最新渐开线齿轮参数化设计

1、渐开线齿轮参数化设计精品资料渐开线齿轮参数化设计郭文涛安庆师范大学物理与电气工程学院安徽安庆246011指导教师：唐飞摘要：由于齿轮的模数、齿数等原因,齿轮的制造过程并非很迅速,其生产效率很低.现如随着CAD术的不断成熟,各厂都分分利用CADf术来生产齿轮,使齿轮的制造周期大大减短.但是,由于当前的齿轮设计计算过程仍然使用传统的计算过程,计算时浪费大量的时间,减小齿轮的制造效率.为了解决上述的问题,本文介绍在Pro/ENGINEE阴境下,通过对渐开线直齿圆柱齿轮的参数化设计,实现对渐开线齿轮的设计方法,以及对Pro/ENGINEERt件中的PROGRAM!块进行了二次开发,方便地实现齿轮的参数

2、化设计和修改.关键词：渐开线齿轮,Pro/ENGINEER参数化设计1引言1.1渐开线齿轮参数化设计研究背景在几十年前,CAD技术刚刚形成时期,人们对于CAD技术的应用不够成熟,不能快速的完成对像渐开线齿轮这种复杂零件的创立.而且参数化技术在60年代到90年初期,发展的也不够成熟,不能有效的提升渐开线齿轮的设计效率.现目前,随着高级CAD的出现,参数化技术的成熟,人们越来越多的依赖CAD技术和参数化技术,对复杂零件进行参数化设计,用以提升制造效率.齿轮作为应用最广泛的机械零件之一,对其进行参数化设计必不可少.1.2渐开线齿轮参数化设计研究现状当前关于齿轮的研究材料已经十分完善,但是齿轮的设计过

3、程依然还是十分繁琐,需要消耗工人大量的时间,本钱太高.为了解决上述问题,很多软件开发商开始着手研究如何可以快速、 精确的设计齿轮.但是就目前来看国内外对三维实体造型的参数化研究并不如二维图形参数化研究那么成熟,特别是像渐开线齿轮这类三维实体,参数化研究并不多见.其原因总结起来有三,其一：渐开线齿轮的二维图形参数化设计不能满足精品资料现齿轮的加工要求；其二：复杂的三维实体很难利用低级CAD软件实现参数化虚拟造型设计；其三：低级CAD软件零件造型的准确度差,零件造型的准确度直接影响了零件在计算机上的运动学和动力学仿真分析以及采用数控机床加工的结果.此时高级的CAD软件显得尤为重要,利用高级三维设计

4、软件能很好的实现渐开线齿轮的参数化实体造型.1.3参数化设计技术参数化设计是一种设计方法,是指可以通过改变零件的尺寸来改变零件的形状,从而实现对零件图片的驱动,因此它可以无数次通过改变零件的尺寸,来满足不同规格的零件装配要求.参数化设计凭借其草图设计、尺寸驱动修改图形功能,缩短零件制造周期,较少研发本钱等优点成为三维模型设计的最好方法之一.2渐开线齿轮参数化设计方法2.1渐开线的形成及其特征如图1所示,当一直线BK沿一圆周作纯滚动时,直线上任意一点K的轨迹AK就是该圆的渐开线.该圆称为渐开线的基圆,它的半径用rb表示.根据渐开线的形成过程,可知渐开线有以下特征：(1)发生线BK线段长度等于基圆

5、上被滚过的弧长AB.(2)渐开线上任意一点的法线包与基圆相切.(3)渐开线愈接近基圆局部的曲率半径愈小,在基圆上的曲率半径为零.(4)渐开线的形状取决于基圆的大小.(5)基圆内无渐开线.精品资料2.2渐开线曲线的设计思路渐开线齿轮的参数化设计过程中,最主要的是齿轮渐开线的创立.而Pro/ENGINEER中草绘界面所提供的绘图工具只能绘制常见的曲线和形状,没有直接用于绘制渐开线的命令.所以对于如渐开线等的复杂曲线,需要通过“插入、“基准曲线、“从方程命令,绘制出渐开线基准曲线,然后利用草绘界面里面的“使用边命令,选择渐开线曲线,创立渐开线草绘截面.然后再利用拉伸、镜像、阵列、合并等操作生成渐开线

