CN107992688A - 机车牵引齿轮自动设计设备及自动设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机车牵引齿轮自动设计设备及自动设计方法，自动设计设备分为三个模块：机车牵引齿轮方案自动设计模块；机车牵引齿轮几何尺寸计算模块；机车牵引齿轮精度计算模块。自动设计方法，A、机车牵引齿轮自动设计模块，设计出多组设计方案；B、机车牵引齿轮几何尺寸计算模块从机车牵引齿轮自动设计模块的设计方案中选择一组合理的设计方案，计算出该设计方案的齿轮几何参数，当计算得到的齿轮几何参数不符合要求时，报警提示；C、机车牵引齿轮精度计算模块在机车牵引齿轮几何尺寸计算无误后，计算牵引齿轮的精度值。本设备及方法具有自动方案制定功能。具有报警提示等功能。可有效避免传统计算的误差，大大提高设计效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种机车牵引齿轮自动设计设备及自动设计方法。
背景技术
机车牵引齿轮是机车的重要组成部分，随着生产和科学技术的进步，机车正朝着高速、重载方向发展。机车齿轮参数繁杂，设计计算受到很多因素和参数的影响，稍不小心就会造成大错误，并且需要耗费很大精力和耐力，这就对快速制定方案制造了很大的障碍。
目前市面上齿轮计算软件较多，这些软件都是根据齿轮设计标准将相关公式罗列得到的，购买成本高、机车使用性差，操作繁琐，很多功能使用不上，对于机车牵引齿轮设计性价比低。
目前市面上的齿轮设计软件及方法存在以下缺点：购买成本高，很多功能使用不上，机车使用性差，操作繁琐，没有相关参数的设计经验值和参数范围提示。
发明内容
本发明所解决的技术问题是针对现有的机车牵引齿轮自动设计设备及设计方法存在的不足，提出一种机车牵引齿轮自动设计设备及自动设计方法，根据机车牵引齿轮的设计经验，设定了相关参数的范围值，具有报警提示等功能，软件可自动制定多组齿轮设计方案，选择一组合理方案后可进行齿轮的几何尺寸和精度计算，为机车牵引齿轮的设计提供了方便、快捷的方法。
本发明采用的技术方案是：机车牵引齿轮自动设计设备，包括机车牵引齿轮自动设计模块，机车牵引齿轮几何尺寸计算模块及机车牵引齿轮精度计算模块，机车牵引齿轮自动设计模块根据已知输入及约束条件确定多组齿轮设计方案，然后机车牵引齿轮几何尺寸计算模块选择一组设计方案，并设定变位系数，计算齿轮的几何参数，机车牵引齿轮精度计算模块在机车牵引齿轮几何尺寸计算模块的尺寸计算无误时进行精度计算，最后输出结果。
机车牵引齿轮自动设计方法，
A.通过输入***将已知条件输入机车牵引齿轮自动设计模块，机车牵引齿轮自动设计模块建立齿轮设计约束条件，约束条件检验合格后，设计出多组设计方案；
B.机车牵引齿轮几何尺寸计算模块从机车牵引齿轮自动设计模块的设计方案中选择一组合理的设计方案，以主从动齿轮保持正变位的原则设定变位系数，进而计算出该设计方案的齿轮几何参数，当计算得到的齿轮几何参数小于或超过设定的经验值时界面出现提示，点击后出现错误原因；
C.机车牵引齿轮精度计算模块在机车牵引齿轮几何尺寸计算无误后，计算牵引齿轮的精度值。
所述的步骤A的具体为：
①通过输入***将车轮磨耗直径、机车限界、齿轮箱壁厚、给定中心距A、压力角α、传动比范围等已知参数输入机车牵引齿轮自动设计的模块；
②机车牵引齿轮自动设计模块建立齿轮设计约束条件；
③机车牵引齿轮自动设计模块自动计算模数mn范围、确定齿数Z；
