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汽车工程毕业论文汽车工程毕业论文摘要本文针对齿轮在汽车设计中应用的广泛性和通用性，根据相关总成对汽车齿轮进行分类；同时根据机械零件中有关齿轮的设计原理，利用CATIA V5 的参数化函数设计功能建立各种汽车齿轮的三维模型；并结合CATIA V5的知识工程，利用 CATIA V5的Catalog库功能，建立了一套较完整的汽车齿轮库。该齿轮库能够在汽车设计中进行直接调用，为汽车设计工作提供了极大的便利。关键字：CATIA，齿轮，参数化设计，零件库AbstractFocusing on the widespread use of gear in automotive, the paper classifies the gear using in automotive according to each assembly. With the design theory of gear in mechanical parts, the paper models various gears in CATIA V5 by using its parametric function. Integrating the Knowledge module of CATIA V5, the paper forms a suit of gear library of automotive via the faction of Catalog in CATIA V5. The library can be put into use directly and taken its advantages in vehicle design.Keywords: CATIA , automobile, gear, Parametric Design, catalog50目录摘要IAbstractII1 设计总则11.1 课题的来源11.2 设计背景11.2.1 齿轮工业介绍11.2.2 国内外发展的状况11.3 综合分析以及设计目的32 汽车齿轮方案分析62.1 建立汽车齿轮库的方案62.2 汽车齿轮分类方案比较72.2.1 按照齿轮传动类型对汽车齿轮进行分类72.2.2 按制造方法对汽车齿轮进行分类92.2.3 按照齿轮所在的汽车总成对汽车齿轮分类92.3 汽车齿轮分类方案分析与确定：102.3.1 第一级按照汽车总成分类102.3.2 第二级按照汽车车型分类102.3.3 第三级按照齿轮传动类型分类132.3.4 第四级按照齿轮的基本参数分类133 汽车齿轮三维参数化建模183.1 参数化设计的介绍183.2 汽车基准齿轮的建模简介193.3 直齿轮的参数化建模193.3.1 直齿轮几何特征193.3.2 渐开线直齿轮参数化建模过程203.4 斜齿轮的参数化建模233.4.1 斜齿轮的几何特征233.4.2 斜齿轮建模的基本思路243.4.3 斜齿轮参数化建模过程243.5 直齿锥齿轮的参数化建模253.51 直齿锥齿轮几何特征263.52 直齿锥齿轮建模的基本思路263.6 蜗杆的参数化建模273.61 蜗轮的几何特征273.62 蜗杆建模的基本思路274 建立汽车齿轮零件库284.1 相关术语的介绍284.2 汽车齿轮命名方法304.3 汽车齿轮设计表的建立314.4 汽车齿轮Catalog的目录建立334.4.1 Catalog的建立334.4.2 章节(Chapters)的建立334.4.3 类(family)的建立344.4.4 关键字(keywords)的建立354.4.5 添加齿轮到Catalog364.5 汽车齿轮库的使用方法374.6 汽车齿轮库的管理405 结论与展望415.1 结论415.2 存在的不足415.3 展望42致谢43参考文献44附录一46附录二461 设计总则1.1 课题的来源本课题基于 CATIA 的汽车齿轮库建模方法研究来源于湖北汽车工业学院汽车工程系汽车教研室。1.2 设计背景1.2.1 齿轮工业介绍齿轮常见于现代工业设备中，它甚至通过家用车辆和家用器械渗入到寻常百姓的日常生活中。因此，齿轮作为工业的象征，被画在我国庄严的国徽上。50年代我国齿轮工业几乎从零起步，第一个五年计划期间我国开始发展齿轮制造业，至60年代中期奠定了初步基础，在不同行业中建立了若干具有代表性的齿轮制造车间。70、80年代后，通过国家重点投入和数量可观的技术引进，以及改革开放政策的深入贯彻，我国齿轮工业又有了新的发展，形成了一个门类齐全，颇具规模的工业。本世纪20、30年代后汽车工业的迅速发展和生产的日益规模化，使汽车齿轮成为大批量生产的典型1。汽车齿轮一般采用中模数，高效节材制齿和渗透淬火工艺，制造精度一般为68级；轿车及客车用的齿轮精度为57级。