6、齿形.用方程绘制渐开线可以在笛卡儿直角坐标坐标系中建立,也可以在圆柱坐标极坐标系中建立.渐开线极坐标方程如1所示,直角坐标方程如2所示.ktankk(Drbcosk式中：rk 为向径；rb 为基圆半径；k 为展角；k 为压力角精品资料rkxrb(cossin)1.1yrb(sincos)式中：x、y为渐开线上任一点的直角坐标值；rb 为基圆半径；为渐开线发生线在基圆上的滚动角度.2.3渐开线齿轮参数化设计思路根据孙恒?机械原理?第八版,高等教育出版社图书,可以查阅到普通渐开线标准齿轮的根本参数有：模数、压力角(分度圆上标准压力角为20)、齿数(圆柱不根切的最小齿数为17)、齿距、齿宽等.这些尺

7、寸共同决定了齿轮的大小和形状.所以,在渐开线齿轮的建模过程,如果把把这些尺寸将其关联,每个特征尺寸都用一关系式进行约束,便可完成对该齿轮的建模.当该齿轮的建模完成后,通过相应的窗口输入不同的尺寸便可得到不同的齿轮,从而完成了对从齿轮的参数化设计.Pro/ENGINEER软件中提供了可以对齿轮进行的参数化设计的工具,其中“参数工具可以设置齿轮的一系列参数,而“关系工具,可以对这一些列的参数进行约束,使它们之间形成一种关系,“方程编辑器工具,它可以编辑齿轮渐开线的方程,从而绘制精确的渐开线,当以上步骤完成后,根据一系列的拉伸、阵列等特征完成齿轮的参数化建模,最后可根据Pro/ENGINEER中“工

8、具栏里白Program工具,通过输入不同的参数,“再生,实现渐开线齿轮的参数化设计.3渐开线直齿圆柱齿轮的创立1.2直齿轮的建模分析(1)创立齿轮的根本圆选择一草绘平面,利用Pro/ENGINEER中“草绘工具,创立渐开线齿轮的齿顶圆、分度圆、基圆、齿根圆,并且利用设置好的参数来限制圆的大小.(2)创立渐开线用从方程来生成渐开线的方法,创立渐开线.(3)镜像渐开线由于齿轮的渐开线为交叉的两条,当其一渐开线创立完,需要利用“镜像工具,选择镜像平面,通过关系式来控平面角度,完成另一渐开线的创立.(4)拉伸形成实体齿轮的根本圆、渐开线绘制完成,便可通过“拉伸工具创立齿轮的齿根圆实体和一个齿轮轮齿.这

9、一步是创立齿轮的关键步骤.(5)阵列轮齿利用“阵列工具,对步骤4)所创立的轮齿进行阵列,完成齿轮的外形.(6)创立其它特征创立齿轮的轴孔、键槽特征,并且利用参数和关系式来限制相关尺寸.1.3直齿轮的建模过程(1)新建一个名为“chilun的文件(2)设置参数精品资料执行【工具/参数】命令,输入设计参数：模数m；齿数z；压力角alpha;齿宽b;齿顶高系数hax；顶隙系数cx等参数.图2齿轮参数设置(3)绘制齿轮的根本圆,并利用关系式限制其大小在主菜单上依次击“工具一“关系,系统弹出“关系对话框,在“关系对话框内输入齿轮的分度圆直径关系、基圆直径关系、齿根圆直径关系和齿顶圆直径关系.由这些关系式

10、,系统便会自动生上图所示的未指定参数的值.输入的关系式如下.d=m*zha=(hax+x)*mhf=(hax+cx-x)*mda=d+2*hadf=d-2*hfdb=d*cos(alpha)然后通过草绘平面绘制任意四个同心圆,分别代表渐开线齿轮的齿顶圆、分度圆、基圆和齿根圆.将四个根本圆通过 【工具/关系】 命令,在 【关系】 窗口输入以下关系式来控制圆的大小,最后使用“编辑中“再生工具对四个根本圆进行再生精品资料d0=dadi=dd2=dbd3=df(4)创立渐开线基准曲线本文在直角坐标系中绘制渐开线曲线,首先执行【插入/基准曲线】命令,选择【从方程】方式创立基准曲线,然后选取默认坐标系【P

11、RTCSYSDEF】和【笛卡尔坐标】,在【方程编辑器】记事本窗口输入渐开线方程在Pro/E中相应的表达式.ang90trdb/2sPIrt/2xcrcos(ang)ycrsin(ang)xxcssin(ang)yycscos(ang)z0保存数据,退出记事本,单击“曲线：从方程对话框中的【确定】,便得到所需的渐开线GJ：於晚年% %S S 如RTDOflimRTDOflimJIUEWJIUEW7TCP7TCP7 7 阳口附iSSfUBmimi,加 A A图3渐开线方程表达式*JTM!*JTM!, ,IMIM；*r*rE-E- T1T1白n n? ? : :,.,.L L 一#天祠工t-Ft-F

