基于Pro／E3．0渐开线斜齿轮的参数化造型设计.pdf

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1、4 文章编号 ： 1 0 0 2 6 8 8 6 ( 2 0 0 9 ) 0 2 0 0 0 4 0 4 基 于 P r o E 3 0渐开线斜齿轮 的参数化造型设计 黄朝斌 ， 刚建明 ， 冯定 。 谢光伟 ( 】 长江大学机械工程学院， 湖北 荆州4 3 4 0 2 3 ； 2 大连理工大学运载工程与力学学部， 辽宁 大连 1 1 q ) 2 4 ) 摘要： 本文主要介绍如何在P r 0 E 3 0环境下实现渐开线斜齿轮参数化设计。利用渐开线方程和螺旋线方程驱动生成渐开线和 螺旋线， 同时又对模型主要尺寸通过关系式进行控制。通过二 次开发工具 P r o g r a m编程的方法实现模型的

2、参数化造型， 用户只需 按提示输入相应的特征参数即可生成新的模型。从而使渐开线斜齿轮的参数化设计方便快捷， 减少了设计者的重复劳动， 提高 了设计效率。 关键词： 渐开线斜齿轮三维造型P r 0 E 参数化设计 中图分类号 ： T H 1 3 ； T P 3 1 9 文献标识码： A P a r a me t r i c De s i g n o f I n v o l u t e He fi x Ge a r Ba s e d o n P r o E 3 0 HU A N G C h a o b i n， GA N G J i a n n ， F E N G Di n g ， X I E G

3、 u a n g w e i Ab s t r ac t：Ho w t o r e ali z e p a r a me t ric de s i g n o f i n v o l u t e h e l i x g e a r ba s e d o n P r o E 3 0 i s ma i n l y i n t r o du c e d i n t h e pa p e r I n v o l u t e c ur v e a n d s p i r a l c u r v e are d riv e n b y f i l a r i n v o l u t e f u n c t

4、 i o n e q u a t i o n a n d s p i r a l c u r v e e q u a t i o n r e s p e c t i v e l y and ma i n di me ns i o n s o f t h e mo d e l a r e c o n t ml l e d b y t h e ml a fi o n T h e c u s t o m i z a t i o n d e v e l o p me n t t o o l o f P r o E - p r o g r a m i s a p p l i e d t o r e al

5、i z e t h e p a r a m e t ric mo d e l i n g and n e w mo d e l i s g e n e r a t e d o n l y b y i n p u t t i n g c o r r e l a t i o n c h a r a c t e r i s t i c p ara me t e r s ， w h i c h ma d e p ara me t ri c d e s i g n o f i n v o l u t e h e l i x g e ar c o n v e n i e n t a n d f a s t

6、 ， r e d u c e d d u p l i c a t i o n l a b o r o f d e s i g n e r an d i n c r e ase d t h e e f fi c i e n c y Ke y wo r ds ： i n v o l u t e h e l i x g e ar ；t h r e edi me n s i o n a l mo d e l i n g ；Pr o E；p ara me t ric d e s i g n 0 前言 1 造型分析 渐开线斜齿圆柱齿轮( 简称斜齿轮) 作为种通用传动 零件， 由于存在螺旋角口 ， 故 当一

7、对斜齿轮啮合传动时， 其轮 齿是先由一端进入啮合逐渐过渡到轮齿的另一端而最终退 出啮合， 其齿面上的接触线是先由短变长， 再由长变短。正因 如此， 所以斜齿轮的轮齿在交替啮合时所受的载荷是逐渐加 上、 再逐渐卸掉的。与直齿圆柱齿轮相比， 其传动比性能有了 很大的提高， 具有重合度大、 传动平稳、 啮合性能好、 承载能力 强、 冲击载荷小 、 结构紧凑等许多优点。因此在冶金， 矿山等 各种机械设备中， 尤其是在高速和重载传动中得到广泛应 用。 由于斜齿轮的齿廓形状复杂 、 多变 ， 导致其 实体 的 三维造型复杂 、 烦琐 。以往 的一些 C AD软件不 能直接 实现齿 轮 的精确 造 型设计

8、， 必须 通过 编程 才 能完 成。 而在 P r o E 3 0环境下 ， 则可根据齿轮传动的基本规律 和渐开线齿形 的生成 原理进 行精确 造型 ， 还可 以实现 斜齿轮 的参数化建模 。 利用 P r o E基于特征的参数化造型 ， 所创建的特征 均 由用 户参数 和关 系式进行 控制 ， 用 户只需 要对 约束 参数进行修 改， 就能很 方便 的生成一 系列 的或者 是相 似的斜齿轮模型。从 而使设 计人员从大量 繁重的绘 图 工作中解脱 出来 ， 提高了设 计速度 ， 并减少 信息的存储 量 。 斜齿轮造型设计的关键是其齿廓的设计 ， 造型的准确 性关系着斜齿轮最终的设计质量， 主要