而且对组件运转性能要求较高，我国汽车齿轮的产量约占全国齿轮总产量的1/2左右。1.2.2 国内外发展的状况二十一世纪是一个高速发展的世纪，我国的各行各业正以惊人的速度向世界看齐，特别是机械制造业正以一个前所未有的速度在向前发展。在面向装配设计过程中，为提高设计效率，减少重复劳动，缩短产品开发周期，建立三维零件库是必不可少的一个重要环节2。在基于 CATIA V5、PRO/E、UG 为平台的三维参数化机械产品的设计中，标准件、常用件，它们在结构、尺寸方面都已标准化或部分重要参数已标准化、系列化了，为了避免设计人员花费大量时间来进行这些重复性的工作，提高设计效率和产品的开发速度，降低产品的开发成本，并实现组件快速、准确的装配，按我国的有关设计标准，通过利用 CATIA V5 中的 Catalog、PRO/E 中的族表、UG中的 Part families 等开发工具来建立标准件、常用件的三维参数化图库尤为重要和必要。为此，许多企业经常自己建立一些小型的标准件库或专业零件库。从制造业全行业的角度来看，这样做不仅导致大量人力、物力和时间被耗费在重复的工作中，而且由于各单位条件限制及使用目的不同，很难建立一个完整、通用的零件库，对于因标准改变等情况引起的零件库更新也无法很好地解决。网络环境及其开发技术的飞速发展为企业共享零件库服务提供了手段，在开发网络环境下 ASP.NET 技术与 Web 数据库技术相结合的虚拟零件库及相应的 ASP 服务平台，将能够使企业以较少的资金得到范围更加广泛、分类更加精细的零件库服务，达到支持网络化设制造和企业件技术协作，提高企业产品创新能力和开发效率的目的。例如，杭州新迪数字工程系统有限公司开发的：三维资源在线网/index.html 。在这个平台上，设计人员可以轻松找到我们国家现有的各类标准件、行业常用件以及供应商产品目录，动态配置、预览、并最终下载这些三维产品实体模型。齿轮是依靠齿的啮合传递扭矩的轮状机械零件。齿轮通过与其它齿状机械零件（如另一齿轮、齿条、蜗杆）传动，可实现改变转速与扭矩、改变运动方向和改变运动形式等功能3。由于传动效率高、传动比准确、功率范围大等优点，齿轮机构在汽车工业产品中广泛应用，其设计与制造水平直接影响到汽车产品的质量。设计人员在汽车设计中齿轮是最常用的零件，但是齿轮的曲线形状复杂在很多软件中是不能直接生成的，需要设计人员一步一步地操作，过程极其繁琐，设计的效率很低，因此对于汽车齿轮库的建模提出了要求。本文对目前国内外在这方面的研究情况作了简单的调研，并查阅了大量的相关文献，目前国内外对二维图形参数化和简单三维实体的参数化的研究较为成熟。对复杂的三维实体的参数化的造型研究还不多见，特别是像汽车齿轮这类形状复杂、精确齿形的三维实体的参数化的造型设计更为少见。其原因，一是齿轮二维图形参数化设计能够满足传统的齿轮加工要求，另一方面是运用低档 CAD 软件对复杂的三维实体很难实现参数化虚拟造型设计。随着虚拟制造技术的迅速发展，用大型通用的CAD软件对汽车齿轮的三维实体进行参数化虚拟造型设计已成为设计者的迫切需要4。 CATIA V5、PRO/E、UG 等提供的二次开发工具给三维实体造型提供了极大的方便，它可以避免对三维实体的重复造型，极大地提高设计效率。在计算机辅助设计与图形学学报2005年8月第17卷第8期李原基于 CATIA V5 的标准件库设计与实现对基于 CATIA V5 软件的航空产品标准件库的关键技术和实现方案进行研究，提出一种基于 CATIA V5 的标准件库实现方法，对基于CAA-API 的标准件实体建模、零件参数表设计、基于Catalog 的标准件层次结构设计，以及标准件的数据库存储模式设计等创建标准件库的关键技术进行了描述，开发了标准系统标准件库，覆盖国标、航标、企标、军标的紧固件、机体构件、系统构件、管路系统构件、电气操纵构件等零件类型。目前为止，国内对齿轮 CAD 已作了一定的工作，如郑州机械研究所开发的“齿轮传动 CAD 集成系统”，天津大学毕玉玲开发的“仪表圆弧齿轮 CAD 模型”。但是多数是二维系统，燕山大学路鼓、陈修龙开发虽然是三维的系统，但是仅限于圆锥齿轮。还有一些齿轮方面的专家基于 SUN 工作站以 I-DEAS MS5 为支撑软件建立了一套齿轮的参数化造型系统程序，可以实现内外齿轮的参数化造型，但这些软件功能也仅限于直齿轮。而且针对汽车设计中通用齿轮研究与建模尚处于空白，汽车齿轮库建立会使我们更多的精力放在产品的核心零部件以及它们之间的接口上。综上所述，基于 CATIA V5 的汽车齿轮库建模有重大的理论和实际意义。1.3 综合分析以及设计目的CAD 是目前世界上最流行的计算机辅助设计软件平台，它以功能强大、操作简便、支持多平台以及体系结构开放等优点得到了工程界的广泛应用特别是 CATIA V5 允许用户对其进行扩充和修改即二次开发极大限度地满足了用户的特殊要求4。 