④机车牵引齿轮自动设计模块根据传动比及标准中心距计算确定主动齿轮齿数Z1和从动齿轮齿数Z2；
⑤约束条件计算检验合格后，机车牵引齿轮自动设计模块输出多组齿数和模数。
所述的模数范围为7-12,所述的压力角α为20°、22.5°、25°。
所述的齿数Z、给定中心距A和模数mn应满足Z＜2A/mn。
所述的标准中心距A＇、模数mn、压力角α、主动齿轮齿数Z1和从动齿轮齿数Z2之间的函数关系为
所述的约束条件包括齿顶圆半径的最大值Dmax、重合度εα、齿顶厚、滑动比及齿形干涉参数。
所述的齿顶圆半径最大值满足Dmax≤R-mh-jx-hd-xj,式中：R-车轮半径，mh-车轮磨耗量，jx-机车限界，hd-齿轮箱壁厚，xj-齿顶与箱体间隙；
所述的重合度εα满足εα≥1.4；
所述的齿顶厚大于0.4倍模数且大于3mm，即：式中：da—齿顶圆直径,mn—模数；Sa—齿顶圆的齿顶厚度，α-压力角，Z-齿数，mn-模数；所述的滑动比应满足主动齿轮与从动齿轮的滑动比之差为0.1，即：
式中η1—主动齿轮滑动比，η2—从齿轮传动比，Z1-主动齿轮齿数，Z2-从动齿轮齿数，αα1-主动齿轮齿顶圆压力角，αα2-从动齿轮齿顶圆压力角，μ-传动比，αt＇-啮合角；
所述的齿形干涉参数包括齿形分界点处曲率半径ρl和工作齿根处曲率半径ρp，且齿形分界点处曲率半径ρl小于工作齿根处曲率半径ρp，即：
ρl＝0.5×d×sinαt-[han*+cn*-r*(1-sinαn)-X]·mn/sinαt≤ρP
ρp＝a'·sinαt'-0.5db·tanαa
式中：d-分度圆直径，αt-压力角，han*-齿顶高系数，cn*-顶隙系数，r*-齿根圆角半径系数，αn-压力角，X-变位系数，db-基圆直径，mn-模数，a＇-中心距，αt＇-啮合角，aa-齿顶圆压力角。
所述的齿轮几何参数包括齿顶圆半径、模数mn，齿数Z，齿顶圆直径、齿高、齿顶圆压力角、跨齿数、公法线长度、重合度εα、齿顶厚、滑动比、齿形干涉参数；所述的错误及错误原因包括：齿顶圆半径最大值Dmax>车轮半径-磨耗量-机车限界-齿轮箱壁厚-齿顶与箱体间隙，此时界面出现错误警告，提示请重新选择方案；齿缘厚度小于齿高1.56倍，此时界面提示齿缘安全裕度较小需进行强度校核；重合度小于1.4，此时界面提示请重新修正齿数使重合度大于1.4；齿顶厚小于0.4倍模数或小于3mm，此时界面提示重新调整齿数和变位系数；滑动比之差大于0.1时界面提示差值较大，考虑调整变位系数；齿形分界点处曲率半径大于工作齿根处曲率半径，此时界面提示齿形干涉；主动齿轮变位系数小于从动齿轮变位系数，界面提示重新分配变位系数。
所述精度值包括工作圆直径、工作圆与形成圆直径差、形成圆直径、形成圆处压力角、形成圆处展开角、齿顶圆处展开角、节圆处展开角、齿厚偏差、齿厚公差、最大组装侧隙、公法线偏差、公称齿厚。
本发明的有益效果如下：作为一种机车牵引齿轮专用设计设备及设计方法，具有自动方案制定功能。本设计方法总结了机车牵引齿轮的设计经验，设定了相关参数的经验值，在计算参数超出经验值时具有报警提示等功能。使用该设计方法代替人工计算，操作方便、直观，可有效避免传统计算的误差，大大提高设计效率。
附图说明
图1为机车牵引齿轮自动设计设备结构图。
图2为机车牵引齿轮自动设计方法的自动设计模块计算流程图。
具体实施方式
下面结合附图对机车牵引齿轮自动设计设备及自动设计方法进行进一步说明。