12、而JfMJfM；i七 a 门虻棒M M*f*f f!f! .KLE.v.KLE.v图4齿轮单渐开线(5)创立基准特征创立过4个同心圆圆心,且与这些圆草绘平面垂直的基准轴A_1;在分度圆和渐开线交点处创立基准点PNT0;以基准轴A_1和基准点PNT0为参照建立基准平面DTM1;以基准轴A_1和基准平面DTM1为参照,建立旋转角度为任意值的基准平面DTM2,通过 【工具】 中“关系,输入关系式D23=90/z(有时需要用D23=180-90z的关系式,具体情况需要具体分析)限制基准平面DTM2的旋转角度.(6)镜像渐开线选取完成的渐开线,以刚完成的基准平面DTM2为镜像平面,镜像渐开线曲线.渐开线

13、的创立是本文的难点,同时也是最为重要的局部.精品资料nPftTMOl.PftTnPftTMOl.PftT 7 7USEHTUSEHTZ7TCFZ7TCFUFRONiMT_WFRONiMT_W _M_MF F/MSftl/MSftl一运匕一/*G/*G：.+*!口71eP.1,%国JPRT0Q01WTJPRT0Q01WT口的=1时,d15=0.38*m,否那么d15=0.46*m.即在【关系】栏中输入的程序如下：ifhax=1d15=0.38*melsed15=0.46*mendif精品资料葩弓2J起叫嘀“忙| |K KUtJUl.PrUtJUl.PrI I；- - 7 7RIGHTRIGHTc

14、 c： 7 7TOPTOP27PROMTW 帅T_CSVS.&CFT_CSVS.&CF夷: :A-A-KSfkfrvMSfrvMS：/M/M,界MU：口PTM17PTM2* *-t-t：=5l=5g)g)- -4SRSA- -n n1 1i i/ /巳幅本t t一自林二方0 01 15 5MlMl,向图7齿轮轮齿的复制(10)阵列生成所有齿轮轮齿选择刚刚创立的第二个轮齿特征,在工具栏内点击【阵列】按钮,在绘图区单击选取两个轮齿间的夹角尺寸作为阵列参照,阵列出另一个齿轮轮齿,然后在主菜单上单击“工具-“关系,系统弹出“关系对话框.此时系统显示两个轮齿夹角的尺寸代号.单击该尺寸代号

15、,尺寸代号将自动显示在“关系对话框中,输入的关系式为：最后点击【再生】,完成所有轮齿的创立.精品资料p28=z-1d27=360/z(其中p28为阵列个数,d27为阵列角度.)_j_jfsroooiMTfsroooiMTCTRIWTCTRIWTTBuFBONFBON产i ij jrvrvE*u u一帚&伉口2 2iM M/-WTO/-WTO口DTMlDTMlUD*WiD*Wi*1*1赛事事1 1-小拄胃1 1同S3OXC2S3OXC2(11)创立凹槽入如下关系式:DD0=0.85*dfBB0=0.1*bLL2=(DD1)/2LL1=(LL2)/2LL3=(DD0-DD1)/4+DD1/

16、2DD2=(DD0-DD1)/5保存数据,然后选择【拉伸】按钮,放置适宜平面,以坐标原点为圆心,画一任意大小的圆；选择去除材料,设定任意去除材料深度；根据【关系】确定圆的大小和材料的深度,关系式为:d；5=bb0(其中6 为圆的大小,5为去除材料的深度.)(12)创立轴孔特征精品资料手电I I包仆土腕1KB1KB1 1图少IRHiHTIRHiHT口T8T8OFRDNTOFRDNT* *PSlT_CSPSlT_CS S_DfcFS_DfcFr r* *i iy y*j*j日DTM1DTM1 7DTM27DTM2i i工鞋?1 1,小L L* *, ,IFPJl l:移二StiSti口安片2 2f

17、l.fl.j tJTMatJTMa史支F*F*二J*J*37占或印2121+臼臊电峰亚丁4141一空监1 1IIIItjtj图8齿轮轮齿的阵列首先参加关系式,在主菜单上依次单击“工具“关系,系统弹出“关系对话框,输最后利用【镜像】工具,做出齿轮另齿面的凹槽.精品资料选择【拉伸】按钮,绘制任意大小的圆,选择去除材料得到一通孔.然后利用【关系】限定孔径大小.关系式为:d81=dd1创立键槽,方法与创立孔特征相似,继续利用【拉伸】工具,绘制键槽草图,然后利用去除材料得到一键槽,利用【关系】限定键槽大小.关系式为:：8：=；(其中侬为键槽高度,=为键槽宽.)(13)创立小孔特征.创立小孔特征的过程与创

