基于Pro/E和KISSsoft的齿根修形优化设计

郭利,黄道业

（安徽国防科技职业学院机械工程系,安徽六安237011）

众所周知,齿轮在接触点处和齿根处属于应力集中区,最容易发生破坏.合理的轮齿修形可以减少或者避免应力集中[1-2].结合使用国际标准ISO6336和“图解法”,利用先进的KISSsoft软件对齿根进行修形最优化.然后通过Pro/E和KISSsoft的接口将齿根最优化齿轮导入到Pro/E中,进行实体参数化设计,能很好地提高设计效率和质量,降低设计成本.

1 基于KISSsoft的齿根修形优化

1.1 齿根修形优化思路

在国际标准ISO6336中,对齿根YF和YS的分析计算仅仅局限于一个点上,结合实际齿根圆半径,结果有可能产生或大或小的差异.而KISSsoft软件对此进行了一定的修正,充许在整个齿根上计算YF和YS[3-4],因此可靠性更高.

齿根形状的结果是由加工刀具半径参数决定的,如图1所示[5].其中ρfp为刀具齿顶圆弧半径系数.作者以衡量齿根弯曲强度的安全系数为指标,取不同的ρfp值,对齿根进行修形优化,来寻求效果最佳化的齿根.

图1 刀具基本齿廓Fig.1 The basic tooth profile of cutter

1.2 齿根修形优化

齿轮材料为18NiCr,采用润滑油润滑,齿轮传动参数如表1所示.

表1 齿轮传动参数Tab.1 The gear transmission parameter

对于齿形1,取ρfp值为0.38.首先在KISSsoft软件的“Basic data”对话框中输入齿轮传动的基本参数,在“Reference profile”对话框中输入ρfp=0.38.然后回到“Basic data”对话框中进行图解法计算设置.在“Basic data”的“Strength”中点击“Details”,打开“Define details of strength”对话框,然后在“form factors YF：YS ”下拉菜单中选择“Using graphical method”,点击“OK”即可完成图解法计算设置.同时,在“Strength”中的“Calculation method”下拉菜单中选择“ISO6336：2006 Method B”,其强度计算结果如下图2所示.

图2 当ρfp=0.38时安全系数计算结果Fig.2 The calculation results of root safety under ρfp=0.38

对于齿形2,取ρfp=0.45,计算方法如齿形1所述,只需把ρfp值改为0.45即可.计算结果齿根弯曲安全系数（Root safety）为2.675 6,齿面接触安全系数（Flank safety）仍为1.423 5.齿根弯曲强度明显提高.

对于齿形 3,取椭圆形齿根.在菜单“calculation”中选择“Tooth form”选项,在“Tooth form”对话框中,右键点击“Gear 1”下面的“automatic”,选择“Add operation”下面的“Elliptic foot modification”.然后定义椭圆齿根修形,系统计算知“Modification starting at diameter”为142.945mm,“coefficient for the curvature”为7.0.最后在“Elliptic foot modification”上点击右键选择“Choose as result”确保椭圆齿形修改.计算结果齿根弯曲安全系数（Root safety）为2.886 8,齿面接触安全系数（Flank safety）仍为1.423 5,齿根弯曲强度进一步得到提高.

比较齿形1、齿形2和齿形3可以看到,从齿形1到齿形3通过修根抵抗弯曲变形提高了15.63%,齿形3就是效果最佳化的齿根.

2 实体齿轮参数化实现

2.1 齿轮参数化输出

Pro/E和KISSsoft之间具有良好的3D接口,在KISSsoft软件中进行计算和修形优化的齿轮能够直接地在Pro/E软件里生成参数化的三维实体,带有可编辑的参数和关系式,而且齿形不失真.同时也可以生成齿轮制造加工信息表,很好的提高了齿轮参数化设计的效率和质量,节约了成本[6-7].

在 KISSsoft中计算完成后,选择菜单“Graphics”下面的“3D export”选项,然后点击“Gear 1”,出现图 3所示画面,然后选择“Generate gear in new file”,即可直接在Pro/E中生成齿轮三维参数化实体,如图4所示齿根为椭圆形的修形齿轮.

图3 3D输出选项Fig.3 The 3D export option

图4 齿根为椭圆形齿轮实体Fig.4 The solid gear when the shape of root was elliptical

2.2 齿根优化分析

按照上述3D实体生成方法,可分别输出齿形1、齿形2、齿形3的齿轮参数化实体.然后在组件中同轴装配三个齿轮,选择线框显示,得到如图5所示齿根比较图形：

图5 齿根形状比较Fig.5 The comparison of root shape

分析图5可以得出如下结论：

（1）如图5所示,理论上,刀具齿顶圆弧半径系数ρfp的值越大,安全系数就越大,齿根弯曲强度就越高.实际上,受到齿轮结构参数及实际加工情况的影响,对于具体的齿轮,ρfp的值是有上限的[8].经分析,上述齿轮的ρfp值最大只能取0.471.

（2）比较齿形1、齿形2和齿形3得知,椭圆形齿根为效果最佳化齿根.因此,在一些对齿轮强度有特殊要求的情况下,齿根曲线可以取非圆曲线或者高次曲线,以满足实际需要.

（3）椭圆形齿根虽然为效果最佳化齿根,但是,这种齿根修形需要特殊的刀具,所以此修根方法适应于批量生产或者或者通过电火花加工齿轮.

3 小结

在文中对齿轮的研究是基于Pro/E和KISSsoft两种软件而进行的,在实现齿根修形优化设计的同时,也很好地实现了齿轮的实体参数化设计.不仅提高了设计的效率和质量,也降低了设计的成本.

[1]于华波,高奇帅,柳东威.基于ANSYS的渐开线斜齿轮的齿根应力分析[J].机械设计与制造,2009（1）：84-85.

[2]陈一栋.渐开线圆柱齿轮接触分析和修形设计[D].长沙：国防科技大学,2007：57-65.

[3]唐进元,刘继凯,雷敦财.基于Romax与Kisssoft软件的齿形优化设计与分析[J].机械传动,2011,35（2）：1-3.

[4]刘玉珠,徐逊,孙雪亭,等.基于 KISSsoft的齿轮加工模拟试验[J].重工与起重技术,2011（3）：9-11.

[5]孙文,王三民,任涛.基于Pro/E渐开线斜齿轮自动参数化建模的关键问题[J].机械传动,2011,35（5）：27-30.

[6]唐进元,雷敦财.基于Kisssoft软件的行星传动装置齿轮参数优化设计[J].机械传动,2010,34（12）：15-17.

[7]高娜,王艳卫.基于KISSSOFT的行星齿轮传动设计[J].机械工程师,2010（11）：92-93.

[8]熊显文,涂家海,明兴祖.齿轮齿根过渡圆角的计算方法及控制的研究[J].机械传动,2008,32（3）：9-11.