa加厚，齿高减少。

　　(2) 当正变位系数 x 过大(特别是齿数 z较少时)就可能出现齿顶过薄，或者出现顶切现象，如图 5 所示。其 z=16，m 和 x 与图 4(a)相同，但齿形不同，其顶切较明显;

　　(3) 当负变位系数 x 过大或者 z

　　以上图像可以直观的反映变位齿轮的变位系数 x 对齿轮几何尺寸的影响，又对变位齿轮的顶切作出分析。

　　2.3 对变位齿轮进行一些限制，避免出现以上现象

　　3 变位齿轮的设计

　　SolidWorks 不但能设计出形状逼真的三维立体 ，而且可以利用已经设计的三位模型创建所需的各个视图，包括剖视图、局部放大视图等，极大地方便了产品的设计。以 CM6154 车床床头箱变位齿轮(z=40，m=3，x=0.42)为例，讨论基于 SolidWorks 设计变位齿轮的实体和工程图。

　　3.1 设计齿轮实体的流程

　　(1) 形体设计

　　启动齿轮插件 → 设置齿轮参数(图 6)→生成齿轮模型→拉伸 → 轮毂→切挖 →辐板(图 7)→切键槽→倒角 → 倒圆角 →生成齿轮模型。

　　(2) 外部特征设置

　　齿轮模型外部特征的设置可以使虚拟模型更加真实，模型的外部特征决定形体具有的颜色和材质等。在 SolidWorks 中利用外观(Appearance)命令可以控制模型的颜色，还可以对模型的加工纹理(Texture)、材质(Material)进行设置使模型更加真实、效果更好。利用场景(scene)、光源(light)等可以设置合适的光线及光源，衬托模型。利用材质(Material)设定材料的属性。SolidWorks 提供了各种材质，可根据齿轮的特性选择材质。外部特征的设置使齿轮模型更加逼真，如图 8 所示。

　　3.2 生成工程图

　　在文件菜单中选择由实体图生成工程图 →选择工程图格式 → 生成标准的工程图→ 编辑视图 → 设置剖切位置，生成剖视图 →标注尺寸→填写标题栏。完成的工程图如图 9 所示。

　　4 结 束 语

　　以 SolidWorks 为设计平台进行的直齿变位齿轮的研究和设计，从理论和实际两个方面分析了变位系数对齿形的影响，有利于变位齿轮的设计和教学工作，齿轮模型生成的工程图极大地方便了齿轮设计。