CATIA V5 是法国达索公司的产品开发旗舰解决方案。作为 PLM 协同解决方案的一个重要组成部分，它可以帮助制造厂商设计他们未来的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。模块化的 CATIA V5 系列产品旨在满足客户在产品开发活动中的需要，包括风格和外型设计、机械设计、设备与系统工程、管理数字样机、机械加工、分析和模拟。CATIA V5 产品基于开放式可扩展的 V5 架构。通过使企业能够重用产品设计知识，缩短开发周期，CATIA V5 解决方案加快企业对市场的需求的反应5。自1999年以来，市场上广泛采用它的数字样机流程，从而使之成为世界上最常用的产品开发系统。CATIA V5 系列产品已经在七大领域里成为首选的 3D 设计和仿真解决方案：汽车、航空航天、船舶制造、厂房设计、电力与电子、消费品和通用机械制造。1) CATIA V5 先进的混合建模技术。设计对象的混合建模：在 CATIA V5 的设计环境中，无论是实体还是曲面，做到了真正的互操作；变量和参数化混合建模：在设计时，设计者不必考虑如何参数化设计目标，CATIA V5 提供了变量驱动及后参数化能力；几何和智能工程混合建模：对于一个企业，可以将企业多年的经验积累到 CATIA V5 的知识库中，用于指导本企业新手，或指导新车型的开发，加速新型号推向市场的时间。2) CATIA V5 具有在整个产品周期内的方便的修改功能，尤其是后期修改性。无论是实体建模还是曲面造型，由于 CATIA V5 提供了智能化的树结构，用户可方便快捷的对产品进行重复修改，即使是在设计的最后阶段需要做重大的修改，或者是对原有方案的更新换代，对于 CATIA V5 来说，都是非常容易的事。3) CATIA V5 所有模块具有全相关性。 CATIA V5 的各个模块基于统一的数据平台，因此 CATIA V5 的各个模块存在着真正的全相关性，三维模型的修改，能完全体现在二维，以及有限元分析，模具和数控加工的程序中。4)并行工程的设计环境使得设计周期大大缩短。CATIA V5 提供的多模型链接的工作环境及混合建模方式，使得并行工程设计模式已不再是新鲜的概念，总体设计部门只要将基本的结构尺寸发放出去，各分系统的人员便可开始工作，既可协同工作，又不互相牵连；由于模型之间的互相联结性，使得上游设计结果可作为下游的参考；同时，上游对设计的修改能直接影响到下游工作的刷新，实现真正的并行工程设计环境。5) CATIA V5 覆盖了产品开发的整个过程。 CATIA V5 提供了完备的设计能力：从产品的概念设计到最终产品的形成，以其精确可靠的解决方案提供了完整的 2D、3D 参数化混合建模及数据管理手段，从单个零件的设计到最终电子样机的建立；同时，作为一个完全集成化的软件系统，CATIA V5 将机械设计、工程分析及仿真、数控加工和 CATWeb 网络应用解决方案有机的结合在一起，为用户提供严密的无纸工作环境，特别是 CATIA V5 中的针对汽车、摩托车业的专用模块，使 CATIA V5 拥有了最宽广的专业覆盖面，从而帮助客户达到缩短设计生产周期、提高产品质量及降低费用的目的。CATIA V5 软件以其强大的曲面设计功能在飞机、汽车等设计领域享有很高的声誉20。与 PRO/E、UG 相比，CATIA V5 提供了更加丰富的建库工具以满足用户的需求。CATIA V5 采用统一的数据库，集三维实体、曲面造型、装配造型、三维工程图、数控加工、有限元分析等，特别是其全参数化和相关功能强大的实体造型技术为一体，为设计提供了很大的方便。因此，本课题选择 CATIA V5 为操作平台，使用方便、操作简单。只要通过鼠标拖曳悬着的齿轮即可获得汽车齿轮的实体，也可通过简单的复制得到。齿轮一旦复制到设计环境中，就形成独立的实体，与齿轮库脱离关系，因此可以利用该齿轮实体进行设计。本课题研究的重点是对汽车齿轮进行分类，并完成汽车齿轮库的建立。2 汽车齿轮方案分析2.1 建立汽车齿轮库的方案在 CATIA V5 下建立三维零件库有以下两种方案：1) 通过研究 CATIA V5 内置的三维标准件库的构成，摸索出一套利用 Catalog 功能构造三维零件库的方法。即使用 CATIA V5 软件提供的 Design Table 功能和 Catalog 功能建立汽车齿轮库；2)使用 Visual Basic 提供的引用对象库将 CATIA V5 的库文件加入程序框架，引用 CATIA V5 的类对象和函数等进行二次开发。目前，国内基本上都使用 Visual Basic 开发基于 CATIA V5 的标准件库系统，然而所开发的零件库系统使用灵活性较差，不能满足汽车、飞机等设计中频繁交互的要求。