这种机车牵引齿轮自动设计设备分为三个模块：机车牵引齿轮方案自动设计模块；机车牵引齿轮几何尺寸计算模块；机车牵引齿轮精度计算模块。机车牵引齿轮方案自动设计模块：该模块应用机械优化设计的思想将齿数、模数作为优化目标参数，将齿顶圆半径、压力角、齿缘厚度、重合度、齿顶厚、滑动比、齿形干涉检验的设计经验值作为约束条件，实现机车牵引齿轮的自动方案设计功能，该模块可确定出多组设计方案。
机车牵引齿轮几何尺寸计算模块：从自动设计模块确定的方案中，选择一组合理的设计方案，设定变位系数进而计算出齿顶圆半径、模数、重合度、齿顶厚、滑动比、齿形干涉检验值等，当计算值小于或超过设定的经验值时界面出现红色提示，点击后出现错误原因。
机车牵引齿轮精度计算模块：尺寸计算模块中的几何尺寸计算无误后进入精度计算模块，计算出齿形公差、齿厚偏差、齿厚公差、最大组装侧隙、公法线偏差、公称齿厚等。
机车牵引齿轮自动设计模块根据已知输入及约束条件确定多组齿轮设计方案，然后机车牵引齿轮几何尺寸计算模块选择一组设计方案，并设定变位系数，计算齿轮的几何参数，机车牵引齿轮精度计算模块在机车牵引齿轮几何尺寸计算模块的尺寸计算无误时进行精度计算，最后输出结果。
机车牵引齿轮自动设计方法，
A.通过机车将已知条件输入机车牵引齿轮自动设计模块，机车牵引齿轮自动设计模块建立齿轮设计约束条件，约束条件检验合格后，设计出多组设计方案；
自动设计过程如下，如图2所示：
①通过机车将车轮磨耗直径、机车限界、齿轮箱壁厚、给定中心距A、压力角α、传动比范围等已知参数输入机车牵引齿轮自动设计的模块；
②机车牵引齿轮自动设计模块建立齿轮设计约束条件；
③机车牵引齿轮自动设计模块自动计算模数mn范围、确定齿数Z，模数范围为7-12,所述的压力角α为20°、22.5°、25°；为保证齿轮的正变位，齿数Z、给定中心距A和模数mn应满足Z＜2A/mn，且为整数；
④根据传动比等参数确定主动齿轮齿数Z1和从动齿轮齿数Z2；标准中心距A＇、模数mn、压力角α、主动齿轮齿数Z1和从动齿轮齿数Z2之间的函数关系为
⑤约束条件计算检验合格后，机车牵引齿轮自动设计模块输出多组齿数和模数。
B.机车牵引齿轮几何尺寸计算模块从机车牵引齿轮自动设计模块的设计方案中选择一组合理的设计方案，以主从动齿轮保持正变位的原则设定变位系数，进而计算出该设计方案的齿轮几何参数，当计算得到的齿轮几何参数小于或超过设定的经验值时界面出现红色提示，点击后出现错误原因；错误及错误原因包括：齿顶圆半径最大值Dmax>车轮半径-磨耗量-机车限界-齿轮箱壁厚-齿顶与箱体间隙，此时界面出现错误警告，提示请重新选择方案；齿缘厚度小于齿高1.56倍，此时界面提示齿缘安全裕度较小需进行强度校核；重合度小于1.4，此时界面提示请重新修正齿数使重合度大于1.4；齿顶厚小于0.4倍模数或小于3mm，此时界面提示重新调整齿数和变位系数；滑动比之差大于0.1时界面提示差值较大，考虑调整变位系数；齿形分界点处曲率半径大于工作齿根处曲率半径，此时界面提示齿形干涉；主动齿轮变位系数小于从动齿轮变位系数，界面提示重新分配变位系数。
C.机车牵引齿轮精度计算模块在机车牵引齿轮几何尺寸计算无误后，计算牵引齿轮的精度值。精度值包括工作圆直径、工作圆与形成圆直径差、形成圆直径、形成圆处压力角、形成圆处展开角、齿顶圆处展开角、节圆处展开角、齿厚偏差、齿厚公差、最大组装侧隙、公法线偏差、公称齿厚。
约束条件如下：