9、包括端面齿廓 曲线 的形成和齿廓曲面的形成两个方面。 1 )斜齿轮端面齿廓曲线 由 2 条渐开线齿廓 、 齿顶 圆 圆弧 、 2条齿根过渡线和齿根圆圆弧组成。其 中 2条齿根 过渡线采用近似圆角表示。渐开线齿廓的绘制可通过方 程式创建 渐开线 曲线 ， 在 绘制基准 曲线选 项 中的 F r o m E q u a t i o n 选项中输入方程式 ， 直接绘制出渐开线的基准曲 线。 2 )齿廓 曲面可看作是斜齿轮两端 面齿廓沿螺旋线 ( 与母线倾斜角等于螺旋角 ) 的方 向扫描混合而形成的， 螺旋线的绘制也可通过方程式创建。 2 设计步骤 2 1定义斜齿轮的主要参数 斜齿轮的主要参数如下：

10、齿轮齿数 、 法面模数 、 法面压 力角、 分度圆螺旋角 、 齿轮宽度 、 法面齿顶高系数、 法面顶 隙系数。在设计斜齿轮时， 已知参数为齿轮齿数 Z ， 法面压 力角 O ( = 2 0 。 ) 、 分度圆螺旋角 、 齿轮法面模数 m ， 齿 顶高系数 h 和顶隙系数 C 按 国家标准规定分别为 1和 0 2 5 ， 则齿根圆直径 、 基 圆直径、 分度圆直径 、 齿顶 圆直径 以及渐开线参数可利用相关计算关系式计算得到 ， 如 作者简介： 黄朝斌( 1 9 8 2一) ， 男， 湖北黄冈人， 长江大学硕士研究生， 从事机械设计及理论研 究。研 究方向： 机械现代设计理论及技术研究。 收稿日

11、期： 2 0 0 81 1 2 1 5 表 1 所示。 表 1 斜齿轮基本尺寸计算关系式 斜齿轮的所有几何参 数都由它的设计参数决定， 也就是用户参数 ， 因此在准 备建模之前 ， 先要创建用户 参数。选择 “ 工具” 一 “ 参 数”命 令， 此 时 系统 弹 出 “ 参 数 ” 如 图 1所 示对 话 框， 建立用户参数 ， 并设置 其对应的初 始值 和说 明文 字。 2 2添加齿轮参照圆关 系式 进入二维草绘环境， 在 草绘平 面内绘制任意尺寸 的 4个 同心 圆。选 择 “ 工 具” 一“ 关系” 命令 ， 在“ 关 一囊 一 奠 一 蔷 奄 帮 辩 “ 魂 竹 镯崾 ) 日 - H

12、0 r 【1 口m) ，2 ” 【 】 ， I ； = 圈霄 C 耍 E = 图 2 基 本圆 “ 关系”对话框 系” 对话框中添加如图 2所示的齿轮的分度圆直径 、 基圆 直径、 齿根圆直径以及齿顶 圆的约束关系式 ， 通过再生模 型最终生成标准齿轮基本圆基准曲线。 2 3创建齿廓渐开线特征 2 3 1创建渐开线 P r o E中生成渐开线可以直接利 用渐开线方程驱动 产生 ， 其方法 如下 ： 选取 工具栏 “ 插入基准 曲线” 按钮， 选择“ 从 方程 ”选 项； 选取 笛 卡 儿 坐 标 ( C a r t e s i a n ) 作 为定义坐标系 ， 在 弹出的记事本编辑器 中输入

13、如 下的渐开线曲线方程， 确认后生 成一条渐开线。如图 3所示。 r=DB 2 图 3 齿轮轮廓 渐开线 Y=r s i n( t h e t a )一 r ( t h e t a p i 1 8 0 ) C O S( t h e t a ) x=r C O S( t h e t a )+r$( t h e t a p i 1 8 0 )$s i n( t h e Z=0 2 3 2创建镜像基准平 面特征 通过工具箱上 “ 基准点工具” 按钮 、 “ 基准轴工具” 按 钮分别创建基准点 P N T 0以及基准轴A一1 。 以基准轴A一1 和基准点 P N T 0作为定义参照 ， 通过工具箱上