建库的整个过程工作量大、耗费时间多，容易出现参数设置错误，导致生成的零件误差相当大。因此大大降低了工作效率，而且使用 Visual Basic 开发的零件库系统只能在 CATIA V5 的特定模块下使用交互性太差。图2.1 零件库建立一般流程方案二使用 Visual Basic 开发基于 CATIA V5 的标准件库系统需要对 CATIA V5 进行二次开发，必须有一定的程序设计基础，且需掌握 CATIA V5 接口技术，使用相对复杂。方案一利用Excel表导入一系列的参数，可自动生成一系列的新的齿轮三维模型，达到三维齿轮模型的设计自动化。基于 Catalog 开发汽车齿轮库系统，实现了与 CATIA V5 版本的无缝连接，直接集成到 CATIA V5 上，系统具有开放性的接口，易于扩展。因此，本文采用方案一，即通过Catalog添加类的功能，将齿轮三维模型导入Catalog中，最终完成汽车齿轮库的建立。2.2 汽车齿轮分类方案比较选择合适的齿轮分类方法，对于在以后汽车设计中，齿轮能否更加方便、迅速调用起着决定性的作用。因此，选择最佳的齿轮分类方法具有重要意义。汽车齿轮的分类方法有很多，齿轮按其外形分为圆柱齿轮、锥齿轮、非圆齿轮、齿条、蜗杆蜗轮；按齿线形状分为直齿轮、斜齿轮、人字齿轮、曲线齿轮；按轮齿所在的表面分为外齿轮、内齿轮；按制造方法可分为铸造齿轮、切制齿轮、轧制齿轮、烧结齿轮等7。由于汽车齿轮分类方法较多，在本文中选择了以下三种分类方案：1)按照齿轮传动类型对汽车齿轮进行分类；2)按照制造方法对汽车齿轮进行分类；3)按照齿轮所在的汽车总成对汽车齿轮分类。2.2.1 按照齿轮传动类型对汽车齿轮进行分类因为现代汽车使用的齿轮中，圆柱直齿轮、斜齿轮、内齿轮、标准直齿圆锥齿轮、蜗杆这五类齿轮应用最为广泛，其他齿轮应用较少，故选择这五种齿轮作为研究对象。此种分类方法建立的齿轮库齿轮种类齐全，通用性强，还可以在运用于其他的机械设计中。但是此种分类方法所需工作量太大，针对性不强，没有针对汽车特点对汽车齿轮进行分类，而且在实际设计中查询过于复杂，不利于齿轮的快速调用。齿轮传动相交轴传动人字齿轮蜗轮蜗杆直齿锥齿轮斜齿锥齿轮曲线锥齿轮圆锥齿轮圆弧齿圆柱蜗杆渐开线蜗杆阿基米德蜗杆交错轴斜齿圆柱齿轮交替轴传动变态摆线圆弧齿廓抛物线齿廓渐开线直齿轮内啮合齿轮直齿轮外啮合齿轮平行轴斜齿圆柱齿轮传动直齿轮齿轮齿条平行轴齿轮传动图2.2 齿轮传动类型汽车齿轮圆柱直齿轮斜齿轮标准直齿圆锥齿轮内齿轮图2.2 按照方案一选择的齿轮2.2.2 按制造方法对汽车齿轮进行分类按制造方法齿轮分类可将汽车齿轮分为铸造齿轮、切制齿轮、轧制齿轮、烧结齿轮等8。汽车齿轮按此方案分类，可以通过齿轮加工方法、齿轮的材料以及齿轮热处理方法，搜寻到目标齿轮。此方案在齿轮生产加工中非常有帮助，但是在汽车设计时，齿轮的选用十分不便。烧结齿轮轧制齿轮切制齿轮汽车齿轮铸造齿轮图2.3 按照方案二选择的齿轮2.2.3 按照齿轮所在的汽车总成对汽车齿轮分类在汽车上，发动机、变速器、汽车同步器、差速器等总成中齿轮的应用最多，因此按照此种方案进行汽车齿轮分类，设计人员可以根据设计齿轮所属的汽车总成方便、快速的通过索引或树状结构对齿轮库进行检索、调用齿轮。此方案针对性强，着眼于汽车的设计，为设计人员提供良好的调用环境。在 CATIA V5 的平台上，设计人员可以轻松找到国内现有的各类常用汽车齿轮，在设计中节约大量的时间。汽车齿轮发动机齿轮变速器齿轮汽车同步器齿环汽车差速器直齿锥齿轮锥齿轮其他图2.4 按照方案三选择的齿轮2.3 汽车齿轮分类方案分析与确定：本文对汽车齿轮第一级分类，进行了详细得方案比较与分析，汽车齿轮第二级、第三级、第四级分类只是进行了简单得叙述。2.3.1 第一级按照汽车总成分类方案三建立的汽车齿轮库是从汽车本身的总成出发，设计人员只需知道设计的齿轮属于汽车哪一个总成，即可迅速、方便得从齿轮库中查询并调用所需的齿轮。而其他的方案着眼点并不是汽车，虽然也可以查询、调用到所需的齿轮，但是查询的工作量大、费时、费力，不利于设计中成本的节约。因此，本文采用方案三建立汽车齿轮库的第一级分类方案。汽车齿轮发动机齿轮变速器齿轮汽车同步器齿环汽车差速器直齿锥齿轮锥齿轮其他图2.5汽车齿轮第一级分类2.3.2 第二级按照汽车车型分类中国汽车分类标准(GB9417-89)将汽车分类为8类：1)载货汽车：微型货车、轻型货车、中型货车、重型货车；2)越野汽车：轻型越野汽车、中型越野汽车、重型越野汽车、超重型越野汽车；3)自卸汽车：轻型自卸汽车、中型自卸汽车、重型自卸汽车、矿用自卸汽车；4)牵引车：半挂牵引汽车、全挂牵引汽车；5)专用汽车：箱式汽车罐式汽车、起重举升汽车、仓栅式汽车、特种结构汽车、专用自卸汽车；6)客车：微型客车、轻型客车、中型客车、大型客车、特大型客车；7)轿车：微型轿车、普通级轿车、中级轿车、中高级轿车、高级轿车；8)备用分类号9)半挂车：轻型半挂车、中型半挂车、重型半挂车、超重型半挂车。