18、立轴孔的特征相似,经过拉伸一去除材料得到通孔,然后利用【关系】限定通孔的大小和通孔中央到原点的距离.关系式为:最后再利用【镜像】工具完成四个小孔特征LSorwi“DFW立*】小履帝1 1T T口下的Q/ /2626?&rwiUii,TEnn1 1支 fL 可蚱2 22 2拉 D2929电.W.图9齿轮的轴孔和键槽特征(14)创立倒角特征.d86=dd2d87=ll3(其中d86为孔径大小,d87为孔的中央到原点的距离.)口PftTQOTl.PftlZ7TZ7T0PZ7T0P口FflOMFFflOMF头眼1313耳仙0 0I I2 面H H石尸不2精品资料在工具栏中选择【边倒角】按钮,在

19、“边倒角特征定义操控面板内输入倒角值为“1单击选择如下的两条边作为倒角边,点击确定按钮,完成倒角的创立.但州7 7proemproemnNixxTTOflNixxTTOflDHlOhTHlOhTilJL5ri_DEFilJL5ri_DEF小口 HJ JSiWSiW扁蝌/M/M强PNTDPNTD孕不拄I I小卓拄停工* *I=-.1I=-.1SidSid本L L& &JJ症看此t t担 U2727,T3 工I*T4I*T4曲/71汕1 13书w1 1*莅M M 图10齿轮的倒角特征利用相同的方法,为所有圆孔创立倒角值为“0.5的边倒角特征.4渐开线齿轮的参数化设计4.1利用编程的

20、方法设计新的齿轮利用Pro/ENGINEER中PROGRAM模块实现齿轮的参数化设计.(1)执行【工具程序】命令,选择编辑设计,在之后出现的【程序编辑器】窗口中的INPUT和ENDINPUT语句之间插入以下内容,然后保存并退出【程序编辑器】窗口.MNUMBER“请输入齿轮模数：ZNUMBER“请输入齿轮齿数：BNUMBER“请输入齿宽：HANUMBER“请输入齿顶高系数:CNUMBER精品资料“请输入顶隙系数:(2)系统提示“是否将所做的修改表达到模型中,单击【是】,然后在弹出的【得到输入】菜单中选择【输入】,并在【INPUTSEL】菜单中选择【选取全部】.(3)根据系统提示分别输入模数、齿数

21、、齿宽、齿顶高系数、顶隙系数等设计参数,完成齿轮的参数化设计.图11齿轮参数化程序编辑器窗口4.2更改参数值设计新齿轮在【参数】对话框中直接更改齿轮的设计参数模数、齿数、齿宽、齿顶高系数、顶隙系数等的数值,然后再生模型,完成新齿轮的参数化设计.5结论本文详细阐述了渐开线齿轮参数化的绘制方法,为斜齿轮,锥齿轮及齿条,蜗轮蜗杆的绘制提供了参考.通过参数和关系工具,将齿轮的几何参数用设计参数加以约束,通过更改齿轮的设计参数实现齿轮的参数化设计,大大缩短了工人的劳动周期,提升了齿轮的制造精度和齿轮的安装精度.渐开线齿轮参数化设计也为有限元分析和仿真加工提供了模型根底,防止了每当外部条件改变时均需重新建

22、模的重复繁琐劳动,可提升齿轮设计的生产效率,减少重复性劳动,具有较好的实用性,有效地提升了企业的设计响应能力.参考文献:精品资料1黄迎春.基于SolidWorks的齿轮参数化设计系统研究.大连理工大学学报J.2022.65-672安美玲.基于Pro/E的渐开线齿轮参数化设计.兰州工业高等专科学校学报J.2022.43詹友刚.机械设计教程机械工业出版社野火版5.0M.20224孙恒、陈作模、葛文杰,机械原理.高等教育出版社第七版M.20225濮良贵.机械设计.高等教育出版社第9版M.20226LuisSolano&PereBrunet.ConstructiveConstraint-basedModelforParametricCADSystemsJ.Computer-aidedDesign.7张秉森.计算机辅助教程.清华清学出版社M.20228文福安.最新计算机辅助设计.北京邮电大学出版社M.20009王可.国内三维CAD何时百花齐放.中国制造业信息化J.2022.23-2410金建国.周明华.邹学军.参数化设计综述.计算机工程与应用J.2022.16-18TheParametricDesignofInvoluteGearGuowentao(SchoolofPhysics