14、“ 基准平面 工具” 按 钮生 成 基准 平 面 D T M1 ， 此 后 ， 选 取 基 准平 面 D T M1和基准轴 A一1 作 为定义参照， 在“ 旋转” 文本框中 输入“ 3 6 0 ( 4 Z ) ” ， 或者在“ 工具” 一 “ 关 系” 命令下进行 约束定义 ， 生成基准平面 D T M2 。 2 3 3创 建渐开线镜像特征 在图形上 选取 已创建 的 渐开线齿廓曲线， 然后在工具 箱上单击“ 镜像” 按钮， 选择基 准平面 D T M2作为镜像平面， 生成如 图 4所示的渐开线镜 像特征。 2 3 4创建齿廓截面特征 1 )草绘齿廓截面 开线创 建方法相似。这里选取 图7创建

15、的螺旋线特征 柱坐标 ( C y l i n d r i c a 1 ) 作为定义坐标系， 在记事本编辑器中 中 国 机 械 采 购 网 一 6 输入如下的螺旋线曲线方程， 即可生成一条螺旋线。如图 7所示。 r=DB 2 t h e t a=t 3 6 0 B t a n( b e t a ) C O S( a l p h a ) ( p i $ D B ) Z=t B 2 5创建圆柱体 单击“ 特征” 工具栏中的拉伸工具 ， 选取 F R O N T基准 平面作为草绘平 面， 在其后的工具箱上单击 “ 边创建 图 元” 按钮， 以齿顶圆作为拉伸截面， 进入三维实体模式 ， 在 操作板中设置

16、拉伸深度 B( 齿宽) 。 添加关系式约束 ： d 1 9=B。 2 6创建齿槽 1 )创建单个齿槽 选择“ 插入” “ 扫描 昆合” “ 伸出项” 选项 ， 在弹出的 “ 混合选项” 菜单中分别选择“ 选取截面” 、 “ 垂直于原始轨 迹” 和“ 完成” 选项 ， 选取两端齿廓曲线作为混合截 面， 选 轴孔半径： D 5l=0 1 6 键槽宽度 ： D 5 3=0 0 8 键槽高度： D 5 2=0 0 3 $ 周边圆直径 ： 周边 圆心到轴孔圆心 图1 0特征修饰后的齿轮模型 的距离 ： D 5 6= 0 3$MN Z 阵列特征关系式 ： P 6 0=Z 1 D 5 7= 3 6 0 Z

17、1 3 ) 单击工具栏上的“ 层” 按钮， 打开“ 层树” 窗 口， 隐藏 基准特征 ， 完成修饰后的齿轮模型如( 图 1 0 ) 。 3实体参数化 数化设计( P a r a m e t r i c D e s i g n ) 也称变量化设计( V a r i a t i o n a l D e s i g n ) ， 可以大大提高模型的生成和修改的速度 ， 是机械 C A D C A M领域里 的一大研究热点。它以设定驱 动参数和尺寸驱动为主要技术原理 ， 其设计思想的重要体 现就是“ 尺寸驱动” 的设计方式， 突破 了常规思维的束缚， 使设计者获得最大限度的设计 自由， 只要修改模型的特

18、征 参数 ， 即可生成新的模型。 3 1参数化的实现 进入“ 工具” 菜单下的“ 参数” 命令 ， 使用“ 再生成” 命 令生成修改参数后的实体模型， 将参数值分别改为： MN =6， Z =2 0， AL P HA ：2 0， BE T A = 1 6， B ：6 0， HAX = 1 ， CX =0 2 5， X =0， A1=6； MN =8， Z =2 2， AL P HA =2 0， B E T A=1 3 5， B=6 0 ， H A X=1 ， C X= 0 2 5 ， X=0 ， A1=8 ； 修 改参数后的模型如图 l 1 ( a ) 、 1 1 ( b ) 所示。 ( a

19、) 更改参数后 的模型 1 ( b ) 更改参数后 的模型2 图 1 1 3 2利用编程的方法控制参数的输入 采用编程( P r o g r a m) 命令对参数的输入进行控制。选 择“ 工具” 一“ 程序” 一“ 编辑设计” 命令 ， 在系统弹出的记 事本编辑器的 I N P U T和 E N D I N P U T之间添加如下语句以 实现斜齿轮的特征参数输入 ： I NPUT MN NUMBER Z NUMBER ALPHA NUMBER BE T A NUMBE R B NUMBER HAX NUMBER C X NUMBE R X NUMB ER Zl NUM BER END I NP