轿车、客车和货车都是最普遍最常用的汽车，而越野车、专用车、自卸车和牵引车则具有专门的用途，适宜使用在特殊的环境和场合中。越野车主要用于坏路或无路地区的全轮驱动的汽车，但现在用途已经扩展为一般商用车；专用车又称特种车，是一种不同于上述任何类型汽车并具有特种结构，主要用于特殊用途的汽车，例如救护车、消防车、押钞车、洒水车、邮政车、电视转播车、油罐运输车、水泥搅拌车等等；自卸车是工矿企业和建筑工地用于装载散装原料、砂土并能使货箱自动倾翻卸货的汽车；牵引车专门用于牵引挂车的汽车，例如专门牵引集装箱挂车10。按照国家标准划分的汽车车型分类太多，而且许多车型的齿轮都是重复的，对于齿轮这种通用性强的零件，如果每一类车型的齿轮都设计，将大大增加工作量，造成不必要的时间浪费。例如越野车变速器齿轮与许多轿车的齿轮是通用的，一些微型的客车与轿车的齿轮也是通用的。而且在工厂实际开发中，也是按照微型车变速器、轻型车变速器、中型车变速器、重型车变速器等开发的。如重型变速器开发，有陕西法士特齿轮有限公司、綦江齿轮厂、中国第一汽车集团哈尔滨变速箱厂；轻型车变速器开发，有长春齿轮厂、唐山爱信齿轮有限责任公司；微型车变速器开发，有重庆青山有限公司与哈尔滨东安汽车动力股份公司。因此，将第一级齿轮中的发动机齿轮、变速器齿轮、汽车差速器直齿锥齿轮、汽车同步器齿环下面按照车型进行分类：微型车、轻型车、中型车、重型车。将轿车、越野汽车、载货汽车中微型货车、客车中微型客车划分在微型车。自卸汽车中的轻型自卸汽车、半挂车中的轻型半挂车、客车中的轻型客车、载货汽车轻型货车划分在轻型车。自卸汽车中的中型自卸汽车、半挂车中的中型半挂车、客车中的中型客车、载货汽车中型货车划分在中型车。自卸汽车中的重型自卸汽车与矿用自卸汽车、半挂车中的重型半挂车、客车中的大型客车与超大型客车、载货汽车中的重型货车和超重型货车划分在重型车。图2.6 汽车齿轮第二级分类图2.7 汽车齿轮第三级分类部分图特殊齿轮中主要选用的车型是专用汽车中的起重举升汽车、轮胎式液压挖掘汽车以及叉车。具体方案即第二级分类方案如图 第三级按照齿轮传动类型分类在发动机上主要应用直齿轮和斜齿轮两种齿轮，因此在发动机下面再分为直齿轮和斜齿轮两类。变速器齿轮的四种车型可以划分为直齿轮和斜齿轮，装载机的齿轮泵分为直齿轮和直齿锥齿轮。第三级分类如图2.7。2.3.4 第四级按照齿轮的基本参数分类1)发动机齿轮主要包括喷油泵传动齿轮、空压机齿轮、机油泵传动齿轮、机油泵主动齿轮、机油泵从动齿轮、喷油泵传动齿套、曲轴正时齿轮、凸轮轴正时齿轮、中间齿轮等等12。根据兴化齿轮厂生产的玉林发动机SL100、SL300齿轮，湖北齿轮厂生产的康明斯6BT发动机齿轮，河北保定齿轮厂生产的4JB1发动机齿轮等等，选择发动机通用齿轮。选择发动机通用微型直齿轮基本参数为模数m=1、1.5，压力角a=20、25，齿数2040。选择通用的微型斜齿轮基本参数为模数m=1.75、2.5，压力角a=20，分度圆螺旋角=29.68，齿数2040。如表2.1、2.2所示。表2.1 发动机微型车直齿轮模数m压力角（）齿数Z12020401.520表2.2 发动机微型车斜齿轮模数m压力角（）分度圆螺旋角（）齿数Z1.752029.6820402.529.68选择发动机通用的轻型直齿轮基本参数为模数m=2.5，压力角a=20、30，齿数2040。选择通用的轻型斜齿轮基本参数为模数m=1.5、2.5、2.75，压力角a=20，分度圆螺旋角=16，齿数2050。选择发动机通用的中型直齿轮基本参数为模数m=2、2.5，压力角a=20、25，齿数2040。选择通用的中型斜齿轮基本参数为模数m=3.75，压力角a=20、22.5，分度圆螺旋角=23、24.2，齿数2050。选择发动机通用的重型直齿轮基本参数为模数m=3.2，压力角a=15、20、25，齿数2050。选择通用的重型斜齿轮基本参数为模数m=4.5、5.5，压力角a=20，分度圆螺旋角=20.65、26.18，齿数2040。2)变速器齿轮主要包括倒档齿轮、一档齿轮、二挡齿轮、三档齿轮、倒档齿套、中间轴、倒车惰轮等等。根据桂林白城齿轮厂CA141变速器、兰州汽车齿轮厂LC35-20B1变速器、兴化齿轮厂的EQ141变速器、以及其他厂家生产的CASS-20变速器、G601Y 变速器等，选择变速器通用的齿轮。选择微型变速器通用的直齿轮基本参数为模数m=1、2、2.5，压力角a=20，齿数Z=2040，微型变速器通用的斜齿轮基本参数为m=1.75、2、2.5，压力角a=20，螺旋角为17.5、29.68，齿数Z=2040。如表2.3、2.4所示。