1)齿顶圆半径最大值满足Dmax≤R-mh-jx-hd-xj,式中：R-车轮半径，mh-车轮磨耗量，jx-机车限界，hd-齿轮箱壁厚，xj-齿顶与箱体间隙；
所述的重合度εα满足εα≥1.4；
2)齿顶厚大于0.4倍模数且大于3mm，即：式中：da—齿顶圆直径,mn—模数；Sa—齿顶圆的齿顶厚度，α-压力角，Z-齿数，mn-模数；
3)滑动比应满足主动齿轮与从动齿轮的滑动比之差为0.1，即：
式中η1—主动齿轮滑动比，η2—从齿轮传动比，Z1-主动齿轮齿数，Z2-从动齿轮齿数，αα1-主动齿轮齿顶圆压力角，αα2-从动齿轮齿顶圆压力角，μ-传动比，αt＇-啮合角；
4)齿形干涉参数包括齿形分界点处曲率半径ρl和工作齿根处曲率半径ρp，且齿形分界点处曲率半径ρl小于工作齿根处曲率半径ρp，即：
ρl＝0.5×d×sinαt-[han*+cn*-r*(1-sinαn)-X]·mn/sinαt≤ρP
ρp＝a'·sinαt'-0.5db·tanαa
式中：d-分度圆直径，αt-压力角，han*-齿顶高系数，cn*-顶隙系数，r*-齿根圆角半径系数，αn-压力角，X-变位系数，db-基圆直径，mn-模数，a＇-中心距，αt＇-啮合角，aa-齿顶圆压力角。
Claims (10)
1.机车牵引齿轮自动设计设备，其特征在于：包括机车牵引齿轮自动设计模块，机车牵引齿轮几何尺寸计算模块及机车牵引齿轮精度计算模块，机车牵引齿轮自动设计模块根据已知输入及约束条件确定多组齿轮设计方案，然后机车牵引齿轮几何尺寸计算模块选择一组设计方案，并设定变位系数，计算齿轮的几何参数，机车牵引齿轮精度计算模块在机车牵引齿轮几何尺寸计算模块的尺寸计算无误时进行精度计算，最后输出结果。
2.运用权利要求1所述的机车牵引齿轮自动设计设备的机车牵引齿轮自动设计方法，其特征在于：
A.通过机车的输入***将已知条件输入机车牵引齿轮自动设计模块，机车牵引齿轮自动设计模块建立齿轮设计约束条件，约束条件检验合格后，设计出多组设计方案；
B.机车牵引齿轮几何尺寸计算模块从机车牵引齿轮自动设计模块的设计方案中选择一组合理的设计方案，以主从动齿轮保持正变位的原则设定变位系数，进而计算出该设计方案的齿轮几何参数，当计算得到的齿轮几何参数小于或超过设定的经验值时界面出现提示，点击后出现错误原因；
C.机车牵引齿轮精度计算模块在机车牵引齿轮几何尺寸计算无误后，计算牵引齿轮的精度值。
3.根据权利要求2所述的机车牵引齿轮自动设计方法，其特征在于：所述的步骤A的具体为：
①通过输入***将车轮磨耗直径、机车限界、齿轮箱壁厚、给定中心距A、压力角α、传动比范围等已知参数输入机车牵引齿轮自动设计的模块；
②机车牵引齿轮自动设计模块建立齿轮设计约束条件；
③机车牵引齿轮自动设计模块自动计算模数mn范围、确定齿数Z；
④机车牵引齿轮自动设计模块根据传动比及标准中心距计算确定主动齿轮齿数Z1和从动齿轮齿数Z2；
⑤约束条件计算检验合格后，机车牵引齿轮自动设计模块输出多组齿数和模数。
4.根据权利要求3所述的机车牵引齿轮自动设计方法，其特征在于：所述的模数范围为7-12,所述的压力角α为20°、22.5°、25°。
5.根据权利要求3所述的机车牵引齿轮自动设计方法，其特征在于：所述的齿数Z、给定中心距A和模数mn应满足Z＜2A/mn。
6.根据权利要求3所述的机车牵引齿轮自动设计方法，其特征在于：所述的标准中心距A＇、模数mn、压力角α、主动齿轮齿数Z1和从动齿轮齿数Z2之间的函数关系为