20、UT 保存参数化设计程序 ， 将所做的修改体现到模型 中。 在弹出的菜单管理器的“ 得到输出” 菜单中选择“ 输入” ， 之后在弹出的“ I N P U T S E L ” 复选菜单界面中选择相应的 参数名称 ， 单击“ 完成选取” ， 输入相应的参数值 。 此后要生成新的模型 ， ( 下转第 1 3页) 1 3 D2=3 6 0 Z 1 D3=ANG_T O0 r r H T HI C K1 D4=1 8 0 Z 1 1 ) 5=RB1 D1 3=RF 1 D1 4 =RAD n U T D1 5=3 6 0 Z l P 1 6=Z 1 Dl 1 6：S HAF T DI A D1 1 7=

21、KE Y 既 I G l rI 1 D1 1 8=KE Y W I D I H E ND R E LA rl 1 0 NS I F RF 1 A齿轮， 否则加入 B齿轮 E XE CU T E P A RT eE AR A 执行 A齿轮 Z 1=Z 1 外部参数输入 Z 2 = Z 2 M= M AI PHA： AI P HA G EAR WI D r H = GE AR WI D I H RA D n L唧= RA D nI J ET S HAF T D I A = S HAF T D I A K EY WI DT H= KEY WI DT H K E Y HE I G r r = KE Y

22、 HE I G I T END EXECUTE ADD P AR T GE AR A加入齿轮 I N 厄 RN AL C 0MP ON EN T I D 3 9 END ADD M= M AI PHA = AU HA GE AR _ W I 响= GE AR W I D TH RAD n I 上 T = R AD F【 I 王 ET S HAF T DI A = S HAF T D I A KE Y W I DT H = KE Y _W I 唧 KE Y H EI GH1 = KE Y HEI G r r E ND ExE C U I E ADD P ART GE AR _B 加入 B齿轮 I

23、 NT E R NAL CO MP ON EN T I D 4 0 E ND ADD E ND I F 4 设计实例 图 3为利用该软件在 P r o E N G I N E E R软件中自动生成的 标准直齿圆柱齿轮实体模型。 其参数为：齿数 z = 2 5、 模 数 m= 2 5 m m 、 压力角 。 = 2 0 。 、 轴孔 d a x i s= 3 0 i n n 、 键宽 k e y w i d t h=8 m m、 键 高 一 h e i g h t =4 5 i n l n 5 结论 图3 圆柱 齿轮 实体模型 利用 P r o E n g i n e e r 软件提供的二次开发

24、程序设计出齿轮 后 ， 可以直接生成其零件或部件的工程图， 并且利用 P r o E n gin g e r 制作的工程图与实体模型之间具有完全的相关性， 以 使工程图始终与实体模型保持一致性， 从而避免了重复修改 造成的繁重而枯燥的工作。 E L s E 参考文献 E X ECU TE P AR T GE AR B 执行 B齿轮 1 黄圣杰， 五俊祥 P r o E n n e e r 基础及应用教程 M 北京ff - J - , k z 1：z 1 外部参数输入 出版社， 0 0 2 7 7 ， 一 7 7 ， 2张继春 15 E二次开发 实用教程 M 北京 北京大学出版社 ， 2 O O

25、 3 3成大先 机械设计手册 j E 京 化学工业出版社， 2 O O 2 夺 ( ： 夺 夺 夺 夺 夺 串 夺 争 - 孛 夺 专 - 夺 夺 夺 争 夺 夺 夺 寺 夺 夺 - 夺 夺 丰 夺 夺 夺 寺 牵 夺 夺 夺 寺 寺 孛 孛 ( 上接第 6页) 只需单击菜单栏“ 再生成” 按钮， P K I E系统就会 自动执行前 改。从而大大减少了重复建模的过程， 提高了工作效率。 面编辑的程序， 重复前面的参数输入工作即可。 参考文献 4 结语 1孙桓 陈作模 机械原理( 第六版) M 北京! 高等教育出版社 2 o o i 本文充分利用 P r o E的参数化设计功能， 实现渐开线斜

26、2 钟日 铭 P m E N G l N E E R Wj l 栅 3 o中文版机械设计 实例教程 M 齿轮的三维造型。利用 P r 0 E基于实体特征对零件进行参 北 京： 清华 大学出 版社 ，2 O 0 7 数化设计， 只需要修改特征参数即可准确快速地生成斜齿轮 3 詹 友刚 P r o E n n e e r 零件 设计范 例 M 北京： 清 华大 学出 版 社， 2 O O 5 的3 D模型。同时， Pro E二次开发工具 P r o g r a m很容易实现 零件的系列化设计， 设计者只需点击“ 再生成” 命令， 按提示 输入特征参数， 即可实现参数化设计和修 中 国 机 械 采 购 网 自 喾静 瓤