表2.3 微型车变速器直齿轮模数m压力角a（）齿数Z12020402202.520表2.4 微型车变速器斜齿轮模数m压力角a（）螺旋角齿数Z1.752017.5204029.68217.529.682.517.529.68选择轻型变速器通用的直齿轮基本参数为模数m=2.5、3、4，压力角a=20、30，齿数Z=2050，轻型变速器通用的斜齿轮基本参数为m=1.5、2.5，压力角a=15、20，螺旋角=16、17.5，齿数Z=2050。如表2.5、2.6所示。表2.5 轻型车变速器直齿轮模数m压力角a（）齿数Z2.5202050303203042030选择中型变速器通用的直齿轮基本参数为模数m=2、2.5、4、4.5，压力角a=20，齿数Z=2050，中型变速器通用的斜齿轮为m=3.5、3.75，压力角a=20、22.5，螺旋角=23、24.2，齿数Z=2050。表2.6 轻型车变速器斜齿轮模数m压力角a（）螺旋角齿数Z1.51516205017.5201617.52.5151617.5201617.5选择重型变速器通用的直齿轮基本参数为模数m=6.25、8，压力角a=20、30，齿数Z=2045，重型变速器通用的斜齿轮为m=4、4.5、5.5、9、5，压角a=20螺旋角=20.65、26.18，齿数Z=2050。3)汽车同步器用齿环主要包括一档从动齿环、二档齿环、二档从动齿环、三档齿环、四档齿环、中间档常啮合齿轮、倒档从动齿环等。根据武汉汽车同步器齿环有限公司生产的长安 SC1101/2 档与 SC1101/4 档齿环、天津市汽车公司生产的 CA1415/6 档齿环以及其他公司生产的CAS520、Q140、IVECO-14/5、CA7220-1同步器齿环等等。选择微型车通用的同步器齿环基本参数为模数m=2、2.5，压力角a=20、25、30，齿数Z=2040。表2.7 微型车通用的同步器齿环模数m压力角a（）齿数Z220204025302.5202530选择轻型车通用的同步器齿环基本参数为模数m=2、2.5，压力角a=20、30、35，齿数Z=3050。如表2.8所示。表2.8 轻型车通用的同步器齿环模数m压力角a（）齿数Z220305030352.5203035选择中型车通用的同步器齿环为模数m=2.5，压力角a=25、30，齿数Z=3050。如表2.9所示。表2.9 中型车通用的同步器齿环模数m压力角a（）齿数Z2.525305030选择重型车通用的同步器齿环基本参数为模数m=2.9、3、3.5，压力角a=20，齿数Z=3060。如表2.10所示。表2.10 重型车通用的同步器齿环模数m压力角a（）齿数Z2.920306033.54)汽车差速器直齿锥齿轮主要包括行星齿轮和半轴齿轮。根据一汽集团哈尔汽车齿轮厂生产的捷达差速器齿轮、天津汽车齿轮厂TJ1010差速器齿轮、四川雅安通工齿轮厂生产的昌河SK410差速器齿轮等，选择微型车通用的差速器直齿锥齿轮基本参数为模数m=2.35、3.816、4.5537、5.3475，压力角a=14.5、23.5，齿数Z=1025。选择轻型车通用的差速器直齿锥齿轮基本参数为模数m=4.8、5、5.4，压力角a=20、22.5、23.5，齿数Z=1025。选择中型车通用的差速器直齿锥齿轮基本参数为模数m=6.5，压力角a=22.5，齿数Z=1025。选择重型车通用的差速器直齿锥齿轮基本参数为模数m=6.5、8、9，压力角a=20、22.5、25，齿数Z=1025。5)装载机齿轮泵主要包括输出齿轮、中间轴输出齿轮等等，根据安阳齿轮厂生产的ZL30轮胎式装载机齿轮泵等，选择装载机齿轮泵通用的直齿齿轮为模数m=4、5，压力角a=20，齿数Z=4065。选择装载机齿轮泵通用的差速器直齿锥齿轮为模数m=4.8、5、5.4，压力角a=20、22.5、23.5，齿数Z=1025。起重机齿轮泵主要包括主动齿轮、从动齿轮等等，根据徐州盛泰吊车配件厂生产SQ4ZB2、SQ3SB2齿轮泵等，选择起重机齿轮泵通用的直齿轮为模数m=3，a=20，Z=4085。叉车蜗杆减速器主要包括差动小齿轮、半轴齿轮、行星齿轮等等，根据河南长葛市金霸建筑机械厂生产的NY-08叉车，NY-10叉车，NY-15叉车，NY-20叉车，NY-25叉车等，选择叉车蜗杆减速器通用的蜗杆为模数m=1.5，a=20，蜗杆直径D=20mm，N=48。3 汽车齿轮三维参数化建模3.1 参数化设计的介绍参数化设计是 Refit Building 的一个重要思想，它分为两个部分：参数化图元和参数化修改引擎。Refit Building 中的图元都是以构件的形式出现，这些构件之间的不同，是通过参数的调整反映出来的，参数保存了图元作为数字化建筑构件的所有信息13。参数化修改引擎提供的参数更改技术使用户对建筑设计或文档部分作的任何改动都可以自动的在其它相关联的部分反映出来，采用智能建筑构件、视图和注释符号，使每一个构件都通过一个变更传播引擎互相关联。