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7.根据权利要求2或3所述的机车牵引齿轮自动设计方法，其特征在于：所述的约束条件包括齿顶圆半径的最大值Dmax、重合度εα、齿顶厚、滑动比及齿形干涉参数。
8.根据权利要求7所述的机车牵引齿轮自动设计方法，其特征在于：所述的齿顶圆半径最大值满足Dmax≤R-mh-jx-hd-xj,式中：R-车轮半径，mh-车轮磨耗量，jx-机车限界，hd-齿轮箱壁厚，xj-齿顶与箱体间隙；
所述的重合度εα满足εα≥1.4；
所述的齿顶厚大于0.4倍模数且大于3mm，即：式中：da—齿顶圆直径,mn—模数；Sa—齿顶圆的齿顶厚度，α-压力角，Z-齿数，mn-模数；所述的滑动比应满足主动齿轮与从动齿轮的滑动比之差为0.1，即：
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式中η1—主动齿轮滑动比，η2—从齿轮传动比，Z1-主动齿轮齿数，Z2-从动齿轮齿数，αα1-主动齿轮齿顶圆压力角，αα2-从动齿轮齿顶圆压力角，μ-传动比，αt＇-啮合角；
所述的齿形干涉参数包括齿形分界点处曲率半径ρl和工作齿根处曲率半径ρp，且齿形分界点处曲率半径ρl小于工作齿根处曲率半径ρp，即：
ρl＝0.5×d×sinαt-[han*+cn*-r*(1-sinαn)-X]·mn/sinαt≤ρP
ρp＝a'·sinαt'-0.5db·tanαa
式中：d-分度圆直径，αt-压力角，han*-齿顶高系数，cn*-顶隙系数，r*-齿根圆角半径系数，αn-压力角，X-变位系数，db-基圆直径，mn-模数，a＇-中心距，αt＇-啮合角，aa-齿顶圆压力角。
9.根据权利要求2所述的机车牵引齿轮自动设计方法，其特征在于：所述的齿轮几何参数包括齿顶圆半径、模数mn，齿数Z，齿顶圆直径、齿高、齿顶圆压力角、跨齿数、公法线长度、重合度εα、齿顶厚、滑动比、齿形干涉参数；所述的错误及错误原因包括：齿顶圆半径最大值Dmax>车轮半径-磨耗量-机车限界-齿轮箱壁厚-齿顶与箱体间隙，此时界面出现错误警告，提示请重新选择方案；齿缘厚度小于齿高1.56倍，此时界面提示齿缘安全裕度较小需进行强度校核；重合度小于1.4，此时界面提示请重新修正齿数使重合度大于1.4；齿顶厚小于0.4倍模数或小于3mm，此时界面提示重新调整齿数和变位系数；滑动比之差大于0.1时界面提示差值较大，考虑调整变位系数；齿形分界点处曲率半径大于工作齿根处曲率半径，此时界面提示齿形干涉；主动齿轮变位系数小于从动齿轮变位系数，界面提示重新分配变位系数。
10.根据权利要求2所述的机车牵引齿轮自动设计方法，其特征在于：所述精度值包括工作圆直径、工作圆与形成圆直径差、形成圆直径、形成圆处压力角、形成圆处展开角、齿顶圆处展开角、节圆处展开角、齿厚偏差、齿厚公差、最大组装侧隙、公法线偏差、公称齿厚。
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2017
- 2017-12-07 CN CN201711282101.2A patent/CN107992688B/zh active Active
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