构件的移动、删除和尺寸的改动所引起的参数变化会引起相关构件的参数产生关联的变化，任一视图下所发生的变更都能参数化的、双向的传播到所有视图，以保证所有图纸的一致性，毋须逐一对所有视图进行修改。从而提高了工作效率和工作质量。用CAD方法开发产品时，零件设计模型的建立速度是决定整个产品开发效率的关键。产品开发初期，零件形状和尺寸有一定模糊性，要在装配验证、性能分析和数控编程之后才能确定。这就希望零件模型具有易于修改的柔性。参数化设计方法就是将模型中的定量信息变量化，使之成为任意调整的参数。对于变量化参数赋予不同数值，就可得到不同大小和形状的零件模型。在CAD中要实现参数化设计，参数化模型的建立是关键13。参数化模型表示了零件图形的几何约束和工程约束。几何约束包括结构约束和尺寸约束。结构约束是指几何元素之间的拓扑约束关系，如平行、垂直、相切、对称等；尺寸约束则是通过尺寸标注表示的约束，如距离尺寸、角度尺寸、半径尺寸等。工程约束是指尺寸之间的约束关系，通过定义尺寸变量及它们之间在数值上和逻辑上的关系来表示。在参数化设计系统中，设计人员根据工程关系和几何关系来指定设计要求。要满足这些设计要求，不仅需要考虑尺寸或工程参数的初值，而且要在每次改变这些设计参数时来维护这些基本关系，即将参数分为两类：其一为各种尺寸值，称为可变参数；其二为几何元素间的各种连续几何信息，称为不变参数。参数化设计的本质是在可变参数的作用下，系统能够自动维护所有的不变参数。因此，参数化模型中建立的各种约束关系，正是体现了设计人员的设计意图。参数化设计可以大大提高模型的生成和修改的速度，在产品的系列设计、相似设计及专用CAD系统开发方面都具有较大的应用价值。目前，参数化设计中的参数化建模方法主要有变量几何法和基于结构生成历程的方法，前者主要用于平面模型的建立，而后者更适合于三维实体或曲面模型。3.2 汽车基准齿轮的建模简介所谓“汽车基准齿轮”，就是一系列汽车齿轮之中的代表齿轮。汽车基准齿轮包含这个系列汽车齿轮的所有参数和特征。在建模时，要求把模型相关的所有特征用参数体现出来，参数的名称要求有意义，方便后续使用；为了避免出现不必要的麻烦，模型草图要求“全约束”，草图上的约束尺寸要和已经定义的那些参数相关联。3.3 直齿轮的参数化建模3.3.1 直齿轮几何特征渐开线外啮合齿轮一个齿的基本齿廓（GB1356-1987）性状由5段曲线组成，其中两段对称的渐开线，一段齿顶圆弧曲线和两段齿根圆弧曲线14。见表3.1所示。表3.1 直齿轮主要参数主要参数公式齿数模数压力角齿顶圆半径分度圆半径基圆半径齿根圆半径渐开线曲线的参数方程：其中3.3.2 渐开线直齿轮参数化建模过程1)打开 CATIA V5 进入工具选项显示，选择在规格树中显示参数、关系。图3.1 特征树上的参数2) 进入创成式外形设计，按下 ，增加上述参数和公式。如图3.1特征树上的参数。3)按下图标，设置规则（law）。增加规则 x 并输入渐开线 x 的方程，增加规则 y 并输入渐开线y的方程。4)增加6个点，类型为在“平面上”。 如图3.2点定义对话框。选择 xy 平面，然后在“H”后的编辑框中按鼠标右键，选择编辑公式，输入关系x.Evaluate( 0 ) 同样在“V”后输入关系y.Evaluate( 0 )；其他点分别为 关系x.Evaluate( 0.1 ).关系x.Evaluate( 0.5 )。 图3.2点定义对话框 图3.3 加入六点的曲线5)选择创建样条曲线命令，分别加入这六个点，如图3.3加入六点的曲线。6)在xy平面上创建一个 半径为 r 的圆。7)在6点形成的曲线延伸，boundary 取端点。如图3.4 Extrapolate 定义对话框。作导圆，如图3.5完成后的导圆。 图3.4 Extrapolate定义对话框 8)建立一个平面，新平面与yz平面成一夹角，如图所示，夹角用公式 -360deg/4/Z给出。如图3.6平面定义的对话框。 图3.5 完成后的导圆图3.6 平面定义的对话框9)将轮廓线关于新建的平面做镜像。10)用 split 工具将轮廓线剪裁出来，然后用 join 将这些线条连接起来，得到了一个完整的齿形轮廓线。图3.7 完整的齿廓线11)做出另一端面的轮廓线：先用平移工具，创建轮廓线。如图3.8平移定义的对话框。然后用rotate工具修改轮廓线，将它旋转合适的角度，如图3.9 Rotate定义的对话框。12)先前做的齿根圆被切成齿廓线的一部分了，现在还要重新做一个齿根圆，用extrude工具做出毛坯。图3.8 平移定义对话框 图3.9 Rotate定义的对话框14) 用多截面曲面Multi-sections绘制齿曲面，环形阵列得出齿轮，然后进入零件设计模块，用close surface命令分别将两个曲面闭合成实体。15)用环形阵列将齿轮的所有轮齿阵列出来。如图3.10阵列的定义对话框。图3.10 阵列的定义对话框16)至此，整个齿轮参数化建模完成。如图3.11参数化建立好的直齿轮模型。图3.11 参数化建立好的直齿轮模型3.4 斜齿轮的参数化建模3.4.1 斜齿轮的几何特征斜齿轮齿廓在啮合过程中，齿廓接触线的长度由零逐渐增长，从某一个位置开始又逐渐缩短，直至脱离接触，这种逐渐进入逐渐脱离的啮合过程减少了传动时的冲击、振动和噪声，从而提高了传动的稳定性，故在高速大功率的传动中，斜齿轮传动获得了较为广泛的应用。由于斜齿轮的齿面为渐开螺旋面，故其端面的齿形和垂直于螺旋线方向的法面齿形是不相同的，因此法面参数和端面参数也不相同15。由于加工的原因法面的参数都为标准值，但是考虑斜齿轮的几何尺寸和传动关系却是按端面的参数来进行计算，所以应考虑法面参数和端面参数的换算关系，不涉及法向参数时，斜齿齿轮中有如表3.2所示参数及参数关系：3.4.2 斜齿轮建模的基本思路斜齿轮与直齿轮相比，就是斜齿轮两端端面旋转了一个角度，如果旋转角度为零，那这个斜齿轮就是一个直齿轮了，因而直齿轮就是螺旋角为零的特殊斜齿轮。因此，我们可以将直齿轮和斜齿轮用同一个画法画出来，只改变一下参数（为端面的参数）就可以输出不同的直齿或者斜齿的齿轮，大思路如下：表3.2 斜齿轮主要参数主要参数公式齿数模数压力角齿顶圆半径分度圆半径基圆半径齿根圆半径螺旋角齿厚1)首先用formula定义齿轮各参数的关系；2)画出齿轮齿根圆柱坯子；3)通过输入的公式得出一个齿的齿廓；4)在曲面设计模块下将齿廓平移到坯子的另一端面（通过平移复制一个新的齿廓到另一端面）；5)将新的齿廓旋转到特定角度；6)多截面拉伸成形一个轮齿；7)环形阵列这个轮齿。3.4.3 斜齿轮参数化建模过程1)进入创成式外形设计，选择 f (x) 功能键，增加上述的参数和公式。2)参照直齿参数化建模310步骤，创建出一个渐开线。如图3.12 绘制完成渐开线。图3.12 完成的渐开线3)做出另一端面的轮廓线：用平移工具，创建轮廓线。用rotate工具修改轮廓线，将它旋转合适的角度，角度公式为：depth*tan(beta)/rk*57.3deg。4)先前做的齿根圆被切成齿廓线的一部分了，现在还要重新做一个齿根圆，然后用extrude工具做出坯子。5)用多截面曲面multi-sections做出齿曲面。如图3.19 multi-sections的定义对话框。6)环形阵列得出齿轮进入零件设计模块，用close surface命令分别将两个曲面合成实体。如图3.13工具栏中的close surface功能键。图3.13 工具栏中的close surface图3.14 参数化建立的斜齿轮7)用环形阵列将齿轮的所有轮齿阵列出来，至此斜齿轮参数化建模完成。如图3.14 参数化建立的斜齿轮。3.5 直齿锥齿轮的参数化建模3.5.1 直齿锥齿轮几何特征直齿锥齿轮在汽车工业中有着广泛的应用，它用来实现两个相交轴之间的传动，两轴的相交一般采用90。直齿的轮齿排列在截圆锥体上，轮齿由齿轮的大端到小端逐渐收缩变小。锥齿轮的参数化建模过程比较复杂，参数化设计直齿锥齿轮的过程中应用了大量的参数与公式。锥齿轮的基本参数如表所示：表3.3 直齿锥齿轮的基本参数名称代号计算公式模数压力角齿数分锥角齿顶高分度圆直径齿顶圆直径齿根圆直径锥距齿根角3.5.2 直齿锥齿轮建模的基本思路1)在中输入基本参数和关系式。2)在草绘环境下创建出基本曲线。3)创建大端齿轮的基本圆。4)创建小端齿轮的基本圆。5)创建渐开线。6)镜像渐开线。7)创建齿根圆特征。8)创建第一个轮齿。9)阵列轮齿。3.6 蜗杆的参数化建模3.6.1 蜗轮的几何特征蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动，两轴线间的夹角可为任意值，常用的为90。这种传动由于具有结构紧凑、传动比大、传动平稳以及在一定的条件下具有可靠的自锁性等优点，它广泛应用在机床、汽车、仪器、起重运输机械、冶金机械及其它机器或设备中。3.6.2 蜗杆建模的基本思路1)在草绘环境下，描绘出基本草图。2)创建出阶梯轴。3)螺旋扫描，创建轮齿。4 建立汽车齿轮零件库用户参数（User Parameter）4.1 相关术语的介绍设计表（Design Table）图4.1 特征树上的参数与设计表参数（Parameter）在CATIA V5文档中被作为一个特征，参数有自己的“值”，可以用“关系（Relation）”来进行约束。关系（Relation）是知识工程特征（公式、设计表等）的集合。公式（Formula）定义了一个参数是怎样和其他参数发生关联的。设计表（Design Table）是一个包含一系列参数的 Excel 或纯文本的表格，这个表格里面的每一列定义了一个对应参数的“值”，参数的名字位于列的第1位；表格中的